Brevet FR2872991A1 — publié le 20060113

PROCEDES ET AGENCEMENTS D'ISOLATION POUR GENERATEUR DE RAYONS X La présente invention concerne d'une façon générale des procédés et agencements d'isolation et, plus particulièrement, des procédés et agencements pour limiter les contraintes électriques et thermiques dans un générateur de rayons X. Un générateur de rayons X (par exemple, une tête de tube radiogène) ayant un générateur et un tube radiogène dans un boîtier constitue une source compacte pour produire des rayons X en imagerie médicale diagnostique, dans des systèmes de contrôle industriel, des dispositifs d'analyse de sécurité, etc. Pour produire des rayons X de grande puissance, le générateur de rayons X peut être amené à fonctionner à très haute tension, par exemple plus de 70 kV et à des températures supérieures à 200 degrés Celsius (C) à l'anode du tube radiogène dans un générateur de rayons X. Ce fonctionnement peut créer dans le matériau isolant entourant l'anode des zones de contraintes soumises à des contraintes thermiques et électriques. Les générateurs de rayons X selon la technique antérieure utilisent de l'huile isolante comme milieu pour créer une isolation et également servir d'agent de refroidissement pour dissiper la chaleur autour de l'anode. Cependant, l'huile isolante peut subir des forces électro- hydrodynamiques (EHD) provoquant une forte électro- convexion due à de très fortes contraintes électriques, par exemple autour d'une anode. Cela peut assurer la dissipation de la chaleur mais au prix d'un plus grand risque de claquage de l'isolant. De plus, l'huile servant d'isolant possède généralement une grande sensibilité à la contamination par des matières particulaires et à l'humidité, ce qui risque de provoquer un claquage de l'isolant. En outre, dans la zone entourant l'anode, des photons de rayons X peuvent ioniser l'huile, provoquant de la sorte un claquage de l'huile à des niveaux de tension inférieurs. Une isolation par solide est également connue et proposée comme matériau isolant destiné à avoir une grande force d'isolation. Cependant, un isolant solide a normalement de mauvaises propriétés thermiques en comparaison d'un isolant constitué par de l'huile. Des configurations à isolation composite utilisant un isolant solide comme barrière dans de l'huile sont souvent utilisées pour améliorer la force d'isolation. Bien que la configuration à isolation composite améliore l'isolation, elle ne peut pas assurer une dissipation adéquate de la chaleur. Par ailleurs, en radiologie, la géométrie du tube radiogène, en particulier autour de l'anode, qui est à une forte tension positive, et du boîtier qui l'entoure et qui est à la terre, a souvent pour conséquence une distribution électrique non uniforme ainsi qu'une répartition non uniforme des contraintes thermiques. La répartition non uniforme des contraintes aboutit à ce qu'un faible volume de l'agent subit de très fortes contraintes et le reste du volume subit des contraintes bien moindres. Les contraintes électriques et thermiques sont normalement maximales autour de l'anode d'un tube radiogène et diminuent à mesure qu'augmente la distance radiale par rapport à l'anode. Par conséquent, la matière ou l'huile entourant l'anode est soumise à de très fortes contraintes thermiques et électriques. Dans la technique antérieure, on crée également un grand espace pour l'isolation et le refroidissement dans le but de réduire les fortes contraintes électriques et thermiques. Cependant, cela aboutit à un système bien moins compact pour des applications à haute puissance. Ainsi, ces procédés d'isolation selon la technique antérieure se heurtent, dans la pratique, à des limitations liées au matériau d'isolation pour limiter efficacement les contraintes électriques et thermiques autour de l'anode d'un tube radiogène et ne permettent pas non plus de réaliser un agencement compact très fiable pour des générateurs de rayons X dans des applications à haute puissance continue. Dans une forme de réalisation est proposé un procédé d'isolation pour générateur de rayons X. Le procédé consiste à disposer d'un élément d'isolation comportant un élément conducteur couplé électriquement à un composant situé dans un générateur de rayons X. L'élément d'isolation est situé à une certaine distance du composant, avec un fluide de transfert thermique entre l'élément conducteur et le composant. Le procédé consiste en outre à configurer l'élément conducteur de façon à avoir un potentiel électrique sensiblement égal à un potentiel électrique du composant dans lequel est réduit le champ électrique à l'intérieur du fluide de transfert thermique. Dans une autre forme de réalisation est proposé un agencement d'isolation pour générateur de rayons X. L'agencement peut comprendre au moins un élément d'isolation couplé électriquement à un composant présent dans un système radiographique, le/les éléments d'isolation étant placés à une certaine distance du composant; il peut comporter en outre un élément conducteur associé au/aux 2872991 3 éléments d'isolation, l'élément conducteur étant configuré pour présenter une surface à un potentiel électrique sensiblement égal à un potentiel électrique du composant. Un agencement d'isolation peut comporter un générateur de rayons X, la distance définissant un intervalle entre une anode et un boîtier du générateur de rayons X contenant une région équipotentielle. Les éléments isolants peuvent être constitués par un composant à isolation par solide. L'élément conducteur peut faire partie du/des éléments d'isolation. L'élément conducteur peut être constitué d'au moins une couche métallique. L'élément d'isolation peut être constitué par un matériau époxyde. L'élément d'isolation peut être conçu pour avoir des connexions électriques afin de se connecter à un boîtier. L'élément d'isolation peut être configuré avec des dimensions inférieures aux dimensions du boîtier. L'élément d'isolation peut être monté sur le boîtier par fixation par vis. Il est en outre proposé un procédé pour réaliser une isolation pour générateur de rayons X. Ce procédé peut comprendre les étapes consistant à découpler les contraintes thermiques et électriques par rapport à un composant présent dans un générateur de rayons X; et transférer des contraintes électriques vers un lieu distant du composant. Dans encore une autre forme de réalisation est proposé un générateur de rayons X. Le générateur de rayons X comprend un boîtier, un élément d'isolation disposé sur une surface intérieure du boîtier et séparé d'une anode par un intervalle et un fluide de transfert thermique dans l'intervalle. Le générateur de rayons X comprend en outre une surface conductrice ou une combinaison avec l'élément d'isolation et est configuré pour présenter un potentiel électrique sensiblement égal à un potentiel électrique de l'anode afin de créer une région équipotentielle dans l'intervalle. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue partielle en coupe d'un générateur de rayons X selon une forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 2 est une vue en coupe du générateur de rayons X de la Fig. 1, prise suivant la ligne 2-2; la Fig. 3 est une vue de face en coupe d'un boîtier cylindrique de générateur de rayons X contenant un élément d'isolation selon une forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 4 est une vue de face en coupe d'un boîtier rectangulaire de générateur de rayons X contenant un élément d'isolation selon une forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 5 est une vue de face en coupe d'un boîtier rectangulaire de générateur de rayons X contenant un élément d'isolation selon une autre forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 6 est une vue en coupe du boîtier rectangulaire de générateur de rayons X de la Fig. 5, prise suivant la ligne 6-6; la Fig. 7 est une vue en coupe d'un générateur de rayons X ayant un élément conducteur sous une forme discontinue selon une forme de réalisation de la présente invention; et la Fig. 8 est un schéma de conducteurs électriques selon diverses formes de réalisation de la présente invention. Diverses formes de réalisation de la présente invention proposent des procédés et agencements d'isolation pour générateur de rayons X. Cependant, les formes de réalisation ne se limitent pas à celles-ci et peuvent être mises en oeuvre dans le cadre d'autres systèmes comme par exemple des systèmes d'imagerie médicale diagnostique, des systèmes de contrôle industriel, des dispositifs d'analyse de sécurité, des accélérateurs de particules, etc. Dans les diverses formes de réalisation, pour limiter efficacement les contraintes électriques et thermiques produites du fait d'un fonctionnement sous haute tension et à haute puissance, les contraintes sont découplées en transférant les contraintes électriques autour d'un composant présent dans le générateur de rayons X vers un lieu distant du composant. En particulier, les contraintes thermiques et électriques sont découplées en transférant les contraintes électriques vers un élément d'isolation ayant un élément conducteur et connecté à un composant autour duquel ces contraintes sont présentes dans le générateur de rayons X. L'élément conducteur est configuré pour présenter un potentiel électrique sensiblement égal au potentiel électrique du composant. Cependant, dans d'autres formes de réalisation, le potentiel électrique de l'élément conducteur est dans des limites de potentiel électrique du composant, par exemple dans les limites d'une différence allant d'environ dix pour cent à environ soixante pour cent. Les figures 1 et 2 sont des schémas d'exemples de générateur de rayons X selon une forme de réalisation de la présente invention. Le générateur 10 de rayons X comprend un boîtier 11 à section transversale globalement cylindrique, comme représenté plus clairement sur la Fig. 2, et est par exemple en métal, lequel est maintenu à un potentiel de terre. Un tube à vide 12 pour la production de rayons X comprend une anode 13 et est connecté à une source d'alimentation (non représentée) en courant continu à haute tension à l'aide d'un élément de connexion 15 (par exemple un câble haute tension). Le tube à vide 12 est supporté à l'intérieur du boîtier 11 par un élément de support isolant rigide 14. Un fluide de transfert thermique 19 comme par exemple une huile isolante est disposé dans le boîtier 11 pour assurer une dissipation de chaleur pendant le fonctionnement du générateur 10 de rayons X. La Fig. 2 est une vue en coupe du générateur 10 de rayons X de la Fig. 1. Un élément d'isolation 201 comportant un élément conducteur 202 (par exemple une couche métallique) est disposé autour de l'anode 13. Dans une forme de réalisation, l'élément d'isolation 201 est disposé sur la surface interne du boîtier 11 et l'élément conducteur 202 est exposé à la surface de l'anode et configuré pour ménager ou former entre eux un intervalle 204. L'élément d'isolation 201 est en matériau isolant comme par exemple un époxyde, du polypropylène, du carton comprimé, etc., et peut faire corps avec la surface interne du boîtier 11 ou être agencé pour se fixer par un moyen approprié au boîtier 11. Par exemple, comme représenté sur la Fig. 3, l'élément d'isolation 201 peut être disposé entre deux éléments conducteurs 202, 203 avec un élément conducteur 202 sur une face interne et un élément conducteur 203 sur une face externe, et ayant l'un et l'autre une forme conçue pour une mise en place et une fixation au boîtier 11. Dans une forme de réalisation, les dimensions (par exemple le diamètre) de l'élément conducteur extérieur 203 sont plus petites que les dimensions du boîtier 1l, aussi l'élément d'isolation 201, qui est construit séparément, peut- il être monté ou connecté au boîtier 11. Dans d'autres formes de réalisation illustrées sur les figures 4 à 6, le boîtier 11 peut avoir une section transversale de forme différente, comme par exemple une section transversale rectangulaire. Dans les diverses formes de réalisation représentées sur les figures 3 à 6, l'élément conducteur extérieur 203 peut avoir des connexions électriques saillantes 205 permettant une connexion à une surface interne du boîtier 11 (non représentée). Il faut souligner que l'élément conducteur externe 203 peut avoir une largeur plus grande que la largeur de l'élément d'isolation 201 pour permettre la fixation (par exemple le vissage) de l'élément d'isolation 201 au boîtier 11. L'élément d'isolation 201 peut avoir des formes différentes, par exemple en fonction de la forme du boîtier 11. En outre, le diamètre et/ou les dimensions de l'élément d'isolation 201 sont choisis de façon que, par exemple, une distance de fuite 1 o soit maintenue entre l'élément conducteur interne 202 et l'élément conducteur externe 203 et le boîtier 11. Par ailleurs, l'élément conducteur 202 peut faire partie de l'élément d'isolation 201 ou peut être réalisé sous la forme d'une couche de revêtement. Dans une autre forme de réalisation représentée sur la Fig. 7, un élément d'isolation 302 et un élément conducteur 301 (par exemple, une couche métallique) sont configurés sous la forme d'un agencement discontinu autour de l'anode 13 (par exemple, plusieurs éléments conducteurs 301). Dans la présente forme de réalisation, l'élément conducteur 301 fait partie intégrante de l'élément d'isolation 302. Dans d'autres formes de réalisation, l'élément conducteur 301 peut se présenter sous la forme d'un revêtement à la surface de l'élément d'isolation 302. L'agencement discontinu permet, par exemple, une mise en oeuvre dans des générateurs de rayons X dans lesquels il est impossible ou difficile de fixer un élément conducteur cylindrique continu au boîtier 11. Considérant à nouveau les figures 1 et 2, l'élément conducteur 202 est électriquement connecté à l'anode 13 par tout moyen ou procédé adéquat. Par exemple, dans une première forme de réalisation, l'élément conducteur 202 est connecté en parallèle à l'anode 13 par un fil/câble séparé adjacent à une connexion d'anode (non représentée). Dans une autre forme de réalisation, un conducteur électrique rigide (non représenté) à propriétés de forte dissipation thermique sert à connecter directement l'anode 13 et l'élément conducteur 202. Par exemple, un conducteur électrique rigide constituant une colonne rectiligne connectant l'anode 13 et l'élément conducteur 202 peut être utilisé. Le conducteur électrique peut avoir de fortes propriétés de dissipation de chaleur. D'une façon générale, le conducteur électrique 401 peut, par exemple, être un conducteur d'un type suivant: connecteur à ailettes, fil enroulé en spirale, ressort hélicoïdal, fil allongé enroulé en spirale, fil coudé en zigzag, etc., comme illustré sur la Fig. 8. La connexion de l'élément conducteur 202 à l'anode 13 assure un potentiel électrique sensiblement égal au potentiel électrique de l'anode. Une région équipotentielle est formée dans l'intervalle 204 (représenté sur la Fig. 2) entre l'anode 13 et l'élément conducteur 202, ce qui a pour effet un champ électrique presque nul dans l'intervalle 204. Les contraintes électriques à proximité de l'anode 13 sont ainsi transférées vers l'élément d'isolation 201 et les contraintes thermiques restent aux abords de l'anode 13, en découplant de ce fait les contraintes électriques et thermiques autour de l'anode 13. Le découplage des contraintes électriques et thermiques réduit les effets de vieillissement dus à plusieurs facteurs, résultant des contraintes électriques et thermiques combinées dans l'isolation entourant la région d'anode, et il améliore la fiabilité. Dans d'autres formes de réalisation, le potentiel électrique de l'élément conducteur 202 se situe dans les limites du potentiel électrique du composant. Par exemple, le potentiel électrique de l'élément conducteur 202 peut être d'environ plus ou moins dix pour cent à environ soixante pour cent du potentiel électrique du composant. Par exemple, une différence de potentiel électrique d'environ vingt pour cent peut être créée. Cependant, la différence de potentiel des diverses formes de réalisation ne se limite pas à un intervalle de valeur ou à une valeur particuliers, et peut être comprise entre zéro ou cent pour cent ou davantage. Il faut souligner que l'élément d'isolation 201 occupe un très petit volume du boîtier 11 et que, par conséquent, la baisse d'aptitude à la dissipation de chaleur du système résultant de l'apport de l'élément d'isolation 201 reste sensiblement faible. Dans d'autres formes de réalisation, l'anode 13 peut comporter des conducteurs thermiques (par exemple des ailettes) pour accroître la superficie et permettre une plus grande dissipation de chaleur en combinaison avec l'huile d'isolation. Il faut souligner que la mise en oeuvre de conducteurs thermiques pour accroître la superficie de dissipation de chaleur de l'anode 13 peut être réalisée sans tenir compte de l'effet sur les champs électriques, car l'huile d'isolation subit un très faible champ électrique, voire aucun en raison de la présence de la zone équipotentielle dans l'intervalle 204 (représenté sur la Fig. 2) entre l'anode 13 et l'élément conducteur 20. Par ailleurs, il faut souligner que l'élément conducteur 202 décrit ici peut 35 avoir une surface plane ou une surface non plane (par exemple une surface ondulée). Par ailleurs, la surface de l'élément conducteur 202 peut avoir diverses formes et configurations, lesquelles peuvent être modifiées, par exemple, en fonction des nécessités ou besoins de dissipation de chaleur. LISTE DES REPERES Générateur de rayons X 11 Boîtier 12 Tube à vide 13 Anode 14 Elément de support Elément de connexion 19 Fluide de transfert thermique 201 Elément d'isolation 202 Elément conducteur 203 Elément conducteur externe 204 Intervalle 205 Connexion électrique 301 Elément conducteur 302 Elément d'isolation REVENDICATIONS 1. Agencement d'isolation pour système radiographique, ledit agencement d'isolation comprenant: au moins un élément d'isolation (201) couplé électriquement à un composant à l'intérieur d'un système radiographique, le/les éléments d'isolation étant placés à une certaine distance du composant; et un élément conducteur (202) combiné au/aux éléments d'isolation, l'élément conducteur étant configuré pour créer une surface à un potentiel électrique sensiblement égal 10 à un potentiel électrique du composant. 2. Agencement d'isolation selon la revendication 1, dans lequel le système radiographique comprend un générateur (10) de rayons X et dans lequel la distance entre une anode (13) et un boîtier du générateur de rayons X définit un espace (204) contenant une région équipotentielle. 3. Agencement d'isolation selon la revendication 1, dans lequel le/les éléments d'isolation (201) sont constitués par un composant à isolation par solide. 4. Agencement d'isolation selon la revendication 1, dans lequel l'élément conducteur (202) fait partie de/des éléments d'isolation (201). 5. Agencement d'isolation selon la revendication 1, dans lequel l'élément conducteur 20 (202) est constitué d'au moins une couche métallique. 6. Agencement d'isolation selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'isolation (201) est constitué par un matériau époxyde. 7. Agencement d'isolation selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'isolation (201) est configuré de manière à avoir des connexions électriques (205) pour sa connexion à 25 un boîtier (11). 8. Agencement d'isolation selon la revendication 7, dans lequel l'élément d'isolation (201) est configuré pour avoir des dimensions plus petites que les dimensions du boîtier (11). 9. Agencement d'isolation selon la revendication 8, dans lequel l'élément d'isolation (201) est monté par vissage sur le boîtier (11). 10. Procédé pour créer une isolation comprenant un élément d'isolation et un élément conducteur, pour un générateur (10) de rayons X, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : découpler les contraintes thermiques et électriques créées par un composant dans un générateur de rayons X au moyen de l'élément d'isolation et de l'élément conducteur; et 35 transférer les contraintes électriques vers un lieu distant du composant.