FR2925760A1 - Refroidissement d'un tube generateur de rayons x - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le refroidissement d'un tube générateur de rayons X. Un tube comprend principalement une enceinte à vide (10) comportant un bloc cathode (11) porté par un isolateur (20) et générant un faisceau d'électrons (15) venant percuter une cible (14) appartenant à un bloc anode (12). A ce jour, seul le bloc anode (12) est refroidi et rien n'est prévu pour le refroidissement du bloc cathode (11). Selon l'invention il est prévu une collerette (30) fixée sur une extrémité (22) de l'isolateur (20) extérieure au tube et permettant le refroidissement du bloc cathode (11). Avantageusement, on utilise un circuit hydraulique véhiculant un fluide frigorifique prévu pour refroidir le bloc anode (12) pour refroidir la collerette (30) en la traversant.

Description

Refroidissement d'un tube générateur de rayons X L'invention concerne le refroidissement d'un tube générateur de rayons X. Un tube comprend principalement une enceinte à vide comportant à une de ces extrémités un bloc cathode porté par un isolateur et à l'autre extrémité un bloc anode. En regard du bloc cathode, le bloc anode comprend un ensemble porte-cible comportant une surface plane métallique dite cible. Un faisceau d'électrons issus de la cathode est accéléré sous l'action de très hautes tensions électriques supérieures à 10 kVolts et vient percuter la cible dans une zone de focalisation où les électrons perdent leur énergie cinétique. Il s'ensuit un dégagement de chaleur important et une émission de rayons X. Le rayonnement X traverse la paroi du bloc anode à des endroits privilégiés appelés fenêtres. Le dégagement de chaleur provoque un échauffement localisé très intense au niveau de la cible. Dans le cas de tubes fonctionnant à forte puissance, l'élévation de la température de la cible est telle qu'elle pourrait conduire à la destruction de la cible par fusion. La puissance thermique dissipée au niveau du bloc anode peut dépasser 4 kW. Aussi, dans ce cas, le dégagement de chaleur est évacué par un circuit hydraulique de refroidissement passant dans le porte-cible au voisinage de la cible. Le fluide utilisé dans le circuit de refroidissement est par exemple de l'huile ou de l'eau. Le bloc cathode comporte des filaments permettant l'émission du faisceau d'électrons. Ces filaments sont portés à haute tension et le courant qui les traverse permet le chauffage des filaments à une température pouvant dépasser 2000°C. Les filaments forment donc une source de chaleur interne au tube. Par ailleurs, l'isolation électrique du bloc cathode est assurée par un isolateur généralement réalisé en céramique. L'alimentation en haute tension et en courant de chauffage des filaments est réalisée par un câble coaxial haute tension inséré dans l'isolateur. Il est important d'assurer un bon contact entre l'isolant du câble et l'isolateur pour éviter tout risque d'arc électrique qui endommageraient le câble et l'isolateur. A cet effet, la surface de contact du câble sur l'isolateur est enduite d'une graisse, par exemple à base de silicone, qui permet d'assurer un bon contact électrique entre l'isolant du câble et l'isolateur.

Lorsque que le tube à rayons X est en fonctionnement normal, c'est à dire à chaud (filaments alimentés électriquement) pour produire le faisceau d'électrons, un flux thermique s'établit à partir de la source chaude que constituent les filaments, vers l'isolateur et le câble d'alimentation haute tension. D'autres sources chaudes, telles que le bloc anode, peuvent également réchauffer l'isolateur et le câble d'alimentation notamment par rayonnement à l'intérieur de l'enceinte à vide. Jusqu'à présent, contrairement au refroidissement du bloc anode, le refroidissement de l'isolateur et du câble était essentiellement assuré par convection naturelle au contact de l'air entourant ces éléments. L'évacuation de chaleur étant limitée, l'isolateur et le câble haute tension montent en température. Les conséquences directes de cet échauffement sont des risques importants de dégradation des propriétés des matériaux de l'isolateur et du câble avec : • perte de la tenue haute tension de l'isolateur et risque de destruction par claquages électriques entre l'intérieur du tube à rayons X et le câble haute tension à travers l'isolateur ; • dégradation de l'isolant du câble haute tension, par exemple réalisé en silicone et dont la température d'utilisation et de garantie est limitée ; • perte de contact entre le câble et l'isolateur par la graisse qui assure l'interface, et risques de claquages électriques à cet interface amenant à la destruction du câble et de la céramique et du tube à rayons X. En effet, lorsque la température de la graisse augmente, celle ci tend à se liquéfier et à faciliter la création de bulles d'air à l'interface entre l'isolateur et le câble.

L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en améliorant de façon simple le refroidissement de l'isolateur.

A cet effet, l'invention a pour objet un tube générateur de rayon X comprenant un bloc cathode émettant un faisceau électronique en direction d'un bloc anode comportant une cible émettant un rayonnement X lorsqu'elle est soumise au faisceau électronique, un isolateur portant à une première de ses extrémités le bloc cathode, une seconde des extrémités de l'isolateur étant fixée à une enceinte à vide du tube, caractérisé en ce que le tube comprend en outre une collerette fixée à la seconde extrémité de l'isolateur et permettant de refroidir l'isolateur. Avantageusement, on utilise un circuit hydraulique véhiculant un fluide frigorifique prévu pour refroidir le bloc anode pour refroidir la collerette 5 en la traversant. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : 10 la figure 1 représente une vue en coupe d'un tube générateur de rayons X selon l'invention ; la figure 2a représente plus en détail le raccordement à un circuit hydraulique de refroidissement d'une collerette montée sur un isolateur portant un bloc anode du tube ; 15 la figure 2b représente la collerette seule. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La figure 1 représente un tube générateur de rayons X 20 comprenant une enceinte à vide 10. A l'intérieur de l'enceinte à vide 10, le tube comporte à une de ces extrémités un bloc cathode 11 et à l'autre extrémité un bloc anode 12. Le bloc anode 12 comprend un ensemble porte-cible 13 comportant une surface plane métallique dite cible 14 disposée en regard du bloc cathode 11. Un faisceau d'électrons 15 issus du bloc cathode 25 11 est accéléré sous l'action de très hautes tensions électriques appliquées entre le bloc cathode 11 et le bloc anode 12. Le faisceau d'électrons 15 vient percuter la cible 14 dans une zone de focalisation 10 où les électrons perdent leur énergie cinétique. II s'ensuit une émission 16 de rayons X (symbolisée par des flèches sur la figure 1). Le rayonnement X traverse la 30 paroi du bloc anode 12 par une fenêtre 17. Un circuit de refroidissement 18 passant dans le porte-cible 13 au voisinage immédiat de la cible 14 permet l'évacuation de la chaleur générée lors de l'émission 16 de rayons X. Le tube générateur de rayons X s'étend selon un axe 19 selon lequel se déplace le faisceau d'électron 15.

Le tube comporte un isolateur 20 portant le bloc cathode 11 et assurant son isolation électrique. L'isolateur 20 est par exemple réalisé en céramique. L'isolateur 20 est de forme conique s'étendant le long de l'axe 19. Une première extrémité 21 de l'isolateur 20, extrémité la plus proche du sommet du cône selon lequel l'isolateur 20 se développe, porte le bloc cathode 11. Une seconde extrémité 22 de l'isolateur 20, opposée à l'extrémité 21 est fixée sur un couvercle 23 fermant l'enceinte à vide 10 par l'intermédiaire d'un collet 24. Le collet 24 est réalisé en tôle fine permettant sa déformation afin de permettre l'absorption de dilatations thermiques différentielles entre le couvercle 23 et l'enceinte 10 d'une part et l'isolateur 20 d'autre part. Du fait de sa faible épaisseur, le collet 24 limite le transfert thermique entre l'isolateur 20 et le couvercle 23. Le tube comporte de plus une enveloppe extérieure 25 réalisée dans un matériau opaque au rayonnement X. L'enveloppe 25 est ouverte en regard de la fenêtre 17 afin de permettre le passage du rayonnement X pour son utilisation. Au niveau de la seconde extrémité 22, l'enveloppe extérieure 25 est fermée au moyen d'une bride 26. L'isolateur 20 comprend une cavité interne 27 conique non soumise au vide et s'ouvrant sur l'extérieur du tube le long de l'axe 19. La cavité 27 permet l'insertion d'un câble coaxial, non représenté sur la figure et assurant l'alimentation en haute tension du bloc cathode 11. L'extrémité du câble, de forme conique et adaptée à la forme de la cavité 27, est mise en pression dans la cavité 27. L'isolant du câble peut être choisi en silicone pour sa souplesse. L'interface entre l'isolant du câble et l'isolateur 20 est par exemple enduit de graisse pour assurer un bon contact entre ces éléments. Selon l'invention, le tube comprend une collerette 30 fixée à la seconde extrémité 22 de l'isolateur 20 et permettant de refroidir l'isolateur 20. La collerette 30 est massive et son interface avec l'isolateur 20 permet d'assurer une bonne conduction de chaleur entre l'isolateur 20 et la collerette 30. La collerette 30 est par exemple réalisée en alliage de cuivre ce qui permet une bonne conduction de la chaleur à l'intérieur de la collerette 30. Avantageusement, l'isolateur 20 s'étend à l'extérieur de l'enceinte 10 au-delà du collet 24 pour former une partie tubulaire 31 s'étendant autour de l'axe 19. La collerette 30 enserre la partie tubulaire 31.

Pour améliorer le contact thermique entre l'isolateur 20 et la collerette 30 on peut métalliser la partie tubulaire 31 au niveau de sa surface de contact avec la collerette 30. On peut assurer le serrage de la collerette 30 sur l'isolateur 20 de façon mécanique par exemple au moyen de vis. Pour pallier d'éventuels défauts de surface à l'interface entre l'isolateur 20 et la collerette 30, le tube peut comprendre un feuillard disposé entre la collerette 30 et la partie tubulaire 31. Le feuillard est par exemple réalisé dans une fine bande d'un matériau métallique ductile afin de permettre son écrasement lors du serrage de la collerette 30 pour combler les défauts des deux surfaces en contact et ainsi améliorer le transfert thermique entre l'isolateur 20 et la collerette 30.

La figure 2a représente partiellement l'extrémité du tube au niveau de la collerette 30. Pour une meilleure visibilité, ni l'enveloppe extérieure 25 ni la bride 26 n'ont été représentées. La collerette 30 peut former un radiateur évacuant la chaleur reçue de l'isolateur 20 par convection dans l'air l'entourant. Mais avantageusement, la collerette 30 comprend au moins un canal interne destiné à ce qu'un fluide de refroidissement y circule. Ce canal peut s'étendre dans la collerette 30 autour de l'axe 19 ce qui assure un très bon refroidissement de la collerette 30. On peut par exemple réaliser la collerette 30 en deux parties, l'une dans laquelle le canal est creusé et l'autre fermant ce canal. On doit également prévoir des moyens d'étanchéité entre ces deux parties de la collerette 30. Néanmoins, le canal peut traverser la collerette 30 de façon rectiligne. C'est cette disposition qui est représentée sur la figure 2a où deux canaux 35 et 36 traversent la collerette 30 parallèlement à l'axe 19.

La figure 2b représente un exemple de réalisation de la collerette 30 isolée et vue dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 2a. La collerette 30 a, dans cet exemple, la forme de la lettre grecque Q. Autrement dit, la collerette 30 comprend une partie annulaire 40 centrée autour de l'axe 19. La partie annulaire 40 est ouverte et comporte ainsi deux extrémités 41 et 42 prolongée chacune par une oreille, respectivement 43 et 44. Le diamètre intérieur de la partie annulaire 40 est réalisé de façon à assurer un jeu faible lors du montage de la collerette 30 sur la partie tubulaire 31 et à permettre l'annulation de ce jeu en resserrant les deux oreilles 43 et 44 l'une vers l'autre de façon à enserrer la partie tubulaire 31. Pour resserrer les deux oreilles, la collerette 30 comporte par exemple un trou 45 traversant les deux oreilles 43 et 44 perpendiculairement à l'axe 19. Le trou 45 est taraudé dans l'oreille 43 et lisse dans l'oreille 44 de façon à ce qu'une vis puisse rapprocher les deux oreilles 43 et 44. Les deux canaux 35 et 36 traversent la collerette 30 chacun dans une oreille, respectivement 43 et 44 de façon rectiligne. Il est ainsi aisé de réaliser une collerette 30 monobloc et de percer la collerette 30 pour faire passer les canaux 35 et 36. On a vu précédemment que le bloc anode 12 dégageait beaucoup plus de chaleur que le bloc cathode 11. Il est donc nécessaire de refroidir le bloc anode 12 et ce refroidissement se fait par exemple par le circuit de refroidissement 18 passant dans le porte-cible 13. Pour assurer le refroidissement du bloc cathode 11, on peut faire passer des canaux d'alimentation en fluide de refroidissement du bloc anode 12 par la collerette 30 pour assurer son refroidissement. Autrement dit, le bloc anode 11 est refroidi par le fluide de refroidissement circulant dans le ou les canaux internes de la collerette 30, en l'occurrence 35 et 36. On prévoit un raccord hydraulique, respectivement 46 et 47, pour raccorder chaque canal 35 et 36 à un dispositif, externe au tube, assurant la circulation et le refroidissement du fluide par exemple dans un échangeur. Ce dispositif doit déjà être prévu pour assurer le refroidissement du bloc anode 12. Sur la figure 1, seule une des oreilles 43 de la collerette 30 est visible. Le raccord 46 formant l'extrémité du canal 35 traversant l'oreille 43 est masqué par un bouchon 48 permettant d'éviter que des particules ne pénètrent dans le circuit hydraulique avant sa mise en service. Cette réalisation est particulièrement simple à mettre en oeuvre. Lors de la mise place du tube en vue de son fonctionnement, au lieu de raccorder le dispositif délivrant le fluide frigorifique directement au bloc anode 12, on le raccorde aux raccords 46 et 47 équipant la collerette 40.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Tube générateur de rayon X comprenant un bloc cathode (Il) émettant un faisceau électronique (15) en direction d'un bloc anode (12) comportant une cible (14) émettant un rayonnement X lorsqu'elle est soumise au faisceau électronique (15), un isolateur (20) portant à une première (21) de ses extrémités le bloc cathode (11), une seconde (22) des extrémités de l'isolateur (20) étant fixée à une enceinte à vide (10) du tube, caractérisé en ce que le tube comprend en outre une collerette (30) fixée à la seconde extrémité (22) de l'isolateur (20) et permettant de refroidir l'isolateur (20).

2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolateur (20) est de révolution autour d'un axe (19), en ce que la seconde extrémité (22) de l'isolateur (20) comprend une partie tubulaire (31) s'étendant autour de l'axe (19) à l'extérieur de l'enceinte à vide (10) du tube et en ce que la collerette (30) enserre la partie tubulaire (31).

3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie tubulaire (31) est métallisée au niveau de sa surface de contact avec la collerette (30).

4. Tube selon l'une quelconques des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un feuillard disposé entre la collerette (30) et la partie tubulaire (31). 25

5. Tube selon l'une quelconques des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la collerette (30) a la forme de la lettre grecque Q, et en que le tube comprend des moyens pour resserrer des extrémités (43, 44) de la forme en S2 de façon à enserrer la partie tubulaire (31). 30

6. Tube selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la collerette (30) comprend au moins un canal interne (35, 36) destiné à ce qu'un fluide de refroidissement y circule.20

7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que le canal (35, 36) traverse la collerette (30) de façon rectiligne.

8. Tube selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que le 5 canal (35, 36) traverse la collerette (30) au niveau des extrémités (43, 44) de la forme en S2.

9. Tube selon l'une quelconques des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le bloc anode (12) est refroidi par le fluide de ~o refroidissement circulant dans le canal (35, 36) de la collerette (30).