Brevet FR2403640A1 — publié le 19790413

L'invention se rapporte aux tubes de prise de vue fournissant un signal vidéo caractérisant une image radiologique. Il existe actuellement de nombreux tubes de prise de vue, notamment le tube vidicon, capables de fournir un signal vidéo à partir d'une image représentant un objet éclairé en lumière visible. Ces tubes utilisent des cibles en silicium, ou en sélénium, qui sont insensibles aux rayons X car elles ne les absorbent pas. Pour visualiser une information contenue dans un rayonnement X, on utilise notamment les tubes intensificateurs d'image radiologique qui assurent la conversion des photons X en électrons, pui.s en photons lumineux, que l'on peut récupérer sur un écran de sortie. Entre ltécran d'entrée et l'écran de sortie, une optique électronique assure une amplification de l'énergie électronique. Pour pouvoir observer une image radiologique en temps réel, sur un écran de télevision, par exemple, on doit associer l'intensificaveur d'image avec une caméra de télévision comportant notamment un tube de prise de vue.Si, par contre, on souhaite garder en mémoire une image, on doit associer l'intensificateur avec un système de mémorisation du type tube à mémoire. L'objet de 11 invention est d'obtenir des dispositifs plus simples permettant d'obtenir directement le signal vidéo à partir d'une image radiologique. Pour cela, on utilise des cibles réalisées eans des matériaux photoconducteurs absorbant fortement les rayons X. L'invention concerne notamment un tube de prise de vue permettant l'observation en temps réel d'une image radiologique. Elle concerne également un tube à mémoire. Les deux tubes comprennent notamment une cible réalisée dans un matériau à base d'oxyde de bismuth : l'oxyde de bismuth et de silicium et l'oxyde de bismuth et de germanium. Le signal vidéo obtenu peut être amplifie et on obtient des valeurs de sensibilité et de bruit. comparables à celles d'un intensiSicateur associe à une caméra de télévision, ou à un système de mémorisation.L'invention s'applique bien à la radiologie médicale et industrielle. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-aprs et des figures qui s y rapportent - la figure 1 représente un tube de prise de vue permettant l'analyse d'une image en temps réel ; - la figure 2 est une courbe explicative ; - la figure 3 représente un tube à mémoire ; - la figure 4 est un diagramme explicatif du fonctionnement du tube à mémoire. La figure 1 représente un tube de prise de vue du type tube vidicon, permettant l'analyse en temps réel d'une image radiologique, c'est à dire fournissant un signal vidéo en relation à tout instant avec l'absorption d'un point d'un objet irradié par un rayonnement X.Le tube comporte une enveloppe 10 à l'intérieur de laquelle on a fait le vlde dont llextrémiçe faisant face à un rayonnement 9 spatialement variable constituant l'image à analyser est constituée par une fenêtre 11 "ansparente au rayonnement 9 mais opaque aux rayonnements visibles. A l'inte- rieur de l'enveloppe, le tube comprend un canon à électrons 1 dont la cathode 2 émet un faisceau d'électrons 3 en direction d'une cible 7 constituée par une lame d'épaisseur L réalisez dans un matériau photoconducteur absorbant fortement les rayons X.Entre le canon à électrons I et la cible 7 est disposee à faible distance de celle-ci une grille 4 à mailles très lines et de grande transparence, destinée à recueillir les électrons secondaires émis par la cible. Sur la face opposée de la cible, qui est la face exposée au rayonnement 9, est appliquée une électrode 8 réalisée dans un matériau n'absorbant pas les rayons X. Cette électrode peut être par exemple une couche d'aluminium de faible épaisseur (de l'ordre de 1 000 ) qui peut constituer la fenêtre du tube Elle peut aussi être déposée sur la cible par évaporation. L'électrode 8 est portée à un potentiel positif Vc par rapport à la masse, grâce à une source de tension 14.La grille 4 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R aux bornes de laquelle on pourra prélever un signal vidéo S à travers une capacité r. La cathode 2 est portée à un potentiel négatif - Ve par rapport à la grille, grâce à une source de tension 15. Des bobines de déflexion 5 et 6 permettent d'orienter le faisceau d'électrons 3 de façon à le diriger vers n'importe quel point de la cible C'est ainsi qu'on peut notamment réaliser un balayage par lignes en vue d'obtenir un signal de télévision S. Le fonctionnement du tube comporte deux phases. La première phase est une phase de charge é la cible à un potentiel constant égal au potentiel de la grille. Initialement, Si la cible n'a pas été exposée au rayonnement depuis suffisamment longtemps, tout point de la surface libre de la cible est au potentiel-Vc. Le faisceau d'électrons 3 est accéléré par une énergie E égale à e (V + Vue), e étant la charge élémentaire. Il traverse la grille et charge négativement la surface libre de la cible dont le potentiel décroit progressivement jusqu'à ce qu'il atteigne le potentiel de la grille 0. A partir de ce moment, l'énergie d'accélération eVe étant telle que tous les électrons soient réflé-chis par la cible, ils sont eollectés par la grille et il circule dans la résistance R un courant Io qui est le courant d'obscurité. La deuxième phase est la phase de lecture. La cible est exposée au rayonnement X. Les photons X sont absorbés par la cible et y provoquent la création de paires électrons trous.On verra dans la suite de la description que, pour les matériaux utilisés, seuls les électrons participent aux phénomènes de photo-conduction. La face interne de la cible se trouvant à un potentiel supérieur à celui de la face libre, les électrons générés sont captés par l'électrode 8, ce qui provoque une augmentation locale av du potentiel de la surface libre. Lars du passage du faisceau d'électrons 3 sur un point donné de cette surface, celUi-ci rétablit le potentiel de ce point à sa valeur initiale, ce qui consomme un courant dI et, si le courant du faisceau d'électrons n'a pas changé, le courant circulant dans la résistance R vaut Io - dI. On obtient ainsi le signal S fonction de dI. Pour obtenir un signal S qui soit réellement caractéristique de l'image à analyser, c'est à dire pour que âI et dV soient proportionnels au flux de photons X reçu par la cible, il faut que le taux d'émission secondaire de tout point de la surface libre de la cible soit indépendant de la valeur de âV, donc constant quelque soit l'énergie des électrons du faisceau 3. Cette énergie varie de e (Ve + Vc) à eVe pendant la phase de charge et entre eVe et e (Ve + âV) pendant la durée d'un balayage par le faisceau d'électrons. La figure 2 représente l'allure de la courbe représentant, en fonction de l'énergie E du-àlsceau incident-3, le taux d'émission secondaire T, c'est à dire le rapport du nombre d'électrons émis par la cible au nombre d'électrons incidents. Le taux T est égal à l pour deux valeurs E1 et E, qui sont des caractéristiques du matériau constituant la cible. Entre E1 et E2, le taux est supérieur à 1, si bien que la cible se charge positivement.Lors des deux phases de fonctionnement, on désire que la cible se charge négativement donc que le taux soit inférieur à 1. Par ailleurs, pendant la phase de lecture, la variation du taux T doit être linéaire par rapport à dV, donc à E. Pour obtenir une bonne efficacité de détection, plusieurs autres conditions doivent être réunies le matériau et l'épaisseur L de la lame 7 doivent être tels que -la plus grande partie des photons X soit absorbés ; la plus grande partie des électrons générés à l'intérieur de la cible doit être captée par l'électrode 8 ; le rendement quantique n du matériau, c'est à dire le rapport du nombre de paires elec- trons-trous créées au nombre de photons X-doit être le plus élevé possible. Pour réaliser ces conditions, le dispositif selon l'invention utilise pour la cible des oxydes métalliques comportant des atomes métalliques de numéro atomique élevé, qui absorbent donc fortement les rayons X sous une faible épaisseur. Les matériaux à base d'oxyde de bismuth tels que l'oxyde de bismuthsilicium (Bil2 Si 020). et ltoxyde de bismuth-germanium (Bi12 Ge 020) sous forme monocristalline ou polycristalline sont de très bons photoconducteurs, les polycristaux ayant des caractéristiques semblables à celles des monocristaux. En effet, la durée de vie T des porteurs majoritaires créés par photoconduction, qui sont en l'occurence les électrons, est très longue (on a mesuré z = 40 us) à cause du faible nombre de pièges.Leur mobilité u étant de l'ordre de 10-3 cm2 V-l s-l, le produit pT est très élevé : on a mesuré pour Bi12 Si O2O-UT = 1,2.10-7 cm/V. On peut donc, avec des tensions de polarisation raisonnables, collecter sur l'électrode la quasi-totalité des électrons créés.A titre d'exemple non limitatif, pour un rayonnement X d'énergie 60 keV, le coefficient d'absorption a de Bil2 Si O20esta = 51 cm-l pour que ce rayonnement soit absorbe à 90 %, il faut une épaisseur L telle Que 1 - e aL = o,g, ctest à dire L = 450 vm; d'autre part, pour collecter pratiquement toutes les charges photo-induites dans l'épaisseur de la lame 7, il faut que L soit très inférieure Vc au libre parcours moyen px L ce qui donne la valeur minimale de la tension de polarisation Vc = 500 V. Comme les valeurs de tension correspondant respectivement aux valeurs E1 et E2 de la figure 2 sont de l'ordre de 10 V et 100 V, le domaine de fonctionnement lors de deux phases est celui pour lequel E > E2. En particulier, on choisira de préfé- rence Ve tel que eVe = E2. Ainsi, à la fin de la phase de charge, on a bien réflexion totale des électrons par la cible. Ceci n'est toutefois pas indispensable. Compte tenu de l'allure de la courbe, la partie comprise entre eVe et e (Ve + dV) est linéaire. A titre d'exemple non limitatif, on utilise une cible de 450 um d'épaisseur en oxyde de bismuth et de silicium. On a mesuré la constante diélectrique de ce matériau : E = 50. On réalise un balayage de télévision, de période 40 ms. Comme la résistivité de ce matériau en l'absence de rayonnement est de l'ordre de 1013 Q, la cible a pour circuit équivalent une résistance en parallèle avec une capacité avec une constante de temps de l'ordre de 103 s, si bien que le potentiel de la surface est intégré entre deux balayages successifs.On envoie sur la cible un flux de photons X d'énergie 60 keV et on utilise des tensions Vc = 500 V et Ve de l'ordre de 100 V. A un flux égal à lQ-3 Roentgen par minute, soit environ 3.107 photons par cm2 et par minute, correspond une variation dV pendant une trame de 0,1 V, la variation de charge correspondante étant égale à 2.lO-8 C/cm2/mn. On peut réaliser des cibles circulaires dans des polycristaux obtenus par frittage sous pression de diamètre 100 à 150 mm. On a ainsi environ 6 lignes de balayage par mm. Ces valeurs conviennent aux applications de radiologie médicale et de radiologie industrielle. D'autres techniques d'obtention de polycristaux peuvent être envisagées conduisant à des dimensions plus grandes. Le courant du faisceau d'électrons peut être différent dans les deux phases de fonctionnement. Pendant la phase de charge, il doit être suffisant pour que la charge s'effectue rapidement. Pendant la lecture, il peut être plus faible. On peut avoir des valeurs de l'ordre de 1 mA et 1 pA. La figure 3 représente en (a) un tube de prise de vue à mémoire, utilisant toujours une cible réalisée en BSO ou BGO. Sur cette figure, les éléments semblables à ceux de la figure 1 portant les mêmes référence. Il s'agit du canon à électron 1 émettant un faisceau 3, des. bobines de déflexion 5 et 6, de la grille 4 qui est portée au potentiel de la masse, de l'électrode 8 opaque aux rayonnements visibles mais transparente aux rayonnement 9, de l'enveloppe 10 comportant une fenetre Il transparente au rayonnement 9. La cible est représentée en plan en (b). Elle est constituée par une mosaïque 70 de petits ilots séparés, d'épaisseur L. Entre les ilots, elle est donc conductrice. L'électrode peut être une fenêtre métallique en contact avec la cible, ou bien être obtenue par évaporation sur la cible, cette dernière étant rendue solidaire de l'enveloppe 10. Pour obtenir la mosaïque 70, on utilise par exemple la technique de gravure employée par les circuits intégres. Un générateur 3 délivrant une tension variable v0. est relié d'une part à l'électrode 8, d'autre part à la masse par l'intermédiaire d'une résistance de charge r. Lors du balayage de la cible par le faisceau d'électrons, le courant traversant celle-ci est mesuré à partir de la tension aux bornes de la résistance de charge r. On obtient le signal S après passage dans un condensateur y. La cathode 2 du canon à électrons 1 est portée au potentiel ve par rapport à la masse grâce à une autre source de tension 150.Le fonctionnement du tube compreiid 3 phases : l'effacement, l'inscriptlon et la lecture. On a représenté sur la figure 4 respectivement en (a), (b) et (c) les valeurs de ve, vc et V, le potentiel de la surface libre de la cible par rapport à la masse, en fonction du temps. Pendant la phase d'effacement, la cible n'est pas exposée au rayonnement. Cette phase permet de charger uniformément la cible à un potentiel suffisamment élevé pour obtenir une -bonne sensibilité, tout en restant dans la même zone de la courbe de la figure 2, à savoir la zone pour laquelle E On a vu lors de la description du 1er tube que le potentiel correspondant est de l'ordre d'une dizaine de volts. La tension de polarisation nécessaire étant beaucoup plus élevée, le procede d'effacement préconisé pour l'invention consiste à augmenter régulièrement et par paliers la tension vc, avec un pas v, jusqu t à la valeur vf désirée. Pendant ce temps, la tension Ve est négative et égale à - u. Le potentiel de surface de la cible V étant par exemple initialement à la valeur 0, lorsqu'on applique les tensions Ve = - u et vc = v , celle-ci se charge instantanément positive- ment au potentiel v, puis se décharge progressivement et se charge négativement, par le faisceau d'électrons, jusqu'à la valeur - u. Les valeurs devetu sont choisies de façon que le potentiel V soit Eî E1 inférieur à e - u, donc v + u atteinte, on augmente la tension ve et le cycle recommence, jusqu'à ce que le champ électrique dans la cible soit égal à Vf + u Pour l'inscription, on expose la cible au rayonnement, L on conserve la valeur Vf et on porte la cathode à un potentiel positif w. Il n'y a donc plus d'émission d'électrons et plus de balayage.La dose de rayonnement reçue pendant la durée d'expo- - sition crée une variation dV du potentiel de la surface libre de chaque ilot qui se trouve au potentiel - u + dV. La variation dV dépend du flux de photons X reçu et de la durée de l'exposi- tion, de façon analogue à ce qui a été décrit pour le ler tube Lors de la phase de lecture, on réaliste à nouveau un balayage par des électrons lents, en appliquant à la cathode 2 la tension Ve = - u.Le courant des électrons pourra être beaucoup plus faible que lors de l'effacement, puisqu'il sert uniquement à la mesure de potentiel de surface de la cible, alors que pour l'effacement, il s'agit de déposer un maximum de charges en un minimum de temps. Afin que la lecture du potentiel V de surface de chaque ilot s'effectue sans détruire l'information, V doit toujours être inférieur à - u. 6 VM étant la valeur maximale de #V, on porte le potentiel de l'électrode à la valeur v f Ainsi, pour dV = o, on obtiendra V = - u - dVM et pour dV = on obtiendra V = - u.Le potentiel de surface des ilot permet de moduler le courant du faisceau d'électrons atteignant les sillons gravés dans la cible, faisant partie de ltélectrode 8. Le nombre d'électrons collectéspar un sillon-, donc l'intensité recueillie aux bornes de la résIstance r est une fonction croissante de la moyenne des potentiels de surface des ilots voisins. Comme les électrons n'atteignent pas les ilots euxmêmes, le potentiel V n'est pas modifié par le balayage et on peut relire un enregistrement pendant une durée inférieure à la constante de temps de la cible, c'est à dire plusieurs dizaines de minutes. Le mode de fonctionnement décrit n'est donné qu'à titre préférentiel mais on peut envisager des variantes. Pour simplifier la phase d'effacement, on peut envisager de charger la cible avec des électrons rapides, comme pour le ler tube.La tension de polarisation de la cible est alors constante et supérieure å e2. Cette variante nécessite l'emploi d'une cible qui fonctionne de façon analogue dans les dèux domaines E E2, puisque de toutes façons la lecture doit être effectuée par des électro n s lents pour être sensible aux variations de potentiel de surface La sensibilité d'un tel tube est la meme que précédemment.Ainsi, pour des photons X de 60 keV, une épaisseur de cible L = 450 un et une tension de polarisation = - 2,5 kV, la variation de charge par cm pour une exposition de 1 Roentgen est égale à 16 uC. Lors d'une application à la radioscopie, les conditions sont à titre indicatif les suivantes ltexposition du patient vaut 30 à 80 mR par seconde : l'exposition de la cible lorsque les photons ont traversé le patient vaut 0,2-à 5 mR par seconde; onobtient sur la cible une variation = = 1V pour une exposition de 60 nR, ee qui correspond à l 800 photons X de 60 keV par cm2. La durée d'exposition nécessaire est donc de quelques dizaines de secondes. La dimension des ilots et des sillons coiiducteurs influe sur la résolution du tube. il est possible par des techniques de gravage connues d'obtenir au moins 10 ilots par mm, ce qui donne des dimensions d'ilots et de sillons de plusieurs dizaines de microns. Etant donné ie nombre élevé d'ilots contenus par une cible ayant par exemple 100 mm de diamètre, l'altération du signal due au fait que celui-ci est fonction d'une moyenne effectuée sur 2 ou 4 ilots est négligeable. Une cible ayant une structure en mosaïque peut également être utilisée pour le tube de la figure 1, ce qui permet d'ameliorer sa résolution. L'avantage du tube décrit est sa simplicite, puisqu'il regroupe en un seul dispositif les fonctions de déteetion et de mémorisation. Les dispositifs connus de détection de rayons X, notamment les tubes intensificateurs d'images radiologiques ont une sensibilité supérieure à celle du tube décrit mais doivent être associés à un tube à mémoire lorsque l'on veut conserver l'image d'un objet à un instant donné, ou bien prendre une succession d'images d'un objet lentement variable pour obtenir un film en accéléré et diminuer ainsi la dose de rayonnement reçue par le patient. Cette association entrainant une diminution du rendement global de détection, on obtient finalement des valeurs comparables à celles du tube décrit. PEVENDICATIONS 1. Tube de prises de vue permettant de recueiliir sur une cible photoconductrice un rayonnement incident et de fournir un signal électrique en relation avec la dose de rayonnement reçue, ledit tube comportant, à l'intérieur d'une enveloppe dans laquelle on a fait le vide munie d'une fenêtre permettant audit rayonnement d'atteindre ladite cible et d'y provoquer des variations locales de conductivité, des moyens d'exploration de ladite cible par un faisceau d'électrons et des moyens de détection de la variation locale de charge produite dans ladite cible par ledit faisceau, fournissant ledit signal électrique, ledit tube étant caractérisé en ce que la cible est une lamelle constituée d'un matériau résultant du mélange d'oxyde de bismuth et d'un des deux oxydes de silicium et de germanium. 2. Tube de prises de vue selon la revendication 1, earac- térisé en ce que ledit matériau est mono cristallin. 3. Tube de prises de vue selon la revendication 1, carac térisé en ce que ledit matériau est polycristallin. 4. Tube de prises de vue selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite lamelle est gravée selon une disposition en lignes et en colonnes de façon à constituer une mosalque. 5. Tube de prises de vue selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'exploration rét > blis- sent à chaque exploration le potentiel de la face de la cible recevant ledit faisceau à une valeur de référence. 6. Tube de prises de vue selon la revendication 5, carac térisé en ce que ledit signal électrique caractérise l'image d'un objet ayant une transparence spatialement variable audit rayonnement, l'exposition de la cible au rayonnement et son exploration par le faisceau en vue de la détection étant simul tanées, de façon à permettre l'analyse en temps réel de ladite image. 7. Tube de prises de vue selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'exploration ntinflu- encent pas la répartition de charges dans la cible provoquée par ledit rayonnement. 8. Tube de prises de vue selon les revendications 4 et 7, caractérisé en ce que ledit signal électrique caractérise l'image d'un objet ayant une transparence spatialement variable audit rayonnement et en ce que ltexploration de a cible par le faisceau d'électrons peut être effectuée plusieurs fois après l'exposition au rayonnement.