Brevet FR2687842A1 — publié le 19930827

PERFECTIONNEMENTS AUX SOURCES DE RAYONS X L'invention se rapporte à des perfectionnements aux sources de rayons X, destinées à des applications médicales, notamment à la radiographie mammaire. Lorsqu'un faisceau d'électrons rapides à haute énergie frappe une cible métallique, ces électrons sont ralentis et la majorite d'entre eux pénètre dans le métal. Le soudain freinage de ces électrons produit des radiations électromagnétiques à très faibles longueurs d'ondes : les rayons X. Ces radiations sont engendrées par les électrons qui, après avoir pénétré dans le métal, interagissent avec les atomes de celui-ci. Elles présentent des longueurs d'ondes bien définies qui sont caractéristiques de la structure du matériau constituant la cible ainsi qu'un fond continu dû au freinage. Un tube à rayons X comprend, dans une enveloppe à vide, une cathode chaude émettant des électrons et une anode-cible (ou anticathode) portée un potentiel continu positif de plusieurs kilovolts par rapport à la cathode. Lorsque l'enveloppe est métallique (cas des tubes monopolaires), une fenêtre transparente aux rayons X formant collimateur est prévue, la cathode et l'enveloppe étant toutes deux mises à la masse. La cathode comporte un filament de tungstène en spirale, loge au fond d'un bloc métallique creuse pour former l'equivalent d'une lentille électronique de concentration. L'anode peut être fixe ou tournante. Une anode fixe est, par exemple, constituée par une masse cylindrique en cuivre comportant un plan oblique pourvu d'un revêtement de tungstène dispose en face du filament. Une anode tournante est, par exemple, constituée par un disque massif ou composite, en molybdène, graphite ou tout autre matériau, présentant un bord tronconique. Entraînée à grande vitesse par un moteur, la petite surface tronconique, qui fait face à la cathode, est constamment renouvelée et sa température demeure inférieure à un seuil acceptable. Lorsque le filament de la cathode est incandescent, le champ électrique créé par la tension positive de plusieurs kilovolts appliquée à l'anode, accélère les électrons émis par la cathode et ceux-ci, convenablement concentrés, viennent frapper l'anode sur une surface relativement réduite de forme allongée, appelée foyer, qui devient la source principale d'émission d'un rayonnement X. Celui-ci est produit dans toute la zone située en avant de la petite plage oblique de l'anticathode bombardée par les électrons. Le rendement de radiation d'un tube à rayons X dépend de plusieurs facteurs : (1) l'intensité et l'homogénéité du faisceau d'électrons, (2) l'amplitude de la différence de potentiel appliquée entre l'anode et la cathode et (3) le numéro atomique du matériau qui constitue l'anode-cible. Les propriétés de la source radiogène qui intéressent le domaine médical, c'est-à-dire la qualité du cliché obtenu par sa mise en oeuvre, sont celles qui interviennent sur deux facteurs essentiels : la netteté et le contraste. Pour ce qui concerne la netteté, on distingue deux flous d'origines différentes : (1) le flou géométrique résultant des dimensions du foyer et (2) le flou cinétique dli aux mouvements de l'organe examiné. Pour ce qui concerne le contraste, si l'on suppose optimisés le spectre du rayonnement X produit et la finesse du grain du film du cliché, on retient deux facteurs afférents à la source : (1) la répartition en densité électronique du faisceau qui conditionne la répartition en émission de rayons X du foyer et donc la fonction de transfert-de modulation, et (2) l'extrafocale résultant des électrons qui rebondissent sur l'anode puis retombent en dehors du foyer. Ces derniers électrons, appelés électrons secondaires, sont pour la plupart, "issus des électrons qui ont frappé le foyer de l'anode puis rebondi sans guère avoir perdu d'énergie (4t d'entre eux n'en perdent pas du tout). Ils retombent ensuite sur l'anode, en dehors du foyer, et, à cette occasion, ils engendrent des rayons X extra-focaux, lesquels affectent le contraste du cliché dès lors qu'ils participent à ce cliché. On peut minimiser cette participation en prévoyant un collimateur en plomb pour délimiter le faisceau utile des rayons X finalement produits. Dans le cas des tubes générateurs de rayons X, du type monopolaire, c'est-à-dire pourvus d'une enveloppe métallique reliée à la masse et d'une broche isolée, adaptée à être connectée à une très haute tension, on sait qu'il est possible de supprimer l'émission extra-focale de rayons X, en reliant l'anode du tube à la masse et sa cathode à un potentiel négatif élevé. Dans ce cas, en effet, les électrons secondaires produits sont, du fait des emplacements de leurs points de retombée, incapables d'engendrer des rayons X susceptibles de traverser la fenêtre transparente aménagée dans l'enveloppe du tube et donc de participer au cliché. Dans le cas contraire, c'est-à-dire lorsque l'anode est reliée à une très haute tension positive et l'enveloppe mise à la masse, les électrons (négatifs mais rapides) qui rebondissent sur l'anode sont repoussés par l'enveloppe (négative par rapport à l'anode) et renvoyés vers l'anode, sur laquelle ils retombent au hasard en produisant une grande quantité de rayons X extra-focaux, susceptibles de participer au faisceau de rayons X qui sort du tube. On pourrait donc penser que pour résoudre le problème de la suppression de l'émission de rayons X extra-focaux des tubes monopolaires; il suffit de connecter à la masse, l'anode et l'enveloppe et de relier la cathode à une très haute tension négative. En fait, il faut dans ce cas, prévoir en outre un isolement adéquat pour le transformateur basse tension qui alimente son filament. Une telle obligation est jugée particulièrement contraignante et cela justifie de rechercher une autre solution pour supprimer le rayonnement extra-focal des tubes monopolaires, utilisés notamment en radiographie mammaire. L'objet de l'invention est de construire un tube à rayons X, du genre tube monopolaire qui, à la fois, ne produit pas de rayonnement extra-focal et ne nécessite pas un isolement particulier du transformateur d'alimentation du filament. Selon l'invention, une source de rayons X, du genre comprenant, à l'intérieur d'une enveloppe métallique étanche reliée à la masse, une cathode munie d'au moins un filament adapté à émettre des électrons rapides à haute énergie et une anode constituant une cible pour ces électrons, l'enveloppe étant pourvue d'une fenêtre transparente aux rayons X, et l'anode, adaptée à être connectée à une source de tension très élevée, positive par rapport à la cathode, est caractérisée en ce que - elle comporte une coupelle métallique de protection de l'anode contre le retour des électrons ayant rebondi sur elle, - l'anode est disposée au fond de la coupelle, - la coupelle est électriquement reliée à une source de tension positive au moins égale à celle de la source alimentant l'anode, - la coupelle est soutenue par la paroi de l'enveloppe au moyen d'un support isolant étanche, et - une ouverture est pratiquée dans la paroi de la coupelle afin de laisser passage au faisceau de rayons X produits. Grâce à cette disposition, le tube à rayons X, pourvu d'une enveloppe métallique équipée d'une coupelle de protection d'anode selon l'invention, ne produit pas de rayons X extra-focaux participant au faisceau utile et ne nécessite pas de transformateur d'alimentation du filament Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'une manière plus précise de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente une coupe longitudinale schématique d'un tube générateur de rayons X selon l'invention. En référence à la figure, un tube à rayons X selon l'invention comprend une enveloppe métallique étanche 10, constituée par deux coques rigides 12 et 14 cylindriques à fonds plats 16 et 18, les deux coques étant fixées l'une à l'autre d'une manière étanche, au moyen d'une collerette d'assemblage 20, pourvue de joints toriques non représentés. L'enveloppe 10 est reliée à la masse électrique du tube à rayons X. Sur le fond 16 de la coque 12, est fixée une cathode 22 comprenant un bloc métallique 24 et au moins un filament 26. Le bloc 24 est mécaniquement solidaire du fond 16 et électriquement relié à lui. Sa face avant est creusée et profilée de manière à constituer une pièce de concentration pour les électrons émis par le filament 26 lorsqu'il est incandescent. Le filament 26 est adapté à être alimenté par une tension alternative de dix à vingt volts, appliquée entre la masse et une broche 28, montée dans une perle isolante 30 soudée au fond 16. En face de la cathode 22, est disposée la surface de l'anode 32, de forme tronconique, d'une anode tournante 34 constituée par un disque épais. L'anode 34 est fixée à l'extrémité d'un arbre d'entraînement 36, bon conducteur de l'électricité, solidaire d'un rotor 38 d'un moteur électrique. Le rotor 38 est monté tournant sur un arbre fixe 40, par l'intermédiaire de deux roulements à billes 42-44, bons conducteurs de l'électricité. L'anode 34 et le rotor 38 sont respectivement disposés dans une coupelle 46 et dans une cavité 48 à paroi mince, réalisée en métal amagnétique. La coupelle 46 et la cavité 48 sont toutes deux de révolution et l'une fait suite à l'autre. Le bord ouvert 50 de la coupelle 46 déborde largement l'avant de l'anode 34. Le fond de la cavité 48 est constitué par un bloc cylindrique de céramique 52, traversé par l'arbre en porte-à-faux 40, le bloc 52 étant à la fois soudé à la paroi de la cavité 48 et à l'arbre 40. La paroi de la coupelle 46 et de la cavité 48 est électriquement reliée à l'arbre 40 par un conducteur 41. La paroi extérieure de la coupelle 46 est soudée à un anneau de céramique 54, lui-même soudé sur le bord de la coque 12. De la sorte, l'anneau 54, une partie arrière de la paroi de la coupelle 46, la paroi de la cavité 48 et le fond arrière du bloc de céramique 52 forment ensemble une cloison étanche. Cette cloison constitue avec la coque 12, une enceinte étanche 56 dans laquelle le vide a été fait et qui contient les éléments principaux d'une source de rayons X, savoir une cathode 22 et une anode tournante 34 supportée par le rotor 38. La paroi de la coque 12 comporte une fenêtre 58 transparente aux rayons X et, en face de cette fenêtre, une ouverture 60 a été pratiquée dans la paroi de la coupelle 46, le tout pour que soit ainsi constitué un collimateur qui définit la largeur angulaire du faisceau utile 61 des rayons X produits. Dans la coque 14 est montée une pièce de révolution 62 en forme de cloche. Un bord 64 de la pièce 62 est à la ,: fois en appui sur l'anneau de céramique 54 par l'intermédiaire d'une rondelle élastique (non représentée) et fixé, par des moyens appropriés, aux deux coques 12-14 et à leur collerette 20 d'assemblage étanche. Sur la paroi interne de la pièce en cloche 62 est fixé, par des moyens appropriés, le stator 66 du moteur électrique d'entraînement de l'anode 34. Le fond de la pièce en cloche 62 est percé de passages latéraux tels 68 et 70 et d'une ouverture centrale 71. Deux conducteurs 72 et 73, reliés à l'enroulement du stator 66, traversent chacun un de ces passages latéraux et sont respectivement connectés à une broche isolée 74 et à la masse, la broche 74 étant montée dans une perle de verre 76 soudée dans le fond 18 de la coque 14. Le stator 66 est adapté à être alimenté par une tension alternative ou pulsée de quelques dizaines de volts, à fréquence fixe ou variable pour que l'anode 34 soit entraînée à une vitesse élevée, par exemple de 10.000 tours/minute. Sur le fond de la pièce en cloche 62 est fixé, par des moyens appropriés, un boîtier 78 contenant un générateur de très haute tension, fournissant, par exemple, une puissance de dix kilowatts sous une tension continue de cent mille volts environ, appliquée à une borne 80 à haut isolement, montée sur ressort. La borne 80 est en contact avec l'extrémité de l'arbre 40. Le générateur 78 comporte un transformateur élévateur de tension dont le primaire est alimenté par un premier conducteur 82 connecté à une broche isolée 84 montée dans une perle de verre 86 soudée dans le fond 18 de la coque 14 et par un second conducteur 83 relié à la masse par l'intermédiaire de la paroi de la coque 14. Ce transformateur est adapté à être alimenté par une tension alternative de quelques centaines de volts et d'environ cent kilohertz. De la sorte, le volume total du générateur 78 est particulièrement réduit. L'enceinte étanche 88, constituée par la coque 14 et par la cloison définie ci-dessus, est remplie par un liquide de refroidissement à la fois bon conducteur de la chaleur et bon isolant électrique qui baigne les parois et le contenu de l'enceinte 88. Compte tenu du très faible rendement énergétique des tubes à rayons X, quelques pour cent, la puissance dissipée sous forme de chaleur dans l'anode tournante 34 est proche de celle fournie par le générateur 78. En conséquence, le liquide de refroidissement visé ci-dessus pourra, pour améliorer son efficacité, être fourni par un dispositif de circulation, non représenté, associé à un échangeur thermique et à un vase d'expansion. Grâce aux dispositions décrites ci-dessus, lorsque le tube à rayons X selon l'invention est correctement alimenté, le filament incandescent 26 émet un pinceau d'électrons rapides à haute énergie dirigé vers la surface tronconique 32 de l'anode 34 entraînée en rotation par le rotor 38 du moteur électrique. Un faisceau 61 de rayons X est alors produit qui traverse l'ouverture 60 pratiquée dans la paroi de la coupelle 46 de protection de l'anode 34 et la plaquette transparente aux rayons X de fermeture de la fenêtre 58 aménagée dans la paroi de la coque 12. Du fait de la présence de la coupelle de protection 46, tout autour et en avant de l'anode tournante 34, coupelle et anode étant au même potentiel élevé, les électrons émis par le filament incandescent 26, qui rebondissent, avec une perte d'énergie nulle ou faible, sur l'anode 34 sont dans leur très grande majorité, récupérés par la paroi cylindrique et le fond de la coupelle 46. A cette occasion, des rayons X parasites sont produits mais, compte tenu de la position de leurs points de naissance par rapport aux I- positions de l'ouverture 60 et de la fenêtre 58, pratiquement aucun d'entre eux ne sort du générateur selon l'invention Dans ces conditions, seuls les rayons X, engendrés au foyer sur la surface tronconique 32 de l'anode tournante 34, constituent le faisceau utile 61 des rayons X qui sortent du tube à rayons X selon l'invention. Grâce à une telle source sensiblement carrée en projection, le contraste des clichés obtenus est nettement amélioré, sans pour autant nécessiter une modification contraignante du transformateur d'alimentation du filament. Par ailleurs, le fait de disposer le générateur 78 à l'intérieur de la coque 14 de l'enveloppe 10, permet d'éviter des conducteurs électriques relativement longs et des traversées étanches à très fort isolement, qu'il aurait fallu utiliser dans le cas ou ce générateur aurait été extérieur à l'enveloppe 10. L'invention n'est bien entendu pas limitée à la forme de réalisation décrite. A cet égard on notera que l'anode au lieu d'être tournante pourra être fixe et que, dans ce cas, le rotor 38, le stator 66, l'arbre 40, la perle 76 et la cavité 48 seront supprimés, le cylindre de céramique 52 traversé par une broche en contact avec la borne 80 de sortie du générateur 78, étant soudé à l'arrière de la coupelle de protection 46, pour en constituer le fond. Quant au boîtier du générateur 78, il sera fixé à un support semblable à la pièce en cloche 62, ayant une profondeur plus faible. Pour ce qui concerne la coupelle 46 de protection de l'anode 34, sa forme pourra être différente de celle représentée, dès lors qu'elle entoure complètement l'anode et la protège contre le retour des électrons qui auront rebondi sur elle. L'anneau de céramique 54 qui soutient la coupelle 46, pourra, quant à lui, être fixé à la paroi de la coupelle 46 en tout endroit autre que celui représenté. Quant à la forme extérieure de l'enveloppe 10, elle pourra bien entendu être différente de la forme cylindrique. On notera que l'efficacité de la coupelle 46 de protection de l'anode 34 contre le retour des électrons ayant rebondi sur elle est établie à partir du moment où le potentiel auquel est portée cette coupelle est au moins égal à celui de l'anode 34. En conséquence, il est possible dans une variante de l'invention, de prévoir une seconde sortie pour le générateur 78, sur laquelle apparaîtrait une tension continue un peu plus élevée que celle alimentant directement l'anode. De même, on notera qu'il est possible, bien que nettement moins intéressant que les solutions décrites plus haut, d'avoir deux générateurs haute tension semblables au lieu d'un seul, l'un fournissant une tension positive appliquée à l'anode 34 et à la coupelle 46 et l'autre, une tension négative, de valeur absolue par exemple égale à celle de la précédente, appliquée au bloc métallique 24 constituant la cathode 22. Dans ce cas, la coque 12 sera agrandie pour contenir un générateur haute tension semblable à celui contenu dans la coque 14 et le bloc de concentration 24 de la cathode 22 sera monté sur un cylindre de céramique soudé au fond 16 de la coque 12. Quant au transformateur alimentant le filament 26, il pourra être fixé au fond 16 à l'extérieur de l'enveloppe 10, de manière, à nouveau, à éviter l'emploi de conducteurs relativement longs, à très fort isolement. REVENDICATIONS 1. Source de rayons X, du genre comprenant à l'intérieur d'une enveloppe métallique étanche, reliée à la masse, une cathode (22) munie d'au moins un filament (26) adapté, à l'état incandescent, à émettre des électrons i: rapides à haute énergie et une anode (34) constituant une cible pour ces électrons, l'enveloppe (10) étant pourvue d'une fenêtre (58) transparente aux rayons X, et l'anode (34), adaptée à être connectée à une source de tension très élevée, positive par rapport à la cathode (12), caractérisée en ce que - elle comporte une coupelle métallique (46) de protection de l'anode (34) contre le retour des électrons ayant rebondi sur elle; - l'anode (34) est disposée au fond de la coupelle (46); - la coupelle (46) est électriquement reliée à une source de tension positive au moins égale à celle de la source (78) alimentant l'anode (34); - la coupelle (46) est soutenue par la paroi (12) de l'enveloppe métallique, au moyen d'un support isolant étanche (54); et - une ouverture (58) est pratiquée dans la paroi de la coupelle (46) afin de laisser passage au faisceau (61) de rayons X produits et d'en fixer la largeur angulaire. 2. Source à rayons X selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fond de la coupelle (46) et le support isolant (54) constituent ensemble une cloison qui coopère avec la paroi ou coque (12) de l'enveloppe métallique pour réaliser une première enceinte étanche (56) sous vide contenant la cathode (22) et l'anode (34). 3. Source à rayons X selon la revendication 2, caractérisée en ce que le fond de la coupelle (46) et le support isolant (54) constituent ensemble une cloison qui coopère avec une coque (14) pour réaliser une deuxième enceinte (88) remplie d'un liquide de refroidissement. 4. Source de rayons X selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans la deuxième enceinte (88), remplie de liquide de refroidissement, est monté, sur un support (62) solidaire de la coque (14), un générateur haute tension qui est alimenté par l'intermédiaire d'une broche (84) pourvue d'une traversée isolante adéquate (86) fixée à la paroi de la coque (14).