Brevet FR2893758A1 — publié le 20070525

Tube à rayons X à palier perfectionné La présente invention a pour objet un tube à rayons X à anode tournante, à palier perfectionné et de préférence sous la forme d'une cartouche. 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 (ou plusieurs) 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, dans un premier temps, de revêtir les billes par du métal, du plomb ou de l'argent sous forme d'une couche fine. Puis afin de 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, par exemple, 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. D'autres liquides lubrifiants ne sont pas retenus parce qu'ils ont de mauvaises propriétés de dégazage. 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 pièces de roulement et le liquide Gallium, Indium et Etain, peut être limitée dans le temps. Afin d'améliorer la performance du palier, les pistes de roulement extérieure et intérieure ainsi que les pièces en mouvement dans l'espace intermédiaire (cylindres, cônes, rouleaux, diabolo) sont recouvertes d'un matériau céramique. Ce matériau offre une surface avec des aspérités et un relief minimum, donc une surface particulièrement lisse correspondant à un coefficient de rugosité (Ra) de l'ordre du micromètre. Ce faible relief permet de réduire l'épaisseur de lubrifiant nécessaire à l'absence de contacts entre les surfaces des pistes et entre les surfaces de chacun des roulements du palier. Mais quand le film se casse ou se rompt, les surfaces entrent alors en contact. Le régime est alors qualifié de régime direct très abrasif même pour des paliers comportant des pistes et ou des pièces de roulement en matériau céramique. Aussi le problème consiste, notamment, à améliorer l'absence totale de contact entre la surface des pistes intérieure et extérieure des paliers et la surface des pièces de roulement utilisées. Le liquide lubrifiant, sous la forme d'alliages à base de Gallium présent dans la chambre et dans le palier, a pour rôle de répondre à cette demande. Mais, sous vide, la viscosité de cet alliage est nulle et ne permet donc pas, lors de la rotation de l'arbre de l'anode à pleine vitesse, d'atteindre un régime élastohydrodynamique. Ce régime permet une rotation de l'arbre d'anode suffisamment libre et flottante dans le lubrifiant des paliers pour éviter tout contact entre les surfaces en mouvement (hydrodynamique ). Ce régime élastohydrodynamique permet également, pendant la rotation de l'anode, que son arbre soit suffisamment prisonnier et rigide entre les paliers afin d'éviter des modifications sensibles de sa direction, et aussi que l'arbre ne vibre en créant un phénomène de résonance de l'ensemble du support, ou que l'arbre subissent une trop forte déformation mécanique non réversible (régime élastique). Sous l'effet de l'accélération et de la force centrifuge, un gradient de pression (pressions de 1 à 2 Gigapascals) s'installe et le lubrifiant présent dans la chambre, et plus particulièrement dans les paliers, est chassé par intermittence des zones à lubrifier entraînant des contacts directs entre les surfaces de roulements des paliers (les pistes) et les pièces de roulement eux-mêmes. Or, lors de ces contacts, les paliers, même en céramiques, sous ambiance sous vide de la chambre s'usent très vite. La présente invention a pour but de maintenir la présence permanente d'un film lubrifiant d'épaisseur minimale, notamment à base d'alliage de Gallium entre les surfaces fixes et en mouvement du ou des paliers pendant la rotation de l'arbre d'anode. Pour ce maintien, des motifs en relief, par exemple des rainures, sont apposés sur les surfaces correspondant aux pistes intérieure et extérieure du palier et ou sur les pièces de roulement elles-mêmes. Les rainures, sur ces surfaces très lisses en matériau céramique, ont, à titre indicatif, pour profondeur quelques nanomètres. Ces rainures sont conçues de façon à maintenir un gradient de pression continu et homogène aux endroits où l'alliage lubrifiant à base de Gallium tend à fuir pendant la rotation de l'arbre. En effet, un palier comporte deux couronnes opposées l'une à l'autre entre lesquelles circule des pièces de roulement. Une couronne extérieure est fixée au support de l'anode et comporte une piste extérieure de circulation des pièces de roulement et une autre couronne intérieure solidaire de l'axe de rotation de l'anode comporte une piste intérieure de circulation de ces mêmes pièces de roulement. Les deux pistes sont, par exemple, creusées dans leurs couronnes respectives en formant une goulotte aux dimensions des pièces de roulement qui y gravitent. Or, du fait des très fortes accélération subies par les paliers, un gradient de pression se crée dans l'épaisseur du film lubrifiant. Cette épaisseur est l'épaisseur minimale nécessaire à éviter tout contact entre les surfaces des pistes et des pièces de roulement. Les motifs rainurés en formes de chevrons dans un exemple, à la fois imbriqués les uns dans les autres et côtes à côtes, permettent de compenser ce gradient de pression en capturant ou en pompant le liquide lubrifiant puis en le chassant dans une direction opposée à celle correspondant à la rotation du palier et des pièces de roulement. Ces chevrons permettent aussi d'éviter la fuite hors du palier du liquide lubrifiant en compensant le gradient de pression dans l'épaisseur du film et en conservant un film lubrifiant homogène et continu entre les pistes et les pièces de roulement à l'endroit même où les contraintes de pression sont les plus fortes en l'occurrence sous les pièces de roulement. L'invention a donc pour objet un tube à rayons X comportant - une enceinte où sont produits des rayons X, - dans l'enceinte, un arbre, une cathode, une anode située en regard de la cathode et tournante sur l'arbre, et un support fixe d'arbre d'anode, - le support comporte des paliers de type roulement à pièces de roulement comportant chacun deux pistes de roulement, une piste intérieure et une piste extérieure, pistes entre lesquelles circulent en roulement les pièces de roulement, caractérisé en ce que - les pistes de roulements et ou les pièces de roulement comportent un ou plusieurs motifs en relief sur la surface des pistes et ou des pièces de 25 roulement. 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 30 rayons X selon l'invention ; - figure 2: une représentation en coupe du support de l'arbre d'anode avec une chambre et les paliers ; - figure 3a et 3b : deux représentations d'un palier avec des roulements cylindriques (couronne et piste intérieure) et de sa piste intérieure 35 avec des motifs à chevrons selon l'invention ; -figure 4a et 4b : deux représentations en coupe de deux paliers complet avec, à gauche, des pièces de roulements elliptiques avec des axes de rotation non parallèles à l'axe de rotation de l'arbre d'anode (Figure 4a) et, à droite, un palier avec des roulements cylindriques dont les axes de rotation sont parallèles à l'axe de rotation de l'arbre d'anode (Figure 4b) ; - figure 5a et 5b : deux représentations en coupe des pistes intérieure et extérieure du palier avec, à gauche schématisé, un motif moins stable (Figure 5a) et, à droite schématisé, un motif stable (Figure 5b). 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 4. Ce support 11 est creux et comporte une chambre 12. Au sein de la chambre 12, des paliers tels que 13 et 23 assurent le maintien de l'anode 4 par le support 11. Pour résoudre les problèmes de lubrification mais aussi 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. On peut néanmoins lubrifier les paliers 13 et 23 par des moyens plus traditionnels. Les paliers 13 et 23 comportent une couronne extérieure 14 (Figure 2) solidaire, d'un côté, du support 11 d'arbre 7 d'anode et offrant, de l'autre côté, une piste extérieure 15 de roulement. Les paliers 13 et 23 comportent également une couronne intérieure 16 solidaire d'un côté de l'arbre 7 d'anode 4 et offrant de l'autre côté une piste intérieure de roulement 17. Entre ces deux couronnes 14 et 16 et sur ces deux pistes 15 et 17 sont en mouvement les pièces de roulement 18. A l'interface entre les pièces de roulements 18 et les pistes de roulement 15 et 17 est présent un film lubrifiant, par exemple à base de Gallium. Ce même liquide lubrifiant peut de préférence être présent dans toute la chambre 12. Le problème est celui d'avoir des paliers 13 et 23 insuffisamment performants pour permettre une rotation la plus fluide possible de l'arbre 7 d'anode 4. Il faut empêcher qu'un jeu trop important ne soit présent ou ne s'installe dans l'espace occupé par le film lubrifiant. En effet il faut éviter que l'arbre 7 d'anode en rotation ne puisse perdre son alignement, qu'il n'entre en vibration ou bien qu'il ne subisse une translation d'avant en arrière. En même temps, si le jeu est très réduit et s'il conduit à un film lubrifiant très mince, il faut empêcher que le film ne se casse. A titre de perfectionnement les pièces de roulements 18 utilisés dans les paliers 13 et 23 sont préférentiellement de formes elliptiques ou cylindriques afin de garantir une surface de contact de roulement plus grande. Cette surface de contact est longitudinale. Cette surface de contact longitudinale permet alors de plus facilement conserver une étroite cohésion, malgré les très fortes contraintes, entre les deux couronnes intérieure et extérieure 16 et 14 et donc d'assurer plus aisément un parallélisme de l'arbre 7 de rotation de l'anode 4 avec l'axe longitudinal du support 11. Toujours à titre de perfectionnement, la présence d'une goulotte 19, Figure 3, usinée dans chaque couronne 14 et 16 aux dimensions des pièces 18 de roulement et correspondant aux pistes de roulements 15 et 17 permet d'atténuer des effets de translation de l'arbre 7 d'anode 4. De même l'inclinaison de l'axe 20 de rotation d'une pièce 18 de roulement au sein du palier 13, Figure 4a, permet en contre réaction d'empêcher ou d'annihiler la translation de l'arbre 7 d'anode tournante. Dans un exemple préféré en mettant face à face deux paliers dont les pièces de roulement sont inclinés de façon symétrique, ces paliers bloqueront la translation de l'arbre 7 d'anode et par la droite et par la gauche. Ainsi pour aboutir à un bon compromis, dans l'invention on utilise un film mince et on réalise des motifs en reliefs sur la surface des pistes et ou sur les surfaces de roulement des pièces de roulement. Ces motifs freinent la fuite du lubrifiant et empêche que le film ne se casse. Grâce à ces motifs l'équilibre autorise un film suffisamment mince pour éviter des vibrations de l'arbre 7 d'anode mais suffisamment épais pour qu'il ne casse plus (suppression de l'abrasion des roulements). La finesse du film est également importante pour une autre raison : plus le film est épais, plus les effets de perte de puissance et de charge, lors de la rotation, sont importants. La solution consiste alors à créer les motifs en relief 21 (Figure 3b) à la surface des pistes de roulement 15 et 17 et ou à la surface des roulements 18. Ces motifs sont créés grâce à des rainures de profondeur de l'ordre du nanomètre sous la forme de courbes ouvertes ou fermées. Ils pourraient être créés sous la forme de surépaisseur par exemple des joncs soudés en zigzag sur les surfaces de roulement. Un motif préféré consiste à rainurer les pistes intérieure et extérieure 17 et 15 du palier par des chevrons, Figure 3b, représentés par des V inversés. Ces motifs 21 à chevrons 25 permettent, lors de la rotation de l'arbre 7 d'anode tournante d'attirer en le pompant le liquide lubrifiant dans les rainures puis de le chasser d'avant en arrière dans le sens convexe ù concave du V c'est à dire le chasser des réceptacles formés par les pointes des V 25 vers les extrémités des branches des V. Le courant de liquide forme à l'arrière du V une crête 22. En particulier les pointes des V sont orientées dans le sens du roulement des pièces 18 de roulement sur les pistes 17 et 15. En pratique sur la piste 17, Figure 3b et sur la piste 15 (non représentée) les pointes des V sont orientées vers le haut si les pièces de roulement 18 roulent pour se déplacer dans le sens de la flèche 27. Par ailleurs en imbriquant, les uns derrière les autres, les chevrons tout au long du pourtour de chacune des pistes intérieure et extérieure 17 et 15, on crée un courant ou un flux de liquide lubrifiant au sein de la goulotte 19 essentiellement localisé sous les pièces de roulement. En générant ce courant à l'opposé du sens de rotation de l'arbre 7 d'anode, il est alors possible de contrer localement, au sein du film, les effets d'apparition du gradient de pression. Néanmoins , il est important que ces motifs 21 à chevrons rainurés sur les pistes 15 et 17 et ou sur les pièces de roulement 18 génèrent un flux uniforme et localement stable sous ces pièces de roulement 18. Or on constate que la présence d'un seul chevron dans le sens de la largeur des pistes 15 et 17 et ou transversalement à la surface des pièces de roulement 18 peut quelquefois créer, Figure 5a, une crête 22 du flux de liquide lubrifiant. Cette crête est centrée sur la pointe du chevron 25. Cette crête 22 peut avoir pour conséquence de provoquer, sous la pièce de roulement 18 une sorte de pivot au centre duquel la pièce de roulement 18 oscille de façon aléatoire tantôt à droite, tantôt à gauche. La pièce de roulement 18 n'offre pas alors une surface bien parallèle aux pistes 15 et 17 du palier 13. La pièce de roulement 18 n'est pas alors suffisamment stable et l'épaisseur du film n'est plus homogène et des contacts directs entre elle et les pistes 15 et 17 peuvent alors avoir lieu. Elle peut s'user plus vite que prévu. De la même façon qu'on prévoit des paliers 23 espacés le long de l'axe de l'arbre 7 d'anode pour assurer un bon roulement, la présence de crêtes 22 de liquide lubrifiant décalées longitudinalement (le long de l'axe de l'arbre 7 d'anode) stabilise le roulement. Le perfectionnement consiste alors à positionner côte à côte au moins deux chevrons 25 et 26, Figure 5b, ce qui grâce aux deux crêtes 22 ainsi formées par le flux de liquide lubrifiant lors de la rotation de l'arbre 7 d'anode permet de stabiliser, en équilibre sur les deux crêtes, la pièce de roulement 18 de façon bien parallèle aux pistes 15 et 17. Les motifs 21 en relief sont montrés ici comme formés par des lignes ouvertes, les V sont présents seuls ou côtes à côtes. Il est possible de prévoir des motifs 21 avec des lignes fermées (par exemple des cercles) pour piéger des particules de film du lubrifiant dans le même but. La solution avec des lignes ouvertes est préférée. Les pièces de roulement sont soit de simples pièces en métal (en acier en pratique) ou de préférence recouverte d'un matériau plus résistant notamment la céramique. De plus il est important de noter qu'un dispositif d'étanchéité 24 (Figure 1) est présent en sortie de support 11 de l'arbre 7 d'anode afin d'éviter toute fuite de liquide lubrifiant lorsque la chambre 12 est remplie de ce liquide. Grâce aux motifs 21 la durée de vie des paliers 13 et 23 même en céramique se trouve considérablement rallongée. De plus le comportement individuel de chaque roulement 18, grâce à sa forme spécifique (cylindrique, sphérique ou elliptique) et grâce à la présence du film de liquide lubrifiant entre les pistes intérieure et extérieure 15 et 17 du palier 13 peut s'apparenter à celui d'un palier radial. REVENDICATIONS 1 - Tube à rayons X (1) comportant - une enceinte (2) où sont produits des rayons X (9), - dans l'enceinte (2), une cathode (5), une anode (4) située en regard de la cathode (5) et tournante sur un arbre (7), et un support (11) fixe d'arbre d'anode, - le support (11) comporte des paliers (13 et 23) de type roulement à pièces de roulement (18) comportant chacun deux pistes de roulement (15 et 17), une piste intérieure (17) et une piste extérieure (15), pistes entre lesquelles circulent en roulement les pièces de roulement (18). caractérisé en ce que - les pistes de roulements et ou les pièces de roulement comportent un ou plusieurs motifs (21) en relief sur la surface des pistes et ou des pièces de roulement. 2- Tube selon là rèVù ridicàtion 1, caractérisé en ce que les motifs (21) représentent des chevrons rainurés sous la forme de V. . 3 - Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que les chevrons sont côtes à côtes. 4 - Tube selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que les chevrons sont imbriqués les uns derrières les autres. 5 - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les motifs sont formés par des lignes ouvertes. 6 - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les motifs sont formés par des lignes fermées. 7 - Tube selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les pièces de roulement (18) épousent des formes cylindriques, sphériques, elliptiques, coniques ou en diabolo. 8 - Tube selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que 30 les pièces de roulement (18) comportent des pièces en céramiques ou revêtues de céramiques. 9 - Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les pistes de roulement (15 et 17) sont en céramique ou revêtues de céramiques. 35 10 - Tube selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que 11 -le support (11) comporte une chambre (12) de maintien, - l'arbre (7) de l'anode (4) est maintenu dans la chambre (12), - la chambre (12) est remplie d'un alliage lubrifiant Gallium, Indium, Etain, - la chambre (12) est munie en sortie d'arbre (7) d'anode d'un dispositif d'étanchéité (24) pour empêcher la fuite de l'alliage lubrifiant hors de la chambre.