FR2833751A1

FR2833751A1 - X ray radiation medical image generator having vacuum tube held cathode/anode with anode having elementary surfaces receiving/focussing electron beam.

Info

Publication number: FR2833751A1
Application number: FR0116392A
Authority: FR
Inventors: Cachard Jean De
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2003-06-20
Also published as: AU2002364660A1; WO2003052789A1

Abstract

The X ray generator has a vacuum tube (2), a cathode (3) and an anode (5) generating an electron beam. The anode has a number of elementary surface (7) receiving the electron beam (4) and focussing it (9).

Description

Générateur de rayons X à rayonnement focalisé
L'invention se rapporte à un générateur de rayons X. Les rayons X sont notamment utilisés dans le milieu médical pour l'imagerie ou la radiothérapie et dans le milieu industriel pour le contrôle de pièces mécaniques ou pour le traitement local par irradiation. Focused X-ray generator
The invention relates to an X-ray generator. X-rays are used in particular in the medical environment for imaging or radiotherapy and in the industrial environment for the control of mechanical parts or for local treatment by irradiation.

Des générateurs de rayons X à tubes connus génèrent un rayonnement divergent de rayons X à partir du bombardement électronique ponctuel d'une anode. A ce jour, il est très difficile de focaliser un rayonnement X notamment lorsqu'il dépasse une énergie de l'ordre de 30 keV. Known tube X-ray generators generate divergent X-ray radiation from the point electron bombardment of an anode. To date, it is very difficult to focus an X-ray in particular when it exceeds an energy of the order of 30 keV.

Pour la radiothérapie et le traitement local de matériau, l'utilisation d'un rayonnement X convergent permettrait d'obtenir une plus grande concentration de rayonnement X dans une zone à traiter, cette zone pouvant être située en profondeur. L'irradiation par rayonnement X serait ainsi plus faible sur les tissus ou les matériaux traversés avant la zone à traiter. For radiotherapy and local treatment of material, the use of convergent X-rays would make it possible to obtain a greater concentration of X-rays in an area to be treated, this area possibly being located in depth. X-ray irradiation would therefore be lower on the tissues or materials passed through before the area to be treated.

L'invention apporte une solution à ce problème en proposant un générateur de rayons X à tube délivrant un faisceau de rayons X convergent. The invention provides a solution to this problem by proposing a tube X-ray generator delivering a convergent X-ray beam.

Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet un générateur de rayons X comportant un tube à l'intérieur duquel règne le vide, une cathode et une anode situées à l'intérieur du tube, la cathode générant un faisceau d'électrons en direction de l'anode qui le transforme en un rayonnement X, caractérisé en ce que l'anode comporte une pluralité de surfaces élémentaires dont les normales sont séquentes et en ce que chaque surface élémentaire reçoit le faisceau d'électrons. To achieve this object, the invention relates to an X-ray generator comprising a tube inside which the vacuum prevails, a cathode and an anode located inside the tube, the cathode generating an electron beam in direction of the anode which transforms it into X-ray radiation, characterized in that the anode comprises a plurality of elementary surfaces whose normals are sequential and in that each elementary surface receives the electron beam.

Dans les tubes générateurs de rayons X connus, l'anode est bombardée ponctuellement par un faisceau électronique. La transformation du faisceau électronique en rayonnement X produit de la chaleur qu'il est nécessaire de dissiper. La production de fortes doses d'irradiation X est de ce fait limitée par la capacité de l'anode à dissiper la chaleur produite. Dans un générateur de rayons X conforme à l'invention, l'anode est bombardée sur plusieurs surfaces. Chaque surface ne produisant qu'une partie du rayonnement X, la chaleur générée lors de la transformation des électrons en In known X-ray generating tubes, the anode is bombarded punctually by an electron beam. The transformation of the electron beam into X-rays produces heat which it is necessary to dissipate. The production of high doses of X-ray radiation is therefore limited by the ability of the anode to dissipate the heat produced. In an X-ray generator according to the invention, the anode is bombarded on several surfaces. Each surface producing only part of the X-ray, the heat generated during the transformation of the electrons into

rayonnement X est ainsi répartie sur les différentes surfaces bombardées par les électrons, ce qui facilite la dissipation de la chaleur. X-rays are thus distributed over the various surfaces bombarded by electrons, which facilitates the dissipation of heat.

De plus, dans des tubes générateurs de rayons X connus, on a cherché à limiter la chaleur à dissiper localement au point de bombardement électronique en faisant tourner l'anode autour d'un axe. Ceci permet d'obtenir une répartition temporelle de la chaleur à dissiper sur une plus grande surface. Cette solution complique mécaniquement le tube générateur de rayons X par la mise en oeuvre de pièces tournantes. L'invention pallie cet inconvénient en bombardant avantageusement en permanence chaque surface élémentaire par le faisceau électronique spatiale de la chaleur à dissiper. In addition, in known X-ray generating tubes, attempts have been made to limit the heat to be dissipated locally at the point of electronic bombardment by rotating the anode around an axis. This allows a temporal distribution of the heat to be dissipated over a larger area. This solution mechanically complicates the X-ray generator tube by the use of rotating parts. The invention overcomes this drawback by advantageously permanently bombarding each elementary surface with the spatial electron beam of the heat to be dissipated.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation de l'invention, description illustrée par le dessin joint dans lequel. The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the detailed description of several embodiments of the invention, description illustrated by the attached drawing in which.

. la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un générateur de rayons X pour lequel le rayonnement X est focalisé à l'extérieur du tube ; . la figure 2 représente une variante du premier mode de

réalisation permettant de déplacer le point de focalisation du rayonnement X ;
Par souci de simplification de la suite de la description, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. . FIG. 1 represents a first embodiment of an X-ray generator for which the X-ray is focused outside the tube; . FIG. 2 represents a variant of the first mode of

realization making it possible to move the focal point of the X-ray radiation;
For the sake of simplification of the rest of the description, the same elements will bear the same references in the different figures.

Le générateur 1 de rayons X représenté sur la figure 1 comporte un tube 2 formant une enceinte fermée dans laquelle règne un vide suffisant pour qu'un faisceau d'électrons puisse s'y déplacer. Une cathode 3 génère un faisceau d'électrons 4 en direction d'une anode 5 qui transforme l'énergie reçue par le faisceau d'électrons 4 en un rayonnement X 6. L'anode 5 reçoit le faisceau d'électron 4 sur des surfaces élémentaires qui réunies forment une surface tronconique 7 intérieure d'axe 8. L'angle de la surface tronconique 7 est tel que des axes 9 normaux à chaque surface élémentaire, sont séquents. Un point 10 situé à l'intersection des axes 9 est situé à l'extérieur du tube 2 sur l'axe 8. Le point 10 forme le point de focalisation du rayonnement X. The X-ray generator 1 shown in FIG. 1 comprises a tube 2 forming a closed enclosure in which there is sufficient vacuum for an electron beam to be able to move there. A cathode 3 generates an electron beam 4 towards an anode 5 which transforms the energy received by the electron beam 4 into X-ray radiation 6. The anode 5 receives the electron beam 4 on surfaces elementary which joined together form an inner frustoconical surface 7 of axis 8. The angle of the frustoconical surface 7 is such that axes 9 normal to each elementary surface, are sequential. A point 10 located at the intersection of the axes 9 is located outside the tube 2 on the axis 8. The point 10 forms the focal point of the X-rays.

En pratique, le rayonnement X est émis par l'anode 5 préférentiellement dans les directions formées par les axes 9. L'intensité du rayonnement X est maximale dans les directions des axes 9 et cette intensité décroît lorsqu'on s'éloigne angulairement de l'axe 9. In practice, the X-ray is emitted by the anode 5 preferably in the directions formed by the axes 9. The intensity of the X-ray is maximum in the directions of the axes 9 and this intensity decreases when one moves angularly away from the 'axis 9.

Le point 10 est donc le centre d'une zone où le rayonnement X 6 se focalise préférentiellement. On a constaté que l'intensité du rayonnement X est quasiment maximale dans une direction formant un angle de 20 avec une des directions 9. Au-delà de cet angle de 200, l'intensité du rayonnement X diminue notablement. Point 10 is therefore the center of an area where X-rays 6 preferentially focus. It has been found that the intensity of the X-ray radiation is almost maximum in a direction forming an angle of 20 with one of the directions 9. Beyond this angle of 200, the intensity of the X-ray radiation decreases notably.

Avantageusement, afin d'améliorer la focalisation du rayonnement X, autrement dit afin de réduire les dimensions de la zone où le rayonnement X se focalise, le dispositif 1 comporte une fenêtre de sortie 11 ne laissant sortir du tube 2 qu'une partie du rayonnement. La fenêtre de sortie peut faire partie de la paroi du tube 2. Plus précisément, la fenêtre de sortie 11 a la forme d'une plaque par exemple située dans un plan perpendiculaire à l'axe 8. La fenêtre de sortie 11 comporte un matériau 12 opaque au rayonnement X, ainsi qu'un matériau 13 transparent au rayonnement X 6. Le matériau 13 est situé sur une couronne d'axe 8 perpendiculaire à la surface tronconique 7. Le diamètre de la couronne est, par exemple, tel que le matériau 13 laisse sortir du tube 1 la partie du rayonnement X sensiblement centrée autour des axes 9. Le matériau 12, opaque au rayonnement X est par exemple réalisé à base de plomb et le matériau 13, transparent au rayonnement X, est par exemple réalisé à base de béryllium. Advantageously, in order to improve the focusing of the X-ray radiation, in other words in order to reduce the dimensions of the area where the X-ray radiation is focused, the device 1 includes an outlet window 11 allowing only part of the radiation to exit the tube 2 . The outlet window can be part of the wall of the tube 2. More precisely, the outlet window 11 has the form of a plate for example situated in a plane perpendicular to the axis 8. The outlet window 11 comprises a material 12 opaque to X-rays, as well as a material 13 transparent to X-rays 6. The material 13 is located on a crown of axis 8 perpendicular to the frustoconical surface 7. The diameter of the crown is, for example, such as the material 13 lets out of the tube 1 the part of the X-ray substantially centered around the axes 9. The material 12, opaque to X-ray is for example made from lead and the material 13, transparent to X-ray, is for example made to beryllium base.

Le dispositif peut comporter des moyens pour modifier la position du point 10 où le rayonnement X se focalise. Comme on l'a vu précédemment, le rayonnement X se forme avec une intensité quasi maximale dans un secteur angulaire centré autour des axes 9. Il est donc possible, en déplaçant la position relative de la fenêtre de sortie 11 par rapport à l'anode 5 en translation suivant l'axe 8, de déplacer le point 10 suivant l'axe 8. Si on souhaite conserver l'intensité du rayonnement X lors de la translation décrite plus haut, on prendra soin de conserver la couronne de matériau 13, transparent au rayonnement X, à l'intérieur de l'angle de 20 autour des directions 9. Ce mode de réalisation des moyens pour modifier la position du point 10 où le rayonnement X se focalise nécessite un dispositif The device may include means for modifying the position of the point 10 where the X-ray radiation is focused. As we have seen previously, the X-ray is formed with an almost maximum intensity in an angular sector centered around the axes 9. It is therefore possible, by moving the relative position of the outlet window 11 relative to the anode 5 in translation along the axis 8, to move the point 10 along the axis 8. If one wishes to keep the intensity of the X-ray during the translation described above, care will be taken to keep the crown of material 13, transparent to X-ray, inside the angle of 20 around the directions 9. This embodiment of the means for modifying the position of the point 10 where the X-ray focuses requires a device

mécanique pour modifier la position relative de l'anode 5 par rapport à la fenêtre de sortie 11. mechanical to modify the relative position of the anode 5 with respect to the outlet window 11.

A titre d'alternative, comme il est représenté sur la figure 2, il est possible de modifier la position du point 10 en remplaçant la surface tronconique 7 de l'anode par une surface torique extérieure 20 dont l'axe principal reste l'axe 8. En modifiant la position où le faisceau d'électron 4 bombarde l'anode 5, sur la surface torique 20, on modifie la direction des axes 8 et, par voie de conséquence, la position du point 10. Sur la figure 2, deux trajets possibles du faisceau d'électrons émis par l'anode 3 sont représentés. Le premier trajet porte le repère 21 et bombarde la surface torique 20 en des points 22. Les points 22 sont sensiblement situés sur un cercle dont le centre est porté par l'axe 8. Des directions 23, normales à la surface torique 20 aux points 22 sont séquentes en un point 24 représentant le centre d'une zone de focalisation du rayonnement X. Le second trajet porte le repère 25 et bombarde la surface torique 20 en des points 26. Les points 26 sont également sensiblement situés sur un cercle dont le centre est porté par l'axe 8 et dont le diamètre est supérieur au diamètre du cercle formé par les points 22. Des directions 27, normales à la surface torique 20 aux points 26, sont séquentes en un point 28 représentant le centre d'une zone de focalisation du rayonnement X. Les points 24 et 28 donnent des exemples de positions possibles du point 10 décrit plus haut. Alternatively, as shown in FIG. 2, it is possible to modify the position of point 10 by replacing the frustoconical surface 7 of the anode with an external toric surface 20 whose main axis remains the axis 8. By modifying the position where the electron beam 4 bombards the anode 5, on the toric surface 20, the direction of the axes 8 is modified and, consequently, the position of the point 10. In FIG. 2, two possible paths of the electron beam emitted by the anode 3 are shown. The first path bears the mark 21 and bombards the toric surface 20 at points 22. The points 22 are substantially located on a circle whose center is carried by the axis 8. Directions 23, normal to the toric surface 20 at the points 22 are sequential at a point 24 representing the center of an area for focusing X-rays. The second path bears the mark 25 and bombards the toric surface 20 at points 26. Points 26 are also substantially located on a circle whose center is carried by axis 8 and whose diameter is greater than the diameter of the circle formed by points 22. Directions 27, normal to the toric surface 20 at points 26, are sequential at a point 28 representing the center of a X-ray focusing area. Points 24 and 28 give examples of possible positions of point 10 described above.

La surface torique extérieure 20 n'est donnée qu'à titre d'exemple. The outer toric surface 20 is given only by way of example.

Il est possible de modifier la position du point 10 où le rayonnement X se focalise en utilisant d'autres formes de surface de révolution autour de l'axe 8. La définition de la surface de révolution se fait en fonction de la variation souhaitée des points-impacts du rayonnement X sur une cible recevant le rayonnement X. It is possible to modify the position of the point 10 where the X-ray focuses by using other forms of surface of revolution around the axis 8. The definition of the surface of revolution is done according to the desired variation of the points - impacts of X-rays on a target receiving X-rays.

Avantageusement, le générateur de rayons X comporte des moyens pour faire varier le trajet du faisceau d'électrons afin de faire varier la position du point 10 où le rayonnement X se focalise. Cela permet de simplifier la réalisation du tube électronique en évitant l'utilisation de dispositifs mécaniques pour modifier la position relative de l'anode 5 par rapport à la fenêtre de sortie 11. Advantageously, the X-ray generator includes means for varying the path of the electron beam in order to vary the position of the point 10 where the X-ray focuses. This simplifies the production of the electronic tube by avoiding the use of mechanical devices to modify the relative position of the anode 5 relative to the outlet window 11.

Plus précisément, pour faire varier le trajet du faisceau d'électrons, il est possible d'utiliser un aimant 29 ou avantageusement un More precisely, to vary the path of the electron beam, it is possible to use a magnet 29 or advantageously a

électroaimant dont on fait varier le flux magnétique. L'aimant 29 est par exemple placé à l'extérieur du tube 2 de telle sorte que son pôle sud soit situé au voisinage de la cathode 3 et que son pôle nord soit situé au voisinage de l'anode 5. En déplaçant l'aimant 29 en translation selon l'axe 8, ou en faisant varier le flux magnétique de l'électroaimant remplaçant l'aimant 29, on déplace les points où le faisceau d'électrons bombarde la surface torique 20 de l'anode 5. Il est possible de déplacer le faisceau d'électron pour qu'il bombarde la surface torique 20 au-delà du point 26, de sorte à obtenir un rayonnement X divergent. electromagnet whose magnetic flux is varied. The magnet 29 is for example placed outside the tube 2 so that its south pole is located near the cathode 3 and its north pole is located near the anode 5. By moving the magnet 29 in translation along the axis 8, or by varying the magnetic flux of the electromagnet replacing the magnet 29, the points where the electron beam bombards the toric surface 20 of the anode 5 are displaced. It is possible moving the electron beam so that it bombards the toric surface 20 beyond point 26, so as to obtain a diverging X-ray.

Dans cette variante, on se passe de fenêtre de sortie 11 et le point 10 représente le centre de la zone où le rayonnement X se focalise. Le point 10 se déplaçant, la zone de focalisation se déplace aussi. In this variant, there is no exit window 11 and the point 10 represents the center of the area where the X-ray focuses. As point 10 moves, the focus area also moves.

Le générateur de rayons X comporte des moyens pour refroidir l'anode 5. Ces moyens comportent par exemple des ailettes 17 entre lesquelles circule un fluide caloporteur permettant d'évacuer la chaleur produite par l'anode. 5 lors de la transformation de l'énergie reçue du faisceau d'électrons en rayonnement X. The X-ray generator includes means for cooling the anode 5. These means comprise, for example, fins 17 between which a heat transfer fluid circulates allowing the heat produced by the anode to be removed. 5 during the transformation of the energy received from the electron beam into X-rays.

Avantageusement, le générateur de rayons X comporte des moyens pour guider le faisceau d'électrons 4 vers la surface tronconique 7. Advantageously, the X-ray generator comprises means for guiding the electron beam 4 towards the frustoconical surface 7.

Plus précisément, les moyens pour guider le faisceau d'électrons 4 comportent une électrode de mise en forme du faisceau, appelée communément wehnelt 12, située au voisinage de la cathode 3 sur le trajet du faisceau d'électrons 4. Le wehnelt 12 comporte des ouvertures de façon à former un faisceau d'électrons 4 creux afin de bombarder la surface tronconique 7, ou plus généralement l'anode, ce qui évite l'obligation de disposer de collecteurs récupérant les électrons surabondants qui n'atteindraient pas l'anode 5. De tels collecteurs devraient, de plus, être refroidis. Le wehnelt peut comporter une rondelle extérieure 13 et une pastille intérieure 14, toutes deux centrées sur l'axe 8. La pastille 14 peut être reliée à la rondelle 13 au moyen de bras 15 radiaux par rapport à l'axe 8. L'espace libre situé entre les bras 15 forme l'ouverture du wehnelt 12 par laquelle passe le faisceau d'électrons 4.More specifically, the means for guiding the electron beam 4 comprise a beam shaping electrode, commonly called wehnelt 12, located in the vicinity of cathode 3 on the path of the electron beam 4. The wehnelt 12 comprises openings so as to form a hollow electron beam 4 in order to bombard the frustoconical surface 7, or more generally the anode, which avoids the obligation of having collectors recovering the superabundant electrons which would not reach the anode 5 Such collectors should, moreover, be cooled. The wehnelt can include an outer washer 13 and an inner pad 14, both centered on the axis 8. The pad 14 can be connected to the washer 13 by means of arms 15 radial to the axis 8. The space free located between the arms 15 forms the opening of the wehnelt 12 through which the electron beam 4 passes.

Claims

1. X-ray generator comprising a tube (2; 30) inside which the vacuum prevails, a cathode (3; 31) and an anode (5; 33) located inside the tube (2; 30) , the cathode (3; 31) generating an electron beam towards the anode which transforms it into X-radiation, characterized in that the anode (5; 33) has a plurality of elementary surfaces (7; 20 ; 34) whose normals (9; 38) are sequential and in that each elementary surface receives the electron beam (4; 32).

2. X-ray generator according to claim 1, characterized in that each elementary surface permanently receives the electron beam (4; 32).

3. X-ray generator according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises means for guiding the electron beam (4) towards the elementary surfaces (7; 20; 34).

4. X-ray generator according to claim 3, characterized in that the means for guiding the electron beam comprise a wehnelt (12; 36) located in the vicinity of the cathode (3; 31) on the path of the beam of electrons (4).

5. X-ray generator according to claim 3, characterized in that the wehnelt (12) has openings so as to form a hollow electron beam (4).

6. X-ray generator according to one of the preceding claims, characterized in that the elementary surfaces form a surface of revolution.

7. X-ray generator according to claim 6, characterized in that the elementary surfaces form an internal frustoconical surface (7).

8. X-ray generator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the elementary surfaces form an outer toric surface (20).

9. X-ray generator according to one of the preceding claims, characterized in that the X-ray focuses substantially around a point (10; 24,28) and in that it comprises means for modifying the position of said point (24,28).

10. X-ray generator according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an outlet window (10; 35) allowing only part of the X-ray radiation to exit the tube (2).

11. X-ray generator according to claim 10, characterized in that the outlet window (10; 35) forms a wall of the tube (2)

12. X-ray generator according to any one of claims 10 or 11 as a dependent claim of claim 9, characterized in that the means for modifying the position of said point (24,28) move the exit window (10 ; 35).

13. X-ray generator according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises means (29) for varying the path of the electron beam.