Brevet FR2879810A1 — publié le 20060623

I Tube à rayons x bien refroidi La présente invention a pour objet un tube à rayons X. 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 d'améliorer le refroidissement d'un tel tube. 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, 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 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. 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. Il 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. L'utilisation d'une anode tournante doit par ailleurs être compatible avec trois contraintes principales. Premièrement, la rotation de l'anode doit être la plus libre et la plus parfaite possible, et des solutions simples d'équilibrage dynamique doivent être prévues pour empêcher le tube de vibrer lorsque l'anode tourne. Deuxièmement, l'anode doit pouvoir être portée à une haute tension électrique par rapport à la cathode (normalement, les paliers avec des roulements à billes d'acier servent dans ce but). Troisièmement, la chaleur produite par l'impact des électrons sur la cible d'anode et qui se propage dans l'arbre doit être évacuée efficacement. On connaît par la demande de brevet JP-A-5 258 691 un montage dans lequel des roulements à billes sont lubrifiés par un alliage de Gallium. Mais ce montage ne souscrit pas aux contraintes ci-dessus. En effet, l'équilibrage y est délicat du fait du grand diamètre du rotor, l'évacuation thermique se produit par un arbre fixe de petite taille, rien n'est prévu pour améliorer la conduction thermique et électrique. Il est connu par ailleurs le document US-A-6 125 168. Celui-ci n'enseigne toutefois pour un tube à rayons X que l'utilisation d'un alliage de Gallium pour améliorer la conduction thermique. Le document US-A-6 160 868, prévoit également d'améliorer la conductibilité thermique avec un alliage de Gallium. Le document US-A-6 377 658 est du même genre. Le document US-A-6 192 107 aussi. Le document US-A-4 943 989 prévoit de refroidir l'anode elle-même. Le document US-A-3 719 847 prévoit, pour des raisons thermiques, un métal liquide qui s'évapore puis retourne à l'état liquide. Le document US-A-2003-0 165 217 ne prévoit lui non plus qu'un shunt thermique. Dans tous les cas, le refroidissement du tube est un problème puisqu'il impose de fabriquer des tubes plus gros, alors que pour des raisons de manipulation, on chercherait plutôt à fabriquer des tubes plus petits. Dans l'invention, pour résoudre ces problèmes et satisfaire ces contraintes, on propose de faire circuler un alliage liquide métallique au travers de l'anode. Ainsi l'alliage entre dans une chambre d'un support d'anode, y refroidit les paliers, l'arbre, et en définitive l'anode. Un volume de l'alliage est extrait de la chambre en même temps qu'il y est remplacé par un autre volume, plus froid. En agissant ainsi, pendant une utilisation du tube, c'est-à-dire pendant que les rayons X sont produits, on augmente la quantité d'alliage contribuant au refroidissement, sans augmenter le poids de la partie tournante, c'est à dire le poids de l'anode et ou de son arbre, et sans augmenter la taille du tube. La masse réchauffée par le rayonnement X est ainsi plus grande, sans en supporter les conséquences en terme d'accélération, d'équilibrage et d'usure concomitante des paliers. En particulier, l'alliage est un alliage de Gallium, Indium, Etain. L'invention prévoit également dans un perfectionnement que la totalité de l'arbre baigne dans l'alliage de métal liquide, l'étanchéité de la chambre étant produite par un dispositif d'étanchéité placé en sortie d'arbre. Dans une variante préférée, l'arbre d'anode est creux longitudinalement. Il repose alors sur des paliers présents dans deux chambres séparées, de part et d'autre de cet arbre. L'alliage liquide circule dans l'arbre et le refroidit sur toute sa longueur. L'invention a donc pour objet un tube à rayons X comportant: - une enceinte où sont produits des rayons X, - un dispositif de refroidissement du tube, - 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 et, dans cette chambre, un palier à roulement à billes, - l'arbre de l'anode étant maintenu dans la chambre par le palier, caractérisé en ce que: - la chambre du support est remplie d'un alliage liquide Gallium, Indium, Etain, dans lequel baigne le palier, - le dispositif de refroidissement comporte un circuit pour faire pénétrer l'alliage liquide dans la chambre et pour l'en faire ressortir pendant une utilisation du tube. 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: - figures la et 1 b: deux représentations schématiques en coupe de deux variantes d'un tube à rayons X selon l'invention, - figure 2: une représentation schématique d'un perfectionnement de l'invention; - figure 3: une représentation d'un mode d'utilisation d'un tube selon l'invention. Les figures la et 1 b montrent un tube 1 à rayon X selon l'invention. Le tube 1 y 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 rotor 6 d'un moteur d'entraînement en rotation de l'anode 4. Un stator 7 de ce moteur est situé en regard du rotor, à l'extérieur de l'enceinte 2. L'anode 4 comporte un arbre 8 d'anode. La cathode 5 est située en regard d'une piste 9 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 9 d'anode. Sous l'effet de cette percussion, la piste 9 d'anode constituée d'un matériau émissif de rayons X, émet un rayonnement X. Le rayonnement X 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 en métal. 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 par appui respectif sur le support 11 et l'arbre 8. 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. De cette façon, le palier 13 baigne dans l'alliage liquide. L'alliage liquide Gallium, Indium, Etain joue alors un rôle multiple. Premièrement, il lubrifie les billes du palier 13. Deuxièmement, il assure la connexion électrique efficace de l'anode à un potentiel imposé par le support 11. Troisièmement, l'alliage liquide assure un refroidissement de l'anode en prélevant la chaleur produite sur l'anode 4 et qui se propage dans son arbre 8 et en la communiquant au support. Dans l'invention, ce refroidissement est notablement amélioré en organisant une circulation de l'alliage liquide. Dans ce but un circuit pour faire pénétrer l'alliage liquide dans la chambre 12 et pour l'en faire ressortir est prévu. Ce circuit est actif pendant l'utilisation du tube. Ce circuit comporte, dans les deux variantes représentées, deux chambres, la chambre 12 et la chambre 14. Les deux chambres 12 et 14 sont réalisées à l'endroit de deux extrémités respectivement 15 et 16 de l'arbre 8. Dans ce but, la chambre 14 est réalisée dans un deuxième support 17. Les deux supports 11 et 17 sont fixés à la paroi 3. Par exemple, la chambre 12 sert de chambre d'entrée de l'alliage liquide, la chambre 17 servant de chambre de sortie. Pour passer de l'une à l'autre, l'alliage liquide pourrait emprunter un conduit annexe. De préférence, afin d'améliorer encore l'efficacité du transfert thermique, l'arbre 8 est creux. L'arbre 8 sert alors de conduit annexe. A cet effet, l'arbre 8 possède un alésage longitudinal 18, sur toute sa longueur. L'alésage 18 débouche dans chacune des chambre 12 et 14 par des extrémités de cet alésage 18. Les chambres 12 et 14 comportent donc des accès 19 et 20 pour admettre l'alliage liquide et pour le prélever respectivement. Eventuellement, il serait possible de disposer d'une seule chambre, dans un seul support. Dans ce cas, ce support unique porterait tous les paliers et comporterait les deux accès, pour admettre et évacuer l'alliage liquide. L'arbre 8 possède une sortie d'arbre 21 et 22 au sortir de chacune des chambre 12 et 14. Afin que l'alliage liquide ne coule pas par ces sorties 21 et 22, une étanchéité est réalisée de deux manières complémentaires. Premièrement, pour l'étanchéité à vide, lorsque l'arbre d'anode ne tourne pas, un espace entre un diamètre intérieur du support 11 ou 17 et un diamètre extérieur de l'arbre 8, à l'endroit de l'aplomb de ces sorties 21 ou 22, est limité. La limite de cet espace est fixé par la tension superficielle de l'alliage de métal liquide Gallium, Indium, Etain sur la matière de l'arbre 8 et des supports 11 et 17. II apparaît que cet alliage est peu mouillant, et que cette tension superficielle permet un jeu, de l'ordre d'un centième de millimètre, propice à une bonne rotation de l'arbre 8, et par ailleurs facile à respecter industriellement. Les supports 11 et 17 sont fixes lorsque l'arbre 8 tourne. Lorsque l'arbre 8 tourne, la pression de l'alliage liquide augmente. L'alliage a tendance à s'échapper de la chambre 12 et à contaminer l'enceinte 2 du tube. Dans ce cas, pour le confiner à l'intérieur de la chambre 12, on prévoit de munir la surface du support 11 qui est au contact, ou celle de l'arbre 8 dans la région à l'aplomb de la sortie 21, d'un relief en hélice. Le pas de l'hélice est orienté pour que, pour un sens donné de rotation de l'arbre 8, le relief en hélice se comporte face à la surface qui tourne devant lui comme un racloir. Un tel racloir tend à repousser l'alliage vers la chambre 12. La même chose au besoin pour la chambre 14. Dans la variante de la figure la, le rotor 6 est fixé le long de l'arbre 8 d'anode. La dimension hors tout du tube est plus grande, mais le transfert thermique avec l'arbre d'anode est plus efficace car la longueur de l'arbre au contact de l'alliage liquide est plus grande. Dans la variante de la figure lb, la réalisation est plus compacte. Dans ce deuxième cas, le rotor 6 est fixé sur le disque d'anode. Dans les deux cas, les pôles du stator sont présenté en regard du chemin emprunté par les pôles du rotor. Dans le cas de la variante la, le rotor est situé dans le support 11, dans le cas de la variante de la figure lb, il est situé dans l'enceinte 2 directement. Figure 2, on a représenté une réalisation dans la quelle l'alliage liquide est mené jusque dans un échangeur de chaleur 23. Dans cet échangeur 23, l'alliage liquide à base de Gallium, Indium, Etain cède sa chaleur à un autre fluide, par exemple de l'eau. L'échangeur 23 peut par exemple être réalisé en un matériau isolant électrique, par exemple en céramique. Dans ce cas, une meilleure solution d'isolation du tube à rayons X peut être préconisée. Eventuellement, le potentiel de l'anode peut être différent du potentiel de masse et être porté à une haute tension. L'autre fluide qui circule dans l'échangeur 23 peut être refroidi par un radiateur 24, lui-même refroidi par air. Des pompes 25 et 26 forcent les circulations de ces fluides dans leur différents réseaux. Figure 3, dans une utilisation médicale, un statif isocentrique 27 est muni d'un tube à rayons X à refroidissement perfectionné comme indiqué ci-dessus. La particularité dans ce cas se situe dans le fait que l'échangeur 25 est placé dans un 'équipage mobile de ce statif alors que le radiateur 26 est placé dans un pied du statif 27, là où il y a beaucoup de place et où un refroidissement par air peut être mis en place sans gêner le patient (du fait du bruit de ventilation occasionné). 8 REVENDICATIONS 1 Tube à rayons X (1) comportant: - une enceinte (2) où sont produits des rayons X (9), - un dispositif de refroidissement du tube, - dans l'enceinte, une cathode (5), une anode (4) située en regard de 5 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 et, dans cette chambre, un palier à roulement à billes, - l'arbre de l'anode étant maintenu dans la chambre par le palier, 10 caractérisé en ce que: - la chambre du support est remplie d'un alliage liquide Gallium, Indium, Etain, dans lequel baigne le palier, - le dispositif de refroidissement comporte un circuit pour faire pénétrer l'alliage liquide dans la chambre et pour l'en faire ressortir pendant une 15 utilisation du tube. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que - il comporte deux chambres, - l'arbre d'anode est creux et est maintenu dans une chambre de ces deux chambres à chacune de ses deux extrémités, - une chambre servant chambre d'entrée de l'alliage liquide du circuit de refroidissement, l'autre chambre servant de chambre de sortie de l'alliage liquide du circuit de refroidissement. 3 - Tube selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte en sortie d'arbre d'un dispositif d'étanchéité pour empêcher la fuite 25 de l'alliage hors de la chambre. 4 - Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur électrique pour entraîner l'arbre, un rotor de ce moteur étant intérieur à la chambre ou à l'enceinte et entraînant l'anode, un stator étant extérieur à la chambre ou à l'enceinte, le rotor étant fixé le long de l'arbre d'anode, le stator étant placé en regard du rotor. - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur électrique pour entraîner l'arbre, un rotor de ce moteur étant intérieur à la chambre ou à l'enceinte et entraînant l'anode, un stator étant extérieur à la chambre ou à l'enceinte, le rotor étant fixé contre un 2879810 9 disque d'anode, le stator étant placé en regard du rotor. 6 - Tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur de l'alliage liquide à un autre fluide. 7 - Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comporte un dispositif d'isolement électrique. 8 - Tube selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que qu'il possède une masse électrique et en ce que l'anode est portée au potentiel de cette masse électrique. 9 - Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support comporte, à l'endroit d'une sortie de l'arbre d'anode hors du support, une opposition de deux surfaces concentriques, une surface attachée à l'arbre, une autre surface attachée au support, la surface attachée à l'arbre étant située à l'intérieur de la surface attachée au support, un jeu entre ces deux surfaces étant inférieur à un jeu d'écoulement naturel de l'alliage du fait de la tension superficielle de cet alliage. - Tube selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le support comporte, à l'endroit d'une sortie de l'arbre d'anode hors du support, une opposition de deux surfaces concentriques, une surface attachée à l'arbre, une autre surface attachée au support, la surface attachée à l'arbre étant située à l'intérieur de la surface attachée au support, une de ces surfaces étant munie d'un relief en hélice dont l'orientation du pas est telle qu'elle repousse l'alliage vers la chambre lorsque l'anode tourne.