Brevet FR2700889A1 — publié le 19940729

i TUBE CONVERTISSEUR D'IMAGES, ET PROCEDE DE SUPPRESSION DES LUEURS PARASITES DANS CE TUBE La présente invention concerne un perfectionnement aux tubes convertisseurs d'images: ce perfectionnement permet d'éliminer les lueurs parasites qui peuvent se développer sur les isolants à l'intérieur de ces tubes. L'invention concerne également le procédé mis en oeuvre pour supprimer ces lueurs parasites. Le rappel préliminaire de la structure et du fonctionnement d'un tube convertisseur d'images permettra de mieux comprendre la nature du problème posé et celle de la solution proposée par l'invention Mais, de façon à être plus claires et précises les explications ainsi que celles relatives à l'invention s'appuieront sur l'exemple, non limitatif, d'un tube intensificateur d'images radiologiques. Les tubes intensificateurs d'images sont des tubes à vide comprenant un convertisseur d'entrée, situé à l'avant du tube, un système d'optique électronique, et un écran d'observation de l'image visible situé à l'arrière du tube, du côté d'une fenêtre de sortie de ce dernier. Dans les tubes intensificateurs d'image radiologiques ou en abrégé "tube IIR", le convertisseur d'entrée comporte un écran scintillateur qui convertit les photons X incidents en photons visibles. La figure i montre schématiquement un tel tube intensificateur d'image du type radiologique. Le tube IIR comprend une enveloppe i en verre ou en métal dont une extrémité, à l'avant du tube, comprend un écran d'entrée 2 Cette extrémité est fermée par une fenêtre d'entrée 3 exposée à un rayonnement de photons X. La seconde extrémité de l'enveloppe formant l'arrière du tube est fermée par une fenêtre de sortie 4 transparente à la lumière. Les rayons X sont convertis en rayons lumineux par un écran scintillateur 5 Les rayons lumineux excitent une photocathode 6 qui en réponse produit des électrons. Les électrons produits par la photocathode 6 sont accélérés vers la fenêtre de sortie 4 à l'aide de différentes électrodes 7, et d'une anode 8, disposées le long d'un axe longitudinal du tube et qui forment le système d'optique électronique. La fenêtre de sortie 4 est formée par une pièce transparente en verre qui, dans l'exemple représenté, porte un écran cathodoluminescent ou écran de sortie 9 fait de luminophores par exemple. L'impact des électrons sur l'écran cathodoluminescent ou écran de sortie permet de reconstituer une image (amplifiée en luminance) qui au départ était formée sur la surface de la photocathode 6. L'image affichée par l'écran de sortie 9 est visible à travers la pièce en verre qui constitue la fenêtre de sortie 4. Généralement des dispositifs capteurs d'optiques (non représentés) sont disposés à l'extérieur du tube à proximité de la fenêtre de sortie 4 pour capter cette image au travers de cette dernière et permettre son observation. Mais cette observation ne peut être efficace que s'il n'intervient pas de lumière parasite Or, une conséquence du procédé de fabrication, d'une part, et des hautes tensions de l'optique électronique, d'autre part, réside en l'apparition de lueurs en surface des parties Isolantes qui soutiennent les électrodes Il est facilement concevable que ces lueurs dégradent l'image radiologique observée, en particulier en contraste. Ces lueurs parasites proviennent de ce que l'isolation électrique des électrodes est dégradée par la présence des métaux alcalins qui se sont déposés sur ces électrodes, et qui favorisent par effet de champ une émission d'électrons qui vont charger les isolants. L'invention apporte une solution aux inconvénients de l'art antérieur en proposant de limiter la charge électrique des isolants, qui est à l'origine des lueurs parasites Cet objectif est atteint en recouvrant la surface des isolants par une couche mince d'un produit très peu conducteur pour limiter le courant de fuite mais ayant surtout un faible taux d'émission secondaire d'électrons Le carbone diamant est un bon exemple de substance convenant à ces impératifs. De façon plus précise, l'invention concerne un tube intensificateur d'images radiologiques (IIR) comportant, à l'intérieur d'une enceinte sous vide, au moins un écran d'entrée associant un scintillateur et une photocathode, qui transforment les rayons X incidents sur le scintillateur en électrons, focalisés sur un écran de sortie au moyen d'une optique électronique formée par une pluralité d'électrodes fixées au moyen d'une pluralité de pièces isolantes, ce tube IIR étant caractérisé en ce que, en vue de supprimer les lueurs parasites qui naissent en fonctionnement sur les isolants, ceux-ci sont recouverts d'une couche mince d'un matériau ayant un faible taux d'émission secondaire d'électrons, une très faible conductivité électrique, et susceptible d'être déposé par un procédé physique ou chimique de vaporisation en couche mince. L'invention sera mieux comprise par l'exposé d'un exemple de réalisation, en liaison avec les figures jointes en annexes qui représentent: figure 1 vue en coupe, schématique, d'un tube IIR selon l'art connu; figure 2 vue en coupe d'un tube IIR, orientée sur les problèmes d'isolants résolus par l'invention; figures 3 a à 3 c: schéma du mécanisme d'apparition des lueurs sur les isolants; figure 4: coupe d'un isolant recouvert d'une couche mince selon l'invention. La figure 1 qui a été décrite précédemment exposait rapidement le fonctionnement d'un tube IIR La figure 2 reprend cette vue en coupe, mais elle est plus particulièrement orientée sur les isolements électriques à l'intérieur. De façon à rendre plus claire et plus concrète la description, on admettra que ce tube IIR a une photocathode 6 en antimoniure d'alcalins, et qu'il est de type tétrode, avec trois grilles 71, 72, 73 et une anode 8. Les électrodes sont portées à des tensions pouvant aller au delà de 30 k V pour l'anode 8 et à environ 20 k V pour la grille 73 Les électrodes 71 et 72 sont portées à des tensions ne dépassant généralement pas 1500 V L'écran primaire 2 avec sa photocathode 6 transforme le rayonnement X en un faisceau d'électrons qui est ensuite focalisé par l'ensemble d'électrodes sur l'écran secondaire 4 qui le transforme en image lumineuse. Généralement l'anode 8 est portée à une tension fixe, par exemple 30 k V, tandis que les autres électrodes, dont en particulier la grille 73 peuvent être portées à des tensions variables pour agrandir l'image d'entrée sur l'écran de sortie, créant ainsi un effet de zoom Le mode de fonctionnement zoom peut conduire à des tensions de fonctionnement supérieures à 20 k V pour l'électrode 73. L'ensemble des grilles 71, 72 et 73, de l'anode 8, et de la fenêtre de sortie 4 forment un ensemble architectural qui est assemblé de façon rigide: d'une part au moyen de cales d'alumine 11 et 12, par exemple, entre les grilles 71, 72 et 73, d'autre part au moyen d'un scellement 13 verre/métal, entre l'enveloppe 1 du tube et les électrodes 8 et 73. Compte tenu des tensions élevées auxquelles peuvent fonctionner les électrodes 73 et l'anode 8, leur isolement électrique vis à vis du reste du tube est un problème délicat, mais il se fait que la tenue en tension est particulièrement dégradée par le procédé de fabrication de la photocathode 6 qui se fait à l'intérieur même du tube à vide 1 par évaporations successives de ses éléments constitutifs Si l'évaporation de l'antimoine (Sb) par effet Joule à partir d'un creuset inséré sur l'axe du tube est directive et permet d'éviter une pollution importante du reste du tube, il en est tout autrement pour celle des alcalins tels que potassium (K), césium (Cs) ou sodium (Na) L'évaporation des métaux alcalins est le résultat d'une décomposition à chaud d'un composé de ces métaux tel que par exemple un chromate, par le chauffage par effet Joule des générateurs alcalins La géométrie fermée de ces générateurs, nécessaire au confinement des chromates pour optimiser les réactions de décomposition, et leur position décentrée par rapport à l'axe du tube rendent l'évaporation très peu directive L'évaporation des alcalins peut même se faire à l'extérieur du tube: ils sont alors Injectés dans le tube à travers un queusot Dans tous les cas, cette évaporation génère un brouillard qui se dépose partout à l'intérieur du tube. Une partie des alcalins vaporisés se dépose sur les pièces métalliques du tube IIR, telles que les électrodes 71, 72, 73, tandis qu'une autre partie des alcalins se dépose sur les pièces isolantes 11, 12, 13 Les figures 3 a à 3 c permettent de comprendre le phénomène d'apparition des lueurs sur les isolants, et par voie de conséquence de comprendre la solution apportée par l'invention. Soit une pièce isolante 12, en alumine, qui soutient et réunit deux grilles 72 et 73 en acier Inoxydable, par exemple Dans ce cas, la grille 73 est portée à quelque 20 k V, la grille 72 à quelque 1, 5 k V et la cale d'alumine 12 a été précédemment polluée par des alcalins, ainsi d'ailleurs que les pièces métalliques. Les alcalins, déposés en surface des pièces métalliques internes du tube, diminuent considérablement le travail de sortie des électrons du métal ce qui favorise les émissions parasites d'électrons par effet de champ aux endroits o le champ électrique est élevé En particulier, le champ électrique peut être très élevé au voisinage isolant/électrode à basse tension pour des raisons de charge de l'isolant et de proximité de sources potentielles d'électrons. Ainsi, dans un premier mécanisme d'émission représenté en figure 3 a, un électron incident qui heurte la cale d'alumine 12 provoque un effet multiplicateur et en arrache au moins deux électrons secondaires, avec la conséquence que la cale 12 est chargée d'au moins une charge positive Cette charge positive attire, dans un second mécanisme d'émission symbolisé en figure 3 b, les électrons qui sont sortis des pièces métalliques par effet de champ, par exemple au voisinage isolant/électrode Les électrons ainsi captés ramènent au cas précédent et créent des électrons secondaires par effet multiplicateur C'est ainsi qu'il y a très rapidement un effet d'avalanche, et l'émission d'électrons par effet de champ conduit figure 3 c à l'apparition de lueurs en surface de l'isolant bombardé par un mécanisme de type cathodoluminescence Ces lueurs sont typiquement bleues sur le verre et rouge sur lt'alumine AI 203 Les lueurs sont généralement stables dans le temps bien qu'elles peuvent varier légèrement en position. Les lueurs en surface des isolants, visibles directement de la photocathode ou par réflexions sur les électrodes ou les parois métalliques du tube, sont retransmises et amplifiées sur l'écran secondaire 4 L'éclairement parasite ainsi généré perturbe le bon fonctionnement du tube IIR: lueur en l'absence de signal utile et détérioration du contraste en fonctionnement Le courant de fuite important qui peut être associé à la présence des lueurs est aussi source d'instabilité de l'alimentation du tube IIR au détriment de la qualité de l'image, avec perte de résolution. Pour améliorer l'isolement électrique et en particulier limiter l'apparition de lueurs en surface des isolants, différentes solutions sont connues mais comportent des limitations de performances ou restent très coûteuses. Une première solution consiste à limiter les possibilités d'émission d'électrons Cette solution nécessite une action sur la configuration des pièces et leur état de surface En effet l'émission parasite d'électrons par effet de champ est régi par deux paramètres: le travail de sortie des électrons et le champ microscopique en surface du site d'émission Si le travail de sortie est conditionné par la présence inévitable des alcalins, le champ microscopique peut être diminué en améliorant l'état de surface et en augmentant le rayon de courbure de la place au niveau des sites possibles d'émission, avec diminution de l'effet de pointe L'émission parasite d'électrons et donc les lueurs sur isolants peuvent donc être diminuées par l'introduction de pièces polies et arrondies, par exemple aux jonctions isolant-métal Ces pièces sont généralement coûteuses et doivent être manipulées avec soin. Une seconde solution consiste à protéger l'isolant bombardé par un dépôt d'un produit pulvérulent Une telle solution consiste par exemple en un dépôt d'oxyde de chrome, réalisé en utilisant un mélange de poudre d'oxyde de chrome, d'eau et éventuellement d'un liant Déposé au pinceau ou au tampon, on obtient un dépôt épais et d'adhérence faible Cette solution, si elle permet d'éliminer les lueurs en surface de l'isolant badigeonné, est une source de pollution particulaire dans le tube et donc de défauts d'aspect sur l'écran de sortie. Enfin, on peut optimiser la forme de l'isolant, en utilisant des alumines crénelés ou coniques C'est une solution coûteuse et à l'efficacité limitée compte tenu de la présence d'alcalins dans le tube. Selon l'invention, on limite la charge électrique des isolants à l'origine des lueurs parasites par un dépôt 14 (figures 2 et 4) sur ces isolants d'un produit ayant pour principales caractéristiques: d'avoir un faible taux d'émission secondaire d'électrons, de sorte que s'il est heurté par un électron, il l'absorbe sans émission secondaire avec mutiplication, d'être homogène, c'est-à-dire non pulvérulent, ou déposé par un procédé dit "de couche mince", avec forte adhérence entre le produit et l'isolant, d'être très peu conducteur pour limiter le courant de fuite dans le tube intensificateur d'image. Un tel dépôt consiste par exemple en une couche de carbone amorphe déposée par pulvérisation cathodique ou par un procédé chimique, stimulé par un plasma et connu sous le vocable anglais PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) La technique de PECVD permet l'obtention d'un dépôt homogène, mince, isolant et très adhérent sur des pièces de formes complexes Le dépôt consiste en un craquage, en surface du substrat, de l'acétylène en présence d'hydrogène à basse pression ( 10 1 à 10 3 torr) Pour activer la réaction le substrat est chauffé à 1000 C et soumis à un plasma HF de 13.5 M Hz Ce type de couches minces est aussi connu sous le nom de "carbone diamant" ou en anglais ADLC (Amorphous Diamond Like Carbon). Le carbone diamant est un matériau connu pour son faible coefficient d'émission secondaire Celui-ci reste inférieur à 1 quelle que soit l'énergie incidente des électrons: le matériau ne se charge pas quelles que soient les conditions de bombardement électronique. Le carbone sous forme de graphite ne convient pas car il est conducteur Le noir de carbone a été utilisé en technologie du tube à vide mais ce type de dépôt présente tous les inconvénients de la peinture d'oxyde de chrome: épaisseur, mauvaise adhérence et donc possibilité de générer des particules dans le tube. Le carbone diamant déposé en couche mince par pulvérisation ou par PECVD est parfaitement homogène et adhère à son support; il ne génère pas de poussières comme la peinture à l'oxyde de chrome. Le dépôt de carbone par PECVD permet de traiter un grand nombre de pièces simultanément Une épaisseur de 1000 A ( 0,1 pim) suffit pour gagner un facteur 1, 5 à 2 sur le seuil d'apparition des lueurs en surface d'isolateurs en alumine travaillant à des tensions pouvant aller jusqu'à 40 k V, car le carbone diamant est très peu conducteur et tient de très hautes tensions. Le dépôt de carbone amorphe peut être fait sur des pièces en alumine telles que les isolateurs 11 et 12 entre les électrodes 72 et 73 par exemple, ou sur le bulbe de verre 13 qui permet l'isolement grille 73 / anode 8 Les pièces métalliques attenantes telles que les embouts des cales d'alumine ou les pièces métalliques moulées dans le bulbe en verre peuvent aussi être recouvertes, le dépôt étant aussi adhérent sur un substrat métallique et n'est pas susceptible de générer des particules pendant les opérations de montage en raison de sa faible épaisseur. La figure 4 illustre l'invention: une cale isolante 12, située entre deux pièces métalliques telles que les électrodes 72 et 73, est recouverte d'une couche 14 d'un matériau ayant un faible taux d'émission secondaire et une faible conductivité, déposé selon une technique dite de couche mince. Par rapport à la cale isolante 12, la couche 14 se comporte comme un blindage, pour empêcher que des électrons incidents ne chargent l'isolant 12, par l'émission secondaire d'électrons. L'invention peut être généralisée à tout autre type de matériau isolant susceptible d'être déposé en couche mince et ayant pour caractéristique principale un faible taux d'émission secondaire On citera par exemple les oxydes de titane, de tungstène, de vanadium, de molybdène, d'argent, de cuivre ou même l'oxyde de chrome en couche mince Dans ce cas, le chrome est déposé par exemple par pulvérisation cathodique avec un dispositif de rotation de l'échantillon pour homogénéiser le dépôt, et le dépôt est ensuite oxydé. L'invention est précisée par les revendications suivantes. il REVENDICATIONS 1 Tube convertisseur d'images comportant, à l'intérieur d'une enceinte sous vide ( 1), au moins un écran d'entrée ( 2) associant un scintillateur ( 5) et une photocathode ( 6), qui transforment les rayons X incidents sur le scintillateur ( 5) en électrons, focalisés sur un écran de sortie ( 4) au moyen d'une optique électronique formée par une pluralité d'électrodes ( 8, 71, 72, 73) fixées au moyen d'une pluralité de pièces isolantes ( 11, 12, 13), ce tube étant caractérisé en ce que, en vue de supprimer les lueurs parasites qui naissent en fonctionnement sur les isolants ( 11, 12, 13), ceux-ci sont recouverts d'une couche mince ( 14) d'un matériau ayant un faible taux d'émission secondaire d'électrons, une très faible conductivité électrique et susceptible d'être déposé par un procédé physique ou chimique de vaporisation en couche mince. 2 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau ( 14) à faible taux d'émission secondaire est choisi parmi le carbone diamant, ou les oxydes de titane, de tungstène, de vanadium, de molybdène, d'argent, de cuivre, ou de chrome. 3 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau ( 14) est déposé sous forme d'une couche adhérente d'épaisseur de l'ordre de 1000 A ( 0,1 micromètre). 4 Procédé de suppression des lueurs parasites dans un tube intensificateur d'images radiologiques conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de "carbone diamant" est déposée en surface des isolants ( 11, 12, 13), chauffés à 1000 C, par craquage d'acétylène en présence d'hydrogène, à une pression entre 10-1 et 10-3 torr, sous l'action d'un plasma à 13,5 M Hz. 5 Procédé de suppression des lueurs parasites dans un tube intensificateur d'images radiologiques conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche d'oxyde d'un métal choisi parmi titane, tungstène, vanadium, molybdène, argent, cuivre, chrome, est déposée en surface des isolants ( 11, 12, 13) par pulvérisation cathodique, suivie d'une oxydation.