Brevet FR2815768A1 — publié le 20020426

Rotor magnétique pour moteur d'anode tournante de tube à rayons X L'invention concerne les tubes à rayons X du type à anode tournante et, plus particulièrement, dans de tels tubes, le rotor du moteur qui entraîne l'anode en rotation. Comme le montre schématiquement la figure 1, un tube à rayons X ou tube radiogène est généralement constitué comme une diode, c'est-à-dire avec une cathode 11 et une anode 12 ou anti-cathode, ces deux électrodes 11 et 12 étant enfermées dans une enveloppe 13 étanche au vide qui permet de réaliser l'isolement électrique entre ces deux électrodes. La cathode 11 produit un faisceau d'électrons 10 et l'anode 12 reçoit les électrons sur une petite surface qui constitue un foyer d'où sont émis les rayons X. Quand la haute tension d'alimentation est appliquée aux bornes de la cathode 11 et de l'anode 12, de façon que la cathode soit au potentiel négatif, un courant dit courant anodique s'établit dans le circuit, au travers d'un générateur 14 produisant la haute tension d'alimentation ; le courant anodique traverse l'espace entre la cathode et l'anode sous la forme du faisceau d'électrons qui bombardent le foyer. Une faible proportion (1%) de l'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons est transformée en rayons X. Aussi, compte tenu également des puissances instantanées importantes mises en jeu (de l'ordre de 1 à 100 KW) et des petites dimensions du foyer (de l'ordre du millimètre), les constructeurs ont depuis longtemps réalisé des tubes à rayons X à anode tournante où l'anode est mise en rotation pour répartir le flux thermique sur une couronne appelée couronne focale, d'aire plus grande que le foyer, l'intérêt étant d'autant plus grand que la vitesse de rotation est élevée, en général, entre 3. 000 et 12. 000 tours par minute. L'anode tournante 12 de type classique a la forme générale d'un disque ayant un axe de symétrie 17 autour duquel elle est mise en rotation à l'aide d'un moteur électrique. Le moteur électrique a un stator 15 situé à l'extérieur de l'enveloppe 13 et un rotor 16 monté dans l'enveloppe et disposé selon l'axe de symétrie 17, le rotor étant mécaniquement solidarisé à l'anode par l'intermédiaire d'un arbre support 18. Ce moteur est généralement de type asynchrone de sorte qu'il ne nécessite pas la création d'un champ inducteur par le rotor. L'énergie dissipée dans un tel tube est élevée et il est donc prévu de le refroidir. Pour cela, le tube est enfermé dans une enceinte ou gaine 19 dans laquelle on fait circuler un liquide de refroidissement 9, notamment de l'huile. Le rotor 16 est un manchon 22 en acier magnétique (figure 2), ayant, à titre d'exemple, une longueur de soixante-dix millimètres environ et un diamètre de quarante millimètres environ. Le manchon du rotor 16 est monté, par l'intermédiaire de roulements, sur un arbre 20 fixé sur l'enveloppe 13 du tube. La paroi externe du manchon est recouverte d'une couche de cuivre ayant une épaisseur de deux millimètres environ. Le procédé par lequel cette couche de cuivre est obtenue ne permet pas une précision de concentricité du rotor meilleure que 0,3 millimètre. De plus, en cours de fonctionnement du tube à rayons X, le rotor atteint des températures élevées qui contribuent à deux effets indésirables : - l'un provenant du contact entre les deux métaux différents du rotor : l'acier magnétique et le cuivre qui n'ont pas le même coefficient de dilatation (effet dit bilame ). La dilatation a pour effet de gonfler le manchon en son milieu (effet dit tonneau ) et une courbure apparaît suivant sa longueur (effet dit banane ). Il en résulte une rotation excentrique du manchon, ce qui modifie la position du point focal du rayonnement et dégrade l'image obtenue. - l'autre provenant d'une déformation cylindrique du rotor qui a un effet néfaste sur les parties mécaniques, notamment les roulements de support. L'invention a donc pour but de réaliser un rotor pour moteur d'anode tournante de tube à rayons X dont les déformations sont fortement atténuées, ce qui améliore substantiellement l'image obtenue en augmentant la résolution spatiale. L'invention concerne un rotor pour moteur d'anode tournante de tube à rayons X, comprenant un manchon en acier magnétique dont la surface externe est recouverte d'une couche de métal conducteur, caractérisé en ce que la couche de métal conducteur présente une pluralité de rainures ou gorges circulaires parallèles réparties sur la longueur du manchon et délimitant des bandes circulaires parallèles. Les rainures circulaires ont de préférence une largeur faible vis-à-vis des bandes les séparant, par exemple de l'ordre du dixième tandis que leur profondeur est inférieure à l'épaisseur de la couche de métal conducteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation. Cette description étant faite en relation avec le dessin joint dans lequel : - la figure 1 est un schéma d'un tube à rayons X à anode tournante auquel s'applique l'invention, - les figures 2A et 2B sont des vues d'un rotor de moteur d'anode tournante selon l'art antérieur, l'une en coupe transversale et l'autre en perspective cavalière, et - la figure 3 est une vue en perspective cavalière d'un rotor de moteur d'anode tournante selon l'invention. Les figures 1 et 2 ne seront pas décrites à nouveau. Selon l'invention et comme le montre le schéma de la figure 3, la couche en métal conducteur tel que du cuivre 32 qui recouvre le manchon en acier magnétique 30 présente des rainures circulaires parallèles 34 qui sont creusées dans la couche de cuivre sans pour autant atteindre la paroi externe du manchon 30. A titre d'indicatif, l'épaisseur restante de cuivre est de 0,8 millimètre environ alors que l'épaisseur moyenne est de deux millimètres, soit une profondeur de rainure qui est égale à environ la moitié de l'épaisseur de la couche de cuivre. Ces rainures délimitent des bandes circulaires 36 d'épaisseur normale, c'est-à-dire deux millimètres environ. Egalement à titre indicatif, la largeur des rainures 34 est de 0,5 millimètre environ tandis que celle des bandes 36 est d'environ cinq à dix millimètres, soit un rapport compris entre dix à vingt. Ainsi sur une longueur de rotor de 70 millimètres, il peut y avoir six rainures circulaires parallèles et sept bandes circulaires parallèles. Avec un tel rotor, l'effet de la déformation a été réduit de 80% alors que les performances du moteur n'ont été réduites que de 3%. Les chiffres indiqués ci-dessus ont été donnés à titre d'exemple mais ne sont pas limitatifs de l'invention. Cependant, il est important d'indiquer que la profondeur des rainures a une influence sur les performances du moteur, performances qui sont réduites de 40% lorsque les rainures ne contiennent plus de cuivre et atteignent donc la paroi externe du manchon 32. Les courbes du diagramme de la figure 4, qui résultent d'une simulation, montrent l'évolution en pourcentage de l'effet bilame en fonction du nombre de rainures et de leur profondeur. En l'absence de rainures, l'effet bilame, mesuré par l'allongement de la longueur du foyer, est de 100%. La présence de rainures selon l'invention réduit d'autant plus cet effet bilame que le nombre de rainures augmente et que l'épaisseur restante de cuivre dans la rainure diminue. Par ailleurs, la diminution de l'effet bilame est moins accentuée lorsque la couche de cuivre s'éloigne de la concentricité avec le manchon en acier. Ainsi, la meilleure amélioration est obtenue dans le cas où il n'y a plus de cuivre dans les rainures : courbe 50-0 mm de Cu-avec un effet bilame réduit à 7,3% pour dix rainures au lieu de 100%. Cependant, les performances du moteur se dégradent sensiblement lorsqu'il n'y a plus de cuivre dans les rainures, ce qui conduit à ne pas retenir cette solution. Les améliorations les moins sensibles concernent les cas où la concentricité de la couche de cuivre est mauvaise (courbes 56 et 58) et elle est d'autant moins sensible que l'épaisseur restante de cuivre est plus élevée. L'effet bilame est réduit à 67,5% pour dix rainures (courbe 58) avec une épaisseur de cuivre de 0,8 mm et à 40,5 % pour dix rainures (courbe 56) avec une épaisseur de cuivre de 0,4 mm. Enfin, les courbes 52 et 54 montrent que pour dix rainures, l'effet bilame est réduit à 11,8% pour une épaisseur de cuivre de 0,4 mm et à 18% pour une épaisseur de cuivre de 0,8 mm. Par ailleurs, les performances du moteur sont peu affectées dans ces deux solutions l'une par rapport à l'autre de sorte que celle correspondant à la courbe 52 (0,4 mm de cuivre) est à retenir de préférence. En d'autres termes, la profondeur des rainures doit être égale à au moins la moitié de l'épaisseur de la couche de cuivre. En ce qui concerne la largeur des rainures, il y a lieu de noter que leur largeur doit être aussi faible que possible mais en évitant que les déformations conduisent à ce que les bords des rainures se touchent. Le choix d'une largeur de 0,5 mm est compatible avec cette exigence et permet une réalisation selon un usinage classique et peu coûteux. Les deux courbes 40 et 42 du diagramme de la figure 5 montrent l'allongement en micromètres de la longueur du foyer en fonction du temps en minutes pour un tube radiogène de l'art antérieur (courbe 42) et selon l'invention (courbe 40). Ces deux courbes montrent que l'allongement du foyer augmente de 112 micromètres à 126,9 micromètres au bout d'une heure pour un tube sans rainure (courbe 42). Par contre, il n'y a pratiquement pas d'allongement (à 113,25 micromètres) pour un tube avec rainures selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Rotor pour moteur d'anode tournante de tube à rayons X, comprenant un manchon en acier magnétique (30) dont la surface externe est recouverte d'une couche de métal conducteur (32) caractérisé en ce que la couche de métal conducteur (30) présente une pluralité de rainures ou gorges circulaires parallèles (34) réparties sur la longueur du manchon et délimitant des bandes circulaires parallèles (36). 2. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les rainures circulaires parallèles (34) ont une largeur très inférieure à celle des bandes les séparant. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les rainures circulaires parallèles (34) ont une largeur de l'ordre du dixième de celle des bandes circulaires parallèles (36) les séparant. 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la largeur des rainures (34) est environ égale à 0,5 mm. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 4, caractérisé en ce que la profondeur des rainures est inférieure à l'épaisseur de la couche de métal conducteur (32). 6. Rotor selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la profondeur des rainures (34) est égale à au moins la moitié de l'épaisseur de la couche de métal conducteur (32). 7. Rotor selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de métal de conducteur au fond des rainures est comprise entre 0,4 mm et 0,8 mm. 8. Moteur d'anode tournante pour tube à rayon X, caractérisé en ce qu'il comprend un rotor selon l'une des revendications précédentes 1 à 7. 9. Tube à rayons X à anode tournante, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur d'anode tournante selon la revendication 8.