Brevet FR2425098A1 — publié le 19791130

La présente invention se rapporte à la radiographie médicale et, plus particulièrement, à un nouvel appareil de production de radiographies de qualité convenable tout en permettant une réduction du temps d'exposition aux rayons X. Les dispositifs électrostatiques connus pour l'enregistrement des images de rayons X peuvent faire usage d'une photocathode comme émetteur direct de photoeiectrons de rayons X comme le décrivent K.H. Reiss et G. Lange dans l'ouvrage Phys. Med. Biol. 1973, vol. 18, NO 5, pages 695-703. Le dispositif que l'on décrit ici est du type comportant une chambre remplie de gaz et ayant une cathode plane espacée d'une anode plane entre lesquelles on applique une différence de potentiel. La cathode plane est en, ou est revetue, d'un métal lourd. On place une feuille en matériau isolant tel que du plastique ou l'équivalent, adjacente au côté de l'anode qui fait face à la cathode.Une image de rayons X est dirigée sur la cathode pour que celle-ci émette en réponse des photoélectrons ; les photoélectrons sont accélérés dans l'in- tervalle rempli de gaz, et entrent en collision avec des molécules pour former des paires électrons-ion afin drobtenir un gain par un "effet d'avalanche" dans le gaz. I1 s'ensuit sur la feuille isolante un dépôt de charges électriques qui forment un dessin correspondant au dessin d'intensité variable du aux rayons X frappant le dispositif. Après exposition, on développe le dessin des charges électrostatiques sur la feuille de plastique au moyen de techniques électrophotographiques classiques.Le principal incon vénient d'un tel dispositif est que seuls les rayons X qui sont absorbés à quelques microns de la surface de la cathode plane peuvent provoquer l'éjection de photoélectrons dans l'espage gazeux. Par exemple, dans le cas d'une cathode formée d'or ou de plomb, la profondeur efficace de libération d'un photoélectron X est inférieure à 1000 A et l'absorption efficace d'un quantum X pour une ttîe couche mince est habituellement inférieure à environ 0,5 %. Cette faible valeur d'absorption efficace d'un quantum X se conserve pour des cathodes planes fabriquées à partir de matériaux photocathodiques classiques, même pour de l'iodure de césium (CsI) I1 s'ensuit que l'efficacité d'une cathode sous forme de plaque plane est très faible et l'on ne peut obtenir une bonne qualité des-images électrostatiques des rayons X, avec ces dispo sitifs, qu'en utilisant des taux d'irradiation aux rayons X élevés Par conséquent, un tel dispositif ne convient pas pour une radiographie médicale ob de forts taux d'irradiation aux rayons X sont nuisibles pour le patient. Il est donc souhaitable d'avoir un dispositif de radiographie par rayons X qui permette la réduction du taux d'irradia- tion aux rayons X du patient tout en conservant une qualité et une résolution comparable de la radiographie. Selon l'invention, un nouvel appareil pour la radiographie par rayons X comprend : une paire d'électrodes conductrices espa cées, la première électrode étant conçue pour transmettre pratiquement les rayons X différemment absorbés qui la frappe dans l'espace interélectrodes ; une feuille en matériau isolant adjacente à la surface de la seconde électrode et qui regarde vers ltintérieur ; un dispositif pour engendrer un champ électrique orienté de la seconde électrode vers la première ; et une photocathode 1,structurée", c'est-a-dire ayant un réseau dessiné en matériau photocathodique, tel que CsI ou ltéquivalent, élaboré sur la face de la première électrode tournée vers 1' intérieur, afin d'émettre des électrons en réponse à la réception des rayons X, différemment absorbés.La photocathode structurée est agencée en un réseau bi-dimensionnel d'un matériau photocathodique dont la forme est choisie pour inclure, soit un réseau de colonnes pratiquement carrées de photocathode ; une grille bidimensionnelle de photocathode ayant des évidemments pratiquement carrés qui la traverse ; un bloc de photocathode traversé par des ouvertures cylindriques formées par croissance puis gravure d'un eutectique et un réseau bi-dimensionnel de barreaux en matériau non photocathodique, formé par croissance et gravure dlun eutectique et ayant une couche annulaire de matériau photocathodique élaboré autour de chaque barreau. Le rayonnement X, différemment atténué lors de son passage à travers l'objet à étudier, passe au travers de la première électrode pour entrer dans la photocathode structurée et y provoquer une émission de photoélectrons vers la seconde électrode. La pho tocathode structurée fournit une grande surface de libération des électrons qui sont accélérés vers la seconde électrode par le champ électrique pour déposer un dessin de charges sur la feuille isolante à partir de laquelle, au moyen de technique de développement connues, on obtient une radiographie de rayons X de grande définition. Par conséquent la présente invention a pour but de fournir un nouvel appareil ayant une cathode structurée permettant une radiographie avec une faible exposition aux rayons X. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue de côté d'un nouvel appareil de radiographie à rayons X selon les principes de cette invention, Figures la et lb, des vues en perspective de deux photocathodes structurées possibles que l'on peut utiliser dans l'appareil de la présente invention, et Figures 2a et 2b des vues en perspective de parties d'autres réalisations de photocathodes produites par des techniques de croissance d'eutectique, et convenant à une utilisation dans l'appareil de la présente invention. En se rapportant à la figure 1, un appareil de radiographie par rayons X 10 reçoit un rayonnement X 11 issu d'une source (non représentée pour des raisons de simplicité). Le rayonnement est sélectivement atténué lors de son passage à travers l'objet 12 à étudier. Les photons X 11a ne traversent pas l'objet et ne sont pas absorbés, tandis que les photons X 11b et 11c, respectivement, doivent traverser des épaisseurs moins grandes et plus grandes des parties respectives 12a et 12b de l'objet et sont donc respectivement différemment absorbés selon un degré moindre ou un degré plus élevé. Le rayonnement X différemment absorbé frappe une surface externe 14a d'une première électrode conductrice 14, écartée d'une distance D choisie d'une seconde électrode conductrice 15, et disposée parallèlement à cette dernière. On aura avantage à utiliser, au moins pour la première électrode 14, un matériau lé- ger tel que l'aluminium ou ltequivalent, et qui n'absorbe pratiquement pas les photons X ayant des énergies communément utilisées dans les appareils de diagnostic médical, soit de l'ordre de 60 keV.On relie une source de tension électrique 16 d'amplitude V entre la première électrode 14 et la seconde électrode 15 et l'on choisit la polarité de sorte que le champ électrique en gendré ait la direction de la flèche E, c'est-à-dire soitdirigé de la seconde électrode 15 vers la première électrode 14. Initialement, on place parallèlement et pratiquement au contact de la surface intérieure 15a de la seconde électrode, une feuille amovible en matériau isolant, tel que du plastique ou l'équivalent L'intervalle compris entre la première et la seconde électrode 14 et 15 est avantageusement rempli par un gaz "provoquant une amplification par avalanche" tel que de l'air, de l'argon ou l'équiva- lent, pour obtenir une multiplication des charges. On élabore, une photocathode structurée 20, de préférence, en matériau photocathodique tel que lliodurede césium (CsI) ou l'équivalent, sur la face intérieure 14b de la première électrode 14 ; cette photocathode se prolonge sur une distance H (H ( D) dans l'intervalle 18 vers la seconde électrode 15. La structure de la photocathode 20 a une géométrie qui accrolt la zone (surface) photoémissive tout en accroissant simultanément la valeur de l'absorption des rayons- X c'est-à-dire la profondeur efficace pour l'émission d'électrons en réponse à la réception d'un photon X. Dans une réalisation souhaitable de la photocathode structurée (figure la), on utilise une géométrie en colonnes.On grave des sillons 14c selon un dessin de grille sur la surface 14b de la plaque métallique plane formant la première électrode 14 pour créer un réseau bidimensionnel de bases surélevées 14d, et sur chacune d'entre elles on élabore une colonne 21 en iodure de césium ayant pratiquement la forme d'un parallélépipède rectangle au moyen de techniques de croissance structurale telle que l'éva- poration sous vide , l'évaporation de paroi chaude ou l'equiva- lent. Chaque colonne 21 a de préférence une section droite pratiquement carrée avec des cotés de largeur W qui peuvent être de l'ordre de 0,15 millimètre. On forme une entaille, de dimension S de l'ordre de 0,025 mm entre les parois en regard des colonnes adjacentes. Ainsi, les colonnes adjacentes sont espacées les unes des autres d'une distance entre axes A d'environ 0,175 mm. Les colonnes ont une hauteur H d'environ 0,25 mm. Les photons X différemment absorbés viennent frapper (figure 1) la première électrode 14 et sont pour la plupart absorbés dans les colonnes 21 de la photocathode structurée. Un photon X est absorbé par le matériau photocathodique par exemple en un point P à l'intérieur d'une des colonnes 21, et des photoélectrons 24 sont émis à partir de ce point sous un angle 9 par rapport au grand axe R de chaque bloc, axe qui est pratiquement perpendiculaire au plan de la première électrode. Les photoélectrons sont émis soit dans l'espace 22 entre les colonnes 21 soit dans l'intervalle 18 vers la seconde électrode 15.Les photoélectrons créés au voisinage de la surface de chaque colonne ont une relativement forte probabilité de s'en échapper; la probabilité de libération croit avec la surface de la photocathode, et par suite structurer la photocathode pour obtenir une surface plus grande provoque une plus grande émission de photoélectrons par rapport à celle d'une photocathode plane. Les photoélectrons 24 peuvent être plus ou moins énergétiques s'ils sont formés respectivement plus près ou plus loin de la surface d'une colonne 21. Les électrons les moins énergétiques (lents ou secondaires) émis dans une encoche 22 sont extraits de cette encoche et pénètrent dans l'intervalle 18 sous l'action du champ électrique appliqué E.Les pho toélectrons 24 les plus énergétiques (rapides ou primaires) émis au travers d'une entaille 22 vers une colonne adjacente 21 pénètreront dans le matériau photocathodique de la colonne adjacente -et créeront des paires électron-ions par perte d'énergie, ce qui fait que les électrons primaires émis sous de grands angles 9 sont absorbés ce qui évite la perte de résolution. Les électrons émis dans l'intervalle 18 sont attirés vers la seconde électrode 15 par le champ électrique externe E appliqué et sont accélérés à l'intérieur du gaz remplissant l'intervalle où ils provoquent une amplification par avalanche. Le dessin amplifié des électrons est déposé au voisinage de la surface équipotentielle la plus positive soit la surface tournée vers l'inte- rieur 17a de la feuille.On peut alors développer l'image de la charge électrostatique ainsi formée sur la feuille isolante 17 au moyen de techniques xérographiques classiques ou par des techniques équivalentes pour former une image perceptible à l'oeil On a trouvé que le photocourant induit par les rayons X (dans le vide), pour une photocathode 2Q en iodure de césium et dont la structure est sous forme de colonne, croit en fonction de l'intensité du champ électrique jusqu'à ce qu'il y ait saturation à une certaine intensité maximale du champ, de l'ordre de 33 > \v/cmO Le photocourant pour une cathode en iodure de césium plate dont l'épaisseur est la même, soit environ 0,25 mm, est pratiquement indépendant de l'intensité du champ électrique.La photocathode en iodure de césium à structure particulière a un gain qui est environ 6 fois plus grand que celui d'une photocathode plate en iodure de césium, et ce pour une intensité du champ d'environ 3000 V/cm, et lorsqu'on l'éclaire par une source de rayons X fonctionnant à environ 84 kVp. On se referera maintenant à la figure lb, une seconde structure souhaitable pour la photocathode 20' comprend une grille 23 pratiquement carrée en matériau photocathodique, où l'on a formé un réseau bidimensionnel d'ouvertures 24 pratiquement carres. On élabore cette grille en gravant des surfaces correspondantes 14b de la première électrode et en faisant croitre le matériau photocathodique sur le dessin de grille en relief 14c' qui en résulte. On doit comprendre que l'on peut utiliser un élément de grille métallique séparé comme substrat de départ pour la structure de grille, cet élément de grille étant placé parallèlement et électriquement relié à la première électrode 14. On a trouvé qu'une structure de grille dont la distance de séparation entre les lignes B est de l'ordre de 17 microns, dont la margeur de matériau photocathodique V est de l'ordre de 20 microns, et dont la hauteur de grille H de l'ordre de 100 microns améliore d'un facteur 3-5 environ l'efficacité de l'absorbe tion quantique des rayons X, par rapport à celle d'une photocathode plane utilisant le même matériau (iodure de césium). on se référera maintenant aux figures 2a et 2b. On peut former des structures convenables de photocathodes -en iodure de césium au moyen de la technique de croissance d'eutectique. On fait croître une première structure de photocathode 20" qui comprend un bloc plein 26 de matériau photocathodique dans lequel on a formé un réseau bi-dimensionnel d'ouvertures pratiquement cylindriques 27. Les photoélectrons primaires sont émis principalement à partir des surfaces des ouvertures cylindriques 27, bien que des photoélectrons seront aussi émis à partir de la face 26 a du bloc la plus proche de la seconde électrode 15. La photocathode "perforée" de cette réalisation est obtenue par croissance d'un eutectique composé pratiquement de 45 moles pourcent d-'iodure de sodium (NaI) et de environ 55 moles pourcent d'iodure de césium ; cet eutectique a une température de point de fusion d'environ 4350c. L'eutectique qui croit à partir de cette fusion a à la fois une structure de type colonnaire et lamellaire. Dans la structure colonnaire utilisée pour la photocathode 20" les colonnes sont composées de NaI et ont chacune environ 10 microns de diamètre D et un entraxe Y de l'ordre de 13 microns dans le réseau irregulier. On peut faire varier les dimensions des colonnes d'iodure de sodium en faisant varier la vitesse de tirage de l'eutectique hors de la fusion. On peut graver les colonnes d'iodure de sodium avec des liquides comme l'acétone ou l'équivalent. Une autre possibilité pour la croissance d'une structure de photocathode 20111 (figure 2b) consiste à cristalliser une plaque plane 30-d'un eutectique de fluorure de sodium (NaF) et de chlorure de sodium (NaCl) de la façon décrite par J.A. Batt et collègues dans 48 Ceramic Bulletin 622 (1969). L'eutectique cristallisé forme plusieurs colonnes de NaF 31 pratiquement parallèles noyées dans une matrice de chlorure de sodium. Le rapport de NaF à NaCl (en volume) est fixé à 22,5 % à 1 par les propriétés de cet eutectique. On peut régler le diamètre F de la colonne de NaF en établissant une vitesse de refroidissement souhaitée pour la cristallisation ; l'écartement entre axes Z des colonnes 31 est proportionnel au diamètre des colonnes et au rapport des volumes fixé ci-dessus.On grave la matrice de chlorure de sodium par de la vapeur d'eau pour mettre à nu la colonne de fluorure de sodium sur une longueur L d'environ 0,15 mm. On fabrique alors une mince couche annulaire d'iodure de césium, d'épaisseur T environ 5 microns, soit par évaporation, soit par revêtement en four chaud, soit par immersion dans une solution d'iodure de césium ou l'qui valent, autour de la surface cylindrique de chaque colonne 31, dont un diamètre souhaitable F est de l'ordre de 16 microns. La photocatode structurée 20''' absorbe 12 % environ des rayons X qui la frappent, absorption qui est équivalente à celle d'une photocathode plane en iodure de césium de 0,0375 mm d'épaisseur. La surface photoémissive efficace de plusieurs photocathodes pratiquement cylindriques 32 est d'environ 10 fois plus grande que celle d'une couche-photocathodique plane ayant la même surface totale, et de plus le petit diamètre total de chaque photocathode permet une résolution spatiale relativement bonne. REVENDICATIONS 1- Appareil de radiographie aux rayons X caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode conçue pour transmettre un dessin d'un rayonnement différemment absorbé, une seconde électrode écartée de cette première électrode, une feuille de matériau isolant adjacente à la surface de la seconde électrode tournée vers la première électrode, un dispositif pour établir un champ électrique entre cette première et cette seconde électrode, et -une photocathode structurée, élaborée sur la surface de la première électrode tournée vers la seconde électrode, cette photocathode émettant des particules chargées en réponse au rayonnement, le champ agissant sur les particules en vue de leur collecte sur la feuille isolante. 2 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que la photocathode structurée est formée d'iodure de césium 3 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que la photocathode structurée est un réseau bidimensionnel de colonnes parallélépipédiques pratiquement rectangulaires, chacune de ces colonnes étant pratiquement perpendiculaire à la surface de la première électrode. 4 - Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'on a élaboré sur la surface de cette première électrode tournée vers la seconde électrode un réseau de plusieurs parties surélevées, chacune de ces parties surélevées servant pratiquement de base pour une de ces colonnes. 5 - Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que chacune de ces colonnes a une section droite pratiquement carrée parallèle à la surface de la première électrode. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport de la longueur d'un côté de chaque colonne à l'ecarte- ment entre deux colonnes adjacentes est d'environ 2/1 à 6/1. 7 - Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce que la hauteur de chacune des colonnes au dessus de la surface de'la première électrode tournée vers la seconde électrode est superieu- re à la longueur du côté de la colonne. 8 - Appareil se-lon la revendication 6 caractérisé en ce que chaque colonne a une hauteur d'environ 0,25 mm. 9 - Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce que chaque côté de la colonne a une longueur d'environ 0,05 à 0,15 mm. 10 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que la photocathode structurée est une grille de matériau photocathodique ayant un réseau bi-dimensionnel d'ouvertures qui la traverse, chaque ouverture étant essentiellement perpendiculaire à la surface de première électrode. 11 - Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que la surface de cette première électrode tournée vers la seconde électrode possède un réseau de plusieurs parties en creux es pacées les unes des autres, une grille surélevée étant formée entre les parties en creux afin de servir de base à la grille de la photocathode. 12 - Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que chacune de ces ouvertures est pratiquement carrée. 13 - Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que la dimension d'un côté de chaque ouverture est inférieur à 1/2 fois la distance entre les mêmes bords des ouvertures adjacentes. 14 - Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque côté de l'ouverture a environ 7 microns de long et la distance entre les mêmes bords d'ouvertures adjacentes est environ 17 microns. 15 - Appareil selon la revendication 13 caractérisé en ce que la hauteur de cette grille au dessus de la surface de la pre mière électrode tournée vers la seconde électrode est supérieure a toute dimension des côtés de cette ouverture. 16 - Appareil selon la revendication 15 caractérisé en ce que cette grille a une hauteur d'environ 50 à 100 microns au dessus de la surface de cette première électrode, tournée vers la seconde électrode. 17 - Appareil selon la revendication-l caractérisé en ce que la photocathode structurée est un bloc de matériau photocathodique ayant un réseau d'ouvertures qui le traverse. 18 - Appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce que la photocathode structurée est un bloc de matériau photocathodique ayant un réseau d'ouvertures qui le traverse. 19 - Appareil selon la revendication 18 caractérisé en ce que le diamètre de chaque ouverture est de tordre de 10 microns et l'ecartement entre les ouvertures adjacentes est de l'ordre de 13 microns 20 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la photo cathode structurée comprend un réseau bi-dimensionnel de colonnes pratiquement parallèles d'un matériau non photocathodique, chaque colonne étant pratiquement perpendiculaire à la surface de la première électrode tournée vers la seconde électrode, et une couche de matériau photocathodique élaborée autour de chaque colonne pratiquement tout le long de la longueur de la colonne 21 - Appareil selon la revendication 20 caractérisé en ce que les colonnes sont pratiquement cylindriques, chaque colonne ayant une couche annulaire de matériau photocathodique élaboré sur sa surface éE-trique externe. 22 - Appareil selon la revendication 21 caractérisé en ce que chaque colonne a une hauteur de 0,15 mm au dessus de la surface de la première électrode tournée vers la seconde électrode. 23 - Appareil selon la revendication 21, caractérisé en ce que chaque colonne a un diamètre de l'ordre de 0,4 mm. 24 - Appareil selon la revendication 23, caractérisé en ce que la couche de matériau photocathôdique annulaire autour de chaque colonne a une épaisseur de l'ordre de 5 microns. 25 - Appareil selon la revendication l caractérisé en ce qu'il comprend-de plus un mllieu d'amplification par avalanche qui remplit le volume restant entre la première et la seconde électrode.