Brevet FR2668296A1 — publié le 19920424

La présente invention concerne une source de rayons X Elle concerne également un procédé de détection d'objets mobiles utilisant cette source. Les sources de rayons X classiques, comprenant une anode et une cathode situées dans une enceinte fermée hermétiquement, et une alimentation électrique fournissant une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, (on exclut ici les accélérateurs de particules et les sources radioactives), peuvent être classées en deux catégories: (i) Les tubes à cathode chaude faisant appel à l'émission thermoélectronique des électrons: la cathode est chauffée grâce à un filament porté à une température élevée; les électrons extraits de la cathode par application d'un champ électrique, émettent, en atteignant l'anode (ou anti-cathode) des rayons X. Ces tubes sont couramment utilisés pour des émissions de rayons X de longue durée ( 1 ms à plusieurs dizaines de secondes émission dite "continue") Ils sont employés notamment dans les appareils radiographiques destinés à l'industrie ou à la médecine. (ii) Les tubes à cathode froide faisant appel à l'émission du champ: la cathode émet des électrons par application d'un champ électrique intense, qui vont frapper l'anode o ils donnent naissance à des rayons X. Ces tubes sont couramment utilisés pour la production d'impulsions de rayons X très courtes (durée inférieure à 1 gs) car il faut appliquer à leur anode des potentiels supérieurs à 100 k V pour obtenir les champs électriques capables de provoquer l'émission de champ. Dans le fonctionnement impulsionnel de ces tubes, l'émission de champ dégénère rapidement en un phénomène appelé "arc électrique dans le vide" qui détériore les électrodes La difficulté de maîtriser cette émission de champ associée à la nécessité de mettre en oeuvre des différences de potentiel très élevées rendent ce type de tube inapte à l'utilisation en régime continu. Cette utilisation en régime continu est nécessaire pour certaines applications, comme la détection d'objets mobiles dans un milieu opaque (par exemple dans un tube) ou accompagnés d'une lueur intense qui rend inefficaces les procédés classiques dans lesquels le passage de l'objet est détecté par l'interruption d'un faisceau laser continu Cet inconvénient est rencontré notamment lorsqu'on cherche à mesurer la vitesse d'un projectile à la sortie d'un canon électromagnétique. Il serait possible, pour ce type d'application, d'utiliser une source de rayons X continue à cathode chaude de la technique antérieure, mais il faudrait alors prévoir un dispositif de chauffage de la cathode et de régulation de température avec les circuits électriques associés Le système serait donc complexe et coûteux. Le but de la présente invention est de fournir une source de rayons X à cathode froide émettant un rayonnement continu. L'invention propose ainsi une source de rayons X comprenant une anode et une cathode situées dans une enceinte fermée hermétiquement, et une alimentation électrique fournissant une différence de potentiel entre l'anode et la cathode. Suivant l'invention, cette source est caractérisée en ce que des pointes métalliques sont présentes sur la zone de la cathode la plus proche de l'anode. De façon surprenante, le Demandeur a constaté que la présence des pointes sur la cathode dans la zone de transfert d'électrons entre la cathode et l'anode permettait de faire fonctionner la source en continu sans chauffage préalable de la cathode, c'est-à-dire par une émission de champ et non par une émission thermoélectronique Cette émission de rayons X peut être maintenue pendant plusieurs minutes, ce qui est impossible avec les sources à cathode froide de la technique antérieure. Par ailleurs, la différence de potentiel qui doit être appliquée pour produire un faisceau de rayons X peut être sensiblement inférieure à celle qui est nécessaire avec les sources classiques à cathode froide. Dans une version préférée de l'invention, la cathode comprend au moins une grille métallique dans laquelle un trou est formé et définit les pointes métalliques à sa périphérie Ce mode de réalisation préféré est particulièrement simple car il est obtenu à partir d'une source à cathode froide classique en remplaçant la cathode de cette source par la grille métallique percée. Suivant un autre aspect, cette invention fournit un procédé de détection d'objets mobiles, caractérisé en ce qu'une source de rayons X du type précédent est placée en face d'un détecteur de rayons X de façon que le faisceau de ravons X entre la source et le détecteur passe par la trajectoire de l'objet mobile et en ce qu'on maintient une alimentation continue en électricité de la source, une chute du niveau de signal recueilli par le détecteur indiquant le passage de l'objet mobile au point d'intersection du faisceau de rayons X et de la trajectoire de l'objet mobile. Ce procédé est adapté notamment au cas o on cherche à détecter le passage d'un objet mobile en environnement très perturbé (lueurs intenses, milieux opaques, etc > qui rend inefficaces les procédés faisant appel à des lasers Un exemple est la détection de projectiles issus d'un canon, par exemple un canon électromagnétique, notamment afin de mesurer leur vitesse. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description détaillée ci-dessous, illustrée aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une source de rayons X conforme à l'invention et son raccordement électrique; la figure 2 représente en perspective les électrodes de la source de la figure 1; la figure 3 illustre schématiquement un procédé utilisant des sources conformes à l'invention et la figure 4 est un graphique relatif au procédé illustré à la figure 3. La source de rayons X représentée à la figure 1 comprend, conformément à l'invention, une enceinte sous vide 2 dans laquelle sont disposées une anode 4 et une cathode 6. L'enceinte 2 est délimitée par un alésage 11 formé dans un corps cylindrique en aluminium 12, par une feuille 16 en un matériau transparent aux rayons X (tel que le polyester connu sous le nom de Mylar) disposée transversalement et par un tube cylindrique 14 coaxial à l'alésage 11 et situé à l'opposé de la feuille 16 par rapport à l'alésage 11 Le tube 14 est raccordé hermétiquement sur le corps 12 par une embase métallique 22 Le tube 14 comprend une première partie cylindrique métallique 20 raccordée à l'embase 22 et une seconde partie cylindrique en verre 18, coaxiale Le fond de la partie en verre 18 présente un renfoncement coaxial 26. L'anode 4, en forme de tige coaxiale à l'alésage 11 et au tube 14, traverse la partie en verre 18 du tube 14 au fond du renfoncement 26 Des raccords verre-métal 24, 28 hermétiques rendent la partie en verre 18 solidaire respectivement de la partie cylindrique métallique 20 du tube 14 et de l'anode 4 Ainsi l'embase 22, le tube 14 et l'anode 4 forment une pièce unique Cette pièce est analogue à celle utilisée dans les sources de rayons X classiques à cathode froide L'anode 4 est réalisée, de façon classique, en tungstène avec une forme allongée se terminant, à l'opposé du raccord verre-métal 28 par une pointe 30 de forme conique dont l'angle au sommet est de environ. Une canalisation 8, percée radialement dans le corps cylindrique 12, relie l'intérieur de l'enceinte 2 à une pompe 10 capable de fournir ainsi, dans l'enceinte 2, une pression typique de 10-3 Pa. Au voisinage de la pointe 30 de l'anode 4 est située la cathode 6 représentée de profil à la figure 1 et avec plus de détail sur la vue en perspective de la figure 2 La cathode 6 comprend plusieurs (deux ou trois) grilles métalliques planes disposées les unes contre les autres dans un plan perpendiculaire à la direction x-x' définie par l'anode 4 Un trou circulaire 32 est percé dans cet assemblage de grilles, le centre de ce trou 32 coïncidant avec le point d'intersection de la direction x-x' précitée et du plan des grilles Ainsi, la périphérie 34 du trou 32, qui constitue la zone de la cathode 6 la plus proche de l'anode 4, présente des pointes métalliques définies par les brins interrompus des grilles formant la cathode 6 Dans un montage utilisé par le Demandeur à titre d'essais, les grilles étaient en acier inoxydable, avec des brins d'environ 40 ium de section formant un réseau carré de maille égale à 100 pm environ Le trou 32 avait un diamètre de 5 mm, ce qui donne une distance moyenne de 2,5 mm entre l'anode 4 et la cathode 6. Les grilles formant la cathode 6 sont maintenues les unes contre les autres et calées dans l'enceinte 2, de façon que le trou 32 soit effectivement coaxial à l'anode 4, au moyen de deux organes de montage annulaires 36, 38 en aluminium Les grilles sont serrées entre les deux organes de montage 36, 38 dans une position telle que le trou 32 soit centré par rapport à leur forme annulaire Quatre vis 42 s'étendant axialement maintiennent ensemble les organes de montage 36, 38 et les grilles. Le diamètre extérieur des organes de montage annulaires 36, 38 coïncide sensiblement avec le diamètre d'un contre- alésage 40 prévu dans l'alésage Il du côté opposé au tube 14 L'assemblage des grilles et des organes de montage 36, 38 est monté et calé dans ce contre-alésage 40, assurant ainsi le centrage du trou 32 par rapport à la direction x-x' de l'anode 4 et une bonne conduction électrique entre la cathode 6 et le corps cylindrique en aluminium 12. Une plaque en aluminium 44 en forme de disque de diamètre égal à celui du contre alésage 40 est disposée dans ce dernier par dessus l'organe de montage 36 La plaque 44 comporte un trou central circulaire 45 formant fenêtre de plus petit diamètre La feuille de Mvlar 16 obturant hermétiquement l'enceinte 2 est placée contre cette plaque 44 du côté opposé à l'organe de montage 36 La plaque 44 a pour rôle d'éviter que la feuille flexible 16 présente un bombé trop important vers l'intérieur de l'enceinte 2 lorsqu'on met celle-ci sous basse pression Une bague d'assemblage 46 est fixée sur le corps cylindrique 12 pour tenir les organes de montage 36, 38 et la plaque 44 dans le contre-alésage 40 et pour réaliser une fermeture étanche de l'enceinte 2 par la feuille de Mylar 16. Un conducteur 50 relie le corps cylindrique 12 à la masse et un second conducteur 52 relie l'anode 4 à la borne positive d'une alimentation électrique continue 56 capable de délivrer une tension de plusieurs dizaines de kilovolts La borne négative de cette alimentation 56 est reliée à la masse de sorte que l'alimentation 56 est disposée pour fournir une différence de potentiel importante entre les électrodes 4, 6 Une résistance 54, de valeur ohmique 0,5 MQ, est montée en série entre la borne positive de l'alimentation 56 et l'anode 4. Pour produire des rayons X avec la source ci- dessus décrite, on fait fonctionner la pompe 10 pour faire régner une pression d'environ 10-3 Pa dans l'enceinte 2 puis on applique une haute tension ( 30 à 70 k V) entre les électrodes 4, 6 par l'alimentation 56 Des électrons sont alors arrachés de la cathode 6 par effet de champ, sans qu'il y ait besoin de chauffer la cathode 6 Lorsqu'ils frappent l'anode 4, ils engendrent l'émission de photons X qui sortent par la fenêtre 45 car la feuille de Mylar 16 est transparente aux rayons X Le courant d'émission circulant entre les électrodes 4, 6 en cours d'émission, est limité par la résistance 54. Cette émission de champ est fortement favorisée par la présence de nombreuses pointes acérées sur la zone 34 de la cathode 6 faisant face à l'anode 4 Dans la zone de transfert d'électrons, comprise entre la périphérie 34 du trou 32 et la pointe 30 de l'anode 4, règne un champ électrique présentant des valeurs localement importantes à cause des effets de pointe Ces valeurs élevées du champ électrique favorisent l'arrachement des électrons de la cathode 6 et donc l'émission de champ. On parvient ainsi à obtenir une émission de rayons X par effet de champ (à cathode froide) observée en continu, ce qui apporte un progrès sensible par rapport à la technique antérieure. On remarque que l'émission de rayons X est obtenue pour une tension de 30 k V entre les électrodes 6, alors que les sources à cathode froide de la technique antérieure fonctionnent sous des tensions bien supérieures, d'au moins 100 k V. Avec une source conforme à l'exemple décrit ci- dessus on a obtenu, pour différentes tensions d'alimentation, des émissions de rayons X dont les caractéristiques sont rapportées au tableau I. TABLEAU I Tension Courant Doses de Durée d'alimenta d'émission rayons X d'émission tion (k V) (A) (m R)*(s 15 12 15 50 19 15 70 22 15 * (m R): Abréviation du milliroentgen Réussir à produire des rayons X en continu avec une source à cathode froide permet d'envisager un grand nombre d'applications pour la source conforme à l'invention La radiographie médicale, par exemple, est un domaine qui pourrait bénéficier du progrès apporté par l'invention. Bien entendu la source de rayons X décrite ci- dessus comporte des variantes diverses qui restent dans le cadre de l'invention. On comprendra notamment que la réalisation de la cathode 6 par juxtaposition de grilles métalliques n'est pas la seule possible dans le cadre de l'invention, la particularité essentielle étant la présence de pointes en densité suffisante sur la zone de la cathode 6 située au plus près de l'anode 4 La cathode 6 pourrait bien sûr être réalisée à partir d'une seule grille. Il est possible de faire fonctionner la source conforme à l'invention par impulsions en délivrant entre les électrodes 4, 6 des impulsions de tension au lieu de la tension continue Dans ce cas, l'invention a pour avantage de réduire la différence de potentiel à appliquer entre les électrodes pour produire un rayonnement X de même énergie Le rendement de la source fonctionnant en impulsions est donc amélioré par rapport aux sources connues. Une utilisation préférée de la source de rayons X conforme à l'invention est illustrée aux figures 3 et 4 Le but de ce procédé est de détecter le passage d'un objet mobile 62 afin d'en déterminer la vitesse Deux sources de rayons X 64, 68 alimentées électriquement en continu sont disposées le long de la trajectoire T de l'objet 62 Les faisceaux Fl, F 2 de rayons X produits par les sources 64, 68 sont rendus étroits par deux collimateurs 74, 76, respectivement Ces faisceaux Fl, F 2 coupent la trajectoire T en deux points Ai, A 2 avant d'aboutir dans des détecteurs respectifs 66, 70 Chaque détecteur 66, 70 comprend, de façon classique, un scintillateur à iodure de sodium (Na I) 67, 71 collectant les rayons X et un photomultiplicateur 65, 69 dont le signal de sortie est transmis à une unité d'enregistrement 72 qui stocke une valeur représentant le signal recueilli par les deux détecteurs 66, 70 en fonction du temps. Les chronogrammes correspondants sont illustrés schématiquement à la figure 4 En l'absence de l'objet 62, chaque détecteur 66, 70 reçoit un signal d'intensité I correspondant à l'intensité du faisceau Fl, F 2 Lorsque l'objet 62 arrive au point Ai, le signal recueilli par le détecteur 66 chute jusqu'à un niveau sensiblement nul si le faisceau Fl est suffisamment collimaté pour être occulté complètement par l'objet 62 vu de profil En relevant l'instant ti correspondant à la chute du signal en Ai, on obtient la détection recherchée du passage de l'objet 62 Le signal recueilli par le détecteur 66 revient à son niveau initial I à un instant ti' auquel le corps du projectile 62 dépasse le point d'intersection Ai de sa trajectoire T et du faisceau Fl. La même détection est opérée au point A 2 par le couple source/détecteur 68/70 On mesure ainsi, un instant t 2 d'arrivée de l'objet 62 au point A 2 et un instant t 2 ' de dépassement du point A 2 par l'objet 62. Si on divise alors la distance L séparant les deux points Ai, A 2 par l'intervalle de temps tz t 1 ou tz' tt', on obtient une mesure de la vitesse v de l'objet. Comme illustré à la figure 3, l'objet mobile 62 est un projectile tiré par un canon électromagnétique 60. L'homme du métier, voulant mesurer la vitesse v du projectile 62 à la sortie du canon 60, sait que les fortes perturbations électromagnétiques présentes à la sortie du canon 60 et dans le sillage du projectile 62 rendent inopérants les procédés faisant intervenir des faisceaux laser pour mesurer cette vitesse v. Avec une source de rayons X 64, 68 utilisée au lieu d'un oscillateur laser, les perturbations électromagnétiques ne gênent pas la mesure La vitesse v peut donc être mesurée facilement car on parvient, grâce à l'invention, à produire un faisceau de rayons X fonctionnant en continu et obtenu avec une source à cathode froide. Bien entendu, le procédé de détection d'objets mobiles selon l'invention a des applications autres que la mesure de la vitesse du projectile d'un canon électromagnétique, les applications préférées étant celles o un environnement très perturbé règne au voisinage de l'objet mobile (une manière générale à la bouche d'un canon) ou lorsque cet objet se déplace dans un corps opaque. il R E V E N D I C A T I O N S 1 Source de rayons X comprenant une anode ( 4) et une cathode ( 6) situées dans une enceinte ( 2) fermée hermétiquement et une alimentation électrique ( 56) fournissant une différence de potentiel entre l'anode ( 4) et la cathode ( 6), caractérisée en ce que des pointes métalliques sont présentes sur la zone ( 34) de la cathode ( 6) la plus proche de l'anode ( 4). 2 Source conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'alimentation électrique ( 56) est une alimentation continue. 3 Source conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une résistance ( 54) est placée entre l'alimentation ( 56) et l'anode ( 4) pour limiter le courant circulant entre l'anode ( 4) et la cathode ( 6). 4 Source conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la cathode ( 6) présente un trou ( 32) sensiblement circulaire et en ce que l'anode ( 4) a la forme d'une tige effilée pointant vers le centre dudit trou ( 32). Source conforme à la revendication 4, caractérisée en ce que la cathode ( 6) comprend au moins une grille métallique dans laquelle le trou ( 32) est formé et définit lesdites pointes métalliques à sa périphérie ( 34). 6 Procédé de détection d'objets mobiles ( 62) au moyen d'une source de rayons X ( 64, 68) conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite source de rayons X ( 64, 68) est placée en face d'un détecteur de rayons X ( 66, 70) de façon que le faisceau de rayons X (Fl, F 2) entre la source ( 64, 68) et le détecteur ( 66, 70) passe par la trajectoire (T) de l'objet mobile ( 62) et en ce qu'on maintient une alimentation électrique continue de la source ( 64, 68), une chute du niveau de signal recueilli par le détecteur ( 66, 70) indiquant l'instant de passage de l'objet mobile ( 62) au point d'intersection (Ai, A 2) du faisceau de rayons X (Fl, F 2) et de la trajectoire (T) de l'objet mobile ( 62). 7 Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le faisceau de rayons X (Fl, F 2) produit par la source ( 64, 68) est collimaté. 8 Procédé conforme à l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'objet mobile ( 62) est un projectile de canon électromagnétique. 9 Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'on utilise les détections du projectile ( 62) par deux couples source/détecteur pour calculer la vitesse (V) du projectile ( 62).