Brevet FR2879809A1 — publié le 20060623

I Tube à rayons x muni d'une cartouche à palier perfectionné et procédé de fabrication La présente invention a pour objet un tube à rayons X muni d'une cartouche 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. 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 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. 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 (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 l'invention, pour résoudre ces problèmes et satisfaire ces contraintes, on propose de réaliser une cartouche pour tube à rayons X. La cartouche comporte un arbre d'anode monté avec des paliers à roulement à billes à l'intérieur une chambre d'un support fixe. De tels paliers sont bien adaptés aux grandes accélérations centrifuges subies par le tube lorsqu'il est monté dans un tomodensitomètre. Pour améliorer la rotation, les billes n'y sont plus nécessairement en acier, mais peuvent être en céramique, à très faible coefficient de résistance au roulement (en nitrure de silicium dans un exemple). L'alimentation électrique et l'évacuation thermique, qui pourraient alors ne plus être assurées par de telles billes, sont alors principalement assurées par un alliage de métal liquide Gallium, Indium, Etain. Dans ce but, l'arbre d'anode est noyé dans cet alliage, dans la chambre de la cartouche. La chambre est complètement remplie de cet alliage. Pour le remplissage, on procède par une mise sous vide préalable de la chambre, avant injection de l'alliage. Lors du montage sur le tube, une anode amovible est montée en bout de l'arbre d'anode. Par opposition aux documents précédents, l'invention prévoit 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. 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, caractérisé en ce que: - le support se présente sous la forme d'une cartouche amovible, - le support comporte des paliers à roulement à billes, - la chambre du support est remplie d'un alliage Gallium, Indium, Etain, - la chambre est munie en sortie d'arbre d'un dispositif d'étanchéité pour empêcher la fuite de l'alliage hors de la chambre. Elle a également pour objet un procédé de montage d'une anode tournante dans un tube à rayons X comme ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) on équipe l'arbre d'anode b) on monte l'arbre équipé à l'intérieur de la chambre de support d'anode, c) on fait le vide dans la chambre, d) on remplit sous vide la chambre d'anode avec l'alliage Gallium, Indium, Etain, et on fabrique ainsi une cartouche, e) on monte une telle cartouche fixement dans un tube à rayons X. 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, - figure 2: une représentation en coupe de la cartouche 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 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 permet de remplir la chambre 12. Ce remplissage est possible après mise en place de l'arbre d'anode, après ou avant équilibrage dynamique de cet arbre 7. Lorsque l'équilibrage dynamique de l'arbre 7 est effectué avant remplissage, il est beaucoup mieux maîtrisé. On peut ensuite 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. Sur la figure 2, on montre que l'arbre 7 est maintenu dans la chambre 12 par des paliers. En sortie 15 de l'arbre 7, un réceptacle 16, ou d'une manière générale un dispositif d'ancrage, est prévu pour recevoir une anode. L'anode peut être montée par la suite, par exemple juste avant que la paroi 3 ne soit refermée. A la sortie 15, le support fixe 11 est fixé à une bague 17 de montage par exemple par des vis. La bague 17 peut comporter une rainure 18 pour un joint torique afin d'assurer l'étanchéité. De manière préférée toutefois, cette étanchéité sera 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 de la bague 17 et un diamètre extérieur de l'arbre 7 à l'endroit 19 de l'aplomb de cette bague 17 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 7 et de la bague 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 7, et par ailleurs facile à respecter industriellement. La bague 17 est destinée à être fixe lorsque l'arbre 7 tourne. Lorsque l'arbre 7 tourne, la pression de l'alliage liquide augmente. L'alliage a tendance à s'échapper de la chambre 12 et à contaminer l'enceinte du tube. Dans ce cas, pour le confiner à l'intérieur de la chambre 12, on prévoit de munir la surface de la bague 17 qui est au contact, ou celle de l'arbre 7 dans la région 19, à l'aplomb de la bague 17, d'un relief en hélice. Le pas de l'hélice est orienté pour que, pour un sens donné de rotation de l'arbre 7, 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. Dans la solution représentée, le support comporte, à l'endroit de cet 35 espace, une opposition de deux surfaces concentriques. La surface attachée à l'arbre est la surface 19, une autre surface est attachée au support par la bague 17. La surface 19 attachée à l'arbre est ici située à l'intérieur de la surface attachée au support. II est possible de donner à l'arbre 7 une forme enveloppante 20, montrée figure 1. Dans ce cas, le jeu critique peut être réalisé à l'endroit de cette forme enveloppante 20. Dans ce cas également, il est possible de monter sur deux faces radiales en vis à vis 21 et 22, de la bague 17 et de l'arbre 7 respectivement, des reliefs en spirale, ayant un même effet de repoussage de l'alliage vers l'intérieur de la chambre 12. La cartouche amovible montrée figure 2, qui est par ailleurs propice dans sa conception à une industrialisation facile, comporte l'arbre 7. Cet arbre 7, centré sur un axe 23 possède à partir du réceptacle 16 une série d'alésage en décrochements. Un premier alésage 19, de diamètre le plus grand, est destiné à être placé en vis à vis de la bague 17. Lors du montage, la bague 17 est ainsi la première pièce montée autour de l'arbre 7. A la limite 24 de la bague 17, l'arbre 7 comporte un premier décrochement 25. A partir du décrochement 25, l'arbre 7 présente une partie principale de maintien avec un diamètre inférieur à celui de la face 19. Sur cette partie principale de maintien sont emmanchés, de préférence à force, un premier roulement à billes 26, et un deuxième roulement à billes 28. Les deux roulement 26 et 28 sont séparés l'un de l'autre, le long de l'arbre 7, par un une entretoise cylindrique 27. L'entretoise 27 entre juste dans la partie libre de la chambre 12. L'entretoise 27 laisse en son centre un espace libre (qui est par la suite rempli d'alliage). Les roulements 26 et 28 possèdent chacun des chemins de roulement tels que 29 et 30 destinés à porter fermement respectivement contre l'arbre 7 d'une part, et le support 11 d'autre part. Les chemins 29 et 30 sont emportés en rotation relative par cet arbre 7 et ce support 11 respectivement. Un écrou de montage 31 est vissé sur des filets 32 de l'arbre 7. Les filets 32 sont placés à une extrémité 36 de l'arbre 7. L'extrémité 36 est opposée à l'extrémité où est située le réceptacle 16. Les filets 32 sont placés après un dernier décrochement 33 de l'arbre 7. Ce dernier décrochement 33 n'est pas indispensable. L'écrou 31 emmène une bague d'appui 34. La bague 34 pousse le chemin 30 en direction de la bague 17. Le chemin 30 pousse l'entretoise 27 dans le même sens par l'intermédiaire d'une bague de calage 35 (de préférence, de mêmes diamètre et profil que l'entretoise 27). L'entretoise 27 pousse dans le même sens le chemin 30 du roulement 26. En bout interne 36 de l'arbre 7, un ressort à boudin 37 prend appui sur un fond 38 du support 11. L'orifice 14 débouche de ce fond 38. L'arbre 7 ainsi équipé, notamment avec le ressort 37, est placé dans la chambre 12. Une fois ainsi placé, deux vis 39 et 40 permettent de fixer la bague 17 sur le support 11. De préférence les largeurs des chemins 29 de roulement sont légèrement inférieures aux largeurs des chemins 30, de sorte que ces chemins 29 ne portent, ni contre le décrochement 25, ni contre la bague d'appui 34. Dans ces conditions, l'arbre 7 peut tourner librement. Lorsque les vis 39 et 40 sont vissées, l'entretoise 27 est maintenue par la bague 17 et la bague 32. De préférence les billes des roulements 26 et 28 ne sont pas en acier mais en céramique, par exemple en nitrure de silicium, Si3N4, ou en un alliage hybride dit Rex20/Si3N4. De telle billes présentent la particularité d'avoir un très bon coefficient de roulement. Au besoin les chemins de roulement 29 et ou 30 des roulements 26 et ou 28 sont aussi en céramique. Il est également possible, notamment avec de telles billes de prévoir des roulements à cage. De ce fait, l'équilibrage dynamique de l'arbre de la cartouche peut être entrepris avant mise au vide et remplissage de la chambre 12 avec l'alliage. Cet équilibrage qui nécessite de faire tourner l'arbre 7 à grande vitesse est possible même sans lubrifiant, du fait du choix du matériau des billes. Autrement, l'équilibrage peut être entrepris après mise en place d'un lubrifiant intermédiaire, puis nettoyage, ce qui est moins pratique. De préférence, l'équilibrage est réalisé en présence de l'anode montée sur l'arbre 7. Une fois l'équilibrage réalisé, on fait le vide dans la chambre 12, éventuellement sous atmosphère neutre par aspiration par le trou 14. Avec une vanne trois voies, chacune munies d'un robinet, il est possible lorsque le vide est fait d'injecter ou de faire couler par gravitation de l'alliage liquide Gallium, Indium, Etain dans la chambre 12 par l'orifice 14. Puis on ferme la chambre 12, par exemple au moyen d'une vanne interposée préalablement. Le montage est étanche du fait du phénomène de capillarité négative évoqué ci-dessus. Au besoin, la quantité d'alliage injectée correspond exactement au volume de la chambre 12 (diminué de la présence de l'arbre 7, des roulements 26 28 et de l'entretoise 27). L'alliage liquide noie complètement le montage: les roulements 26 et 28 baignent dans l'alliage. L'alliage occupe tout l'espace entre l'entretoise 27 et l'arbre 7 ainsi que le logement du ressort 37. Une fois la cartouche ainsi réalisée, on peut la munir de l'anode 7 et la monter dans la paroi d'un tube 1, par exemple à laide de vis. Du fait que l'alliage est un bon conducteur thermique et électrique, toutes les contraintes sont satisfaites. 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, caractérisé en ce que: - le support se présente sous la forme d'une cartouche amovible, - le support comporte des paliers (26, 28) à roulement à billes, - la chambre du support est remplie d'un alliage Gallium, Indium, Etain, la chambre est munie en sortie d'arbre d'un dispositif (18, 19) d'étanchéité pour empêcher la fuite de l'alliage hors de la chambre. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les roulements à billes comportent des biles en céramiques. 3 - Tube selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les roulements à billes comportent des paliers en céramique. 4 - Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les roulements à billes comportent des cages. - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le support comporte, à l'endroit d'une sortie de l'arbre d'anode hors du support, un jeu inférieur à un jeu d'écoulement naturel de l'alliage du fait de la tension superficielle de cet alliage. 6 - Tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support comporte, à l'endroit de d'une sortie de l'arbre d'anode hors du support, un relief en hélice ou en spirale dont l'orientation du pas est telle qu'elle repousse l'alliage vers la chambre lorsque l'anode tourne. 7 - Tube selon l'une des revendications 5 à 6, 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. 8 - Tube selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le support comporte, à l'endroit de 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'extérieur de la surface attachée au support. 9 - Procédé de montage d'une anode tournante dans un tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) on équipe l'arbre d'anode (7, 26-37), b) on monte l'arbre équipé à l'intérieur de la chambre de support d'anode, c) on fait le vide dans la chambre, d) on remplit sous vide la chambre d'anode avec l'alliage Gallium, Indium, Etain, et on fabrique ainsi une cartouche, e) on monte une telle cartouche fixement dans un tube à rayons X. - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: f) on équilibre le montage de l'arbre d'anode dans la chambre avant de remplir la chambre avec l'alliage Gallium, Indium, Etain. 11 - Procédé selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: g) on équilibre le montage de l'arbre d'anode dans la chambre sans l'aide d'un lubrifiant. 12 - Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: h) on monte une anode sur l'arbre avant de monter la cartouche dans le tube.