FR2856513A1 - Tube generateur de rayons x a ensemble porte-cible orientable - Google Patents

Abstract

Le domaine de l'invention est celui des tubes générateurs de rayons X. L'invention concerne plus particulièrement la disposition des surfaces émettrices qui sont la source du rayonnement X.On sait que l'inclinaison de la surface émettrice dite cible sur le faisceau électronique conditionne l'intensité d'émission de rayons X et la résolution du tube. L'ensemble porte-cible selon l'invention permet de régler cette inclinaison en fonction de l'application souhaitée. Pour les applications à haute énergie nécessitant un circuit de refroidissement, la disposition de la pièce permet également d'améliorer sensiblement la géométrie dudit circuit de refroidissement afin d'accroître sensiblement son efficacité.Plusieurs dispositions du circuit de refroidissement sont présentés ainsi que leur procédé de réalisation.

Description

TUBE GENERATEUR DE RAYONS X A ENSEMBLE PORTE-CIBLE ORIENTABLE

Le domaine de l'invention est celui des tubes générateurs de rayons X. L'invention concerne plus particulièrement la disposition des surfaces émettrices qui sont à la source du rayonnement X. Le principe de fonctionnement d'un tube générateur 10 de rayons X est exposé en figure 1. Il comprend principalement une enceinte à vide 6 comportant à une de ces extrémités un bloc cathode 4 porté par un isolateur 10 3 et à l'autre extrémité un bloc anode 2. Le bloc anode 2 comprend un ensemble portecible 1 comportant une surface plane métallique dite cible 9 disposée en regard du bloc cathode. Le faisceau d'électrons 7 issus de la cathode est accéléré sous l'action de très hautes tensions électriques supérieures à 10 kVolts et vient percuter la cible 9 dans une zone de 15 focalisation O o les électrons perdent leur énergie cinétique. Il s'ensuit un dégagement de chaleur important et une émission 8 de rayons X (symbolisée par les flèches de la figure 1). Le rayonnement X traverse la paroi du bloc anode à des endroits privilégiés 5 appelés fenêtres.

Le dégagement de chaleur provoque un échauffement localisé 20 très intense au niveau de la cible. Dans le cas de tubes fonctionnant à forte puissance, l'élévation de la température de la cible est telle qu'elle pourrait conduire à la destruction de la cible par fusion. Aussi, dans ce cas, le dégagement de chaleur est évacué par un circuit de refroidissement 60 passant dans le porte-cible 1 sous la cible 9.

Afin d'optimiser la répartition du rayonnement X dans l'espace en direction et en intensité, la cible 9 est inclinée d'un angle a par rapport à la direction moyenne du faisceau électronique 7.

La réalisation d'un ensemble porte-cible a donc deux contraintes principales. D'une part, I'angle d'inclinaison ac doit être adapté à l'utilisation et 30 d'autre part, le circuit de refroidissement doit permettre une évacuation suffisante des calories dues à l'impact du faisceau électronique.

Dans les tubes à rayonnement X connus, I'ensemble porte-cible a, en général, la forme d'un cylindre épaulé comme représenté en figures 2, 3 et 4. L'axe de ce cylindre est parallèle à la direction du faisceau électronique.

Un pan coupé du cylindre incliné d'un angle oa constitue la cible soumise au faisceau.

Lorsque la puissance est faible, un circuit de refroidissement n'est pas nécessaire. Dans ce cas illustré en figure 2, I'ensemble porte-cible est raccordé au bloc anode afin que les calories soient d'abord transmises vers la périphérie du bloc anode par conduction à travers les différentes parties 10 métalliques de l'ensemble porte-cible et du bloc anode (flèches blanches internes de la figure 2) puis évacuées vers l'extérieur par convection (flèches blanches externes de la figure 2).

Lorsque la puissance émise est plus importante, la disposition précédente ne suffit plus. Dans ces cas, un conduit de circulation de fluide de refroidissement qui peut être, par exemple, de l'eau ou de l'huile est nécessaire pour extraire les calories de la cible. L'entrée et la sortie de ce fluide se font dans la partie opposée à la cible de l'ensemble porte-cible. La figure 3 illustre un premier mode de réalisation du conduit de refroidissement disposé à l'intérieur de l'ensemble portecible. Il comprend un tube unique 60 20 passant sous la surface de la cible et qui épouse au mieux ladite surface. La figure 4 illustre un second mode de réalisation de conduit de type coaxial. Il comprend un tube d'arrivée 60 situé dans l'axe du cylindre du porte-cible, une cavité interne 61 épousant au mieux l'intérieur du porte-cible et un tube de sortie 62 raccordée à la cavité interne. Cette disposition permet 25 d'optimiser la surface d'échange entre le fluide de refroidissement et l'ensemble porte-cible.

Cependant, ces différents types de circuits de refroidissement ont des inconvénients. En particulier, ces conduits présentent des coudes qui entraînent des changements de direction pour le fluide. Ceux-ci génèrent au 30 niveau des surfaces d'échange thermique avec l'ensemble porte-cible des zones o la vitesse du fluide est quasiment nulle et o les échanges thermiques sont, par conséquent, très faibles. De plus, ces changements de direction induisent des pertes de charge qui peuvent se révéler prohibitives lorsqu'on souhaite augmenter le débit de fluide afin d'accroître les possibilité 35 de dissipation thermique.

Lorsqu'un faisceau d'électrons frappe la surface de la cible sous une incidence ox correspondant à l'angle d'inclinaison de la cible, le rayonnement X est émis dans toutes les directions de l'espace comme indiqué sur la figure 5. L'indicatrice d'intensité d'émission dépend de l'angle 0 5 que fait la direction du rayonnement avec la normale N à la surface de la cible (périmètre en pointillés de la figure 5). Cette indicatrice présente un maximum pour 0 nul et tend vers 0 lorsque 0 tend vers 90 degrés. On ne peut utiliser tout le rayonnement X émis et seule une partie est récupérée à travers une fenêtre de transmission qui définit un angle solide d'émission 10 limité. Cette fenêtre est nécessairement située hors du trajet du faisceau électronique. Si l'on souhaite récupérer une partie importante du rayonnement émis, I'angle d'inclinaison a doit alors être suffisamment important.

Cependant, I'angle d'inclinaison conditionne également la i5 résolution géométrique de la source d'émission X comme illustré en figures 6 et 7. Un faisceau électronique 7 à section circulaire de diamètre 4, section encore appelée finesse, tombe sur une cible inclinée d'un angle a par rapport à la direction d'incidence. Ce faisceau va générer un rayonnement X. Dans une direction d'émission donnée, le rayonnement X, passant par un 20 diaphragme 11 de très petit diamètre, a alors une divergence 3. Cette divergence L3 est proportionnelle à l'angle a comme il est montré sur les figures 6 et 7. Cette divergence 3 conditionne la résolution du tube générateur de rayons X et la netteté des images observées. En effet, si l'on place un écran 12 dans le rayonnement X, I'image du diaphragme n'est plus 25 quasiment ponctuelle mais a une certaine dimension directement proportionnelle à la divergence P. Par conséquent, pour obtenir des tailles d'image de petite dimension, c'est-à- dire des résolutions élevées, il faut réduire l'angle d'inclinaison ax.

L'angle d'inclinaison a est nécessairement le résultat d'un 30 compromis entre, d'une part l'énergie du rayonnement X et d'autre part, la résolution du tube. Selon les applications, les concepteurs de tubes sont ainsi amenés à proposer, pour une même configuration de tubes, différentes versions d'ensembles porte-cible dans lesquelles les inclinaisons de la cible varient. L'étude, la réalisation et la gestion de ces différentes variantes 35 génèrent des surcoûts et des délais supplémentaires qui peuvent être importants, compte-tenu de la complexité de la pièce et des matériaux employés.

L'invention propose de remplacer ces différentes variantes par un ensemble unique permettant d'assurer le réglage de l'angle d'inclinaison de 5 la cible. La disposition de la pièce permet également d'améliorer la géométrie du circuit de refroidissement afin d'accroître sensiblement son efficacité.

D'autre part, les différentes pièces mécaniques ne comportent pas d'usinage complexe.

Plus précisément, l'invention a pour objet un tube générateur de rayon X comprenant un canon à électrons émettant un faisceau électronique, un bloc anode comportant un ensemble porte-cible possédant une surface plane dite cible sur laquelle est focalisée le faisceau électronique en une tache de focalisation (O), caractérisé en ce que l'ensemble porte-cible 15 possède un axe de révolution sensiblement perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau électronique et passant par le plan de la cible.

Avantageusement, l'ensemble porte-cible est de forme globalement cylindrique à section circulaire, la cible étant située dans un plan passant par l'axe de révolution du cylindre et le bloc anode comporte un 20 logement de forme également globalement cylindrique dans lequel se loge ledit ensemble porte-cible de façon que l'axe de révolution de l'ensemble porte-cible passe par la tache de focalisation.

Pour les applications nécessitant un rayonnement X important, avantageusement, I'ensemble porte-cible comporte au moins un conduit 25 principal interne de circulation de fluide de refroidissement traversant l'ensemble porte-cible dans une direction sensiblement parallèle à son axe de révolution et passant sous la cible pour la refroidir.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 30 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: * La figure 1 représente une vue en coupe d'un tube générateur de rayons X comportant un ensemble porte-cible selon l'art antérieur.

* La figure 2 représente une vue en coupe d'un bloc anode comportant un ensemble porte-cible sans circuit de refroidissement selon l'art antérieur.

* La figure 3 représente une vue en coupe d'un bloc anode comportant un ensemble porte-cible comprenant un premier type de circuit de refroidissement selon l'art antérieur.

La figure 4 représente une vue en coupe d'un bloc anode comportant un ensemble porte-cible comprenant un second type de circuit de refroidissement selon l'art antérieur.

10. La figure 5 représente l'indicatrice d'émission de rayonnement X. * Les figures 6 et 7 représentent l'influence de l'angle d'inclinaison de la cible sur la résolution du tube.

* La figure 8 représente une vue en perspective de l'ensemble portecible selon l'invention.

1 5 * La figure 9 représente une vue de face et une vue de profil de l'ensemble porte-cible selon l'invention.

* La figure 10 représente une vue en coupe d'un ensemble portecible selon l'invention comportant un conduit de circulation de fluide de refroidissement.

* La figure 11 représente une vue en perspective de la partie du conduit située sous la cible.

* La figure 12 représente une vue en perspective d'un ensemble de conduits secondaires cylindriques à section circulaire placés sous la cible.

* La figure 13 représente une vue de face en coupe et une vue de profil de l'ensemble porte-cible comportant des conduits secondaires cylindriques à section circulaire.

* La figure 14 représente une vue en perspective d'un ensemble de conduits secondaires cylindriques à section triangulaire placés 30 sous la cible.

* La figure 15 représente une vue en perspective d'un ensemble de conduits secondaires cylindriques à section en forme d'arche placés sous la cible.

La figure 16 représente une vue de face en coupe et une vue de profil en coupe de l'ensemble porte-cible comportant des conduits secondaires cylindriques à section triangulaire.

Le coeur de l'invention est de rendre réglable l'angle d'inclinaison de la cible sur la direction moyenne du faisceau électronique tout en conservant la focalisation du faisceau sur la cible. Il existe différentes dispositions mécaniques possibles.

A titre d'exemple non limitatif, I'ensemble porte-cible 1 a la forme 10 générale représentée sur la vue en perspective de la figure 8. Cette figure représente un ensemble porte-cible I sans conduit de circulation de liquide de refroidissement. L'ensemble porte-cible a globalement la forme d'un cylindre de révolution. La partie centrale de ce cylindre comporte un usinage.

Dans cette partie usinée, une moitié du cylindre a été enlevée afin de définir 15 une surface plane 9 qui constitue la surface de la cible. Ainsi, la cible se trouve dans un plan passant par l'axe 20 du cylindre de façon que lorsque le cylindre tourne en rotation autour de son axe, le centre de la cible occupe toujours une position fixe. La figure 9 représente une vue de face et une vue de profil en coupe de l'ensemble porte-cible 1 monté dans le bloc anode 2. 20 Celui-ci comporte un évidement cylindrique de diamètre sensiblement égal à celui de l'ensemble porte-cible de façon que ledit ensemble 1 puisse tourner sans jeu dans le bloc anode. L'axe de révolution de ce cylindre est sensiblement perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau d'électrons et cet axe passe par la tache de focalisation du faisceau électronique 7 25 comme indiqué sur la figure 8. Cette disposition permet d'optimiser le diamètre de la tache de focalisation O. Dans ces conditions, lorsque l'on tourne l'ensemble porte-cible dans le bloc anode, la surface de la cible s'incline d'un angle ax variable et la focalisation du faisceau électronique sur la cible est conservée. Pour positionner la cible à un angle a particulier, il 30 existe différentes méthodes possibles utilisant, par exemple, un outillage adapté qui ne font pas l'objet de cette invention et qui sont connues de l'homme du métier. Une fois cette inclinaison réglée, I'ensemble porte-cible est brasée dans le bloc anode afin d'une part de conserver cette inclinaison et d'autre part d'assurer l'étanchéité au vide de l'ensemble, étanchéité 35 nécessaire au fonctionnement du canon à électrons. Cette disposition est très avantageuse dans la mesure o les opérations d'usinage des différentes pièces (ensemble porte-cible et bloc anode) sont simples et peuvent être réalisées avec une grande précision.

Pour les tubes à haute puissance nécessitant un conduit de 5 circulation de liquide de refroidissement, la disposition précédente se prête particulièrement bien à l'implantation dudit conduit. A titre d'exemple, la figure 10 représente une vue en coupe d'un ensemble porte-cible du type de celui des figures 8 et 9 comportant un conduit de circulation de fluide de refroidissement 60. Celui-ci traverse de part en part l'ensemble porte-cible 10 selon son axe de révolution et passe sous la cible 9. L'échange des calories se fait principalement dans la zone située sous la cible que l'on appelle échangeur. Cette géométrie qui ne présente pas de coudes mécaniques permet d'assurer un bon transfert du liquide de refroidissement à travers l'ensemble porte-cible, supérieur à celui des dispositifs selon l'art antérieur. 15 Des manchons 63 disposés aux extrémités du conduit assure sa liaison avec les circuits d'arrivée et d'évacuation du liquide de refroidissement.

La conception de l'échangeur conditionne l'efficacité du conduit de circulation du liquide de refroidissement. Elle résulte d'un compromis entre une efficacité optimale et une complexité mécanique acceptable.

Dans un premier type de réalisation présentée sur la vue en perspective de la figure 11, I'échangeur est principalement constitué de deux parois planes parallèles entre elles et séparées d'une épaisseur e. La première paroi est située sous la cible et parallèle à celle-ci. Par conséquent, l'eau circule dans l'échangeur sous la forme d'une nappe d'épaisseur e 25 (flèches parallèles de la figure 11). Cet échangeur a des performances réduites compte-tenu de sa surface d'échange limitée. Il est possible d'améliorer son rendement en l'utilisant en mode diphasique, les quantités de chaleur absorbées par les changements de phase, par exemple lorsque l'eau liquide passe sous forme de vapeur, permettant ainsi d'améliorer le 30 rendement du circuit de refroidissement.

Pour améliorer le rendement de l'échangeur, on peut également augmenter l'aire de la surface d'échange. La vue en perspective de la figure 12 présente un premier mode de réalisation d'un échangeur à grande surface d'échange. Dans ce mode de réalisation, la surface d'échange est 35 constituée d'une pluralité de conduits secondaires 64 de forme cylindrique et de génératrice parallèle à l'axe de révolution de l'ensemble porte-cible. Les conduits 64 sont séparés d'une paroi d'épaisseur P et ont un diamètre d.

Typiquement, le diamètre d est compris entre 0.8 millimètres et 3 millimètres et l'épaisseur P doit être inférieure à d. On optimise ainsi la surface 5 d'échange qui est, dans ce cas, bien supérieure à celle illustrée en figure 11.

La figure 13 représente deux vues de l'ensemble porte-cible comprenant un échangeur selon la disposition précédente. Dans ce cas, le conduit 60 comporte à ses extrémités deux perçages cylindriques 65 et dans la zone de l'échangeur une pluralité de conduits secondaires 64 selon la disposition de 10 la figure 12, chacun de ces conduits débouchant dans les perçages cylindriques 65. Lorsque l'on oriente l'ensemble porte-cible comme indiqué sur la vue de profil, I'ensemble de l'échangeur suit l'inclinaison de la cible.

L'usinage du conduit peut être fait simplement par perçage par une des extrémités du cylindre.

Cependant, le perçage de trous de faible diamètre, typiquement inférieur à 1.5 millimètres dans des matériaux tels que le cuivre peut se révéler difficile sur de grandes longueurs, typiquement supérieures à 10 fois le diamètre. Dans ce cas, il est possible de remplacer le procédé de réalisation de l'échangeur par usinage classique par le procédé comportant 20 les étapes de réalisation suivantes: * Réalisation d'un premier ensemble 1 mécanique de forme globalement cylindrique comprenant un conduit principal 65 traversant ledit premier ensemble dans une direction sensiblement parallèle à son axe de révolution et dans sa 25 partie centrale un évidement comportant une surface plane 101, le conduit principal 65 débouchant dans cet évidement.

* Réalisation d'un second ensemble mécanique 102 comportant une surface supérieure plane et une surface inférieure comportant des rainures 103 identiques. Ce second ensemble 30 peut être de forme globalement cylindrique.

À Assemblage du second ensemble dans l'évidement du premier ensemble de telle sorte que les rainures 103 sont placées en regard de la surface plane 101 de l'évidement, la surface supérieure du second ensemble constituant la cible 9, 35 l'ensemble des rainures du second ensemble et de la surface plane de l'évidement constituant autant de conduits secondaires formant l'échangeur.

La forme finale des conduits dépend de la forme initiale des rainures, permettant ainsi de paramétrer la surface d'échange souhaitée. A 5 titre d'exemple, les figures 14 et 15 présentent deux formes de rainures 103.

Sur la figure 14, les rainures sont en forme de V et la section finale des conduits est triangulaire. Sur la figure 15, les rainures sont en en forme d'arche et la section finale des conduits est en forme de D renversé. La figure 16 représente une vue de face en coupe et une vue de profil en coupe 10 montrant la disposition de l'ensemble porte-cible 1 comportant l'ensemble mécanique 102 dans le bloc anode 2. Dans cette disposition, les extrémités du conduit peuvent également comporter des manchons d'adaptation 63.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Tube (10) générateur de rayon X comprenant un canon à électrons (4) émettant un faisceau électronique (7), un bloc anode (2) comportant un ensemble porte-cible (1) possédant une surface plane (9) dite cible sur laquelle est focalisée le faisceau électronique (7) en une tache de 10 focalisation (O), caractérisé en ce que l'ensemble porte- cible (1) possède un axe de révolution (20) sensiblement perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau électronique (7) et passant par le plan de la cible (9).

2. Tube (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 lI'ensemble porte-cible (1) est de forme globalement cylindrique à section circulaire, la cible (9) étant située dans un plan passant par l'axe de révolution (20) du cylindre et que le bloc anode (2) comporte un logement de forme également globalement cylindrique dans lequel se loge ledit ensemble porte-cible (1) de façon que l'axe de révolution (20) de l'ensemble porte-cible 20 passe par la tache de focalisation.

3. Tube (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble porte-cible (1) comporte au moins un conduit (60) interne de circulation de fluide de refroidissement traversant l'ensemble porte-cible dans 25 une direction sensiblement parallèle à son axe de révolution et passant sous la cible pour la refroidir.

4. Tube (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit (60) comporte une partie centrale appelée échangeur placée sous la 30 cible et formée de plusieurs conduits secondaires (64) de forme cylindrique et de génératrice parallèle à l'axe de révolution de l'ensemble porte-cible.

5. Tube (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section des conduits secondaires est circulaire. 35

6. Tube (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conduits secondaires ont un diamètre de dimension supérieure à l'épaisseur de la paroi les séparant.

7. Tube (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section des conduits secondaires est triangulaire ou en forme d'arche.

8. Procédé de réalisation d'un ensemble bloc-anode pour tube (10) générateur de rayons X, comprenant les étapes suivantes: * Réalisation d'un ensemble porte-cible (1) possédant une surface plane (9) dite cible possédant un axe de révolution (20) passant par le plan de la cible (9); À Réalisation d'un bloc anode (2) comportant un logement; * Mise en place de l'ensemble porte-cible (1) dans le logement du bloc- anode (2) de façon que l'axe de révolution (20) soit sensiblement perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau électronique (7) d'émission du tube (10); * Réglage de l'angle d'inclinaison a de la cible (9) sur ladite direction moyenne par rotation de l'axe (20); * Fixation de l'ensemble porte-cible (1) dans le bloc anode (2).

9. Procédé de réalisation d'un ensemble bloc-anode selon la 25 revendication 8 comportant un ensemble porte-cible (1), caractérisé en ce que l'étape de réalisation de l'ensemble porte-cible comporte les sousétapes de réalisation suivantes: * Réalisation d'un premier ensemble mécanique de forme globalement cylindrique comprenant un conduit principal (66) 30 traversant ledit premier ensemble dans une direction sensiblement parallèle à son axe de révolution et dans sa partie centrale un évidement comportant une surface plane (101), le conduit principal (66) débouchant dans cet évidement.

* Réalisation d'un second ensemble mécanique (102) comportant une surface supérieure plane et une surface inférieure comportant des rainures (103) identiques.

ò Assemblage du second ensemble (102) dans l'évidement du 5 premier ensemble de telle sorte que les rainures (103) sont placées en regard de la surface plane (101) de l'évidement, la surface supérieure du second ensemble constituant la cible, l'ensemble des rainures du second ensemble et de la surface plane de l'évidement constituant autant de conduits 10 secondaires formant un échangeur.