Brevet FR2132696A1 — publié le 19721124

La présente invention se rapporte aux tubes à rayons X et, plus particulièrement, à un tube à rayons X à émission de champ possédant une cathode perfectionnée montée à distance et isolée de 1'anode. 5 les tubes à rayons X à émission de champ précédemment" connus, qui sont parfois dénommés tubes à rayons X à cathode froide, possèdent des cathode formées d'une pluralité de lames effilées ou d'une pluralité de réseaux d'aiguilles effilées. Il est très difficile de fabriquer ces cathodes du type à lames ou à aiguilles en rai-10 son du fait que l'on considère que les diverses dimensions des cathodes présentent des valeurs critiques. Par exemple, on considère que les bords des lames ou les pointes des aiguilles qui émettent les électrons doivent être formés avec précision de manière à présenter un rayon de courbure situé entre 10"5 et 10""5cm. Qn considère que 15 si une aiguille plus pointue ou une lame présentant un plus petit rayon de courbure est utilisée, l'impédance dynamique du tube à rayons X se trouvera abaissée, rendant ainsi impossible de maintenir une laute tension suffisante entre l'anode et la cathode pour permettre aux électrons de venir frapper l'anode avec une énergie suffisan-20 te pour engendrer des rayons X ayant une puissance de pénétration suffisante pour être utiles. Inversement, on considère que si des lames plus arrondies ou des aiguilles possédant un plus grand rayon de courbure sont utilisées, l'impédance dynamique du tube sera tant accrue que la tension appliquée au tube sera susceptible de produire des amor-25 çages à l'extérieur de celui-ci au lieu de provoquer le passage des électrons de la cathode à l'anode du tube et d'engendrer des rayons X. Cette haute tension d'amorçage pourrait également traverser l'isolant entourant le tube et être ainsi dangereuse pour quiconque se trouverait au voisinage du tube. 30 les tubes à rayons X à émission de champ nécessitent une haute tension telle durant le fonctionnement, généralement située entre 100 et 1 000 kilovolts, qu'une partie de la cathode se trouve vaporisée chaque fois qu'une impulsion de tension est appliquée au tube à rayons X. les parties des cathodes à lames ou à aiguilles condui-35 sant aux bords ou aux pointes qui émettent les électrons sont formées avec une conicité de 7%> de manière que le rayon désiré de courbure se trouve conservé alors que des parties de la cëhode sont vaporisées, les cathodes sont très petites. Par exemple, les aiguilles de cathode possèdent un diamètre de 5/100 mm. Il est évidemment difficile 40 de fabriquer un élément de cette taille de manière qu'il possède exac 72 12023 2 2132696 tement une conicité prédéterminée. En outre, même si les aiguilles sont réalisées avec exactement me conicité prédéterminée, la durée de vie de ces tubes à rayons 2 du type à émission de champ est relativement courte du fait que les aiguilles se trouvent modifiées durant 5 le fonctionnement. Les cathodes à aiguilles possèdent un nombre relativement petit d'aiguilles, de sorte que la haute tension appliquée au tube à rayons X pendant le fonctionnement engendre -une densité de courant extrêmement élevée dans le nombre limité de pointes d'aiguilles. Cette forte densité de courant fait fondre les pointes des 10 aiguilles et, ainsi, limite la durée de vie du tube., En dépit de ces inconvénients, ilest généralement reconnu que les cathodes à aiguilles sont supérieures à celles du type à lames. On considère comme nécessaire de contrôler avec précision l'espace compris entre les diverses aiguilles d'une telle cathode afin 15 d'obtenir un champ électrique uniforme entre l'anode et la cathode durant la phase, initiale de production d'un éclair de rayons X, et d'engendrer ensuite un amorçage localisé entre quelques aiguilles de la cathode et l'anode. On considère comme nécessaire de procurer tin amorçage localisé afin de maintenir exactement une impédance prédé-20 terminée aux bornes du tube durant la production des rayons X de manière que ceux produits possèdent exactement l'énergie et la puissance de pénétration désirées. Les aiguilles sont si fines et sont espacées si étroitement, en général de 13/100 à 25/100 mm, qu'il est difficile de réaliser exactement l'espacement désiré. 25 Les cathodes maintenant utilisées pour les tubes à rayons X à émission de champ sont formées par un meulage compliqué et pénible , par gravure chimique et gravure électrolytique d'un fragment de substance appropriée qui est réduit à la forme et à la taille convenable, ou par un procédé de croissance de cristal selon lequel une so-30 lution contenant la substance dont la cathode doit être réalisée est amenée en contact avec un agent qui permet à la substance de se déposer depuis la solution de manière à créer des formes semblabes à des aiguilles. La fabrication des types de cathodes utilisées actuellement dans les tubes à rayons X à émission de champ satisfaisant toutes les 35 exigences mentionnées ci-dessus est donc extrêmement complexe, longue et coûteuse. lia présente invention vise une cathode perfectionnée et extrêmement efficace qui est très facile à fabriquer. Cette cathode comprend un ou plusieurs fragments d'un tissu possédant un point de 40 fusion élevé et une température de sublimation élevée, une conducti- 72 12023 3 2132696 vite électrique élevée ou, en d'autres termes, une résistivité électrique faible, et une résistance à la tension élevée, l'invention vise aussi un tube à rayons X à émission de champ perfectionné possédant cette cathode en tissu montée à distance et isolée de l'anode. 5 Le tissu particulier qui est représenté est un tissu de graphite. Ce tissu est tissé à l'aide d'un grand nombre de.fils, lesquels sont formés à leur tour d'un grand nombre de filaments. Lors du fonctionnement du tube à rayons X, une impulsion de haute tension est appliquée au tube. Cette impulsion établit une grande différence de poten-10 tiel entre l'anode et la cathode et provoque depuis la cathode l'émission d'électrons. Ces électrons se dirigent vers l'anode et lorsqu* ils viennent la frapper engendrent l'émission par cette anode de rayons X d'une énergie prédéterminée. Cette grande différence de potentiel oblige les extrémités des filaments à se déployer ou s'érailler 15 de sorte que chaque filament peut agir comme un émetteur d'électrons. Le tube à rayons X du type à émission de champ qui est représenté possède une durée de vie extrêmement longue puisque les cathodes en tissu possèdent un nombre extrêmement grand de filaments. Chacun de ces filaments peut agir comme un émetteur d'électrons pendant le fone-20 tionnement du tube. Par conséquent, chaque filament n'est pas soumis à un courant d'une densité aussi grande que celle qui était appliquée à chaque aiguille des cathodes à aiguilles précédemment connues chaque fois que le tube était actionné. Le plus, le tube à une longue durée de vie en raison du fait que le tissu possède un point de fusion 25 élevé et une température de sublimation élevée et qu'il résiste ainsi aux déformations ou à l'érosion durant le fonctionnement. La cathode en tissu procure un grand nombre d'électrongûurant le fonctionnement puisqu'elle possède une résistivité électrique faible et un grand nombre de filaments. Par conséquent, le tube procure un rayonnement 30 X de forte densité qui permet d'obtenir des image^ des clichés clairs, la forte résistance à la tension du tissu empêche la haute tension appliquée au tube durant le fonctionnement de provoquer le bris de la cathode. La grande différence de potentiel maintenue entre l'anode et la cathode du tube à rayons X repousse les divers filaments de la 35 cathode en tissu les uns par rapport aux autres et attire ces filaments vers l'anode. Le tissu doit donc posséder une grande résistance à la tension pour résister à la force exercée par cette différence de potentiel. Trois tubes à rayons X différents possédant des cathodes 40 formées en tis.vu de graphite découpé selon plusieurs formes sont re 72 12023 4 2132696 présentés. Chacune des cathodes en tissu est montée de manière qu'un bord du tissu soit espacé de l'anode du tube. Les électrons sont émis depuis ce bord et se dirigent vers l'anode lorsqu'une grande différence de potentiel est appliquée entre l'anode et la cathode. L'es-5 pacement entre ce bord de la cathode et l'anode, la différence de potentiel à maintenir entre l'anode et la cathode, et l'énergie des rayons X produits par le tube sont semblabes à ce qui est rencontré dans les tubes à rayons X à émission de champ précédemment connus possédant des cathodes à lames ou à aiguilles. 10 Ces objets et caractéristiques et d'autres encore de la présente invention apparaîtront plus clairement de la description détaillée qui suit et des dessins y annexés, étant bien entendu que ceux-ci ne sont donnés qu'à titre d'exemples nullement limitatifs. Sur les dessins : 15 la Fig. 1 représente le tissu de graphite utilisé pour former les cathodes des divers tubes à rayons X représentés ; La Fig. 2 est une vue en élévation et en coupe d'un tube à rayons X à émission de champ possédant une anode en forme de tige et une cathode formée d'une pluralité de fragments de tissu et espa-20 cée de l'anode et, en outre, montée de manière que les fragments de tissu s'étendent longitudinalement le long de l'axe de l'anode ; La Fig. 3 est line vue en bout du tube de la Fig. 2 et en coupe prise dans le plan défini par la ligne 3-3 ; t La Fig. 4 est une vue partielle en élévation/en coupe d'un. 25 tube à rayons X possédant une cathode en tissu de graphite en forme d'anneau montée légèrement en avant de l'anode à tige pointue ; La Fig. 5 est une vue en bout du tube de la Fig. 4 et en coupe prise dans le plan défini par la .ligne 5-5 ; La Fig. 6 est une vue partielle en élévation/en coupe 30 d'un tube à rayons X possédant une cathode en tissu de graphite de forme cylindrique qui esVdisposée de manière concentrique par rapport à l'axe de l'anode à tige pointue ; et La Fig. *7 est une vue en bout du tube de la Fig. 6 et en coupe prise dans un plan défini par la ligne 7-7. 35 En se reportant maintenant à la Fig. 1, on y voit un frag ment 10 de tissu de graphite utilisé pour former les cathodes des trois tubes à rayons X représentés sur les autres figures. Le tissu de graphite est un exemple d'un fort tissu possédant une température de sublimation élevée et une faible résistivité électrique. Le graphite 40 présente une zone de température de sublimation allant de 3652®Cà 72 12023 5 2132696 3697° C, une résistivité électrique de 8 10~~^0hm-cm, et une résistan- 2 v ce à la tension pour les filaments allant de 3 515 Kg/cm à p 7 030 kg/cm . Diverses qualités de tissu de graphite ayant une chaîne — la densité des fils parallèles orientés dans la direction 12 — 5 possédant entre 8 et 20 fils par centimètre, et une trame — la densité des fils parallèles orientés dans la seconde direction 14 et croisant les fils de chaîne — possédant entre 8 et 20 fils par centimètre sont disponibles sur le marché et se sont révélées convenir pour fabriquer des cathodes efficaces. Chacun des fils 16 du fragment 10 de tissu 10 est formé d'un grand nombre de filaments, les diverses qualités de tissu de graphite mentionnées ci-dessus possèdent entre 480 et 1 440 filaments pour former chaque fil. Les filaments ont respectivement un diamètre de 5/1 000 mm ou de 10/1 000 mm pour les qualités de tissu de graphite couramment disponibles sur le marché. Lors •J5 du fonctionnement d'un tube à rayons X à émission de champ, une différence de potentiel élevée est maintenue entre l'anode et la cathode du tube. Cette haute tension oblige les extrémités des filaments à se déployer ou à s'érailler de sorte que chaque filament peut agir comme un émetteur d'électrons. Une cathode formée d'un tissu de gra-20 phite possède ainsi un nombre énorme d'éléments d'émission d'électrons. Par exemple, le tissu de qualité inférieure décrit ci-dessus et ayant le plus petit nombre d'éléments potentiels d'émission d'électrons aurait une chaîne et une trame de 10 fils par centimètre. Chaque fil serait formé de 480 filaments et le tissu formerait 4 800 éléments 25 d'émission d'électrons par centimètre le long de chacun de ses bords. Une cathode en tissu de graphite peut être fabriquée beaucoup plus facilement que pouvaient l'être les cathodes précédemment connues. Une pièce de tissu est d'abord tissée avec des fils de rayonne.le tissu est ensuite chauffé dans une atmosphère inerte ou dépour-30 vue d'oxygène pour changer la rayonne en du carbone amorphe. Le tissu carbonisé est alors chauffé dans une atmosphère inerte ou dépourvue d'oxygène à une plus haute température pour convertir le carbone amorphe en graphite. Les Fig. 2 et 3 représentent deux vues d'un tube 18 à 35 rayons X qui est similaire aux tubes actuels du type à émission de champ, excepté en ce qui concerne la cathode 19 qui est formée de deux fragments 20 et 22 de tissu de graphite. Le tube 18 possède une enveloppe de verre 24, une anode 26 formée d'une tige pointue en tungstène, et un cylindre 28 en un métal approprié, tel que du nickel, ayant une 40 forte conductivité électrique et un fort coefficient d'absorption pour 72 12023 6 2132696 rayonnement X, ce cylindre entourant la partie émettrice de rayorB X de l'anode. Le cylindre 28 possède normalement une fenêtre (qui n'est pas représentée) formée d'une substance transparente pour les rayons X, comme du béryllium, disposée dans sa face avant pour faciliter 5 l'émission des rayons X dans une direction désirée. Le cylindre 28 comprend deux éléments de serrage conducteurs et rectangulaires 30 et 32 qui respectivement maintiennent les fragments de tissu de graphite 20 et 22. Chaque élément de serrage comprend deux parties 31 et 33 en un métal conducteur approprié, tel que du nickel. Ces parties 10 sont soudées ou liées d'une autre matière et sont formées de telle sorte que les cathodes en tissu de graphite soient maintenues entre celles-ci lorsqu'elles sont ainsi liées. Les éléments de serrage sont soudés ou liés d'une autre manière au cylindre métallique 28. Un chemin conducteur de l'électricité entre la cathode 19 en tissu de gra-15 phite et tout circuit destiné à procurer une différence de potentiel entre les électrodes du tube 18 est réalisé par les éléments de serrage 30 et 32, le cylindre 28 et une bride annulaire conductrice 34. Les dimensions relatives des fragments de tissu de graphite 20 et 22, l'espacement entre ces fragments et l'anode 26, et la gran-20 deur de la ters ion appliquée entre les électrodes du tube 18 durant son fonctionnement déterminent l'énergie et la puissance de pénétration du rayonnement X produit. Les tubes à rayons X présentant un plus grand espacement entre l'anode'et la cathode et, ainsi, une plus grande impédance, et ceux auxquels sont appliquées de plus grandes impul-25 sions de tension lors du fonctionnement produisent le rayonnement X de plus grande énergie et de plus grande puissance de pénétration que ceux présentant un plus petit espacement entre l'anode et la cathode et auxquels sont appliquées de plus petites impulsions de tension. Dans une forme de réalisation typique, un tel tube à rayons X conçu 30 pour recevoir une impulsion de tension allant de 100 à 300 kilovolts possède des fragments de tissu de graphite 20 et 22 dont la longueur des bords respectifs 36 et 38 est d'environ 5 mm et présente une distance entre les bords respectifs 40et 42 de ces fragments at l'anode 26 d'environ 13 mm. 35 Lors du fonctionnement, les rayons X sont produits en appli quant soit une haute tension positive à l'anode 26 soit me haute tension négative aux fragments 20 et 22 formant la cathode afin d'engendrer une grande différence de potentiel entre les électrodes du tube à rayons X. Cette différence de potentiel provoque l'émission d'élec-40 trons depuis les filaments des fragments de tissu formant la cathode. 72 12023 7 2132696 Les électrons émis se dirigent vers l'anode et viennent la frapper avec me vitesse suffisante pour engendrer les rayons X. On a constaté que des impulsions "bien contrôlées de rayons X ayant des énergies prédéterminées ainsi qu'une puissance de pénétration prédéterminée 5 sont obtenues à l'aide du tube 18. En outre, ce dernier possède une longue durée de vie. Puisque les filaments sont si fins qu'ils n'exigent pas d'être formés avec une partie terminale chanfreinée, et puisqu'ils s'étendent complètement à travers la cathode, une lente érosion de la cathode durant le fonctionnement du tube ne modifie pas la 10 forme de la section des filaments et, ainsi, n'affecte pas les performances du tube jusqu'au moment où une très grande partie de la cathode s'est trouvée érodée. Le tube possède égalanent une longue durée de vie du fait que les fils disposés perpendiculairement par rapport à l'anode 26 agissent comme des émetteurs d'électrons même 15 après avoir été suffisamment érodés pour qu'il y ait des fils orientés parallèlement à l'anode entre celle-ci et les extrémités des dits fils érodés. L'énergie et la puissance de pénétration du rayonnement X produites par des impulsions de tension de même amplitude restent également constantes durant la durée de vie de ce tube. 20 I qui ne diffère du tube 18 qu'en ce que la cathode est formée d'un anneau 46 en tissu de graphite monté légèrementen avant de la pointe de l'anode 26. La cathode en anneau 46 est maintenue par un organe de serrage annulaire 48 qui est fixé au cylindre 50 du tube 44. Lors 25 du fonctionnement, les électrons sont émis par les filaments de graphite définissant le bord interne 52 de l'anneau cathodique 46. Les électrons émis viennent frapper tous les points de la partie effilée 54 de l'anode 26. Cependant, puisque le bout de cette anode est plus près de la cathode, un très grand nombre des électrons émis viennent 30 frapper le bout de l'anode. Une grande partie des rayons X émis par le tube 44 sont par conséquent émis par le bout de l'anode 26. Même si certains rayons X sont émis par d'autres parties de l'anode 26, une partie notable du rayonnement X émis par le tube 44 l'est par une toute petite source tendant à constituer une source ponctuelle. Une 35 petite source de rayons X procure une résolution très élevée des images ou des clichés obtenus. Ceci provient du fait qu'une image en rayons X est une image d'ombre. Avec une grande source de rayonnement, le rayonnement provenant d'une partie de la source peut partiellement obscurcir ou irradier une frange d'une ombre procurée par le rayonne-40 ment d'une autre partie de la source. Ce phénomène ne peut se produi 72 12023 8 2132696 re avec une petite source ou une source ponctuelle puisque tout le rayonnement émane du même point, le tube 44 procure par conséquent des images ou des clichés de grande résolution. les Fig. 6 et 7 représentent un troisième tube 58 à rayons 5 X qui possède une cathode 60 en tissu de graphite qui est disposée de façon concentrique par rapport à l'aie de l'anode 26 et qui est aussi montée légèrement en avant du bout de cette anode. L'agencement destiné à maintenir en place la cathode 60 comprend un cylindre métallique 62 présentant un large organe annulaire 64 qui entoure la t0 périphérie de la cathode cylindrique 60 et vient en contact avec celle-ci, et une grande bague conductrice 66 qui vient s'ajuster dans la cathode cylindrique 60. Quatre pièces métalliques recourbées 68 serrent la cathode 60 entre la bague 66 et l'organe annulaire 64 et ainsi maintiennent fermement la cathode entre ces deux éléments. 15 Lors du fonctionnement, les électrons sont émis par le bord 70 de la cathode cylindrique 60. Un grand nombre des électrons émis par la cathode 60 viennent frapper le bout de l'anode 26 et produisent un cône bien défini de rayonnement X. De plus, le grand organe métallique 64 absorbe les rayons X et, ainsi, réduit la quantité des 20 rayons X se propageant dans des directions qui divergent franchement de l'axe du tube 58. Bien que dans un but d'explication de l'invention plusieurs formes de réalisation particulières de celle-ci aient été représentées et décrites, il doit être entendu que divers changeuHits ou modifica-25 tions évidents à tout homme de l'art peuvent y être apportés sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention ni sortir de son domaine. Par exemple : (1) Les cathodes en tissu de graphite peuvent être formées avec des qualités de tissu de graphite possédant soit moins soit plus 50 de filaments par centimètre que les qualités particulières mentionnées ci-dessus. Ainsi, des tissus de graphite ayant des filaments dont le diamètre va de 25/10 000 mm à 40/1 000 mm et dont le nombre de filaments peut descendre jusqu'à 200 pour chaque fil sont disponibles sur le marché et peuvent être utilisés pour former les cathodes. 35 (2) Les cathodes peuvent être formées de tissus autres que des tissus de graphite présentant une grande résistance à la température, une résistance à la tension élevée et une faible résistivité électrique. (3) Les cathodes n'ont pas besoin d'être exactement comme il 40 est représenté sur les Figures. Ainsi, un tube à rayons X similaire 72 12023 9 2132696 au tube 18 peut posséder plus de deux éléments en tissu ; dans tin tu be similaire soit au tube 44 soit au tube 58, la cathode peut être montée le long de l'anode au lieu d'être montée enavant de celle-ci de plus, ces cathodes peuvent présenter des formes autres que celles 5 représentées. (4) l'emploi de cathodes entissu ne doit pas être limité à la technique des rayons X ; des cathodes en tissu, telles que celles décrites, peuvent être utilisées dans diverses applications des micro-ondes, dans les microscopes électroniques, et dans tout autre 10 système dans lequel un espace sous vide élevé entoure une électrode émettant des électrons et dans lequel une haute tension, de l'ordre de 100 kilovolts ou plus, doit être maintenue entre cette électrode et un autre élément du système. 72 12023 10 2132696 REVENDICATIONS 1. Tube à rayons X à émission de champ nécessitant une très haute tension électrique pour engendrer des rayons X et possédant une enveloppe sous vide dans laquelle une anode et une cathode sont 5 montées à distance l'une de l'autre et sont isolées l'une de l'autre, caractérisé en ce que la cathode est formée d'un tissu tissé, ce tissu possédant un nombre prédéterminé de fils disposés parallèlement à une première direction et présentant des extrémités libres destinées à émettre des électrons et un second nombre prédéterminé de fils dis-10 posés parallèlement à une seconde direction et venant croiser et supporter les fils émetteurs d'électrons, ce tissu présentant en outre : (a) une résistance à la température suffisamment élevée pour résister à l'érosion par fusion et sublimation pendant le fonctionnement du tube ; (b) une résistance à la tension (traction) suffisamment éle-15 vée pour résister à l'action séparatrice exercée par la très haute tension électrique durant le fonctionnement du tube ; et (c) une résistivité électrique suffisamment basse pour procurer un grand nombre d'électrons en réponse à l'application de la très haute tension électrique. 20 2. Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu est un tissu de graphite formé d'un très grand nombre de filaments de graphite qui agissent comme des émetteurs d'électrons durant le fonctionnement du tube. 3. Tube à rayons X selon la revendication 2, caractérisé en 25 ce que les filaments de graphite ont un diamètre compris entre 25/10 000 mm et 40/1 000 mm ; en ce que le tissu de graphite possède des fils dont chaeun est formé d'au, moins 200 filaments ; et en ce que le tissu de graphite comprend au moins 8 fils parallèles par centimètre disposés selon la première direction et au moins 8 fils paral-30 lèles par centimètre disposés selon la seconde direction. 4. Tube à rayons X selon la revendication 2, caractérisé en ce que les filaments de graphite ont un diamètre compris entre 5/1 000 mm et 10/1 000 mm ; en ce que les filaments de graphite forment des fils dont chacun est formé d'un nombre de filaments allant 35 de 480 à 1 440 ; et en ce que le tissu de graphite comprend entre 8 et 20 fils parallèles par centimètre disposés selon la première direction et entre 8 et 20 fils paœLlèles par centimètre disposés selon la seconde direction. 5. Tube à rayons X selon la revaa dication 1, caractérisé en 40 ce que l'anode comprend une tige effilée et en ce que la cathode en 72 12023 n 2132696 tissu comprend une pluralité de fragments rectangulaires de tissu, chaque fragment définissant un plan qui Tient intersecter l'anode en une pluralité de points le long de celle-ei. 6. Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en 5 ce que l'anode comprend une tige effilée et en ce que la cathode en tissu est formée d'un anneau définissant un plan qui est espacé du bout de l'anode, cet espacement permettant à une grande partie des électrons émis par la cathode durant le fonctionnement du tube de venir frapper le bout de l'anode et ainsi de permettre à une grande par-10 tie des rayons X émis par le tube d'être émis depuis sensiblement la même position. 7. Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anode comprend une tige effilée et en ce que la cathode en tissu est formée d'un cylindre qui est concentrique au prolongement 15 de l'axe de l'anode de sorte que les électrons sont émis par une extrémité de ce cylindre et se dirigent vers le bout de l'anode durant le fonctionnement du tube, ce cylindre étant monté dans un organe métallique qui absorbe les rayons X qui se propagent selon des directions indésirables durant le fonctionnement du tube.