Brevet FR2735282A1 — publié le 19961213

La présente invention concerne la technologie des tubes à rayons X et plus particulièrement a trait à une alimentation de tension de polarisation permettant d'amé- liorer la qualité radiologique du spot focal d'électrons bombardant l'anode d'un tube à rayons X. Dans un tube générateur de rayons X pour applica- tions médicales, un flux d'électrons émis par une cathode et accéléré à une énergie élevée dans une enceinte, dans laquelle un vide est établi, frappe une cible formant anode pour libérer une énergie électromagnétique sous la forme de rayons X. L'enceinte du tube comprend une fenêtre transpa- rente pour les rayons X de sorte qu'un rayonnement traverse la fenêtre pour atteindre un patient qui est examiné ou traité. Dans de nombreuses applications, il est souhai- table de focaliser étroitement un faisceau d'électrons sur une petite surface de la cible formant anode, surface qui est connue sous l'expression "spot focal". Seule une petite fraction de l'énergie des électrons est convertie en rayons X, alors que la majeure partie de l'énergie des électrons est convertie directement en énergie thermique. Certains électrons possèdent une énergie cinétique suffisante pour quitter la cible formant anode et s'échapper dans des directions aléatoires. Ces électrons, qui sont encore sou- mis au champ à haute tension, tendent à être réabsorbés dans la cible formant anode ou dans n'importe quelle autre surface qui les intercepte sur leur trajet. Ces électrons sont connus comme étant des "électrons secondaires ou de fuite" contrairement aux électrons situés dans le flux pri- maire émanant de la cathode. Des électrons secondaires provoquent non seule- ment un échauffement indésirable de l'enceinte du tube, à proximité de la zone du spot focal, mais également créent ce qu'on appelle un "rayonnement focal décalé". Le rayonne- ment focal décalé produit par les électrons secondaires crée un diagramme de rayonnement de base, qui endommage la qualité d'une radiographie en augmentant la taille du spot focal du tube & rayons X et en conduisant à un masquage. Une solution pour commander les dimensions du spot focal du flux d'électrons atteignant la cible formant anode consistait à monter un filament de cathode sur un élément de support de focalisation. Dans un type de tube classique, la cathode comprend habituellement un ou quelques filaments activés électriquement. Le filament est monté dans une électrode en forme de pot entourant ce fila- ment sur son côté situé à l'opposé du côté tourné vers la cible formant anode. Pour commander les dimensions du spot focal formé par un faisceau d'électrons sur la cible for- mant anode, on appliquait une tension de polarisation élec- trique entre l'électrode en forme de pot et le filament. L'électrode en forme de pot fonctionnait au potentiel de la cathode et était polarisée négativement lorsqu'une inter- ruption du faisceau d'électrons était requise. L'amélioration de cet agencement et une tentative visant à réduire les dimensions du spot focal pour obtenir des images à haute résolution ont conduit à un système qui possédait une seconde électrode intercalaire entre l'électrode en forme de pot et la cible formant anode. La seconde électrode était raccordée à une alimentation en tension variable, indépendante de la cathode. Bien que ces systèmes aient permis une certaine amélioration du réglage du spot focal, l'utilisation de la source indépendante pour la tension de polarisation d'électrode entraînait des variations indésirables et imprévisibles des réglages de focalisation, associées à des fluctuations dans la ligne d'alimentation, et d'autres phénomènes transistoires pen- dant des expositions aux rayons X. Une tentative visant à éliminer ce problème au moyen de la conception du circuit de tension de polarisa- tion pour l'électrode de focalisation entre la cathode et la masse de manière que des variations de la tension de cathode modifient la tension de polarisation dans la même proportion, n'ont pas apporté une amélioration importante du point de vue réduction des dimensions du spot focal, tout en rendant le tube susceptible d'être défaillant sous l'effet d'une haute tension transitoire. Différentes solutions pour traiter ces problèmes ont été présentées par Furbee et consorts dans le brevet U.S. 5 007 074 ayant pour titre "X-RAY TUBE ANODE FOCUSING BY LOW VOLTAGE BIAS". Conformément à la présente invention, le pot formant la cathode est polarisé à une basse tension au moyen d'une batterie, pour réduire la dispersion du faisceau d'électrons, qui provoque l'apparition des plages latérales au niveau du spot focal de la cible formant anode. Une petite batterie autonome est introduite dans le tube entre l'enceinte du tube à rayons X et le boîtier et est utilisée en tant que source de polarisation de tension. Bien qu'il soit satisfaisant à certains égards, un tel sys- tème présente des inconvénients. La batterie se décharge dans le temps et sa valeur de sortie varie dans une gamme de températures, qui est classique pour le boîtier du tube. Cette variation peut être inversement proportionnelle à la valeur optimale désirée, étant donné que la polarisation fournie par la batterie reste inchangée en dépit de varia- tions de la puissance du tube. C'est pourquoi un but de la présente invention est de fournir un type de tube à rayons- X à autopolarisa- tion du spot focal, qui permet d'optimiser la géométrie du spot focal en projection de manière à améliorer la résolu- tion et accroître la densité de puissance dans le spot focal. La présente invention traite ce problème à l'aide de moyens électriques qui polarisent le pot formant la cathode du tube à rayons X en tirant l'énergie du signal du filament. Conformément à la présente invention, il est prévu un tube à rayons X caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier dans lequel est située une enceinte à vide, une cible formant anode tournante, disposée à l'intérieur de ladite enceinte; un ensemble formant cathode disposé à l'intérieur de ladite enceinte pour produire un faisceau d'électrons destiné à frapper une surface de ladite cible formant anode située en face dudit ensemble formant cathode, ledit ensemble formant cathode comportant au moins un filament monté dans une électrode en forme de pot pour focaliser ledit faisceau d'électrons et former un spot focal sur ladite surface de ladite cible formant anode; une source de haute tension pour maintenir un potentiel entre ladite cible formant anode et ledit ensemble formant cathode pour amener ledit faisceau d'électrons à frapper ladite cible formant anode avec une énergie suffisante pour produire des rayons X; une source de courant alternatif couplée auxdits filaments pour chauffer ces derniers à la température requise pour des émissions thermiques; un capot de polarisation automatique comportant un multiplicateur de tension, ledit capot étant monté à l'extérieur de ladite enceinte à vide à proximité dudit ensemble formant cathode, ledit multiplicateur de tension étant branché électrique- ment entre ladite source de courant alternatif et lesdites électrodes en forme de pot pour appliquer une tension de polarisation continue pour commander une géométrie dudit spot focal sur ladite surface de ladite cible formant anode. Un tel agencement permet de régler une géométrie du spot focal sur une surface de la cible formant anode. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 représente une vue en coupe trans- versale du tube générateur de rayons X, qui est agencé conformément à la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un capot de polarisation automatique, qui applique une tension de polarisation produite par une source de tension alternative à un insert du tube à rayons X; - la figure 3 représente un ensemble formant cathode du tube à rayons X, qui est agencé conformément à la présente invention; et la figure 4 représente un tracé du spot focal fourni par le tube générateur de rayons X qui est agencé conformément à la présente invention. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un tube générateur de rayons X mettant en oeuvre la pré- sente invention. L'enceinte à vide 10 loge la structure interne du tube. Le dispositif fixe formant cathode 12, qui sert à émettre un flux d'électrons, est disposé à proximité d'une cible formant anode tournante 14. Des électrons émis par l'ensemble formant cathode 12 sont dirigés vers la sur- face de la cible formant anode 14. Un flux étroit et uni- forme, comme on peut le voir sur le tracé de la figure 4, part des pots de focalisation de l'ensemble formant cathode 12. Le flux d'électrons est accéléré à une haute énergie par la différence de tension présente entre la cible for- mant anode et la cathode. La haute tension, qui est appli- quée entre l'ensemble formant anode et la cible formant cathode, est dérivée d'une alimentation en énergie à cou- rant continu par l'intermédiaire de connecteurs d'alimen- tation en énergie. Pendant une exposition aux rayons X, la cible formant anode est maintenue au potentiel de masse ou au-dessus du potentiel de masse, tandis que l'ensemble for- mant cathode est maintenu au-dessous du potentiel de masse. En référence à la figure 3, l'ensemble formant cathode 12 comporte un couple de filaments 18 et 20, qui sont montés respectivement sur des pots de focalisation respectifs 22 et 24 au moyen d'isolateurs céramiques respectifs 26 et 28. Une source à courant alternatif (non représentée) est cou- plée de façon classique à des filaments 18 et 20 pour déli- vrer environ 4-10 volts aux filaments de manière à chauffer le ou les filaments hélicoïdaux à la température requise pour l'émission thermique. Les filaments sont chauffés à partir d'un transformateur d'alimentation en énergie des filaments qui fournit la tension des filaments égale à kV au-dessous de la masse. Le circuit de polarisation automatique 30 est branché entre la source d'alimentation en énergie des filaments et le pot de focalisation de l'ensemble formant cathode et est disposé sur le capot 32, dont la figure 2 représente une vue en plan. Le capot 32 est monté directement sur l'insert du tube à rayons X à l'extérieur de l'enceinte à vide 10 représentée sur la figure 1. Le signal d'entrée servant à commander le circuit de polarisation 30 est tiré du transformateur d'alimentation en énergie des filaments. La puissance d'entrée est de l'ordre de 0,05 milliwatt. cette tension alternative d'entrée est appliquée au multiplicateur de tension du circuit de polarisation 30. Le multiplicateur de tension est constitué de diodes et de condensateurs et on utilise un multiplicateur de tension du type connu dit de Cockroff-Walton pour produire une basse tension continue dans la gamme d'environ 24-40 volts à partir d'une source de courant alternatif. Sur la figure 3, on a représenté un multiplicateur à huit étages. Le nombre d'étages est optionnel. Le multiplicateur produit une tension approxima- tivement huit fois supérieure à la tension du signal du filament. Dans la forme de réalisation préférée, on utilise huit condensateurs de 10 pF chacun et huit diodes du type IN914. Le circuit de polarisation 30 produit un niveau de polarisation qui est proportionnel à l'amplitude du signal des filaments. Lorsqu'un courant plus intense de la cible formant anode est requis, on produit un niveau supé- rieur de polarisation étant donné qu'un courant de cible supérieur requiert un accroissement de la tension des fila- ments. En appliquant une charge négative par rapport à la branche commune des filaments sur le pot de focalisation isolé électriquement, cette charge de polarisation repousse et ramène au centre du faisceau les électrons de fuite ou électrons secondaires qui produisent des ombres ou font apparaître des plages latérales sur l'étendue en largeur d'un spot focal, qui altèrent la qualité des images. En choisissant le niveau correct de polarisation, on élimine les plages latérales sans réaliser un pincement du faisceau au point que les filaments aient à être commandés d'une manière plus intense. L'incorporation du capot de polarisa- tion automatique du spot focal dans l'agencement du tube à rayons X permet d'apporter des corrections à la géométrie et à la densité du spot focal, et de telles corrections peuvent être exécutées à l'extérieur du tube sans accroitre les exigences du point de vue alimentation concernant la source d'alimentation en énergie du filament, et sans pré- senter aucun problème du point de vue potentiel en ce qui concerne la source d'alimentation à haute tension du tube. REVENDICATIONS 1. Tube à rayons X, caractérisé en ce qu'il com- porte: une enceinte à vide (10); une cible formant anode tournante (14), disposée à l'intérieur de ladite enceinte; un ensemble formant cathode (12) disposé à l'intérieur de ladite enceinte pour produire un faisceau d'électrons des- tiné à frapper une surface de ladite cible formant anode (14) située en face dudit ensemble formant cathode (12), ledit ensemble formant cathode comportant au moins un fila- ment (18,20) monté dans une électrode en forme de pot (22,24) pour focaliser ledit faisceau d'électrons et former un spot focal sur ladite surface de ladite cible formant anode; une source de haute tension pour maintenir un potentiel entre ladite cible formant anode et ledit ensemble formant cathode pour amener ledit faisceau d'électrons à frapper ladite cible formant anode avec une énergie suffisante pour produire des rayons X; une source de courant alternatif couplée auxdits filaments (18,20) pour chauffer ces derniers à la température requise pour des émissions thermiques; un capot de polarisation automatique (32) comportant un multiplicateur de tension, ledit capot étant monté à l'extérieur de ladite enceinte à vide (10) à proximité dudit ensemble formant cathode (12), ledit multiplicateur de tension étant branché électriquement entre ladite source de courant alternatif et lesdites électrodes en forme de pot (22,24) pour appliquer une tension de polarisation continue pour commander une géométrie dudit spot focal sur ladite surface de ladite cible formant anode (14). 2. Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de courant alternatif est un transformateur d'isolation des filaments, ledit transformateur délivrant la tension d'environ 75 kV au- dessous de la masse. 3. Tube à rayons X selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit multiplicateur de tension est du type Cockroff-Walton. 4. Tube à rayons X selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit multiplicateur de tension com- porte de préférence huit étages. 5. Tube à rayons X selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit multiplicateur de tension est disposé sur un capot de polarisation. 6. Tube générateur de rayons X focalisés à pola- risation automatique, caractérisé en ce qu'il comporte: un boîtier; une enceinte à vide (10) montée dans ledit boîtier, ladite enceinte comprenant un ensemble formant cathode (12) équi- pée d'un filament (18,20) placé dans une électrode en forme de pot (22, 24) pour émettre des électrons et former un faisceau d'électrons, et une cible formant anode (14) pour recevoir ledit faisceau d'électrons, en formant un spot focal sur une surface située en face dudit ensemble formant cathode et émettre un faisceau de rayons X à partir de cet ensemble; une source de courant alternatif pour appliquer un courant de chauffage audit filament; une source de polarisation (30) disposée entre ledit boî- tier et ladite enceinte et montée sur un insert de ladite enceinte à proximité dudit ensemble formant cathode pour appliquer une basse tension de polarisation continue déli- vrée par ladite source à courant alternatif à ladite élec- trode en forme de pot, ladite source de polarisation com- prenant un multiplicateur de tension du type Cockroff- Walton. 7. Tube générateur de rayons X focalisés à pola- risation automatique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite basse tension de polarisation continue est de l'ordre d'environ 24-40 volts. 8. Tube générateur de rayons X focalisés à pola- risation automatique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit multiplicateur de tension comprend de pré- férence huit condensateurs (Cl-C8) et huit diodes (D1-D8).