Titre de l’invention : Procédé de fabrication d'une anode pour une source à rayons x de type cathode froide

Domaine technique :

[0001] La présente invention concerne le domaine des sources à rayons X.

Technique antérieure :

[0002] Les rayons X ont aujourd'hui dans l’imagerie, notamment dans le domaine médical, dans l'industrie pour réaliser des contrôles non destructifs et dans la sécurité pour détecter des objets ou des matériaux dangereux.

[0003] Les sources les plus couramment utilisées sont les tubes à rayons X. Un tube à rayons X est généralement constitué d'une enceinte sous vide. L'enveloppe est formée d'une structure métallique et d'un isolant électrique. Dans cette enveloppe, sont disposées deux électrodes. Pour un tube mono-polaire, une électrode cathodique, portée à un potentiel négatif, est équipée d'un émetteur d'électrons. Une seconde électrode anodique, portée à un potentiel positif par rapport à la première électrode est associée à une cible. Les électrons accélérés par la différence de potentiel entre les deux électrodes, viennent produire un spectre continu de rayons ionisants par freinage (bremsstrahlung) lorsqu'ils frappent la cible. Les électrodes métalliques sont généralement de grande taille et possèdent des rayons de courbure suffisamment grand afin de minimiser les champs électriques sur leur surface.

[0004] Suivant la puissance des tubes à rayons X, ceux-ci peuvent être équipés soit d'une anode fixe soit d'une anode tournante permettant un étalement de la puissance thermique. Les tubes à anode fixe ont une puissance de quelques kilowatts et sont notamment utilisés dans des applications industrielles, de sûreté et médicales de faible puissance. Les tubes à anode tournante peuvent dépasser les 100 kilowatts et sont principalement mis en oeuvre dans le milieu médical pour l'imagerie nécessitant des doses de rayons X importants pendant une courte durée. A titre d'exemple, le diamètre d'un tube industriel est de l'ordre de 150 mm à 450 kV, de 100 mm à 220 kV et de 80 mm à 160 kV. La tension indiquée correspond à la différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes. Pour les tubes médicaux à anode tournante, le diamètre varie de 150 à 300 mm suivant la puissance à dissiper sur l'anode.

[0005] L'anode formant la cible doit dissiper une puissance thermique importante. Cette dissipation peut être réalisée par circulation d'un fluide caloporteur ou par la réalisation d'une anode tournante de grandes dimensions. La nécessité de cette dissipation impose aussi d'augmenter les dimensions des tubes à rayons X.

[0006] Dans le cas d’une anode stationnaire, la technologie qui est aujourd’hui utilisée en standard, est un sous-ensemble composé d’une pastille mince de tungstène pur ou de tungstène-rhénium, autour de laquelle est surmoulé un imposant corps de cuivre. La figure 1 est une photographie d’un exemple d’anode AA de l’art antérieur pour source à rayons X. Cette anode AA comprend une pastille en tungstène C qui forme la cible impactée par le faisceau d’électron pour générer le rayonnement X. Le surmoulage de cette cible C forme un corps de cuivre BC qui permet d’évacuer la puissance thermique produite par le freinage du faisceau d’électron. Ici, l’évacuation de la puissance est effectuée par un excellent contact thermique entre la pastille et le barreau de cuivre, celui-ci étant un très bon conducteur thermique.

[0007] L’anode de la figure 1 est satisfaisante. Cependant, l’utilisation d’un surmoulage en cuivre pour dissiper la puissance accumulée lors du cycle d’utilisation de la source, rend très difficile la miniaturisation de la source. En effet, afin de miniaturiser la source, il est nécessaire d’assurer une isolation électrique élevée entre la cathode et l’anode, grâce à un isolant électrique. Cette pièce mécanique peut être par exemple une partie de l’enceinte sous vide. Ces céramiques sont donc avantageuses pour la réalisation de source par rayons X miniaturisée. Or le cuivre présente des difficultés d’assemblage sur de la céramique compte tenu des fortes dilatations en température du cuivre par rapport à la céramique.

[0008] Enfin, l’utilisation d’un surmoulage en cuivre sur une cible en tungstène est complexe à mettre en oeuvre. Cela nécessite une fusion du cuivre à haute température, l’inclusion de la cible, le refroidissement en s’assurant du contact parfait du tungstène sur le cuire, un usinage de surface et un nettoyage adapté afin de permettre son fonctionnement sous vide. [0009] L’invention vise à pallier certains problèmes de l’art antérieur. A cet effet, un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide qui comprend une étape de brasage fort de la cible et du support cible (qui permet l’évacuation de la puissance thermique).

Ainsi, l’assemblage entre la cible et son support est grandement facilité et permet la formation d’une anode comprenant un support cible avec des matériaux qui n’auraient pas pu être utilisés pour réaliser un surmoulage de la cible comme dans l’art antérieur. Selon le choix du matériau du support cible, l’anode permet avantageusement de faciliter un assemblage de l’anode avec un élément isolant en céramique dans la source à rayons X. Cela permet une plus grande miniaturisation de la source par rayons X.

Résumé de l’invention :

[0010] A cet effet, un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide comprenant les étapes suivantes :

A. fabriquer un élément dit cible dans un premier matériau adapté pour générer des rayons X à partir de l’absorption d’un faisceau d’électrons, le premier matériau présentant un premier coefficient d’expansion thermique C _e ,i( u) à une température prédéterminée T _u d’utilisation de l’anode dans ladite source à rayons X,

B. fabriquer un élément dit support cible dans un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient d’expansion thermiqueC _{e 2} (T _u ) à la température prédéterminée T _u ,

C. fixation de la cible avec le support cible par brasage fort avec un matériau de brasage, à une température de brasage supérieure à une température de fusion du matériau de brasage, et de manière à former un film de brasure interposé entre la cible et le support cible, ladite température prédéterminée T _u étant inférieure à ladite température de fusion du matériau de brasage.

[0011] Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier et le deuxième matériaux sont tels que \C _{e ;1} <XX. [0012] Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier matériau est à base de tungstène et dans lequel le deuxième matériau est à base de molybdène, de cuivre ou en alliage comprenant du cuivre, du tungstène et du nickel. De manière préférentielle, le matériau de brasage est à base d’or, d’argent, de cuivre, de nickel, ou de palladium. De manière encore préférentielle, le deuxième matériau est un alliage de cuivre, de nickel et de tungstène, le matériau de brasure est un alliage d’argent, de cuivre et de palladium ou encore un alliage d’argent, de cuivre et d’or

[0013] Selon un mode de réalisation de l’invention, l’étape de fixation est effectuée dans un four entre 700°C et 1100°C. De manière préférentielle, l’étape de fixation est effectuée sous vide. De manière encore préférentielle, le matériau de brasure est un alliage d’argent, de cuivre et d’étain et le deuxième matériau est du molybdène et le premier matériau est du tungstène.

[0014] Selon un mode de réalisation de l’invention, l’étape de fixation est effectuée sous un flux d’hydrogène. De manière préférentielle, le deuxième matériau est du molybdène et le premier matériau est du tungstène, et le matériau de brasure est un alliage d’argent, de cuivre et de palladium.

[0015] Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé comprend une étape intermédiaire B’ entre l’étape B et l’étape C, de métallisation du support cible, de manière à former une couche de métal d’épaisseur inférieure à 150 [im autour du support cible. De manière préférentielle, la métallisation est effectuée à base de cuivre.

[0016] Selon un mode de réalisation de l’invention, la cible et le support cible présentent chacun une forme adaptée pour permettre un emboitement de la cible dans le support cible.

[0017] Un autre objet de l’invention est anode pour une source à rayons X de type cathode froide, ladite anode étant obtenue par un procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes et comprenant : a. la cible, b. le support cible c. le film de brasure interposé entre la cible et le support cible de manière à permettre la fixation entre la cible et le support cible.

[0018] Un autre objet de l’invention est une source à rayons X comprenant : d. une enceinte à vide e. une cathode adaptée pour émettre un faisceau d’électrons au sein de l’enceinte à vide f. une anode selon la revendication 11 , agencée pour que le faisceau d’électron impacte la cible de manière à générer un rayonnement X.

[0019] Selon un mode de réalisation de la source à rayons X de l’invention, la cathode est adaptée pour émettre un faisceau d’électrons en régime impulsionnel, et dans laquelle la cible et le support cible présentent chacun un volume suffisamment grand pour que ladite température prédéterminée soit inférieure à 800°C, sans élément thermique de refroidissement actif dans la source

Brève description des figures :

[0020] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :

[0021] [Fig.1 ] une vue schématique d’un exemple d’anode AA de source à rayons X de l’art antérieur

[0022] [Fig.2A], un procédé de fabrication d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide selon l’invention,

[0023] [Fig.2B], une vue schématique d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide selon l’invention,

[0024] [Fig.3A], un procédé de fabrication d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide selon un mode de réalisation de l’invention,

[0025] [Fig.3B], une vue schématique d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide selon un mode de réalisation de l’invention,

[0026] [Fig.4], une vue schématique d’une source à rayons X de type cathode froide selon l’invention, [0027] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.

Description détaillée :

[0028] La figure 2A est une représentation d’un procédé P de fabrication d’une anode pour une source à rayons X de type cathode froide selon l’invention. Pour clarification, par « une source à rayons X de type cathode froide >>, on entend ici une source comprenant une cathode émettant un faisceau d'électrons par effet de champ. Ce type de cathode est par exemple décrit dans le document WO 2006/063982 A1 . Les cathodes froides n'ont pas les inconvénients des cathodes chaudes -ou cathode thermoïniques- (dilatation ou évaporation d’éléments conducteurs électriques), elles permettent des commutations très rapides entre émission d’électrons et arrêt, et sont surtout beaucoup plus compactes. Le procédé de fabrication de la figure 2A permet de produire l’anode A destinée à être utilisée dans une source à rayons X de type cathode froide et illustrée dans la figure 2B par une vue schématique en coupe.

[0029] Le procédé de fabrication de l’invention comprend une première étape A de fabrication d’une cible C. Cette cible C est un élément connu de l’homme de l’art et est réalisée dans un premier matériau adapté pour générer des rayons X à partir de l’absorption d’un faisceau d’électrons. Le premier matériau présente un premier coefficient d’expansion thermique, noté C _{e l} (T _u ~), à une température prédéterminée T _u d’utilisation de l’anode dans la source à rayons X. Cette cible peut être dans un matériau à fort numéro atomique tel que le tungstène (pur ou un alliage de tungstène) afin de produire le meilleur rendement de génération de rayons X, ou dans des matériaux à plus faible numéro atomique, pour des sources utilisées dans le cadre de la diffraction des rayons X.

[0030] Le procédé comprend de plus une étape B de fabrication d’un élément dit support cible SC dans un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient d’expansion thermique (^(Tu) à la température prédéterminée T _u . Le support cible a pour rôle de dissiper l’énergie thermique produite par la cible lors du freinage du faisceau d’électrons. Aussi, ce deuxième matériau est de préférence un bon conducteur thermique.

[0031 ] Il est entendu que l’ordre des étapes A et B dans le procédé P est interchangeable. [0032] Enfin, le procédé de l’invention comprend une dernière étape C de fixation de la cible C avec le support cible SC par brasage fort avec un matériau de brasage, à une température de brasage supérieure à une température de fusion du matériau de brasage. De plus, afin d’éviter un débrasage entre les deux pièces de l’anode lors du fonctionnement de la source de rayons X, la température prédéterminée T _u d’utilisation de l’anode dans la source à rayons X est inférieure à la température de fusion du matériau de brasage. Par « brasage fort >>, on entend ici que la température de fusion du matériau de brasage est supérieure à 600°C. L’étape C permet donc d’obtenir un film de brasure FB interposé entre la cible C et le support cible SC.

[0033] Comme l’illustre la figure 2B, l’anode obtenue par le procédé de l’invention comprend donc la cible C, le support cible SC et le film de brasure FB interposé entre la cible et le support cible de manière à permettre la fixation entre la cible et le support cible. L’épaisseur du film FB est préférentiellement comprise entre 5 et 140 pm après l’étape C pour assurer une fixation correcte entre la cible et le support cible.

[0034] Le procédé de l’invention permet un assemblage de la cible et du support cible avec un deuxième matériau qui n’aurait pas pu être utilisé pour réaliser un surmoulage de la cible, comme cela était effectué avec du cuivre dans l’art antérieur. Ainsi, selon un mode de réalisation, le deuxième matériau est à base de molybdène ou en alliage comprenant du cuivre, du tungstène et du nickel. Ces deuxièmes matériaux ne sont pas adaptés pour surmouler la cible C et sont avantageux car ils permettent un bon comportement thermique de l’anode lors d’une élévation en température pour une cible en tungstène. En outre, ces matériaux peuvent être brasés avec une céramique par un brasage fort. Grâce à la méthode de l’invention, il est donc possible de former une source par rayon X comprenant une pièce en céramique -pour former d'une part un support de la cathode et d'autre part un support de l'anode et pour assurer l’isolation électrique entre l'anode et la cathode- brasée avec le support cible. Un tel assemblage est difficile avec le surmoulage en cuivre BC de l’anode de la figure 1 , le cuivre ne pouvant pas être brasé convenablement avec la céramique compte tenu des fortes dilatations en température du cuivre par rapport à la plupart des céramiques. [0035] En résumé, le procédé de fabrication de l’invention permet d’obtenir une source à rayons X de bien plus petite dimension que les sources de l’art antérieur en incluant un matériau isolant en céramique brasé avec l’anode A de l’invention.

[0036] De manière plus générale, selon un mode de réalisation préféré, afin d’éviter des problèmes thermiques lors du fonctionnement de la source à rayons X comprenant l’anode de l’invention, le premier et le deuxième matériaux sont tels que < 4 x 10 ^-6 K ^-1 . Cette caractéristique permet d’éviter un débrasage entre la cible et le support cible lors du fonctionnement de la source comprenant l’anode de l’invention.

[0037] Dans un mode de réalisation préféré, noté MP, l’étape de fixation C est effectuée dans un four entre 700°C et 1100°C, le cycle peut durer à minima 3 heures, avec un temps passé d’au moins 3min au palier haut de température. Cette durée minimale est nécessaire pour assurer une fixation convenable et un film de brasure homogène entre la cible et le support cible. Selon un mode de réalisation, le four dans lequel est réalisé le brasage comprend un élément thermique refroidissant activé après une première phase de chauffage permettant de fondre le matériau de brasage. Cet élément thermique refroidissant permettant de réduire la durée totale du cycle de brasage.

[0038] Dans une première variante du mode de réalisation MP, l’étape de fixation C est effectuée dans le four sous vide, vide poussé, à minima 10 ^-3 mbar à la température maximal du cycle de brasage. Ce mode de réalisation permet d’éviter une étape supplémentaire ultérieure de dégazage de l’anode avant de l’assembler avec le reste des éléments de la source à rayons X et avant l’utilisation de cette anode sous ultravide. Le processus d’assemblage total de la source de rayons X est donc simplifié dans cette première variante du mode de réalisation MP.

[0039] Alternativement, selon une deuxième variante du mode de réalisation MP, l’étape de fixation C est effectuée sous un flux d’hydrogène. Le flux d’hydrogène permet d’obtenir une meilleure homogénéité de température au sein du four et donc permet de produire une brasure de meilleure qualité. Cependant, cette deuxième variante requiert une étape ultérieure de dégazage de l’anode avant l’assembler avec le reste des éléments de la source à rayons X. Cette étape de dégazage est nécessaire pour éliminer les gaz piégés dans la brasure, les surfaces du sous-ensemble et ainsi éviter des phénomènes de désorption lors du fonctionnement de la source.

[0040] De manière préférentielle, le matériau de brasure est à base d’or, d’argent, de palladium, de cuivre ou de nickel. De manière encore préférentielle, le matériau de brasure est un alliage d’argent, de cuivre et d’étain lorsque le deuxième matériau est du molybdène et le premier matériau est du tungstène si le brasage est réalisé sous vide. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le matériau de brasure est préférentiellement un alliage d’argent, de cuivre et de palladium, si le brasage n’est pas réalisé sous vide. Les deux alliages précités de matériau de brasure permettent de contrecarrer la faible mouillabilité du molybdène.

[0041 ] Alternativement, lorsque le deuxième matériau est un alliage de cuivre, de nickel et de tungstène et le premier matériau est du tungstène, le matériau de brasure est préférentiellement un alliage d’argent, de cuivre et de palladium ou encore un alliage d’argent, de cuivre et d’or. Ainsi, la brasure mouille parfaitement et diffuse dans le dépôt de cuivre du deuxième matériau, permettant un excellent brasage de l’ensemble.

[0042] Dans l’exemple de la figure 2B, de manière optionnelle, la cible C présente une face inclinée Fl. Cette inclinaison est obtenue en réalisant un compromis sur différents paramètres physiques de la source : la thermique, l’angle d’incidence du faisceau d’électrons et la tâche focale requise.

[0043] De manière préférentielle, comme cela est illustré dans la figure 2B, la cible et le support cible présentent chacun une forme adaptée pour permettre un emboitement de la cible dans le support cible. Cette caractéristique permet un assemblage plus aisé du support cible avec la cible lors de l’étape C du procédé de l’invention.

[0044] La figure 3A illustre un procédé de fabrication de l’anode selon un mode de réalisation particulier de l’invention. La figure 3B illustre une vue en coupe schématique de l’anode produite par le procédé de fabrication de la figure 3A.

[0045] Comparativement au procédé de la figure 2A, le procédé de la figure 4 comprend une étape intermédiaire B’ entre l’étape B et l’étape C, de métallisation du support cible, de manière à former une couche de métal CM d’épaisseur inférieure à 0,15 mm autour du support cible. Cette étape B’ permet d’améliorer la mouillabilité du support cible et permet de limiter le phénomène de diffusion du matériau de brasure dans le suppport cible et ainsi d’assurer l’étanchéité ultravide des jonctions réalisées par brasage fort. Cette étape B’ est particulièrement avantageuse lorsque le deuxième matériau est un alliage de cuivre, de nickel et de tungstène.

[0046] La figure 4 illustre schématiquement une source 2 de rayons X comprenant : g. une enceinte EV adaptée pour être mise sous vide h. une cathode Cat adaptée pour émettre un faisceau d’électrons FE au sein de l’enceinte à vide. i. une anode A selon l’invention, agencée pour que le faisceau d’électron impacte la cible de manière à générer un rayonnement X noté FX.

[0047] Préférentiellement, le deuxième matériau est en molybdène, en cuivre ou en alliage comprenant du cuivre, du tungstène et du nickel et l’enceinte EV est partiellement ou complètement formée à partir de céramique afin de réaliser l’isolation électrique entre l'anode et la cathode. Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, l’enceinte EV est assemblée avec l’anode A en effectuant un brasage fort entre le support cible et des portions P1 , P2 en céramique de l’enceinte EV. Cette étape finale de brasage est rendue particulièrement aisée compte tenu du choix de deuxième matériau, ce choix de matériau étant lui- même rendu possible grâce au procédé de fabrication de l’invention. En outre, ces deuxièmes matériaux présentent un comportement mécanique lors d’une élévation en température bien plus adapté à un brasage avec une céramique que le cuivre utilisé dans l’art antérieur. Cela permet d’obtenir une jonction entre l’enceinte EV et l’anode particulièrement étanche et compatible avec un fonctionnement sous ultravide dans l’enceinte, sans métallisation préalable de la céramique.

[0048] De préférence, la cathode est adaptée pour émettre un faisceau d’électrons en régime impulsionnel par effet de champ et la cible et le support cible présentent chacun un volume suffisamment grand pour que la température prédéterminée T _u soit inférieure à 800°C. C’est-à-dire que la cible et le support cible présente une dissipation thermique surfacique et volumique suffisante pour permettre que la température T _u soit inférieure à 800°C en régime impulsionnel. Ceci permet de préserver l’intégrité de l’anode et de garantir son bon fonctionnement sur tout son cycle de durée de vie. Dans ce mode de réalisation, la source 2 ne nécessite pas d’élément thermique de refroidissement actif dans la source pour maintenir la température prédéterminée T _u de l’anode.

[0049] Une description exhaustive de tous les éléments potentiellement compris dans la source à rayons X sort du cadre de l’invention. Cependant, selon des modes de réalisation particulier de l’invention la source de l’invention comprend différents éléments connus de l’homme de l’art dans les sources à rayons X. Par exemple, la source 2 comprend une électrode (non représentée en figure 4) disposée au voisinage de la cathode et permettant de focaliser le faisceau d'électrons FE sur la cible C. Ce type d'électrode est appelée une électrode de focalisation de faisceau.