EP1804271A2 - Source compacte à faisceau de rayons X de très grande brillance - Google Patents

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EP1804271A2
EP1804271A2 EP06127095A EP06127095A EP1804271A2 EP 1804271 A2 EP1804271 A2 EP 1804271A2 EP 06127095 A EP06127095 A EP 06127095A EP 06127095 A EP06127095 A EP 06127095A EP 1804271 A2 EP1804271 A2 EP 1804271A2
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EP
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rotating anode
rotor
anode
rotation
vacuum
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EP06127095A
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EP1804271B1 (fr
Inventor
Roland Bernard
Benoît BARTHOD
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel Lucent SAS
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Publication date
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • H01J35/24—Tubes wherein the point of impact of the cathode ray on the anode or anticathode is movable relative to the surface thereof
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/02—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to rotating anode devices for generating an X-ray beam.
  • a radiological device comprising an X-ray tube with rotating anode.
  • the X-ray tube comprises a vacuum chamber, limited by a sealed wall, and in which is disposed a cathode adapted to generate a flow of electrons.
  • a cathode adapted to generate a flow of electrons.
  • In the vacuum chamber is also a rotating anode, driven in rotation about an axis of rotation by a rotor with magnetic bearings.
  • the rotating anode receives on its periphery the flow of electrons from the cathode, and thus emits X-rays which are directed to an output.
  • the magnetic bearings are driven to move the rotor along its axis of rotation, and thereby move the rotating anode in response to an output X-ray beam position sensor to maintain the fixed position. the output X-ray beam. This eliminates the harmful influence of parasitic movements of the rotating anode may result in particular thermal expansion or deformation of some elements of the device.
  • the currently known rotary anode X-ray emitting devices are relatively bulky because, in addition to the rotating anode and its rotary drive device in a vacuum chamber, they require an external vacuum pump for generation and maintenance. vacuum in the vacuum chamber.
  • the known means for rotating the rotating anodes generate vibrations which limit the possibilities of use in certain applications such as electron microscopy, the control of crystallization of polymers, the measurement of small structures or multilayers in the semiconductor manufacturing.
  • the present invention aims first of all at reducing the size and the cost of rotating anode X-ray generating devices.
  • Another object of the invention is to reduce the vibrations resulting from the rotation of the rotating anode.
  • Another object of the invention is to increase the brightness of the X-ray source, while simultaneously reducing the consequences of the unavoidable wear of the rotating anode subjected to a strong electron beam.
  • Another object of the invention is to increase the service life of the rotating anode in such a high-gloss X-ray source.
  • the invention takes advantage of the observation that vacuum pumps of molecular, turbomolecular or hybrid type have now become devices driven at a very high speed, with rotation speeds that can exceed 40,000 rpm, without sensible vibrations.
  • the idea according to the invention is then to use the vacuum pump itself both to generate the vacuum in the vacuum chamber of the X-ray generator, and to produce the rotation of the rotating anode.
  • the device further comprises at least one cooling element fixed to the vacuum pump stator or to the sealed peripheral envelope opposite one of the main radial faces of the rotating anode for absorbing thermal energy. of radiation emitted by the rotating anode in operation.
  • At least two cooling elements are arranged respectively opposite the one and the other of the main radial faces of the rotating anode.
  • the device is much more compact and minimizes its total footprint. Its cost is reduced simultaneously, since only one device in rotation ensures both the generation and the maintenance of the vacuum and the rotating drive of the rotating anode.
  • the high rotation speed of the vacuum pump gives the rotating anode a high rotational speed, allowing the rotating anode to withstand greater electron beam energy and emit a beam of X-rays with greater brilliance.
  • a high-energy electron beam is projected onto the rotating anode. But this produces a rapid heating of the rotating anode. It is then useful to thermally insulate the vacuum pump vis-à-vis the rotating anode, to prevent its own heating and degradation. Given the speed of rotation of the pump, it is impossible to use a cooling mode by circulating water in a hollow shaft because sealing problems at the connection between the rotating part and the fixed part appear .
  • the heat supplied to the anode by the X-ray beam must therefore be evacuated preferably solely by radiation.
  • a preferred solution consists in modifying the cooling element between the anode and the pump, so that it acts both as a thermal barrier and as an X-ray barrier.
  • a cooling element on the opposite side of the anode can also contribute to the absorption of the X-rays emitted by the anode, and thus constitute an X-ray barrier with respect to the outside of the enclosure.
  • the element comprises a body of copper or stainless steel of sufficient thickness to absorb the flow of X-rays emitted.
  • This body can take the form of a ring, a disc or a plate, and thus allows a passage between the anode and the turbomolecular pump, in particular at the rotor, to allow the pump to ensure the pumping of the enclosure at the level of the anode.
  • This passage is preferably at the periphery of the disc or the ring.
  • the amount of X-rays emitted at 25 cm from the target is of the order of 2.1.10 10 ⁇ Sv / h.
  • an attenuation level of 3.10 -11 is necessary.
  • this attenuation is obtained when the X-rays pass through an aluminum thickness of 164 mm.
  • the cooling element or elements may advantageously comprise an internal cooling circuit traversed by a heat transfer fluid which discharges the heat energy to the outside.
  • the heat-energy extraction of the rotating anode can be further promoted by providing that the opposite surfaces of the at least one cooling element and the rotating anode are coated with a layer of high-emissivity material, such as black nickel. or black chrome, or a ceramic.
  • a layer of high-emissivity material such as black nickel. or black chrome, or a ceramic.
  • An additional means to promote the extraction of heat energy from the rotating anode is to provide an anode made of materials and structure able to withstand higher temperatures, combined with high-efficiency thermal insulation means vis-à-vis of the vacuum pump.
  • the rotating anode has on the surface an increased temperature which promotes the radiation and therefore the heat transfer to the cooling element or elements.
  • the opposing surfaces of the cooling element (s) and the rotating anode can be concentrically serrated, increasing the radiating surface.
  • Thermal insulation means may further be interposed between the rotor shaft and the rotating anode itself carried by the shaft.
  • Such thermal insulation means may comprise, for example, a ceramic layer made on the corresponding surface of the shaft. The ceramic is less heat-conducting than the metals constituting the shaft and the rotating anode, thereby providing a barrier which restricts the propagation of heat energy to the vacuum pump. This isolation means is simple and effective, and, thanks to the hardness of the ceramic, does not degrade the stability of the rotating anode.
  • the thermal insulation means may comprise an insulating ring or little conductor of heat, preferably for example a stainless steel ring.
  • a stainless steel ring is a poorer thermal insulator than ceramics, it has better mechanical properties.
  • Another solution would be to interpose between the anode and the rotor, a stainless steel ring supporting the highest mechanical stresses, associated with two ceramic rings enclosing the anode and ensuring its maintenance.
  • the presence of a suitable gas in the interior atmosphere of the vacuum pump between the opposite surfaces of the cooling elements and the rotating anode can further promote, by convection, the extraction of heat energy from the anode.
  • Means will be provided to limit the propagation of the gas to the area through which the flow of electrons between the cathode and the rotating anode.
  • the vacuum pump will be of molecular pump, turbomolecular or hybrid type, allowing a high speed of rotation and the realization of a high vacuum.
  • the brightness of the X-ray source can thus be increased.
  • the rotating anode may be an insert at the end of a coaxial shaft of the rotor.
  • the rotating anode can thus be an interchangeable part, easily replaced after wear.
  • the rotating anode may have the general shape of a disc, its peripheral surface constituting at least one target that receives the electron flow from the cathode.
  • Such a structure is simple and compact.
  • the impact of the electron beam on the peripheral surface of the rotating anode causes its progressive wear. This may result in a dimensional variation of the rotating anode, and therefore a deflection and / or focusing defect of the X-ray beam at the output of the device.
  • the rotor may be biased by magnetic bearings controlled by a bearing control electronics, the assembly determining the axial position and the radial position of the rotor in the stator.
  • the bearing control electronics can be adapted to voluntarily modify at least the axial position of the rotor along its axis of rotation.
  • control electronics can be adapted to modify the axial position of the rotor as a function of the wear of the rotating anode, to move a worn zone of the rotating anode away from the impact zone. of the electron beam.
  • control electronics can move the rotor back and forth along its axis of rotation during operation, thus displacing the impact zone of the electron beam on a larger peripheral surface of the rotating anode, and thus distributing the wear over a larger area.
  • the peripheral surface of the rotating anode may consist of several adjacent annular bands, each consisting of distinct materials, to be each adapted to the production of X-rays at a distinct determined energy.
  • the bearing control electronics then makes it possible to axially move the rotor to place under the incident electron beam a chosen annular band corresponding to the intended application.
  • the bearing control electronics can be further adapted to voluntarily modify the radial position of the rotor in order to make up for the wear of the rotating anode and thus to maintain, through a collection device, the focusing of the X-ray beam on a precise convergence zone at the output.
  • Another function that can be fulfilled by modifying the radial position of the rotor is to move the focal point to change over time the X-ray impact zone on the collection device and thus increase the life of the device of collection.
  • the invention provides its use as an X-ray source in a crystallization control system, or as an X-ray source in an X-ray microscope in the water window, or as an X-ray source for measuring small structures or multilayers in semiconductor fabrication.
  • the device illustrated in FIG. 1 comprises a vacuum pump 1, of molecular, turbomolecular or hybrid type, a rotating anode 2, a cathode 3 generating an electron beam 4, and a collection device 5 which collects and conditions the beam X-ray produced by the device.
  • the vacuum pump 1 consists, in a manner known per se, of a rotor 1 a rotatable about an axis II in a stator 1b, driven in rotation by a motor 1c, and held in position by bearings or bearings 10a, 10b, 10c, 10d and 10e schematically illustrated.
  • the bearings or bearings 10a-10e may be structures usually used in vacuum pumps, for example ball or needle bearings, plain bearings, gas bearings, or magnetic bearings. These allow fast rotations at more than 40,000 revolutions per minute, without vibration, with a controlled stability of the order of one micron.
  • the rotor 1a is connected to the motor 1c by a motor shaft 1d.
  • the rotating anode 2 is secured to the rotor 1a of the pump 1, disposed coaxially with the rotor 1a.
  • the rotating anode 2 is an insert at the end of a coaxial shaft 1a of the rotor 1a.
  • the sealed peripheral envelope 1f of the pump also surrounds the rotating anode 2, and itself constitutes at least a part of the sealed wall of a vacuum chamber 7 in which the electron beam 4 and the beam propagate.
  • the vacuum chamber 7 contains for this purpose the rotating anode 2, as well as the cathode 3, and the collection device 5.
  • the electron beam 4 produced by the cathode 3 propagates in a vacuum, since the cathode 3, and strikes the peripheral surface 2a of the rotating anode 2, producing the X-ray beam 6 which propagates towards the collection device 5.
  • the collection device 5 may be contained in a vacuum enclosure 7 monobloc. Alternatively, the collection device 5 may be contained in a portion attached to the vacuum enclosure 7.
  • the peripheral surface 2a of the rotating anode 2 is cylindrical, coaxial with the axis I-I.
  • the cathode 3 is oriented so that the incident beam of electrons 4 is inclined with respect to the axis I-I, which produces an emitted x-ray beam 6 also inclined.
  • the rotating anode peripheral surface 2a which receives the electron beam 4 may be a peripheral portion of a radial face 2b or 2c of the rotating anode 2.
  • the shaft 1 e In its end portion carrying the rotating anode 2, the shaft 1 e is covered with a thermally insulating layer 1h, so that the rotating anode 2 is in contact with the layer 1h providing thermal insulation.
  • This layer 1h may in particular comprise a stainless steel ring.
  • a first cooling element 8 and a second cooling element 9 are provided, both of which are fixed to the stator 1b or pump body, or to the sealed peripheral envelope 1f of the pump, facing one of the main radial faces 2b or 2c of the rotating anode 2, which is in the form of a disk.
  • the cooling elements 8 and 9 are close to the main radial faces 2b and 2c of the rotating anode 2, and receive the thermal radiation energy emitted by the rotating anode 2 in operation.
  • the cooling elements 8 and 9 comprise an internal cooling circuit, respectively 8a and 9a, traversed by a heat transfer fluid which discharges to the outside the heat energy received from the rotating anode 2.
  • the cooling element 8 is coated with a layer 8b of high-emissivity material, for example black nickel or black chrome, but also some ceramics. It is the same for the cooling element 9 which is coated with such a layer 9b.
  • a layer 8b of high-emissivity material for example black nickel or black chrome, but also some ceramics. It is the same for the cooling element 9 which is coated with such a layer 9b.
  • the main radial faces 2b and 2c of the rotating anode 2 may each be coated with a layer of high emissivity material. This increases the heat energy transfer by radiation from the rotating anode 2 to the cooling elements 8 and 9, favoring the cooling of the rotating anode 2.
  • the cooling element 8 comprises a 10.5 mm thick annular copper body which serves as an X-ray barrier and prevents them from reaching the outside of the enclosure.
  • the copper ring could be replaced by a 16.5 mm thick stainless steel ring.
  • the cooling element 9 comprises a 10.5 mm thick plate or copper disk body which serves as an X-ray barrier and prevents them from reaching the outside of the enclosure.
  • the copper disc could be replaced by a 16.5 mm thick stainless steel disc.
  • the wall of the vacuum chamber is usually made of stainless steel to ensure the protection of the external environment in case of failure of the pump.
  • the cooling element 9 is attached to this wall, the wall itself contributes to the barrier function with respect to the X-rays.
  • the thickness of the material allowing a total protection of the exterior vis-à-vis X-rays are then calculated taking into account the combination of the cooling element 9 and the wall, in order to achieve the required level of attenuation.
  • means are further provided for moving the rotor 1a along its axis of rotation I-I. It is understood that such axial displacement of the rotor 1a causes the same axial displacement of the rotating anode 2, and makes a modification of the impact zone 4a of the electron beam 4 on the peripheral surface 2a of the rotating anode 2.
  • the rotor 1a can be biased by magnetic bearings 10a to 10e, schematically shown, controlled by a bearing control electronics 10f, the assembly determining the axial position and the radial position of the rotor 1a in the stator 1b.
  • Magnetic bearings as usually used in vacuum pumps comprise a plurality of independent magnetic poles, distributed on the frame and on the shaft of the vacuum pump, and whose magnetic field is generated by coils fed by the electronic control of bearings according to signals from position sensors equally distributed between the frame and the shaft of the vacuum pump.
  • the position of the rotor can be controlled along five axis axes, comprising the longitudinal axis and four radial axes contained in the planes of two different straight sections. But it is also possible to control the rotor, by means of electromagnets associated with a control electronics, only along certain axial or radial axes called “active”, while other axes called “Passive”, controlled by permanent magnets, will require no piloting.
  • the bearing control electronics is programmed to keep as constant as possible the axial and radial positions of the rotor 1a in the stator 1b.
  • the radial elements 10a to 10d of the magnetic bearings which normally provide the radial positioning of the rotor 1a, maintain this radial position constant.
  • the axial elements 10e of the magnetic bearings which ensure the axial positioning of the rotor, are arranged so that the bearing control electronics 10f can voluntarily modify the axial position of the rotor 1a along its axis of rotation I-I. It will be understood that the axial position setpoint received by the bearing control electronics 10f is modified for this purpose, said command setpoint being generated by a control circuit 10g.
  • the bearing control electronics 10f can also control the radial elements 10a to 10d of the magnetic bearings, to deliberately modify the radial position of the rotor 1a in the stator 1b. This modifies for this the radial position setpoint, generated by the control circuit 10g.
  • control circuit 10g can generate the positions of axial and / or radial position as a function of information received from sensors arranged on the other organs of the device of the invention.
  • a wear sensor 10h making it possible to detect the wear of the peripheral surface 2a of the rotary anode 2, and the signal received from this wear sensor 10h is used by the control circuit 10g for moving the worn rotating anode zone away from the impact zone 4a of the electron beam 4, by axial displacement of the rotating anode 2.
  • control circuit 10g and the bearing control electronics 10f can move the rotor 1a back and forth along its axis of rotation I-I during operation.
  • the impact zone 4a of the electron beam 4 is thus displaced on a peripheral surface of the rotating anode 2, thus distributing the wear over a larger area, and simultaneously reducing the local wear. of each peripheral surface portion 2a of the rotating anode 2.
  • means may be provided for modifying the position and / or the orientation of the cathode 3, thus modifying the zone impact 4a of the electron beam 4 on the peripheral zone 2a of the rotating anode 2.
  • the rotating anode 2 may be entirely made of the same material. Alternatively, it may consist of a base material which is locally coated with the material necessary for the formation of X-rays along its peripheral surface 2a.
  • the base material must have mechanical and thermal characteristics compatible with the operating conditions of the anode, such as aluminum, copper, stainless steel, titanium or silicon carbide, without this list being limiting.
  • the peripheral surface 2a of the rotating anode 2 may preferably be made of a material such as copper, molybdenum, tungsten, beryllium oxide, anodized aluminum, oxide ceramic or any other oxide, without this list is restrictive.
  • the material will be chosen according to the energy required for the application for which the X-ray source is intended. Copper allows the formation of X-rays at 8 keV. Molybdenum allows the formation of X-rays at 17 keV.
  • the metal rotating anode 2 It may be advantageous to produce the metal rotating anode 2, the metal being able to contribute to better distributing and evacuating the thermal energy produced by the impact of the electron beam 4, in comparison with the oxides which poorly lead the heat to high temperature. In other words, the metal contributes to evacuate the heat throughout the rotating anode 2, avoiding that the thermal energy remains localized on the impact zone 4a of the electron beam 4.
  • Cooling elements 8 and 9 may advantageously be made of a good heat-conducting metal, for example copper.
  • the peripheral surface 2a of the rotating anode 2 may consist of several adjacent annular strips of different materials each adapted to the production of X-rays according to a distinct determined energy.
  • a first annular copper strip a second annular molybdenum strip.
  • the bearing control electronics 10f then makes it possible to axially move the rotor to place a selected annular band under the incident electron beam 4.
  • X-rays can be produced at 8 keV
  • X-rays can be produced. 17 keV.
  • Other properties of X-rays can be obtained for example with strips of other materials such as stainless steel, inconel.
  • the rotating anode 2 can be symmetrically machined, so that it can be turned over completely once worn.
  • FIG. 2 there are the main elements constituting the device of the invention, namely the rotating anode 2 mounted at the end of the shaft 1e, the first cooling element 8, the second cooling element 9, and the peripheral surface 2a of the rotating anode 2.
  • the facing surfaces 8b and 9b of the cooling elements 8 and 9 and the main radial surfaces 2b and 2c of the rotating anode 2 are concentrically serrated, forming a succession of concentric annular ribs with a triangular profile, in order to increase the radiation cooling exchange surface.
  • the wear sensor 10h placed as illustrated in Figure 1, detects the displacement of the convergence zone 11.
  • the bearing control electronics 10f can be adapted to voluntarily modify the radial position of the rotor 1a, to the right in Figure 1, to make up the wear of the rotating anode 2 and thus maintain the focusing of the X-ray beam on the convergence zone 11 accurate output.
  • an electrical connection device allowing the polarization of the rotating anode 2 and the evacuation of the electric current resulting from the impact of the electron beam 4.
  • This device can be a conductive structure by sliding contact.
  • the electrical conduction can be ensured by providing, between at least a portion of the rotating anode 2 and a conductive fixed portion, an electric discharge zone in a conductive gas.
  • the rotating anode 2 is disk-shaped, the ends of which are slightly inclined to direct the X-ray beam towards the collection device 5.
  • turbomolecular pumps The operation of turbomolecular pumps is based on a peripheral velocity of the blades of the order of the thermal velocity of the molecules, several hundred meters per second.
  • the use of vacuum pump technology to rotate the rotating anode 2 allows a very high speed rotation of the peripheral surface 2a of the rotating anode 2, with very precise servo-control and an almost total absence of vibrations.
  • the very fast rotation of the rotating anode 2 makes it possible to increase the power of the incident electron beam 4, thus producing a very high-gloss X-ray source.
  • the cathode 3 is brought closer to the peripheral surface 2a of the rotating anode 2, and the collection device 5 is positioned closer to the peripheral surface 2a of the rotating anode 2.
  • the compactness of the X-ray source is further increased, the convergence capacitance of the emitted x-ray beam is improved, thereby improving the flux on a sample placed in the convergence zone 11, and the losses are reduced.
  • a compact, vibration-free X-ray source is thus produced, which delivers a monochromatic beam of high gloss focused on a convergence zone 11 of very small size.
  • the device can be used as an X-ray source in a crystallization control system.
  • the small size of the X-ray source according to the invention makes it possible to envisage its use as a means of systematic control of the crystallization of proteins.
  • Such control currently done with expensive and cumbersome rotating anode sources, can be performed more easily with an X-ray source according to the invention, which produces a beam of high intensity with well-defined properties (spectral purity, divergence and stability).
  • X-ray detection thus makes it possible to monitor the crystallization in a more precise and automated manner.
  • the device according to the invention can be used as an X-ray source in an X-ray microscope in the water window.
  • the microscopy in the water window is a very promising technique, but today limited because it requires a source of radiation synchrotron, very expensive, which allows to emit an X-ray of power and monochromaticity satisfactory. The cost of these sources of radiation prevents their development.
  • a source of X-rays according to the invention can achieve an X-ray power sufficient for microscopic application in the window of water.

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Abstract

Un dispositif d'émission de rayons X selon l'invention comprend une pompe à vide (1) dont l'enveloppe périphérique étanche (1f) contient une cathode (3) d'émission de flux d'électrons (4), une anode tournante (2), montée en bout d'arbre (1e) de la pompe à vide (1), et un dispositif de collection (5) collectant un faisceau émis de rayons X (6). On réduit ainsi considérablement l'encombrement de la source de rayons X, et, grâce à la rotation très rapide et stable de l'anode tournante (2) solidaire du rotor (1a) de la pompe à vide (1)> on réalise une source à très grande brillance. On peut en outre déplacer axialement l'anode tournante (2) pour compenser l'usure qu'elle subit par l'impact du faisceau incident d'électrons (4) provenant de la cathode (3). Selon l'invention, le dispositif comprend en outre au moins un élément refroidisseur fixé au stator de pompe à vide ou à l'enveloppe périphérique étanche en regard de l'une des faces radiales principales de l'anode tournante pour absorber l'énergie thermique de rayonnement émise par l'anode tournante en fonctionnement.

Description

  • La présente invention concerne les dispositifs à anode tournante permettant de générer un faisceau de rayons X.
  • On connaît déjà, comme décrit par exemple dans le document EP-0 170 551 , un dispositif radiologique comportant un tube radiogène à anode tournante. Le tube radiogène comprend une enceinte sous vide, limitée par une paroi étanche, et dans laquelle est disposée une cathode adaptée pour générer un flux d'électrons. Dans l'enceinte sous vide se trouve également une anode tournante, entraînée en rotation autour d'un axe de rotation par un rotor à paliers magnétiques. L'anode tournante reçoit sur sa périphérie le flux d'électrons provenant de la cathode, et émet ainsi des rayons X qui sont dirigés vers une sortie. Les paliers magnétiques sont pilotés de façon à déplacer le rotor le long de son axe de rotation, et de façon à déplacer ainsi l'anode tournante, en réponse à un capteur de position du faisceau de rayons X en sortie, pour maintenir fixe la position du faisceau de rayons X en sortie. On supprime ainsi l'influence néfaste des déplacements parasites de l'anode tournante pouvant résulter notamment des dilatations thermiques ou des déformations de certains éléments du dispositif.
  • Les dispositifs émetteurs de rayons X à anode tournante actuellement connus sont relativement encombrants, car, outre l'anode tournante et son dispositif d'entraînement en rotation dans une enceinte à vide, ils nécessitent une pompe à vide externe pour la génération et l'entretien du vide dans l'enceinte à vide.
  • En outre, les moyens connus d'entraînement en rotation des anodes tournantes génèrent des vibrations qui limitent les possibilités d'utilisation dans certaines applications telles que la microscopie électronique, le contrôle de cristallisation des polymères, la mesure de petites structures ou de multicouches dans la fabrication de semi-conducteurs.
  • En outre, les générateurs de rayons X à anode tournante actuellement utilisés sont coûteux, et réclament beaucoup de maintenance. De plus, la brillance de la source est insuffisante, et il y a un intérêt à augmenter cette brillance pour améliorer la focalisation du rayonnement sur de petits échantillons.
  • La présente invention vise tout d'abord à réduire l'encombrement ainsi que le coût des dispositifs de génération de rayons X à anode tournante.
  • Un autre but de l'invention est de réduire les vibrations résultant de la mise en rotation de l'anode tournante.
  • Un autre but de l'invention est d'augmenter la brillance de la source de rayons X, en réduisant simultanément les conséquences de l'usure inévitable de l'anode tournante soumise à un faisceau d'électrons puissant.
  • Un autre but de l'invention est d'augmenter la durée de vie de l'anode tournante dans une telle source de rayons X à grande brillance.
  • Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention met à profit l'observation selon laquelle les pompes à vide de type moléculaire, turbomoléculaire ou hybride sont devenues actuellement des dispositifs entraînés à très grande vitesse, avec des vitesses de rotation pouvant dépasser 40 000 tours par minute, sans vibrations sensibles.
  • L'idée selon l'invention est alors d'utiliser la pompe à vide elle-même à la fois pour générer le vide dans l'enceinte à vide du générateur de rayons X, et pour produire la rotation de l'anode tournante.
  • Ainsi, l'invention propose un dispositif pour l'émission de rayons X, comprenant :
    • une enceinte sous vide, limitée par une paroi étanche,
    • une pompe à vide, raccordée à l'enceinte sous vide pour y générer et entretenir un vide, comportant un stator, un rotor et des moyens d'asservissement du rotor permettant sa rotation stable à très haute vitesse, le stator, le rotor et les moyens d'asservissement étant contenus dans une enveloppe périphérique étanche qui constitue elle-même tout ou partie de la paroi étanche de l'enceinte sous vide,
    • une cathode, dans l'enceinte sous vide, adaptée pour générer un flux d'électrons,
    • une anode tournante, dans l'enceinte sous vide, entraînée en rotation autour d'un axe de rotation (I-I), et recevant sur sa périphérie le flux d'électrons provenant de la cathode pour émettre des rayons X vers une sortie, l'anode étant solidaire du rotor de la pompe à vide et disposée coaxialement avec le rotor,
  • Selon l'invention, le dispositif comprend en outre au moins un élément refroidisseur fixé au stator de pompe à vide ou à l'enveloppe périphérique étanche en regard de l'une des faces radiales principales de l'anode tournante pour absorber l'énergie thermique de rayonnement émise par l'anode tournante en fonctionnement.
  • De préférence, on prévoit au moins deux éléments refroidisseurs disposés respectivement en regard de l'une et l'autre des faces radiales principales de l'anode tournante.
  • Grâce à cette combinaison, le dispositif est beaucoup plus compact et on minimise son encombrement total. On réduit simultanément son coût, puisqu'un seul dispositif en rotation assure à la fois la génération et le maintien du vide et l'entraînement en rotation de l'anode tournante. On profite des grandes qualités de stabilité et d'absence de vibrations de la pompe à vide. Simultanément, la grande vitesse de rotation de la pompe à vide permet de donner à l'anode tournante une grande vitesse de rotation, permettant à l'anode tournante de supporter une plus grande énergie de faisceau d'électrons et d'émettre un faisceau de rayons X à plus grande brillance.
  • Dans un souci de produire un dispositif émetteur de rayons X à très grande brillance, on projette sur l'anode tournante un faisceau d'électrons à grande énergie. Mais cela produit un échauffement rapide de l'anode tournante. Il est alors utile d'isoler thermiquement la pompe à vide vis-à-vis de l'anode tournante, afin d'éviter son propre échauffement et sa dégradation. Compte tenu de la vitesse de rotation de la pompe, il est impossible d'utiliser un mode de refroidissement par circulation d'eau dans un arbre creux car des problèmes d'étanchéité au niveau de la connexion entre la partie rotative et la partie fixe apparaissent. La chaleur apportée à l'anode par le faisceau de rayons X doit donc être évacuée de préférence uniquement par rayonnement. Il est également impératif de transmettre une très faible quantité de chaleur au rotor de la pompe, pour éviter son échauffement, qui combiné avec les contraintes dues à la vitesse de rotation très élevée, engendrerait alors une détérioration du matériau dont il est constitué (alliage d'aluminium en général) et une destruction de la pompe. Dans un souci de réduire l'échauffement parasite de la pompe à vide, et de limiter l'usure de l'anode tournante, il est indispensable de prévoir des moyens favorisant le transfert de chaleur de l'anode tournante vers l'extérieur pendant son fonctionnement.
  • Il est donc nécessaire d'avoir la plus grande surface d'émission de la chaleur sur l'anode d'une part, et d'autre part de refroidir les zones en regard de ces surfaces émissives et de protéger le rotor de la pompe du rayonnement de chaleur émis par l'anode. Ce problème est résolu par l'utilisation d'un élément refroidisseur placé en regard de l'anode, constitué d'un matériau possédant une bonne conductivité thermique, comme le cuivre ou l'aluminium par exemple. Cet élément est refroidi soit directement par une circulation d'un fluide refroidissant à l'intérieur de l'élément, soit par contact de l'élément avec un tube dans lequel circule un fluide refroidissant, ce tube étant soit inséré dans l'élément, soit en contact avec sa surface.
  • Par ailleurs, il est également nécessaire de protéger les utilisateurs, mais aussi le rotor de la pompe turbomoléculaire des rayons X émis par l'anode, afin éviter la détérioration du matériau soumis à la fois à une température et à des contraintes mécaniques élevées, mais également à un flux de rayons X très important. Une solution préférée consiste alors à modifier l'élément refroidisseur se trouvant entre l'anode et la pompe, de façon à ce qu'il assure à la fois la fonction de barrière thermique et de barrière aux rayons X. De même, un élément refroidisseur situé du côté opposé de l'anode peut contribuer également à l'absorption des rayons X émis par l'anode, et constituer de ce fait une barrière aux rayons X vis à vis de l'extérieur de l'enceinte.
  • Avantageusement l'élément comprend un corps en cuivre ou en acier inoxydable d'une épaisseur suffisante pour absorber le flux de rayons X émis. Ce corps peut prendre la forme d'un anneau, d'un disque ou d'une plaque, et permet ainsi de laisser un passage entre l'anode et la pompe turbomoléculaire, notamment au niveau du rotor, pour permettre à la pompe d'assurer le pompage de l'enceinte au niveau de l'anode. Ce passage se situe de préférence à la périphérie du disque ou de l'anneau.
  • Dans le cas d'un faisceau d'électrons d'une énergie de 50 keV frappant une cible en tungstène, la quantité de rayons X émis à 25 cm de la cible est de l'ordre de 2.1.1010 µSv/h. Afin de respecter un niveau de radioprotection inférieur à 0.7 µSv/h, un niveau d'atténuation de 3.10-11 est nécessaire. Par exemple cette atténuation est obtenue lorsque les rayons X traversent une épaisseur d'aluminium de 164 mm. Avantageusement, on utilisera un corps en cuivre d'une épaisseur comprise entre 8 et 13 mm ou un corps en acier inox d'une épaisseur comprise entre 14 et 19 mm, afin de combiner la fonction de refroidissement (bonne conductibilité thermique) et de radioprotection.
  • Le ou les éléments refroidisseurs peuvent avantageusement comporter un circuit interne de refroidissement parcouru par un fluide caloporteur qui évacue vers l'extérieur l'énergie calorifique.
  • On peut favoriser encore l'extraction d'énergie calorifique de l'anode tournante en prévoyant que les surfaces opposées du ou des éléments refroidisseurs et de l'anode tournante sont revêtues d'une couche de matériau à haute émissivité, tel que le nickel noir ou le chrome noir, ou encore une céramique.
  • Un moyen supplémentaire pour favoriser l'extraction d'énergie calorifique de l'anode tournante est de prévoir une anode en matériaux et structure aptes à supporter des températures plus élevées, associée à des moyens d'isolation thermique à grande efficacité vis-à-vis de la pompe à vide. Il en résulte que l'anode tournante présente en surface une température accrue qui favorise le rayonnement et donc le transfert de chaleur vers le ou les éléments refroidisseurs.
  • Egalement, pour améliorer la capacité de refroidissement, les surfaces opposées du ou des éléments refroidisseurs et de l'anode tournante peuvent être dentelées de manière concentrique, augmentant la surface de rayonnement.
  • Des moyens d'isolation thermique peuvent en outre être interposés entre l'arbre du rotor et l'anode tournante elle-même portée par l'arbre. De tels moyens d'isolation thermique peuvent comprendre, par exemple, une couche de céramique réalisée sur la surface correspondante de l'arbre. La céramique est moins conductrice de la chaleur que les métaux constituant l'arbre et l'anode tournante, réalisant ainsi une barrière qui freine la propagation d'énergie thermique vers la pompe à vide. Ce moyen d'isolation est simple et efficace, et, grâce à la dureté de la céramique, ne dégrade pas la stabilité de l'anode tournante.
  • En alternative, les moyens d'isolation thermique peuvent comprendre une bague isolante ou peu conductrice de la chaleur, de préférence par exemple une bague en acier inoxydable. Bien que l'acier inoxydable soit un moins bon isolant thermique que la céramique, il possède en revanche de meilleures caractéristiques mécaniques. Une autre solution consisterait à intercaler entre l'anode et le rotor, une bague en inox supportant les contraintes mécaniques les plus élevées, associée à deux bagues en céramique enserrant l'anode et assurant son maintien.
  • La présence d'un gaz approprié dans l'atmosphère intérieure de la pompe à vide entre les surfaces opposées des éléments refroidisseurs et de l'anode tournante peut favoriser encore, par convection, l'extraction d'énergie calorifique de l'anode. Des moyens seront prévus pour limiter la propagation du gaz vers la zone traversée par le flux d'électrons entre la cathode et l'anode tournante.
  • De préférence, la pompe à vide sera de type pompe moléculaire, turbomoléculaire ou hybride, permettant l'obtention d'une grande vitesse de rotation et la réalisation d'un vide poussé. La brillance de la source de rayons X peut ainsi être augmentée.
  • De préférence, l'anode tournante peut être une pièce rapportée en bout d'un arbre coaxial du rotor. L'anode tournante peut ainsi être une pièce interchangeable, aisément remplacée après usure.
  • En pratique, l'anode tournante peut avoir la forme générale d'un disque, sa surface périphérique constituant au moins une cible qui reçoit le flux d'électrons provenant de la cathode. Une telle structure est simple et peu encombrante.
  • En cours de fonctionnement, l'impact du faisceau d'électrons sur la surface périphérique de l'anode tournante provoque son usure progressive. Il peut en résulter une variation dimensionnelle de l'anode tournante, et donc une déviation et/ou un défaut de focalisation du faisceau de rayons X en sortie du dispositif. Pour réduire ce phénomène, on peut prévoir, selon l'invention, des moyens pour déplacer le rotor le long de son axe de rotation, modifiant ainsi la zone d'impact du faisceau d'électrons sur la périphérie de l'anode tournante.
  • En pratique, le rotor peut être sollicité par des paliers magnétiques pilotés par une électronique de commande de paliers, l'ensemble déterminant la position axiale et la position radiale du rotor dans le stator. L'électronique de commande de paliers peut être adaptée pour modifier volontairement au moins la position axiale du rotor le long de son axe de rotation.
  • En particulier, l'électronique de commande peut être adaptée pour modifier la position axiale du rotor en fonction de l'usure de l'anode tournante, pour déplacer une zone usée de l'anode tournante à l'écart de la zone d'impact du faisceau d'électrons.
  • Selon une autre possibilité, en alternative ou en complément, l'électronique de commande peut déplacer en va-et-vient le rotor le long de son axe de rotation pendant le fonctionnement, déplaçant ainsi la zone d'impact du faisceau d'électrons sur une surface périphérique plus étendue de l'anode tournante, et répartissant ainsi l'usure sur une plus grande surface.
  • Selon une autre possibilité, la surface périphérique de l'anode tournante peut être constituée de plusieurs bandes annulaires adjacentes, constituées chacune de matières distinctes, pour être adaptées chacune à la production de rayons X selon une énergie déterminée distincte. L'électronique de commande de paliers permet alors de déplacer axialement le rotor pour placer sous le faisceau incident d'électrons une bande annulaire choisie correspondant à l'application envisagée.
  • Selon une autre possibilité, l'électronique de commande de paliers peut être en outre adaptée pour modifier volontairement la position radiale du rotor afin de rattraper l'usure de l'anode tournante et de maintenir ainsi, à travers un dispositif de collection, la focalisation du faisceau de rayons X sur une zone de convergence précise en sortie.
  • Une autre fonction que l'on peut remplir par modification de la position radiale du rotor est de déplacer le point focal pour modifier dans le temps la zone d'impact du rayonnement X sur le dispositif de collection et augmenter ainsi la durée de vie du dispositif de collection.
  • Grâce aux améliorations des propriétés d'un tel dispositif, l'invention prévoit son utilisation comme source de rayons X dans un système de contrôle de cristallisation, ou comme source de rayons X dans un microscope à rayons X dans la fenêtre de l'eau, ou comme source de rayons X pour la mesure de petites structures ou de multicouches dans la fabrication de semi-conducteurs.
  • D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles :
    • la figure 1 est une vue schématique de côté en coupe longitudinale d'un dispositif de génération de rayons X selon un mode de réalisation de la présente invention, et
    • la figure 2 est une vue de côté partielle en coupe longitudinale d'un dispositif de génération de rayons X selon un second mode de réalisation de la présente invention.
  • Le dispositif illustré sur la figure 1 comprend une pompe à vide 1, de type moléculaire, turbomoléculaire ou hybride, une anode tournante 2, une cathode 3 générant un faisceau d'électrons 4, et un dispositif de collection 5 qui recueille et conditionne le faisceau de rayons X 6 produit par le dispositif.
  • La pompe à vide 1 est constituée, de façon connue en soi, d'un rotor 1 a mobile en rotation autour d'un axe I-I dans un stator 1b, entraîné en rotation par un moteur 1c, et maintenu en position par des paliers ou roulements 10a, 10b, 10c, 10d et 10e schématiquement illustrés.
  • Les paliers ou roulements 10a-10e, peuvent être des structures habituellement utilisées dans les pompes à vide, par exemple des roulements à bille ou à aiguille, des paliers lisses, des paliers à gaz, ou des paliers magnétiques. Ces derniers permettent des rotations rapides à plus de 40 000 tours par minute, sans vibration, avec une stabilité contrôlée de l'ordre du micron.
  • Le rotor 1a est raccordé au moteur 1 c par un arbre moteur 1d.
  • L'anode tournante 2 est solidaire du rotor 1 a de la pompe 1, disposée coaxialement avec le rotor 1a. En pratique, l'anode tournante 2 est une pièce rapportée en bout d'un arbre 1e coaxial du rotor 1a.
  • Les éléments aspirants de la pompe à vide 1, tels que le rotor 1a, le stator 1b et l'arbre 1d, sont contenus dans une enveloppe périphérique étanche 1f, pouvant être en partie constituée par le stator 1b, et munie d'une sortie d'évacuation 1g par laquelle sont refoulés les gaz pompés.
  • L'enveloppe périphérique étanche 1f de la pompe entoure également l'anode tournante 2, et constitue elle-même au moins une partie de la paroi étanche d'une enceinte sous vide 7 dans laquelle se propagent le faisceau d'électrons 4 et le faisceau de rayons X 6. L'enceinte sous vide 7 contient pour cela l'anode tournante 2, ainsi que la cathode 3, et le dispositif de collection 5. Le faisceau d'électrons 4 produit par la cathode 3 se propage dans le vide, depuis la cathode 3, et vient frapper la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2, produisant le faisceau de rayons X 6 qui se propage vers le dispositif de collection 5.
  • Le dispositif de collection 5 peut être contenu dans une enceinte sous vide 7 monobloc. En alternative, le dispositif de collection 5 peut être contenu dans une partie rapportée sur l'enceinte sous vide 7.
  • Dans la réalisation illustrée sur la figure 1, la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2 est cylindrique, coaxiale avec l'axe I-I. La cathode 3 est orientée de façon que le faisceau incident d'électrons 4 soit incliné par rapport à l'axe I-I, ce qui produit un faisceau émis de rayons X 6 également incliné.
  • En alternative, la surface périphérique 2a d'anode tournante qui reçoit le faisceau d'électrons 4 peut être une portion périphérique d'une face radiale 2b ou 2c de l'anode tournante 2.
  • Dans sa portion d'extrémité portant l'anode tournante 2, l'arbre 1 e est recouvert d'une couche 1h thermiquement isolante, de sorte que l'anode tournante 2 est au contact de la couche 1h assurant une isolation thermique. Cette couche 1h peut notamment comprendre une bague en acier inoxydable.
  • De part et d'autre de l'anode tournante 2, dans le sens axial, on dispose conformément à la présente invention un premier élément refroidisseur 8 et un second élément refroidisseur 9, tous deux fixés au stator 1b ou corps de pompe, ou à l'enveloppe périphérique étanche 1f de la pompe, en regard de l'une des faces radiales principales 2b ou 2c de l'anode tournante 2, laquelle est sous forme d'un disque. Les éléments refroidisseurs 8 et 9 sont à proximité des faces radiales principales 2b et 2c de l'anode tournante 2, et reçoivent l'énergie thermique de rayonnement émise par l'anode tournante 2 en fonctionnement.
  • Les éléments refroidisseurs 8 et 9 comportent un circuit interne de refroidissement, respectivement 8a et 9a, parcouru par un fluide caloporteur qui évacue vers l'extérieur l'énergie calorifique reçue de l'anode tournante 2.
  • L'élément refroidisseur 8 est revêtu d'une couche 8b de matériau à haute émissivité, par exemple du nickel noir ou du chrome noir, mais aussi certaines céramiques. Il en est de même de l'élément refroidisseur 9 qui est revêtu d'une telle couche 9b.
  • De même, les faces radiales principales 2b et 2c de l'anode tournante 2 peuvent être revêtues chacune d'une couche de matériau à haute émissivité. On augmente ainsi le transfert d'énergie calorifique par rayonnement depuis l'anode tournante 2 vers les éléments refroidisseurs 8 et 9, favorisant le refroidissement de l'anode tournante 2.
  • L'élément refroidisseur 8 comprend un corps annulaire en cuivre de 10,5 mm d'épaisseur qui sert de barrière aux rayons X et les empêche de parvenir à l'extérieur de l'enceinte. On pourrait remplacer l'anneau de cuivre par un anneau d'acier inoxydable de 16,5 mm d'épaisseur.
  • De même l'élément refroidisseur 9 comprend un corps en forme de plaque ou de disque en cuivre de 10,5 mm d'épaisseur qui sert de barrière aux rayons X et les empêche de parvenir à l'extérieur de l'enceinte. On pourrait aussi bien remplacer le disque en cuivre par un disque d'acier inoxydable de 16,5 mm d'épaisseur. Toutefois la paroi de l'enceinte à vide est habituellement réalisée en acier inoxydable afin d'assurer la protection de l'environnement extérieur en cas de défaillance de la pompe. Dans le cas où l'élément refroisisseur 9 est fixé à cette paroi, la paroi elle-même contribue à la fonction de barrière à l'égard des rayons X. L'épaisseur de matériau permettant une protection totale de l'extérieur vis-à-vis des rayons X est alors calculée en tenant compte de la combinaison de l'élément refroidisseur 9 et de la paroi, afin de permettre d'atteindre le niveau d'atténuation requis.
  • De préférence, on prévoit en outre des moyens pour déplacer le rotor 1a le long de son axe de rotation I-I. On comprend qu'un tel déplacement axial du rotor 1a provoque le même déplacement axial de l'anode tournante 2, et réalise une modification de la zone d'impact 4a du faisceau d'électrons 4 sur la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2.
  • Par exemple, le rotor 1a peut être sollicité par des paliers magnétiques 10a à 10e, schématiquement représentés, pilotés par une électronique de commande de paliers 10f, l'ensemble déterminant la position axiale et la position radiale du rotor 1a dans le stator 1b.
  • Les paliers magnétiques tels qu'habituellement utilisés dans les pompes à vide comprennent une pluralité de pôles magnétiques indépendants, répartis sur le bâti et sur l'arbre de la pompe à vide, et dont le champ magnétique est généré par des bobines alimentées par l'électronique de commande de paliers en fonction de signaux provenant de capteurs de position également répartis entre le bâti et l'arbre de la pompe à vide.
  • On peut piloter la position du rotor selon cinq axes axes, comprenant l'axe longitudinal et quatre axes radiaux contenus dans les plans de deux sections droites différentes. Mais il est aussi possible de piloter le rotor, au moyen d'électroaimants associés à une électronique de commande, seulement selon certains axes axiaux ou radiaux dits « actifs », alors que d'autres axes dits « passifs », contrôlés par des aimants permanents, ne nécessiteront aucun pilotage.
  • Dans les pompes à vide habituelles, l'électronique de commande de paliers est programmée pour maintenir les plus constantes possibles les positions axiale et radiale du rotor 1a dans le stator 1b.
  • Selon l'invention, dans un premier mode de réalisation, les éléments radiaux 10a à 10d des paliers magnétiques, qui assurent normalement le positionnement radial du rotor 1a, maintiennent constante cette position radiale. Simultanément, les éléments axiaux 10e des paliers magnétiques, qui assurent le positionnement axial du rotor, sont agencés de façon que l'électronique de commande de paliers 10f puisse modifier volontairement la position axiale du rotor 1 a le long de son axe de rotation I-I. On comprend que l'on modifie pour cela la consigne de position axiale reçue par l'électronique de commande de paliers 10f, ladite consigne de commande étant générée par un circuit de commande 10g.
  • Selon un second mode de réalisation, en alternative ou en complément, l'électronique de commande de paliers 10f peut également commander les éléments radiaux 10a à 10d des paliers magnétiques, pour modifier volontairement la position radiale du rotor 1a dans le stator 1b. On modifie ainsi pour cela la consigne de position radiale, générée par le circuit de commande 10g.
  • Quant à lui, le circuit de commande 10g peut générer les consignes de position axiale et/ou radiale en fonction d'informations reçues de capteurs disposés sur les autres organes du dispositif de l'invention.
  • Par exemple, on peut prévoir un capteur d'usure 10h permettant de détecter l'usure de la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2, et le signal reçu de ce capteur d'usure 10h est utilisé par le circuit de commande 10g pour déplacer la zone usée d'anode tournante à l'écart de la zone d'impact 4a du faisceau d'électrons 4, par un déplacement axial de l'anode tournante 2.
  • Selon une autre possibilité, le circuit de commande 10g et l'électronique de commande de paliers 10f peuvent déplacer en va-et-vient le rotor 1a le long de son axe de rotation I-I pendant le fonctionnement. Il en résulte que l'on déplace ainsi la zone d'impact 4a du faisceau d'électrons 4 sur une surface périphérique de l'anode tournante 2, répartissant ainsi l'usure sur une plus grande surface, et réduisant simultanément l'usure locale de chaque partie de surface périphérique 2a de l'anode tournante 2.
  • En alternative ou en complément, on peut prévoir des moyens pour modifier la position et/ou l'orientation de la cathode 3, modifiant ainsi la zone d'impact 4a du faisceau d'électrons 4 sur la zone périphérique 2a de l'anode tournante 2.
  • L'anode tournante 2 peut être entièrement constituée d'un même matériau. En alternative, elle peut être constituée d'un matériau de base qui est localement revêtue du matériau nécessaire à la formation des rayons X selon sa surface périphérique 2a. Le matériau de base doit posséder des caractéristiques mécaniques et thermiques compatibles avec les containtes de fonctionnement de l'anode, comme par exemple l'aluminium, le cuivre, l'acier inoxydable, le titane ou le carbure de silicium, sans que cette liste soit limitative. La surface périphérique 2a de l'anode tournante 2 peut être de préférence en un matériau tel que le cuivre, le molybdène, le tungstène, l'oxyde de béryllium, l'aluminium anodisé, la céramique oxyde ou tout autre oxyde, sans que cette liste soit limitative. Le matériau sera choisi en fonction de l'énergie nécessaire pour l'application à laquelle est destinée la source de rayons X. Le cuivre permet la formation de rayons X à 8 keV. Le molybdène permet la formation de rayons X à 17 keV.
  • On pourra trouver intérêt à réaliser l'anode tournante 2 en métal, le métal pouvant contribuer à mieux répartir et évacuer l'énergie thermique produite par l'impact du faisceau d'électrons 4, en comparaison des oxydes qui conduisent mal la chaleur à haute température. Autrement dit, le métal contribue à évacuer la chaleur dans toute l'anode tournante 2, en évitant que l'énergie thermique reste localisée sur la zone d'impact 4a du faisceau d'électrons 4.
  • Les éléments refroidisseurs 8 et 9 peuvent avantageusement être réalisés en métal bon conducteur de la chaleur, par exemple le cuivre.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2 peut être constituée de plusieurs bandes annulaires adjacentes de matières distinctes adaptées chacune à la production de rayons X selon une énergie déterminée distincte. Par exemple, on peut prévoir une première bande annulaire en cuivre, une seconde bande annulaire en molybdène. L'électronique de commande de paliers 10f permet alors de déplacer axialement le rotor pour placer sous le faisceau incident d'électrons 4 une bande annulaire choisie. En plaçant la bande annulaire de cuivre sous le faisceau d'électrons 4, on pourra produire des rayons X à 8 keV, tandis qu'en plaçant la bande annulaire de molybdène sous le faisceau d'électrons 4, on pourra produire des rayons X à 17 keV. D'autres propriétés des rayons X peuvent être obtenues par exemple avec des bandes en d'autres matières telles que l'acier inoxydable, l'inconel.
  • L'anode tournante 2 peut être symétriquement usinée, de manière à pouvoir être retournée complètement une fois usée.
  • Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, on retrouve les principaux éléments constitutifs du dispositif de l'invention, à savoir l'anode tournante 2 montée en bout de l'arbre 1e, le premier élément refroidisseur 8, le second élément refroidisseur 9, et la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2.
  • Dans ce mode de réalisation, les surfaces en regard 8b et 9b des éléments refroidisseurs 8 et 9 et les surfaces radiales principales 2b et 2c de l'anode tournante 2 sont dentelées de manière concentrique, formant une succession de nervures annulaires concentriques à profil triangulaire, de manière à augmenter la surface d'échange de refroidissement par rayonnement.
  • En considérant à nouveau la figure 1, on comprend qu'une usure de la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2 tend à déplacer la zone d'impact 4a du faisceau d'électrons 4 vers le rotor 1a, ce qui simultanément tend à déplacer dans le même sens la zone de convergence 11 du faisceau de rayons X 6 émis. Ainsi le capteur d'usure 10h, placé comme illustré sur la figure 1, détecte le déplacement de la zone de convergence 11. Pour rattraper cette usure, l'électronique de commande de paliers 10f peut être adaptée pour modifier volontairement la position radiale du rotor 1a, vers la droite sur la figure 1, pour rattraper l'usure de l'anode tournante 2 et maintenir ainsi la focalisation du faisceau de rayons X sur la zone de convergence 11 précise en sortie. Pour cela, on peut détecter un éventuel déplacement de la zone de convergence 11 en sortie, par le capteur d'usure 10h, et envoyer le signal ainsi produit au circuit de commande 10g qui pilote l'électronique de commande de palier 10f afin de déplacer radialement le rotor 1a et l'anode tournante 2 dans le sens réduisant ce déplacement de zone de convergence 11.
  • On prévoit en bout de l'arbre 1e un dispositif de connexion électrique permettant la polarisation de l'anode tournante 2 et l'évacuation du courant électrique résultant de l'impact du faisceau d'électrons 4. Ce dispositif peut être une structure conductrice par contact glissant. En alternative, la conduction électrique peut être assurée en prévoyant, entre au moins une partie de l'anode tournante 2 et une partie fixe conductrice, une zone de décharge électrique dans un gaz conducteur.
  • Sur la figure 2, l'anode tournante 2 est en forme de disque dont les extrémités sont légèrement inclinées pour diriger le faisceau de rayons X vers le dispositif de collection 5.
  • Le fonctionnement des pompes turbomoléculaires repose sur une vitesse périphérique des aubes de l'ordre de la vitesse thermique des molécules, soit plusieurs centaines de mètres par seconde. Ainsi, l'utilisation de la technologie des pompes à vide pour faire tourner l'anode tournante 2 permet une rotation à très haute vitesse de la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2, avec un asservissement très précis et une absence quasi-totale de vibrations. La rotation très rapide de l'anode tournante 2 permet d'augmenter la puissance du faisceau d'électrons 4 incident, réalisant ainsi une source de rayons X à très grande brillance.
  • De préférence, on rapproche la cathode 3 au plus près de la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2, et on positionne le dispositif de collection 5 également au plus près de la surface périphérique 2a de l'anode tournante 2. De la sorte, on augmente encore la compacité de la source de rayons X, on améliore la capacité de convergence du faisceau de rayons X émis en améliorant ainsi le flux sur un échantillon placé dans la zone de convergence 11, et on réduit les pertes.
  • On réalise ainsi une source à rayons X compacte, sans vibrations, qui délivre un faisceau monochromatique de grande brillance focalisé sur une zone de convergence 11 de très petite taille.
  • Grâce aux qualités d'une telle source de rayons X, on peut envisager son application dans des domaines jusqu'à présent inexploités.
  • Selon un premier domaine, le dispositif peut être utilisé comme source de rayons X dans un système de contrôle de cristallisation. A cet égard, la petite taille de la source de rayons X selon l'invention permet d'envisager son utilisation comme moyen de contrôle systématique de la cristallisation de protéines. Un tel contrôle, actuellement fait avec des sources à anode tournante coûteuses et encombrantes, peut être réalisé plus aisément avec une source de rayons X selon l'invention, qui produit un faisceau de grande intensité avec des propriétés bien définies (pureté spectrale, divergence et stabilité). La détection par rayons X permet ainsi de surveiller la cristallisation de manière plus précise et automatisée.
  • Selon une seconde application, on peut utiliser le dispositif selon l'invention comme source de rayons X dans un microscope à rayons X dans la fenêtre de l'eau. A cet égard, la microscopie dans la fenêtre de l'eau est une technique très prometteuse, mais aujourd'hui limitée car elle nécessite une source de rayonnement à synchrotron, très onéreuse, qui permet d'émettre un rayonnement X de puissance et de monochromaticité satisfaisante. Le coût de ces sources de rayonnement empêche leur développement. Avec une source de rayons X selon l'invention, on peut atteindre une puissance de rayons X suffisante pour une application en microscopie dans la fenêtre de l'eau.
  • La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier.

Claims (13)

  1. Dispositif pour l'émission de rayons X, comprenant :
    - une enceinte sous vide (7), limitée par une paroi étanche (1f),
    - une pompe à vide (1), comportant dans une enveloppe périphérique étanche (1f) un stator (1b), un rotor (1a) et des moyens d'asservissement (10a-10e) du rotor (1a) permettant sa rotation stable à très haute vitesse, et raccordée à l'enceinte sous vide (7) pour y générer et entretenir un vide,
    - une cathode (3), dans l'enceinte sous vide (7), adaptée pour générer un flux d'électrons (4),
    - une anode tournante (2), dans l'enceinte sous vide (7), entraînée en rotation autour d'un axe de rotation (I-I), et recevant sur sa périphérie (2a) le flux d'électrons (4) provenant de la cathode (3) pour émettre des rayons X (6) vers une sortie (11),
    - l'anode tournante (2) est solidaire du rotor (1a) de la pompe à vide (1), disposée coaxialement avec le rotor (1a),
    - l'enveloppe périphérique étanche (1f) de la pompe à vide (1) constitue elle-même tout ou partie de la paroi étanche de l'enceinte sous vide (7),
    caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément refroidisseur (8, 9) fixé au stator (1b) de pompe à vide ou à l'enveloppe périphérique étanche (1f) en regard de l'une des faces radiales principales (2b, 2c) de l'anode tournante (2) pour absorber l'énergie thermique de rayonnement émise par l'anode tournante (2) en fonctionnement.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel on prévoit au moins deux éléments refroidisseurs (8, 9) disposés respectivement en regard de l'une et l'autre des faces radiales principales (2b, 2c) de l'anode tournante (2).
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'élément refroidisseur (8, 9) comprend un corps en cuivre ou en acier inoxydable d'une épaisseur suffisante pour absorber le flux de rayons X.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le ou les éléments refroidisseurs (8, 9) ont un circuit interne de refroidissement (8a, 9a) parcouru par un fluide caloporteur qui évacue vers l'extérieur l'énergie calorifique.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les surfaces opposées (8b, 9b, 2b, 2c) du ou des éléments refroidisseurs (8, 9) et de l'anode tournante (2) sont revêtues d'une couche de matériau à haute émissivité.
  6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les surfaces opposées (8b, 9b, 2b, 2c) du ou des éléments refroidisseurs (8, 9) et de l'anode tournante (2) sont dentelées de manière concentrique.
  7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens d'isolation thermique (1h) comprenant une bague en acier inoxydable interposés entre l'arbre (1e) et l'anode tournante (2).
  8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens (10e, 10f, 10g) pour déplacer le rotor (1a) le long de son axe de rotation (I--I), modifiant ainsi la zone d'impact (4a) du faisceau d'électrons (4) sur la périphérie (2a) de l'anode tournante (2).
  9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le rotor (1a) est sollicité par des paliers magnétiques (10a-10e) pilotés par une électronique de commande de paliers (10f) qui détermine sa position axiale et sa position radiale dans le stator (1b), l'électronique de commande de paliers (10f) étant adaptée pour modifier volontairement au moins la position axiale du rotor (1a) le long de son axe de rotation (I-I).
  10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l'électronique de commande (10f) modifie la position axiale du rotor (1a) en fonction de l'usure de l'anode tournante (2) pour déplacer une zone usée de l'anode tournante (2) à l'écart de la zone d'impact (4a) du faisceau d'électrons (4).
  11. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel l'électronique de commande (10f) déplace en va-et-vient le rotor (1a) le long de son axe de rotation (I-I) pendant le fonctionnement, déplaçant ainsi la zone d'impact (4a) du faisceau d'électrons (4) sur une surface périphérique de l'anode tournante (2).
  12. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la surface périphérique (2a) de l'anode tournante (2) est constituée de plusieurs bandes annulaires adjacentes de matières distinctes adaptées chacune à la production de rayons X selon une énergie déterminée distincte, l'électronique de commande de paliers (10f) permettant de déplacer axialement le rotor (1a) pour placer sous le faisceau incident d'électrons (4) une bande annulaire choisie.
  13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel l'électronique de commande de paliers (10f) est en outre adaptée pour modifier volontairement la position radiale du rotor (1a) afin de rattraper l'usure de l'anode tournante (2) et de maintenir ainsi la focalisation du faisceau de rayons X (6) sur une zone de convergence (11) précise en sortie.
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