Brevet FR2703509A1 — publié le 19941007

PROCEDE DE REALISATION D'UN ROTOR ET ROTOR POUR TUBE A RAYONS X L'invention concerne un procédé de réalisation d'un rotor pour un tube à rayons X tout particulièrement utilisé dans les appareils de radiologie, notamment de mammographie. Elle concerne également le rotor obtenu par ce procédé. Actuellement, comme le montre schématiquement la figure 1, un tube à rayons X, placé dans une gaine de protection et alimenté en haute tension comprend essentiellement une cathode 1 et une anode 2 enfermées dans une enceinte 3 de verre sous vide, réalisant l'isolement électrique entre ces deux électrodes. La cathode est réalisée par un émetteur thermoélectronique, tel qu'un filament de Tungstène, logé dans une pièce métallique de concentration, et qui, lorsqu'il est chauffé, émet un faisceau 4 d'électrons lorsqu'il est chauffé, focalisé sur l'anode. Cette dernière est généralement constituée par un disque massif de graphite recouvert d'une couche de matériau à numéro atomique élevé émettant des rayons X lorsqu'elle est bombardée par un faisceau d'électrons.L'anode 2 est portée à un fort potentiel positif - plusieurs dizaines de kilovolts - par rapport à la cathode 1 et le champ électrique créé ainsi entre les deux électrodes accélère les électrons émis par la cathode et frappant l'anode sur une petite surface ou zone d'impact dudit faisceau électronique sur l'anode, qui constitue le foyer d'émission du rayonnement X. Les hautes tensions qui doivent être appliquées aux électrodes sont fournies par des dispositifs d'alimentation 5 dits haute tension. L'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons est transformé en rayons X d'une part mais surtout en chaleur. C'est pourquoi, étant donné aussi les puissances instantanées mises en jeu lors du fonctionnement du tube - de 1 à 100 kilowatts environ et les petites dimensions du foyer - environ 1 millimètre -, l'anode est mise en rotation pour répartir le flux thermique sur une couronne dite focale, dont la surface est beaucoup plus grande que celle du foyer. Pour refroidir un tube à rayons X dissipant une grande quantité d'énergie en cours de fonctionnement, on le dispose à l'intérieur d'une gaine isolante 10 dans laquelle circule un fluide de refroidissement, généralement de l'huile isolante électriquement. Cette anode tournante 2 a la forme classique d'un disque ayant un axe de symétrie 6 autour duquel elle est mise en rotation à l'aide d'un moteur électrique asynchrone. Ce moteur a un stator 7 situé à l'extérieur de l'enceinte 3 et un rotor 8 monté dans l'enceinte, disposé selon l'axe de symétrie 6 de l'anode et solidaire mécaniquement de l'anode par l'intermédiaire d'un arbre-support 9. Le rotor est constitué d'un noyau en matériau magnétique - du fer ou de l'acier - qui canalise le champ magnétique, recouvert d'une couche de matériau conducteur électrique - du cuivre ou un alliage cuivreux -, dans laquelle se développent des courants induits intenses assurant le mouvement de l'anode par action sur le champ tournant. Actuellement, cette couche de cuivre est rendue solidaire du noyau magnétique de forme cylindrique soit en la déposant par fusion soit en la brasant, ces deux techniques étant réalisées dans des fours sous vide avec des températures qui doivent être impérativement contrôlées dans le temps et l'espace. Dans le cas de la fusion du cuivre, qui nécessite une reprise d'usinage après le dépôt, une liaison intime se crée entre le noyau de fer et la couche de cuivre par diffusion des molécules. Ces deux techniques présentent deux types d'inconvénients, tout d'abord économique car elles sont surtout longues et coûteuses, et surtout technique. En effet, les deux cylindres constituant le rotor sont réalisés à partir de matériaux dont les coefficients de dilatation sont très différents : celui du cuivre est 17.10-6 et celui du fer est environ 10.10-6, de sorte que la pièce résultant de leur association a un coefficient de dilatation intermédiaire de l'ordre de 13.10-6 supérieur à celui de l'acier.Lors du fonctionnement du tube, celui-ci s'échauffe par rayonnement de l'anode, par conduction de l'arbre-support et pertes du moteur, entraînant le phénomène suivant : le cuivre tire radialement le noyau d'acier et contribue à défretter les bagues extérieures du roulement existant entre l'arbre support et le rotor, qui se désolidarisent du noyau en créant alors un jeu nuisible à la bonne rotation de l'anode. Si, de plus, il y a un défaut de concentricité entre l'enveloppe extérieure cylindrique en cuivre et l'interface cylindrique acier-cuivre, il s'ajoute un phénomène de dilatation différentielle entre les différentes génératrices du cylindre - effet bilame -, provoquant une cambrure générale du rotor à l'origine de balourd, donc de vibrations, de bruit et d'usure du tube. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes en proposant un rotor dont la couche de cuivre est désolidarisée autant que possible du noyau magnétique, de façon à séparer la fonction motrice du cuivre de la fonction mécanique, porteuse de l'acier. Pour cela, l'objet de l'invention est un procédé de réalisation d'un rotor pour tube à rayons X, constitué d'un noyau cylindrique en fer recouvert d'une couche de cuivre, caractérisé en ce qu'il consiste à - creuser deux gorges à la périphérie du noyau cylindrique, parallèles à sa directrice D et près de ses deux extrémités, à profil triangulaire dont la direction de l'un des côtés passe par un point fixe de l'axe de symétrie S du noyau; - mettre en place autour du noyau un tube de cuivre de diamètre sensiblement égal au diamètre du noyau et de même longueur; - déformer le tube de cuivre selon deux gorges s'enfonçant respectivement dans les deux gorges du noyau et présentant un profil triangulaire dont les cotés sont parallèles et au contact des côtés des gorges du noyau de fer. Selon une seconde version, l'objet de l'invention est un procédé de réalisation d'un rotor pour tube à rayons X, constitué d'un noyau cylindrique en fer recouvert d'une couche de cuivre, caractérisé en ce qu'il consiste à - creuser, parallèlement à la directrice D du noyau et près de ses deux extrémités, deux séries d'au moins trois cavités coniques réparties symétriquement autour du noyau, à profil triangulaire dont la direction de l'un des côtés passe par un point fixe de l'axe s de symétrie du noyau; - mettre en place autour du noyau un tube de cuivre de diamètre sensiblement égal au diamètre du noyau et de même longueur;; - déformer le tube de cuivre selon deux séries de saillies coniques, en nombre égal au nombre des cavités du noyau, chaque saillie s'enfonçant dans une cavité du noyau et présentant un profil triangulaire dont les côtés sont parallèles et au contact des côtés des cavités du noyau de fer. Un autre objet de l'invention est un rotor pour tube à rayons X, constitué d'un noyau cylindrique en fer recouvert d'une couche de cuivre, caractérisé en ce que le noyau comporte deux gorges creusées à sa périphérie, parallèles à sa directrice D et près de ses deux extrémités, lesdites gorges ayant un profil triangulaire dont la direction de l'un des côtés passe par un point fixe de l'axe de symétrie s du noyau; et en ce que le noyau est recouvert par un tube de cuivre de diamètre sensiblement égal au diamètre du noyau et de même longueur présentant deux déformations selon deux gorges, s'enfonçant respectivement dans les deux gorges du noyau, présentant un profil triangulaire dont les cotés sont parallèles et au contact des côtés des gorges du noyau de fer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels, outre la figure 1 déjà décrite et qui est un schéma en coupe longitudinale d'un ensemble radiogène - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un rotor selon l'invention; - les figures 3a et 3b sont des vues partielles, en coupe longitudinale, d'un rotor selon l'invention, respectivement à froid et à chaud; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un rotor selon l'invention,; - la figure 5 est un détail, en coupe longitudinale, d'un rotor selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un rotor selon l'invention, comportant un noyau de fer ou d'acier 20 de forme cylindrique, autour duquel est emmanché un tube de cuivre 21, ou d'alliage cuivreux, de même longueur et de diamètre sensiblement égal. La mise en place du tube de cuivre 21 peut être réalisée par les deux méthodes suivantes, par exemple, le frettage et le magnétoformage. Le frettage consiste à enfoncer par force un tube dont le diamètre intérieur est légèrement inférieur - de quelques centièmes de millimètres - au diamètre extérieur du noyau cylindrique. Le frettage est réalisé soit à la presse soit thermiquement, en chauffant le tube de cuivre ou en refroidissant le noyau d'acier à l'azote liquide.Le magnétoformage consiste à utiliser un tube dont le diamètre intérieur est légèrement supérieur - de quelques dixièmes de millimètres - au diamètre extérieur du noyau et à les placer dans un champ magnétique intense créé par des bobines et destiné à réduire les dimensions du tube de cuivre qui se plaque alors contre l'acier. L'avantage du magnétoformage par rapport au frettage réside dans le fait qu'il autorise des tolérances dimensionnelles plus grandes, réduisant le coût du rotor ainsi obtenu. Lors du fonctionnement du tube à rayons X au cours duquel le rotor subit un échauffement global, le tube de cuivre, qui est plus dilatable que le noyau d'acier, d'autant plus qu'il reçoit l'essentiel du rayonnement de l'anode et qu'il subit les pertes par effet Joule augmentant sa température par rapport à celle de l'acier, doit rester en contact avec celui-ci, sans glisser ni tourner. Pour cela, l'invention consiste de plus à creuser dans le noyau d'acier deux gorges 22 et 23 à profil approximativement triangulaire, près des deux extrémités du noyau 20 et à déformer le tube de cuivre 21 selon deux gorges 24 et 25 intérieures, également près des deux extrémités du tube 21, de forme triangulaire, dont les côtés T1, T2, T3, T4 sont parallèles et au contact des côtés N1, N2, N3, N4 des gorges du noyau 20 afin de s'y emboîter comme le montre la figure 3a.Cette déformation peut être réalisée par repoussage du cuivre. En considérant la bonne conductivité du tube de cuivre 21 et du noyau d'acier 20, leur géométrie et les variations relativement lentes de la température, on admet que chacun est isotherme et porté à une température différente de l'autre lors du fonctionnement du tube à rayons X, de sorte que la déformation de chacune des deux pièces est une homothétie dont le centre est un point quelconque de l'axe s de symétrie du noyau 20. Le noyau et le tube de cuivre étant à des températures différentes et leurs coefficients de dilatation étant également différents, ces deux pièces varient selon deux homothéties de rapports différents mais de centres confondus, selon l'invention. Ce centre peut être le milieu O de l'axe S par exemple. L'homothétie conservant les angles, il suffit que la direction d'un des cotés N1 respectivement N4 de chacune des gorges 22, respectivement 23, du noyau 20 passe par le centre O de ces homothéties pour que, lors d'un échauffement, les côtés N1, et N4, et les côtés T1 et T4 respectivement glissent l'un sur l'autre, sans exercer de contrainte, c'est-à-dire sans déformation des pièces, mais restent en contact alors qu'il apparaît un écart entre les côtés N2 et T2 d'une part et N3 et T3 d'autre part, comme le montre la figure 3b. Simultanément, la concentricité des deux pièces 20 et 21 reste assurée, évitant l'apparition d'un phénomène de balourd. L'écartement qui peut apparaître entre le tube 21 et le noyau 20 est très faible, de l'ordre de quelques centièmes de millimètres, et partout identique donc sans inconvénient. Selon une seconde version du rotor d'après l'invention, et comme le montre la figure 4, chaque gorge du noyau 20 peut être remplacée par au moins trois cavités coniques 30, réparties symétriquement autour du noyau et parallèlement à sa directrice, à l'emplacement même desdites gorges. Dans le cas de trois cavités 30, elles sont situées à 1200 les unes des autres. Comme pour la première version, la direction d'une génératrice de chacune de ces cavités coniques doit passer par le centre des homothéties définissant les déformations des deux pièces, ce centre étant choisi comme le milieu O de l'axe S de symétrie du noyau 20.Le tube de cuivre 21 est alors déformé selon deux séries de saillies coniques 40, en nombre égal au nombre des cavités 30 du noyau, chaque saillie s'enfonçant dans une cavité du noyau et présentant un profil triangulaire dont les côtés sont parallèles et au contact des côtés des cavités du noyau de fer. Il est possible d'ajouter deux ouvertures dans la partie cylindrique du tube de cuivre 21 comprise entre les deux gorges ou les deux séries de cavités, de diamètre suffisamment petit - inférieur à 4 mm - pour ne pas affecter le rendement du moteur et diamétralement opposées pour ne pas introduire de balourd. Ces ouvertures à travers la paroi du tube de cuivre assurent l'évacuation du gaz résiduel qui aurait pu rester piégé pendant le sertissage du rotor. L'expérience montre, même sans ces ouvertures, que la tenue au vide du tube à rayons X reste parfaite car les dilatations préliminaires pendant le pompage et la formation du tube ont dû permettre cette évacuation. Selon une variante de l'invention, il doit exister seulement une petite zone de contact entre le tube et le noyau, au niveau des gorges ou des cavités, ou la condition angulaire doit être respectée, c'est-à-dire que les gorges ou les saillies du tube de cuivre ont des côtés parallèles et au contact des côtés des gorges ou des cavités du noyau, les autres zones n'étant jamais en contact donc ne présentant pas de contrainte. Un profil de type sinusoïdal, tel que représenté sur la figure 5, est possible si le côté N1 du noyau 20 et le côté T1 du tube sont parallèles et en contact au niveau du point d'inflexion qui présente la bonne condition angulaire L'opération de repoussage du tube de cuivre consiste alors à faire toucher le cuivre au voisinage de cette zone. Il n'est pas nécessaire que la paroi interne déformée du cuivre épouse la forme de la gorge sur toute sa profondeur, ce qui serait difficile à réaliser par sertissage ou repoussage. L'invention permet de réaliser aisément et à moindre coût un rotor pour tube à rayons X, dont les bagues de roulement ne présentent plus de flottement nuisible au bon fonctionnement du tube. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un rotor pour tube à rayons X, constitué d'un noyau (20) cylindrique en fer recouvert d'une couche de cuivre, caractérisé en ce qu'il consiste a - creuser deux gorges (22,23) à la périphérie du noyau cylindrique, parallèles à sa directrice D et près de ses deux extrémités, à profil triangulaire dont la direction de l'un des côtés passe par un point fixe de l'axe de symétrie & du noyau (20); - mettre en place autour du noyau (20) un tube de cuivre (21) de diamètre sensiblement égal au diamètre du noyau et de même longueur; - déformer le tube de cuivre (21) selon deux gorges (24,25), s'enfonçant respectivement dans les deux gorges (22,23) du noyau et présentant un profil triangulaire dont les cotés sont parallèles et au contact des côtés des gorges du noyau de fer. 2. Procédé de réalisation d'un rotor pour tube à rayons X, constitué d'un noyau (20) cylindrique en fer recouvert d'une couche de cuivre, caractérisé en ce qu'il consiste à - creuser, parallèlement à la directrice D du noyau (20) et près de ses deux extrémités, deux séries d'au moins trois cavités coniques (30) réparties symétriquement autour du noyau, à profil triangulaire dont la direction de l'un des côtés passe par un point fixe de l'axe 6 de symétrie du noyau (20); - mettre en place autour du noyau (20) un tube de cuivre (21) de diamètre sensiblement égal au diamètre du noyau et de même longueur;; - déformer le tube de cuivre (21) selon deux séries de saillies coniques (40), en nombre égal au nombre des cavités (30) du noyau, chaque saillie s'enfonçant dans une cavité du noyau et présentant un profil triangulaire dont les côtés sont parallèles et au contact des côtés des cavités du noyau de fer. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le point fixe de l'axe S de symétrie du noyau de fer (20) est son milieu O. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la mise en place du tube de cuivre (21) autour du noyau de fer (20) est réalisée par frettage ou par magnétoformage. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la déformation du tube de cuivre (21) selon les deux gorges (24,25) ou selon les saillies (40) est réalisée par repoussage. 6. Rotor pour tube à rayons X, constitué d'un noyau (20) cylindrique en fer recouvert d'une couche de cuivre, caractérisé en ce que le noyau comporte deux gorges (22,23) creusées à sa périphérie, parallèles à sa directrice D et près de ses deux extrémités, lesdites gorges ayant un profil triangulaire dont la direction de l'un des côtés passe par un point fixe de l'axe de symétrie s du noyau (20); et en ce que le noyau (20) est recouvert par un tube de cuivre (21) de diamètre sensiblement égal au diamètre du noyau et de même longueur présentant deux déformations selon deux gorges (24,25), s'enfonçant respectivement dans les deux gorges (22,23) du noyau, présentant un profil triangulaire dont les cotés sont parallèles et au contact des côtés des gorges du noyau de fer, ledit rotor étant réalisé d'après le procédé selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Rotor selon la revendication 6, caractérisé en ce que le noyau (20) est en acier et le tube (21) en alliage cuivreux.