Brevet FR2538948A1 — publié le 19840706

TUBE A RAYONS X A BALAYAGE La présente invention concerne un tube à rayons X à balayage, utilisable en radiologie notamment dans le domaine du radio- diagnostic, et particulièrement bien adapté au domaine de la radio- logie numérique. Dans ce dernier domaine il est courant de balayer une zone à analyser, dite zone objet, par un faisceau de rayons X, ce balayage pouvant être réalisé par un mouvement soit de la source de rayons X, soit de la zone objet, soit d'une zone o est formée l'image de l'objet. Ce mouvement de la source de rayons X peut être obtenu par un déplacement du tube à rayons X, grâce à des moyens mécaniques par exemple, ou par une action accomplie dans le tube lui-même; le mouvement de la source étant, dans ce dernier cas, limité notam- ment par des caractéristiques dimensionnelles d'organes contenus dans le tube à rayons X. Un tube à rayons X comporte généralement une cathode, émettrice d'un faisceau d'électrons générés par un filament chauffé auquel est adossé un élément de concentration du faisceau d'élec- trons et, une cible anodique sur laquelle est projeté ce faisceau d'électrons; une zone d'impact de ceux-ci sur la cible anodique représente l'origine des rayons X et, constitue le foyer du tube et la source du rayonnement X Aussi, un mouvement de la source de rayons X peut être réalisé en modifiant la position, sur la cible anodique, de la zone d'impact des électrons; il est couramment utilisé à cet effet, des moyens de déflexion du faisceau d'électrons. Ces moyens de déflexion sont généralement constitués par des lentilles magnétiques ou électrostatiques, disposées sur le trajet du faisceau ou à proximité de ce trajet, entre la catode et la cible anodique;ils exigent pour leur actionnement une énergie non négli- geable, l'énergie de déviation nécessaire pouvant être importante du fait de l'énergie cynétique des électrons. Il est à remarquer également qu'un tube à rayons X agencé pour comporter de tels moyens de déflexion, est d'un coût considé- rablement plus élevé qu'un tube à rayons X ordinaire. La présente invention concerne un tube à rayons X à balayage, dans lequel une déflexion du faisceau d'électrons par effet élec- trostatique peut être obtenu avec une faible énergie de déviation, sans user de lentille placée entre la cathode et la cible anodique; par son agencement, un tube à rayons X conforme à l'invention présente une faible augmentation du coût par rapport à un tube à rayons X ordinaire. Selon l'invention, un tube à rayons X à balayage comportant une cathode, émettrice d'un faisceau d'électrons, cette cathode étant munie d'un filament générateur d'électrons et d'un élément de concentration du faisceau d'électrons, est caractérisé en ce que cet élément de concentration comporte au moins deux pièces métal- liques électriquement isolées l'une de l'autre et du filament, pour permettre par rapport à ce dernier leur polarisation indépendante et une déflexion du faisceau d'électrons. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, et aux quatre figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 est relative à l'art antérieur et montre schémati- quement un tube à rayons X ordinaire; la figure 2 montre schématiquement, un tube à rayons X conforme à l'invention; la figure 3 montre un schéma de principe d'alimentation électrique d'un tube à rayons X conforme à l'invention. la figure 4 montre un diagramme concernant la polarisation de l'élément de concentration. La figure 1 montre un tube à rayons X 1 selon l'art antérieur, représenté par un cadre en traits pointillés, et contenant un filament 2, un élément de concentration 3 formé d'une pièce métal- lique adossée au filament 2, et une cible anodique 4 partiellement représentée; ces derniers éléments étant supportés et alimentés d'une manière connue et non représentée. 3 - Le filament 2 et l'élément de concentration 3 forment un ensemble symétrique, par rapport à un plan perpendiculaire au plan de la figure 1 et contenant un axe 5 d'émission passant par le filament 2; cet ensemble formé par le filament 2 et l'élément de concentration 3, constitue une cathode C. La cathode C délivre selon l'axe d'émission 5, un faisceau d'électrons F attirés par la cible anodique 4, sur laquelle il déter- mine un foyer 9 d'o sont émis des rayons X non représentés. Dans cette disposition qui est classique la concentration du faisceau d'électrons F, matérialisée par une dimension D du foyer 9, ainsi que l'axe d'émission 5 du faisceau d'électrons F sont déterminés par la géométrie de la cathode C Compte tenu de cette symétrie de la cathode C, un champ électrique (non représenté) est établi de manière également symétrique autour du filament 2; cette symétrie du champ électrique déterminant au faisceau d'électrons F, son axe d'émission 5 contenu dans le plan de symétrie L'élément de concen- tration 3 peut être 5 soit relié au filament 2; soit isolé de ce dernier, par rapport auquel dans ce dernier cas, il peut être porté à un potentiel différent généralement négatif Ceci permet, en modi- fiant le champ électrique qui conserve sa symétrie précédemment mentionnée, de déterminer au faisceau d'électrons F une concen- tration différente, non représentée; le faisceau d'électron F ayant conservé son axe d'émission 5. Cette description d'un tube à rayons X 1 selon l'art antérieur, dans lequel aucune déflexion du faisceau d'électrons n'est obtenue, permet de mieux comprendre l'invention montrée par la figure 2, dans laquelle une structure nouvelle permet d'agir sur la symétrie du champ électrique entourant le filament 2. La figure 2 montre un tube à rayons X 10 conforme à l'inven- tion, représenté par un cadre en traits pointillés, et contenant un filament 2, un élément de concentration 3 adossé au filament 2, et une cible anodique 4; ainsi que dans l'exemple de la figure 1, le filament 2 et l'élément de concentration 3 constituent une ca- thode CI -4 - Dans l'exemple non limitatif décrit et contrairement à l'art antérieur, l'élément de concentration 3 est constitué notamment d'une première et d'une seconde pièce métallique 12, 13, électri- quement isolées l'une de l'autre par une cloison isolante 6 solidaire d'une embase isolante 7 Chacune de ces pièces 12, 13,comportant des surfaces métalliques 14, 15, est disposée symétriquement par rapport au filament 2 et à un plan 58 de symétrie perpendiculaire à la figure; ce plan, contenant d'une part le premier axe d'émission 5, et d'autre part un axe du filament 2 perpendiculaire au plan de la figure 2 et représenté par un point 8,constitue un plan 5 8 de symé- trie de l'ensemble élément de concentration 3 et filament 2. Les première et seconde pièces métalliques 12, 13 étant éga- lement isolées électriquement du filament 2, cette disposition permet de leur appliquer, par rapport au filament 2, une première et une seconde tension de polarisation négatives (non représentées sur la figure 2) indépendantes l'une de l'autre. L'élément de concentration 3 est ainsi capable d'assurer deux fonctions: l'une de concentration du faisceau d'électrons F l'autre de déflexion de ce faisceau dans un plan perpendiculaire au plan 58 de symétrie. En supposant que ces tensions de polarisation aient une même valeur, nulle par exemple, la cathode CI peut générer selon l'axe d'émission 5, un faisceau d'électrons F qui détermine sur la cible anodique 4 le foyer 9; un champ électrique (non représenté) étant établi autour du filament 2 d'une manière symétrique, et la concen- tration du faisceau d'électrons F étant assurée par la géométrie de la cathode Cl, ainsi qu'il a été précédemment expliqué. Ceci correspond à une utilisation du tube à rayons X 10 selon l'invention, sans déflexion du faisceau d'électrons F, l'axe d'émis- sion 5 constituant alors également un axe de repos 5 correspondant à une position de repos de ce faisceau d'électrons. Pour obtenir une déflexion de ce dernier, c'est-à-dire, lui conférer une direction moyenne différente de l'axe d'émission 5 ou axe de repos 5, il suffit d'apporter une dissymétrie au champ -5 - électrique formé autour du filament 2, en donnant aux tensions de polarisation des première et seconde pièces métalliques 12, 13, des valeurs différentes; l'une de ces valeurs pouvant même être nulle, mais aucune ne devant être positive Un sens de cette déflexion par rapport à l'axe de repos 5, par exemple positif montré par la flèche 20, ou négatif montré par la flèche 21, étant déterminé en fonction d'une différence positive ou négative entre ces tensions de polarisation. En appliquant par exemple à la seconde pièce métallique 13, une seconde tension de polarisation négative, la première tension de polarisation appliquée à la première pièce 12 étant nulle: la cathode CI génère un faisceau d'électrons Fa, (représenté en traits pointillés), ayant par exemple une première direction moyenne 5 a et dont l'impact sur la cible anodique 4 provoque un second foyer -9 a; l'amplitude de cette déflexion, représentée par un angleo(entre le premier axe d'émission 5 ou axe de repos 5 et cette direction moyenne 5 A, étant fonction du niveau de la différence entre ces tensions de polarisation Il est possible d'obtenir une déflexion dans un sens négatif montré par la flèche 21, en appliquant à la première pièce métallique 12 une tension de polarisation négative, la seconde tension de polarisation étant nulle à son tour; ceci détermine au faisceau d'électrons une seconde direction moyenne 5 b et provoque un troisième foyer 9 b Il est ainsi possible de déterminer au faisceau d'électrons F, N directions moyennes 5 a, 5 b, j 5 n, déterminant N foyers 9 a, 9 b, 9 n. Un avantage de cette structure est que les surfaces métal- liques 14, 15 servant à la déflexion étant très proches du filament 2, les tensions nécessaires à cette déflexion sont faibles, (de l'ordre de quelques dizaines de volts à quelques centaines de volts) En effet les électrons étant déviés au niveau de la cathode CI, leur énergie cynétique à ce niveau est faible et il faut peu d'énergie de déviation; en conséquence, la pervéance de l'émetteur est peu affectée. -6- Un autre avantage réside en ce que les tensions de polarisation étant faibles, les problèmes d'isolation électrique sont réduits et permettent de réaliser une cathode CI de faible encombrement, dont les dimensions peuvent être égales à celles d'une cathode C réalisée selon l'art antérieur. Cette description constitue un exemple non limitatif d'un tube à rayons X 10 selon l'invention, la pièce de concentration 3 pouvant avoir une forme différente et comporter N pièces métalliques (non représentées) électriquement indépendantes les unes des autres et du filament 2 Les pièces métalliques 12, 13 peuvent être disposées de manière asymétrique par rapport au filament 2, en leur donnant par exemple une direction différente; cette version de l'invention est illustrée sur la figure 2 par une limite 11, représentée en traits pointillés, qui confère à la seconde pièce métallique 13 une épais- seur E inférieure à une épaisseur E de la première pièce métal- lique 12 Cette asymétrie détermine au faisceau d'électrons F une direction moyenne de repos, confondue par exemple avec la seconde direction moyenne 5 b, ou avec la première direction moyenne 5 a si cette asymétrie s'exerce dans un sens contraire à celui de l'exemple non limitatif décrit Dans le cas de cette asymétrie une telle direction moyenne de repos 5 a, 5 b est obtenue en l'absence de différence entre les première et seconde tension de polarisation; une déflexion du faisceau d'électrons F s'opérant dans un sens positif 20 ou négatif 21, par rapport à cette direction moyenne de repos. La figure 3 montre, à titre d'exemple non limitatif, un schéma électrique d'alimentation du tube à rayons X 10 conforme à l'inven- tion. Dans le tube à rayons X 10 la cible anodique 4 est reliée à une première connexion exté- rieure 31; le filament 2 est relié par ses extrémités 2 A, dont une est masquée sur la figure à un premier et second moyen de connexion inté- rieurs 22, 23, situés sur l'embase isolante 7 de l'élément de concen- tration 3; ce premier et second moyen de connexion intérieurs étant -7 - respectivement reliés à un second et troisième connecteur exté- rieurs 24, 25; l'élément de concentration 3 comporte également sur l'embase 7, un troisième et quatrième moyen de connexion intérieurs 40, 41 res- pectivement en contact avec la première et la seconde pièce métallique 12, 13, et reliés à un quatrième et cinquième point de connexion extérieurs 42, 43. Par le premier moyen de connexion intérieur 31, la cible anodique 4 est reliée à une sortie + HT d'un générateur de haute tension 33, réalisé de manière classique; ce générateur de haute tension 33 comporte une sortie HT reliée par l'intermédiaire d'un point commun PC et du second moyen de connexion extérieur 25, à une extrémité 2 a du filament 2 Ceci réalise la connexion de haute tension entre la cible anodique 4 et la cathode Cl. Les second et troisième moyens de connexion exté- rieurs 24, 25, sont reliés à des sorties 37, 39 d'un générateur de tension de chauffage 38 servant à alimenter le filament 2; ce générateur de tension de chauffage 38 pouvant comporter par exemple, d'une manière classique, un transformateur non représenté. Les quatrième et cinquième moyens de connexion extérieurs 42, 43, correspondant à la première et à la seconde pièce métallique 12, 13, sont respectivement reliés à une sortie négative VI et une sortie négative V 2 d'un premier et second générateur basse tension 34, 35; des sorties positives 28, 29 de ces générateurs basse tension 34, 35 étant dans l'exemple non limitatif décrit, reliés également au point commun PC Ces générateurs 33, 34, 35,38 pouvant être alimentés d'une manière classique, (non représentée) en partant d'une source de tension alternative par exemple. Ceci réalise les connexions d'alimentation du filament 2 et permet l'application aux première et seconde pièces métal- liques 12, 13 des première et seconde tensions de polarisation VI, V 2 d'une manière indépendante, ces tensions étant référencées par rapport à une extrémité 2 A du filament 2 Les générateurs basse tension 35, 36 peuvent être réglables manuellement, de manière à 8 - fournir une tension de polarisation VI, V 2 variable de manière continue ou par bonds; ces générateurs 35, 36 pouvant être éga- lement ajustables à distance, par des moyens classiques non repré- sentés ou éventuellement programmés. La figure 4 montre un exemple non limitatif, selon lequel les tensions de polarisations Vl,V 2 peuvent être appliquées pour pro- voquer une déflexion du faisceau d'électrons F; cette déflexion produisant un balayage continu de la cible anodique 4. On trouve: à un instant t O: en A, la première tension de polarisation VI a une valeur égale à zéro; en B, la seconde tension de polarisation V 2 a également une valeur égale à zéro Cette situation correspond à celle (montrée figure 2) dans laquelle l'axe du faisceau d'électrons F est constitué par l'axe de repos 5. à l'instant ti en A, la première tension VI a une valeur Vla; en B, la seconde tension V 2 a une valeur égale à zéro Cette situation correspond à celle o la trajectoire du faisceau d'électrons F s'effectue selon la seconde direction moyenne 5 b; la différence déterminée par VI-V 2 étant négative; à un instant t 2: en A la première tension VI a une valeur zéro; en b la seconde tension V 2 est égale à zéro L'axe du faisceau est revenu à la position de l'axe de repos 5; à un instant t 3: en A, la premère tension VI est égale à zéro; en B, la seconde- tension V 2 est égale à une valeur V 2 a Cette situation correspond à celle o la trajectoire du faisceau d'électrons F s'effectue selon la première direction moyenne 5 a la différence déterminée par VI-V 2 étant positive. Il est également possible de réaliser des déflexions du faisceau d'électrons F selon des modes différents, en fonction notamment de la forme, de l'amplitude et de la phase relative entre les deux tensions de polarisation Vl,V 2. -9 - Il peut être nécessaire de conserver au faisceau d'électrons F, au cours d'un balayage, une concentration sensiblement équivalente à celle qu'il comporte en position de repos Dans ce cas les tensions de polarisations VI,V 2 peuvent être appliquées aux pièces, métal- liques 12,13 comme il est montré par la figure 2 à partir d'un instant t 5. On trouve: à l'instant t 5 en A' la première tension VI de polarisation est égale à zéro, et commence à croître à partir de cet instant; en B, la seconde tension V 2 de polarisation est également à zéro et commence également à croître à partir de cet instant. à l'instant t 6: en A, la première tension Vi a une valeur Vla; en B, la seconde tension V 2 a une valeur V 2 b inférieure à Vla La déflexion du faisceau d'électrons F s'opère selon un sens négatif 21, avec une amplitude (non représentée) inférieure à l'exemple précédent; mais dans ce dernier cas la concentration initiale du faisceau F est sensiblement conservée si le rapport Vla est choisi en conséquence; à l'instant t 7: V 2 b en A, la première tension VI est égale à zéro; en B la seconde tension V 2 est égale à zéro Le faisceau F est revenu à la position de repos o il comporte l'axe de repos 5 à l'instant t 8: en A, la première tension VI a une valeur Vlb, égale à la va- leur V 2 b; en B, la seconde tension V 2 a une valeur V 2 a La déflexion du faisceau F s'opère selon un sens positif 20, avec une amplitude (non représentée) égale à celle obtenue à l'instant t 6 à l'instant t 9: en A, la première tension VI est égale à zéro; en a la seconde tension V 2 est égale à zéro Le faisceau d'électrons F a retrouvé son axe de repos 5. Il est également possible avec le tube à rayons X 1 selon l'invention, d'obtenir une modification de la concentration du fais- ceau d'électrons F, tout en conservant à ce dernier son axe de - repos 5; il suffit à cet effet de faire varier d'une même manière,non représentée, les tensions V 1,V 2 appliquées à la première et la seconde pièces métalliques 12,13. Cette description montre la simplicité avec laquelle, grâce à sa structure, un tube à rayons X 10 conforme à l'invention, permet une déflexion du faisceau d'électrons F de manière à déterminer à un faisceau de rayonnement X (non représenté), une source dont la position varie le long d'une cible anodique. 11 - REVENDI CATIONS 1 Tube à rayons X à balayage comportant une cathode (CI), émettrice d'un faisceau d'électrons (F), cette cathode (CI) étant munie d'un filament ( 2) générateur d'électrons et d'un élément de concentration ( 3) du faisceau d'électrons (F), caractérisé en ce que cet élément de concentration ( 3) comporte au moins deux pièces métalliques ( 12,13) électriquement isolées l'une de l'autre et du fila- ment ( 2), pour permettre par rapport à ce dernier leur polarisation indépendante et une déflexion du faisceau d'électrons (F). 2 Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces métalliques ( 12,13) sont disposées symétriquement par rapport au filament ( 2) et à un plan ( 5-8), de manière à déterminer au faisceau d'électrons (F) un axe de repos ( 5), contenu dans ce plan ( 5-8), par rapport auquel s'opère la déflexion. 3 Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces métalliques ( 12,13) sont disposées de manière asymé- trique par rapport au filament ( 2), de manière à déterminer au faisceau d'électrons (F) une direction moyenne de repos ( 5 a, 5 b) par rapport à laquelle s'opère la déflexion.