EP0317402B1 - Tube à rayons X ayant une cible en molybdène - Google Patents

Tube à rayons X ayant une cible en molybdène Download PDF

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EP0317402B1
EP0317402B1 EP88402830A EP88402830A EP0317402B1 EP 0317402 B1 EP0317402 B1 EP 0317402B1 EP 88402830 A EP88402830 A EP 88402830A EP 88402830 A EP88402830 A EP 88402830A EP 0317402 B1 EP0317402 B1 EP 0317402B1
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EP
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anode
target
molybdenum
vanadium
ray
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Jacques Delair
Olivier Peyret
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes

Definitions

  • the invention relates to an x-ray tube according to the first part of claim 1, in particular for mammography, and particularly relates to a molybdenum anode target.
  • X-radiation is obtained under the effect of an electronic bombardment of a target carried by the anode, or formed from the anode itself.
  • a small surface is subjected to electronic bombardment and constitutes the source of X-ray radiation.
  • the characteristics of X-ray radiation depend on the characteristics of the incident electron beam, and on the nature of the material of which the target is made.
  • Molybdenum targets are commonly used in X-ray tube anodes for mammography.
  • Molybdenum targets are commonly obtained by sintering molybdenum powder. Most often it is the anode itself which is produced, in a massive manner, by a sintering of molybdenum powder, the target being constituted by a part of the anode; the anode may be of the fixed anode type or of the rotating anode type. Other conventional methods, such as for example chemical vapor deposition, or else electrolytic deposition make it possible to deposit a layer of molybdenum on the anode in order to constitute a target on all or part of the surface of the anode, according to a focal track for example, in the case of a rotating anode.
  • this intensity is reduced by approximately 20% after three months of normal operation of the X-ray tube, and it is reduced by approximately 40% in a plane near the anode plane.
  • the present invention relates to an X-ray tube with fixed or rotating anode in which the problems of cracking of the molybdenum target mentioned above have been resolved in whole or in part by the use of a target comprising vanadium alloyed with molybdenum in predetermined proportions.
  • United States Patent No. US-A-4,641,334 shows a rotating anode structure which includes a layer 21 ( Figure 3 of the patent) composed of molybdenum or tungsten and vanadium.
  • this layer is not emissive and serves, with other layers, as a connection between the body 16 of the graphite anode and the disc 12, the latter supporting the target 14.
  • an X-ray tube comprising an anode and a cathode, the cathode delivering an electron beam, the anode comprising a target bombarded by said electron beam on a surface constituting the X-ray source, the target being made of molybdenum, is characterized in that the molybdenum of the target is alloyed with vanadium in a proportion, by weight, of between 0.5% and 7%.
  • the proportion is between 2.5% and 3.5%.
  • the figure shows by way of nonlimiting example, an X-ray tube 1 according to the invention, particularly intended for application to mammography.
  • the X-ray tube 1 is conventionally contained in a sheath 2.
  • the X-ray tube 1 comprises an envelope 3 made of glass for example, containing in particular a cathode 4 and an anode 5.
  • the anode 5 is a rotating anode having the general shape of a disc, and which is carried in the center of the disc by a support shaft 7 secured to a rotor 8.
  • the rotor 8 is arranged along an axis of symmetry 9 of the anode disc 5; the rotor 8 itself being carried in a conventional manner by a support 10 fixed to the casing 3.
  • a stator 11 is arranged outside the casing 3 and causes the rotation of the rotor 8, and consequently the rotation of the anode 5 around its axis of symmetry 9.
  • the cathode 4 is also carried in a conventional manner by the envelope 3 facing the periphery or edge 12 of the anode disc 5.
  • the cathode 4 delivers an electron beam 13 which bombards a target 30 which, in the nonlimiting example described, is formed on the wafer 12.
  • the anode 5 being a rotating anode, the target 30 constitutes a focal track along of the wafer 12 and around the axis of symmetry 9.
  • the electron beam 13 bombards the target 30 on a limited surface 15 of the latter, called focal point and which constitutes the source of X-radiation.
  • the target 30, bombarded by the electron beam 13 is made of molybdenum alloyed with vanadium or doped with vanadium in a proportion of at least 0.5% by weight. This makes it possible to delay and significantly reduce the aging of the target 30 and the cracking of the latter, under the effect of the bombardment of the electron beam 13, as it was previously mentioned.
  • vanadium is mixed with molybdenum in a proportion, by weight, of between 2.5 and 3.5%; an excess of vanadium (from 7% for example) which can lead to a non-negligible reduction in the intensity of the X-ray after filtration, if a filtration of the X-ray leaving the tube 1 is carried out to obtain that the energy spectrum of the X-ray covers a relatively narrow band containing the characteristic lines of molybdenum.
  • this filtration is carried out at an outlet window 33, by which the X-ray radiation leaves the sheath 2 after having left the tube 1 through a first outlet window 32 which is not very absorbent of the X-ray radiation.
  • the first outlet window 32 being, for example, conventionally, in beryllium, and the second window 33 in molybdenum.
  • the X-rays leaving the sheath 2 pass conventionally through a collimator 41, and then constitutes a useful X-rays 43 having limits 45, 46.
  • the first limit 45 which is situated on the side of the cathode 4 represents the limit of the X-ray beam 43 which, in mammography, is generally situated towards the costal grill of the patient (not shown); while on the side of anode 5, the second limit 46 represents the beam limit located towards the end or mammal of a breast to be examined.
  • the second limit 46 forms with the anode plane constituted by the edge 12, a relatively small angle ⁇ of the order for example of 2 °, and the drop in efficiency previously mentioned is a characteristic of the X-ray radiation 43 between the two limits 45, 46; that is, the intensity of the X-ray increases from the second limit 46 to the first limit 45, in a way which tends to compensate for the variations in absorption of the X-ray by the breast (not shown ) due to variations in thickness of the latter between the mammal and the costal grill.
  • a curve 50 illustrates by way of nonlimiting example, the variation in intensity of the radiation between the two limits 45,46; the curve 50 expresses its variations in percentage of a maximum intensity which the X-ray has along the first limit 45: it is observed by following the curve 50, that the intensity of the X-ray which is 100% at the level of the first limit 45, decreases with an increasingly steep slope, up to approximately 65% at the level of the second limit 46.
  • this target is practically not cracked, either that this target consists of molybdenum doped with vanadium in accordance with the invention, or that this target is pure molybdenum having been subjected very little to electron bombardment.
  • a second curve 51 in dotted lines, illustrates the modifications exhibited by the intensity of the X-radiation, under the same conditions as in the example above, but for a molybdenum target according to the prior art and whose aging under the effect of the electronic bombardments led to its cracking: we observe that the intensity of the X-radiation at the level of the first limit 45 is approximately 80%, that is to say that it is reduced by approximately 20 %, and the second curve 51 shows that the intensity of the X-ray decreases with a much steeper slope than in the first case for reach 25% at the second limit 46.
  • a target 30 made of mobybdenum alloyed with or doped with vanadium, in accordance with the invention makes it possible, by avoiding cracking of the target due to repeated electronic bombardment, to avoid a significant reduction in the intensity of the radiation.
  • X and its evolution in the field these two drawbacks being particularly serious for an X-ray tube for mammography.

Landscapes

  • X-Ray Techniques (AREA)
  • Solid Thermionic Cathode (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • External Artificial Organs (AREA)

Description

  • L'invention concerne un tube à rayons x selon la première partie de la revendication 1, notamment pour mammographie, et concerne particulièrement une cible d'anode en molybdène.
  • Avec un tube à rayons X, le rayonnement X est obtenu sous l'effet d'un bombardement électronique d'une cible portée par l'anode, ou formée de l'anode elle-même. Sur la cible, une faible surface est soumise au bombardement électronique et constitue la source d'un rayonnement X. Les caractéristiques du rayonnement X dépendent des caractéristiques du faisceau d'électrons incidents, et de la nature du matériau dont est constituée la cible.
  • Les cibles en molybdène sont couramment utilisées dans les anodes de tube à rayons X destinés à la mammographie.
  • L'intérêt d'une cible en molybdène, dans la domaine de la mammographie, réside notamment dans le fait que le spectre en énergie du rayonnement X émis par le molybdène convient particulièrement bien à la spécificité d'un examen radiologique du sein. En effet, le sein a une absorption aux X faible, et les anomalies recherchées ont des densités très proches de celles des tissus environnants. Le contraste présenté sur une radiographie, entre ces anomalies et les tissus environnants, est amélioré de façon considérable quand le rayonnement X utilisé présente une bande étroite en énergie contenant les raies caractéristiques du molybdène.
  • Les cibles en molybdène sont couramment obtenues par un frittage de poudre de molybdène. Le plus souvent c'est l'anode elle-même qui est réalisée, de manière massive, par un frittage de poudre de molybdène, la cible étant constituée par une partie de l'anode ; l'anode pouvant être du type anode fixe ou du type anode tournante. D'autres méthodes classiques, telles que par exemple dépôt chimique en phase vapeur, ou encore depôt électrolytique permettent de déposer une couche de molybdène sur l'anode afin de constituer une cible sur tout ou partie de la surface de l'anode, selon une piste focale par exemple, dans le cas d'une anode tournante.
  • Les bombardements électroniques répétés auxquels est soumise la cible en molybdène, crééent dans cette dernière des contraintes thermo-mécaniques qui provoquent la fissuration du molybdène. Les fissures croissent en nombre et en importance avec le nombre de poses effectuées. Ces fissures entraînent une diminution du rendement en rayons X du tube radiogène. Ceci peut s'expliquer par le fait que des électrons qui tombent dans les fissures créent des rayons X qui, pour une part importante, sont absorbés dans l'anode elle-même.
  • La baisse de rendement en rayonnement X conduit notamment aux deux inconvénients suivants, particulièrement importants dans le cas de la mammographie :
    • 1° : une détérioration de la qualité d'image qui s'explique, d'une part, par une augmentation du flou cinétique ou flou de bougé, due à l'augmentation des temps d'exposition nécessitée par la baisse de rendement en rayonnement X ; et qui s'explique d'autre part, par une inhomogénéïté en densité du cliché, due à une accentuation d'un phénomène de variations de rendement de rayonnement X dans le champ.
    • 2° : une augmentation de la dose reçue par la patiente par suite de l'écart de la loi dite de réciprocité du couple film/écran utilisé en mammographie : en effet, la non-réciprocité du récepteur (film/écran) fait que la quantité de photons, nécessaire au noircissement du film, croît lorsque les temps d'exposition augmentent.
  • Ainsi par exemple dans une direction voisine de celle où l'intensité du rayonnement X est maximum, cette intensité est diminuée d'environ 20% après trois mois de fonctionnement normal du tube radiogène, et elle est diminuée d'environ 40% dans un plan voisin du plan d'anode.
  • La présente invention concerne un tube radiogène à anode fixe ou tournante dans laquelle les problèmes de fissuration de la cible en molybdène ci-dessus mentionnés ont été résolus en tout ou en partie par l'utilisation d'une cible comportant du vanadium allié au molybdène dans des proportions déterminées.
  • L'utilisation d'un alliage de molybdène et de vanadium pour réaliser le corps poreux d'une anode de tube radiogène le corps poreux étant recouvert par une couche en tungstène, est connue, par exemple, du brevet français n° FR-A-2 349 953 mais dans ce brevet, d'une part, aucune proportion de vanadium n'est indiquée et, d'autre part, le but poursuivi est d'obtenir une meilleure stabilité technique et une bonne capacité calorifique de l'anode.
  • Par ailleurs, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° US-A-4 641 334 montre une structure d'anode tournante qui comporte une couche 21 (figure 3 du brevet) composée de molybdène ou tungstène et de vanadium. Cependant, cette couche n'est pas émissive et sert, avec d'autres couches, de liaison entre le corps 16 de l'anode en graphite et le disque 12, ce dernier supportant la cible 14.
  • Aussi, selon l'invention, un tube radiogène comportant une anode et une cathode, la cathode délivrant un faisceau d'électrons, l'anode comportant une cible bombardée par ledit faisceau d'électrons sur une surface constituant la source de rayonnement X, la cible étant constituée en molybdène, est caractérisé en ce que le molybdène de la cible est allié à du vanadium dans une proportion, en poids, comprise entre 0,5% et 7%.
  • De préférence, la proportion est comprise entre 2.5% et 3.5%.
  • L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et à l'unique figure jointe qui montre de manière schématique un tube à rayons X conforme à l'invention.
  • La figure montre à titre d'exemple non limitatif, un tube radiogène 1 conforme à l'invention, particulièrement destiné à une application à la mammographie.
  • Le tube radiogène 1 est contenu de manière classique dans une gaine 2. Le tube radiogène 1 comporte une enveloppe 3 en verre par exemple, contenant notamment une cathode 4 et une anode 5. Dans l'exemple non limitatif décrit, l'anode 5 est une anode tournante ayant la forme générale d'un disque, et qui est portée au centre du disque par un arbre support 7 solidaire d'un rotor 8. Le rotor 8 est disposé selon un axe de symétrie 9 du disque d'anode 5 ; le rotor 8 étant lui-même porté de manière classique par un support 10 fixé à l'enveloppe 3. Un stator 11 est disposé à l'extérieur de l'enveloppe 3 et provoque la rotation du rotor 8, et par suite la rotation de l'anode 5 autour de son axe de symétrie 9. La cathode 4 est également portée de manière conventionnelle par l'enveloppe 3 en vis à vis du pourtour ou tranche 12 du disque d'anode 5.
  • La cathode 4 délivre un faisceau d'électrons 13 qui bombarde une cible 30 qui, dans l'exemple non limitatif décrit, est formée sur la tranche 12. L'anode 5 étant une anode tournante, la cible 30 constitue une piste focale le long de la tranche 12 et autour de l'axe de symétrie 9. Le faisceau d'électrons 13 bombarde la cible 30 sur une surface limitée 15 de cette dernière, appelée foyer et qui constitue la source d'un rayonnement X.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la cible 30, bombardée par le faisceau d'électrons 13, est constituée en molybdène allié à du vanadium ou dopé avec du vanadium dans une proportion d'au moins 0,5% en poids. Ceci permet de retarder et de diminuer de manière importante le vieillissement de la cible 30 et la fissuration de cette dernière, sous l'effet du bombardement du faisceau d'électrons 13, comme il a été précédemment mentionné. On constate une amélioration importante à partir de 0,5% en poids de vanadium, l'optimum étant que le vanadium soit mélangé au molybdène dans une proportion, en poids, comprise entre 2,5 et 3,5% ; un excès de vanadium (à partir de 7% par exemple) pouvant conduire à une diminution non négligeable de l'intensité du rayonnement X après filtration, si une filtration du rayonnement X sortant du tube 1 est réalisée pour obtenir que le spectre en énergie du rayonnement X couvre une bande relativement étroite contenant les raies caractéristiques du molybdène.
  • Dans l'exemple non limitatif décrit, cette filtration est réalisée au niveau d'une fenêtre de sortie 33, par laquelle le rayonnement X sort de la gaine 2 après être sorti du tube 1 par une première fenêtre de sortie 32 peu absorbante du rayonnement X ; la première fenêtre de sortie 32 étant par exemple, de manière classique, en béryllium, et la seconde fenêtre 33 en molybdène.
  • La cible 12 peut être réalisée de différentes façons :
    • la cible 30 peut être formée par exemple directement par l'anode 5 elle-même qui est alors réalisée de manière massive en molybdène dopé de vanadium dans les proportions ci-dessus précisées ; l'anode 5 pouvant être réalisée dans ce cas par exemple, par un frittage, en lui-même connu, de poudre de molybdène à laquelle est mélangé le vanadium ;
    • mais la cible 30 peut être réalisée sous la forme d'une couche 40 du mélange molybdène-vanadium, cette couche 40 étant déposée à l'emplacement désiré sur le disque d'anode 5 qui, dans ce cas, constitue un corps de base formé par exemple en molybdène. La couche 40 de molybdène-vanadium peut être déposée avec une épaisseur E de quelques micromètres par exemple, à l'aide d'une méthode en elle-même classique, telle que par exemple par un procédé de dépôt électrolytique, ou un procédé de dépôt chimique en phase vapeur dans lequel est réalisé un mélange des composés gazeux de molybdène et de vanadium dans des proportions telles que, compte tenu de la cinétique des réactions, et des conditions expérimentales (température, pression, vitesse d'introduction des gaz, etc...), les proportions voulues au niveau du dépôt soient réalisées.
  • Le rayonnement X sortant de la gaine 2 passe de manière classique par un collimateur 41, et constitue alors un rayonnement X utile 43 ayant des limites 45,46. La première limite 45, qui est située du côté de la cathode 4 représente la limite du faisceau X 43 qui, en mammographie, est généralement située vers le gril costal de la patiente (non représentée) ; alors que du côté de l'anode 5, la seconde limite 46 représente la limite du faisceau située vers l'extrémité ou mammelon d'un sein à examiner. La seconde limite 46 forme avec le plan d'anode constitué par la tranche 12, une angle α relativement faible de l'ordre par exemple de 2°, et la baisse de rendement précédemment mentionnée est une caractéristique du rayonnement X 43 entre les deux limites 45, 46 ; c'est-à-dire que l'intensité du rayonnement X augmente depuis la seconde limite 46 jusqu'à la première limite 45, d'une manière qui tend à compenser les variations d'absorption du rayonnement X par le sein (non représenté) dues aux variations d'épaisseur de ce dernier entre le mammelon et le gril-costal.
  • Une courbe 50 illustre à titre d'exemple non limitatif, la variation en intensité du rayonnement entre les deux limites 45,46 ; la courbre 50 exprime ses variations en pourcentage d'une intensité maximum que possède le rayonnement X le long de la première limite 45 : on observe en suivant la courbe 50, que l'intensité du rayonnement X qui est de 100% au niveau de la première limite 45, diminue avec une pente de plus en plus accentuée, jusqu'à environ 65% au niveau de la seconde limite 46.
  • Ceci correspond au cas où la cible n'est pratiquement pas fissurée, soit que cette cible soit constituée de molybdène dopé avec du vanadium conformément à l'invention, soit que cette cible soit en molybdène pur ayant été très peu soumise à un bombardement électronique.
  • Une seconde courbe 51, en traits pointillés, illustre les modifications accusées par l'intensité du rayonnement X, dans les mêmes conditions que dans l'exemple ci-dessus, mais pour une cible en molybdène selon l'art antérieur et dont le vieillissement sous l'effet des bombardements électroniques a conduit à sa fissuration : on observe que l'intensité du rayonnement X au niveau de la première limite 45 est à environ 80%, c'est-à-dire qu'il est réduit d'environ 20%, et la seconde courbe 51 montre que l'intensité du rayonnement X diminue avec une pente beaucoup plus accentuée que dans le premier cas pour atteindre 25% au niveau de la seconde limite 46.
  • Ceci montre qu'une cible 30 réalisée en mobybdène allié à ou dopé avec du vanadium, conformément à l'invention, permet en évitant les fissurations de la cible dues aux bombardements électroniques répétés, d'éviter une réduction importante de l'intensité du rayonnement X et de son évolution dans le champ, ces deux inconvénients étant particulièrement graves pour un tube radiogène de mammographie.

Claims (7)

1. Tube radiogène comportant une anode (5) et une cathode (4), la cathode (4) délivrant un faisceau d'électrons (13), l'anode (5) comportant une cible (30) bombardée par ledit faisceau d'électrons (13) sur une surface (15) constituant la source d'un rayonnement X (43), la cible (30) étant constituée en molybdène, caractérisé en ce que le molybdène de la cible est allié à du vanadium dans une proportion, en poids, comprise entre 0,5% et 7%.
2. Tube radiogène selon la revendication 1, caractérisé en ce que le vanadium est allié au molybdène dans une proportion, en poids, comprise entre 2,5 et 3,5%.
3. Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cible (30) est formée directement par l'anode (5), l'anode (5) étant réalisée par frittage d'une poudre de molybdène à laquelle est mélangée du vanadium.
4. Tube radiogène selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anode (5) comporte un corps de base sur lequel la cible (30) est déposée sous la forme d'une couche (40).
5. Tube radiogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt (40) de la couche formant la cible (30) est réalisé par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.
6. Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode (5) est une anode tournante.
7. Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est adapté pour un appareil de mammographie.
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