FR2657195A1 - Anode comprising cavities for X-ray tubes - Google Patents

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Evain Bernard
Dumitrescu Horia
Lucas Philippe
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    • H01J35/00X-ray tubes
    • H01J35/02Details
    • H01J35/04Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/108Substrates for and bonding of emissive target, e.g. composite structures

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Abstract

The invention relates to X-ray tubes and, more particularly, to improvements to the anodes of such tubes for increasing the thermal emissivity thereof. The invention resides in the fact that the surface of the anode is pierced with cavities whose depth H is large compared to the radius R of the base. Experiments and calculations show that the gain in emissivity increases as the emissivity of the material of the anode decreases, the ratio H/R increases and the number N of faces of the cone decreases.

Description

ANODE A ALVEOLES POUR
TUBES A RAYONS X
L'invention concerne les tubes à rayons X et plus particulièrement des perfectionnements aux anodes de tels tubes pour augmenter leur émissivité thermique.
CELL ANODE FOR
X-RAY TUBES
The invention relates to X-ray tubes and more particularly to improvements to the anodes of such tubes to increase their thermal emissivity.

Un tube à rayons X comporte, dans une enceinte sous vide, une cathode constituée d'un filament chauffé qui émet des électrons et d'un dispositif de concentration adossé au filament qui focalise les électrons émis vers une anode portée à un potentiel positif par rapport à la cathode. Le point d'impact du faisceau d'électrons sur l'anode constitue la source de rayonnement X.An X-ray tube comprises, in a vacuum enclosure, a cathode made up of a heated filament which emits electrons and of a concentration device backed by the filament which focuses the emitted electrons towards an anode brought to a positive potential compared to at the cathode. The point of impact of the electron beam on the anode constitutes the source of X-radiation.

L'anode est en géneral constituée d'un bloc métallique sur lequel est déposee une couche d'un matériau cible du type à numéro atomique élevé, réfractaire et bon conducteur de la chaleur comme, par exemple, le tungstène, le molybdène ou un alliage contenant au moins un de ces éléments.The anode generally consists of a metal block on which is deposited a layer of a target material of the type with a high atomic number, refractory and good conductor of heat such as, for example, tungsten, molybdenum or an alloy containing at least one of these elements.

La couche cible est bombardée par le faisceau d'électrons sur une faible surface appelée foyer. Par suite du rendement énergétique faible, seul un pour cent de l'énergie est transformée en rayonnement X, la plus grande partie est transformé en chaleur. Le bloc métallique de l'anode doit donc être prévu pour dissiper la chaleur emmagasinée.The target layer is bombarded by the electron beam over a small area called the focal point. As a result of the low energy efficiency, only one percent of the energy is transformed into X-rays, most of which is transformed into heat. The metal block of the anode must therefore be provided to dissipate the stored heat.

La chaleur qui est emmagasinée dans l'anode est transférée de deux manières vers le milieu extérieur d'une part, par conduction par le matériau d'anode vers l'axe du rotor et le milieu extérieur au tube et, d'autre part, par le rayonnement de l'anode dans toutes les directions. Dans ce dernier cas, le rayonnement est proportionnel à la puissance quatrième (T4) de la température T de la surface de l'anode, à la superficie de l'anode et à l'émissivité du matériau d'anode.The heat which is stored in the anode is transferred in two ways to the external medium on the one hand, by conduction by the anode material towards the axis of the rotor and the medium external to the tube and, on the other hand, by the radiation from the anode in all directions. In the latter case, the radiation is proportional to the fourth power (T4) of the temperature T of the surface of the anode, to the surface of the anode and to the emissivity of the anode material.

On comprend donc que l'on ait cherché à augmenter ces trois éléments pour accroître le rayonnement mais certaines limitations existent. Ainsi, la température de fonctionnement de l'anode ne peut dépasser certaines valeurs qui dépendent, notamment, du matériau utilisé et de sa tenue mécanique aux hautes températures.We therefore understand that we tried to increase these three elements to increase the radiation but certain limitations exist. Thus, the operating temperature of the anode cannot exceed certain values which depend, in particular, on the material used and on its mechanical behavior at high temperatures.

L'augmentation de la superficie de l'anode va de pair avec ses dimensions mais cela limite sa vitesse de rotation.The increase in the area of the anode goes hand in hand with its dimensions, but this limits its speed of rotation.

Aussi, le but de la présente invention est de réaliser une anode pour tube à rayons X qui presente une émissivité accrue.Also, the object of the present invention is to provide an anode for an X-ray tube which has increased emissivity.

L'invention concerne une anode pour tube à rayons X, caractérisée en ce que tout ou partie de la surface de l'anode est percée d'alvéoles.The invention relates to an anode for an X-ray tube, characterized in that all or part of the surface of the anode is pierced with cells.

Les alvéoles sont de préférence en forme de cônes dont la base est à la surface de ladite anode.The cells are preferably in the form of cones, the base of which is on the surface of said anode.

La base du cône peut être de forme circulaire, elliptique, polygonale ou autre.The base of the cone can be circular, elliptical, polygonal or other.

Pour une meilleure émissivité, la base est de forme triangulaire et la profondeur doit être supérieure au rayon du cercle contenant la base du cône.For better emissivity, the base is triangular and the depth must be greater than the radius of the circle containing the base of the cone.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective cavalière d'une
anode à alveoles pour tube à rayons X selon la
présente invention, - la figure 2 représente une forme d'alveoles à base
polygonale, - les figures 3, 4 et 5, représentent des diagrammes
d'émissivité équivalente en fonction de l'émissivité
du matériau pour différents paramètres.
Other objects, characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of a particular embodiment, said description being made in relation to the accompanying drawings in which - Figure 1 is a perspective view of a
cell anode for X-ray tube according to
present invention, - Figure 2 shows a form of cells based
polygonal, - figures 3, 4 and 5, represent diagrams
equivalent emissivity as a function of emissivity
material for different parameters.

La figure 1 représente une anode 9 de tube à rayons X qui a la forme générale d'une disque 10 comportant deux faces 11 et 12 parallèles entre elles et une face inclinée 14 sur tout ou partie de laquelle est déposée une couche 15 d'un matériau émissif de rayons X. Le raccordement entre la face inclinée 14 et la face 11 s'effectue par une face 16 constituée par la périphérie du disque 10. Le disque 10 est prévu pour tourner autour d'un axe de rotation 13 qui est perpendiculaire aux faces parallèles 11 et 12 en leur centre.FIG. 1 represents an anode 9 of an X-ray tube which has the general shape of a disc 10 comprising two faces 11 and 12 parallel to each other and an inclined face 14 over all or part of which is deposited a layer 15 of a X-ray emissive material. The connection between the inclined face 14 and the face 11 is effected by a face 16 formed by the periphery of the disc 10. The disc 10 is designed to rotate around an axis of rotation 13 which is perpendicular with parallel faces 11 and 12 in their center.

Le disque 10 est en matériau métallique tel que du molybdène, du tungstène ou un alliage contenant au moins un de ces éléments, ou en graphite ou encore en matériau composite du type carbone-carbone. Le matériau de la couche 15 est du type à numéro atomique eleve tel que le tungstène.The disc 10 is made of metallic material such as molybdenum, tungsten or an alloy containing at least one of these elements, or graphite or a composite material of the carbon-carbon type. The material of layer 15 is of the type with a high atomic number such as tungsten.

Lorsqu'un faisceau d'électrons bombarde la couche 15, la presque totalité (99% environ) de l'énergie du faisceau est transformée en chaleur absorbée par le disque 10.When an electron beam bombards layer 15, almost all (around 99%) of the beam energy is transformed into heat absorbed by the disc 10.

Cette chaleur absorbée est évacuée vers l'extérieur du tube, comme on l'a indiqué dans le préambule, par conduction via l'axe du rotor et par rayonnement vers l'enveloppe du tube.This absorbed heat is removed towards the outside of the tube, as indicated in the preamble, by conduction via the axis of the rotor and by radiation towards the envelope of the tube.

L'invention propose d'augmenter la dissipation de chaleur par rayonnement en augmentant ltemissivite du disque, la température et la superficie du disque restant égales par ailleurs.The invention proposes to increase the dissipation of heat by radiation by increasing the emissivity of the disc, the temperature and the area of the disc remaining equal elsewhere.

Pour augmenter cette émissivité, l'invention propose de modifier la surface du disque en créant des alvéoles 17, par exemple de forme conique à base polygonale.To increase this emissivity, the invention proposes to modify the surface of the disc by creating cells 17, for example of conical shape with a polygonal base.

L'augmentation de l'émissivité du disque dépend du matériau du disque, des caractéristiques des alvéoles et de leur densité sur la surface du disque.The increase in the emissivity of the disc depends on the disc material, the characteristics of the cells and their density on the surface of the disc.

Les caractéristiques des alvéoles et leur influence sur l'émissivité ont été déterminées à l'aide du schéma de la figure 2 qui représente un cône 18 de sommet 0 ayant une base hexagonale 19. Ce cône à six faces 20 a une hauteur H entre le sommet 0 et la base 19 et un rayon R qui définit la circonférence passant par les sommets de l'hexagone régulier de la base 19.The characteristics of the cells and their influence on the emissivity were determined using the diagram in FIG. 2 which represents a cone 18 with vertex 0 having a hexagonal base 19. This six-sided cone 20 has a height H between the vertex 0 and base 19 and a radius R which defines the circumference passing through the vertices of the regular hexagon of base 19.

Par suite de l'existence des faces 20 du cône, l'émissivité de la base 19 du cône est supérieure à celle qu'elle aurait en l'absence du cône. Les calculs permettent de déterminer que l'émissivité Ep de l'alvéole "ramenée" en surface à la base 19 est donnée par la formule
#i
#p = (1)
1 - (1 - #i) (1 - α) formule dans laquelle - Ei est l'émissivité du matériau de l'anode, - a = Sp avec Sp la superficie du polygone en surface NSi - Si la superficie d'une face du cône et N le nombre de
faces du cône.
As a result of the existence of the faces 20 of the cone, the emissivity of the base 19 of the cone is greater than that which it would have in the absence of the cone. The calculations make it possible to determine that the emissivity Ep of the cell "brought back" to the surface at the base 19 is given by the formula
#i
#p = (1)
1 - (1 - #i) (1 - α) formula in which - Ei is the emissivity of the anode material, - a = Sp with Sp the area of the polygon in area NSi - If the area of a face of the cone and N the number of
cone faces.

Si l'on remplace Sp et Si par leur valeur exprimée en fonction de N, du rayon R du polygone de base et de la hauteur H du C cône, on obtient

Figure img00040001

et l'on peut alors tracer les courbes représentatives de la fonction
Ep = f (Ei) pour N = 12 et H/R variable (figure 3) pour N = 3 et H/R variable (figure 5) pour H/R= 2 et N variable (figure 4)
Ces différentes familles de courbes montrent que le gain en émissivité est d'autant plus grand que - l'émissivité du matériau Éi est faible, - le nombre N de faces du cône est petit, - le rapport H/R est grand avec une saturation pour un
rapport H/R > 25.If we replace Sp and Si by their value expressed as a function of N, the radius R of the base polygon and the height H of the C cone, we obtain
Figure img00040001

and we can then draw the curves representative of the function
Ep = f (Ei) for N = 12 and variable H / R (figure 3) for N = 3 and variable H / R (figure 5) for H / R = 2 and variable N (figure 4)
These different families of curves show that the gain in emissivity is all the greater as - the emissivity of the material Ei is low, - the number N of faces of the cone is small, - the H / R ratio is large with saturation for a
H / R ratio> 25.

De préférence, la profondeur H des alvéoles est comprise entre deux et vingt-cinq fois le rayon R.Preferably, the depth H of the cells is between two and twenty-five times the radius R.

L'émissivité Ep est l'émissivité équivalente d'une alvéole; pour toute la surface du disque, l'émissivité totale eT est donnée par
ET = (l-d) Ei + d.Ep (3) avec d le rapport de la superficie totale des polygones de base et de la superficie du disque.
The emissivity Ep is the equivalent emissivity of a cell; for the entire surface of the disc, the total emissivity eT is given by
ET = (ld) Ei + d.Ep (3) with d the ratio of the total area of the base polygons and the area of the disc.

A titre indicatif, pour un disque en molybdène avec
Ei = 0,2, une densité d = 0,5 et H/R = 2, on obtient
ET = 0,35, soit un gain voisin de 2.
As an indication, for a molybdenum disc with
Ei = 0.2, a density d = 0.5 and H / R = 2, we get
ET = 0.35, i.e. a gain close to 2.

Pour réaliser des alvéoles dans la surface du disque, plusieurs procédés peuvent être mis en oeuvre tels que l'attaque chimique par l'intermédiaire d'un masque ou la percussion mécanique à l'aide d'aiguilles dont les pointes ont la forme des cônes que l'on souhaite obtenir à la surface du disque.To make cells in the surface of the disc, several methods can be implemented such as chemical attack by means of a mask or mechanical percussion using needles whose points have the shape of cones that we want to get on the surface of the disc.

Par ailleurs, si l'on souhaite obtenir une émissivité variable selon la position sur le disque, il est possible de modifier les caractéristiques des alvéoles pour qu'il en soit ainsi.Furthermore, if it is desired to obtain a variable emissivity according to the position on the disc, it is possible to modify the characteristics of the cells so that this is so.

L'invention a été décrite dans le cas d'alvéoles en forme de cônes à base polygonale régulière mais il est clair qu'elle s'applique également à d'autres formes d'alvéoles, notamment de forme conique à base circulaire ou autre. The invention has been described in the case of cells in the form of cones with a regular polygonal base, but it is clear that it also applies to other forms of cells, in particular of conical shape with circular base or other.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1. Anode pour tube à rayons X, caractérisée en ce que tout ou partie de la surface de l'anode (9) est percée d'alvéoles (17).1. Anode for X-ray tube, characterized in that all or part of the surface of the anode (9) is pierced with cells (17). 2. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les alvéoles (17) sont en forme de cônes (18) dont la base (19) est à la surface de ladite anode.2. Anode according to claim 1, characterized in that the cells (17) are in the form of cones (18) whose base (19) is on the surface of said anode. 3. Anode selon la revendication 2, caractérisée en ce que les cônes (19) sont à base polygonale.3. Anode according to claim 2, characterized in that the cones (19) have a polygonal base. 4. Anode selon la revendication 3, caractérisée en ce que la base des cônes (18) est triangulaire.4. Anode according to claim 3, characterized in that the base of the cones (18) is triangular. 5. Anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la profondeur (H) des alvéoles est supérieure au rayon (R) du cercle contenant l'ouverture des alvéoles (17) au niveau de la surface de ladite anode.5. Anode according to any one of the preceding claims, characterized in that the depth (H) of the cells is greater than the radius (R) of the circle containing the opening of the cells (17) at the surface of said anode. 6. Anode selon la revendication 5, caractérisée en ce que la profondeur (H) des alvéoles est comprise entre deux et vingt-cinq fois le rayon (R). 6. Anode according to claim 5, characterized in that the depth (H) of the cells is between two and twenty-five times the radius (R).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3982148A (en) * 1975-05-07 1976-09-21 Ultramet Heat radiating coating and method of manufacture thereof
DE2807561A1 (en) * 1978-02-22 1979-08-23 Siemens Ag Rotary anode for X=ray tube - has numerous holes acting as distributed black-body radiators cooling anode efficiently
GB2170951A (en) * 1984-06-08 1986-08-13 Maiya Feodosievna Boyarina Rotating anode for x-ray tube and x-ray tube with that anode

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