FR2879806A1 - Tube a rayons x a anode tournante a palier perfectionne et procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Pour permettre un remplissage propre d'une cavité (12) de lubrification d'un arbre (7) d'anode (4) tournante, on prévoit que la cavité comporte un canal (22) dont l'ouverture (24) débouche à l'extérieur de l'enceinte (2) d'un tube (1) à rayons X (9). On montre qu'en agissant ainsi, le remplissage est plus réussi, plus propre et aussi plus reproductible.

Description

Tube à rayons x à anode tournante à palier perfectionné et procédé de

fabrication La présente invention a pour objet un tube à rayons X à anode tournante à palier perfectionné et son procédé de fabrication. Elle est utilisable dans le domaine médical, en particulier en tomodensitométrie ou en mamographie, et aussi dans le domaine du contrôle non destructif lorsque des tubes à rayons X de grande puissance sont utilisés.

Dans le domaine de la radiologie par rayons X en particulier, de tels rayonnements X sont produits par un tube électronique muni d'une anode en rotation. Un puissant champ électrique créé entre la cathode et l'anode permet à des électrons émis par la cathode de frapper l'anode en générant des rayons X. Pour cette émission, la polarité positive est appliquée sur l'anode par son arbre, la polarité négative sur la cathode. L'isolation de l'ensemble est assurée notamment par des diélectriques ou par une enceinte du tube électronique qui peut être partiellement en verre.

Quand le tube est à grande puissance, l'impact des électrons sur l'anode a pour effet d'échauffer anormalement cette anode. Si la puissance est trop forte, la piste émettrice de l'anode peut être détériorée, creusée de trous d'impact. Pour éviter une telle surchauffe, on prévoit de faire tourner l'anode, de façon à présenter devant le flux des électrons une surface toujours renouvelée, toujours froide.

Un moteur du tube entraîne donc l'arbre de l'anode librement dans un palier mécanique. Ce palier est situé dans une chambre d'anode. La chambre d'anode est elle-même formée dans un support de l'anode. Le palier est maintenu d'une part par le support d'anode et maintient d'autre part l'arbre de l'anode.

En pratique, ce palier comporte industriellement des roulements à billes classiques, par opposition à des paliers magnétiques peu utilisés. Le problème présenté par les anodes tournantes provient de l'usure rapide du métal revêtant les billes lors de la rotation de l'arbre dans le palier. La durée de vie est alors d'une centaine d'heures environ, conduisant à une durée d'utilisation du tube de l'ordre de six mois à un an. Pour remédier à ce problème, il a été envisagé de revêtir les billes par du métal, du plomb ou de l'argent sous forme d'une couche fine. Pour réduire cette usure prématurée de la couche de métal, il est aussi connu de disposer à l'interface entre les surfaces des billes et l'arbre, entre le palier et l'arbre de l'anode, un film lubrifiant. Dans ce but, l'intérieur de la chambre est rempli d'un liquide à base de Gallium, Indium et Etain. Un tel liquide est choisi parce qu'il améliore le coefficient de friction, qu'il diminue le bruit des chocs entre les billes et qu'il augmente le transfert de la chaleur due à l'échauffement de l'arbre de l'anode vers la partie fixe, soit par convection soit par conduction. Les autres liquides lubrifiants ne sont pas retenus parce qu'ils ont de mauvaises propriétés de dégazage.

L'usage de l'alliage à base de Gallium Indium et Etain s'avère délicat. En effet, cet alliage, liquide à température ambiante (dès dix degrés Celsius), s'oxyde très rapidement au contact de l'air. Cet oxyde est solide et se présente sous la forme d'une pellicule superficielle au bout d'un temps très court, environ une à deux minutes. De ce fait, la manipulation industrielle d'un tel liquide n'est pas réellement envisageable. Cette pellicule n'a par ailleurs aucune qualité lubrifiante, au contraire. Le Gallium est par ailleurs très corrosif. Si on se livre à une manipulation de ce mélange, même en laboratoire, il arrive que des renversements ou des fuites ou trop pleins conduisent à des flaques ou des dépôts sur la paillasse de manipulation. Il est alors extrêmement difficile de faire disparaître ces flaques ou ces dépôts dans une salle blanche, ou a fortiori dans un système en fabrication (dans l'enceinte du tube). En effet, si on essuie les taches, elles réapparaissent dans les secondes suivantes en une autre tache brunâtre à l'endroit qui venait d'être nettoyé, mais qui ne l'a pas été complètement. L'allure des locaux n'est alors pas dans un état propice à un respect d'une fabrication de qualité.

Les difficultés sont donc de deux ordres: la manipulation de l'alliage lui-même dans le laboratoire ou l'usine, et son mode d'introduction sous vide dans le palier lors de la construction du tube.

De plus, la pureté de ce liquide, malgré sa contribution associée aux billes du palier pour sa lubrification peut se détériorer au fil du temps pour finalement, comme pour le revêtement des billes, cesser de bien apporter ses effets.

Or la puissance exigée par les tubes électroniques augmente pour améliorer le diagnostic. Cette augmentation de puissance conduit à augmenter le poids de l'anode, jusqu'à six à huit kilogrammes. Par conséquent, les effets au sein du palier deviennent critiques. En outre dans une utilisation dans un tomodensitomètre à rotation continue, à deux tours par seconde, le palier subit une accélération correspondant à environ huit fois l'attraction terrestre g. Il est attendu des vitesses de rotation de trois à quatre tours par seconde. En conséquence, la durée de vie du palier, et donc du tube, avec les billes et le liquide, peut être limitée dans le temps. En effet, le liquide peut perdre ses propriétés donc de ses qualités au fur et à mesure de l'échauffement et des frictions à l'intérieur du palier.

Dans l'invention, on s'est rendu compte que le problème provenait de la phase d'introduction du liquide lubrifiant au sein de la chambre. Pour résoudre alors ce problème, on a prévu un tuyau de remplissage partant de l'extérieur de l'enceinte et joignant un orifice de remplissage situé dans la chambre elle-même. En agissant ainsi, on prévoit que la chambre possédera une sortie vers l'extérieur de l'enceinte du tube, alors qu'auparavant, le support de l'anode était placé dans l'enceinte du tube, sans possibilité de déboucher sur l'extérieur. On peut alors y introduire le liquide lubrifiant dans de meilleures conditions.

Cette disposition conduit en outre à organiser la construction du tube différemment. Le tube est d'abord réalisé, avec une chambre débouchante comme ci-dessus. Puis le vide est fait dans le tube. Enfin le liquide est introduit dans la chambre par l'orifice débouchant. Dans l'état de la technique le remplissage de la chambre devait se faire, à air ambiant, avant réalisation du vide dans le tube.

En pratique, à l'extrémité de l'arbre de l'anode, par l'ouverture débouchante, on peut insérer le liquide après construction du tube et mise sous vide. On canalise ainsi mieux le flux du liquide et donc on évite les risques de pollution afférents.

Cette solution permet également, grâce à un queusotage réversible ou à une valve, de fermer l'accès et aussi la sortie du liquide dans la chambre. Cette solution permet donc de renouveler le liquide dès qu'il ne garantit plus suffisamment la lubrification des billes et du palier. De plus, le remplissage de la chambre par le mélange liquide Gallium Indium Etain se déroulant sous vide, cette solution présente comme intérêt d'assurer correctement, grâce à une pipe de remplissage et son orifice, le maintien sous vide de l'opération, et donc de limiter toute création éventuelle ou toute apparition de gaz. Notamment avec une bonbonne de remplissage, on peut faire en sorte qu'elle soit orientée vers le bas au moment du remplissage. Celui-ci se produit donc par gravité. De cette façon, des peaux oxydées, si elles doivent se produire à la surface du mélange liquide, restent confinées à la surface supérieure du liquide dans la bonbonne, et donc ne pénètrent pas dans la chambre au moment du remplissage.

Suite à ces remarques, il en découle naturellement que l'introduction du métal liquide pour la lubrification du palier peut se faire de préférence après le montage de la structure. Cette introduction ultérieure permet donc, lors des différents remplissages du nouvel alliage liquide, d'augmenter la durée de vie du tube à rayon X. L'invention a donc pour objet un tube à rayons X comportant une enceinte, dans l'enceinte un volume où sont produits des rayons X, une anode tournante avec un arbre, un support d'anode tournante, et un palier mécanique, ce palier mécanique maintenant l'arbre de l'anode dans le support, caractérisé en ce que le support comporte une chambre contenant le palier et isolant ce palier du volume de production des rayons X, cette chambre étant munie d'une ouverture refermable débouchant hors de l'enceinte, éventuellement via un canal foré.

Elle a également pour objet un procédé de montage d'un tube à rayons X comportant une enceinte, dans l'enceinte un volume où sont produits des rayons X, une anode tournante avec un arbre, un support d'anode tournante, et un palier mécanique, ce palier mécanique maintenant l'arbre de l'anode dans une chambre du support, caractérisé en ce qu'il comporte dans l'ordre les étapes suivantes - on construit le tube avec son anode et son support, - on fait le vide dans le tube, et ou - on fait le vide dans la chambre, puis on injecte un liquide dans la chambre dans une ambiance sous vide.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen de la figure qui l'accompagne. Celle-ci n'est présentée qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1 montre: - Figure 1 unique: la représentation d'un tube à rayons X selon l'invention.

Sur la figure 1, on a montré un tube 1 à rayons X. La représentation est schématique et se limite aux parties utiles à la compréhension de l'invention. Le tube 1 comporte une enceinte 2 entourée d'une paroi 3. La paroi 3 dans un exemple est en verre. Le tube 1 comporte également une anode tournante 4. L'anode tournante 4 est située en regard d'une cathode 5. Le tube 1 comporte en outre des dispositifs connus, dont un moteur 6 d'entraînement en rotation de l'anode 4. L'anode 4 comporte un arbre 7 d'anode. La cathode 5 est située en regard d'une piste 8 d'anode. Lorsque l'anode 4 est alimentée en haute tension, des électrons sont arrachés de la cathode 5 et, sous l'effet d'un puissant champ électrique, viennent frapper la piste 8 d'anode. Sous l'effet de cette percussion, la piste 8 d'anode constituée d'un matériau émissif de rayons X, émet un rayonnement X 9 qui sort du tube 1. Le tube 1 est monté en pratique dans un boîtier 28 délimité par une paroi 29. Une fenêtre 10, réalisée dans la paroi 29, par exemple en verre ou en un matériau transparent aux rayons X, laisse passer les rayons X. L'enceinte 2 ainsi formée est mise sous vide d'une manière conventionnelle, en particulier par un orifice, non représenté, d'aspiration obstrué par la suite par un queusotage.

Pour maintenir l'anode 4 en rotation, le tube 1 est muni d'un support 11 d'anode. Le moteur 6 est disposé en partie autour du support 11. Ce support 11 est creux et comporte une chambre 12. Dans la chambre 12, un palier 13 assure le maintien de l'anode 4 par le support 11. Dans un exemple, schématique, le palier 13 est formé d'une gorge 14 à profil en arc de cercle placée en périphérie de l'arbre 7, et d'une gorge 15 de profil correspondant et placée en correspondance dans une paroi 16 de la chambre 12. Un jeu de billes telles que 17 assure la continuité mécanique. Afin de garantir le parfait alignement de l'axe 18 de l'arbre 7 d'anode avec un axe correspondant de la chambre 12, on peut prévoir de placer un autre palier 19, décalé le long de l'axe 18 de l'endroit où est situé le palier 13. Ce palier 19 peut être formé également d'un roulement à bille 20 tel que le roulement 17. En variante, le roulement à bille 20, voire le roulement à billes 17, peuvent être remplacés par un patin 21 en glissement sans frottement sur l'arbre 7. Normalement, la chambre 12 est portée au vide, au moment de la mise sous vide de l'enceinte 2.

Pour résoudre les problèmes de frottement occasionnés par la rotation de l'anode 4, il était prévu de remplir la chambre 12 par un alliage liquide Gallium Indium Etain. La manipulation de ce liquide présentait des difficultés voire des impossibilités de telle façon que le taux de réussite était faible.

Dans l'invention, on peut construire le tube comme décrit ci- dessus et y faire le vide, avant de mettre en place l'alliage liquide de lubrification. Dans l'invention, on munit la paroi 3 de l'enceinte 2, à l'endroit du support 11, d'un orifice 22 débouchant, en particulier d'un orifice débouchant à l'air à l'extérieur de l'enceinte 2. Pour des raisons de commodité de fabrication, on prévoit qu'un orifice 23, ménagé dans la paroi 29 en regard de l'orifice 22, permette à la chambre 12 de déboucher à l'extérieur du boîtier 28. La solution présentée a l'avantage que l'orifice 23 sert pour le sertissage et le maintien au support 11 sur la paroi 29.

De préférence, l'orifice 22 est surmonté d'un tube excroissant 24 sur lequel peut venir s'empaler une valve d'une bonbonne. Ce prolongement 24 comporte une extrémité biseautée, ouverte ou fermée.

Bien entendu, l'orifice 22 et plus précisément le tube 24 sont obturés avant et après remplissage par un bouchon 25. Une des solutions de remplissage peut comporter l'enlèvement du bouchon 25 et l'écoulement du liquide lubrifiant dans la chambre 12. De préférence, cet écoulement se produira par gravité, le tube 24 étant orienté vers le haut, et une bonbonne de liquide étant disposée ou renversée au dessus de l'orifice 22. Dans ce cas, si l'étanchéité du palier 19 est suffisante, et si on est suffisamment rapide, on peut laisser couler le liquide pendant un temps calibré pour être sûr qu'il pénètre dans la chambre 12, et, au travers du palier 19 qu'il vienne s'appliquer contre le palier 13. L'alliage liquide s'écoule correctement et proprement au sein de la chambre et de ses paliers.

Pour éviter que le liquide lubrifiant ne pénètre dans le reste de l'enceinte 2, typiquement à proximité immédiate de l'anode 4 et de la cathode 5, on peut prévoir de réaliser à une sortie de la chambre 12 un joint 26 à très faible frottement assurant l'étanchéité notamment par effet de tension capillaire de l'alliage. Dans la pratique, l'orifice 22 est situé, dans le support, à l'opposé, sur l'arbre 7 d'anode, de la sortie de cet arbre 7, près du joint 26. La sortie de l'arbre 7 est liée à l'anode 4. Mais l'orifice 22 pourrait être situé à un autre endroit.

A ce stade il serait éventuellement possible d'utiliser un autre liquide à condition qu'il puisse comporter toutes les propriétés de lubrification, de conduction, et d'absence de dégazage nécessaires au bon fonctionnement du ou des paliers.

Pour le maintien du vide, on utilise par exemple un raccord en T. Un embout de ce raccord en T est relié à l'orifice 22. Deux autres embouts de ce raccord en T comportent chacun une arrivée, fermée et ouverte alternativement par un robinet. Les deux autres embouts sont reliés, l'un à une pompe à vide, et l'autre à une bonbonne de liquide lubrifiant. On peut également prolonger le tube 24, par exemple en verre, et le couper juste avant le remplissage. Par exemple, une butée d'un bouchon de bonbonne vient briser net ce prolongement.

Avec une bonbonne dont le volume est exactement adapté au volume à remplir, on peut aboutir à un remplissage correct. D'une part, on sait que le remplissage se termine au moment où la bonbonne se vide. Deuxièmement, l'enlèvement de la bonbonne à ce moment, et le bouchage de l'orifice 22, s'il n'est pas suffisamment rapide, ne donne naissance à des taches oxydées qu'à l'endroit du tube 24, c'est-à-dire pas directement dans la chambre 12. A l'issue du remplissage, on obture l'orifice d'injection 22 et on pose le bouchon 25.

La chambre 12 et les paliers 13 et 14 étant partiellement ou complètement remplis à saturation du mélange Gallium Indium Etain, ou de tout autre mélange disposant de propriétés équivalentes on enlève alors la bonbonne puis on referme le bouchon 25. Sans l'existence du bouchon 25, un prolongement du tube 24 au delà du boîtier 28 et de la paroi 29 peut faire l'objet d'un queusotage afin d'être obturé.

Les opérations de construction du tube 1 sont donc de préférence les suivantes. Le boîtier 28 et son enceinte 2 sont équipés avec l'anode 4 et son support 11, avec la cathode 5 et son support, et avec les différentes connexions électriques nécessaires, notamment celles utiles pour le moteur 6 d'entraînement de l'anode 4 si celui-ci est situé dans le boîtier 28. Puis le vide est fait dans l'enceinte 2, par aspiration par un orifice spécifique. Il peut aussi être fait dans la chambre 12 au travers du palier 13, voire du joint 26. A titre complémentaire ou subsidiaire, le vide peut être fait dans l'enceinte 12 par aspiration par l'orifice 22. Ce qui compte, si le liquide est un mélange Gallium Indium Etain, est que la chambre 12 ne contienne pas d'air au moment de l'injection. Puis le remplissage total ou partiel de la chambre 12 avec du liquide lubrifiant est effectué.

Le tube 1 peut alors fonctionner jusqu'au moment où le mélange présent dans la chambre 12 a perdu tout ou partie de ses propriétés. Ce moment peut être décelé par exemple par la perte des propriétés de conduction et de convection impliquant un échauffement important, ou par une dégradation de l'anode 4 et de sa piste 8, ou par une dégradation des propriétés de viscosité impliquant un bruit nettement plus important des roulements à billes.

Dans ce cas, le liquide lubrifiant peut nécessiter d'être remplacé. Dans ce cas, on procède à l'opération inverse avec l'ouverture du bouchon 25 puis de l'orifice 22, puis vidage, toujours sous vide, du mélange usagé. Ce vidage, cette éjection, est notamment réalisé par gravité, par écoulement de la chambre 12 par l'orifice 22 orienté vers le bas. Dans cette manipulation inverse, les éventuels risques de pollution de l'enceinte 2 du tube ou de la chambre 12 sont limités. Cette opération peut être réitérée à plusieurs reprises.

Dans un exemple, le bouchon 25 comporte un simple filetage pour être monté sur des filets complémentaires d'une cavité arrière 27. La cavité 27 est creusée dans le support 11 en regard de l'orifice 22. La cavité 27 contient l'éventuel tube 24. Dans cette solution, le support 11 est monté par le pourtour extérieur de la cavité 27, avec une soudure 30, sur le pourtour intérieur de la paroi 29.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 - Tube à rayons X comportant un boîtier (28), une enceinte (2), dans l'enceinte un volume où sont produits des rayons X (9), une anode (4) tournante avec un arbre (7), un support (11) d'anode tournante, et un palier (13) mécanique, ce palier mécanique maintenant l'arbre de l'anode dans le support, caractérisé en ce que le support comporte une chambre (12) contenant le palier (13) et isolant (26) ce palier (13) du volume de production des rayons X (9) cette chambre étant munie d'une ouverture (22) refermable débouchant hors de l'enceinte (2).

2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (12) contient un liquide.

3 - Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide est un alliage de métal, par exemple de Gallium Indium et Etain, ou par exemple à base de Gallium.

4 - Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ouverture (22) refermable est prolongée par un tube (24) excroissant.

- Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'orifice (22) est bouché par un queusotage.

6 - Tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur (6) pour faire tourner l'anode tournante, ce moteur étant disposé autour du support.

7- Procédé de fabrication d'un tube à rayons X comportant un boîtier (28) une enceinte (2), dans l'enceinte un volume où sont produits des rayons X (9), une anode (4) tournante avec un arbre (7), un support (11) d'anode tournante, et un palier (13) mécanique, ce palier mécanique maintenant l'arbre de l'anode dans une chambre (12) du support, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - on construit le tube avec son anode et son support, - on fait le vide dans le tube, et ou - on fait le vide dans la chambre, - puis on injecte un liquide dans la chambre dans une ambiance sous vide.

8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que - après avoir injecté, on obture une ouverture (22) d'injection.

9 - Procédé selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que on éjecte par cette même ouverture refermable, rouverte, toujours sous vide, du liquide usagé hors de la chambre (12), - puis on remplit à nouveau la chambre (12) avec un liquide neuf possédant toutes ses propriétés de lubrification.

- Procédé selon la revendication 9,caractérisé en ce que - on réitère à plusieurs reprises les cycles d'éjection- remplissage sous vide du liquide.