EP0692176B1

EP0692176B1 - Generateur impulsionnel de rayons x

Info

Publication number: EP0692176B1
Application number: EP94911991A
Authority: EP
Inventors: Jean-Michel Pouvesle; Christophe Cachoncinlle; Raymond Viladrosa
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1997-07-09
Anticipated expiration: 2014-03-29
Also published as: FR2703556B1; US5651045A; WO1994023552A1; FR2703556A1; DE69404139D1; EP0692176A1; DE69404139T2

Abstract

Il comprend une source de haute tension (HT), une tête (4) émettrice de rayons X, qui est capable de produire des rayons X lorsqu'elle reçoit une impulsion électrique, une pluralité de lignes électriques (C1 à C6) qui sont comprises entre la source et la tête, des moyens (S1, S2) de stockage de l'énergie électrique fournie par la source et des moyens (TH) pour libérer l'énergie électrique accumulée dans les moyens de stockage et déclencher l'impulsion qui est alors transférée à la tête par l'intermédiaire des lignes. Ces lignes sont enroulées et sont, d'un côté, connectées en parallèle aux moyens de stockage et, de l'autre côté, connectées en série à la tête. Applications scientifiques, médicales et industrielles.

Description

La présente invention concerne un générateur impulsionnel de rayons X.
Ses applications sont scientifiques, industrielles et médicales comme par exemple la cristallographie, la radiographie, la stérilisation.
On connaît déjà un générateur impulsionnel de rayons X par le document suivant :
US-A-5,044,004 (Collins et al.), intitulé "Flash X-Ray Apparatus".
Ce générateur connu comprend un ensemble de Blumleins montés entre une source de haute tension, associée à un thyratron, et une tête émettrice de rayons X.
Cependant, ces Blumleins sont des lignes électriques qui sont rectilignes et rigides et qui ont une grande longueur, d'où un générateur encombrant dont la tête émettrice de rayons X est peu ou pas mobile.
La présente invention résout le problème de la conception d'un générateur impulsionnel de rayons X susceptible d'être bien moins encombrant que ce générateur connu.
Pour résoudre ce problème, le générateur impulsionnel de rayons X objet de la présente invention, comprenant :

une source de haute tension,
une tête émettrice de rayons X, qui est capable de produire des rayons X lorsqu'elle reçoit une impulsion électrique, et
une pluralité de lignes électriques qui sont comprises entre la source de haute tension et la tête émettrice de rayons X, chaque ligne électrique comprenant un premier conducteur électrique et un deuxième conducteur électrique qui sont séparés par un diélectrique,

des moyens de stockage de l'énergie électrique fournie par la source de haute tension, et
des moyens de déclenchement qui sont prévus pour libérer l'énergie électrique accumulée dans les moyens de stockage et déclencher l'impulsion électrique qui est alors transférée à la tête émettrice de rayons X par l'intermédiaire des lignes électriques,

Le générateur objet de l'invention est susceptible d'émettre, sur des temps très courts (équivalents à la longueur de l'impulsion), un rayonnement X beaucoup plus intense que celui qui est émis par les générateurs classiques généralement utilisés dans les laboratoires et dans l'Industrie.
De plus, l'utilisation de lignes électriques enroulées permet la réalisation d'un générateur de faibles dimensions, que l'on peut poser sur une table et qui peut être transporté par une seule personne.
De préférence, les lignes électriques du générateur objet de l'invention ont toutes la même longueur, pour obtenir un bon facteur de surtension.
Le générateur objet de l'invention peut comprendre en outre une pluralité de support parallèles et électriquement isolants, qui sont placés les uns à côté des autres et respectivement associés aux lignes électriques enroulées, chaque support comprenant une gorge, dans laquelle la ligne électrique correspondante est enroulée.
Afin de réduire l'effet Corona, le générateur objet de l'invention comprend, également, de préférence, des moyens prévus pour presser les supports les uns contre les autres.
Pour réduire encore plus cet effet Corona, les lignes sont de préférence enrobées, dans les gorges, d'une matière électriquement isolante.
Chaque ligne peut être enroulée en spirale ou en double spirale.
De préférence, chaque ligne est un câble coaxial souple, les premier et deuxième conducteurs électriques de cette ligne étant respectivement constitués par l'âme et la tresse de ce câble coaxial.
De tels câbles coaxiaux souples sont commercialement disponibles, ce qui simplifie la fabrication du générateur objet de l'invention.
Selon un mode de réalisation particulier du générateur objet de l'invention, chaque ligne est un câble coaxial souple enroulé en spirale, les premier et deuxième conducteurs électriques de cette ligne étant respectivement constitués par l'âme et la tresse de ce câble coaxial, l'enroulement en spirale de chaque câble se fait en se rapprochant du centre du support correspondant et les supports sont percés dans leur partie centrale, pour permettre le passage des câbles, à partie du côté où ces câbles sont connectés aux moyens de stockage d'énergie électrique, vers les supports qui leur correspondent respectivement.
De préférence, une partie des câbles coaxiaux souples qui sont reliés à la tête émettrice de rayons X est laissée libre pour permettre la mobilité de cette tête émettrice par rapport au reste du générateur.
On facilite ainsi la mise en oeuvre du générateur objet de l'invention.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 montre un schéma électrique d'un générateur conforme à l'invention,
la figure 2 est une vue schématique de plaques électriquement isolantes, portant des câbles coaxiaux souples enroulés en spirale qui sont utilisables dans un générateur conforme à l'invention,
la figure 3 montre un assemblage de ces plaques,
la figure 4 est une vue schématique d'une plaque électriquement isolante, portant un câble coaxial souple qui est enroulé en double spirale et qui est utilisable dans un autre générateur conforme à l'invention, et
la figure 5 est une vue schématique d'une variante de réalisation de la tête émettrice du générateur objet de l'invention.

Le générateur impulsionnel de rayons X, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, comprend des moyens 2 prévus pour former des impulsions électriques, une tête 4 émettrice de rayons X et un générateur à câbles 6 qui relie les moyens 2 à la tête 4.
Ces moyens 2 prévus pour fournir des impulsions électriques comprennent :

une source de haute tension HT,
deux condensateurs de stockage S1 et S2 prévus pour stocker l'énergie électrique fournie par la source de haute tension HT, et
des moyens de déclenchement TH qui sont prévus pour libérer l'énergie électrique accumulée dans les condensateurs de stockage et déclencher une impulsion électrique, ces moyens de déclenchement TH étant commandés par des moyens symbolisés par une flèche M sur la figure 1.

Comme on le voit sur la figure 1, les condensateurs de stockage S1 et S2 sont montés en série, le condensateur S2 est monté entre les bornes de la source de haute tension HT et les moyens de déclenchement TH sont également montés entre ces bornes de la source de haute tension HT.
Cette source HT peut être une source de haute tension constante ou une source de haute tension impulsionnelle (auquel cas l'impulsion électrique, à l'entrée du générateur à câbles, est déclenchée lorsque la charge des condensateurs S1 et S2 atteint une valeur souhaitée).
A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise une source de haute tension qui peut varier entre 0 et 40 kV et qui est capable de recharger les condensateurs S1 et S2 à des fréquences pouvant varier entre 0,1 Hz et 1 kHz, suivant la configuration désirée.
Les condensateurs S1 et S2 peuvent être des condensateurs discrets encore appelés "capacités-boutons", ou peuvent être des lignes planes ou encore des câbles coaxiaux.
Les moyens de déclenchement TH comprennent un seul déclencheur rapide, pour haute tension, comme par exemple un thyratron ou un éclateur ("sparkgap") ou un déclencheur connu sous le nom "pseudo-spark", ou encore un éclateur rotatif, ce qui diminue les pertes en énergie et augmente le rendement.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise des moyens de déclenchement qui sont capables de fonctionner entre 0,1 Hz et 1 kHz.
La tête 4 émettrice de rayons X est étanche et faite d'un matériau électriquement isolant comme, par exemple, le verre, la céramique, le Plexiglas (marque déposée), un polycarbonate, le polychlorure de vinyle ou le polysulfone.
Si nécessaire, cette tête émettrice 4 peut être enveloppée d'une fine enveloppe d'absorption des rayons X, qui peut être en plomb.
Des moyens de pompage 8 communiquent de façon étanche avec l'intérieur de la tête émettrice 4 afin d'y faire le vide.
On précise à ce propos que la durée d'une impulsion de rayons X, obtenue comme on l'indiquera par la suite, est fonction de la pression résiduelle à l'intérieur de la tête émettrice 4.
Cette tête émettrice 4 est munie d'une anode 10 et d'une cathode 12 qui sont placées en regard l'une de l'autre dans la tête émettrice 4 et qui traversent les parois de celles-ci par des passages étanches.
C'est entre l'anode et la cathode qu'ont lieu les décharges électriques conduisant à la formation des rayons X.
La tête émettrice 4 est pourvue d'un orifice 14 en regard de l'espace entre l'anode et la cathode, pour permettre la sortie du rayonnement X référencé 16.
Cet orifice 14 est fermé de façon étanche à l'aide d'une mince paroi 18 étanche et faite d'un matériau transparent aux rayons X engendrés.
La nature du matériau constitutif de l'anode détermine le spectre du rayonnement X émis par cette anode ainsi que le rayonnement de freinage des électrons émis par la cathode, dont il sera question plus loin.
Pour la cathode on choisit un matériau apte à fournir facilement des électrons comme par exemple le cuivre ou le graphite et, pour l'anode, on peut choisir un matériau constitutif métallique comme par exemple le cuivre, le molybdène, le tungstène ou l'argent.
La position relative de l'anode et de la cathode détermine la forme du lobe d'émission des rayons X et la répartition spatiale de ces rayons X.
L'écartement E entre l'anode et la cathode peut être rendu réglable.
L'anode 10 peut être rendue tournante en la munissant d'un moyen de rotation symbolisé par la flèche F de la figure 1.
De plus cette anode 10 peut être munie de moyens R de refroidissement par circulation d'un fluide approprié.
Le générateur à câbles 6 comprend au moins deux lignes électriques de préférence constituées par des câbles coaxiaux souples (qui sont au nombre de six dans l'exemple représenté sur la figure 1 et portent respectivement les références C1, C2, C3, C4, C5 et C6).
Chaque câble coaxial comprend un premier conducteur électrique A appelé "âme" et un deuxième conducteur électrique T appelé "tresse" qui entoure l'âme A et en est séparé par un diélectrique D.
De plus, la tresse de chaque câble est entourée par une enveloppe électriquement isolante non représentée.
Ces câbles coaxiaux souples sont connectés en parallèle aux moyens de production d'impulsions électriques 2 et connectés en série à la tête émettrice.
Plus précisément, du côté des moyens de production d'impulsions électriques 2, les extrémités des âmes des câbles coaxiaux sont électriquement reliées les unes aux autres ainsi qu'à la borne a du condensateur S2.
De ce même côté, les tresses des câbles coaxiaux sont électriquement reliées les unes aux autres ainsi qu'à la borne b du condensateur S1, la borne commune aux condensateurs S1 et S2 portant la référence c, comme on le voit sur la figure 1.
De l'autre côté du générateur à câbles 6, c'est-à-dire du côté de la tête émettrice 4, l'extrémité de l'âme du câble coaxial C6 est électriquement reliée à l'anode 10 tandis que l'extrémité de la tresse du câble coaxial C1 est électriquement reliée à la cathode 12 et l'extrémité de la tresse du câble coaxial C6 est électriquement reliée à l'extrémité de l'âme du câble coaxial C5 tandis que l'extrémité de la tresse de ce câble coaxial C5 est électriquement reliée à l'extrémité de l'âme du câble coaxial C4 ... et l'extrémité de la tresse du câble coaxial C2 est électriquement reliée à l'extrémité de l'âme du câble coaxial C1.
L'utilisation d'un tel générateur à câbles 6 permet d'obtenir des décharges électriques extrêmement rapides et de très haute tension (de quelques kV à 240 kV dans l'exemple représenté), la durée des impulsions étant inférieure à 25 ns.
Le déclencheur TH permet de libérer l'énergie électrique stockée dans les condensateurs S1 et S2 et de transférer une partie de cette énergie électrique vers le générateur à câbles 6.
Ce générateur à câbles 6 permet la multiplication de la tension électrique de l'impulsion fournie par les moyens 2, le facteur multiplicatif étant fonction du nombre de câbles coaxiaux souples.
Dans l'exemple représenté, avec six câbles coaxiaux et une tension de 10 kV à l'entrée du générateur à câbles, on obtient une tension de 60 kV entre l'anode et la cathode de la tête émettrice de rayons X.
On obtiendrait une tension de 80 kV en utilisant huit câbles coaxiaux et la même tension d'entrée de 10 kV, ou encore en utilisant six câbles coaxiaux mais une tension d'entrée de 13,3 kV.
Sous l'effet de l'impulsion électrique de haute tension qui arrive à la tête émettrice 4, des électrons sont émis très rapidement par la cathode 12 (sous forme d'impulsions dont la durée est de l'ordre de 10 ns à 25 ns suivant la pression résiduelle dans la tête émettrice 4) et sont freinés en arrivant sur l'anode 10.
Il y a alors émission de raies X caractéristiques du matériau constitutif de l'anode 10 et émission d'un rayonnement X de freinage (Bremstrahlung).
Les figures 2 et 3 illustrent la disposition des câbles coaxiaux C1 à C6.
Ces câbles coaxiaux C1 à C6 sont respectivement montés sur des plaques P1 à P6 électriquement isolantes (par exemple en polychlorure de vinyle).
Plus précisément, chaque câble coaxial souple est enroulé sur la plaque qui lui est associée.
Dans l'exemple représenté, chaque câble coaxial est enroulé en spirale dans une gorge G (figure 3) prévue à cet effet sur une face de la plaque correspondante.
Les plaques P1 à P6 sont empilées de la plaque P1 à la plaque P6, comme on le voit sur la figure 3 qui est une vue de dessus de l'empilement obtenu.
Les faces des plaques portant les gorges G en spirale sont toutes tournées du même côté de l'empilement.
De plus, une plaque protectrice P7 électriquement isolante, par exemple en polychlorure de vinyle, est disposée en regard de la face de la plaque P1 portant la gorge en spirale correspondante.
Les plaques P1 à P7 sont pressées les unes contre les autres (pour qu'il n'y ait pas d'air entre elles, ce qui limite l'effet Corona), grâce à des moyens appropriés qui, dans l'exemple représenté sur la figure 3, sont des tiges filetées électriquement isolantes 20, par exemple en polychlorure de vinyle, qui traversent des trous 21 alignés des plaques P1 à P6, l'extrémité de chaque tige située du côté de la plaque P6 étant munie d'une tête 22 qui appuie contre cette plaque P6 tandis que l'autre extrémité de chaque tige filetée est munie d'un écrou 23 qui vient serrer les plaques les unes contre les autres par l'intermédiaire d'une rondelle 24 électriquement isolante comme le sont l'écrou 23 et la tête 22.
Pour réduire encore plus le rayonnement Corona et améliorer le rendement du générateur, les câbles coaxiaux sont enrobés, dans leurs gorges respectives, par une pâte P électriquement isolante, par exemple en silicone.
Du côté des connexions en parallèle des câbles coaxiaux souples, connexions qui sont symbolisées par les pointillés CP de la figure 3, l'arrivée des câbles coaxiaux souples jusqu'à leurs plaques respectives est réalisée au travers d'orifices formés dans la partie centrale des plaques P1 à P6.
Comme on le voit sur la figure 3, les six câbles arrivent de leur connexions en parallèle, vers la face de la plaque P7 qui ne porte pas de gorge.
On le voit sur la figure 2 que la plaque P1 comporte un orifice 01, la plaque P2 comporte deux orifices O1 et O2, ..., et la plaque P6 comporte six orifices C1 à O6.
Les orifices portant la même référence sont alignés et tous les orifices sont situés sur un même cylindre de révolution dont on aperçoit la trace circulaire 26 en pointillé sur chacune des plaques.
La distance entre deux trous adjacents est la même pour chacune des plaques.
Les câbles coaxiaux arrivent à l'assemblage des plaques vers la partie centrale de cet assemblage et le développement en spirale de chaque câble a lieu en s'écartant du centre de la plaque correspondante comme on le voit sur la figure 2.
Ainsi, le câble C1 traverse les six ouvertures O1 pour s'enrouler en spirale sur la plaque P1, le câble C2 traverse les cinq ouvertures 02 pour s'enrouler sur la plaque P2, ..., et le câble C6 traverse l'ouverture 06 pour s'enrouler sur la plaque P6.
Afin d'obtenir un bon facteur de surtension et des impulsions de rayonnements X de faible durée, les câbles coaxiaux souples ont tous la même longueur.
Pour ce faire, compte tenu des épaisseurs différentes de l'assemblage de plaques que les câbles C1 à C6 ont à traverser, la longueur de la portion de spirale la plus proche du centre d'une plaque est calculée en fonction de l'épaisseur de l'assemblage à traverser pour le câble correspondant.
La figure 2 illustre ceci : on voit que cette portion va en augmentant du câble C1 au câble C6 de sorte qu'il reste une plus grande longueur pour le câble C1, permettant à ce câble C1 de traverser l'assemblage, que pour le câble C6 qui est le plus proche des connexions en parallèle des câbles coaxiaux.
Comme on l'a vu, les autres extrémités des câbles coaxiaux sont connectées en série, ce qui est symbolisé par les pointillés CS de la figure 3.
Du côté de cette connexion en série, une partie de chaque enroulement peut être laissée libre, la souplesse qui en résulte permettant une mobilité exceptionnelle de la tête 4 émettrice de rayons X.
On précise qu'il faut prévoir une épaisseur suffisante de matériau isolant entre les câbles adjacents et entre les tours adjacents de la spirale de chaque câble pour ne pas avoir de claquage électrique lors du fonctionnement du générateur.
Pour une même puissance électrique consommée de 3W, le générateur qui a été décrit en faisant référence aux figures 1 à 3 conduit à un temps d'exposition de 20 ns alors qu'un générateur classique (tube X classique) nécessite un temps d'exposition de 6 s, pour la même dose de rayonnement X reçu à la même distance.
Dans une variante de réalisation, schématiquement illustrée par la figure 4, chacun des câbles coaxiaux souples, tels que le câble C1, est enroulé en double spirale telle que représentée sur la figure 4, dans une gorge prévue à cet effet sur une face de la plaque correspondante.
Ainsi, les deux extrémités du câble aboutissent à deux côtés opposés de la plaque et les connexions électriques entre les câbles se font comme on l'a expliqué en faisant référence à la figure 1, ce qui est plus simple avec de tels enroulements en double spirale qu'avec des enroulements en spirale tels que représentés sur la figure 2.
On peut également réaliser la double spirale pour faire aboutir les deux extrémités du câble souple d'un même côté de la plaque comme on l'a indiqué en pointillés sur la figure 4.
La figure 5 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation de la tête émettrice de rayons X.
La tête émettrice de la figure 5 présente une symétrie de révolution autour d'un axe Z et comprend une anode annulaire 10 pourvue d'un perçage suivant l'axe Z ainsi qu'une cathode 12 de forme allongée suivant l'axe Z et terminée par une pointe en regard du perçage de l'anode.
La cathode 12 est réglable en translation suivant l'axe Z dans une pièce 28 filetée intérieurement, la cathode comportant un filetage externe correspondant.
Cette pièce 28 est logée dans un tube 30 électriquement isolant d'axe X dont une extrémité est fermée par un épaulement externe de la pièce 28 tandis que l'autre extrémité du tube 30 est fermée par l'anode 10.
Du côté de celle-ci, la tête émettrice est prolongée par une pièce tubulaire 32 d'axe X électriquement conductrice, qui est en contact avec l'anode et fermée de façon étanche par une mince paroi 18 transparente aux rayons X engendrés et qui délimite une zone communiquant avec des moyens de pompage 8 permettant de faire le vide dans la tête émettrice, les pièces 28 et 32 comportant des joints d'étanchéité 34 pour le maintien du vide.
On voit aussi sur la figure 5, des conducteurs électriques 36 grâce auxquels l'anode et la cathode sont reliées au générateur à câbles 6.
L'ensemble du générateur conforme à l'invention, qui a été décrit en faisant référence aux figures 1 à 5, est réductible à une taille et un poids qui sont compatibles avec une utilisation en générateur portable.

Claims

Générateur impulsionnel de rayons X, ce générateur comprenant :
- une source de haute tension (HT),

- une tête (4) émettrice de rayons X, qui est capable de produire des rayons X lorsqu'elle reçoit une impulsion électrique, et

- une pluralité de lignes électriques (C1 à C6) qui sont comprises entre la source de haute tension et la tête émettrice de rayons X, chaque ligne électrique comprenant un premier conducteur électrique (A) et un deuxième conducteur électrique (T) qui sont séparés par un diélectrique (D),
ce générateur comprenant en outre :
- des moyens (S1, S2) de stockage de l'énergie électrique fournie par la source de haute tension (HT), et

- des moyens (TH) de déclenchement qui sont prévus pour libérer l'énergie électrique accumulée dans les moyens de stockage (S1, S2) et déclencher l'impulsion électrique qui est alors transférée à la tête (4) émettrice de rayons X par l'intermédiaire des lignes électriques (C1 à C6),
ces lignes électriques étant enroulées et étant d'un côté, connectées en parallèle aux moyens (S1, S2) de stockage de l'énergie électrique et, de l'autre côté, connectées en série à la tête (4) émettrice de rayons X.
Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes électriques (C1 à C6) ont toutes la même longueur.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de supports (P1 à P6) parallèles et électriquement isolants, qui sont placés les uns à côté des autres et respectivement associés aux lignes électriques enroulées (C1 à C6), chaque support comprenant une gorge (G) dans laquelle la ligne électrique correspondante est enroulée.
Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (20, 22, 23, 24) prévus pour presser les supports (P1 à P6) les uns contre les autres.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que, dans les gorges (G), les lignes sont enrobées d'une matière (P) électriquement isolante.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque ligne (C1 à C6) est enroulée en spirale.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque ligne (C1 à C6) est enroulée en double spirale.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque ligne est un câble coaxial souple (C1 à C6), les premier et deuxième conducteurs électriques de cette ligne étant respectivement constitués par l'âme (A) et la tresse (T) de ce câble coaxial.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que chaque ligne (C1 à C6) est enroulée en spirale, en ce que chaque ligne est un câble coaxial souple, les premier et deuxième conducteurs électriques de cette ligne étant respectivement constitués par l'âme (A) et la tresse (T) de ce câble coaxial, en ce que l'enroulement en spirale de chaque câble se fait en se rapprochant du centre du support (P1 à P6) correspondant et en ce que les supports sont percés dans leur partie centrale, pour permettre le passage des câbles, à partir du côté où ces câbles sont connectés aux moyens (S1, S2) de stockage d'énergie électrique, vers les supports (P1 à P6) qui leur correspondent respectivement.
Générateur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'une partie des câbles coaxiaux souples qui sont reliés à la tête (4) émettrice de rayons X est laissée libre pour permettre la mobilité de cette tête émettrice par rapport au reste du générateur.