Brevet FR2879812A1 — publié le 20060623

Tube à rayons x antichoc et à anode tournante La présente invention a pour objet un tube à rayons X muni d'une anode tournante. 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. Le but de l'invention est de prévenir le tube des effets des chocs. 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. Dans l'invention, le support d'anode forme une cartouche qui peut être démontée et remplacée facilement. En pratique, le 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, on prévoit aussi 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, on fait couler à l'intérieur de la chambre un alliage 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. On sait par ailleurs introduire l'alliage dans la chambre dans une ambiance sous vide. Le support qui forme la chambre d'anode comporte normalement un trou de sortie de chambre par lequel une extrémité de l'arbre de l'anode sort. A l'endroit de ce trou de sortie, il convient de disposer un joint d'étanchéité pour éviter que l'alliage ne se répande dans l'enceinte du tube et ne perturbe son fonctionnement électronique. Dans la pratique, ce joint d'étanchéité est réalisé par un jeu très fin entre l'arbre et un bec du support, par exemple inférieur à un dixième de millimètre. De cette façon, l'étanchéité du tube à l'arrêt est garantie par l'existence d'une tension superficielle négative de l'alliage. En effet, l'alliage ne mouille ni le matériau du support ni le matériau de l'arbre. L'alliage, si on a pris la précaution de ne pas en injecter de trop, ne coule donc pas à l'extérieur. Lorsque l'anode tourne, la vitesse de l'arbre augmente la pression de l'alliage. L'alliage a alors tendance à fuir par le joint d'étanchéité. On le maintient alors en confinement dans la chambre en réalisant des racloirs hélicoïdaux ou en spirale disposés dans l'espace entre l'arbre et le support. Toutefois, un problème survient lorsque le tube, pendant le transport, au montage ou lors d'utilisations est soumis à des chocs, ou à des vibrations rapides. Dans ce cas, les forces de capillarité ou les effets des racloirs sont insuffisants pour retenir l'alliage à l'intérieur de la chambre. Dans l'invention, pour résoudre ce problème, on prévoit de réaliser un joint d'expansion. Un tel joint est par exemple placé sur une paroi fixe de la chambre, en regard d'une zone d'expansion, une cavité d'expansion en pratique. Il est monté de manière étanche à l'entrée de la zone, de la cavité. Le joint d'expansion possède une paroi déformable. Dans sa position de repos, par élasticité, il empêche l'alliage de se répandre dans la cavité. Lorsqu'un choc se produit, ou pour toute autre raison du même ordre, l'alliage se déplace par inertie. On notera que le mouvement de l'alliage n'est pas contré par une quelconque pression de fluide puisque normalement le vide est fait dans le tube. Pour éviter alors que ce déplacement de l'alliage par inertie ne fasse fuir le joint capillaire, la paroi du joint à expansion se déforme et amortit le choc. Le joint à expansion de l'invention est très facile à réaliser. 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 fixe d'arbre d'anode, - le support comportant une chambre de maintien, - l'arbre de l'anode étant maintenu dans la chambre, - la chambre étant remplie d'un alliage Gallium, Indium, Etain, caractérisé en ce qu'il comporte - un joint à expansion. 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 2a, 2b et 3: un exemple préféré de mise en place du joint à expansion selon l'invention; - figure 4: une représentation en perspective et en coupe d'un joint à expansion de l'invention. 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 tels que 13 assurent le maintien de l'anode 4 par le support 11. Pour résoudre les problèmes lubrification et de transport de chaleur lors 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 14 débouchant hors de la chambre 12, ici sur l'arrière, permet par exemple de remplir la chambre 12 facilement. Ce remplissage est possible après mise en place de l'arbre d'anode. On peut à cet effet utiliser une bonbonne pour le remplissage de la chambre 12 par gravité, ou par injection. Un queusotage ou la mise en place d'un simple bouchon sur le canal 14 confère une étanchéité du coté du remplissage. Du coté d'une sortie 15 de l'arbre d'anode, la fuite de l'alliage Gallium, Indium, Etain est empêchée par la présence d'un espace très fin 16. L'arbre 7 tourne autour d'un axe 17. A l'endroit de la sortie 15, la face de l'arbre 7 est en regard 16 d'une face d'un bec 18 de l'arbre 7. Les deux faces en regard sont concentriques de l'axe 17. L'espace 16 est prévu pour être inférieur à un jeu d'écoulement naturel de l'alliage Gallium, Indium, Etain, du fait de la tension superficielle de cet alliage. Dans l'invention, figure 2a et suivantes qui reprennent les mêmes éléments, un joint 19 est prévu. Le joint 19 est un joint d'expansion. Par exemple, le joint 19 est monté de manière étanche, ici sur le support 11, plus exactement sur un bec 18 du support. Mais le joint 19 pourrait être monté n'importe où sur le support, voire même sur l'arbre 7. Quel que soit son endroit de montage, il dispose d'une zone d'expansion. Dans l'exemple représenté, la zone d'expansion est formée par une cavité 20 situé, ici, dans l'épaisseur du bec 18. Le fonctionnement de ce joint d'expansion est le suivant. Figure 2a, 35 lorsque le tube n'est pas soumis à une accélération brutale, par exemple un choc, le joint 19 est au repos et confine l'alliage dans la chambre 12. Figure 2b, à l'occasion d'un choc, par réaction sur un fond 21 de la chambre 12 (figure 1), l'alliage est toujours projeté en direction 22 de l'anode. L'alliage exerce alors un effort sur le joint 19 qui se déforme. Le montage étanche du joint 19 sur le support 11 empêche l'alliage de couler par la cavité 20. On obtient alors le résultat que le bord à vide 23 du joint de capillarité n'est pas déplacé, ou très peu en 24,lors d'un choc. La figure 4 représente une forme préférée du joint 19. Celui-ci, par exemple en acier ou en titane, se présente comme une coupelle dont le profil est en dents de scie. Ici le profil comporte trois dents de scie telles que 25. Le profil des dents est en forme de dièdres à 90 inversés successifs. Le joint est de préférence en forme d'anneau circulaire, et dans ce cas il est prévu pour être placé en périphérie de l'arbre 7 sur le bec 18. Autrement, le joint pourrait être elliptique ou de toute autre forme, du moment qu'il accepte une déformation et qu'en regard du joint soit ménagé une zone d'expansion. Dans le cas préféré, le bec 18, de révolution autour de l'axe 17, possède une cavité 20, elle aussi de révolution autour de l'axe 17. Le bec 18 forme une couronne à l'intérieur de la paroi intérieure cylindrique du support 11. En direction de la chambre 12, la cavité 20 en couronne est obturée par le joint 19. A au moins un endroit sur cette couronne, la cavité 20 débouche par un alésage 26 dans l'enceinte par un conduit 26. Ce conduit 26 sert lors de l'opération de mise au vide. En effet, pour la construction du tube, l'arbre 7 et le support 11 sont équipés chacun de leur côté, puis assemblés, puis mis ensemble dans le tube 1. Puis le vide est fait dans l'enceinte 2 et dans la chambre 12. Lorsque le tube est mis au vide, si un tel alésage 26 n'est pas présent, la coupelle 19 est arrachée de sa fixation préalable en fermeture de la cavité 20. Avec l'alésage 26 on assure qu'une contre réaction ne s'applique pas au dos de la coupelle qui résulterait de la présence d'air non évacué. Afin d'amortir encore plus les effets des chocs, l'écoulement de l'alliage en direction de l'espace 16 est ralenti par une chicane. La chicane est formée par une saillie radiale 27, circulaire, qui s'élève au droit de l'arbre 7, juste derrière le bec 18. La saillie 27 est située entre ce bec 18 et un palier 13 de maintien de l'arbre 7 le plus proche de l'anode. Pour la construction de l'ensemble, l'arbre 7 avec la saillie 27 et les paliers 13 est mis en place dans la chambre 12, par le fond 21. Le bout d'arbre 15 qui débouche de la chambre 12 est ensuite équipé d'une collerette 28 de montage de l'anode. Avec la saillie 27, la pression dynamique provoquée par les chocs a moins tendance à se propager dans l'espace 16. En outre, au cas où un tel débordement se produirait quand même, on prévoit de réaliser sur l'alésage 29 du bec 18 en regard de l'espace 16 une rainure réservoir 30. La rainure réservoir est normalement située près de la face du bec 18 qui est proche de l'anode. Elle est située entre l'anode et le bord 23 de capillarité au repos. La disposition de l'ensemble est telle que, sous l'effet du choc, la fuite dans le joint capillaire se produit dans une même direction 22 que le déplacement du joint 19. 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) fixe d'arbre d'anode, - le support comportant une chambre (12) de maintien, - l'arbre de l'anode étant maintenu dans la chambre, - la chambre étant remplie d'un alliage Gallium, Indium, Etain, caractérisé en ce qu'il comporte - un joint (19) à expansion. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint d'expansion comporte un disque à profil en dents de scie (25). 3 - Tube selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que - le joint d'expansion est monté sur le support. 4 - Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que - le joint d'expansion est monté sur un bec (18) du support, - ce bec 'du support est situé entre l'anode et un palier (13) de maintien de l'arbre d'anode, - ce bec du support est espacé de l'arbre par un jeu (16) inférieur à un jeu d'écoulement naturel de l'alliage Gallium, Indium, Etain, du fait de la tension superficielle de cet alliage. - Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que - le bec du support comporte, à l'endroit du jeu une cavité (30) réservoir. 6 - Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce que - la cavité réservoir est située plus proche de l'anode qu'un bord (23) d'affleurement de l'alliage dans le jeu. 7 - Tube selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que - le joint d'expansion est monté sur le support en regard d'une cavité (20) de ce support. 8 - Tube selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cavité du support est débouchante (26), à une extrémité en regard de l'extrémité qui reçoit le joint 9 - Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que - le joint d'expansion est en acier. - Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que - le joint d'expansion est en titane. 11 - Tube selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte - un chicane (27) à proximité d'une sortie d'arbre d'anode.