Brevet FR2863769A1 — publié le 20050617

Procédé de fabrication d'un filament de cathode d'un tube à rayons X et tube à rayons X. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un filament de cathode d'un tube à rayons X. Plus précisément l'invention concerne un procédé permettant d'obtenir un filament de cathode monobloc. L'invention concerne également un tube à rayons X muni d'un tel filament de cathode. L'invention s'applique notamment aux tubes à rayons X utilisés dans le domaine de la mammographie, des systèmes vasculaires, ou des scanners. Dans le domaine médical, on utilise généralement comme cathode émettant des faisceaux d'électrons un filament de cathode. Au moins une anode est disposée face au filament de cathode. Les électrons émis par le filament de cathode viennent frapper l'anode, à haute vitesse. L'anode émet alors des rayonnements X. Le phénomène de production des rayons X nécessite, pour être utilisé dans le domaine médical, une grande précision de positionnement de la cathode par rapport à l'anode. Des variations de plus de dix micromètres de l'un de ces éléments par rapport à sa position attendue sont néfastes à un contrôle rigoureux de la production des rayons X. Lors de la production des rayons X, le filament de cathode atteint une température de l'ordre de 2800 degrés Celsius. Le filament de cathode subit donc un phénomène de dilatation. Les dilatations subies par le filament de cathode peuvent entraîner un déplacement dudit filament de cathode par rapport à l'anode. Par ailleurs, il est possible que cette dilatation entraîne une cassure du dit filament. En effet, on connaît notamment comme filament de cathode un filament en trois parties. Un corps de filament est porté par deux pattes. Les électrons sont émis par le corps du filament. Les deux pattes du filament sont parallèles entre elles et perpendiculaires au corps du filament. Les pattes sont soudées respectivement à deux extrémités opposées du corps. Outre le fait que le procédé de soudure est délicat, il crée une fragilisation du filament de cathode à l'endroit de ces zones de soudure. Le filament risque de rompre à l'endroit de ces zones de soudure lors d'une dilatation. Pour résoudre ce problème de fragilisation mécanique entre le corps et les pattes du filament, il est connu d'utiliser un filament de cathode monobloc. Ce filament est formé à partir d'une plaque unique recourbée en U. Ainsi les deux pattes et le corps formant le filament sont en une seule pièce. L'étape de soudure est supprimée. Le filament monobloc obtenu est mécaniquement robuste. Cependant, une épaisseur des pattes est identique à une épaisseur du corps. La rigidité du filament obtenu est donc importante. Or, au cours de l'utilisation du tube à rayons X muni d'un tel filament de cathode, le corps du filament de cathode est plus soumis à la dilatation que les pattes. Une résistance mécanique du corps de filament diminue, engendrant des déplacements du dit corps. Le corps du filament a une longueur qui augmente du fait de cette dilatation. Les pattes étant soumises à une dilatation moindre, elles présentent une rigidité importante et empêchent le corps du filament de s'allonger. Le corps du filament est donc soumis à une déformation plastique, allant jusqu'à courber le corps. Le positionnement de la cathode par rapport à l'anode est donc modifié par rapport au positionnement initial. Une fois déformé, le corps de filament émet des électrons dans toutes les directions. Or, en ingénierie médicale, il est souvent souhaité que la surface d'émission des électrons reste perpendiculaire à l'anode qui lui fait face. Si le corps est déformé de manière incontrôlable, le filament n'est plus utilisable. Les filaments de cathode de l'état de la technique ne donnent donc pas satisfaction. Un filament dont le corps est soudé à deux pattes risque de se casser à l'endroit des zones de soudure lorsque le filament subit un phénomène de dilatation. Le filament monobloc risque de se déformer lors d'une dilatation, modifiant une distance entre anode et cathode, incompatible avec un bon fonctionnement du tube à rayons X le contenant. Dans l'invention, ces problèmes sont résolus en fabriquant selon un procédé spécifique un filament de cathode monobloc, dont des épaisseurs des pattes et du corps peuvent être différentes les unes des autres. Le filament obtenu selon l'invention étant monobloc, tout risque de rupture des pattes par rapport au corps du filament est écarté. Par ailleurs, les épaisseurs des pattes et du corps étant indépendantes, il est possible de jouer sur celles-ci afin de réaliser des pattes souples par rapport au corps. Ainsi, lorsque le filament subit une dilatation, les pattes peuvent s'écarter vers l'extérieur. Une élongation plane du corps du filament est donc possible, ne modifiant pas une distance entre la cathode et l'anode qui lui fait face. Le filament de cathode que se propose de réaliser est tel que les pattes ont une flexibilité suffisante pour encaisser les déformations du corps du filament soumis à une dilatation. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un filament de cathode d'un tube à rayons X, le filament comportant au moins deux pattes et un corps, le filament étant monobloc, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : - projeter au moins un matériau sur un support par projection plasma, ou autre technique de dépôt, pour obtenir le filament moulé sur le support, 10 - désolidariser le filament obtenu du support. L'invention a également pour objet un tube à rayons X muni d'au moins un filament de cathode de l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: - Figure 1: Une représentation générale d'une projection plasma, par exemple, d'un matériau sur un support, pour former un filament selon l'invention; - Figure 2: Une représentation d'un filament de cathode obtenu selon 20 le procédé de l'invention. Dans l'invention, on se propose de fabriquer un filament de cathode par projection plasma. La projection plasma est un procédé de projection thermique. On projette sous forme de fines particules et sur une surface préalablement préparée un produit solide, fondu ou ramolli, au moyen d'une source de chaleur. On utilise pour cela une énergie de combustion d'un jet de plasma. Le plasma est un milieu ionisé, c'est-à-dire constitué d'un mélange d'ions, d'électrons et d'espèces neutres, excitées ou non. Pour réaliser une projection plasma, on utilise une torche constituée de deux électrodes: une cathode conique à l'intérieur d'une anode cylindrique constituant une buse. Un gaz inerte, tel que de l'Argon, circule entre les deux électrodes où il est ionisé pour former un plasma. On introduit à l'aide d'un tube le matériau à projeter sous forme de poudre dans le jet de plasma. Le matériau à projeter est lui-même porté par un gaz neutre. Les particules projetées arrivent sur le substrat dans un état de fusion avancé, à des vitesses importantes, de l'ordre de quelques centaines de mètres par seconde. Elles s'écrasent sur le substrat et se refroidissent très rapidement, puis s'empilent les unes sur les autres réalisant ainsi progressivement un dépôt. Dans l'invention, on utilise avantageusement la projection plasma pour 5 fabriquer un filament dans un matériau voulu. Sur la figure 1, on peut voir un filament 1 réalisé par projection plasma sur un support 2. On commence par fabriquer un support 2 dont un contour extérieur correspond à un contour que l'on souhaite obtenir pour le filament 1. Selon des caractéristiques mécaniques que l'on souhaite attribuer au filament 1 de cathode, on choisit un ou plusieurs matériaux à projeter sous forme de poudre sur le support. On projette par exemple de la poudre de tungstène. A la fin de la projection plasma on obtient ainsi un filament 1 de cathode en tungstène. Dans un autre exemple de réalisation, on peut prévoir de projeter un alliage de poudre de tungstène et de poudre de rhénium. Le mélange tungstène rhénium permet notamment d'attribuer au filament 1 de cathode obtenu des propriétés anti-vieillissement. En effet, il est connu que le tungstène, en vieillissant, forme des macros cristaux. Ces macros cristaux fragilisent la structure, ou la rigidité du filament 1. Le rhénium, lui, est connu pour limiter la diffusion de ces macros cristaux dans l'ensemble de la structure formant le filament 1. En fabriquant un tel filament rhénium tungstène, on augmente ainsi la durée de vie du filament 1 de cathode. Dans un autre exemple de réalisation, il est également possible de procéder à plusieurs projections plasma successives, en utilisant à chaque fois un matériau différent. Ainsi, on obtient un filament 1 de cathode monobloc mais de composition mixte. C'est à dire que le filament de cathode est formé de plusieurs couches successives de matériaux différents. Les matériaux utilisés peuvent être choisis en fonction de leurs propriétés mécaniques ou chimiques, selon les besoins des utilisateurs. Le procédé de fabrication du filament 1 de cathode par projection plasma permet d'obtenir un filament 1 de cathode d'épaisseur voulue. En effet, selon le temps pendant lequel le support est soumis à la projection plasma, l'épaisseur du filament 1 sera plus ou moins importante. Par ailleurs, il est possible de soumettre une partie 6 du support 2 sur laquelle est moulé un corps 8 du filament 1 à une projection plasma 5 pendant un temps plus important qu'un temps pendant lequel des parties 7 du support 2 sur lesquelles sont moulées des pattes 9 du filament 1 sont soumises à une ou des projections plasma 3 et 4. Ainsi, comme cela est représenté à la figure 2, on peut réaliser un filament 1 dont le corps 8 a une épaisseur D supérieure à une épaisseur d des pattes 9. Les pattes 9 sont ainsi plus flexibles que le corps 8. Cette flexibilité des pattes 9 par rapport au corps 8 du filament 1 permet au corps 8 de s'allonger de manière rectiligne et plane, tandis que les pattes 9 se tordent respectivement vers l'extérieur par rapport au corps 8 du filament 1. Par exemple, le corps 8 a une épaisseur D comprise entre 100 et 300 microns, et les pattes 7 ont une épaisseur d comprise entre 50 et 150 microns. Dans un exemple particulier, l'épaisseur d des deux pattes 9 est identique. Dans un exemple de réalisation particulier de l'invention, on réalise un filament 1 de cathode dont le corps 8 a une épaisseur D d'environs 200 microns, et les pattes 9 une épaisseur d d'environ 100 microns. Le procédé de fabrication de l'invention consiste donc à projeter sur un support 2 préalablement fabriqué un ou plusieurs matériaux par projection plasma 3, 4, 5. On récupère le filament 1 ainsi obtenu en désolidarisant ledit filament 1 du support 2. De manière avantageuse, on peut réaliser le support 2 dans un ou plusieurs matériaux tels que le support 2 puisse être par la suite sélectivement dissout dans un bain chimique. Par sélectivement dissout on entend que seul le support 2 est dissout, le filament 1, lui, n'étant pas dissoluble dans cette solution chimique. Dans un exemple de réalisation particulier de l'invention, on peut fabriquer le support 2 dans un alliage de Titane ou de Molybdène. On projette ensuite sur ce support 2 de la poudre de Tungstène. Une fois le filament 1 de cathode souhaité obtenu, avec une ou des épaisseurs d et D souhaitées, on plonge l'ensemble filament 1 de Tungstène et support 2 en Titane, Zirconium et Molybdène dans une solution particulière dans lequel est dissout ledit support 2, mais pas le filament 1. Dans un autre exemple de réalisation de l'invention, on peut réaliser le support 2 en graphite. Le graphite ne peut être dissout sélectivement par une solution chimique. Cependant, on peut prévoir de recouvrir le support 2 en graphite d'une couche intermédiaire sélectivement et chimiquement dissoluble. Par exemple, on projette sur le support 2 en graphite une couche intermédiaire de Rhénium par projection plasma. Le Rhénium est par exemple sélectivement dissout dans une solution contenant de l'acide nitrique. Ainsi, une fois le support 2 recouvert de la couche intermédiaire de Rhénium, on procède à la projection plasma 3, 4, 5 du ou des matériaux choisis pour former le filament 1 de cathode. On plonge ensuite l'ensemble support 2 et filament 1 dans un bain contenant de l'acide nitrique à 40-50 C, pendant un temps compris entre une et quinze minutes, selon l'épaisseur de la couche intermédiaire de Rhénium à dissoudre. Une fois la couche intermédiaire de Rhénium dissoute, on récupère séparément le filament 1 de cathode et le support 2 en graphite. Avec le procédé de l'invention, il est possible de fabriquer des filaments 1 de cathode de toutes formes. En effet, selon le contour externe du support 2, le filament 1 aura un contour différent. Il est également possible de réaliser le corps 8 du filament 1 de cathode en serpentin, tel que cela est représenté à la figure 2. L'usinage est par exemple réalisé par électroérosion. Par électroérosion, on entend une découpe au fil. Le fil est entraîné en rotation à grande vitesse, afin de former un arc électrique entre le fil et la pièce à découper. Lorsque l'on approche le fil de la pièce à découper, de la matière est arrachée de manière très précise. Ainsi, on peut réaliser des entailles 10 de largeurs comprises entre 40 et 80 microns, préférentiellement entre 50 et 60 microns, et de profondeurs comprises entre 0.5 et 3 mm, préférentiellement 1.5 mm. Selon des besoins de l'utilisateur et une longueur initiale du corps 8 du filament 1, on peut réaliser un nombre varié d'entailles 10. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, on réalise dix entailles 10 identiques, réparties en quinconce de chaque côté 11 et 12 du corps 8 du filament 1. Dans un premier exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on usine le filament 1 lorsqu'il est encore sur le support 2. Une fois que les entailles 10 ont était usinées sur le filament 1 et sur le support 2, on dissout le support 2 pour récupérer le filament 1 en serpentin. Selon un second exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, il est également possible de dissocier le filament 1 et le support 2, avant de procéder à l'usinage des entailles 10. En effet, la résistance mécanique du filament 1 obtenu par le procédé de l'invention peut être suffisante pour permettre un usinage du filament 1 dissocié du support 2. Le procédé de fabrication du filament 1 de cathode de l'invention permet d'obtenir un filament 1 monobloc d'épaisseurs d et D voulues et variables. Ces épaisseurs d et D peuvent être différentes à l'endroit du corps 8 et des pattes 9, mais les épaisseurs d des pattes 9 peuvent également être différentes l'une de l'autre. Par ailleurs, il est possible de jouer sur des propriétés mécaniques du filament 1, en choisissant un matériau approprié pour réaliser la projection plasma. Il est possible également de combiner des propriétés chimiques et mécaniques des différents matériaux pour former un filament 1 dans un alliage particulier, répondant à des attentes précises. On peut réaliser un filament 1 de forme complexe, de façon simple, sans aucune étape de soudure risquant de fragiliser le filament 1. Le filament 1 obtenu par le procédé de l'invention permet d'assurer un positionnement sûr de la cathode par rapport à l'anode (non représentée). La dilatation subie par le corps 8 du filament 1 ne modifie pas la position dudit corps 8 par rapport à l'anode. En effet, du fait de la flexibilité des pattes 9 par rapport au corps 8 du filament 1, le corps 8 s'allonge de manière rectiligne et plane, tandis que les pattes 9 se tordent respectivement vers l'extérieur par rapport au corps 8 du filament 1. L'invention concerne également un tube à rayons X muni d'un filament 1 de cathode réalisé selon une quelconque variante de mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit. 8 REVENDICATIONS 1- Procédé de fabrication d'un filament (1) de cathode d'un tube à rayons X, le filament comportant au moins deux pattes (9) et un corps (8) , le filament étant monobloc, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : - projeter au moins un matériau sur un support (2) par projection plasma (3, 4, 5), pour obtenir le filament (1) moulé sur le support, - désolidariser le filament obtenu du support. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un matériaux projeté par projection plasma pour former le filament est du Tungstène. 3- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que des matériaux projetés par projection plasma pour former le filament sont un alliage de Tungstène et Rhénium. 4- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante consistant à : - projeter successivement différents matériaux sur le support par projection plasma, pour former un filament (1) de composition mixte. 5- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante consistant à : - réaliser la projection plasma de manière à obtenir le filament (1) dont les pattes ont une épaisseur (d) différentes d'une épaisseur (D) du corps du filament. 6- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur du corps est comprise entre 100 microns et 300 microns, et l'épaisseur des pattes est comprise entre 50 microns et 150 microns. 7- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : - réaliser le support dans un matériau sélectivement et chimiquement dissoluble, - dissoudre le support une fois le filament réalisé par projection plasma. 8- procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le support est formé d'un alliage de Titane, de Zirconium et de Molybdène. 9- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : - réaliser le support dans un matériau non chimiqement dissoluble, - recouvrir par projection plasma le support d'une couche intermédiaire composée d'un matériau sélectivement et chimiquement dissoluble, - dissoudre la couche intermédiaire une fois le filament réalisé par projection plasma. 10- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support non dissoluble est en Graphite, et le matériau formant la couche intermédiaire en Rhénium. 11- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante consistant à : - usiner le corps du filament de manière à obtenir un corps en serpentin. 12- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : - usiner le corps du filament sur le support, - désolidariser le filament usiné du support. 13- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes consistant à : - désolidariser le filament du support, - usiner le corps du filament. 14- Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le corps du filament est usiné par électroérosion. 15- Tube à rayons X caractérisé en ce qu'il est muni d'un filament de cathode obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.