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Appareil à rayons X à réglage automatique.
La puissance maximum (nombre de kilowatts) que l'on peut imposer à un tube à rayons X dépend de plusieurs facteurs, à savoir de la grandeur du foyer, du mode d'évacuation de la chaleur de ce foyer, de la capacité calorifique de l'anode et de la matière dont est constituée l'anode. Cette puissance maximum diminue à mesure que le fonctionnement est plus long. C'est ainsi que si un tube à rayons X peut fonctionner au maximum pen- dant une seconde, à une puissance de N kW, la puissance qu'on peut lui imposer pendant 0,1 sec., peut être, par exemple, 1,4 N, mais celle qu'on pourrait lui imposer pendant 5 sec., ne dépas- sera pas, par exemple, 0,6 N. Le nombre N peut différer notable- ment de tube à tube ; en général, il est compris entre 5 et 20.
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De plus, les facteurs variables avec le temps (dans l'exemple précité 1.4 pour 0,1 sec et 0,6 pour 5 sec) diffèrent notablement pour les divers tubes.
Les appareils à rayons X modernes comportent un dis- positif régulateur des grandeurs de la charge du tube, dispositif qui fait en sorte que la puissance imposée au tube soit automa- tiquement amenée en concordance avec la caractéristique de charge.
Ce dispositif règle l'intensité du courant en fonction de la durée d'application de la charge et de la tension du tube, tension qui, en général, est réglable entre 50 et 100 kV.
La fig. 1 du dessin représente, sur graphique spatial à trois dimensions, les possibilités de charge d'un tube à rayons X. L'ordonnée de chaque point de la surface bombée ABCD constitue une mesure de l'intensité de courant maximum admissible pour une tension et pendant un temps dont les valeurs sont dé- terminées respectivement par les distances aux deux plans de co- ordonnées verticaux. Pour l'intensité du courant, qui est ré- glable par un dispositif automatique on s'efforce de se rapprocher autant que possible des valeurs déterminées par cette surface.
En pratique, ce résultat s'obtient à l'aide d'une résistance variable qui est insérée dans le circuit primaire du transforma- teur de chauffage ou bien par l'insertion d'une source de tension qui renforce ou contrecarre le transformateur de chauffage. L'or- gane de réglage de cette résistance, ou les interrupteurs qui mettent en circuit cette source de tension, sont accouplés à l'organe de réglage de la tension ou à celui de la durée de la charge, voire aux deux.
En général, le réglage de l'intensité du courant s'ef- fectue par paliers. La fig. 1 montre comment, dans ce dernier cas, on peut choisir les divers paliers : parexemple trois paliers suivant la tension choisie et trois paliers suivant le temps choisi, de sorte que l'intensité du courant peut être réglée à neuf valeurs.
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Or, l'effet de rayons X sur la pellicule photogra- phique, c'est-à-dire le noircissement, est approximativement proportionnel à I.t.U, expression dans laquelle I est l'intensité du courant dans le tube; t, la durée de la charge et U la tension appliquée au tube. Les facteurs I.t (exprimé en milliampère- secondes) et U (exprimé en kilovolts) sont donc des grandeurs qui déterminent l'exposition la mieux appropriée de la pellicule.
La fig. 2 tracée en perspective donne le produit I.t en fonction de la tension du tube U et du temps t. Sur cette figure, la surface EFGH est la caractéristique de charge du tube à rayons X. Cette figure montre que le réglage étant prévu par paliers, de telle sorte qu'à temps croissant, aux points où l'in- tensité du courant change, le produit I.t n'augmente pas suivant la forme de la surface EFGH mais diminue et il en est de même de l'effet photographique des rayons X émis par le tube. Lorsque la tension augmente, aux points où l'intensité du courant varie le produit I.t acquiert une valeur plus petite de sorte que malgré l'accroissement de tension, au début, le noircissement diminue.
A ces imperfections s'en ajoute encore une autre, qui est provoquée par la chute de tension dans un générateur à haute tension et dans le secteur d'alimentation. Même s'il était possi- ble d'obtenir un réglage automatique correspondant rigoureusement à la surface ABCD de la fig. 1, ou à la surface EFGH de la fig. 2. la chute de tension dans l'appareil provoquerait une diminution de la tension du tube. Cette diminution affecte fortement le noir- cissement, car celui-ci est proportionnel à la quatrième puis- sance de U. Pour transmettre les grandeurs de charge d'un appa- reil à rayons X à l'autre, il est nécessaire de connaître les tensions réellement appliquées à chaque tube, et le réglage exact. Cependant, dans la plupart des cas, cette détermination n'est possible qu'à l'aide de courbes d'étalonnage.
On s'est
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efforcé de réduire la chute de tension en réduisant la résistance interne de l'appareil. Non seulement, cette méthode nécessite l'emploi d'une grande quantité de matière car, par suite de la faible valeur de la résistance, elle peut provoquer la détériora- tion du tube lorsque des perturbations s'y produisent, mais son effet est très faible lorsque la résistance du secteur d'alimenta- tion est élevée.
On a aussi proposé de permettre la lecture de la ten- sion réelle du tube sur un dispositif indicateur en soustrayant de la valeur de la tension à vide,un montant proportionnel à l'intensité du courant dans le tube. Cependant les résultats ainsi obtenus ne sont précis que lorsque la chute de tension est proportionnelle à l'intensité du courant, ce qui n'est pas le cas lorsque le secteur a la résistance élevée qu'on rencontre normalement en pratique.
Pour les mêmes raisons, la compensation de la chute de tension par l'utilisation d'une tension de correction proportion- nelle à l'intensité du courant dans le circuit primaire ne four- nit pas de résultats satisfaisants. En effet, comme le montre la fig. 1, cette tension de correction/doit varier suivant la tension et le temps choisis. Dans toutes les dispositions con- nues pour compenser ou indiquer les chutes de tension basées sur l'intensité du courant du tube, on a toujours admis que la résis- tance du secteur était négligeable. En pratique, il n'en est pas ainsi et c'est pourquoi les solutions essayées n'ont pas donné sa- tisfaction.
L'invention permet à peu de frais d'obvier à cet in- convénient. Elle tient compte de la chute de tension et elle est basée sur l'idée que, pour un rapport déterminé de la résistance qui (vue du secteur) se trouve en amont de l'auto-transformateur servant à régler la tension, à celle qui se trouve en aval de ce transformateur, la chute de tension est constante dans toute
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la gamme de réglage de la tension pour autant que la charge du tube ne varie pas. De ce fait, on peut compenser la chute de tension dans toute la gamme de réglage de la tension, en augmentant la tension primaire du transformateur à haute tension d'un mon- tant variable avec la charge.
L'exposé ci-dessous facilitera la compréhension du prin- cipe de cette compensation de tension.
La fig. 3 montre le schéma très simplifié d'un appa- reil à rayons X. Sur cette figure, T1 est l'auto-transformateur et T2 le transformateur à haute tension. UN est la tension du secteur et RN'la résistance du secteur jusqu'à l'auto-transforma- teur. RA est la résistance de l'auto-transformateur rapportée à la sortie et RH' la résistance de ce transformateur, y compris des tubes redresseurs éventuels rapportés au côté haute tension de ce transformateur à haute tension.
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U XA = est le rapport de transformation de l'auto- transformateur.
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U Xrr = ### est le rapport de transformation du transforma- 1 teur à haute tension.
La résistance totale du montage, rapportée au coté haute tension du transformateur 2, se calcule comme suit :
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R - RH + RA Xg + RN XA . "H
Lorsqu'on représente R en fonction de U1 ou U2 on obtient la somme d'une composante constante RH + RA. X2H et d'une
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composante quadratique R-j.X?, , comme le montre la fig. 4i
La gamme de réglage dans laquelle la chute de tension doit être constante pour une charge déterminée, et qui s'étend par exemple de 50 kV à 100 kV pour U2, est représentée sur la fig. 4a. Les valeurs-limites de cette gamme sont I et II. Comme la charge doit être constante, sur ce trajet l'intensité du cou- rant varie du double au simple comme le montre la fig. 4b.
Pour que la chute de tension soit constante sur tout
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le trajet de réglage, il faut, en premier lieu, qu'au point I, le produit I.R soit égal à celui qui est obtenu au point II. Ce résultat s'obtient pour un rapport déterminé et, comme le montre le calcul, lorsque : @
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Dans ces conditions, lorsqu'on considère comme para- mètre la charge, on obtient comme le montre la fig. 5 une transla- tion des tensions du tube.
La fig. 6 montre les variations de la tension auxiliaire U en fonction de la charge pour une constante de secteur déter- minée, choisie de façon que la plupart des secteurs y satis- fassent, ou du moins d'une façon qu'une résistance tampon per- mette de l'obtenir. Pour des cas pratiques on satisfait à cette condition par une constante de secteur R/2 de, par exemple, 1/2 (ohm/volt2) (1 ohm pour un secteur de 380 V et 0.33 ohm 3802 pour un secteur de 220 V). Les résistances internes de l'appa- reil sont alors intentionnellement choisies de façon que l'équa- tion (l) soit satisfaite.
Lorsque ces conditions sont satisfaites, la chute de tension peut se compenser d'une manière très simple. Comme la charge du tube à rayons X doit varier avec la durée d'application de la charge, il suffit que l'organe de réglage du temps soit accouplé à un régulateur correspondant de la tension auxiliaire.
La fig. 6 l'explique nettement. A titre d'exemple, la charge NK, correspondant à la plus courte durée de charge, est choisie de façon que la compensation de la chute de tension, nécessite l'ad- dition d'une tension dU,. Lorsque la durée de la charge augmente, la puissance diminue jusqu'à la valeur correspondant au temps le plus long, valeur qui est indiquée par NL, ce qui nécessite, pour la compensation, l'addition de la tension dUL.
Pour que les moyens techniques permettant d'effectuer le réglage soient peu encombrants, et-que la puissance à commuter
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soit petite suivant l'invention, la tension de compensation est décomposée en une composante constante A et en une composante variable avec le temps de charge entre-B et +B. Ceci est parti- culièrement avantageux lorsqu'au moins deux tubes de puissances différentes doivent être branchés sur l'appareil d'alimentation.
Ce fait est expliqué à l'aide de la fig. 7. Supposons qu'il faille compenser la chute de tension, pour deux tubes de puissances différentes. Dans ce cas, sans faire de grandes erreurs, on peut maintenir inchangée la composante B qui varie avec le temps de charge et choisir uniquement les composantes A1, et A2, en con- cordance avec le tube à utiliser.
Voici un exposé plus simple encore pour montrer qu'il est possible de maintenir pratiquement constante la chute de ten- sion dans toute la gamme de réglage. On considère que la résis- tance en amont de l'autotransformateur est égale à Rl (donc la résistance du secteur incluse) et que toutes les résistances pla- cées en aval de ce transformateur et réduites au primaire du transformateur à haute tension, sont égales à R2.
Si l'on désigne par E1 la tension du secteur, par E2 la tension secondaire du transformateur de réglage, par Il,, l'intensité du courant primaire du transformateur de réglage et par 12, l'intensité du courant secondaire du transformateur de réglage, la chute de tension
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totale dE2 est approximativement égale à Il Ri B2 + 12 R2* Pour une puissance déterminée 1 alors NRi. une puissance déterminée N E 1- E2 1 on a alors d E #g # + NER2 = NR1 eapression dans laquelle 2 E1 R2 -E2 2 sm- E2 + 2 expression dans laquelle a E .
1 Lorsqu'on règle E2 de la valeur Emin à Emax, E2 +a/E2 sera ap- proximativement constant lorsque a = Emin.Emax, donc lorsque
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Tant pour Emin que pour Emax, la chute de tension est alors
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Entre Emin et Emax, dE2 présente un minimum à savoir pour
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Tr¯ dont grandeur est NT! E2 = V Emin- Emax dont la grandeur est dE = pi. in ex
Dans le cas déjà considéré où Emin = Emax (réglage entre 50 et 100 kV), la plus grande valeur et la plus petite valeur de dE± sont alors entre elles comme 3 : 2 V2. Il n'y a donc qu'une différence de 7% entre ces deux valeurs. Le facteur 15.... 30 x 108 que comporte la formule (1) occupe la place de Emin x Emax dans la formule (2). Lorsque la tension du tube se règle de 50 à 100 kV, valeur maximum, ce qui corres- pond à 35 et 70 kV en valeur efficace, Emin x Emax = 25 x 108.
Entre 45 et 90 kV, ce produit devient égal à 20 x 10 .
La fig. 8 donne à titre d'exemple un schéma de montage simplifié d'un appareil à rayons X conforme à l'invention. Cet appareil est équipé de deux tubes de puissances différentes.
Il faut avant tout veiller à ce que l'intensité du courant du tube en fonction de la durée de la charge et de la tension du tube, affecte la forme représentée, par exemple sur la fig. 1, par la surface A, B, C, D. A cet effet, tant l'axe 1 qui permet de régler la tension, que l'axe 2 qui permet de régler le temps, portent des résistances de réglage 3 et 4, dont les variations sont choisies de façon que cette condition soit satisfaite.
Une résistance de réglage 5.sert en outre à insérer dans le circuit de chauffage la résistance appropriée à chacun de ces tubes. Le courant de chauffage des cathodes des tubes à rayons X 17 et 18 est fourni par le transformateur de chauffage 19. Celui-ci est alimenté de la manière usuelle, par l'intermé- diaire d'un dispositif stabilisateur de tension 6 branché sur l'autotransformateur 7. Il est bon de charger les deux tubes (et les autres tubes éventuels) suivant des courbes caractéristi- ques géométriquement identiques. On entend par là que l'intensité du courant des deux tubes est réglée, par le dispositif automati-
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que, d'une manière telle que, pour chaque durée de la charge, le rapport des charges (kW) soit le même.
Ceci est avantageux parce que l'indication du produit I x t (mAs) peut alors s'effectuer sur une seule échelle logarithmique. On tient alors compte des puis- sances différentes du tube en déplaçant l'échelle ou l'aiguille d'un montant qui dépend du rapport des puissances.
L'autotransformateur 7 est branché sur le secteur 8.
Une résistance 9 sert à amener la résistance du secteur à la valeur appropriée. Un régulateur 10 a pour but d'appliquer à l'autotransformateur la tension requise lorsque la tension du secteur est sujette à fluctuations. Le tension d'alimentation de l'autotransformateur peut se lire sur un voltmètre 11.
Le générateur haute tension est constitué par le trans- formateur 12 dont le courant alternatif secondaire est converti en courant continu par les tubes redresseurs 13, courant continu qui est transmis par les bras 14 et 15 d'un commutateur, à l'un ou l'autre des deux tubes à rayons X 17 et 18.
L'addition de la tension auxiliaire dU pour compenser la chute de tension, s'effectue comme suit. La composante A se prélève directement d'un enroulement auxiliaire 20 du transforma- teur de réglage. La composante B se prélève d'un enroulement 22 à l'aide d'un organe de réglage 21 qui est accouplé au sélecteur de temps. L'enroulement 22 est branché sur le transformateur de réglage 7. La composante B est ajoutée, par l'intermédiaire d'un transformateur 23, à la tension qui agit sur l'enroulement primaire du transformateur haute tension 12. L'enclenchement et le déclenchement du courant respectivement (au début et à la fin de la charge) s'effectuent à l'aide d'un interrupteur 24 à commande électromagnétique, dont le courant d'excitation est commandé par la minuterie 25.