EP1399943A1 - Tube a rayons x avec fenetre en graphite - Google Patents

Tube a rayons x avec fenetre en graphite

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EP1399943A1
EP1399943A1 EP02735511A EP02735511A EP1399943A1 EP 1399943 A1 EP1399943 A1 EP 1399943A1 EP 02735511 A EP02735511 A EP 02735511A EP 02735511 A EP02735511 A EP 02735511A EP 1399943 A1 EP1399943 A1 EP 1399943A1
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EP
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window
tube
graphite
copper
brazed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02735511A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Lilian Thales Intellectual Property MARTINEZ
Daniel Thales Intellectual Property VEILLET
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/16—Vessels; Containers; Shields associated therewith
    • H01J35/18—Windows

Definitions

  • the invention relates to x-ray tubes, and in particular to x-ray generating vacuum tubes. It will be described with regard to these generating tubes although it can also be applied to x-ray detector vacuum tubes (type radiographic image intensifier IIR). Vacuum tubes serving as an X-ray source are used, for example, in the non-destructive testing of material objects (metal structures, composites, luggage, etc.). They are also used in medical imaging.
  • An X-ray generating vacuum tube essentially comprises a cathode emitting a high energy electron beam, and a metal target placed in the path of the electron beam.
  • the target thus bombarded by the electrons emits X-rays in a privileged angular sector depending on the angle of incidence of the electrons on the surface of the target.
  • the surface of the target at the point of impact of the beam is located in a plane inclined at about 70 ° relative to the direction of the incident beam, and it then returns X-rays into an angular cone of a few tens of degrees centered roughly on a beam normal.
  • X-rays must be able to exit the tube.
  • the walls of the tube are metallic, which is most often the case, an outlet window is preferably provided, made of a material which is the least absorbent for X-rays, facing the angular sector of emission of the X-rays.
  • the rest of the wall is metallic and moreover protects the environment against the emission of X-rays in undesirable directions, that is to say outside the preferred angular sector of emission.
  • the outlet window participates, like the rest of the wall of the tube, in maintaining the vacuum tightness which exists inside the tube.
  • the difficulty lies in the realization of this window, since it is necessary to use a material having both good transparency to X-rays and on the other hand mechanical, chemical and thermal properties which make it suitable for the behavior of the vacuum tightness and simple industrial production of the tube.
  • One of the most commonly used materials is beryllium. It has good X-ray transparency for thicknesses up to a millimeter and more; it has sufficient mechanical strength characteristics to produce windows of approximately 20 millimeters in diameter (with a thickness of one millimeter), which is sufficient for a certain number of applications.
  • the invention provides an X-ray vacuum tube comprising a wall provided with an X-ray passage window, characterized in that this window is made of pyrolytic graphite and is shaped bell, that is to say curved surface.
  • pyrolytic graphite is understood to mean carbon with a crystalline structure of graphite (notably different from the crystal structure of diamonds), deposited by progressive growth on an intermediate substrate from chemical decomposition of hydrocarbons at very high temperature, then separated from this. intermediate substrate by a demolding operation.
  • the intermediate substrate is only there to determine the final shape of the graphite piece.
  • This type of material can be shaped as desired (preferably, however, in a circular symmetry). It has good mechanical resistance to forces directed perpendicular to its surface. It has a lower mechanical resistance to tensile forces directed parallel to the surface, but the window is preferably given a shape such that the forces parallel to the surface are minimized. In particular, rather than giving it a flat disc shape like we did for beryllium, we will give it a bell (or crucible) shape.
  • the bell is preferably brazed on a copper collar, the collar then being brazed on the copper wall of the tube.
  • the graphite / copper brazing preferably uses an active brazing composed of silver, copper, and titanium.
  • the thickness of the graphite window is preferably between 0.5 and 1.5 millimeters so that the absorption of X-rays by the window is sufficiently limited, the absorption coefficient of graphite being greater than that of beryllium.
  • FIG. 1 shows an X-ray tube of the prior art, with a beryllium outlet window
  • FIG. 2 shows a partial view of a tube according to the invention, with a window in pyrolytic graphite
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the window itself, mounted on a copper support before welding on the tube.
  • a generally cylindrical X-ray vacuum tube is shown schematically, comprising a wall 10, in principle made of copper, and, inside the wall, essentially an electron gun 20 and a metal target 30.
  • the tube is shown with its wall partially open to reveal these elements.
  • the electron gun emits an electron beam 22 in the axis of the tube.
  • the beam is focused on its axis on the one hand thanks to the shape of the cathode of the barrel and the electrodes which surround it (in particular a wehnelt serving to focus the beam), and on the other hand possibly by other distributed electrodes along the length of the tube.
  • the high energy electron beam is directed towards the metal target 30.
  • This target is preferably made of tungsten. Its surface is plane. In this example, the target is fixed, but we could consider that it is rotating to rotate the point of impact and therefore limit the heating of the target.
  • the target can be constituted by a tungsten plate embedded in a copper block 32 promoting the dissipation of the heat generated by the impact of electrons on the target. Cooling by circulation of water is preferably provided in channels 34 formed in the copper block.
  • the surface of the target forms an angle of about 70 ° with the axis of the electron beam.
  • the impact of the beam generates the emission of X photons from the target. Most of the photons are emitted in a cone with an apex angle of approximately 45 °, starting from the point of impact of the electrons.
  • the axis of this cone is substantially perpendicular to the axis of the electron beam, and it is located in a plane containing both the axis of the beam and the normal to the plane of the target.
  • An X-ray passage window 40 is provided in the wall of the tube, facing this X-ray emission cone.
  • the window is generally circular; its dimension can be approximately 20 millimeters in diameter, and it is then placed approximately 30 millimeters from the point of impact of the beam if 0 it is desired to allow the X-rays emitted through the entire cone to pass through approximately 45 °.
  • the window 40 is a flat beryllium disc, mounted on one or two nickel collars (not shown) so that the beryllium is not assembled directly on the copper which constitutes the internal walls of the tube and which supports the window.
  • the window is brazed around the edge of an opening formed in the wall of the tube and it provides vacuum tightness at the point of exit from the X-rays.
  • the beryllium window 40 is replaced by a window 50 made of pyrolytic graphite.
  • This window 50 has a bell shape and is preferably mounted on a cylindrical copper collar 60 which is sealed or brazed on the periphery of the opening of the wall of the tube.
  • bell shape is meant a surface whose edges are not in the plane of the central part: the surface has a central part which is substantially perpendicular to the central axis of emission of the X-rays, while the edges of the surface tend to approach at least in part the direction of this axis.
  • Pyrolytic graphite is a crystal structure of carbon, with a hexagonal mesh (unlike diamond carbon which is cubic), obtained by decomposition of hydrocarbons (in practice a mixture of methane and hydrogen) in an oven at very high temperature , and obtained by progressive growth atomic layer by atomic layer on a mandrel serving as an intermediate substrate for the deposition.
  • the deposition temperature is preferably about 2270 ° K.
  • the support mandrel must withstand this temperature. It can be made of graphite (not pyrolytic), obtained by heat treatment of a carbon block. It has the bell shape of the window to be produced. When the desired part thickness is obtained (approximately 0.5 to 1.5 millimeters), the growth is stopped and the part is demolded. The simple difference in expansion coefficients of the mandrel (non-pyrolytic graphite) and of the part produced (pyrolytic graphite) ensures easy release of the part. A layer of soot can also be deposited on the mandrel before deposition of the pyrolytic graphite, to facilitate demolding.
  • the demoulded, bell-shaped graphite window may have a diameter of about 20 millimeters and a height of 10 to 15 millimeters.
  • the bell shape gives the piece elasticity in all directions.
  • the structure of pyrolytic graphite is such that it does not withstand tensile forces parallel to the plane of deposition of the layers but that it does resist bending forces perpendicular to this plane.
  • a pyrolytic graphite disc purely and simply replacing the beryllium disc of the prior art would be less resistant than the bell window.
  • the window maintains the vacuum tightness of the tube.
  • Figure 3 shows in detail the window 50, mounted on a copper collar 60 to be brazed to this collar.
  • the inside diameter of the skirt 52 of the bell window is equal to the outside diameter of the copper collar.
  • the skirt is threaded over the collar and is brazed at the level of the collar surface in contact with the skirt.
  • the solder, represented by a peripheral rod 54 is preferably an active solder composed of silver, copper, and titanium (ABA cusil solder rod).
  • the collar preferably has a rim 62 on which the base of the skirt 52 rests.
  • the collar thus linked to the graphite window is itself brazed on the wall of the X-ray tube. This is a copper on copper brazing which is not a problem and which holds the seal well. empty.
  • Graphite is about twice as absorbent for x-rays as beryllium, but the resistance of graphite (especially with the bell shape of the window) allows the choice of a thickness of graphite about twice as thin as l thickness of beryllium that would be required for a window of the same diameter.
  • the invention is also applicable to tubes which can be used for detecting X-rays, for letting X-rays coming from the outside and which are desired, for example, pass through the window, towards the inside of the detector tube. measure the intensity or intensity distribution.

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

L'invention concerne les tubes à vide à rayons X. Pour laisser sortir les rayons X du tube, dans le cas d'un tube générateur de rayons X, alors que la paroi du tube est métallique, on prévoit selon l'invention une fenêtre de sortie (50) qui est réalisée en graphite pyrolytique. La fenêtre a de préférence une forme de cloche, et elle est brasée sur un collet de cuivre (60), lui-même brasé sur la paroi métallique (10) du tube.

Description

TUBE A RAYONS X AVEC FENETRE EN GRAPHITE
L'invention concerne les tubes à rayons X, et notamment les tubes à vide générateurs de rayons X. Elle sera décrite à propos de ces tubes générateurs bien qu'elle puisse s'appliquer également à des tubes à vide détecteurs de rayons X (type intensificateur d'images radiologiques IIR). Des tubes à vide servant de source de rayons X sont utilisés par exemple dans le contrôle non destructif d'objets matériels (structures métalliques, composites, bagages, etc.). Ils sont utilisés également dans l'imagerie médicale.
Un tube à vide générateur de rayons X comporte essentiellement une cathode émettant un faisceau d'électrons à forte énergie, et une cible métallique placée sur le trajet du faisceau d'électrons. La cible ainsi bombardée par les électrons émet des rayons X dans un secteur angulaire privilégié dépendant de l'angle d'incidence des électrons sur la surface de la cible. Typiquement, la surface de la cible à l'endroit de l'impact du faisceau est située dans un plan incliné à environ 70° par rapport à la direction du faisceau incident, et elle renvoie alors des rayons X dans un cône angulaire de quelques dizaines de degrés centré à peu près sur une normale au faisceau.
Les rayons X doivent pouvoir sortir du tube. Si les parois du tube sont métalliques, ce qui est le plus souvent le cas, on prévoit de préférence une fenêtre de sortie, réalisée dans un matériau le moins absorbant possible pour les rayons X, en regard du secteur angulaire d'émission des rayons X. Le reste de la paroi est métallique et protège d'ailleurs l'environnement contre l'émission de rayons X dans des directions indésirables, c'est-à-dire hors du secteur angulaire d'émission privilégiée. La fenêtre de sortie participe, comme le reste de la paroi du tube, au maintien de Pétanchéité au vide qui existe à l'intérieur du tube.
La difficulté réside dans la réalisation de cette fenêtre, étant donné qu'il faut utiliser un matériau ayant à la fois une bonne transparence aux rayons X et d'autre part des propriétés mécaniques, chimiques et thermiques qui le rendent propre à la tenue de l'étanchéité au vide et à une réalisation industrielle simple du tube. Un des matériaux les plus couramment utilisés est le béryllium. Il a une bonne transparence aux rayons X pour des épaisseurs allant jusqu'à un millimètre et plus ; il présente des caractéristiques de résistance mécanique suffisantes pour réaliser des fenêtres d'environ 20 millimètres de diamètre 5 (avec une épaisseur d'un millimètre), ce qui est suffisant pour un certain nombre d'applications.
Toutefois, ce matériau présente plusieurs inconvénients. D'une part, il est toxique, ce qui induit des contraintes industrielles importantes et des problèmes de retraitement des tubes usagés ; d'autre part if est très o coûteux ; et enfin, il ne peut pas être assemblé directement sur le cuivre. Or les parois et autres éléments de support du tube sur lesquels on voudra assembler la fenêtre sont le plus souvent en cuivre. Un brasage direct du béryllium sur le cuivre entraînerait une diffusion intermétallique entre ces deux matériaux. Cette diffusion fragilise le montage et affaiblit l'étanchéité au 5 vide. On est donc obligé d'utiliser des montages plus complexes avec des matériaux intermédiaires tels que le nickel, pour assurer l'étanchéité sans mise en contact direct du cuivre et du béryllium.
Pour éviter les inconvénients de la technique antérieure, l'invention propose un tube à vide à rayons X comportant une paroi pourvue d'une 0 fenêtre de passage de rayons X, caractérisé en ce que cette fenêtre est réalisée en graphite pyrolytique et est en forme de cloche, c'est-à-dire de surface bombée.
Par graphite pyrolytique, on entend du carbone à structure cristalline de graphite (différente notamment de la structure cristalline du diamant), 5 déposé par croissance progressive sur un substrat intermédiaire à partir de décomposition chimique d'hydrocarbures à très haute température, puis séparé de ce substrat intermédiaire par une opération de démoulage. Le substrat intermédiaire n'est là que pour déterminer la forme finale de la pièce de graphite. Ce type de matériau peut être conformé à volonté (de préférence cependant selon une symétrie circulaire). Il présente une bonne résistance mécanique aux efforts dirigés perpendiculairement à sa surface. Il présente une plus faible résistance mécanique aux efforts de traction dirigés parallèlement à la surface, mais on donne de préférence à la fenêtre une forme telle qu'on minimise les efforts parallèles à la surface. En particulier, plutôt que de lui donner une forme en disque plan comme on le faisait pour le béryllium, on lui donnera une forme en cloche (ou creuset).
La cloche sera de préférence brasée sur un collet de cuivre, le collet étant ensuite brasé sur la paroi de cuivre du tube. Il n'y a pas d'incompatibilité significative entre le graphite et le cuivre et ce type de montage peut assurer une étanchéité au vide durable. Le brasage graphite/cuivre utilise de préférence une brasure active composée d'argent, de cuivre, et de titane.
L'épaisseur de la fenêtre de graphite est de préférence comprise entre 0,5 et 1,5 millimètre pour que l'absorption des rayons X par la fenêtre soit suffisamment limitée, le coefficient d'absorption du graphite étant supérieur à celui du béryllium.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente un tube générateur de rayons X de l'art antérieur, avec une fenêtre de sortie en béryllium ;
- la figure 2 représente une vue partielle d'un tube selon l'invention, avec une fenêtre en graphite pyrolytique ;
- la figure 3 représente une vue agrandie de la fenêtre elle-même, montée sur un support de cuivre avant soudure sur le tube.
Sur la figure 1 on a représenté schématiquement un tube à vide générateur de rayons X, généralement cylindrique, comportant une paroi 10, en principe en cuivre, et, à l'intérieur de la paroi, essentiellement un canon à électrons 20 et une cible métallique 30. Le tube est représenté avec sa paroi partiellement ouverte pour faire apparaître ces éléments. Le canon à électrons émet un faisceau d'électrons 22 dans l'axe du tube. Le faisceau est focalisé sur son axe d'une part grâce à la forme de la cathode du canon et des électrodes qui l'environnent (notamment un wehnelt servant à focaliser le faisceau), et d'autre part éventuellement par d'autres électrodes réparties sur la longueur du tube.
Le faisceau d'électrons à forte énergie est dirigé vers la cible métallique 30. Cette cible est de préférence en tungstène. Sa surface est plane. Dans cet exemple, la cible est fixe, mais on pourrait envisager qu'elle soit tournante pour faire tourner le point d'impact et donc limiter réchauffement de la cible. La cible peut être constituée par une plaque de tungstène encastrée dans un bloc de cuivre 32 favorisant la dissipation de la 5 chaleur engendrée par l'impact des électrons sur la cible. Un refroidissement par circulation d'eau est de préférence prévu dans des canaux 34 formés dans le bloc de cuivre.
A l'endroit de l'impact du faisceau d'électrons sur la cible, la surface de la cible forme un angle d'environ 70° avec l'axe du faisceau d'électrons. o L'impact du faisceau engendre l'émission de photons X à partir de la cible. La majeure partie des photons est émise dans un cône d'angle au sommet égal à environ 45°, partant du point d'impact des électrons. L'axe de ce cône est sensiblement perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons, et il est situé dans un plan contenant à la fois l'axe du faisceau et la normale au plan de la 5 cible.
Une fenêtre 40 de passage de rayons X est prévue dans la paroi du tube, en regard de ce cône d'émission de rayons X. La fenêtre est en général circulaire ; sa dimension peut être d'environ 20 millimètres de diamètre, et elle est alors placée à environ 30 millimètres du point d'impact du faisceau si 0 on souhaite laisser passer les rayons X émis dans l'ensemble du cône d'environ 45°.
Dans la technique antérieure, la fenêtre 40 est un disque plan de béryllium, monté sur un ou deux collets de nickel (non représentés) de manière que le béryllium ne soit pas assemblé directement sur le cuivre qui 5 constitue les parois internes du tube et qui sert de support à la fenêtre. La fenêtre est brasée sur le pourtour d'une ouverture formée dans fa paroi du tube et elle assure l'étanchéité au vide à l'endroit de la sortie des rayons X.
Selon l'invention, telle que représentée sur la figure 2 qui montre la partie de tube portant la fenêtre de sortie, la fenêtre de béryllium 40 est remplacée par une fenêtre 50 réalisée en graphite pyrolytique. Cette fenêtre 50 a une forme de cloche et elle est de préférence montée sur un collet cylindrique de cuivre 60 qui est scellé ou brasé sur la périphérie de l'ouverture de la paroi du tube. Par « forme de cloche », on entend une surface dont les bords ne sont pas dans le plan de la partie centrale : la surface comporte une partie centrale qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe central d'émission des rayons X, tandis que les bords de la surface tendent à se rapprocher au moins en partie de la direction de cet axe.
Le graphite pyrolytique est une structure cristalline de carbone, à maille hexagonale (à la différence du carbone diamant qui est cubique), obtenue par décomposition d'hydrocarbures (en pratique un mélange de méthane et d'hydrogène) dans un four à très haute température, et obtenu par croissance progressive couche atomique par couche atomique sur un mandrin servant de substrat intermédiaire pour le dépôt.
La température de dépôt est de préférence d'environ 2270°K. Le mandrin de support doit résister à cette température. Il peut être en graphite (non pyrolytique), obtenu par traitement thermique d'un bloc de carbone. Il a la forme en cloche de la fenêtre à réaliser. Lorsque l'épaisseur de pièce souhaitée est obtenue (environ 0,5 à 1,5 millimètres), la croissance est arrêtée et la pièce est démoulée. La simple différence de coefficients de dilatation du mandrin (graphite non pyrolytique) et de la pièce réalisée (graphite pyrolytique) assure un démoulage facile de la pièce. Une couche de suie peut en outre être déposée sur le mandrin avant dépôt du graphite pyrolytique, pour faciliter le démoulage.
La fenêtre de graphite démoulée, en forme de cloche, peut avoir un diamètre d'environ 20 millimètres et une hauteur de 10 à 15 millimètres. La forme de cloche donne une élasticité à la pièce dans toutes les directions. En effet, la structure du graphite pyrolytique est telle qu'il résiste peu aux efforts de traction parallèles au plan de dépôt des couches mais qu'il résiste bien aux efforts de flexion perpendiculaires à ce plan. Un disque de graphite pyrolytique remplaçant purement et simplement le disque de béryllium de l'art antérieur serait moins résistant que la fenêtre en cloche.
La fenêtre maintient l'étanchéité au vide du tube.
La figure 3 représente en détail la fenêtre 50, montée sur un collet de cuivre 60 en vue d'être brasée à ce collet. Le diamètre intérieur de la jupe 52 de la fenêtre en cloche est égal au diamètre extérieur du collet de cuivre. La jupe est enfilée sur le collet et est brasée au niveau de la surface de collet en contact avec la jupe. La brasure, représentée par un jonc périphérique 54 est de préférence une brasure active composée d'argent, de cuivre, et de titane (jonc de brasure cusil ABA). Le collet présente de préférence un rebord 62 sur lequel vient s'appuyer la base de la jupe 52.
Le collet ainsi lié à la fenêtre de graphite est lui-même brasé sur la paroi du tube générateur de rayons X. Il s'agit là d'une brasure cuivre sur cuivre qui ne pose pas de problème et qui tient bien l'étanchéité au vide.
Le graphite est environ deux fois plus absorbant, pour les rayons X, que le béryllium, mais la résistance du graphite (notamment avec la forme en cloche de la fenêtre) autorise le choix d'une épaisseur de graphite environ deux fois plus faible que l'épaisseur de béryllium qui serait nécessaire pour une fenêtre de même diamètre.
Le graphite, contrairement au béryllium, n'induit aucune contrainte industrielle et en particulier aucun problème de toxicité.
On comprendra que l'invention est applicable également à des tubes pouvant servir à la détection de rayons X, pour laisser passer par la fenêtre, vers l'intérieur du tube détecteur, des rayons X provenant de l'extérieur et dont on souhaite par exemple mesurer l'intensité ou la distribution d'intensité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tube à vide à rayons X comportant une paroi pourvue d'une fenêtre (50) de passage de rayons X, caractérisé en ce que cette fenêtre est réalisée en graphite pyrolytique et est en forme de cloche.
2. Tube selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la fenêtre est brasée sur un collet de cuivre (60), le collet étant ensuite brasé sur une ouverture de la paroi de cuivre du tube.
3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fenêtre est brasée sur le collet (60) à l'aide d'une brasure active composée d'argent, de cuivre, et de titane.
4. Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la fenêtre de graphite est d'environ 0,5 à 1,5 millimètre.
EP02735511A 2001-05-04 2002-04-26 Tube a rayons x avec fenetre en graphite Withdrawn EP1399943A1 (fr)

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FR0106023A FR2824422B1 (fr) 2001-05-04 2001-05-04 Tube a rayons x avec fenetre en graphite
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EP (1) EP1399943A1 (fr)
JP (1) JP2004531860A (fr)
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