Brevet FR2617332A1 — publié le 19881230

/ 2 6 1 7 3 32 TUBE RADIOGENE A FAIBLE RAYONNEMENT EXTRA-FOCAL L'invention concerne un tube radiogène du type tel qu'utilisé couramment en radiologie, dans le cadre du radiodiagnostic par exemple, et concerne particulièrement des moyens pour réduire le rayonnement extra-focal. Un tube à rayons X comprend essentiellement deux électrodes: une cathode et une anode contenues dans un ballon de- verre sous vide, et fixées respectivement aux extrémités de ce dernier. La cathode est généralement constituée par un filament de tungstène, Iogé dans une pièce métallique de forme appropriée à jouer le rôle d'une lentille électronique, et que l'on appelle pièce de concentration. L'anode peut être constituée par une masse cylindrique en cuivre, portant en face du filament, une plaquette d'un matériau fortement émissif en rayons X, comme le tungstène par exemple, lorsqu'il s'agit d'un tube à anode fixe. Dans le cas de tube à anode tournante, l'anode est souvent constituée d'un disque massif, en molybdène ou en graphite. par exemple, recouvert - généralement de tungstène; bien entendu, pour des applications spéciales, les matériaux de l'anode peuvent être autres que ceux cités ci-dessus. Lorsque le filament est rendu incandescent, et que l'on aplplique à l'anode une tension positive de quelques KV par rapport à la cathode, des électrons émis par le filament sont accélérés vers l'anode par le champ électrique, et bombardent l'anode ou anti-cathode sur une surface appelée foyer; le foyer devenant la source principale d'émission d'un rayonnment X. Le rayonnement X est produit dans toute la zone située en avant de l'anti-cathode, sauf pour les incidences rasantes. Le rendement de radiation d'un tube A rayons X dépend de facteurs tels que le courant d'électrons, la différence de potentiel entre la cathode et l'anode, et du numéro atomique du matériau qui constitue la cible sur laquelle est formé le foyer. En diagnostic médical o la qualité d'un cliché radiologique est primordiale, les propriétés particulièrement intéressantes de la source de rayonnement X sont celles qui interviennent sur deux facteurs essentiels suivants: la netteté et le contraste. On distingue deux flous d'origine différente, intervenant dans la netteté - le flou géométrique qui résulte des dimensions du foyer - le flou cinétique dû au mouvement de l'organe examiné pendant la pose. Pour les facteurs de contraste, en supposant que sont par ailleurs optimisés la qualité de rayonnement et le récepteur, de façon à mettre en évidence les facteurs de contraste qui dépendent de la source, on peut citer: - la répartition en densité des électrons à la surface du foyer le lieu de chute d'électrons frappant l'anode en dehors.du foyer, appelés électrons secondaires, ou tout autre émission parasite de rayonnement X en dehors du foyer. Il est à signaler. que ces sources parasites de rayonnement X se situent en général sur l'anode elle-même, souvent à proximité du foyer, par le fait que des électrons tombent en dehors du foyer, soit venant de la cathode, soit rebondissant du foyer, et qui créent un rayonnement X appelé rayonnement extra-focal. Le flou géométrique résultant des dimensions du foyer intervient sur le pouvoir séparateur, et le rayonnement extra-focal intervient sur l'atténuation du contraste. Des études des facteurs de netteté et de contraste, telles que celles basées sur le concept connu de fonction de transfert de modulation o l'étude porte sur l'image d'un objet à absorption sinusoïdale, montre clairement que plus la source de rayons X est étendue, et plus l'image d'un objet est entachée d'un flou sous forme de grisaille dû à la superposition d'un grand nombre d'images de points.de faible intensité, par rapport à l'intensité du foyer. Dans l'art antérieur, on tente de réduire ces défauts par les deux méthodes suivantes - la première méthode,qui peut s'appliquer particulièrement dans le cas d'une anode dont la cible en matériau émissif d'X est massive, consiste à disposer un collimateur à l'intérieur de l'enveloppe du tube, à proximité immédiate de la surface sur laquelle est formée le foyer. La mise en oeuvre de cette solution présente de grandes difficultés, particulièrement pour conserver une isolation électrique correcte entre l'anode et la cathode; - la seconde méthode s'applique notamment dans le cas d'une anode ayant un corps de base constitué en un matériau non (ou faiblement) émetteur de rayons X, tel que les matériaux à faible numéro atomique: il a été proposé dans ce cas de déposer ou d'inclure, sur le corps de base, ie matériau émetteur de rayons X, uniquement à ou aux endroits prévus pour être bombardés par le faisceau d'électrons incidents; c'est-à-dire, dans le cas d'une anode tournante, uniquement sur la piste focale. L'un des inconvénients de cet arrangement réside en ce que la couche de matériau émissif de rayons X, qui constitue la piste focale, est déposée sur une faible largeur en vue de limiter une dimension du foyer, et présente par conséquent une surface limitée: la couche ainsi déposée qui est en général constituée non seulement d'un matériau bon réfractaire mais aussi d'un matériau bon conducteur thermique, présente un très faible volume, de sorte que sous l'effet du bombardement electronique, la chaleur s'accumule dans cette couche qui s'échauffe exagérément et se décolle du corps de base de l'anode. Aussi, il n'est pas connu à ce jour de réalisation de ce genre qui donne satisfaction. La présente invention concerne un tube radiogène à anode fixe ou anode tournante, permettant d'obtenir des images radiologiques dans lesquelles sont considérablement améliorés la netteté et le contraste. Ceci est obtenu par un agencement nouveau de l'anode, simple à mettre en oeuvre, et qui permet à 26 1 7332 la fois de réduire le rayonnement extra-focal et de limiter au moins une dimension du foyer, tout en conservant à l'anode les qualités apportées par une structure massive du matériau émissif d'X. Selon l'invention, un tube à rayons X comportant, une anode, une cathode produisant un faisceau d'électrons, l'anode étant constituée au moins partiellement par une couche massive d'un matériau émissif de rayons X, une surface limitée de la couche massive étant exposée à un bombardement du faisceau d'électrons, un foyer émetteur d'un faisceau de rayons X étant produit sur ladite surface exposée au bombardement, est caractérisé en ce que ladite surface exposée au bombardement est délimitée par au moins une partie creuse dans la couche massive, et en ce que la partie creuse a une profondeur inférieure à une épaisseur de la couche massive. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et à l'aide des deux figures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 montre schématiquement un tube à rayons X conforme à l'invention; - la figure 2 montre schématiquement et partiellement une anode représentée à la figure 1, et illustre un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 montre un tube 1 à rayons X selon l'invention, dont la représentation est limitée uniquement aux éléments utiles à comprendre l'invention. Le tube 1 comporte une enveloppe 2, en verre par exemple contenant de manière traditionnelle une cathode 3 et une anode 4 placées en vis à vis l'une de l'autre. La cathode 3 est portée par une première extrémité 5 de l'enveloppe 3, par l'intermédiaire d'un support 6 classique. Dans l'exemple non limitatif décrit, l'anode 4 est une anode tournante ayant la forme générale d'un disque. L'anode 4 est portée par un axe support 7 solidaire d'un rotor 8, le rotor 8 étant lui-même porté par un arbre 9 à une seconde extrémité 10 de l'enveloppe 2. La rotation du rotor 8 est obtenue de manière traditionnelle à l'aide d'un stator (non représenté) extérieur à l'enveloppe 2; la rotation du rotor 8 s'effectue autour d'un axe de symétrie 11 de l'anode 4, et entraine la rotation de cette dernière autour de l'axe de symétrie 11, comme représenté par la flèche 12 par exemple. L'anode 4 est constituée, au moins partiellement, en un matériau émissif de rayons X, formant une structure massive dont une surface constitue une face 17 de l'anode 4 orientée vers la cathode 3, c'est-à-dire que dans l'esprit de l'invention, l'anode 4 peut aussi bien, soit être constituée entièrement, massivement, en un matériau émissif d'X, soit être du type composite et comporter par exemple un corps de base 25 portant une couche massive 30,. c'est-à-dire très épaisse, de matériau émissif de rayons X; le corps de base 25 pouvant être par exemple en molybdène, ou en graphite ou en un autre matériau connu pour être utilisé à cette effet. Par matériau émissif de rayons X, nous entendons un matériau réfractaire, bon conducteur de la chaleur et à haut numéro atomique tel que ceux couramment utilisés pour obtenir un rayonnement X sous un bombardement électronique, comme par exemple le tungstène, le molybdène, le rhénium, leurs alliages, etc...; de tels matériaux étant appelés matériaux cibles dans la suite de la description. En fonctionnement, la cathode 3 produit un faisceau d'électrons 13 qui bombarde la face 17 en matériau cible, en tungstène par exemple, sur une surface 26 exposée au faisceau d'électrons 13. Le faisceau d'électrons.13 engendre sur cette surface exposée 26 un foyer 14, émetteur d'un rayonnement X. Le rayonnement X est émis dans toutes les directions et sort de l'enveloppe 2 par une fenêtre 15 en vue de constituer un faisceau de rayons X 16 utile. Comme il est représenté sur la figure 1, le faisceau d'électrons 13 est représenté entre deux limites 27,28 entre lesquelles est formée une hauteur H de la section du faisceau 26 1 7332 d'électrons 13, dont la projection sur la surface exposée 26 tend à former une des dimensions du foyer 14, dans une largeur L de la surface exposée 26. Selon une caractéristique de l'invention, la largeur L de la surface exposée 26 est délimitée entre une première et une seconde parties creuses 20, 21 réalisées dans la face 17 de l'anode 4, c'est-à-dire dans le matériau cible; de sorte que la largeur L correspond à une largeur maximum du foyer 14, même dans le cas d'une augmentation de la hauteur H du faisceau d'électrons 13. Dans l'exemple non limitatif décrit, o l'anode 4 est une anode tournante dont la rotation amène un renouvellement continu de la surface 26 exposée au faisceau d'électrons 13, les parties creuses ou creux 20,21 étant vus selon leur section, ils forment chacun un cercle (perpendiculairement au plan de la figure) centré autour de l'axe de symétrie 11. Il est ainsi constitué entre les deux creux 20,21, une piste focale 18 ayant la largeur L, et dont tous les points sont successivement bombardés par le faisceau d'électrons 13 d'une manière en elle-même classique, durant la rotation de l'anode 4; le premier et le second creux 20,21 formant respectivement une limite intérieure et une limite extérieure à la piste focale 18. Dans ces conditions, on constate que la piste focale 18 est constituée d'une seule pièce avec le matériau cible sous forme massive, d'o il résulte une parfaite conduction thermique entre la piste focale 17 et le reste du matériau cible qui évite un échauffement exagéré de la piste focale 18. On peut constater en outre que les creux 20,21 permettent d'obtenir les effets recherchés, qui sont d'une part de limiter au moins une dimension L du foyer 14, et d'autre part de limiter le rayonnement extra-focal, c'est-à-dire le rayonnement X parasite. En effet, en supposant que des électrons sont émis par la cathode 3 en dehors des limites 27,28 du faisceau d'électrons 13, ces électrons (non représentés) tombent principalement dans les creux 20,21, et une part 2 6 1 7 332 importante du rayonnement X qu'ils sont susceptibles de produire dans la direction du faisceau de rayons X 16, est absorbée dans l'anode 4 ellemême. Un phénomène semblable se produit également pour des électrons susceptibles de rebondir du foyer 14 et de retourner sur l'anode 4. Il est à remarquer que l'effet d'absorption du rayonnement X parasite se produit au' niveau de chacun des creux 20,21. Il est à remarquer en outre, comme il a été indiqué plus haut, qu'il n'est pas nécessaire que l'anode 4 soit constituée entièrement de manière massive en un matériau cible: en effet, il suffit que l'anode 4 comporte, du côté de sa face 17, la couche massive 30 de matériau cible, l'important étant que cette couche massive 30 ait une épaisseur 31 plus grande qu'une profondeur P des parties creuses ou creux 20,21 o de au moins l'un de ces creux, de manière que la piste focale 18 soit formée d'une pièce avec la couche massive 30 de matériau. cible. Aussi, par le terme "couche massive" d'un matériau cible, nous entendons définir également le cas o l'anode 4 est elle-même massivement en matériau cible. II est à observer que l'invention peut s'appliquer aussi bien à toutes les formes d'anode, c'est-à-dire aux anodes cylindriques ou semi- cylindriques ou troncônique; en outre l'invention peut s'appliquer également au cas des anodes fixes en délimitant selon le même principe une cible formée d'une pièce avec le matériau cible en structure massive. La figure 2 est une vue agrandie d'un encadré 40 montré à la figure 1, permettant de mieux illustrer les effets des creux 20,21, et d'illustrer de nouvelles caractéristiques de l'invention. Les creux 20,21 peuvent avoir une section de forme quelconque, en forme de triangle par exemple, ou encore en forme sensiblement de portion de cercle, comme dans l'exemple non limitatif montré à la figure 2, forme qui est facile à réaliser par usinage et qui permet d'obtenir une bonne absorption du rayonnement X parasite; la forme de chacun'des creux 20,21 étant représentée par.le profil d'une paroi 35 de ces creux. Blen entendu, les creux 20,21 peuvent avoir des formes différentes l'un par rapport à l'autre. En prenant pour exemple le premier creux 20: des électrons (non représentés) frappant la paroi 35 du sillon 20 produisent un rayonnement X parasite émis dans toutes les directions. Mais on peut observer que tout rayonnement X émis dans la direction du faisceau de rayons X 16 par une partie 36 relativement importante de la paroi 35, est absorbé dans l'anode 4; cette partie 36 étant délimitée d'une part entre une jonction 38 entre la paroi 35 et la piste focale 18, et d'autre part par une intersection 60 entre la paroi 35 et.un prolongement 39 d'une limite 41 du faisceau de rayons X 16 utile. Aussi, seuls des électrons frappant une partie restante 43 de la paroi 35, sont susceptibles. d'engendrer un rayonnement X en direction du faisceau de rayons X 16 utile; un phénhomène semblable se produisant avec le second creux 21 extérieur. En vue de diminuer encore le rayonnement X parasite, et selon une autre caractéristique de l'invention, les creux ,21 sont remplis par un ou des matériaux 50 (représentés sur la figure par des hachures dans les creux 20,21) non émetteurs de rayons X (ou faiblement), c'est-à-dire de faibles numéros atomiques, dont la fonction est d'absorber au moins partiellement les électrons qui tendent à pénétrer dans les sillons 20,21. Le ou les matériaux 50 peu émissifs de rayons X, sont de préférence des matériaux réfractaires qui peuvent être Isolants ou conducteurs électriques. Parmi les matériaux pouvant convenir à ce type d'application, on peut citer entre autres les composés du bore, du silicium, du béryllium, du carbone, de l'azote, etc..., par exemple le carbure de bore ou le carbure de silicium, ou encore le nitrure de bore, etc.... Le remplissage des creux 20,21 par le matériau 50 peu émissif peut être réalisé à l'aide de différentes méthodes en elles-mêmes classiques, telles que par exemple par dépôts en 26 1 7332 bains de sels fondus (par électrolyse), ou encore par une méthode de dépôt en phase gazeuse (CVD, PVD), ou par dépôt à la torche à plasma ou toutes autres méthodes de dépôt. - Il est ainsi possible par exemple, dans une même opération, de combler les creux 20,21 tout en recouvrant la piste focale 18, puis d'enlever le surplus À de matériau non émissif 50 qui se trouve sur la piste focale 18, par un procédé mécanique par exemple. L'invention peut s'appliquer dans des configurations différentes de celle montrée aux figures 1 et 2; par exemple, le tour ou tranche 70 du disque d'anode 4 peut constituer également une face orientée vers la cathode et exposée au bombardement d'un faisceau d'électrons, et une ou plusieurs pistes focales, semblables à la piste focale 18, peuvent être délimitées entre des creux sur la surface de la tranche 70 cette surface étant alors constituée sur un matériau cible en couche épaisse, comme il a été précédemment expliqué. Il est à noter que dans l'esprit de l'invention, deux cibles ou deux pistes focales peuvent être séparées par un même creux. Il est à noter en outre que des creux peuvent être constitués sur toutes. surfaces susceptibles de recevoir des électrons secondaires, et particulièrement à proximité du foyer 14. REVENDICATIONS 1. Tube à rayons X comportant une anode (4), au moins une cathode (3) produisant un faisceau d'électrons (13), l'anode(4) étant constituée au moins partiellement par une couche massive (30) d'un matériau émissif de rayons X, une surface (26) limitée de la couche massive (30) étant. exposée à un bombardement du faisceau d'électrons (13), un foyer (14) émetteur d'un faisceau de rayons X (16) étant produit sur ladite surface (26) exposée au bombardement, caractérisé en ce que ladite surface (26) exposée au bombardement est délimitée par au moins une partie creuse (20, 21) dans la couche massive (30) de matériau émissif, et en ce que la partie creuse (20,21) a une. profondeur (P) inférieure à une épaisseur (31) de la couche massive (30). 2. Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anode (4) est une anode tournante, et en ce que au moins deux parties creuses (20,21) délimitent une piste focale (18) sur ladite surface (26) exposée au bombardement du faisceau d'électrons (43). 3. Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins une partie creuse (20,21) est remplie par un matériau (50) à faible numéro atomique. 4. Tube à rayons X selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau (50) à faible numéro atomique est un matériau réfractaire. 5. Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode (4) est une anode massive formée d'une pièce en un matériau émlssif de rayons X. 6. Tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'anode (4) est une anode composite comportant un corps de base (25), le corps de base portant la couche massive (30) en matériau cible. -'11 7. Tube à rayons X selon' l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau émissif de rayons X est du tungstène pur ou allié. 8. Tube à rayons X selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps de base (25) est en molybdène pur ou allié. 9. Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un creux (20,21) a une section en forme d'arc de cercle.