FR2926668A1 - Source d'electrons a base d'emetteurs de champs pour radiographie multipoint. - Google Patents

Abstract

Générateur de rayons X multipoint, comprenant une pluralité de générateurs (10) d'électrons. Chaque générateur (10) d'électrons comporte un élément d'émission (26) pour émettre un faisceau (28) d'électrons, une grille maillée (32) adjacenteà chaque élément d'émission (26) pour renforcer un champ électrique sur une surface de l'élément d'émission (26), et un élément de concentration (34) disposé de manière à recevoir le faisceau (28) d'électrons émis par chacun des éléments d'émission (26) et à concentrer le faisceau (28) d'électrons pour former un foyer (39) sur une anode cible blindée (38, 40), la structure de l'anode cible blindée (38, 40) produisant un réseau de foyers (39) de rayons X lorsque viennent la frapper des faisceaux (28) d'électrons générés par la pluralité de générateurs (10) d'électrons. La pluralité de générateurs (10) d'électrons sont organisés de manière à former une matrice de générateurs d'électrons qui comporte des connexions d'activation connectées électriquement à la pluralité de générateurs (10) d'électrons, chaque générateur (10) d'électrons étant connecté à une paire des connexions d'activation pour en recevoir un potentiel électrique.

Description

B08-5031FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY SOURCE D'ELECTRONS A BASE D'EMETTEURS DE CHAMPS POUR RADIOGRAPHIE MULTIPOINT Invention de : ZOU Yun VERMILYEA Mark E. INZINNA Louis Paul NECULAES Vasile Bogdan PRICE John Scott CAO Yang CAIAFA Antonio Prriorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 21 janvier 2007 sous le n° 12/017.098

2 SOURCE D'ELECTRONS A BASE D'EMETTEURS DE CHAMPS POUR RADIOGRAPHIE MULTIPOINT

La présente invention concerne de façon générale des émetteurs d'électrons du type à champ et, plus particulièrement, un système pour limiter les effets de formation d'arcs électriques dans des réseaux d'émetteurs d'électrons du type à champ, concentrer un faisceau d'électrons généré par l'émetteur et commander des émetteurs individuels d'un réseau d'émetteurs. Un dispositif d'émission de champ comprend un moyen de protection et de concentration qui sert à limiter le plus possible la dégradation du faisceau d'électrons et à permettre la concentration du faisceau d'électrons en un point de dimensions voulues. Il est proposé un système de commande qui permet de commander individuellement des dispositifs d'émission de champ d'un réseau avec un nombre minimal de voies de commande. Des émissions d'électrons dans des réseaux d'émetteurs d'électrons du type à champ sont produites conformément à la théorie de Fowler-Nordheim établissant une relation entre la densité du courant d'émission de champ d'une surface métallique propre et le champ électrique sur la surface. La plupart des réseaux d'émetteurs d'électrons du type à champ comprennent un réseau composé de nombreux dispositifs d'émission de champs. Les réseaux d'émetteurs peuvent être fabriqués à l'aide de micro-ou de nanotechnologies afin de contenir des dizaines de milliers de dispositifs d'émission sur une seule puce. Chaque dispositif d'émission, lorsqu'il est convenablement excité, peut émettre un faisceau ou un courant d'électrons depuis le bout du dispositif d'émission. Les réseaux d'émetteurs de champs ont de nombreuses applications, dont l'une concerne les dispositifs d'affichage à émetteurs de champs, qui peuvent se présenter sous la forme d'un écran d'affichage plat. De plus, les réseaux d'émetteurs de champs peuvent avoir des applications comme source d'électrons dans des tubes hyperfréquences, des tubes radiogènes et autres dispositifs micro électroniques. Les dispositifs d'émission de champs émettant des électrons peuvent eux- mêmes se présenter sous un certain nombre de formes, par exemple un émetteur du type "Spindt". En fonctionnement, une tension de commande est appliquée à une électrode de déblocage et à un substrat pour créer un champ électrique puissant et extraire des électrons d'un élément d'émission placé sur le substrat. Ordinairement, la couche de grille est commune à tous les dispositifs d'émission d'un réseau d'émetteurs et fournit la même tension de commande ou d'émission au réseau entier.

3 Dans certains émetteurs Spindt, la tension de commande peut être d'environ 100 V. D'autres types d'émetteurs peuvent comporter des pointes ou cônes en métal réfractaire, en carbure, en diamant ou en silicium, des nanotubes de silicium/carbone, des nanofils métalliques ou des nanotubes de carbone.

A présent, on ne connaît pas de réseaux d'émetteurs de champs suffisamment robustes pour servir dans plusieurs applications industrielles potentielles, notamment pour servir dans des tubes radiogènes. Bien des types de réseaux d'émetteurs existants sont sujets à des pannes et à une usure du fait de la formation d'arcs électriques. Des arcs électriques peuvent être plus susceptibles de se former dans des environnements de vide peu poussé qui existent dans de nombreux tubes radiogènes. Le plus couramment, une surtension appliquée à la couche de grille du dispositif d'émission peut provoquer la formation d'un arc entre la couche de grille et l'élément d'émission, en permettant le passage d'un courant en court-circuit depuis la couche de grille jusqu'au substrat via l'élément d'émission. Un autre type de formation d'arc est appelé claquage d'isolant, dans lequel une surtension appliquée à la couche de grille peut provoquer un claquage d'une couche isolante disposée entre la couche de grille et le substrat, ce qui permet au courant de se frayer un passage et de créer un court-circuit entre la couche de grille et le substrat. L'arc peut aussi passer sur la surface de la couche isolante, ce qui aboutit à ce qu'on appelle un "contournement". Quand un émetteur d'un réseau d'émetteurs subit une formation d'arc sous l'une ou l'autre forme, ou "claque", la couche isolante n'est plus à même de supporter une tension ou une polarisation électrique suffisante pour que l'émission d'électrons se poursuive dans les autres émetteurs du réseau. De plus, les fortes températures produites par le courant de court-circuit peuvent provoquer une usure ou un endommagement de l'émetteur ainsi que d'émetteurs voisins. Ainsi, un arc sur un seul émetteur peut affecter le fonctionnement de tout le réseau d'émetteurs. Par conséquent, il serait souhaitable de disposer d'un système et d'un procédé qui protègent un réseau d'émetteurs contre les effets de la formation d'arcs.

Utilisés comme source d'électrons dans une application sous la forme d'un tube radiogène, les réseaux d'émetteurs de champs créent des difficultés supplémentaires au-delà de celles associées au claquage. Par exemple, certains mécanismes employés pour les besoins en tension les plus faibles afin d'extraire de la cathode un faisceau d'électrons, par exemple une structure de grille, risquent d'aggraver la baisse de qualité du faisceau d'électrons. L'émittance accrue d'un

4 faisceau empêche le faisceau d'électrons de se concentrer en un petit foyer utilisable sur l'anode. De la sorte, le problème de la baisse de qualité du faisceau d'électrons reste à résoudre dans les types actuels d'émetteurs de champs. Un autre problème posé par les conceptions actuelles de réseaux d'émetteurs de champs est que chacun des émetteurs du réseau est sollicité tour à tour via une ligne de polarisation ou d'activation correspondante et suivant une périodicité appropriée. En raison du grand nombre d'éléments d'émission dans un réseau habituel, il peut exister un nombre tout aussi grand de lignes et connexions d'activation correspondantes. Les très nombreuses lignes d'activation ont besoin de traverser la chambre à vide du tube radiogène pour alimenter les éléments d'émission, ce qui nécessite donc un grand nombre de traversées sous vide. Un inévitable débit de fuite est associé à tout dispositif de traversée, ce qui risque d'aboutir, dans le tube, à des niveaux de pression de gaz capables d'inhiber le fonctionnement des éléments d'émission et leur aptitude à générer des électrons.

Ainsi il existe un besoin de système qui protège les éléments d'émission d'un réseau d'émetteurs contre les effets de la formation d'arcs. Il serait également souhaitable d'avoir un système pour commander les éléments d'émission qui réduise le nombre de lignes d'activation et de conduits de traversées.

Des formes de réalisation de l'invention suppriment les inconvénients précités en proposant un dispositif d'émission de champ qui assure une faible extraction de tension et une amélioration de la concentration des faisceaux. Le dispositif d'émission de champ comporte un moyen de protection et de concentration qui sert à limiter le plus possible la dégradation du faisceau d'électrons et à permettre une concentration du faisceau d'électrons sous la forme d'un point de dimensions voulues. Un moyen de commande est aussi prévu pour commander une pluralité de dispositifs d'émission de champs dans un réseau à nombre minime de connexions d'activation. Selon un premier aspect de l'invention, un générateur de rayons X multipoint comprend une pluralité de générateurs d'électrons agencés pour former une matrice de générateurs d'électrons, la matrice de générateurs d'électrons comportant des connexions d'activation connectées électriquement à la pluralité de générateurs d'électrons, chaque générateur d'électrons étant connecté à une paire des connexions d'activation pour en recevoir un potentiel électrique. Chaque générateur d'électrons comporte en outre un élément d'émission conçu pour émettre un faisceau d'électrons, une grille maillée disposée au voisinage immédiat de chaque élément d'émission pour renforcer un champ électrique sur une surface de l'élément d'émission et un élément de concentration disposé pour recevoir le faisceau d'électrons de chacun des éléments d'émission et concentrer le faisceau d'électrons 5 afin de former un foyer sur l'anode cible. Le générateur de rayons X multipoint comprend aussi une anode cible conçue pour produire une série de foyers de rayons X permettant la création d'une image tomodensitométrique d'un objet lorsqu'elle est frappée par une pluralité de faisceaux d'électrons générés par la pluralité de générateurs d'électrons, et un blindage d'anode disposé autour de l'anode cible afin de to capturer des ions de rétrobombardement issus de l'anode cible. Selon un autre aspect de l'invention, un tube radiogène comprend un boîtier renfermant une chambre hermétique sous vide et une cible globalement située à une première extrémité de la chambre et conçue pour produire un réseau de foyers de rayons X permettant la création d'une image tomodensitométrique d'un objet 15 lorsqu'elle est frappée par une pluralité de faisceaux d'électrons. Le générateur de rayons X multipoint comprend aussi un blindage de cible logeant la cible et conçu pour piéger dans celui-ci des ions générés par l'interaction de la pluralité de faisceaux d'électrons et de la cible et pour intercepter des électrons rétrodiffusés, et un réseau d'émetteurs de champs globalement situé à une seconde extrémité de la chambre pour 20 générer la pluralité de faisceaux d'électrons vers la cible, le réseau d'émetteurs de champs comprenant une pluralité de dispositifs d'émission de champs connectés dans celui-ci. Chaque dispositif de la pluralité de dispositifs d'émission de champs comporte en outre un substrat, un élément d'émission disposé sur le substrat et conçu pour générer un faisceau d'électrons et une électrode d'extraction disposée au 25 voisinage immédiat de l'élément d'émission afin d'en extraire le faisceau d'électrons, une ouverture étant ménagée dans l'électrode d'extraction. Chaque dispositif d'émission de champ comprend aussi une grille métallique disposée dans l'ouverture de l'électrode d'extraction afin d'accroître l'intensité et l'uniformité d'un champ électrique sur une surface de l'élément d'émission et une électrode de concentration 30 placée entre l'élément d'émission et la cible afin de concentrer le faisceau d'électrons lorsqu'il traverse celle-ci. Selon encore un autre aspect de l'invention, une source de rayons X répartie pour un système d'imagerie comprend une pluralité d'émetteurs de champs conçus pour générer au moins un faisceau d'électrons et une anode blindée disposée sur un 35 trajet du/des faisceaux d'électrons et conçue pour émettre un faisceau d'énergie

6 électromagnétique à haute fréquence conditionnée pour servir dans un processus de tomodensitométrie lorsque le faisceau d'électrons vient la frapper. Chaque émetteur de la pluralité d'émetteurs de champs comprend un élément d'émission à nanotubes en carbone (NTC) et une électrode de grille pour extraire le faisceau d'électrons de l'élément d'émission à NTC, l'électrode de grille comporte une grille maillée placée sur le trajet du faisceau d'électrons. Chacun des émetteurs de champs comprend en outre un moyen pour supprimer le contournement par décharge en surface à proximité de l'élément d'émission à NTC et un moyen pour concentrer le faisceau d'électrons afin de former un foyer sur l'anode blindée.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif d'émission de champ et d'une anode cible selon une forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 2 est une vue schématique d'une anode cible et d'un blindage d'anode selon une forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 3 est une vue partielle en coupe transversale d'un dispositif d'émission de champ selon une forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 4 est une vue partielle en coupe transversale d'un dispositif d'émission de champ selon une autre forme de réalisation de la présente invention ; la fig. 5 est une vue en coupe transversale d'un dispositif d'émission de champ et d'une anode cible selon une autre forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 6 est une vue en coupe transversale d'un dispositif d'émission de champ et d'une anode cible selon une autre forme de réalisation de la présente invention ; la fig. 7 est une vue de dessus d'une électrode de concentration selon une forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 8 est une vue figurative d'un réseau d'émetteurs de champs selon une forme de réalisation de la présente invention ; la fig. 9 est une vue schématique d'une source de rayons X selon une forme de réalisation de la présente invention ;

7 la fig. 10 est une vue en perspective d'un système d'imagerie tomodensitométrique mettant en oeuvre une forme de réalisation de la présente invention ; et la Fig. 11 est un schéma de principe du système illustré sur la Fig. 10.

L'environnement de fonctionnement de formes de réalisation de l'invention est décrit en référence à une source ou un générateur de rayons X qui comprend une cathode à base d'émetteur de champ et/ou un réseau de tels émetteurs de champs. Ainsi, les moyens de protection, de concentration et d'activation de l'invention sont décrits comme étant prévus pour une source de rayons X à base d'émetteur de champ. Cependant, les spécialistes de la technique comprendront que des formes de réalisation de l'invention pour ces moyens de protection, de concentration et d'activation s'appliquent tout aussi bien à une utilisation avec d'autres technologies de cathodes, notamment des cathodes dispensatrices et autres cathodes thermoélectroniques. On décrira l'invention en référence à un dispositif d'émission de champ et à des réseaux de tels émetteurs de champ, mais elle est tout aussi applicable avec d'autres structures à cathodes froides et/ou à cathodes thermoélectroniques. Considérant la Fig. 1, il y est représenté une vue en coupe transversale d'un seul générateur 10 d'électrons selon une forme de réalisation de l'invention. Comme on l'expliquera plus en détail par la suite, dans une forme de réalisation le générateur 10 d'électrons est un émetteur de champ à cathode froide, à nanotubes de carbone (NTC), bien qu'il soit entendu que les caractéristiques et adaptations décrites ici peuvent aussi s'appliquer à d'autres types d'émetteurs de champs, tels que des émetteurs de type Spindt, ou d'autres générateurs d'électrons du type à cathodes thermoélectroniques ou à cathodes dispensatrices. Comme représenté sur la Fig. 1, un générateur d'électrons comprend un dispositif 10 d'émission de champ ayant une couche de base ou de substrat 12 constituée de préférence d'un matériau conducteur ou semiconducteur tel qu'une substance à base de silicium dopé, ou de cuivre ou d'acier inoxydable. Par conséquent, la couche de substrat 12 est de préférence rigide.

Un film diélectrique 14 est formé ou déposé sur le substrat 12 pour séparer de celui-ci une couche isolante 16 (à savoir une couche de séparation en céramique). De préférence, le film diélectrique 14 est constitué d'une substance non-conductrice ou d'une substance à très grande résistance électrique telle que le dioxyde de silicium (SiO2) ou le nitrure de silicium (Si3N4), ou de quelque autre matière ayant des propriétés diélectriques similaires. Un conduit ou une ouverture 18 est formé dans un

8 film diélectrique 14, par l'un quelconque de plusieurs procédés connus de fabrication par voie chimique ou par attaque. La couche de substrat 12 est placée avec précision sur la couche isolante 16 qui, dans une forme de réalisation, est un élément d'espacement en céramique ayant des propriétés d'isolation voulues ainsi que des propriétés de compression pour absorber des charges provoquées par le mouvement du dispositif d'émission de champ (par exemple, quand le dispositif d'émission de champ fait partie d'une source de rayons X qui tourne autour d'un portique pour tomodensitométrie). La couche isolante 16 sert à séparer la couche de substrat d'avec une électrode d'extraction 20 (c'est-à-dire une électrode de grille, une couche de grille), de façon qu'un potentiel électrique puisse être appliqué entre l'électrode d'extraction 20 et le substrat 12. Un conduit ou une cavité 22 est formé dans la couche isolante 16, et une ouverture correspondante 24 est formée dans l'électrode d'extraction 20. Comme représenté, l'ouverture 24 recouvre sensiblement la cavité 22. Dans d'autres formes de réalisation, la cavité 22 et l'ouverture 24 peuvent avoir approximativement le même diamètre, ou la cavité peut être plus étroite que l'ouverture 24 de l'électrode d'extraction 20 sous forme de couche de grille. Un élément d'émission 26 d'électrons est disposé dans la cavité 22 et est assujetti à la couche de substrat 12. L'interaction d'un champ électrique dans l'ouverture 22 (créé par l'électrode d'extraction 20) avec l'élément d'émission 26 génère un faisceau 28 d'électrons pouvant servir pour diverses fonctions quand une tension de commande est appliquée à l'élément d'émission 26 par l'intermédiaire du substrat 12. Dans une forme de réalisation, l'élément d'émission 26 est un émetteur à base nanotubes de carbone ; cependant, il est envisagé que le système et le procédé décrits ici puissent aussi s'appliquer à des émetteurs constitués de plusieurs autres matières et ayant d'autres formes utilisées dans des émetteurs du type à champ. Comme représenté sur la Fig. 1, le morceau de céramique formant la couche isolante 16 est constitué de manière à avoir un dispositif pour supprimer le contournement par décharge sur la surface du morceau de céramique. Dans une forme de réalisation, la couche isolante 16 est constituée de manière à avoir un ou plusieurs gradins 30 autour de la cavité 22. La configuration étagée 30 de l'élément d'espacement en céramique 16 autour de la cavité 22 contribue à supprimer le contournement par décharge en surface et à protéger l'élément d'émission 26. Il est envisagé que l'élément d'émission 26 puisse être davantage protégé en accroissant l'épaisseur de la couche isolante 16 pour enfouir davantage l'élément d'émission 26

9 dans la cavité 22. D'autres procédés pour améliorer la capacité de tenue en tension de l'élément d'espacement en céramique sont également envisagés et comprennent l'application, sur l'élément d'espacement, d'un revêtement émettant des électrons secondaire à faible énergie ou le prétraitement de la surface de l'élément d'espacement avec un plasma à basse pression sous haute fréquence sous un gaz inerte. Toujours en référence à la Fig. 1, une grille maillée 32 est placée entre la cavité 22 et l'ouverture 24 respectivement de la couche isolante 16 et de l'électrode d'extraction 20. Cela place la grille maillée 32 à proximité de l'élément d'émission 26 pour réduire la tension nécessaire afin d'extraire le faisceau 28 d'électrons de l'élément d'émission 26. Ainsi, pour l'efficacité de l'extraction, un intervalle entre la grille maillée 32 et l'élément d'émission 26 est maintenu à une valeur voulue (par exemple de 0,1 mm à 2 mm) afin de renforcer le champ électrique autour de l'élément d'émission 26 et de limiter le plus possible la tension totale d'extraction nécessaire pour extraire le faisceau 28 d'électrons. Le fait que la grille maillée 32 soit placée par-dessus la cavité 22 permet que soit appliquée à l'électrode d'extraction 20 une tension d'extraction d'environ 1 à 3 kV, en fonction de la distance entre la grille maillée 32 et l'élément d'émission 26. En réduisant dans une telle mesure la tension totale d'extraction, on améliore la stabilité en haute tension du dispositif d'émission de champ 10 et on rend forcément possible un plus grand courant d'émission dans le faisceau 28 d'électrons. La différence de potentiel entre l'élément d'émission 26 et l'électrode d'extraction 20 est très limitée afin de réduire l'instabilité en haute tension dans le dispositif d'émission 10 et de simplifier le besoin d'un type complexe de pilote/commande dans celui-ci.

Une électrode de concentration 34 est également incluse dans le dispositif d'émission de champ 10 et est placée au-dessus de l'électrode d'extraction 20 pour concentrer le faisceau 28 d'électrons lorsqu'il passe par une ouverture 36 ménagée dans celui-ci. Les dimensions de l'ouverture 36 et l'épaisseur de l'électrode de concentration 34 sont conçues de façon à pouvoir obtenir une compression maximale du faisceau d'électrons. Comme représenté sur la Fig. 1, l'électrode de concentration 34 est séparée de l'électrode d'extraction 20 par un second élément d'espacement en céramique 37. Une tension est appliquée à l'électrode de concentration pour concentrer le faisceau 28 d'électrons à l'aide d'une force électrostatique de sorte que le faisceau 28 d'électrons soit concentré afin de former un foyer voulu 39 sur une anode cible 38. De plus, l'électrode de concentration 34 est conçue de façon à

10 protéger l'élément d'émission 26 contre un claquage sous haute tension. Ainsi, l'électrode de concentration 34 contribue à empêcher un claquage électrique de l'élément d'émission 26, du film diélectrique et de la couche isolante 16 et à éviter la formation, à travers ces composants, d'une étincelle électrique ou d'un arc électrique (c'est-à-dire un contournement), lesquels, pour partie, peuvent résulter d'un rétrobombardement par des ions depuis l'anode cible 38, comme expliqué plus en détail ci-après. Comme indiqué ci-dessus, l'électrode de concentration 34 sert à concentrer le faisceau 28 d'électrons en un foyer voulu 39 sur l'anode cible 38. Comme représenté sur la Fig. 1, l'anode cible 38 est logé dans un blindage 40 d'anode disposé autour de celle-ci. Le blindage 40 d'anode comporte une ouverture 42 dans celui-ci pour permettre au faisceau 28 d'électrons de traverser le blindage 40 d'anode et de frapper l'anode cible 38. A l'instant où le faisceau 28 d'électrons frappe l'anode cible 38, des ions sont générés par ionisation de gaz désorbés. Comme, de préférence, l'élément d'émission 26 est amené à fonctionner au potentiel de terre et l'anode cible 38 est amenée à fonctionner au potentiel de tension complet, ces ions positifs cherchent à revenir vers l'élément d'émission 26, ce qui risque d'endommager l'élément d'émission 26. Le blindage 40 d'anode sert à piéger les ions générés depuis l'anode cible 38, en empêchant ainsi un rétrobombardement de l'élément d'émission 26. Le rétrobombardement par des ions peut aussi déclencher la formation d'arcs haute tension entre l'émetteur de champ et l'anode à haut potentiel. Par conséquent, la mise en place du blindage 40 d'anode autour de l'anode cible 38 peut aussi améliorer la stabilité en haute tension du dispositif d'émission de champ 10 en empêchant la formation d'arcs haute tension.

Le blindage 40 d'anode peut aussi intercepter des électrons rétrodiffusés depuis la surface de l'anode. Sans ce blindage, la plupart de ces électrons rétrodiffusés quittent la surface de la cible avec une forte proportion de leur énergie cinétique d'origine et reviendront à l'anode à quelque distance du foyer en produisant une irradiation hors foyer. Par conséquent, le blindage 40 d'anode peut améliorer la qualité de l'image en réduisant l'irradiation hors foyer. L'interception, à l'aide du blindage 40 d'anode, des électrons rétrodiffusés peut également améliorer la gestion thermique de la cible en les empêchant de frapper en retour la cible. Ce blindage 40 d'anode peut être refroidi par un liquide. Le blindage 40 d'anode peut aussi être constitué de façon à arrêter partiellement les rayons X en revêtant l'anode d'un matériau 44 à z élevé (c'est-à-dire

11 un matériau à numéro atomique élevé, tel que le tungstène) sur une surface interne du blindage 40 d'anode. La mise en place du blindage 40 d'anode autour de l'anode cible 38 peut également améliorer la stabilité en haute tension du dispositif d'émission de champ 10 et contribuer à empêcher la formation d'arcs haute tension. Comme le blindage 40 de la cible est disposé tout près de l'anode cible 38, il est possible de réduire la quantité de matériau nécessaire pour arrêter les rayons X, en réduisant ainsi le poids total d'une source de rayons X (représenté sur les figures 10 et 11) en intégrant le dispositif d'émission de champ 10 et l'anode cible 38 et en permettant la mise en place de la source de rayons X sur un portique tournant pour tomodensitométrie (représenté sur les figures 10 et 11). Comme représenté sur la Fig. 2, dans une autre forme de réalisation, l'anode cible 38 est polarisée par rapport au blindage 40 d'anode pour améliorer le piégeage d'ions. Ainsi, les ions générés à l'instant ou le faisceau 28 d'électrons frappe l'anode cible 38 sont déviés obliquement par rapport au faisceau d'électrons arrivant 28 et à l'ouverture 42, en empêchant ainsi une majorité des ions de s'échapper du blindage 40 d'anode. L'anode cible 38 peut être inclinée de façon que le faisceau 28 d'électrons frappe l'anode cible 38 avec un angle d'incidence d'environ 10 à 90 degrés. Ainsi,, par exemple, l'anode cible peut être inclinée d'une vingtaine de degrés par rapport à la trajectoire du faisceau 28 d'électrons pour permettre une déviation adéquate des ions générés. Les rayons X générés par le faisceau d'électrons frappant l'anode cible sortent du blindage 40 d'anode à travers un hublot 46. Considérant maintenant la Fig. 3, dans une autre forme de réalisation, l'élément d'émission 26 est composé d'une pluralité de macro-émetteurs 48. Comme représenté sur la Fig. 3, les macro-émetteurs 48 sont composés d'une pluralité de nanotubes de carbone (NTC) 50. Pour réduire l'atténuation du faisceau 28 d'électrons provoquée par le choc d'électrons contre la grille maillée 32, les NTC 50 sont organisés en multiples réseaux 52 de NTC alignés avec des ouvertures 54 de la grille maillée 32. L'alignement des réseaux de NTC avec les ouvertures 54 de la grille maillée 32, il est possible de réduire presque à zéro, selon la structure de la grille maillée, l'interception du courant de faisceau dans le faisceau 28 d'électrons. Par ailleurs, en alignant les réseaux 52 de NTC avec les ouvertures 54, une proportion sensiblement plus grande d'électrons traversent la grille maillée 32 en accroissant ainsi le courant total d'émission de faisceau et en permettant une concentration optimale du faisceau 28 d'électrons pour former un foyer voulu, comme expliqué plus haut. La réduction de l'interception d'électrons par la grille réduit également le

12 chauffage de la grille en améliorant ainsi la durée de vie de la grille. En outre, la réduction de l'interception d'électrons sur la grille allège aussi la charge sur les circuits d'excitation (non représenté). Dans une autre forme de réalisation, et comme représenté sur la Fig. 4, le dispositif d'émission de champ 10 est doté d'une configuration courbe pour accroître encore la capacité de concentration. Le dispositif d'émission de champ 10 est représenté sur la vue partielle en coupe transversale pour illustrer une courbure 58 de celui-ci. Comme représenté, une couche de substrat 60 et une électrode d'extraction/grille maillée 62 sont courbes de façon que les courants d'électrons 64 issus des multiples macro-émetteurs 48 aient tendance à converger. De préférence, la courbure 58 peut être concave et choisie pour provoquer une convergence ou une concentration voulue des faisceaux d'électrons sous la forme d'un foyer de dimensions voulues sur l'anode cible 38. Comme on le sait dans la technique, modifier la zone de l'anode 38 que vient frapper un courant d'électrons (c'est-à-dire le foyer 39) change des caractéristiques du faisceau de rayons X qui en résulte. Il est entendu que bien qu'un seul dispositif d'émission de champ 10 soit représenté, la courbure peut s'étendre sur de multiples rangées d'émetteurs d'un réseau (non représenté) d'émetteurs de champ et que ce réseau peut être incurvé dans plus d'une dimension.

Considérant maintenant les figures 5 à 7, l'électrode de concentration 34 y est représentée dans plusieurs formes de réalisation qui réalisent une concentration voulue du faisceau d'électrons dans le dispositif d'émission de champ 10. Comme représenté sur la Fig. 5, dans une forme de réalisation, l'électrode de concentration 34 comporte une ouverture oblique 66 formée dans l'électrode pour assurer un angle de concentration pour le faisceau 28 d'électrons. L'ouverture 66 peut être oblique suivant l'angle de Pierce (c'est-à-dire 67,5 degrés) ou d'autres angles adéquats pour réaliser la concentration voulue du faisceau d'électrons. De plus, l'ouverture 42 dans le blindage 40 d'anode peut être formée de manière à avoir un angle de concentration 68 pour encore améliorer la concentration du faisceau d'électrons.

Dans une autre forme de réalisation, et comme représenté sur la Fig. 6, l'électrode de concentration comporte une lentille d'Einzel 70. La lentille d'Einzel 70 est constituée de trois électrodes 72, 74, 76, les deux électrodes extérieures 72, 74 ayant un premier potentiel et l'électrode du milieu 72 ayant un second potentiel, différent. Les trois électrodes 72, 74, 76 ont chacune une forme cylindrique ou parallélépipédique et sont disposées en série sur un axe correspondant à la trajectoire

13 du faisceau 28 d'électrons. Les électrodes 72, 74, 76 manipulent le champ électrique pour dévier le faisceau 28 d'électrons lorsqu'il le traverse. Les électrodes 72, 74, 76 sont symétriques, aussi le faisceau 28 d'électrons retrouvera-t-il sa vitesse initiale en sortant de la lentille d'Einzel 70, bien que la vélocité des particules extérieures dans le faisceau d'électrons soit modifiée de manière à converger sur l'axe/la trajectoire de propagation du faisceau 28 d'électrons, en concentrant ainsi le faisceau. Bien que la lentille d'Einzel 70 soit représentée comme étant constituée de trois électrodes 72, 74, 76, il est également envisagé que des électrodes supplémentaires puissent être utilisées. En outre, une variante de la lentille d'Einzel pourrait aussi utiliser une tension asymétrique sur les première et troisième électrodes. Pour certaines applications poussées en tomodensitométrie, il est souhaitable d'avoir une capacité de wobulation du faisceau d'électrons. Ainsi, comme représenté dans la forme de réalisation de la Fig. 7, l'électrode de concentration est conçue sous la forme d'une lentille fendue 78 comportant quatre segments 80, 82, 84, 86. A chaque segment 80, 82, 84, 86 est appliquée une tension différente (V1, V2, V3, V4) afin de former un champ bipolaire et quadripolaire combiné. La composante dipolaire du champ sert à provoquer la wobulation du faisceau 28 d'électrons et la composante quadripolaire du champ sert à la correction de la forme du faisceau d'électrons pendant la wobulation. L'angle de la fente entre les segments 80, 82, 84, 86 de la lentille fendue 78 et la tension appliquée à chaque segment pendant la concentration/mise en forme du faisceau peuvent être choisis de manière à réaliser une concentration/mise en forme optimales du faisceau 28 d'électrons. Bien qu'un seul dispositif d'émission de champ 10 soit représenté sur les figures 1 à 7, une pluralité de dispositifs d'émission de champs 10 peuvent être organisés en matrice pour former un réseau 88 d'émetteurs de champs (c'est-à-dire une matrice de générateurs d'électrons), en réalisant ainsi une source d'électrons (et de multiples emplacements de sources de faisceaux d'électrons) pour une source 90 de rayons X multipoint (c'est-à-dire une source de rayons X répartie). Considérant maintenant la Fig. 8, un réseau 88 d'émetteurs de champs est représenté sous la forme d'une source 90 de rayons X à neuf points multiples ; cependant, il est entendu que le nombre de dispositifs d'émission de champs 10, et donc les dimensions du réseau 88 d'émetteurs de champs, peuvent varier selon l'application. Neuf dispositifs d'émission de champs 10 sont organisés en réseau 3 x 3. Les dispositifs d'émission de champs 10 peuvent être activés et arrêtés sélectivement afin de former les faisceaux d'électrons (non représenté). Les dispositifs d'émission de champs 10 peuvent être activés de

14 manière arbitraire ou aléatoire afin d'améliorer la qualité de l'image. Les faisceaux d'électrons sont émis depuis les dispositifs d'émission de champs 10 et sont dirigés vers une anode cible (non représenté). Le réseau 88 d'émetteurs de champs a trois rangées, désignées par X, Y et Z, et trois colonnes, désignées par A, B et C. Les dispositifs d'émission de champs 10 sont activés ou sollicités par six connexions d'activation 92, qui sont partagées entre les dispositifs d'émission de champs 10. On notera que chaque dispositif d'émission de champ 10 a deux connexions d'activation associées 92, une depuis les rangées X à Z et une depuis les colonnes A à C. Ainsi, pour un réseau 88 d'émetteurs de champs ainsi agencé, avec N rangées et N colonnes ou N2 éléments, il y a 2N (à savoir N+N) connexions d'activation 92. Selon un autre exemple, un réseau de 900 émetteurs ainsi agencé utiliserait 60 connexions d'activation. Les connexions d'activation 92 peuvent être considérées comme 60 lignes de traversées sous vide. Chaque connexion d'activation 92 correspondant à une rangée X à z de dispositifs d'émission de champs 10 fournit une tension d'émission à un élément d'émission (cf. Fig. 1) dans chaque dispositif d'émission de champ 10 de la rangée. Chaque connexion d'activation 92 correspondant à une colonne A à c de dispositifs d'émission de champs 10 fournit une tension d'extraction à une électrode d'extraction (cf. Fig. 1) dans chaque dispositif d'émission de champ 10 de la colonne. La tension dans l'électrode d'extraction et celle dans l'élément d'émission de chaque dispositif d'émission de champ 10 peuvent être commandées de façon indépendante pour devenir "Haute" et "Basse". Ainsi, par exemple, pour adresser un dispositif d'émission de champ spécifique 94, une première rangée spécifique X d'émetteurs contenant le dispositif d'émission spécifié 94 est mise en tension Basse et les autres rangées Y et Z d'émetteurs sont mises en tension Haute. La colonne d'extraction C contenant le dispositif démission spécifié 94 est alors mise en tension Haute et les colonnes d'extraction restantes A et B sont mises en tension Basse, ce qui aboutit à l'adressage du dispositif d'émission de champ spécifique 94. En plus de la commande indépendante des tensions Haute et Basse dans chaque rangée et colonne, les tensions Haute et Basse elles-mêmes appliquées à chaque dispositif d'émission de champ 10 peuvent être commandées individuellement pour moduler le courant de faisceau d'électrons, ce qui est une caractéristique souhaitable pour des applications en tomodensitométrie. Outre les lignes d'activation 92 conçues pour appliquer une tension d'émission et une tension d'extraction à chaque dispositif d'émission de champ 10, il

15 est également envisagé qu'une paire de lignes de concentration communes (non représentées) puisse être couplée à chaque dispositif d'émission de champ 10 et à l'électrode de concentration présente dans celui-ci pour commander la largeur et la longueur du foyer généré par chaque dispositif d'émission de champ 10.

Considérant maintenant la Fig. 9, il y est représenté un tube radiogène 140 tel que celui pour un système de tomodensitométrie. Le tube radiogène 140 comprend principalement un ensemble de cathode 142 et un ensemble d'anode 144 logés dans un boîtier 146. L'ensemble d'anode 144 comprend un rotor 158 conçu pour faire tourner un disque rotatif 154 d'anode et un blindage 156 d'anode entourant le disque d'anode, comme on le sait dans la technique. Lorsqu'elle est frappée par un courant 162 d'électrons provenant de l'ensemble de cathode 142, l'anode 156 émet un faisceau 160 de rayons X. L'ensemble de cathode 142 comporte une source 148 d'électrons installée à l'aide d'une structure de support 150. La source 148 d'électrons comporte un réseau 152 d'émetteurs de champs afin de produire un courant 162 d'électrons primaires, comme décrit en détail plus haut. Par ailleurs, avec de multiples sources d'électrons, la cible n'a pas à être une source rotative. Au contraire, il est possible d'utiliser une cible fixe, le faisceau d'électrons étant déclenché successivement depuis de multiples cathodes. La cible fixe peut être refroidie directement par de l'huile, de l'eau ou un autre liquide approprié.

Considérant la Fig. 10, il y est représenté un système d'imagerie tomodensitométrique 210 comprenant un portique 212 représentatif d'un tomodensitomètre "de troisième génération". Le portique 212 comporte une source 214 de rayons X qui tourne autour de celui-ci et qui projette un faisceau de rayons X vers un ensemble de détection ou un collimateur 218 sur le côté opposé du portique 212. La source 214 de rayons X comporte un tube radiogène ayant une cathode à base d'émetteur de champ, construite comme dans n'importe laquelle des formes de réalisation décrites plus haut. Considérant maintenant la Fig. 11, l'ensemble de détection 218 est constitué d'une pluralité de détecteurs 220 et de systèmes d'acquisition de données (SAD) 232. La pluralité de détecteurs 220 détectent les rayons X projetés qui traversent un patient 222, et un SAD 232 convertit les données en signaux numériques pour la suite du traitement. Chaque détecteur 220 produit un signal électrique analogique qui représente l'intensité d'un faisceau de rayons X qui le frappe, et donc du faisceau atténué lorsqu'il traverse le patient 222. Pendant un balayage pour acquérir des données de projection de rayons X, le portique 212 et les pièces montées sur celui-ci tournent autour d'un centre de rotation 224.

16 La rotation du portique 212 et le fonctionnement de la source 214 de rayons X sont régis par un mécanisme de commande 226 du système de tomodensitométrie 210. Le mécanisme de commande 226 comprend un moyen de commande 228 de rayons X qui fournit des signaux d'alimentation électrique, de commande et de cadencement à la source 214 de rayons X et un moyen de commande 230 de moteur de portique qui commande la vitesse de rotation et la position du portique 12. De préférence, le moyen de commande 228 de rayons X est programmé pour tenir compte des propriétés d'amplification de faisceau d'électrons d'un tube radiogène selon l'invention lors de la détermination d'une tension à appliquer à la source 214 de rayons X à base d'émetteur de champ pour produire une intensité et un cadencement voulus du faisceau de rayons X. Un reconstructeur 234 d'image reçoit des SAD 232 des données radiographiques échantillonnées et numérisées et effectue une reconstruction à grande vitesse. L'image reconstruite est appliquée comme entrée à un ordinateur 236 qui stocke l'image dans un dispositif de stockage de masse 238.

L'ordinateur 236 reçoit aussi, d'un opérateur, des instructions et des paramètres de balayage par l'intermédiaire d'un pupitre 240 qui a une certaine forme d'interface opérateur telle qu'un clavier, une souris, une unité de commande à reconnaissance vocale ou tout autre dispositif d'entrée adéquat. Un écran d'affichage associé 242 permet à l'opérateur l'observer l'image reconstruite et d'autres données fournbis par l'ordinateur 236. Les instructions et les paramètres fournis à l'opérateur sont utilisés par l'ordinateur 236 pour produire des signaux de commande et des informations à la SAD 232, au moyen de commande 228 de rayons X et au moyen de commande 230 de moteur de portique. De plus, l'ordinateur 236 fait fonctionner un moyen de commande 244 de moteur de table qui commande une table motorisée 246 pour mettre en position le patient 222 et le portique 212. En particulier, la table 246 fait passer entièrement ou partiellement le patient 222 par une ouverture 248 du portique de la Fig. 9. Bien que la description porte sur un système de tomodensitométrie (CT) "de troisième génération" à soixante-quatre tranches, il est entendu pour les spécialistes de la technique que des formes de réalisation de l'invention peuvent tout aussi bien s'appliquer à une utilisation avec d'autres équipements d'imagerie tels que des systèmes à base de canons à électrons, des matériels d'imagerie par projection de rayons X, des systèmes d'examen de paquets, ainsi que d'autres agencements ou système de tomodensitométrie multitranche ou des systèmes de tomodensitométrie à géométrie inverse (IGCT). De plus, l'invention a été décrite en référence à la

17 production, la détection et/ou la conversion de rayons X. Cependant, un spécialiste de la technique comprendra que l'invention peut aussi s'appliquer à la production, la détection et/ou la conversion d'une autre énergie électromagnétique haute fréquence. Par conséquent, selon une forme de réalisation de l'invention, un générateur de rayons X multipoint comprend une pluralité de générateurs d'électrons agencés pour former une matrice de générateurs d'électrons, la matrice de générateurs d'électrons comportant des connexions d'activation connectées électriquement à la pluralité de générateurs d'électrons, chaque générateur d'électrons étant connecté à une paire des connexions d'activation pour en recevoir un potentiel électrique.

Chaque générateur d'électrons comprend en outre un élément d'émission conçu pour émettre un faisceau d'électrons, une grille maillée disposée au voisinage immédiat de chaque élément d'émission pour renforcer un champ électrique sur une surface de l'élément d'émission, et un élément de concentration placé de manière à recevoir le faisceau d'électrons émis par chacun des éléments d'émission et à focaliser le faisceau d'électrons pour former un foyer sur l'anode cible. Le générateur de rayons x multipoint comprend aussi une anode cible conçue pour produire un réseau de foyers de rayons X créant une image tomographique d'un objet lorsque viennent la frapper une pluralité de faisceaux d'électrons générés par la pluralité de générateurs d'électrons, et un blindage d'anode disposé autour de l'anode cible pour capturer les ions de rétrobombardement issus de l'anode cible. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, un tube radiogène comporte un boîtier renfermant une chambre hermétique sous vide et une cible située globalement à une première extrémité de la chambre et conçue pour produire un réseau de foyers de rayons X créant une image tomographique d'un objet lorsque viennent la frapper une pluralité de faisceaux d'électrons. Le générateur de rayons X multipoint comporte aussi un blindage de cible contenant la cible et conçu pour y piéger des ions générés par l'interaction de la pluralité de faisceaux d'électrons et de la cible et pour intercepter les électrons rétrodiffusés, et un réseau d'émetteurs de champs situés globalement à une seconde extrémité de la chambre pour générer la pluralité de faisceaux d'électrons et émettre la pluralité de faisceaux d'électrons vers la cible, le réseau d'émetteurs de champs comprenant une pluralité de dispositifs d'émission de champs connectés dans celui-ci. Chaque dispositif de la pluralité de dispositifs d'émission de champ comporte en outre un substrat, un élément d'émission disposé sur le substrat et conçu pour générer un faisceau d'électrons, et une électrode d'extraction disposée au voisinage immédiat de l'élément d'émission pour en extraire

18 le faisceau d'électrons, l'électrode d'extraction étant traversée par une ouverture. Chaque dispositif d'émission de champ comporte également une grille métallique disposée dans l'ouverture de l'électrode d'extraction pour accroître l'intensité et l'uniformité d'un champ électrique sur une surface de l'élément d'émission, et une électrode de concentration disposée entre l'élément d'émission et la cible pour concentrer le faisceau d'électrons lorsqu'il la traverse. Selon encore une autre forme de réalisation de l'invention, une source de rayons X répartie pour système d'imagerie comporte une pluralité d'émetteurs de champs conçus pour générer au moins un faisceau d'électrons et une anode blindée disposée sur un trajet du/des faisceaux d'électrons et conçue pour émettre un faisceau d'énergie électromagnétique haute fréquence conditionnée pour servir dans un processus d'imagerie tomodensitométrique lorsque le faisceau d'électrons la frappe. Chaque émetteur parmi la pluralité d'émetteurs de champs comporte un élément d'émission à nanotubes de carbone (NTC) et une électrode de grille pour extraire le faisceau d'électrons de l'élément d'émission à NTC, l'électrode de grille comportant une grille maillée disposée sur le trajet du faisceau d'électrons. Chacun des émetteurs de champs comporte en outre un moyen pour supprimer le contournement par décharge en surface à proximité de l'élément d'émission à NTC et un moyen pour concentrer le faisceau d'électrons afin de former un foyer sur l'anode blindée. 25 30

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Générateur de rayons X multipoint (90), comprenant : une pluralité de générateurs (10) d'électrons agencés pour former une matrice (88) de générateurs d'électrons, la matrice (88) de générateurs d'électrons comportant des connexions d'activation (92) connectées électriquement à la pluralité de générateurs (10) d'électrons, chaque générateur (10) d'électrons étant connecté à une paire des connexions d'activation (92) pour en recevoir un potentiel électrique ; une anode cible (38) conçue pour produire un réseau de foyers (39) de rayons X créant une image tomographique d'un objet lorsqu'elle est frappée par une pluralité de faisceaux (28) d'électrons générés par la pluralité de générateurs (10) d'électrons ; un blindage (40) d'anode disposé autour de l'anode cible (38) pour capturer des ions de rétrobombardement issus de l'anode cible (38) ; et dans lequel chaque générateur (10) d'électrons comporte en outre : un élément d'émission (26) conçu pour émettre un faisceau (28) d'électrons ; une grille maillée (32) disposée au voisinage immédiat de chaque élément d'émission (26) pour renforcer un champ électrique sur une surface de l'élément d'émission (26) ; et un élément de concentration (34) disposé de manière à recevoir le faisceau (28) d'électrons émis par l'élément d'émission (26) et à concentrer le faisceau (28) d'électrons pour former un foyer (39) sur l'anode cible (38).

2. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 1, dans lequel chaque générateur (10) d'électrons comporte en outre : une couche isolante (16) adjacente à la couche de substrat (12), la couche isolante (16) renfermant une cavité (22) pour recevoir l'élément d'émission (26) et étant conçue pour supprimer le contournement autour de la surface de l'élément d'émission (26).

3. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 2, dans lequel la couche de substrat (12) comporte en outre une surface supérieure portant un film (14) de dioxyde de silicium (SiO2), le film (14) de dioxyde de silicium contenant un intervalle (18) pour permettre la mise en place de l'élément d'émission (16) sur la surface supérieure du substrat (12). 19 20

4. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 2, dans lequel la couche isolante (16) consiste en un élément d'espacement en céramique (16) à configuration étagée (30).

5. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 2, dans lequel l'élément d'émission (26) consiste en un émetteur de champ à nanotubes de carbone (NTC), l'émetteur de champ à NTC comportant une pluralité de groupes (52) de NTC agencés pour s'aligner avec des ouvertures (54) ménagées dans la grille maillée (32).

6. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 5, dans lequel le substrat (60) est courbe pour accroître la convergence du faisceau (64) d'électrons généré par la pluralité de groupes (52) de NTC.

7. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 1, dans lequel l'anode cible (38) est amenée à fonctionner à une tension polarisée par rapport aux générateurs (10) d'électrons.

8. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 1, dans lequel l'élément de concentration (34) comporte en outre une lentille de concentration oblique (66) ou une lentille d'Einzel (70).

9. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 1, dans lequel l'élément de concentration (34) est constitué d'un premier morceau (80) ayant une première tension, d'un deuxième morceau (82) ayant une deuxième tension, d'un troisième morceau (84) ayant une troisième tension et d'un quatrième morceau (86) ayant une quatrième tension, et dans lequel le premier morceau (80), le deuxième morceau (82), le troisième morceau (84) et le quatrième morceau (86) forment un composant dipolaire conçu pour réaliser une wobulation du faisceau d'électrons et dans lequel le premier morceau (80), le deuxième morceau (82), le troisième morceau (84) et le quatrième morceau (86) forment un composant quadripolaire conçu pour réaliser une correction de forme de faisceau pendant la wobulation du faisceau d'électrons.

10. Générateur de rayons X multipoint (90) selon la revendication 1, dans lequel les connexions d'activation (92) sont connectées électriquement à la pluralité de générateurs (10) d'électrons pour former une pluralité d'interconnexions (A, B, C, X, Y, Z) de rangées et de colonnes qui définissent un emplacement d'adresse respectif pour chaque générateur (10) d'électrons de la matrice (88) de générateurs d'électrons ; et 21 dans lequel la pluralité de connexions d'activation (92) connectées électriquement à la pluralité de générateurs (10) d'électrons sont conçues pour accéder à chaque emplacement d'adresse afin d'activer de manière indépendante un générateur (10) d'électrons ou d'activer successivement une pluralité de générateurs (10) d'électrons de manière à émettre des faisceaux (28) d'électrons depuis celui-ci ou ceux-ci.