EP0415847A1 - Anticathode tournante de tube à rayons X - Google Patents

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EP0415847A1
EP0415847A1 EP90402388A EP90402388A EP0415847A1 EP 0415847 A1 EP0415847 A1 EP 0415847A1 EP 90402388 A EP90402388 A EP 90402388A EP 90402388 A EP90402388 A EP 90402388A EP 0415847 A1 EP0415847 A1 EP 0415847A1
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support
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anticathode
matrix
sic
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Dominique Gaillard
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Comurhex pour La Conversion de lUranium en Metal et Hexafluorure SA
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/108—Substrates for and bonding of emissive target, e.g. composite structures

Definitions

  • the invention relates to an X-ray tube anticathode designed so that it can rotate at very high speed.
  • the X-ray tube anticathodes are rotating discs made up of a support at least partially coated with an active layer of refractory metal. They are used in medical devices such as scanners.
  • the current trend of manufacturers of medical devices is to be able to increase the power received by the anticathode and / or to reduce the size of the impact spot of electronic bombardment so as to improve the definition of the image obtained.
  • This desire to increase the power or to decrease the size of the spot is limited by the slowness of the anticathode to dissipate the stored heat and, consequently, by the rise in the temperature of the foca track until the melting temperature of the material constituting the active layer of the anti-cathode on which this track is formed.
  • the support of the anticathode is made of a carbonaceous material consisting of a polycrystalline graphite whose coefficient of expansion is compatible with that of the refractory metal such as tungsten, a tungsten-rhenium alloy or a molybdenum-based alloy. which is fixed (for example by brazing) or deposited (for example in the vapor phase or electrolytically) on this support.
  • the refractory metal such as tungsten, a tungsten-rhenium alloy or a molybdenum-based alloy.
  • the coefficient of expansion of a carbon-carbon composite is 0.5.10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 at 25 ° C and 2.106 ° K ⁇ 1 at 1000 ° C
  • the coefficient of expansion of a metallic layer of tungsten-rhenium alloy is 4.10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 at 25 ° C and 4.5.10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 at 1000 ° C).
  • An anticathode is thus produced having a mechanical resistance which allows it to rotate at very high speed, but the manufacture of the anti cathode is complicated by the incompatibility of the expansion coefficients of the carbon-carbon composite support on the one hand and of the graphite-metallic layer assembly on the other hand.
  • the presence of a graphite substrate between the metallic layer and the composite support requires interposing between the graphite substrate and the metallic layer a very thin rhenium sublayer serving as an anti-carburizing barrier, as in conventional anodes. with graphite support. The temperature of use of the anticathode is thereby limited and its cost increased.
  • the present invention specifically relates to an X-ray tube anticathode designed so that it can rotate at very high speed without the risk of bursting, while having a simpler and less expensive structure than existing anticathodes and being able to be used for higher power densities or higher powers.
  • a rotating X-ray tube anticathode comprising a support at least partially coated with a layer of refractory metal, characterized in that the layer of refractory metal is in direct contact with the support, which is produced in a composite material formed of ceramic fibers embedded in a ceramic matrix (ceramic / ceramic composite), this material having a coefficient of dilation adapted to that of the refractory metal.
  • the speed of rotation of the anticathode can reach and even exceed 20,000 rpm without it being necessary to interpose between the support and the refractory metal an intermediate layer of graphite nor, consequently, an anti-carburizing sub-layer.
  • the anticathode can thus operate at much higher interface / active layer interface temperatures and therefore increase the performance of the X-ray tube.
  • the removal of the intermediate graphite layer and the rhenium sublayer leads at an appreciable price gain.
  • the support is made of a composite material chosen from a group comprising SiC fibers / SiC matrix; SiC fibers / Si3 N4 matrix; C fibers / SiC matrix; C fibers / B4C matrix; C fibers / Si3N4 matrix; SiC fibers / B4C matrix; and Ti B2 fibers / Ti B2 matrix.
  • a material formed of SiC fibers embedded in an SiC matrix will preferably be chosen.
  • the refractory metal is, in known manner, either tungsten or a tungsten-rhenium alloy.
  • the ceramic / ceramic composite used in accordance with the invention to produce the Support for a rotating X-ray tube anticathode comprises a fiber reinforcement which can be formed either by a stack of two-dimensional fabrics, or by a three-dimensional fabric. From this reinforcement, the composite is obtained by impregnating the fibrous tissue in the liquid or gas phase with the material constituting the ceramic matrix of the composite.
  • the density of the fibers in the composite material obtained is advantageously greater than 40% and the total porosity rate of this material is less than 20%.
  • the coefficient of expansion of this composite is approximately 3 ⁇ 10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 to 25 ° C and 4 x 10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 at 1000 ° C.
  • This coefficient of expansion should be compared to that of the tungsten-rhenium alloy, of which it is recalled that it is approximately 4 x 10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 at 25 ° C and 4.5 x 10 ⁇ 6 ° K ⁇ 1 at 1000 ° C.
  • the metal active layer is placed in accordance with the invention directly in contact with the support of the anticathode.
  • the connection between the metallic active layer and the support can be achieved in different ways.
  • the metal layer can be made integral with the support of ceramic / ceramic material only by brazing, deposited on this support by electrolysis by molten salt, by vapor deposition (CVD), by cathode sputtering (PVD), by magnetron sputtering. , by plasma spraying, etc.
  • the metal layer can also be secured to the support by recess or embedding, so that the two materials are nested and made mechanically integral.
  • the support of the anticathode can also be made in other ceramic / ceramic composite materials which are chosen mainly so that their coefficient of expansion is as close as possible to the coefficient of expansion refractory metal with which this support is coated.
  • examples of other composite materials that can thus be used to carry out the support of the anticathode are given in table II below: TABLE II Fibers Matrix SiC Si3N4 VS SiC VS B4C VS Si3N4 SiC B4C TiB2 TiB2

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Abstract

Une anticathode de tube à rayons X, destinée par exemple à être utilisée dans des appareils médicaux tels que des scanners, comprend un support en matériau composite céramique/céramique et une couche de métal réfractaire en contact direct avec ce support. L'utilisation d'un composite céramique/céramique permet de faire tourner l'anti cathode à très grande vitesse. De plus, ce composite est choisi 1°) afin que son coefficient de dilatation soit aussi compatible que possible de celui du métal réfractaire, ce qui favorise l'adhésion entre support et couche active, 2°) afin que l'on supprime ou minimise le phénomène de diffusion des atomes de carbone vers la couche active sous l'effet de l' élévation de température, par non utilisation d'un matériau en graphite, ce qui rend inutile l'emploi d'une couche anticarburation tel que du rhénium, de l' indium, du SiC etc..

Description

  • L'invention concerne une anticathode de tube à rayons X conçue de façon à pouvoir tourner à très gran­de vitesse.
  • Les anticathodes de tubes à rayons X sont des disques tournants constitués d'un support revêtu au moins partiellement d'une couche active en un métal réfractaire. Elles sont utilisées dans des appareils médicaux tels que les scanners.
  • La tendance actuelle des constructeurs d'appa­reils médicaux est de pouvoir augmenter la puissance reçue par l'anticathode et/ou de réduire la taille du spot d'im­pact du bombardement électronique de manière à améliorer la définition de l'image obtenue. Ce désir d'augmenter la puissance ou de diminuer la taille du spot est limité par la lenteur de l'anticathode à évacuer la chaleur emma­gasinée et, par voie de conséquence, par l'élévation de la température de la piste foca le jusqu'à la température de fusion du matériau constituant la couche active de l'anti cathode sur laquelle est formée cette piste.
  • Le plus souvent, le support de l'anticathode est réalisé en un matériau carboné constitué par un gra­phite polycristallin dont le coefficient de dilatation est compatible avec celui du métal réfractaire tel que du tungstène, un alliage tungstène-rhénium ou un alliage à base de molybdène qui est fixé (par exemple par brasure) ou déposé (par exemple en phase vapeur ou par voie élec­trolytique) sur ce support.
  • Afin de maintenir la température de la piste focale à des valeurs acceptables en régime permanent et/ou transitoire, tout en augmentant la puissance ou en dimi­nuant la taille du spot, une solution consisterait à accroître sensiblement la vitesse de rotation des antica­thodes, pour atteindre des vitesses par exemple égales ou supérieures à 20000 tours/mn. Malheureusement, les graphites polycristallins qui constituent habituellement le support des anticathodes ne présentent pas une résis­tance mécanique suffisante. En effet, ils éclatent sous l'effet de la force centrifuge avant d'atteindre une tel le vitesse.
  • Par ailleurs, dans les anticathodes convention­nelles à support graphite revêtues d'une couche d'alliage tungstène-rhénium, il est nécessaire d'interposer une très fine sous-couche de rhénium. En effet, à partir de quel­ques centaines de degrés, les atomes de carbone du graphi­te ont tendance à migrer pour former avec le tungstène une couche fragile de carbure de tungstène provoquant une décohésion entre substrat et couche active et perturbant le transfert thermique. Le rhénium, jusqu'à une températu­re d'environ 1200°C, empêche cette migration et joue donc le rôle de barrière anticarburation. Cependant, au-dessus de cette température, le rhénium est de moins en moins efficace et l'anticathode dépasse alors sa limite de fonc­tionnement. De plus, le rhénium est un produit cher qui contribue à augmenter le prix de l'anticathode.
  • D'autres matériaux moins onéreux tels que SiC, TaC pourraient jouer le rôle de barrière anticarburation. Mais l'addition d'une étape supplémentaire dans le procédé est toujours une cause de surcoût.
  • Dans le document EP-A-0 236 241, on a proposé de réaliser une anticathode à partir d'un support compo­site formé de fibres de carbone noyées dans une matrice de carbone (composite "carbone-carbone"). Un tel matériau composite présente une résistance mécanique beaucoup plus grande que les graphites polycristallins utilisés précé­demment, ce qui permet de faire tourner l'anti cathode à très grande vitesse sans risque d 'éclatement du disque sous l'effet de la force centrifuge.
  • Malheureusement, un tel matériau composite carbone-carbone a un coefficient de dilatation très diffé­rent de celui de la couche métallique. Ainsi, le coeffi­cient de dilatation d'un composite carbone-carbone est de 0,5.10⁻⁶ °K⁻¹ à 25°C et de 2.10⁶ °K⁻¹ à 1000°C, alors que le coefficient de dilatation d'une couche métallique en alliage tungstène-rhénium est de 4.10⁻⁶ °K⁻¹ à 25°C et 4,5.10⁻⁶ °K⁻¹ à 1000°C).
  • Pour remédier à cet inconvénient, il est envisa­gé dans le document EP-A-0 236 241 de déposer la couche métallique sur un substrat en graphite de coefficient de di latation voisin de celui du métal, ce substrat en gra­phite étant associ é d'une manière quelconque (brasure, collage, encastrement, etc.) au support composite carbo­ne-carbone.
  • On réalise ainsi une anticathode présentant une résistance mécanique qui lui permet de tourner à très grande vitesse, mais la fabrication de l'anti cathode se trouve compliquée par l' incompatibilité des coefficients de dilatation du support composite carbone-carbone d'une part et de l'ensemble graphite-couche métallique d'autre part. De plus, la présence d'un substrat en graphite entre la couche métallique et le support composite nèces­site d'interposer entre le substrat en graphite et la couche métallique une très fine sous-couche de rhénium servant de barrière anticarburation, comme dans les anodes conventionnelles à support graphite. La température d'uti­lisation de l'anticathode s'en trouve limitée et son coût augmenté.
  • La présente invention a précisément pour objet une anticathode de tube à rayons X conçue de façon à pou­voir tourner à très grande vitesse sans risque d'éclate­ment, tout en présentant une structure plus simple et moins coûteuse que les anticathodes existantes et en pou­vant être utilisée à des densités de puissance ou des puissances plus élevées.
  • Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'une anticathode tournante de tube à rayons X, comprenant un support revêtu au moins partiellement d'une couche de métal réfractaire, caractérisée par le fait que la couche de métal réfractaire est en contact direct avec le support, qui est réalisé en un matériau composite formé de fibres céramiques noyées dans une matrice céramique (composite céramique/céramique), ce matériau ayant un coefficient de di latation adapté à celui du métal réfrac­taire.
  • On comprend aisément qu'en uti lisant un matériau composite céramique/céramique dont le coefficient de dila­tation est compatible avec celui du métal réfractaire, la vitesse de rotation de l'anticathode peut atteindre et même dépasser 20000 tours/mn sans qu'il soit nécessaire d' interposer entre le support et le métal réfractaire une couche intermédiaire de graphite ni, par conséquent, une sous-couche anti carburation. L'anticathode peut ainsi fonctionner à des températures d'interface support/couche active beaucoup plus élevées et donc accroître les perfor­mances du tube à rayons X. De plus, la suppression de la couche intermédiaire de graphite et de la sous-couche de rhénium conduit à un gain de prix appréciable.
  • Avantageusement, le support est réalisé en un matériau composite choisi dans un groupe comprenant fibres de SiC/matrice de SiC ; fibres de SiC/matrice de Si₃ N₄ ; fibres de C/matrice de SiC ; fibres de C/matrice de B₄C ; fibres de C/matrice de Si₃N₄ ; fibres de SiC/matrice de B₄C ; et fibres de Ti B₂/matrice de Ti B₂.
  • Parmi ces matériaux composites, on choisira de préférence un matériau formé de fibres de SiC noyées dans une matrice de SiC.
  • Avantageusement, le métal réfractaire est de façon connue, soit du tungstène, soit un alliage tungstè­ne-rhénium.
  • Dans la pratique, le composite céramique/cérami­que utilisé conformément à l'invention pour réaliser le support d'une anticathode tournante de tube à rayons X comprend une armature de fibres qui peut être formée soit par un empilement de tissus bidimensionnels, soit par un tissu tridimensionnel. A partir de cette armature, le composite est obtenu par imprégnation en phase liquide ou gazeuse des tissus fibreux par le matériau constituant la matrice céramique du composite. La densité des fibres, dans le matériau composite obtenu, est avantageusement supérieure à 40 % et le taux de porosité totale de ce matériau est inférieur à 20 %.
  • Dans le cas où le matériau composite céramique/­céramique est constitué de fibres de carbure de silicium noyées dans une mat ri ce de carbure de silicium, le coeffi­cient de dilatation de ce composite est d'environ 3 x 10⁻⁶ °K⁻¹ à 25°C et 4 x 10⁻⁶ °K⁻¹ à 1000°C. Ce coefficient de dilatation est à rapprocher de ce lui de l'alliage tungs­tène-rhénium dont il est rappelé qu'il est d'environ 4 x 10⁻⁶ °K⁻¹ à 25°C et 4,5 x 10⁻⁶ °K⁻¹ à 1000°C.
  • Compte tenu du fait que ces coefficients de dilatation du support composite et de l'alliage métallique sont adaptés, la couche active métallique est placée conformément à l'invention directement au contact du sup­port de l'anticathode.
  • La liaison entre la couche active métallique et le support peut être réalisée de différentes manières. Ainsi, la couche métallique peut être rendue solidaire du support en matéri au céramique/cérami que par brasure, déposée sur ce support par électrolyse par sel fondu, par dépôt en phase vapeur (CVD), par pulvérisation cathodique (PVD), par pulvérisation magnétron, par projection-plasma, etc.. La couche métallique peut aussi être solidarisée au support par embrèvement ou encastrement, de telle sorte que les deux matériaux soient imbriqués et rendus mécani­quement solidaires.
  • A titre d'exemple, on pourra choisir pour la réalisation du support de l'anticathode des composites SiC/SiC ayant les caractéristiques données dans le tableau I suivant : TABLEAU I
    à 23°C à 1000°C à 1400°C
    masse volumique (g.cm⁻³) 2,7 2,7 2,7
    diffusivité thermique :
    - parallèlement à la surface 12 5 5
    - perpendiculairement à la surface 6 2 2
    (10⁻⁶ m² s⁻¹)
    coefficient de dilatation :
    - parallèlement à la surface 3 4
    - perpendiculairement à la surface 2,5 2,5
    (10⁻⁶ °K⁻¹)
    chaleur spécifique Cp 620 1200
    (J.Kg⁻¹ °K⁻¹)
    émissivité 0,75 - 0,80
    résistance à la traction (MPa) 200 200 200
  • Comme on a déjà eu l 'occasion de le mentionner, le support de l'anticathode peut aussi être réalisé dans d'autres matériaux composites céramique/céramique qui sont choisis principalement afin que leur coefficient de dila­tation soit aussi proche que possible du coefficient de dilatation du métal réfractaire dont ce support est revê­tu. Des exemples d'autres matériaux composites qui peuvent ainsi être utilisés pour réaliser le support de l'antica­thode sont donnés dans le tableau II ci-dessous : TABLEAU II
    Fibres Matrice
    SiC Si₃N₄
    C SiC
    C B₄C
    C Si₃N₄
    SiC B₄C
    TiB₂ TiB₂
  • Conformément à l'invention, on règle ainsi les problèmes d' incompatibilité de coefficients de dilatation rencontrés précédemment avec l 'utilisation de supports d'anticathodes en matériau composite carbone/carbone. On évite ainsi les fissures rédhibitoires qui apparaissent dans la couche métallique active en tungstène ou en allia­ge tungstène-rhénium lorsque cette dernière est assemblée directement sur un tel support. On évite aussi d'avoir à interposer entre cette couche métallique et le support une couche intermédiaire quelconque destinée à résoudre les problèmes posés par la migration des atomes de car­bons dans la couche métallique.
  • Il devient ainsi possible de faire tourner l'an­ticathode à une vitesse très grande qui peut atteindre ou même dépasser 20000 tours/mn, tout en en simplifiant la fabrication et en en réduisant le coût.
  • Des modélisations thermiques ont ainsi montré qu'à diamètre équivalent, des anticathodes réalisées conformément à 'invention peuvent recevoir des puissances bien supérieures à celles acceptables pour des anticatho­des à support en graphite selon la technique couramment utilisée.

Claims (5)

1. Anticathode tournante de tube à rayons X, comprenant un support revêtu au moins partiellement d'une couche de métal réfractaire, caractérisée par le fait que la couche de métal réfractaire est en contact direct avec le support, qui est réalisé en un matériau composite formé de fibres céramiques noyées dans une matrice céramique, ce matériau ayant un coefficient de dilatation voisin de celui du métal réfractaire.
2. Anticathode selon la revendication 1, carac­térisée par le fait que le support est réalisé en un maté­riau composite choisi dans le groupe comprenant : fibres de SiC/matrice de SiC ; fibres de SiC/matrice de Si₃N₄ ; fibres de C/matrice de SiC ; fibres de C/matrice de B₄C ; fibres de C/matrice de Si₃N₄ ; fibres de SiC/matrice de B₄C ; et fibres de Ti B₂/matrice de Ti B₂.
3. Anticathode selon la revendication 2, carac­térisée par le fait que le support est réalisé en un maté­riau composite formé de fibres de SiC noyées dans une matrice de SiC.
4. Anticathode selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 3, caractérisée par le fait que le métal réfractaire est choisi dans le groupe comprenant le tungs­tène et les alliages tungstène-rhénium.
5. Anticathode selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 4, caractérisée par le fait que le matériau composite comprend des fibres tissées, la densité de fibres dans le matériau étant supérieure à 40 % et la porosité totale du matériau étant inférieure à 20 %.
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