FR2933231A1 - Support pour une cible tournante - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un support pour une cible tournante ayant sensiblement la forme d'un disque, perforé en son centre. Le support est constitué d'un matériau qui est un superalliage à durcissement structural à base de nickel. Le support a la forme d'un disque muni d'une zone d'épaisseur moindre à sa périphérie, la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant séparées par une zone de décrochement de pente comprise entre 3 et 10° et le rapport d'épaisseur entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant compris entre 1,5 et 3. Le superalliage est un inconel ayant subit un traitement de durcissement structural après usinage. Au moins une des faces du support est revêtue d'un revêtement émissif qui sert à évacuer les calories par rayonnement thermique.

Description

1 Support pour une cible tournante La présente invention se rapporte à un support pour une cible tournante, telle qu'une anode tournante permettant de générer un faisceau de rayons X. Ces anodes 5 sont notamment utilisées dans les sources de rayons X de très haute brillance. Une source de rayonnement X comprend habituellement une enceinte sous vide, limitée par une paroi étanche, 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, qui reçoit sur sa 10 périphérie le flux d'électrons provenant de la cathode, et émet ainsi des rayons X qui sont dirigés vers une sortie. Un tel dispositif est par exemple décrit dans le document EP-1 804 271 dans lequel l'anode tournante est implantée sur le même arbre que la pompe à vide turbomoléculaire. 15 Les rayons X sont générés lors de l'interaction d'un faisceau d'électrons avec une cible. Une faible partie de l'énergie des électrons est transformée en rayons X, la plus grande partie étant absorbée par le matériau de la cible et transférée à son support. Dans le cadre d'une source à très haute brillance, l'énergie du faisceau et la densité d'énergie au niveau du spot électronique sont très élevées. Il est donc nécessaire de 20 faire tourner la cible à une vitesse de rotation très élevée (typiquement supérieure à 25000 rpm) pour diminuer le temps d'exposition et limiter l'élévation de température au niveau de la zone d"impact du spot électronique, et ainsi éviter la fusion ou la sublimation du matériau constituant la cible. Les contraintes mécaniques dues à la vitesse de rotation et au gradient thermique sont donc fortes (supérieur à 400 MPa), 25 l'apport d'énergie est important (généralement supérieur à 200 W) et la température moyenne du support de la cible est élevée (souvent supérieure à 300°C). Les anodes utilisées dans les sources de rayons X comporte la cible et son support qui est habituellement en cuivre ou en graphite. Or ces matériaux ne supportent pas les contraintes mécaniques engendrées par le travail à grande vitesse de rotation et 30 à haute température, ce qui entraîne le fluage du support c'est à dire la déformation irréversible progressive de la pièce métallique soumise à une contrainte constante. La vitesse de fluage augmente lorsque la température du matériau augmente. De manière à permettre une durée de vie suffisante du dispositif, le fluage du support de la cible tournante doit rester en dessous de la limite de rupture du matériau du support. Par ailleurs le support doit présenter une conductivité électrique permettant le transfert de charge électrique (supérieur à 5 mA, 50 keV) pour évacuer les électrons qui bombardent la cible tournante. On a proposé de lutter contre le fluage thermique par un procédé de fabrication en plusieurs étapes d'un alliage durci par dispersion. Le procédé décrit permet de conférer à l'alliage les propriétés mécaniques recherchées. Cet alliage peut notamment être utilisé pour réaliser des anodes tournantes pour les sources de rayons X. Ce procédé est complexe et implique un grand nombre d'étapes successives, alternant différents processus de refonte à des températures qui, au moins pendant une partie du traitement de recuit, sont inférieures aux températures de recristallisation de l'alliage. Cependant l'utilisation d'un tel matériau ne suffit pas à résoudre le problème du fluage des anodes tournantes. Pour améliorer les performances d'utilisation de la source de rayons X de très grande brillance, on souhaite appliquer le faisceau électronique de manière continuelle sur la cible, contrairement aux dispositifs classiques où le faisceau est appliqué de manière pulsée. La température que devra supporter le support de la cible, sera donc considérablement plus élevée que dans les dispositifs de l'art antérieur, et le fluage accru d'autant. La présente invention a pour but de proposer un support pour une cible tournante dont les caractéristiques de fluage sont adaptées aux conditions de travail d'un dispositif pour l'émission d'un rayonnement X à très haute brillance. L'objet de la présente invention est un support pour une cible tournante ayant sensiblement la forme d'un disque perforé en son centre. Selon l'invention, le support est d'une part constitué d'un matériau qui est un superalliage à durcissement structural à base de nickel, et d'autre part il a la forme d'un disque muni d'une zone d'épaisseur moindre à sa périphérie, la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant séparées par une zone de décrochement de pente comprise entre 3 et 10° et le rapport d'épaisseur entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant compris entre 1,5 et 3. La pente de la zone de décrochement est par exemple de l'ordre de 4,6° et le rapport d'épaisseur entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central est par exemple de l'ordre de 1,7. La forme du support est aussi optimisée de manière à limiter la masse en rotation, ce qui limite l'énergie d'entrainement. De ce fait l'anode tournante peut être installée sur l'arbre d'une pompe turbo-moléculaire classique, sans avoir à modifier la conception de la pompe. En minimisant les contraintes mécaniques lors de la rotation de l'anode, cette forme amincie permet d'améliorer la stabilité de l'anode tournante et autorise la réduction de la hauteur du rotor et donc l'augmentation de la compacité du système complet. Le support présente une surépaisseur autour de son orifice central de plusieurs millimètres par rapport à l'épaisseur moyenne au voisinage de la périphérie du disque.

De préférence l'épaisseur moyenne du support dans la zone mince périphérique est inférieure à 10 mm. Selon un mode de réalisation, le rapport entre le diamètre extérieur de la zone épaisse entourant l'orifice central et le diamètre intérieur du disque perforé est compris entre 1,2 et 2, et par exemple de l'ordre de 1,4.

Le support présente une zone intermédiaire entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central. Dans cette zone, désignée ci-après par zone de décrochement, l'épaisseur du disque passe de la valeur de l'épaisseur dans la zone épaisse à la valeur de l'épaisseur dans la zone mince périphérique selon une pente déterminée. De préférence le diamètre extérieur de la zone de décrochement est au plus égal à 90mm. Le diamètre intérieur du support est conditionné par les moyens de fixation de l'anode tournante sur l'arbre du rotor. Le diamètre extérieur du support est choisi de manière à tenir compte de la vitesse linéaire au niveau du spot électronique, du niveau des contraintes mécaniques imposées par sa vitesse de rotation et sa température de fonctionnement et de l'évacuation thermique par rayonnement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le diamètre extérieur du support est choisi de telle sorte que le rapport D/d entre le diamètre extérieur D et le diamètre intérieur d du disque perforé est compris entre 2,5 et 5, par exemple de l'ordre de 3,3. Le diamètre intérieur du support est de préférence compris entre 40 et 80mm, et par exemple de l'ordre de 50mm. Le diamètre extérieur du support est de préférence inférieur à 200 mm, par exemple de l'ordre de 150mm. De préférence le matériau du support est un matériau connu sous la marque INCONEL , c'est à dire un superalliage comprenant principalement du nickel (Ni) mais aussi plusieurs autres métaux, notamment le chrome (Cr), le magnésium (Mg), le fer (Fe) et le titane (Ti).

Un premier usinage de l'anode est effectué sur le matériau à l'état recuit de mise en solution, c'est à dire un alliage ayant subi un traitement thermique dont le but est la mise et le maintien en solution de certains constituants de l'alliage (phases, précipités). La pièce usinée est alors soumise à un traitement de recuit, appelé aussi vieillissement. Le recuit se fait après un traitement mécanique afin de rendre plus homogène le matériau et d'augmenter sa dureté. On chauffe jusqu'à austénitisation totale de la pièce, puis on la laisse refroidir lentement, ce qui lui fait retrouver ses anciennes propriétés. Ce traitement permet également de relaxer les contraintes induites par le premier usinage de la matière. Toutefois, ce traitement de durcissement entrainant un rétrécissement des pièces, il est nécessaire de procéder à un nouvel usinage après le vieillissement. Ce traitement dit de durcissement structural a pour but la création de précipités dans la matrice. Lors du fonctionnement de l'anode, ces précipités vont gêner les mouvements des dislocations et donc empêcher la déformation de l'anode par fluage.

Selon un mode de réalisation, la cible est constituée d'un revêtement à base de cuivre (Cu), molybdène (Mo) et/ou tungstène (W), déposé sur le rebord périphérique d'au moins une face du support. Le revêtement est déposé de préférence sur le rebord de chacune des deux faces du support. Le revêtement n'est pas forcément le même sur chacune des faces. La cible et son support étant réversibles, cela permet différentes combinaison.de cibles : Cu-Cu, Cu-Mo, Mo-W, etc... Selon une variante de réalisation, au moins une face du support est revêtue d'un revêtement émissif (corps noir), en aluminate titanate par exemple, qui sert à évacuer les calories par rayonnement thermique. Le revêtement recouvre de préférence toute la surface disponible afin de maximiser l'échange thermique. L'invention, a encore pour objet une anode tournante comportant une cible portée par un support, qui a sensiblement la forme d'un disque perforé en son centre, constitué d'un matériau qui est un superalliage à durcissement structural à base de nickel, et muni d'une zone d'épaisseur moindre à sa périphérie, la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant séparées par une zone de décrochement de pente comprise entre 3 et 10°, et le rapport d'épaisseur entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant compris entre 1,5 et 3. La combinaison d'un matériau adapté, de l'utilisation d'un revêtement émissif et d'une forme optimisée confère au support selon la présente invention de nombreux avantages. En particulier cette invention a comme avantage d'offrir une solution compacte pour la génération de faisceau de rayons X de très grande brillance. En particulier pour des machines de mesure en microélectronique, la possibilité d'appliquer de manière continue le faisceau électronique permet d'augmenter le rendement de la machine de mesure d'un coefficient 5, mais aussi de faire des analyses directement sur des plaques de production de circuits intégrés grâce à un faisceau de petites dimensions (typiquement 30 pm x 30 pm).

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente une anode tournante, comprenant un support portant une cible tournante, reliée à un arbre de rotation selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2a est une vue en coupe du support de la figure 1, - la figure 2b est une vue en perspective de l'anode tournante de la figure 1. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, la source de rayonnement X comporte une enceinte sous vide, dans laquelle est disposée une anode tournante 1 qui comporte à sa périphérie une cible 2 recevant le flux d'électrons provenant d'une cathode, également placée dans l'enceinte, et émettant des rayons X qui sont dirigés vers une sortie. La cible 2 est portée par un support 3 possédant un profil particulier. Il s'agit d'un disque mince possédant un orifice en son centre pour laisser passer l'axe de rotation. Dans le cas présent, l'anode tournante 1 est entrainée en rotation par l'arbre 4 du rotor de la pompe turbomoléculaire à laquelle elle est associée. L'anode tournante 1 est reliée à l'arbre 4 par une pièce de maintien 5 dont elle est séparée par une pièce isolante 6 thermiquement. La fixation de l'ensemble est réalisée au moyen d'une pièce de serrage 7. On considérera maintenant la figure 2a qui représente le support tournant 3 en coupe. Le support 3 est un disque portant un orifice circulaire 20 en son centre. Le diamètre intérieur d du support est par exemple de 45 mm, et son diamètre extérieur D est par exemple de 148 mm, soit un rapport D/d de 3,23. Le support 3 présente une zone de plus forte épaisseur 21 à proximité de l'orifice central, par exemple ayant une épaisseur E de 5 mm,. Cette zone 21 a un diamètre A qui est par exemple de 65 mm, soit un rapport Nd de 1,44 dans le cas présent. A sa périphérie, le support comporte une zone de moindre épaisseur 22, par exemple ayant une épaisseur e de 2 mm.

Entre la zone plus épaisse 21 et la zone moins épaisse 22 se trouve une zone de transition 23 qui présente un décrochement d'épaisseur entre son diamètre intérieur A et son diamètre extérieur B. Le diamètre intérieur A est par exemple de 65 mm, et le diamètre extérieur B est par exemple de 90 mm, soit une pente de 6,8° pour le décrochement représenté.

Bien entendu, selon des variantes de réalisation, les zones décrites précédemment peuvent aussi bien être divisées en sous-zones de caractéristiques dimensionnelles légèrement différentes tout en restant dans le cadre de la présente invention. Le support 3 est constitué d'un superalliage à base de nickel, de préférence du type inconel, qui a des limites de fluage adaptées aux conditions de travail de l'anode tournante. La figure 2b représente en perspective l'anode tournante 1. L'énergie apportée sur la cible est supérieure à 200 Watt, et l'énergie atteignant l'arbre de rotation doit être inférieure à 50 Watt de manière à ne pas échauffer la turbine de la pompe (maximum 130°C). Cette différence d'énergie doit donc être évacuée avant d'atteindre l'arbre. C'est un revêtement 24 en aluminate titanate déposé de part et d'autre du support 3, sur chacune de ses faces, qui permet le refroidissement par rayonnement et une meilleure évacuation des Watts. Ce revêtement 24 de couleur noire recouvre la surface en partant de l'orifice central 20 du support 3 et jusqu'à une distance supérieure à 3 mm du bord extérieur du support 3. La cible 2 qui génère les rayons X est un revêtement en couche épaisse déposé sur le rebord externe du support 3. Le revêtement peut avoir comme constituant principal par exemple le cuivre Cu, le molybdène Mo et/ ou le tungstène W. La cible 2 et son support 3 sont conçus de manière à être réversibles. Le dépôt du revêtement de la cible 2 est fait de préférence sur les deux faces du support 3. On peut ainsi envisager différentes combinaisons dans la nature du revêtement constituant la cible 2. En outre, afin de ne pas augmenter la dimension du faisceau de rayons X, la cible 2 est polie et sa planéité est rectifiée au micron avant l'installation de l'anode tournante 1 sur l'arbre 4 de la pompe.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Support pour une cible tournante ayant sensiblement la forme d'un disque, perforé en son centre, caractérisé en ce que le support est constitué d'un matériau qui est un superalliage à durcissement structural à base de nickel, et en ce que le support a la forme d'un disque muni d'une zone d'épaisseur moindre à sa périphérie, la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant séparées par une zone de décrochement de pente comprise entre 3 et 10° et le rapport d'épaisseur entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant compris entre 1,5 et 3.
2. 2. Support selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur moyenne dans la zone mince périphérique est inférieure à 10 mm.
3. 3. Support selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le rapport Nd entre le diamètre extérieur A de la zone épaisse entourant l'orifice central et le diamètre intérieur d du disque perforé est compris entre 1,2 et 2.
4. 4. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre extérieur B de la zone de décrochement est au plus égal à 90mm.
5. 5. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport D/d entre le diamètre extérieur D et le diamètre intérieur d du disque perforé est compris entre 2,5 et 5.
6. 6. Support selon la revendication 3, dans lequel le diamètre extérieur D est inférieur à 200 mm.
7. 7. Support selon la revendication 3, dans lequel le diamètre intérieur d est compris entre 40 mm et 80 mm
8. 8. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le superalliage est un inconel ayant subit un traitement de durcissement structural après usinage. 8
9. 9. Support selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une de ses faces est revêtue d'un revêtement émissif qui sert à évacuer les calories par rayonnement thermique.
10. 10. Anode tournante comportant une cible portée par un support selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support a sensiblement la forme d'un disque perforé en son centre constitué d'un matériau qui est un superalliage à durcissement structural à base de nickel, et qu'il est muni d'une zone d'épaisseur moindre à sa périphérie, la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant séparées par une zone de décrochement de pente comprise entre 3 et 10° et le rapport d'épaisseur entre la zone mince périphérique et la zone épaisse entourant l'orifice central étant compris entre 1,5 et 3.