Brevet FR2680046A1 — publié le 19930205

TUBE A RAYONS X A DEFLEXION ELECTROMAGNETIQUE L'invention se rapporte à un tube à rayons X à déflexion dynamique de faisceau, utilisé notamment dans un appareil de radiologie de type scanner, pour lequel la présence de deux foyers d'émission de rayons X légèrement espacés produisant la même image permet d'améliorer la qualité image en éliminant les artéfacts. Un tube à rayons X actuel comporte essentiellement une cathode et une anode enfermées dans une enceinte de verre sous vide. La cathode est réalisée par un émetteur thermoélectronique, par exemple un filament de tungstène chauffé, qui émet un faisceau d'électrons et qui est logé dans un dispositif de concentration, destiné à focaliser le faisceau sur l'anode portée à un potentiel positif par rapport à la cathode. L'anode est généralement constituée par un disque massif, en molybdène ou en graphite recouvert d'un matériau à numéro atomique élevé - du tungstène par exemple pouvant tourner autour d'un axe. La zone d'impact du faisceau électronique sur l'anode constitue le foyer d'émission du rayonnement X. Pour certaines applications, il est nécessaire de déplacer angulairement le faisceau de rayons X; à cet effet, on peut déplacer le foyer sur l'anode à l'aide de moyens de déflexion. Pour d'autres applications, il faut modifier le débit du flux d'électrons et éventuellement le bloquer par une électrode appelée grille. Pour réaliser ces différentes fonctions, la cathode doit avoir des formes géométriques parfois compliquées et peut comporter plusieurs électrodes métalliques séparées mécaniquement et isolées électriquement les unes des autres. Dans le brevet français 2 538 948, déposé par la demanderesse, est décrit un tube à rayons X à balayage dont le dispositif de concentration du faisceau d'électrons comporte deux pièces métalliques, électriquement isolées l'une de l'autre et du filament pour permettre leur polarisation indépendante par rapport à ce dernier en vue d'une déflexion du faisceau électronique. Le tube à rayons X est schématiquement représenté selon une coupe transversale sur la figure 1. Il comprend une cathode C1, constituée par un filament 12 logé dans un dispositif de concentration 13, et une anode 14. Le dispositif de concentration 13 est réalisé à partir de deux - pièces métalliques 15 et 16, électriquement isolées l'une de l'autre par une cloison isolante 17 solidaire d'une embase isolante 18. La cathode et l'anode sont enfermées dans une enceinte sous vide 11. Pour obtenir une déflexion du faisceau électronique F émis par la cathode C1, de part et d'autre de l'axe 19, on applique des tensions électriques négatives et de valeurs différentes aux pièces 15 et 16 du dispositif de concentration 13. L'inconvénient du tube ainsi réalisé réside dans la répartition énergétique du faisceau de rayons X qui n'est pas uniformément et symétriquement répartie sur sa section, entraînant une mauvaise qualité d'image. Les figures 2a et 2b montrent la répartition énergétique I du foyer sur l'anode en fonction de sa distance S par rapport à l'axe du faisceau électronique, respectivement avant et après déflexion. Dans la demande de brevet français 2 644 931 déposée par la demanderesse, est décrit un tube à rayons X dont le dispositif de concentration du faisceau d'électrons est constitué de trois parties métalliques isolées électriquement les unes des autres et du filament de cathode. La figure 3 montre une représentation schématique selon une coupe transversale. Le tube comprend, dans une enceinte sous vide 21, une cathode C2 constituée d'un filament 22 logé au niveau de la rainure centrale du dispositif de concentration 23, émettant un faisceau F d'électrons d'axe 29, aboutissant au foyer 28 d'une anode 24. La déflexion du faisceau F est obtenue par des plaques métalliques 30 et 31 prolongeant les marches du dispositif de concentration 23 dont elles sont isolées électriquement par une couche ou cloison 25 ou 25' de matériau isolant.De fortes tensions opposées l'une de l'autre sont appliquées à ces électrodes de déflexion 30 et 31 pour obtenir la déflexion du faisceau avec une amplitude relativement réduite, de l'ordre du millimètre pour une distance de 20 mm entre la cathode et l'anode. L'inconvénient de ce type de tube à rayons X est, d'une part, qu'il nécessite un bloc de polarisation spéciale tensions positives et négatives - et l'application de tensions très élevées, environ 3000 volts. La forme du foyer, après déflexion du faisceau d'électrons reste bonne mais on ne peut obtenir de déflexions importantes. Des déflexions importantes du faisceau d'électrons peuvent être obtenues par l'application à distance de champs magnétiques élevés, supérieurs à 500 Gauss, nécessitant une bobine volumineuse à refroidir. On constate dans ce cas, une distorsion du foyer en longueur due à l'inhomogénéité des champs magnétiques, obligeant à refocaliser le faisceau d'électrons par un autre champ magnétique de direction perpendiculaire. Un autre problème spécifique à une cathode à déflexion magnétique pour un tube à rayons X est de conserver la forme rectangulaire du foyer, ce qui n'est possible qu'à bas champ magnétique. De plus, la seule déflexion magnétique n'autorise pas une dynamique très élevée pour le tube, à cause de l'inductance de la bobine. Le but de la présente invention est donc de pallier ces inconvénients en proposant un tube à rayons X assurant une déflexion du faisceau électronique émis, dix fois supérieure à celle des tubes actuels, tout en conservant un foyer identique sur l'anode dans toutes les positions. Il ne présente ni déformation électrostatique ni déformation magnétique. L'invention concerne donc un tube à rayons X comportant une cathode et une anode enfermées dans une enceinte sous vide, la cathode étant constituée d'un filament émetteur d'un faisceau d'électrons logé dans une pièce de concentration du faisceau, composée de trois parties isolées électriquement et polarisables séparément, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une bobine magnétique extérieure à l'enceinte, dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du faisceau électronique et dans le même plan pour que le champ magnétique ne soit induit que dans l'espace interélectrodes, et en ce que les potentiels de polarisation des parties de la pièce de concentration sont négatifs par rapport à celui du filament. Selon une autre caractéristique de l'invention, la déflexion du faisceau électronique est dynamique et obtenue par inversion du sens du courant circulant dans la bobine et par inversion des tensions de polarisation des parties de la pièce de concentration, tensions qui sont synchronisées avec le courant circulant dans la bobine et avec blocage par grille de l'émission du faisceau électronique pendant le temps de basculement du faisceau d'un état défléchi dans l'autre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'un exemple particulier de réalisation d'un tube à rayons X selon l'invention, illustré par les dessins ci-annexés dans lesquels, - les figures 1 à 3 sont des vues schématiques et des diagrammes illustrant les tubes à rayons X de l'art antérieur, - la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale de la cathode d'un tube à rayons X selon 1 t invention; - la figure 5 est une vue schématique de principe d'un demi-tube à rayons X selon l'invention; - les figures 6a et 6b illustrent la forme du faisceau électronique et le profil du foyer de rayonnement X dans le tube, en fonction d'une première application du champ magnétique; ; - les figures 7a et 7b illustrent la forme du faisceau électronique et le profil du foyer selon une autre application du champ magnétique dans le tube à rayons X; - la figure 8 est un chronogramme des signaux de fonctionnement du tube à rayons X pour la déflexion. Les éléments qui portent les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Les figures 1 à 3, correspondant à l'art antérieur, ont déjà été décrites dans le préambule de cette description. La figure 4 montre schématiquement un tube à rayons X selon l'invention, constitué par une cathode K et une anode A enfermées dans une enceinte 1 en verre, sous vide. La cathode K est composée d'un filament 2 et d'une pièce de concentration 3, qui a la forme d'un cylindre de révolution dont la partie diamétrale très ouverte est creusée en forme de marches d'escalier. Les dimensions de la pièce de concentration fixent les dimensions du faisceau électronique et assurent sa focalisation. Le filament 2 est disposé classiquement dans la rainure diamétrale 4 et son alimentation électrique est obtenue par l'intermédiaire d'un conducteur qui traverse le corps de la pièce de concentration. Cette pièce de concentration 3 se compose de trois parties 5, 6 et 7, qui sont en métal et isolées électriquement les unes des autres et du filament, polarisables séparément par des tensions dissymétriques mais toujours négatives. Une couche ou cloison 8 ou 8' de matériau isolant est, par exemple, disposée entre la partie 7 et la partie 5 ou 6 pour obtenir l'isolation électrique. Etant donné l'ouverture importante de cette pièce de concentration 3, le faisceau électronique F émis par le filament 2 n'est pas focalisé car il est trop large; aussi est-il nécessaire de polariser négativement par une tension V7 la partie centrale ou embase 7 de la cathode pour réduire les dimensions du foyer f. Cette tension V7 est de l'ordre de -500 volts. Le faisceau F ainsi formé continue à être focalisé le long des marches des parties 5 et 6 en appliquant respectivement auxdites parties des tensions V5 et V6 dissymétriques plus élevées (-2000 volts pour Vs et -1500 volts pour V6 par exemple). Ces tensions V5 et V6 ajustables ont donc pour rôle, d'une part, de continuer à focaliser le faisceau F d'électrons et, d'autre part, de commencer à le défléchir. Il est également possible de bloquer l'émission des électrons, lors du changement de sens de la déflexion, en appliquant simultanément une tension élevée et négative, par rapport à celle appliquée au filament 2, aux trois parties 5, 6 et 7 de la pièce de concentration 3.Les deux conducteurs électriques d'alimentation du filament (non représentés) et les trois conducteurs d'alimentation des parties 5, 6 et 7 (non représentés) de la pièce de concentration traversent le corps même de ladite pièce, en étant isolés par des gaines de matériau isolant (non représentées). Le tube à rayons X selon l'invention comporte, en outre, une bobine extérieure dont l'axe y'y est perpendiculaire à l'axe x'x du faisceau électronique F et dans le même plan, placée de telle sorte que le champ magnétique By qu'elle induit n'est appliqué que dans l'espace interélectrodes. La figure 5 représente une vue schématique de principe d'un demi-tube à rayons X, tel que décrit précédemment. Une bobine 9 est disposée parallèlement à l'axe xx' du faisceau électronique parcourant l'espace entre la cathode K et l'anode A de manière que son axe soit parallèle à l'axe y'y. Les N spires de la bobine ont un diamètre avantageusement égal : fois la distance D entre le faisceau et la bobine pour que le champ magnétique soit maximum à l'endroit du faisceau. Pour éviter toute déformation du foyer de rayonnement X après déflexion, la bobine 9 est placée, parallèlement à l'axe x'x du faisceau électronique F, plus près de la cathode que de l'anode de sorte que le champ magnétique By n'est appliqué que jusqu'aux trois quarts de la distance d entre la cathode et l'anode. En effet, dans le dernier quart de cette distance, tout près de l'anode, les électrons du faisceau ne subissent plus que l'effet de la haute tension seule et tombent alors presque perpendiculairement sur l'anode sans s'y étaler, comme le montre la figure 6a, le profil du foyer gardant la même forme que celle qu'il a sans subir de déflexion (figure 6b). Par contre, la figure 7 montre l'étalement du faisceau électronique F quand le champ magnétique est appliqué sur toute la distance interélectrodes et la figure 7b montre la légère détérioration que présente la répartition énergétique du foyer, en fonction de la déflexion du faisceau par rapport à l'axe x'x. La figure 8 est un chronogramme des signaux de fonctionnement du tube à rayons X selon l'invention, en vue de la déflexion du faisceau. Pendant l'intervalle de temps entre tO et tl, la partie centrale 7 de la pièce de concentration 3 est polarisée négativement (V7 de l'ordre de -500 volts) pour former le faisceau d'électrons qui est ensuite défléchi par la différence des tensions négatives Vs et V6 appliquées respectivement sur les marches des parties 5 et 6 de la pièce de concentration. Les tensions Vs et V6 ont des valeurs absolues très supérieures à la tension V7, afin d'être actives car les électrons du faisceau ont déjà de la vitesse entre les parties 5 et 6. De plus, le champ magnétique créé par la bobine 9 contribue à dévier le faisceau dans la même direction. Les diagrammes A, B et C représentent respectivement les variations, en fonction du temps, des tensions V7, V5 et V6 de la pièce de concentration, pendant que le diagramme D représente les variations de l'intensité i, en fonction du temps, du courant circulant dans la bobine magnétique. Les signaux Vs, V6 et V7 de polarisation de la pièce de concentration 3 doivent être synchronisés avec l'intensité i du courant appliqué à la bobine 9. La déflexion devant être dynamique, il est possible de basculer d'un état défléchi à l'autre en inversant simultanément les tensions Vs et V6. Afin de s'affranchir de la traînée du déplacement du foyer entre deux états défléchis, donnant naissance à un balayage correspondant non souhaité du faisceau de rayons X sur l'objet à examiner, il faut bloquer l'émission du faisceau d'électrons pendant le temps de basculement, soit pendant les intervalles de temps (t2-tl) et (t4-t3). Pour cela, les trois tensions Vs, V6 et V7 de la pièce de concentration 3 sont portées à une valeur négative élevée, de l'ordre de -3000 volts par exemple, ladite pièce jouant alors le rôle d'une grille.Pendant les intervalles de temps (t2-tl) et (t4-t3) de basculement du faisceau, l'intensité i du courant dans la bobine passe de +5 ampères à -5 ampères avec une certaine constante de temps due à l'inductance de la bobine. A titre indicatif, le temps de basculement est de l'ordre d'une milliseconde. Le diagramme E indique la position du foyer de rayons X, qui se trouve à droite de l'axe x'x du faisceau entre les instants tO et tl, puis à gauche entre les instants t2 et t3. Ainsi le tube à rayons X selon l'invention, tout en restant de conception classique, permet des déflexions bien supérieures à celles permises par un tube actuel sans déformation du foyer de rayons x, quelle que soit sa position sur l'anode, et avec une bonne dynamique. Grâce à ces qualités, il est possible d'envisager la reconstruction d'images en trois dimensions à partir de deux foyers de rayonnement X suffisamment espacés. REVENDICATIONS 1. Tube à rayons X comportant une cathode (K) et une anode (A) enfermées dans une enceinte (1) sous vide, la cathode (K) étant constituée d'un filament (2) émetteur d'un faisceau d'électrons (F), logé dans la rainure diamétrale (4) d'une pièce de concentration (3) du faisceau électronique composée d'une embase (7) et de deux parties (5 et 6) creusées en forme de marches et disposées symétriquement de part et d'autre du filament (2), ces trois parties de la pièce de concentration étant isolées électriquement les unes des autres et polarisables séparément, caractérisé - en ce qu'il comporte, en outre, une bobine magnétique (9) extérieure à l'enceinte (1), dont l'axe (y'y) est perpendiculaire à l'axe (x'x) du faisceau électronique (F) et dans le même plan pour que le champ magnétique (By) ne soit induit que dans l'espace entre la cathode (K) et l'anode (A), et - en ce que l'embase (7) de la cathode (K) est portée à un potentiel de polarisation (V7) négatif, pendant que les parties (5 et 6) de ladite cathode sont portées à des potentiels de polarisation (Vs et V6) négatifs, dissymétriques et de valeurs absolues plus élevées que le potentiel (V7). 2. Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine est composée de N spires dont le diamètre est égal à q2 fois la distance (D) entre le faisceau électronique (F) et la bobine (9), distance à laquelle le champ magnétique (By) induit par la bobine est maximal à l'endroit du faisceau d'électrons (F). 3. Tube à rayons X selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine magnétique (9) est placée, parallèlement à l'axe (x'x) du faisceau électronique (F), plus près de la cathode (K) que de l'anode (A) de sorte que le champ magnétique (By) est appliqué sur une longueur du faisceau (F) égale au maximum aux trois quarts de la distance d entre la cathode et l'anode. 4. Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la déflexion du faisceau électronique (F) est dynamique, par inversion du sens du courant (i) circulant dans la bobine magnétique (9) et par inversion des tensions de polarisation (Vs et V6) des pièces (5 et 6) de la pièce de concentration (3), le courant i de la bobine et les tensions de polarisation de ladite pièce (3) étant synchrones, avec blocage de l'émission du faisceau électronique, pendant le temps de basculement du faisceau d'un état défléchi à l'autre, obtenu en portant l'ensemble de la pièce de concentration (3) à un potentiel très négatif par rapport à celui du filament (2), ladite pièce de concentration jouant le rôle de grille. 5. Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trois parties (5, 6 et 7) de la pièce de concentration (3) sont en métal et séparées les unes des autres par des cloisons isolantes (8,8').