Brevet FR2879808A1 — publié le 20060623

Tube à rayons x à palier perfectionné et procédé de fabrication La présente invention a pour objet un tube à rayons X à anode tournante à palier perfectionné et son procédé de fabrication. Elle est utilisable dans le domaine de l'imagerie médicale, et aussi dans le domaine du contrôle non destructif lorsque des tubes à rayons X de grande puissance sont utilisés. Dans le domaine de la radiologie par rayons X en particulier, de tels rayonnements X sont produits par un tube électronique muni d'une anode en rotation sur un arbre. Un puissant champ électrique créé entre la cathode et l'anode permet à des électrons émis par la cathode de frapper l'anode en générant des rayons X. Pour cette émission, la polarité positive est appliquée sur l'anode par son arbre, la polarité négative sur la cathode. L'isolation de l'ensemble est assurée notamment par des diélectriques ou par une enceinte partiellement en verre du tube électronique. Quand le tube est utilisé à grande puissance, l'impact des électrons sur l'anode a pour effet d'échauffer anormalement cette anode. Si la puissance est trop forte, une piste émettrice de l'anode peut être détériorée, creusée de trous d'impact. Pour éviter une telle surchauffe, on prévoit de faire tourner l'anode, de façon à présenter devant le flux des électrons une surface toujours renouvelée, toujours froide. Un moteur du tube entraîne donc l'arbre de l'anode librement dans un palier mécanique. Ce palier est situé dans une chambre d'anode. La chambre d'anode est elle-même formée dans un support de l'anode. Le palier est maintenu d'une part par le support d'anode et maintient d'autre part l'arbre de l'anode. En pratique, ce palier comporte industriellement des roulements à billes classiques, par opposition à des paliers magnétiques peu utilisés. Le problème présenté par les anodes tournantes provient de l'usure rapide du métal revêtant les billes lors de la rotation de l'arbre dans le palier. La durée de vie est alors d'une centaine d'heures environ, conduisant à une durée d'utilisation du tube de l'ordre de six mois à un an. Pour remédier à ce problème, il a été envisagé de revêtir les billes par du métal, du plomb ou de l'argent sous forme d'une couche fine. Pour réduire cette usure prématurée de la couche de métal, il est aussi connu de disposer à l'interface entre les surfaces des billes et l'arbre, entre le palier et l'arbre de l'anode, un film lubrifiant. Dans ce but, l'intérieur de la chambre est rempli d'un liquide à base de Gallium, Indium et Etain. Un tel liquide est choisi parce qu'il améliore le coefficient de friction, qu'il diminue le bruit des chocs entre les billes et qu'il augmente le transfert de la chaleur, due à l'échauffement de l'anode, vers la partie fixe, soit par convection soit par conduction. Les autres liquides lubrifiants ne sont pas retenus parce qu'ils ont de mauvaises propriétés de dégazage. L'usage de l'alliage à base de Gallium, Indium, et Etain s'avère délicat. En effet, cet alliage, liquide à température ambiante (dès dix degrés Celsius), s'oxyde très rapidement au contact de l'air. Cet oxyde est solide et se présente sous la forme d'une pellicule superficielle au bout d'un temps très court, environ une à deux minutes. De ce fait, la manipulation industrielle d'un tel liquide doit se faire avec certaines précautions, sous atmosphère neutre ou sous vide. Cette pellicule n'a par ailleurs aucune qualité lubrifiante, au contraire. Le Gallium est par ailleurs très corrosif. Si on se livre à une manipulation de ce mélange, même en laboratoire, il arrive que des renversements ou des fuites ou trop pleins conduisent à des flaques ou des dépôts sur la paillasse de manipulation. Il est alors extrêmement difficile de faire disparaître ces flaques ou ces dépôts dans une salle blanche ou a fortiori dans un système en fabrication (dans l'enceinte du tube). En effet, si on essuie les taches, elles réapparaissent dans les secondes suivantes en une autre tache brunâtre à l'endroit qui venait d'être nettoyé, mais qui ne l'a pas été complètement. L'allure des locaux n'est alors pas dans un état propice à un respect d'une fabrication de qualité. Les difficultés sont donc de deux ordres: la manipulation de l'alliage lui-même dans le laboratoire ou l'usine, et son mode d'introduction sous vide dans le palier lors de la construction du tube. De plus, la pureté de ce liquide, malgré sa contribution associée aux billes du palier pour sa lubrification peut se détériorer au fil du temps pour finalement, comme pour le revêtement des billes, cesser de bien apporter ses effets. Or la puissance exigée par les tubes électroniques augmente pour améliorer le diagnostic. Cette augmentation de puissance conduit à augmenter le poids de l'anode, jusqu'à six à huit kilogrammes. Par conséquent les effets au sein du palier deviennent critiques. En outre dans une utilisation dans un tomodensitomètre à rotation continue, à deux tours par seconde, le palier subit une accélération correspondant à environ huit fois l'attraction terrestre g. II est attendu des vitesses de rotation de trois à quatre tours par seconde. En conséquence, la durée de vie du palier, et donc du tube, avec les billes et le liquide, peut être limitée dans le temps. En effet, le liquide peut perdre ses propriétés donc ses qualités au fur et à mesure de l'échauffement et des frictions à l'intérieur du palier. Une première approche de la solution de manipulation du liquide a consisté à prévoir une ouverture refermable et ouvrable dans la chambre du support d'anode. Cette ouverture permet le remplissage de la chambre. L'ouverture est reliée via un canal creusé dans le support jusqu'à l'extérieur de l'enceinte. Dans ce cas, le liquide lubrifiant peut être introduit sous vide dans la chambre à tout moment y compris après la construction du tube. Mais cette solution présente des difficultés dans l'exécution de la répétition des cycles de remplissage-vidage. En effet, il est nécessaire de préserver le vide au sein de l'enceinte du tube ce, avant, pendant et après les opérations de remplissage ou de vidage du liquide dans la chambre. II est donc nécessaire d'enlever ou de créer un queusotage du tube correspondant à l'ouverture ou bien d'ôter une pièce, classique éventuellement vissée ou soudée comme un bouchon le long de la paroi du boîtier à l'endroit du support de l'arbre d'anode. Or ces manipulations consistant à dévisser ou dessouder le bouchon, bien que réalisables, sont délicates. Elles provoquent surtout des contacts entre l'air ambiant et le mélange Gallium, Indium et Etain et par conséquent des risques de pollution de la chambre du tube. Ces pollutions condamnent définitivement la rotation de l'anode. Ainsi l'usage d'une bonbonne pour un remplissage par gravité et l'utilisation du queusotage ou d'un simple bouchon pour des opérations consistant à faire le vide et à fermer l'ouverture présentent encore trop d'imperfections notamment lors de l'obtention du vide et de la mise en place du mélange Gallium, Indium et Etain. Dans l'invention, on propose une valve comportant deux parties. Une première partie est un bouchon de remplissage inséré à l'entrée d'un canal. Le canal va de l'extérieur de la paroi du tube à une chambre de support de l'arbre d'anode. La valve comporte donc un pointeau apte à se déplacer pour obturer l'entrée du canal. Le dispositif comporte également comme deuxième partie un manipulateur, amovible, qui vient se fixer sur le pointeau. Le manipulateur sert à manipuler le pointeau à l'intérieur de la valve. Ainsi grâce au manipulateur, le pointeau selon sa position à l'intérieur de la valve ouvre ou ferme l'orifice et par conséquent autorise ou non l'accès du fluide lubrifiant dans la chambre. Le manipulateur possède la caractéristique d'être en deux parties. Une première partie, formée par un manche, est munie, par exemple à une extrémité proche du pointeau, d'un carré de manoeuvre. Une deuxième partie forme un guide, lui aussi amovible. Le guide possède une cavité cylindrique circulaire. Le guide reçoit le manche en coulissement de préférence avec des joints d'étanchéité. Cette deuxième partie comporte en outre, dans l'épaisseur d'une paroi entourant cette cavité, un conduit latéral. Pour l'ouverture ou la fermeture de la valve, le guide est monté sur le tube. Puis le manche est introduit dans le guide. Avant d'ouvrir la valve à l'aide du manche, un vide est fait par l'intermédiaire du conduit latéral dans une cavité du guide qui est située au dessus du pointeau. Lorsque le vide est fait, la valve peut être ouverte et permettre la communication, par l'intermédiaire du conduit, entre une bonbonne de liquide lubrifiant et la chambre d'anode. En raccordant une bonbonne de remplissage sous vide au conduit, on obtient le résultat que le fluide lubrifiant coule dans des conditions optimales de débit et d'étanchéité au vide tout en étant parfaitement canalisé. L'ensemble de la valve, manche, guide et pointeau crée un système solidaire particulièrement simple à mettre en oeuvre lors des opérations de pompage ou de remplissage du liquide lubrifiant dans la chambre. Le guide et le manche, amovibles, permettent également après une première utilisation au contact du mélange Gallium, Indium, Etain d'être facilement remplacés par un autre manche et ou un autre guide, semblable, et vierges de toute utilisation ou nettoyés. Le remplissage devient ainsi une opération tout à fait industrielle. L'invention a donc pour objet un tube à rayons X comportant: - une enceinte où sont produits des rayons X, - dans l'enceinte, une cathode, une anode située en regard de la cathode et tournante sur un arbre, et un support d'arbre d'anode, - le support comportant une chambre de maintien de l'arbre de l'anode, caractérisé en ce que: - la chambre comporte un orifice afin de permettre le remplissage ou le pompage de la chambre avec un fluide lubrifiant, - l'orifice est muni d'une valve encastrée qui comporte - un pointeau d'obturation apte à se déplacer dans la valve, -un manche amovible manoeuvrant le pointeau, et - un guide amovible encastré sur le support, - le guide comportant un conduit latéral, - le manche étant muni d'un joint torique pour coulisser dans le guide. Elle a également pour objet un procédé de mise en place d'un liquide lubrifiant dans une chambre du tube à rayons X ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) on monte le guide sur le tube, b) on engage le manche dans le guide, en appliquant un joint du 15 manche contre une paroi du guide, c) on fait le vide dans la cavité du guide par l'intermédiaire du conduit, d) on manipule le manche pour écarter le pointeau de l'orifice, et e) on fait s'écouler sous vide un fluide lubrifiant dans la chambre. 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 schématique en coupe d'un tube à rayons X selon l'invention, - figures 2 et 3: des représentations de détail d'une valve de l'invention, de son manche, et de son guide, respectivement avant et après application du pointeau sur l'orifice, - figures 4 à 7: une suite d'étapes du procédé de remplissage de la chambre selon l'invention, - figure 8: une représentation de la mise en place d'un bouchon sur l'orifice. La figure 1 montre un tube 1 à rayon X selon l'invention. Le tube 1 comporte une enceinte 2. Par exemple, l'enceinte 2 est celle délimitée par une paroi 3 du tube 1. Le tube 1 comporte également une anode tournante 4. L'anode tournante 4 est située en regard d'une cathode 5. A l'intérieur de l'enceinte 2 du tube 1 se trouve un moteur 6 d'entraînement en rotation de l'anode 4. L'anode 4 comporte un arbre 7 d'anode. La cathode 5 est située en regard d'une piste 8 d'anode. Lorsque l'anode 4 est alimentée en haute tension, des électrons sont arrachés de la cathode 5 et, sous l'effet d'un puissant champ électrique, viennent frapper la piste 8 d'anode. Sous l'effet de cette percussion, la piste 8 d'anode constituée d'un matériau émissif de rayons X, émet un rayonnement X 9. Le rayonnement 9 sort du tube 1 par une fenêtre 10 réalisée dans la paroi 3. La fenêtre 10 est, par exemple en verre, en un matériau transparent aux rayons X. Elle est étanche à l'air. L'enceinte 2 ainsi formée est mise sous vide d'une manière conventionnelle, en particulier par un orifice, non représenté, d'aspiration, obstrué par la suite par un queusotage. Pour maintenir l'anode 4 en rotation, le tube 1 est muni d'un support 11 d'anode. Ce support 11 est creux et comporte une chambre 12. Dans la chambre 12, des paliers ou des patins 13 assurent le maintien de l'anode 4 par le support 11. Pour résoudre les problèmes lubrification et de transport de chaleur de la rotation de l'anode 4, il est prévu de remplir la chambre 12 avec un alliage liquide Gallium, Indium, Etain. L'adjonction d'un canal 15 débouchant dans la chambre 12 d'une part, et à l'extérieur du tube 1 d'autre part, permet de remplir la chambre 12. Ce remplissage est possible après construction du tube 1 et augmente le taux de réussite de l'opération de remplissage. Cependant, même dans ce cas, l'usage d'une bonbonne pour le remplissage de la chambre 12 par gravité, et l'utilisation d'un queusotage ou d'un simple bouchon, pour des opérations comportant une mise au vide et une fermeture du canal 15 présentent encore trop d'imperfections et de risques de pollution du tube 1 par des oxydes du mélange Gallium, Indium, et Etain Dans l'invention, pour remédier à ce problème, on prévoit de munir l'extrémité externe du canal 15 de la chambre 12 d'une valve 16. La valve 16, présentée en détail figure 2, comporte essentiellement un pointeau 17 apte à se déplacer dans la valve 16. Dans un exemple préféré, à cet effet, le pointeau 17 est guidé en translation par vissage dans une chemise 18 de la valve 16. La chemise 18 est de préférence vissée, voire emmanchée à force, dans un alésage correspondant dans la paroi 19 de la valve 16 (figure 1). Dans un exemple particulier, la chemise 18 est en un matériau très résistant à base de Titane, Zirconium et Molybdène. Le pointeau 17 est en un matériau à base de Tantale, Niobium, Titane. La valve 16, figures 1 et 2, comporte également un manche 20 et un guide 21. Le manche 20 correspond à un outil plutôt rectiligne. Le manche 20 est de préférence plein, et globalement cylindrique circulaire. Le manche 20 est par exemple muni d'un carré de manoeuvre 22, ou d'un embout six pans ou autre, à son extrémité destinée à entrer en contact avec un réceptacle 23 correspondant du pointeau 17. A son autre extrémité le manche comporte une poignée 24 pour être facilement manoeuvré. A l'aide du carré 22, le pointeau 17 est vissé par un filetage 25 dans le support 11, ici par l'intermédiaire de la chemise 18. Le guide 21 est creux et amovible. Il est par exemple monté ou encastré sur le support 11 (ou la chemise 18) par un filetage 26 d'extrémité. Le guide 21 possède un alésage interne cylindrique circulaire pour recevoir le manche 20. L'étanchéité de la mise en place du manche 20 dans le guide 21 est assurée par un ou plusieurs joints toriques 27. Eventuellement, le guide ou le manche comporte une gorge pour recevoir le joint 27 et l'empêcher de coulisser. Le guide 21 comporte par ailleurs un conduit latéral 28. Le conduit latéral 28 est réalisé dans l'épaisseur d'une paroi du guide 21. Le conduit 28 forme un passage entre une zone 29 interne de la valve et une extrémité 30 de raccordement. L'extrémité 30 sert pour le raccordement, en particulier à l'aide d'une vanne trois voies (non représentée), d'une bonbonne de liquide lubrifiant et d'un embout d'une pompe d'aspiration pour faire, compléter ou maintenir le vide dans le zone 29 (et accessoirement dans le tube 1). Le conduit 28 possède la particularité d'être fixe alors que le manche tourne. En agissant ainsi, on sépare la fonction de mise au vide de la zone 29, et la fonction d'ouverture de la valve. Pour assurer l'étanchéité du montage, le guide 21 est monté sur la chemise 18 avec un joint torique 31 en bout du filetage 26. La figure 3 montre les mêmes éléments que la figure 2 alors que le pointeau 17 est porté contre un siège 32 de la chemise 18. De préférence, le pointeau 17 possède une boule 33 d'obturation montée en tête, en surélévation d'un bord conique ou arrondi du pointeau 17, et destiné à être en appui sur le siège 32. Le matériau utilisé pour la boule 33 du pointeau 17 est à la fois tendre pour épouser le siège 32 de la chemise 18 mais aussi très résistant à la corrosion du liquide Gallium, Indium, Etain. Dans cette position, la zone 29 est séparée en deux zones 34 et 35. La zone 34 est confinée entre le pointeau 17 et le siège 32. Le pointeau 17 est de préférence percé par un canal 36. Le canal 36 débouche à ses extrémités dans les zones 34 et 35. La présence du canal 36 est préférée pour éliminer toute présence d'air dans la zone 32. Dans l'invention, on peut construire le tube décrit ci-dessus et y faire le vide, avant de mettre en place l'alliage liquide de lubrification grâce à la valve 16 munie de son manche 20 et de son guide 21 de manipulation. Les figures de 4 à 7 montrent les différentes étapes de remplissage selon l'invention. Sur la figure 4, le guide 21 puis le manche 20 de manipulation sont introduits progressivement à l'intérieur de la valve 16. Le manche 20 est vissé lorsque le filetage 26 est en butée et mate le joint 31 contre la chemise 18. Le filet du manche 20, muni de son pointeau 17, est amené par coulissement au contact du filet 25. Puis on fait tourner le manche 20 en le vissant jusqu'à ce que la boule 33 du pointeau 17 soit en appui sur le siège 32 de la chemise 18. Dans cette situation, figure 4, la valve est en place en totalité, le vide peut être créé dans la chambre 12. Le manche 20 peut être retiré par coulissement avant démontage du guide 21 par dévissage. Pour le remplissage, alors que le manche 20 et le guide 21 sont montés, on vient mettre en place une bonbonne de liquide lubrifiant à l'extrémité 30 du conduit 28. Un bec de versement de la bonbonne est joint d'une manière étanche au conduit 28. Avant d'ouvrir le bec de la bonbonne, on fait le vide dans l'espace du conduit 28. Ce vide peut être obtenu par une pompe à vide connectée au conduit 28 par exemple par un raccord en T. Un embout de ce raccord en T est relié au conduit 28. Deux autres embouts de ce raccord en T comportent chacun une arrivée, fermée et ouverte alternativement par un robinet. Les deux autres embouts sont reliés, l'un à une pompe à vide, et l'autre à la bonbonne de liquide lubrifiant. Une fois ce vide obtenu, on dévisse le manche 20 dans la valve 16 de façon à lever le pointeau 17 et sa tête 33 du siège 32 du canal 15. L'opération se déroule en retirant totalement le pointeau (comme sur la figure 2) ou en le dévissant en partie seulement. Dans ce deuxième cas, le canal 36 met la chambre 12 en communication avec l'extrémité 30 du conduit 28. Lorsque le pointeau est remonté, le vide présent dans les zones 34, 35 et 28 est en relation avec le vide présent dans la chambre 12. Le dispositif peut même être utilisé pour réaliser un vide complémentaire dans la chambre 12. Figure 5, une fois que ce relèvement du pointeau 17 est effectué et que le vide est présent, on introduit le liquide lubrifiant jusqu'à saturation dans la chambre 12. Par exemple cette introduction est réalisée par gravité. Le liquide se répand dans la chambre 12 et enrobe les paliers mécaniques 13, figure 6. La quantité de liquide à verser peut être limitée et prévue à l'avance dans la bonbonne. En variante, afin de confiner le lubrifiant dans la chambre 12 et d'éviter qu'il se propage dans l'enceinte 2, le support 11 (figure 1) comporte un joint par capillarité 37 pour éviter toute fuite. Une fois le remplissage terminé, on revisse dans le sens inverse le manche 20. La tête 33 du pointeau 17 est alors à nouveau porté contre le siège 32. Dans cette position, les volumes sont isolés les uns des autres, et le vide est toujours présent dans la bonbonne. On procède alors (figure 7) à une étape de vidage par gravitation du liquide présent dans les zones 34, 35 et 28 en retournant l'ensemble. La vidange de la zone 34 est possible grâce au canal 36 du pointeau. De préférence, il ne doit subsister aucune trace de Gallium au sein de la valve 16. Puis la bonbonne est obturée pour que le liquide qu'elle contient soit isolé de l'air. Puis le manche 20 est ôté de la valve 16. Sur la figure 8, un bouchon 38 est introduit contre le pointeau 17, occupant tout l'espace laissé libre par l'enlèvement du guide 21 et du manche 20. Le bouchon 38 peut être ensuite soudé le long de la chemise 18. Le bouchon 38 est de préférence vissé sur les filets 26. Le matériau utilisé dans la composition du bouchon 38 permet de préférence d'améliorer l'évacuation de la chaleur se dégageant de la chambre 12 et du support 11 par conduction thermique vers l'extérieur de l'enceinte 2. Le bouchon 38 sert aussi à éviter toute pollution externe par des résidus de lubrifiants présents dans la valve. Le bouchon 38 remplit la cavité occupée par le pointeau 17 Lorsque le liquide lubrifiant perd de ses propriétés au sein de la chambre 12, on procède à son remplacement en inversant les étapes décrites précédemment. A savoir, on enlève le bouchon 38, on introduit le guide 21 et le manche 20 précédemment utilisés, ou un nouveau guide et ou un nouveau manche si les précédents restent souillés, dans la valve 16. On prélève par gravitation le liquide présent dans la chambre 12. Puis, on procède au vidage du manche 20 (ou on change à nouveau de manche). Une nouvelle opération de remplissage peut alors se dérouler avec éventuellement un nouveau guide et ou un nouveau manche 20, différents de ceux utilisés pour la vidange. REVENDICATIONS 1 Tube à rayons X (1) comportant - une enceinte (2) où sont produits des rayons X (9), - dans l'enceinte, une cathode (5), une anode (4) située en regard de la cathode et tournante sur un arbre (7), et un support (11) d'arbre d'anode, - le support comportant une chambre (12) de maintien de l'arbre de l'anode, caractérisé en ce que: - la chambre comporte un orifice (15) afin de permettre le remplissage ou le pompage de la chambre avec un fluide lubrifiant, - l'orifice est muni d'une valve encastrée (16) qui comporte - un pointeau d'obturation (17) apte à se déplacer dans la valve, - un manche amovible manoeuvrant le pointeau, et - un guide (21) amovible encastré (18) sur le support, - le guide comportant un conduit (28) latéral, - le manche étant muni d'un joint torique (27) pour coulisser dans le guide. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - le pointeau possède un filetage (25) correspondant à un filetage du support, et - le guide possède un filetage (26) correspondant à un filetage du support. 3 - Tube selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que: - la valve comporte une chemise (18) munie d'un siège (19) pour recevoir le pointeau. 4 - Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que: - le pointeau possède une tête pleine, de forme conique ou arrondie, percée de part en part, - pour faire communiquer l'orifice avec le conduit. - Procédé de mise en place d'un liquide lubrifiant dans une chambre d'un tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) on monte le guide sur le tube, b) on engage le manche dans le guide, en appliquant un joint du manche contre une pardi du guide, c) on fait le vide dans la cavité du guide par l'intermédiaire du conduit, d) on manipule le manche pour écarter le pointeau de l'orifice, et e) on fait s'écouler sous vide un fluide lubrifiant dans la chambre. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes f) on manipule à nouveau le manche pour appliquer le pointeau sur l'orifice, g) on vidange par le conduit du liquide résiduel présent dans des parties creuses (34, 35) du pointeau et ou du guide, et h) on enlève le manche et le guide. 7 - Procédé selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que i) on place un bouchon au dessus de la valve. 8 - Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que j) on place un bouchon (38) dans la valve, le bouchon étant formé par un matériau conducteur de la chaleur. 9 - Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - un cycle de pompage remplissage est effectué avec utilisation de deux manches et ou deux guides différents, un pour le pompage, l'autre pour le remplissage.