FR2675627A1 - Anodic assembly with grid for X-ray tube and tube thus obtained - Google Patents

Anodic assembly with grid for X-ray tube and tube thus obtained Download PDF

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Abstract

The invention relates to X-ray tubes and, more particularly, to an anode for such tubes which comprises a body coated with a material having a high atomic number and a means (21) for distributing the heat emitted by at least a part of the coated body over the entirety of the said body. This distributing means consists of a wall (21) arranged around the said body such that two are separated.

Description

ENSEMBLE ANODIQUE A GRILLE POUR TUBE A RAYONS X
ET TUBE AINSI OBTENU
La présente invention concerne un tube à rayons X.GRID ANODIC ASSEMBLY FOR X-RAY TUBE
AND TUBE THUS OBTAINED
The present invention relates to an X-ray tube.

Elle se rapporte plus particulièrement à un ensemble anodique à grille pour tube à rayons X.It relates more particularly to an anode assembly with a grid for an X-ray tube.

Les tubes à rayons X, pour diagnostic médical par exemple, sont généralement constitués (figures 1A et 1B) comme une diode, c'est-à-dire avec une cathode 11 et une anode 12 ou anti-cathode, ces deux électrodes étant enfermées dans une enveloppe 14 étanche au vide et qui permet de réaliser l'isolement électrique entre ces deux électrodes. La cathode 11 produit un faisceau d'électrons 13 et l'anode 12 reçoit ces électrons sur une petite surface qui constitue un foyer d'où sont émis les rayons X.The X-ray tubes, for medical diagnosis for example, are generally constituted (FIGS. 1A and 1B) like a diode, that is to say with a cathode 11 and an anode 12 or anti-cathode, these two electrodes being enclosed in a vacuum-tight envelope 14 which makes it possible to achieve electrical isolation between these two electrodes. The cathode 11 produces an electron beam 13 and the anode 12 receives these electrons over a small surface which constitutes a focal point from which the X-rays are emitted.

Quand la haute tension d'alimentation est appliquée par un générateur 15 aux bornes de la cathode 11 et de l'anode 12 de façon que la cathode soit au potentiel négatif -HT, un courant dit courant anodique s'établit dans le circuit au travers du générateur 15 produisant la haute tension d'alimentation; le courant anodique traverse l'espace entre la cathode et l'anode sous la forme du faisceau d'électrons 13 qui bombardent le foyer.When the high supply voltage is applied by a generator 15 to the terminals of the cathode 11 and the anode 12 so that the cathode is at the negative potential -HT, a current known as anodic current is established in the circuit through generator 15 producing the high supply voltage; the anode current crosses the space between the cathode and the anode in the form of the electron beam 13 which bombards the hearth.

Une faible proportion de l'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons 13 est transformée en rayons X, le reste de cette énergie étant transformé en chaleur.A small proportion of the energy expended in producing the electron beam 13 is transformed into X-rays, the rest of this energy being transformed into heat.

Aussi compte tenu également des puissances instantanées importantes mises en jeu (de l'ordre de 100 KW) et des petites dimensions du foyer (de l'ordre du millimètre) les constructeurs ont depuis longtemps réalisé des tubes à rayons X à anodes tournantes où l'anode est mise en rotation pour répartir le flux thermique sur une couronne appelée couronne focale, d'aire beaucoup plus grande que le foyer, l'intérêt étant d'autant plus grand que la vitesse de rotation est élevée (en général entre 3.000 et 12.000 tours par minute).Also taking into account the large instantaneous powers involved (of the order of 100 KW) and the small dimensions of the hearth (of the order of a millimeter), manufacturers have long produced X-ray tubes with rotating anodes where the the anode is rotated to distribute the heat flux over a ring called the focal ring, with a much larger area than the focal point, the advantage being all the greater when the speed of rotation is high (generally between 3,000 and 12,000 revolutions per minute).

L'anode tournante de type classique a la forme générale d'un disque ayant un axe de symétrie 16 autour duquel elle est mise en rotation à l'aide d'un moteur électrique 17; le moteur électrique a un stator 18 situé à l'extérieur de l'enveloppe 14 du tube à rayons X et disposé selon l'axe de symétrie 16, le rotor étant mécaniquement solidarisé à l'anode par l'intermédiaire d'un arbre support 20. La cathode 11 est portée par un bras 9.The rotary anode of the conventional type has the general shape of a disc having an axis of symmetry 16 around which it is rotated by means of an electric motor 17; the electric motor has a stator 18 located outside the envelope 14 of the X-ray tube and arranged along the axis of symmetry 16, the rotor being mechanically secured to the anode by means of a support shaft 20. The cathode 11 is carried by an arm 9.

Toutefois, la rotation de l'anode n'est pas suffisante pour permettre une évacuation suffisante de la chaleur.However, the rotation of the anode is not sufficient to allow sufficient heat dissipation.

En effet, la chaleur emmagasinée dans l'anode est transférée vers le milieu extérieur d'une part, par conduction du matériau constituant ltanode vers l'axe du rotor et le milieu extérieur et, d'autre part, par rayonnement de l'anode. Ce rayonnement est prqportionnel à la puissance quatrième de la température de surface de l'anode, à la surface de l'anode et à l'émissivité du matériau d'anode.In fact, the heat stored in the anode is transferred to the external medium on the one hand, by conduction of the material constituting the electrode towards the axis of the rotor and the external medium and, on the other hand, by radiation from the anode . This radiation is proportional to the fourth power of the surface temperature of the anode, to the surface of the anode and to the emissivity of the anode material.

Ainsi, entre le lieu de l'échauffement de l'anode correspondant à la réception du faisceau d'électrons et la zone extérieure de l'anode s'établit un gradient thermique pouvant provoquer une dilatation différente générant des fissures puis des ruptures dans le matériau réfractaire constituant l'anode. Ce phénomène se produit surtout quand le matériau de l'anode est fragile comme par exemple du graphite.Thus, between the place of heating of the anode corresponding to the reception of the electron beam and the external zone of the anode a thermal gradient is established which can cause a different expansion generating cracks then ruptures in the material refractory constituting the anode. This phenomenon occurs especially when the material of the anode is fragile such as for example graphite.

Pour éviter ou diminuer ce gradient de température, l'invention propose une anode pour tube à rayons X comprenant un corps revêtu d'un matériau ou d'un mélange de matériaux à numéro atomique élevé caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de répartition sur la totalité du corps d'anode revêtu de la chaleur rayonnée par au moins une partie du corps d'anode revêtu.To avoid or reduce this temperature gradient, the invention provides an anode for an X-ray tube comprising a body coated with a material or mixture of materials with a high atomic number, characterized in that it comprises a distribution means over the entire anode body coated with heat radiated by at least a portion of the coated anode body.

Ainsi, la chaleur émise par une partie chaude de l'anode est réfléchie vers une autre partie de l'anode plus froide, diminuant ainsi le gradient de température entre ces deux parties.Thus, the heat emitted by a hot part of the anode is reflected towards another part of the anode colder, thus decreasing the temperature gradient between these two parts.

Selon une caractéristique de l'invention, ce moyen de répartition est constitué par une paroi disposée autour de la surface de ladite anode, la paroi et la surface de l'anode n'étant pas adjacentes.According to a characteristic of the invention, this distribution means is constituted by a wall disposed around the surface of said anode, the wall and the surface of the anode not being adjacent.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la paroi a une faible épaisseur pour éviter qu'elle joue un rôle d'accumulateur de chaleur. Avantageusement, cette épaisseur est comprise entre 0,5 mm et 5 mm environ.According to a preferred embodiment of the invention, the wall has a small thickness to prevent it from playing a role of heat accumulator. Advantageously, this thickness is between 0.5 mm and 5 mm approximately.

Selon une caractéristique de l'invention, la paroi comprend plusieurs trous qui peuvent être de formes polygonale ou circulaire. Cette paroi a ainsi une forme de grille. Ces trous permettent d'évacuer une.partie de la chaleur émise.According to a characteristic of the invention, the wall comprises several holes which can be of polygonal or circular shape. This wall thus has a grid shape. These holes allow some of the emitted heat to be removed.

En outre, ces trous permettent d'obtenir un rapport optimum entre la surface réflective de la grille et la surface de l'anode. Ce rapport optimum est compris entre un quart et un demi de la surface du corps d'anode correspondante.In addition, these holes make it possible to obtain an optimum ratio between the reflective surface of the grid and the surface of the anode. This optimum ratio is between a quarter and a half of the surface of the corresponding anode body.

Par surface du corps d'anode, on entend la surface de révolution de l'anode tournante qui fait face à la grille.By surface of the anode body is meant the surface of revolution of the rotating anode which faces the grid.

La paroi conforme à l'invention est avantageusement formée en un matériau réfractaire, de préférence avec un coefficient de rayonnement de la chaleur élevé.The wall according to the invention is advantageously formed from a refractory material, preferably with a high heat radiation coefficient.

Comme matériau convenable pour l'invention, on peut citer à titre d'exemple, le graphite ou le molybdène noirci.As suitable material for the invention, there may be mentioned by way of example, blackened graphite or molybdenum.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi vient de la même matière que le corps d'anode, ou est fixée sur celui-ci, de manière solidaire en rotation.According to another characteristic of the invention, the wall comes from the same material as the anode body, or is fixed thereon, in rotationally integral manner.

Selon une autre variante de l'invention, la paroi de répartition de la chaleur est montée de manière fixe sur une partie immobile du tube.According to another variant of the invention, the heat distribution wall is fixedly mounted on an immobile part of the tube.

D'autres buts, avantages et détails de l'invention apparaîtront plus clairement au vu de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation de l'invention faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles - les figures 1A et 1B représentent schématiquement
un tube à rayons X comprenant une anode munie d'une
paroi--de répartition de la chaleur, - la figure 2 est une représentation en coupe et à
échelle agrandie de la partie II de la figure 1A, - la figure 3 est une représentation en coupe et à
échelle agrandie de la partie III de la figure 1B, - la figure 4 est une représentation schématique et
en coupe avec arrachement partiel d'une anode
tournante comprenant un moyen de répartition de la
chaleur conforme à l'invention, et - la figure 5 est une vue de détail illustrant un
mode de réalisation de la paroi de répartition de
la chaleur conforme à l'invention.Other objects, advantages and details of the invention will appear more clearly on reading the detailed description of several embodiments of the invention made with reference to the appended figures, in which - FIGS. 1A and 1B schematically represent
an X-ray tube comprising an anode provided with a
wall - heat distribution, - Figure 2 is a sectional view and
enlarged scale of part II of FIG. 1A, FIG. 3 is a representation in section and at
enlarged scale of part III of FIG. 1B, FIG. 4 is a schematic representation and
in section with partial tearing of an anode
rotating comprising a means of distributing the
heat according to the invention, and - Figure 5 is a detail view illustrating a
embodiment of the distribution wall of
heat according to the invention.

Comme décrit ci-dessus, les tubes à rayons X comprennent une anode 12 tournante montée sur un axe 20 entraîné en rotation par un moteur électrique 17.As described above, the X-ray tubes comprise a rotating anode 12 mounted on an axis 20 driven in rotation by an electric motor 17.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention et en se référant à la figure 1A, l'anode comprend un moyen 21 de répartition de la chaleur. Ce moyen 21 est constitué par une paroi enveloppant la couronne 12a de l'anode 12, tout en ménageant un intervalle entre ladite paroi et la couronne de l'anode.According to a first embodiment of the invention and with reference to FIG. 1A, the anode comprises means 21 for distributing the heat. This means 21 is constituted by a wall enveloping the crown 12a of the anode 12, while providing a gap between said wall and the crown of the anode.

Cette paroi 21 est, dans le mode de réalisation illustré à la figure 1A et à la figure 2, fixée sur la partie inférieure de l'anode par tout moyen convenable comme par exemple brasage, soudage, vissage, etc. Elle peut aussi être fixée à son extrémité supérieure pour plus de rigidité.This wall 21 is, in the embodiment illustrated in FIG. 1A and in FIG. 2, fixed to the lower part of the anode by any suitable means such as for example brazing, welding, screwing, etc. It can also be fixed at its upper end for more rigidity.

Comme illustré, la paroi 21 comprend une multitude de trous 22 formant ainsi une grille.As illustrated, the wall 21 includes a multitude of holes 22 thus forming a grid.

Dans le mode de réalisation illustré aux figures lB et 3, le moyen de répartition de la chaleur est constitué par une paroi 23 de forme conjuguée à la forme du disque formant l'anode 12 et présentant une partie cylindrique 24 permettant une fixation de la paroi 23 sur l'enveloppe 14 du tube, au niveau des paliers 25 de rotation montés sur l'axe 20 du moteur électrique 17.In the embodiment illustrated in FIGS. 1B and 3, the means for distributing the heat consists of a wall 23 of shape conjugate to the shape of the disc forming the anode 12 and having a cylindrical part 24 allowing the wall to be fixed. 23 on the casing 14 of the tube, at the level of the bearings 25 of rotation mounted on the axis 20 of the electric motor 17.

La figure 4 illustre également un autre mode de réalisation du moyen de répartition de la chaleur. Dans ce mode de réalisation, la paroi est constituée par une cuvette 26 dont le bord vertical vient en regard de la couronne de l'anode 12, le fond comprenant un orifice central permettant sa fixation sur l'axe 20. La paroi 26 comprend également des orifices 27 permettant une évacuation de la chaleur.Figure 4 also illustrates another embodiment of the heat distribution means. In this embodiment, the wall consists of a bowl 26, the vertical edge of which faces the crown of the anode 12, the bottom comprising a central orifice allowing it to be fixed on the axis 20. The wall 26 also includes orifices 27 allowing heat to be removed.

Enfin, le moyen de répartition de la chaleur est constitué, dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 5 par une paroi 28 venant de matière avec le corps de l'anode 12. Cette paroi 28 peut être formée, par exemple, par usinage.Finally, the heat distribution means consists, in another embodiment illustrated in FIG. 5, by a wall 28 made integrally with the body of the anode 12. This wall 28 can be formed, for example, by machining.

Ainsi, la paroi de répartition de chaleur peut être entraînée en rotation avec l'anode ou non solidaire en rotation, par exemple quand elle est fixée sur l'enveloppe 14 du tube. Thus, the heat distribution wall can be driven in rotation with the anode or not integral in rotation, for example when it is fixed on the casing 14 of the tube.

Claims (14)

REVENDICATIONS 1. Anode pour tube à rayons X comprenant un corps revêtu d'un matériau ou mélange de matériaux à numéro atomique élevé, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de répartition (21, 23, 26, 28) de la chaleur émise par au moins une partie du corps revêtu sur la totalité dudit corps.1. Anode for an X-ray tube comprising a body coated with a material or mixture of materials with a high atomic number, characterized in that it comprises a means of distribution (21, 23, 26, 28) of the heat emitted by at least a part of the body coated on the whole of said body. 2. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit moyen de répartition de la chaleur est constitué par une paroi (21, 23, 26, 28) disposée autour dudit corps revêtu de manière espacée par rapport à celui-ci.2. Anode according to claim 1, characterized in that said heat distribution means is constituted by a wall (21, 23, 26, 28) disposed around said coated body spaced apart therefrom. 3. Anode selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite paroi a une épaisseur comprise entre 0,5mm et 5mm.3. Anode according to claim 2, characterized in that said wall has a thickness between 0.5mm and 5mm. 4. Anode selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la paroi comprend des orifices (22, 27) pour former une grille.4. Anode according to one of claims 2 or 3, characterized in that the wall comprises orifices (22, 27) to form a grid. 5. Anode selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la paroi (21, 23, 26, 28) et le corps (12) revêtus sont axisymétriques.5. Anode according to one of claims 2 to 4, characterized in that the wall (21, 23, 26, 28) and the body (12) coated are axisymmetric. 6. Anode selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la surface pleine de la paroi est comprise entre un quart et un demi de la surface du corps revêtu.6. Anode according to one of the preceding claims characterized in that the solid surface of the wall is between a quarter and a half of the surface of the coated body. 7. Anode selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que ladite paroi (28) vient de matière avec le corps de l'anode.7. Anode according to one of claims 2 to 6, characterized in that said wall (28) comes integrally with the body of the anode. 8. Anode selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que ladite paroi (21, 26, 28) est fixée sur le corps de l'anode ou sur l'axe de rotation (20) supportant ledit corps (12).8. Anode according to one of claims 2 to 6, characterized in that said wall (21, 26, 28) is fixed to the body of the anode or to the axis of rotation (20) supporting said body (12 ). 9. Anode selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que ladite paroi est solidaire en rotation avec l'anode.9. Anode according to one of claims 2 to 8, characterized in that said wall is integral in rotation with the anode. 10. Anode selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que ladite paroi (23) est montée de manière fixe sur la paroi du tube.10. Anode according to one of claims 2 to 6, characterized in that said wall (23) is fixedly mounted on the wall of the tube. 11. Anode selon l'une des revendiations 1 à 10, caractérisée en ce que ledit moyen de répartition est formé en un matériau réfractaire.11. Anode according to one of claims 1 to 10, characterized in that said distribution means is formed of a refractory material. 12. Anode selon la revendication 11, caractérisée en ce que le matériau réfractaire a un coefficient de rayonnement de la chaleur élevé.12. Anode according to claim 11, characterized in that the refractory material has a high heat radiation coefficient. 13. Anode selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le matériau réfractaire est du graphite ou du molybdène noirci.13. Anode according to claim 11 or 12, characterized in that the refractory material is graphite or blackened molybdenum. 14. Tube à rayons X comprenant une anode selon l'une des revendications 1 à 13. 14. X-ray tube comprising an anode according to one of claims 1 to 13.
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