Brevet FR3140706A1 — publié le 20240412

L’invention concerne une source génératrice de rayons ionisants (10) comprenant : - une enceinte à vide (12), - une cathode (14) disposée dans l’enceinte à vide (12) et configurée pour émettre un faisceau d’électrons (16) par effet de pointe dans l'enceinte à vide (12), - une anode (18) disposée dans l’enceinte à vide (12), recevant le faisceau d'électrons (16) et comprenant une cible (20) pouvant générer un rayonnement ionisant (22) à partir de l'énergie reçu du faisceau d'électrons (16), - une grille (24) disposée dans l’enceinte à vide (12) au voisinage de la cathode (14) et configurée pour induire sur la cathode (14) un champ électrique permettant de générer l’effet de pointe et d’accélérer les électrons du faisceau (16) en direction de la cible (20), - un générateur de courant variable (26) configuré pour délivrer un courant destiné à alimenter la cathode (14), - un module de pilotage (28) du générateur de courant variable (26) configuré pour faire varier le courant délivré par le générateur de courant variable (26) à la cathode (24). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Source génératrice de rayons ionisants compacte L’invention concerne une source génératrice de rayons ionisants compacte et permettant en particulier de générer des rayons X. Les rayons X ont aujourd’hui de nombreuses utilisations, notamment dans l’imagerie et la radiothérapie. L’imagerie par rayons X est largement employée notamment dans le domaine médical, dans l’industrie pour réaliser des contrôles non destructifs et dans la sécurité pour détecter des objets ou des matériaux dangereux. La réalisation d’images à partir de rayons X a beaucoup progressé. A l’origine seuls des films photosensibles étaient utilisés. Depuis, des détecteurs numériques sont apparus. Ces détecteurs, associés à des logiciels, permettent la reconstruction rapide d’image en deux dimensions ou en trois dimensions par exemple pour un scanner. Par contre depuis la découverte des rayons X par Röntgen en 1895, les générateurs de rayons X ont très peu évolué. Les synchrotrons apparus après la deuxième guerre mondiale permettent de générer un rayonnement intense et bien focalisé. Le rayonnement est dû à des accélérations ou décélération de particules chargées et se déplaçant éventuellement dans un champ magnétique. Les accélérateurs linéaires et les tubes à rayons X mettent en œuvre un faisceau d’électrons accéléré bombardant une cible. Le freinage du faisceau dû aux champs électriques des noyaux de la cible permet de générer un rayonnement X. Un tube à rayons X est généralement constitué d’une enveloppe dans laquelle le vide est réalisé. L’enveloppe est formée d’une structure métallique et d’un isolant électrique en céramique ou en verre. Dans cette enveloppe, sont disposées deux électrodes. Une électrode cathodique, portée à un potentiel négatif, est équipée d’un émetteur d’électrons. Une seconde électrode anodique, portée à un potentiel positif par rapport à la première électrode est associée à une cible. Les électrons accélérés par la différence de potentiel entre les deux électrodes, viennent produire un spectre continu de rayons ionisants par freinage (bremsstrahlung) lorsqu’ils frappent la cible. Des cathodes thermoïniques sont souvent utilisées dans les tubes conventionnels. La cathode émet un courant d’électrons en étant portée à haute température par un filament. Le courant émis et donc la dose X produites sont dans ce cas contrôlés par différents moyens. Il est notamment possible de commander la puissance du filament pour contrôler sa température et donc la capacité d'émission électronique de la cathode. Ceci ne fonctionne bien que dans le cas d'une émission de rayons X continue car l'inertie thermique ne permet pas de faire de variation rapide ni de mode pulsé. Alternativement à la commande en puissance du filament, il est possible de mettre en œuvre une grille disposée à proximité de la cathode et permettant de moduler le faisceau électronique en jouant sur la tension grille-cathode, en général négative pour repousser les électrons. Les variations du courant en fonction de la tension sont progressives, ce qui permet de moduler, voire de pulser au besoin de façon précise le courant et donc le flux de rayons X par la tension grille-cathode, comme dans une triode classique. Parmi les solutions technologiques émergentes, la littérature décrit l’utilisation de cathodes froides à nanotubes de carbone dans des structures de tube à rayons X. Pour piloter ce type de cathode, les solutions proposées restent basées sur des structures conventionnelles de tubes à rayons X. La façon de piloter une cathode thermoïonique au moyen de la puissance du filament chauffant ne peut pas être mis en œuvre avec une cathode froide du fait que cette dernière ne dispose pas de filament. Le pilotage du courant électronique peut se faire au moyen d’une grille à laquelle on applique une différence de potentiel par rapport à la cathode. L’application d’une tension entre la cathode et la grille accélératrice induit un champ électrique élevé au niveau du sommet des nanotubes, et provoque ainsi une extraction des électrons par effet de pointe. Le courant électronique ainsi produit répond à la loi de Fowler-Nordheim, donnant la valeur du courant en fonction de la différence de potentiel entre la grille et la cathode. Cette loi peut s’exprimer de la façon suivante : I = K 1 .U 2 /exp(K 2 /U) où I est le courant électronique, K1 et K2 sont des paramètres dépendant du matériau des nanotubes et de la géométrie et U est la différence de potentiel entre la grille et la cathode. La loi de Fowler-Nordheim est exponentielle et il convient de se placer sur une zone étroite de cette loi pour maitriser le courant électronique émis par la cathode. Cependant, d’éventuels dépassements de la différence de potentiel peuvent être grandement amplifiés et générer des courants non désirés. Ce type de dépassement de tension, peut notamment intervenir lors de commutations qui interviennent lors du déclenchement et de l’arrêt de l’émission. Ces commutations peuvent être problématiques, notamment en mode pulsé. L’invention vise à proposer une solution alternative au pilotage des cathodes froides permettant de se libérer de la loi de Fowler-Nordheim. L’invention propose donc un pilotage linéaire du courant électronique limitant les effets d’éventuelles surtensions pouvant apparaitre lors de commutations. A cet effet, l’invention a pour objet une source génératrice de rayons ionisants comprenant : - une enceinte à vide, - une cathode disposée dans l'enceinte à vide et configurée pour émettre un faisceau d'électrons par effet de pointe dans l'enceinte à vide, - une anode disposée dans l'enceinte à vide, recevant le faisceau d'électrons et comprenant une cible pouvant générer un rayonnement ionisant à partir de l'énergie reçu du faisceau d'électrons, - une grille disposée dans l'enceinte à vide au voisinage de la cathode et configurée pour induire sur la cathode un champ électrique permettant de générer l'effet de pointe et d'accélérer les électrons du faisceau en direction de la cible, - un générateur de courant variable configuré pour délivrer un courant destiné à alimenter la cathode, - un module de pilotage du générateur de courant variable configuré pour faire varier le courant délivré par le générateur de courant variable à la cathode. L’invention présente un intérêt particulier en mode pulsé où de nombreuses commutations peuvent intervenir. Le mode pulsé peut par exemple être mis en œuvre dans le cas de scanners équipés de multiples sources génératrices de rayons ionisants à base de cathode froide. En effet, ce type de source étant de dimension réduite par rapport aux sources à cathode chaude, il est possible de les rapprocher et de réaliser un scanner sans source tournante autour de la zone où l’objet à imager se situe. Avantageusement, le module de pilotage est configuré pour faire varier le courant délivré par le générateur de courant variable à la cathode entre une valeur nulle et une valeur maximale inférieure à celle nécessaire à générer une intensité du faisceau d'électrons que permettrait le champ électrique existant entre la cathode et la grille en l'absence de limitation du courant alimentant la cathode, réalisée par le générateur de courant variable. Avantageusement, le module de pilotage est configuré pour asservir le courant délivré par le générateur de courant variable à la cathode à une valeur de consigne. Avantageusement, la source comprend en outre un premier générateur de tension raccordé entre l'anode et une masse électrique, et configuré pour générer une différence de potentiel suffisante entre l'anode et la cathode afin d'accélérer le faisceau d'électrons. Avantageusement, la source comprend en outre un second générateur de tension raccordé entre la grille et une masse électrique, le second générateur de tension étant configuré pour générer le champ électrique, le générateur de courant étant raccordé entre la cathode et la masse électrique. Alternativement, la grille est avantageusement raccordée à une masse électrique, la source comprenant en outre un second générateur de tension configuré pour générer le champ électrique et raccordé entre le générateur de courant variable et la masse électrique. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la représente schématiquement, sous forme fonctionnelle, un premier mode de réalisation d’une source génératrice de rayons ionisants selon l’invention ; la représente schématiquement, de façon plus détaillée, un exemple de réalisation du premier mode de réalisation ; la représente schématiquement, sous forme fonctionnelle, un second mode de réalisation d’une source génératrice de rayons ionisants selon l’invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. La représente une source 10 génératrice de rayons ionisants, par exemple adaptée à générer un rayonnement X. Dans le cadre de l’invention, la source 10 peut être configurée pour émettre d’autres types de rayons ionisants, notamment des rayons gamma. La source 10 comprend une enceinte à vide 12 dans laquelle sont disposées une cathode 14 et une anode 18. La cathode 14 est configurée pour émettre un faisceau d’électrons 16 par effet de pointe dans l'enceinte à vide 12 en direction de l’anode 18. Ce type de cathode est connu dans la littérature sous le nom de cathode froide par opposition aux cathodes thermoïonique appelées cathode chaudes. La cathode froide ne nécessite pas de filament pour la chauffer. La cathode 14 peut par exemple comprendre des nanotubes de carbone permettant d’obtenir l’effet de pointe. L’anode 18 reçoit le faisceau d'électrons 16 émis par la cathode 14 et comprend une cible 20 générant un rayonnement ionisant 22 à partir de l'énergie reçue du faisceau d'électrons 16. La source 10 comprend également une grille 24 disposée au voisinage de la cathode 14 sur le trajet du faisceau d’électrons 16 et configurée pour induire sur la cathode 14 un champ électrique permettant de générer l’effet de pointe et d’accélérer les électrons du faisceau 16 en direction de la cible 20. Selon l’invention, le pilotage de l’intensité du faisceau d’électrons 16 ne se fait pas en faisant varier la différence de potentiel entre la grille 24 et la cathode 14 mais au moyen d’un générateur de courant variable 26 configuré pour alimenter en courant la cathode 14. Le pilotage du générateur de courant variable 26 permet de contrôler le faisceau d’électrons 16 sans lien direct avec la loi de Fowler-Nordheim. Autrement dit, la valeur du champ électrique entre la grille 24 et la cathode 14 associée à la loi de Fowler-Nordheim permet de fixer une valeur maximum de l’intensité du faisceau d’électrons 16. Le générateur de courant variable 26 permet de régler l’intensité du faisceau d’électrons 16 depuis une intensité nulle jusqu’à cette valeur maximum. Comme on l’a vu en introduction, la loi de Fowler-Nordheim n’étant pas linéaire, la valeur maximum de l’intensité du faisceau d’électrons 16 peut varier fortement même vis-à-vis d’une faible variation de différence de potentiel entre la grille 24 et la cathode 14. D’autres paramètres notamment géométriques peuvent également faire varier la valeur du champ électrique entre la grille 24 et la cathode 14. Les tolérances dimensionnelles, l’usure de la cathode 14 et de la grille 24 influent notamment sur la valeur du champ électrique appliqué au niveau du sommet des nanotubes et provoquant l’extraction des électrons par effet de pointe. En utilisant comme paramètre principal de réglage de l’intensité du faisceau d’électrons 16 autre chose que la différence de potentiel entre la grille 24 et la cathode 14, l’invention permet d’être bien moins contrainte par les paramètres influant sur la valeur du champ électrique appliqué au niveau du sommet des nanotubes. Il est ainsi possible de simplifier la fabrication des composants situés à l’intérieur de l’enceinte à vide 12. Il est notamment possible d’élargir les tolérances dimensionnelles de la cathode 14 et de la grille 24. Par exemple, dans un mode pulsé pour déclencher ou éteindre le faisceau d’électrons 16, on pourra déclencher ou éteindre le générateur de courant variable 26. Le générateur de courant variable 26 est piloté par un module de pilotage 28 permettant de faire varier le courant délivré par le générateur de courant 26 à la cathode 24. La variation du courant permet de régler l’intensité du faisceau d’électrons 16 entre une valeur nulle et une valeur maximum. Cette valeur maximum est avantageusement inférieure à une intensité du faisceau d’électrons que permettrait le champ électrique existant entre la cathode 14 et la grille 24 en l’absence de limitation du courant alimentant la cathode, limitation réalisée par le générateur de courant variable 26. Ceci permet de maitriser le courant du faisceau d’électrons 16 sur toute la plage dans laquelle le module de pilotage 28 peut piloter le courant délivré par le générateur de courant 26 à la cathode 14. Dans l’exemple représenté, pour générer un champ électrique entre la cathode 14 et la grille 24, la source 10 comprend un générateur de tension 30 connecté à la grille 24 et permettant de générer avec la cathode 14 le champ électrique permettant d’accélérer les électrons du faisceau 16 en direction de la cible 20. Sur la , le générateur de courant variable 26 est raccordé entre la cathode 14 et une masse électrique 30. Par ailleurs, pour fixer le potentiel du champ électrique, le générateur de tension 30 est raccordé entre la grille 24 et la masse électrique 32. Le générateur de tension 30 peut être un générateur de tension continue à haute tension, typiquement de quelques kV. Le générateur de courant variable 26 est configuré pour générer vers la cathode 14 un courant de l’ordre de quelques dizaines de mA sur une plage de tension comprise entre 0 et la tension continue du générateur de tension 30. La source 10 comprend un autre générateur de tension 34 raccordé entre l’anode 18 et la masse électrique 32. Le générateur de tension 34 permet de générer une différence de potentielle suffisante entre l’anode 18 et la cathode 14 pour accélérer le faisceau d’électrons 16. Le générateur de tension 34 peut être un générateur de tension continue à très haute tension, typiquement entre 20kV et 200kV. La est représentée de façon fonctionnelle. Plus précisément, on considère que le générateur de courant variable 26, lorsqu’il est soumis à une commande constante provenant du module de pilotage 28, est configuré pour générer un courant constant lorsque la tension à ses bornes évolue dans sa plage de fonctionnement. De même un générateur de tension est configuré pour générer une tension constante lorsque le courant qu’il délivre évolue dans sa plage de fonctionnement. La représente, plus en détail, un exemple de la source 10 et notamment un exemple de schéma permettant de réaliser le générateur de courant 26 autour d’un transistor 40 de type MOSFET utilisé en mode linéaire. Dans l’exemple représenté, le transistor 40 est mis en œuvre dans un montage de type source commune. Le drain D du transistor 40 est raccordé à la cathode 14 pour l’alimenter en courant Ik et la source S du transistor 40 est raccordée à la masse électrique 32 au travers d’une résistance R4. Le courant Ik traversant le transistor 40 pour alimenter la cathode 14 est piloté par un amplificateur opérationnel 42 dont la sortie est raccordée à la grille G du transistor 40. L’entrée non inverseuse de l’amplificateur opérationnel 42 est raccordée à un générateur de tension variable 44 dont la tension Uc est proportionnelle au courant Ik désiré. L’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel 42 reçoit la tension aux bornes de la résistance R4 qui est proportionnelle au courant Ik, éventuellement par l’intermédiaire d’une résistance R3. L’amplificateur opérationnel 42 ajuste la commande de grille G pour asservir le courant Ik à une valeur de consigne formée par la tension Uc. En complément, dans l’exemple représenté, la grille 24 peut être raccordée à la cathode 14 par l’intermédiaire d’une résistance R1 et l’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel 42 peut être raccordée à la cathode 14 par l’intermédiaire d’une résistance R2. Afin d’améliorer la qualité du générateur de courant variable 26, c’est-à-dire lui permettre d’améliorer l’indépendance du courant qu’il délivre à son environnement, notamment la tension à ses bornes, il est avantageux de respecter la condition suivante pour les valeurs de résistances : R4/R3 = R1/R2. Dans cette condition, le courant Ik est commandé par la tension de commande Uc, selon la fonction affine suivante : Ik = ((R3+R2)/R2 * Uc/R4) - Ug/R1. Il est avantageux de choisir R2 très grand devant R3, pour que l’amplificateur opérationnel 42 reste dans le domaine basse tension. Dans ce cas, la formule peut se simplifier en : Ik = Uc/R4 - Ug/R1. Dans le cas d’un fonctionnement pulsé, notamment dans un système multi-source, il est important d’avoir des temps de commutation adaptés. La valeur de la résistance R1 peut être optimisée pour avoir un temps de descente du courant Ik suffisamment rapide. Les capacités parasites sur la connexion cathode doivent également être réduites autant que possible pour optimiser ces temps. Il est possible d’enlever la résistance R2 et de choisir une valeur nulle pour la résistance R3 afin de simplifier la source 10 et d’en réduire le coût. Cependant, dans ce cas on obtiendra un générateur de courant 26 avec une impédance de sortie égale à R1, et la formule devient : Ik = Uc/R4 - (Ug-Uk)/R1, Uk étant la tension de la cathode 14. On conserve les avantages du générateur de courant en termes de précision et de sécurité, mais par contre le courant Ik n’est plus indépendant de la tension appliquée à la cathode 14, et il faut ajuster la tension variable Uc pour en tenir compte. La représente, sous forme fonctionnelle, un second mode de réalisation d’une source génératrice de rayons ionisants 50 dans laquelle on retrouve l’enceinte à vide 12 comprenant la cathode 14, la grille 24 et l’anode 18. Le générateur de tension 34, raccordé, comme dans le mode de réalisation de la , entre l’anode 18 et la masse électrique 32 permet de générer une différence de potentielle suffisante entre l’anode 18 et la cathode 14 pour accélérer le faisceau d’électrons 16. Comme précédemment, le générateur de courant variable 26, piloté par le module de pilotage 28, alimente la cathode 14 en courant Ik. A la différence du premier mode de réalisation, la grille 24 est raccordée directement à la masse électrique 32 et le générateur de tension 30, permettant de générer le champ électrique entre la cathode 14 et la grille 24, est raccordé entre le générateur de courant variable 26 et la masse électrique 32. Il sera aisé de modifier le schéma détaillé de la pour l’adapter au second mode de réalisation. Source génératrice de rayons ionisants (10 ; 50) comprenant : - une enceinte à vide (12), - une cathode (14) disposée dans l’enceinte à vide (12) et configurée pour émettre un faisceau d’électrons (16) par effet de pointe dans l'enceinte à vide (12), - une anode (18) disposée dans l’enceinte à vide (12), recevant le faisceau d'électrons (16) et comprenant une cible (20) pouvant générer un rayonnement ionisant (22) à partir de l'énergie reçu du faisceau d'électrons (16), - une grille (24) disposée dans l’enceinte à vide (12) au voisinage de la cathode (14) et configurée pour induire sur la cathode (14) un champ électrique permettant de générer l’effet de pointe et d’accélérer les électrons du faisceau (16) en direction de la cible (20), - un générateur de courant variable (26) configuré pour délivrer un courant (Ik) destiné à alimenter la cathode (14), - un module de pilotage (28) du générateur de courant variable (26) configuré pour faire varier le courant (Ik) délivré par le générateur de courant variable (26) à la cathode (24). Source selon la revendication 1, dans laquelle le module de pilotage (28) est configuré pour faire varier le courant (Ik) délivré par le générateur de courant variable (26) à la cathode (24) entre une valeur nulle et une valeur maximale inférieure à celle nécessaire à générer une intensité du faisceau d’électrons (16) que permettrait le champ électrique existant entre la cathode (14) et la grille (24) en l’absence de limitation du courant alimentant la cathode (14), réalisée par le générateur de courant variable (26). Source selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le module de pilotage (28) est configuré pour asservir le courant (Ik) délivré par le générateur de courant variable (26) à la cathode (24) à une valeur de consigne (Uc). Source selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un premier générateur de tension (34) raccordé entre l’anode (18) et une masse électrique (32), et configuré pour générer une différence de potentiel suffisante entre l’anode (18) et la cathode (14) afin d’accélérer le faisceau d’électrons (16). Source selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un second générateur de tension (30) raccordé entre la grille (24) et une masse électrique (32), le second générateur de tension (30) étant configuré pour générer le champ électrique, et dans laquelle le générateur de courant (26) est raccordé entre la cathode (14) et la masse électrique (32). Source selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la grille (24) est raccordée à une masse électrique (32), la source (50) comprenant en outre un second générateur de tension (30) configuré pour générer le champ électrique et raccordé entre le générateur de courant variable (26) et la masse électrique (32).