FR2926924A1 - Source radiogene comprenant au moins une source d'electrons associee a un dispositif photoelectrique de commande - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une source radiogène comportant au moins une enceinte à vide, une source froide pouvant émettre des électrons dans le vide, une cible en un matériau susceptible d'émettre des rayons X sous l'effet du bombardement par les électrons, des moyens pour accélérer lesdits électrons par une haute tension, une fenêtre dans l'enceinte permettant la sortie des rayons X émis, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un dispositif photoélectrique, permettant le contrôle de l'émission d'électrons par la source froide, et une source de lumière pour commander par illumination ledit dispositif photoélectrique.
Description
Source radiogène comprenant au moins une source d'électrons associée à un dispositif photoélectrique de commande.
Le domaine de l'invention est celui des sources à rayons X. Les sources RX sont généralement utilisées dans des applications industrielles, scientifiques et médicales afin de fournir le flux de photon permettant notamment la réalisation des images suivant différentes techniques de reconstruction en deux ou trois dimensions spatiales. Elles sont également particulièrement intéressantes dans le domaine de la sécurité, notamment l'inspection de bagages et colis par rayons X. Depuis longtemps, des systèmes fixes basés sur l'imagerie X en transmission, sont utilisés pour la sécurité aéroportuaire. Depuis moins de 10 ans, les besoins de sécurisation de lieux publics vont croissant et requièrent des systèmes sur plateformes mobiles pour détecter des substances chimiques dangereuses ou des explosifs cachés dans des bagages ou colis. Les systèmes mobiles existants utilisent en particulier la rétrodiffusion de rayons X. Cependant, la capacité de détection et d'identification demeure limitée. Il est en particulier difficile de discriminer entre des substances de densités voisines. La transmission X est une autre technique utilisable. Elle donne accès à une combinaison de la densité du matériau p et de son numéro atomique effectif Zeff, mais cependant pas à chacune de ces deux grandeurs séparément, et de plus, les contributions de plusieurs éléments constituant le colis se superposent en fonction de l'épaisseur traversée. L'imagerie 3D par transmission à une énergie donne accès à une cartographie du coefficient d'atténuation p en tout point d'un objet. cette technique permet donc de s'affranchir de l'épaisseur traversée. Le coefficient d'atténuation p est une fonction de la densité du matériau p, de son Zeff et dépend de l'énergie. La transmission X bi-énergies en 3D qui consiste à utiliser deux bandes X d'extension spectrales différentes, permet finalement de déterminer p, et Zeff. Il existe un besoin réel de systèmes fiables qui soient réellement portables, et de mise en oeuvre rapide et aisée.35 Des solutions sont actuellement envisageables pour identifier avec plus de certitude la densité et le numéro atomique, séparément. Ces solutions exigent un déplacement et une rotation de l'objet ou du faisceau X. Toutefois, des déplacements mécaniques complexifient considérablement le système qui ne peut alors satisfaire à l'exigence de portabilité. Il a été proposé d'utiliser plusieurs sources X fixes pour en remplacer une seule mobile afin de réaliser une image 3D de l'objet. Cependant cette solution est également insatisfaisante au regard de la portabilité. En effet les sources de rayons X actuelles utilisent généralement le bombardement d'une cible (en tungstène par exemple), par un faisceau électronique d'environ 50 à 150 KeV, issu d'une cathode thermo-ionique. La cible bombardée qui constitue l'anode mais également l'enveloppe extérieure du tube, doit être refroidie. Cela impose qu'elle soit à la masse. II en résulte que la cathode et son circuit de contrôle sont à la haute tension. La technologie haute tension est lourde et volumineuse. Si donc on multiplie le nombre de sources sur un équipement, on perd l'espoir de la portabilité. Dans la plupart des .cas, les sources radiogènes utilisent des cathodes thermo-ioniques comme émetteur d'électrons. Elles peuvent par exemple, être en tungstène pur comme dans la majorité des tubes destinés à la sécurité ou au contrôle non destructif, en tungstène poreux imprégné d'aluminate de baryum ou en hexaborure de lanthane. Les sources d'électrons peuvent également être froides telles que les cathodes à pointes métalliques ou semiconductrices ou à nanotubes de carbone ou à semi conducteurs tel que le GaN, GaAs, Cs3Sb...
Plusieurs limitations résultent de ce type de cathodes : Dans le cas des cathodes thermoïoniques à chauffage direct telle que celle illustrée en figure la mettant en évidence un filament Fil en regard d'une anode A, ou à chauffage indirect mettant en évidence un filament Fil chauffant une cathode Cath telle que celle illustrée en figure 1 b mettant en évidence une cathode K imprégnée chauffée par un filament Fil en regard d'une anode A, une première limitation provient de l'inertie thermique de ce type de cathode interdisant une modulation rapide du courant donc du débit de dose RX (à énergie donnée, le débit de dose est souvent commandé par le courant débité par la cathode, si les fronts de montée ou d'arrêt ne sont pas raides, cela se traduira par des phases transitoires d'émission de rayonnement X pouvant nuire à la qualité de l'image reçue sur le détecteur). Une seconde limitation est liée 'à la nécessité d'avoir une alimentation du filament qui, si elle est référencée à la haute tension, rend l'alimentation beaucoup plus complexe. Les différents passages isolants permettant de polariser grille, filament et cathode sont également plus complexes et doivent être correctement dimensionnés afin de supporter les tensions élevées (20 à 600kV) généralement rencontrées dans les tubes radiogènes.
Pour remédier au problème de dynamique de contrôle du courant évoqué ci-dessus, des dispositifs utilisent une grille G polarisée, formée par exemple par des fils ou grillage, ou plaque percée comme illustré en figure 2a et 2b. De manière générale, ainsi chaque source RX doit avoir au minimum une cathode, un filament, une grille de contrôle du courant (si celui ci est modulé), portés à des tensions voisines de la haute tension au travers d'un isolant haute tension comme représenté sur la figure 2c. Ce sont les dimensions de l'isolant liées aux longueurs nécessaires pour supporter la haute tension, qui fixent souvent la dimension de la source RX. Compte tenu de ces contraintes de connexion et d'isolement électrique, il est très difficile d'envisager deux ou plusieurs sources électroniques donc RX dans une même enveloppe vide. Dans le cas par exemple d'une configuration de 2 sources pilotées en courant par une grille dans une même enveloppe à vide, il faudrait 6 conducteurs et une distribution spatiale des tensions au niveau de l'isolant haute tension rendant le système très complexe et difficilement réalisable. Ainsi les systèmes existants qui comprennent plusieurs sources= sont constitués de plusieurs tubes radiogènes. Dans le cas des cathodes froides Nt, dans la version la plus simple le filament est supprimé comme illustré en figure 3a. Cela conduit à l'économie de l'alimentation filament. Cette économie est loin d'être négligeable si la cathode est à un fort potentiel négatif par rapport à la terre. Cette disposition simple ne permet cependant pas de contrôler l'intensité du courant émis. En effet, à tension donnée, cette variation ne peut provenir que du contrôle du champ électrique au niveau des pointes de nanotubes, donc de la distance mécanique entre la cathode et l'anode. Une disposition avantageuse comme illustrée en figure 3b, constituée éventuellement d'un élément de focalisation F (électrostatique ou magnétique) et d'une grille d'extraction polarisée G, négativement par rapport à la cathode, peut permettre de contrôler le courant. Parmi les principaux avantages d'une cathode froide constituée de nanotubes de carbone sur une cathode thermoïonique conventionnelle, il est à noter la suppression d'un délai de préchauffage d'un filament ce qui conduit à une disponibilité immédiate en opération, l'absence de vieillissement par fatigue liés aux cycles thermo-mécaniques rencontrés lors des séquences marche/arrêt, la suppression du filament porté à haute température et de l'alimentation associée conduisant à une réduction de l'énergie consommée et à une simplification de l'alimentation et la possibilité d'une modulation de l'émission par polarisation d'une grille d'extraction située devant la cathode à nano tubes de carbone. Pour une cathode froide on retrouve plusieurs limitations liées à la présence de grille pour le domaine d'application des tubes radiogènes. Parmi ces limitations on peux retenir, la capacité cathode grille pouvant limiter la fréquence maximale de modulation, la transparence de la grille de modulation qui peut intercepter de 30 à 50% du courant émis et enfin, la nécessité d'avoir une alimentation complexe permettant de contrôler la tension de grille par rapport à la haute tension ce qui limite également la possibilité d'envisager deux ou .plusieurs sources électroniques dans une même enveloppe vide permettant de créer plusieurs sources de rayonnement X. Les dispositifs d'imagerie 3D sont de deux types. Dans le premier type, ils comprennent un générateur de rayons X et un détecteur en regard du générateur de rayon X, permettant de mesurer le rayonnement ayant traversé l'objet ou le patient. Afin de multiplier les angles de vue, ces systèmes nécessitent la rotation de la source et du détecteur ou de l'objet ou du patient. Ces systèmes sont généralement lourds, complexes et difficilement portables. Le deuxième type autorise des techniques d'imagerie 3D sans aucun déplacement du système, ni de l'objet ou du patient. Ils nécessitent plusieurs générateurs de rayonnement X et plusieurs détecteurs permettant d'observer sous différentes incidences et de recombiner les images obtenues pour en extraire l'information 3D. Ces systèmes dits de tomosynthèse sont plus simples que les précédents et peuvent permettre des temps d'analyse réduits. Il apparaît donc qu'une limitation dans l'état de l'art actuel provient de la difficulté à réaliser un dispositif simple de génération de plusieurs sources de rayonnement X dans un même enceinte à vide constituant par exemple un même tube radiogène. Une seconde limitation est liée à la difficulté à moduler l'émission du rayonnement X par des techniques classiques de grille si celle ci est référencée à la haute tension ou directement par la modulation de la haute tension d'anode compte tenu de l'énergie pouvant être stockée dans la ligne d'alimentation haute tension.
Enfin, certains tubes radiogènes comportent en plus de la haute tension continue, un accélérateur linéaire (linac, en abrégé anglosaxon) pour porter les électrons à très haute énergie pour produire des rayons X eux-même de très haute énergie. Une des applications potentiellement importantes d'un point de vue économique est le contrôle portuaire ou routier du contenu de containers. L'épaisseur de l'enveloppe d'acier des containers oblige à utiliser ces rayons X très énergétiques. Actuellement, la dimension de l'accélérateur linéaire ne permet pas d'envisager de tels tubes portables, et les qualités de faisceau X requises ne sont pas obtenues ainsi que cela apparaît dans la description qui suit.
Le schéma de principe d'un accélérateur linéaire (linac) conventionnel est représenté à la figure 4. Il comprend un canon Ao qui émet un faisceau d'électrons, suivi d'un espace accélérateur continu Bo qui permet l'extraction, la différence de potentielle nécessaire étant produite entre le canon porté à un potentiel négatif haute tension, et l'accélérateur à la masse. Le linac proprement dit Co est constitué de cavités électromagnétiques couplées qui sont le support de propagation d'une onde hyperfréquence Do.
Le faisceau calé en phase à la crête de l'onde Eo est alors accéléré le long de la structure. Dans le cas d'un linac de production de rayons X, une cible Fo utilisée en transmission intercepte le faisceau électronique et convertit l'énergie du faisceau en rayonnement Go .
L'injection d'électrons dans une structure accélératrice d'un accélérateur linéaire est réalisée dans sa configuration conventionnelle à l'aide d'un canon à électrons à base de cathode à effet thermoïonique. L'émission électronique, n'étant alors contrôlée seulement que par chauffage d'un filament, l'inertie thermique du système ne permet que la production d'un faisceau temporellement continu. L'accélération dans le linac est réalisée à l'aide d'une onde hyperfréquence qui produit ainsi une structure temporelle du faisceau en forme de paquets d'électrons à la fréquence utilisée. Cette mise en forme temporelle est produite tout au long de l'accélérateur dont la géométrie est alors adaptée pour réaliser des phases de prégroupement et groupement du faisceau électronique. Lors de ces processus, l'évolution du faisceau d'une structure temporelle continue à une structure en paquets d'électrons, nécessite une longueur importante de linac. Cela est un obstacle à la portabilité d'un tel système Elle se traduit également par un faible rendement en courant, dépendant de l'acceptance en phase du système. Dans le plus simple des cas, environ 50% du courant faisceau initial est perdu dans la demi-alternance non accélératrice de l'onde hyperfréquence. Ces électrons sont perdus à la fois longitudinalement, avec retour possible vers la cathode et destruction potentielle de la zone émettrice, et à la fois radialement dans la structure accélératrice, se traduisant par un échauffement des parois du linac. La conception intrinsèque de la structure accélératrice permet toutefois de limiter ces phénomènes, au prix d'une complexification de la géométrie du linac.
Dans ce contexte et pour répondre notamment aux besoins en terme d'imagerie à rayons X, et aux besoins de portabilité, la présente invention propose une source à rayons X comportant au moins une cathode dont l'émission est contrôlée par un dispositif photoélectrique permettant notamment de simplifier le découplage galvanique des dispositifs de commande en courant. La solution de la présente invention propose ainsi de remplacer la cathode et son circuit de commande électrique haute tension par une photocathode et une électrode d'extraction portée à un potentiel fixe, et de commander l'émission des électrons par l'éclairement de la photocathode. Il est ainsi possible de bénéficier de l'isolement galvanique de la commande optique, et les circuits de commande se retrouvent à la basse tension.
Plus précisément l'invention a pour objet une source radiogène comportant au moins une enceinte à vide, une source froide pouvant émettre des électrons dans le vide, des moyens pour accélérer lesdits électrons par une haute tension, une cible en un matériau susceptible d'émettre des rayons X sous l'effet du bombardement par les électrons, une fenêtre dans l'enceinte transparente aux rayons X émis, caractérisée en ce que elle comprend en outre au moins un dispositif photoélectrique, permettant le contrôle de l'émission d'électrons par la source froide, et une source de lumière pour commander par illumination ledit dispositif photoélectrique. Selon une variante de l'invention, la source radiogène comporte un empilement de couches de composés homogènes ou non, semiconducteurs ou conducteurs, empilement dans lequel sont intégrés la source froide et le dispositif photoélectrique, et qui constitue ainsi une photocathode. Différentes photocathodes sont connues de l'état de l'art. Les photocathodes métalliques sont très rapides et présentent des rendements quantiques notables (>10%) dans l'ultraviolet (longueur d'onde inférieures à 100nm). Les métaux employés sont Cu, Y, W, Au, Ta, Mg. Le magnésium peut fonctionner dans le proche ultraviolet (100 à 200nm). Les photocathodes à couches de semiconducteurs comprennent les composés 1-VII tels que CsI, et les composés I-VI tel que Cs2Te qui ont des rendements quantiques importants dans le proche ultra-violet (longueur d'onde comprises entre 100 et 200nm). D'autres composés semiconducteurs fonctionnent dans le visible avec des rendements quantiques importants. Ce sont les composés I-V tel que les antimoniures d'alcalins mono, bi, multi-alcalins. Les meilleurs contiennent du Cs en volume comme Cs3Sb, ou dans une épaisseur proche de leur surface comme (Cs)Na2KSb. D'autres composés de structures complexes fonctionnent dans le rouge et le proche infrarouge et comportent le composé I-VI oxyde de césium CsO avec des inclusions d'Ag-élément ou bien un mélange du composé I-VI oxyde de césium CsO et du composé I-V Cs3Bi, avec toujours des inclusions d'Ag-élément. Enfin, fonctionnant notamment dans l'infrarouge et le visible sont les couches semiconductrices dites à affinité électronique négative tel que GaAs, GaAsP, InGaAs, GaN...dopées avantageusement de type p et avantageusement comportant un revêtement de surface de Cs ou de CsO. Cette liste n'est pas limitative.
Toutes ces photocathodes sont susceptibles d'être utilisées dans les tubes radiogènes selon l'invention. Selon une variante de l'invention, la source comporte au moins une source froide d'électrons à pointes émettrices. Selon une variante de l'invention, la source comprend une pointe émettrice pour former une source pour l'imagerie X, haute résolution. Selon une variante de l'invention, la source comprend au moins une source froide d'électrons à pointe émettrice en nanotube de carbone ou de nitrure de bore ou en nanofils métalliques. Selon une variante de l'invention, la cible est en tungstène ou en composite comportant du tungstène ou tout autre matériau réfractaire à z élevé. Selon une variante de l'invention, la source comprend au moins un dispositif photoélectrique qui est de type photoconducteur, c'est à dire dont l'état de conduction est contrôlé par l'illumination. Selon une variante de l'invention, le dispositif photoélectrique photoconducteur est de type photodiode en semiconducteur à structure PIN ou P désigne une zone dopée P, I désigne une zone intrinsèque ou non intentionnellement dopée ou peu dopée, et N une zone dopée N. Selon une variante de l'invention, la source comprend au moins un substrat conducteur comportant une source froide d'électrons et un dispositif photoélectrique de manière à former au moins une photocathode. Selon une variante de l'invention, la source comprend au moins un substrat conducteur comportant une source froide d'électrons de type pointes et un dispositif photoélectrique de manière à former au moins une photocathode telle que les pointes soient distantes les unes des autres d'environ deux fois leur hauteur ou plus, et telle sorte que les dimensions latérales des éléments photoéleçtriques soient environ égales à la hauteur des pointes ou moindres.
Selon une variante de l'invention, le substrat comprend une face dite avant supportant l'élément émetteur, la source de lumière éclairant ladite face avant. Selon une variante de l'invention, le substrat est transparent à ladite 5 source de lumière, ladite source de lumière éclairant ledit substrat en face opposée à la face avant. Selon une variante de l'invention, le substrat présente une zone amincie destinée à être illuminée, de manière à minimiser les phénomènes d'absorption ladite source de lumière éclairant ledit substrat en face opposée 10 à la face avant. Avantageusement, la source radiogène comporte en outre des moyens de réglage de la puissance optique de la source de lumière pour régler la puissance de rayons X générés. Elle peut aussi avantageusement comprendre des moyens pour 15 régler la focalisation de la source,de lumière sur la source d'électrons. Selon une variante de l'invention, la source comprend un mono-tube X de symétrie cylindrique comportant une enceinte, renfermant une photocathode, une cible, un miroir permettant d'illuminer la photocathode avec un faisceau lumineux perpendiculaire à l'axe du mono-tube issu de la 20 source d'illumination, et une fenêtre optique permettant de recueillir l'émission X. Selon une variante de l'invention, la source radiogène comprend plusieurs mono-tubes X, un support circulaire supportant lesdits mono-tubes X disposés radialement, une alimentation haute tension, des moyens de 25 distribution de ladite alimentation haute tension sur les différents mono-tubes de manière à produire des faisceaux de rayons X, et des moyens individuels de contrôles optiques indépendants dédiés à chacun des mono-tubes. Selon une variante de l'invention, lesdits faisceaux de contrôle optique et les faisceaux de rayons X sont tous parallèles entre eux et 30 perpendiculaires audit support circulaire. Selon une autre variante de l'invention, la source radiogène comprend en outre des moyens pour faire converger lesdits faisceaux de rayons X. Selon une variante de l'invention, la source radiogène comprend une 35 enceinte, plusieurs ensembles constitués chacun d'un couple de photocathode associée à une cible et des moyens de distribution d'alimentation desdites photocathodes. Selon une variante, l'enceinte présente une forme concave de manière à générer des faisceaux de rayons X convergents.
Selon une variante de l'invention, la source radiogène comporte : - une photocathode dite étendue ou un ensemble de photocathodes ; - une cible dite étendue ou un ensemble de cibles, en regard respectivement de ladite photocathode étendue ou de l'ensemble de photocathodes; - un dispositif d'adressage de l'illumination d'une photocathode étendue ou d'un ensemble de photocathodes, de manière à sélectionner différentes zones au cours du temps sur la photocathode étendue ou à sélectionner différentes photocathodes dans l'ensemble de photocathodes et corrélativement rendre les zones de la cible étendue ou d'une cible parmi l'ensemble de cible, émettrice de rayons X.
Selon une variante de l'invention, la source comprend un modulateur spatial et/ou temporel permettant de défléchir un faisceau issu de la source d'illumination, vers différentes zones de la photocathode étendue ou différentes photocathodes parmi un ensemble de photocathodes. Selon une variante de l'invention, le dispositif d'adressage est un modulateur spatial de lumière éclairé par un faisceau étendu permettant de transférer différentes lois d'éclairement sur une zone de la photocathode étendue ou sur une photocathode dans l'ensemble de photocathodes, et d'obtenir les lois correspondantes d'émission de rayons X depuis une zone de cible étendue ou sur une cible,de l'ensemble de cibles.
Selon une variante de l'invention, la source comprend un ensemble de sources d'illumination et est caractérisée en ce que le dispositif d'adressage est un déflecteur opto-mécanique ou opto-électrique et active des sources d'illumination associées de manière biunivoque à différentes zones de la photocathode étendue ou à différentes photocathodes de l'ensemble de photocathodes, lesdites zones ou photocathodes étant associées de manière biunivoque à différentes zones de la cible étendue ou à différentes cibles parmi l'ensemble de cibles. Selon une variante de l'invention, la source radiogène comporte en outre au moins un accélérateur linéaire pour accélérer les électrons émis par 5 la source d'électrons.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 10 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures 1 a, 1 b illustrent des exemples de cathodes thermoioniques de l'art connu ; - les figures 2a, 2b, 2c illustrent des exemples de cathodes thermoioniques de l'art connu comportant 15 en outre une grille intermédiaire ; - les figures 3a et 3b illustrent des exemples de cathodes froides selon l'art connu ; - La figure 4 illustre un exemple de source radiogène comportant un accélérateur linéaire de l'art connu ; 20 - la figure 5 schématise une source radiogène selon l'invention ; - la figure 6 illustre un premier exemple de source radiogène selon l'invention ; - les figures 7a et 7b illustrent un second exemple de 25 source radiogène selon l'invention ; -les figures 8a et 8b illustrent un troisième exemple de source radiogène selon l'invention ; - les figures 9a, 9b et 9c illustrent un quatrième exemple de source radiogène selon l'invention. 30 De manière générale, l'invention propose la mise en oeuvre dans une même source radiogène, d'une ou plusieurs cathodes froides dont l'émission est contrôlée par un dispositif photoélectrique, ce type de dispositif peut typiquement être de type tel que celui décrit dans le brevet N° 04 13340.
Ainsi de manière schématique illustrée en figure 5, la source radiogène de l'invention comporte au moins un dispositif photoélectrique de commande 10, une source d'élecrons 11 venant irradiée une cible 12 de façon à ce que cette dernière émette un faisceau de rayons X, 13.
Ce type de découplage optique permet d'envisager des configurations de sources multiples dans une même enceinte à vide, localisées ou spatialement réparties et produisant un rayonnement X continue ou modulé temporellement suivant l'éclairement de la photo cathode. L'élément photoconducteur peut être un empilage de matériau semi-conducteur de type NIN ou PIN (voir ci-dessus la signification de P, I, N). Dans le cas d'une diode PIN, la couche N se trouve contactée au nanotube via une couche métallique assurant un bon contact électrique. On applique au voisinage de la source d'électrons un champ électrique suffisant pour permettre l'obtention du courant maximum d'émission visé.
L'illumination du photoconducteur permet de contrôler le courant émis. Lorsque l'élément photoconducteur n'est pas éclairé, l'émission d'électrons à partir du nanotube induit une variation de potentiel positive de la couche supérieure de l'élément photoconducteur qui est dopée N. L'apparition de ce potentiel positif sur cette couche supérieure et donc sur le nanotube induit une réduction du facteur d'amplification de champ et donc une forte réduction de l'émission électronique de ce nanotube. L'équilibre est atteint lorsque le courant d'émission du nanotube (en tenant compte du potentiel positif AV développé à sa base) est égal au courant de fuite de l'élément photoconducteur polarisé sous AV. Sous éclairement, le courant émis est proportionnel au courant photo généré et donc à la puissance optique reçue par l'élément photoconducteur.
Nous allons décrire ci-après des exemples de réalisation de sources 30 radiogènes selon l'invention.
Premier exemple de réalisation : Selon une première variante de l'invention, illustrée en figure 6, la source radiogène est une source mono-faisceau et comporte une enceinte sous-vide 20, des moyens d'alimentation haute tension 21 et des moyens d'isolation électrique 22, une source d'illumination 23 dirigeant un faisceau lumineux 24 en direction d'un dispositif optiquement réfléchissant 25 pour les longueurs d'onde utilisées afin d'exciter les couches photo-sensibles d'une cathode 26 permettant de générèr un flux d'électrons 27, en direction d'une cible 28. Le bombardement de ladite cible génère alors le flux de rayons X, 30 au travers d'une fenêtre 29 transparente auxdits rayons X dont est équipée l'enceinte. Avantageusement l'enceinte peut également être équipée de moyens de refroidissement 31 de la cible soumise à des échauffements intenses lors des opérations de bombardement par les flux d'électrons.
Deuxième exemple de réalisation :
La source radiogène comporte une multiplicité de flux de rayons X, 40i, grâce à la présence d'une série d'enceintes (tubes à rayons X) 41i distribuées dans un support circulaire 42, ledit support circulaire comporte en outre des moyens de distribution'd'une alimentation haute tension 43 comme illustré en figure 7a et 7b. La figure 7a est relative à une vue de dessus de la source radiogène multi-faisceaux et la vue 7b est une vue en coupe de ladite source radiogène.
Troisième exemple de réalisation :
La source radiogène peut également être multi-faisceaux et comprendre une enceinte unique comme illustré en figure 8a. Selon l'exemple représenté, ladite enceinte 50 peut avantageusement présenter une forme courbe intégrant des couples de sources d'électrons 51 i associées à des cibles génératrices de rayons X, 52i. La figure 8b montre une coupe de l'enceinte à vide au niveau du couple 51i / 52i. La forme courbe de l'enceinte permet d'assurer la convergence de l'ensemble des faisceaux de rayons X émis 53i en direction d'un objet à analyser 54.35 Quatrième exemple de réalisation :
Les exemples précédemment décrits sont relatifs à des sources radiogènes multi-faisceaux comportant un ensemble de sources d'électrons élémentaires associées à des cibles élémentaires. Selon l'invention, la source radiogène multi-faisceaux peut également comprendre une source d'électrons étendue, comportant des zones d'émission d'électrons telles qu'illustrées en figure 9a, capables d'irradier une cible étendue pour générer des faisceaux de rayons X. Ce type de source associée à des moyens de balayage peut typiquement être utilisée pour une configuration d'imagerie telle que la fluoroscopie par exemple. Afin d'éviter les rayons diffusés, on peut être amené à privilégier un balayage rapide réalisé soit par un diaphragme mobile, soit suivant un dispositif de balayage par déviateurs électrostatiques ou magnétiques comme décrit dans le Brevet N° 00 08320 De P. De Groot Générateur de rayons X à balayage pour système d'imagerie susceptible de fonctionner à grande vitesse du 29 06 1999. Une possibilité de moyens de balayage peut consister également dans l'utilisation d'un dispositif permettant une modulation spatiale et ou temporelle de la source RX par une activation discrète de certaines zones d'une photo cathode. Ainsi de manière générale, ce type de source radiogène peut avantageusement comprendre des moyens de balayage pour effectuer un balayage spatial et ainsi générer des faisceaux de rayons X capables de balayer différentes régions de l'espace. Ces moyens de balayage peuvent être assurés par un allumage sélectif des sources optiques discrètes (voir figures 9a et 9b) ou par une rotation du miroir optique comme illustré en figure 9c. Dans ce type d'exemple, le dispositif photoélectrique et la source d'émission d'électrons sont respectivement composés d'un matériau semiconducteur aminci et illuminés en face arrière tels que ceux décrits dans la demande de brevet, la source d'électrons comportant des nanopointes de type nanotubes de carbone. Ce type de dispositif est intéressant pour réaliser une reconstruction d'image 3D par tomosynthèse ou pour réaliser une source de RX plane dont 35 l'émission est modulée spatialement et temporellement.
Cinquième exemple de réalisation :
La source radiogène est une source micro-foyer ou nano-foyer comportant des moyens optiques assurant une focalisation telle qu'un seul nanotube soit adressé pour générer un faisceau d'électrons. La cible irradiée par un seul nanotube est ainsi en mesure de fournir par voie de conséquence également un faisceau de rayons X de tache focale très petite. Le diamètre du spot de la micro ou nano source X peut être ajusté suivant la surface de la zone éclairée et ainsi permettre d'asservir le diamètre du spot en fonction de la densité de puissance admissible sur la cible. Eventuellement, un système de focalisation, magnétique ou électrostatique peut être utilisé pour concentrer sur la cible tous les électrons émis par l'extrémité du nanotube dans une tache thermique de taille comparable à celle de la surface émissive, soit de l'ordre de 10 à 100 nm de diamètre. Ce type de source radiogène peut notamment avantageusement assurer l'accès à du contrôle non destructif de grille de transistor de circuit intégré, par exemple.
Sixième exemple de réalisation :
Les exemples précédemment décrits sont relatifs à des sources radiogènes comportant une haute tension comme moyen d'accélération des électrons. Selon l'invention, la source radiogène peut également comporter une structure accélératrice dite linac . associée aux autres éléments à savoir la source froide, une cible en un matériau susceptible d'émettre des rayons X sous l'effet du bombardement par les électrons (dans cet exemple de réalisation, la cible X et la fenêtre X sont confondues car le flux de rayons X se fait directement par transmission à travers la cible), des moyens pour accélérer lesdits électrons par une haute tension, un dispositif photoélectrique, permettant le contrôle de l'émission d'électrons par la source froide, et une source de lumière pour commander par illumination ledit dispositif photoélectrique. Dans ce cas, l'association permet une simplification de l'accélérateur, une réduction de son volume et une amélioration de la qualité du faisceau d'électrons et du rayonnement X qu'il produit. Les avantages spécifiques produits sont les suivants : 1/ Modulation temporelle initiale du faisceau à la fréquence de l'accélérateur, avec une extension en phase permettant un rendement en courant proche de 100%. La totalité du courant ainsi émis en impulsions courtes, permet une acceptance en phase maximale par l'onde hyperfréquence, sans pertes longitudinales. 2/ Réduction des pertes électroniques et donc thermiques dans le linac. 3/ Les paquets d'électrons étant déjà produits à l'émission, la totalité des cellules l'accélérateur est consacrée à l'accélération proprement dite du faisceau et non à une phase préliminaire de prégroupement, amenant à une simplication de la géométrie du linac, et à une réduction de sa longueur. Ainsi, les premières cavités de l'accélérateur, conventiellement dédiées à la mise en forme temporelle du faisceau peuvent être simplifiées. 4/ La miniaturisation du canon, ainsi que la possibilité d'une commande du courant à haute fréquence permet son adaptation à des linacs à très haute fréquence (par exemple bande X). 5/ La courte extension en phase des paquets d'électrons produits 20 permet de réduire la dispersion en énergie finale du faisceau. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse dans les applications où le faisceau d'électrons est directement utilisé comme source radiogène, l'optique de sortie de l'accélérateur, de nature généralement magnétique, étant alors nettement simplifiée et sans pertes. 25 6/ Avec une faible dispersion en énergie, le faisceau est aisément focalisé en sortie de l'accélérateur, permettant des sources très ponctuelles de rayonnement sur la cible de conversion. 7/ L'absence d'un système de cavités de prégroupement et groupement, permet d'envisager des linacs de basse énergie (en dessous de 30 4 MeV) avec une bonne qualité du faisceau. En effet l'optique électronique d'un accélérateur de basse énergie reste délicate à cause du faible niveau de champ et du processus de groupement difficile à maîtriser. Des paquets d'électrons initialement produits et sans prégroupement permettent de lever cette difficulté. 5 17 8/ Le contrôle du courant initial pulse à pulse, permet d'envisager des linacs à courant variable dans des applications multi-énergies pulse à pulse où une puissance faisceau constante serait nécessaire pour la qualité du rayonnement X et de l'imagerie associée. 10
Claims (27)
1. Source radiogène comportant au moins une enceinte à vide (50), une source froide (52i) pouvant émettre des électrons dans le vide, des moyens pour accélérer lesdits électrons par une haute tension, une cible en un matériau susceptible d'émettre des rayons X (53i) sous l'effet du bombardement par les électrons, une fenêtre dans l'enceinte permettant la sortie des rayons X émis, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un dispositif photoélectrique (52i), permettant le contrôle de l'émission d'électrons par la source froide, et une source de lumière pour commander par illumination ledit dispositif photoélectrique.
2. Source radiogène selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une source froide d'électrons comportant un empilement de couches d'éléments ou de composés homogènes ou non, semiconducteurs ou métalliques, tels que : Cu, Y, W, Au, Ta, Mg Csl , des composés I-VI tel que Cs2Te , des composés I-V tel que les antimoniures d'alcalins mono, bi, multi-alcalins. comme Cs3Sb, comme (Cs)Na2KSb , un composé I-VI oxyde de césium CsO avec des inclusions d'Ag-élément , un mélange du composé I-VI oxyde de césium CsO et du composé I-V Cs3Bi, avec des inclusions d'Ag-élément , des couches semiconductrices dites à affinité électronique négative tel .que GaAs, GaAsP, GaN, InGaAs...dopées avantageusement de type p et comportant avantageusement un revêtement de surface de Cs ou de CsO.
3. Source radiogène selon la revendication 1, caractérisée en ce que qu'au moins une source froide d'électrons est à pointes émettrices.
4. Source radiogène selon la revendication 3, caractérisée en ce 3o qu'elle comprend une pointe émettrice pour former une source à rayons ponctuelle pour l'imagerie X, haute résolution.
5. Source radiogène selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce qu'au moins une source froide d'électrons est à pointeémettrice en nanotube de carbone ou de nitrure de bore ou en nanofils métalliques.
6. Source radiogène selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que la source comprend au moins un substrat conducteur comportant une source froide d'électrons de type pointe et un dispositif photoélectrique de manière à former au moins une photocathode telle que les pointes soient distantes les unes des autres d'environ deux fois leur hauteur ou plus, et telle que les dimensions latérales des éléments ~o photoélectriques soient environ égales à la hauteur des pointes ou moindres.
7. Source radiogène' selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la cible est un matériau comportant du tungstène, ou 15 tout autre matériau réfractaire à z élevé.
8. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la cible et la fenêtre permettant la sortie des rayons X sont confondues.
9. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'au moins un dispositif photoélectrique est de type photoconducteur dans lequel le courant est contrôlé par l'illumination. 25
10. Source radiogène 'selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'au moins un dispositif photoélectrique photoconducteur est de type photodiode en semiconducteur à structure PIN où I désigne une zone intrinsèque ou non intentionnellement dopée ou faiblement dopée de type N-ou P-. 30
11. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'il comprend un substrat muni d'au moins une surface conductrice et au moins un élément photoconducteur, électriquement connecté en série entre au moins un élément émetteur et une surface 35 conductrice du substrat. 20
12. Source radiogène selon la revendication 11, caractérisée en ce 5 que le substrat comprend une face dite avant supportant l'élément émetteur, la source de lumière éclairant ladite face avant.
13. Source radiogène selon la revendication 11, caractérisée en ce que le substrat est transparent à ladite source de lumière, ladite source de 10 lumière éclairant ledit substrat en face opposée à la face avant.
14. Source radiogène selon l'une des revendications 11, caractérisée en ce que le substrat présente une zone amincie destinée à être illuminée, de manière à minimiser les phénomènes d'absorption dans le substrat, ladite 15 source de lumière éclairant ledit substrat en face opposée à la face avant.
15. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réglage de la puissance optique de la source de lumière pour régler la puissance de rayons X 20 générés.
16. Source radiogène selon l'une des revendications selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour régler la focalisation de la source de lumière sur la source d'électrons. 25
17. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée en ce qu'elle comprend un mono-tube X de symétrie cylindrique comportant une enceinte, renfermant une photocathode, une cible, un 30 miroir, permettant d'illuminer la photocathode avec un faisceau lumineux pénétrant dans le mono-tube par sa paroi cylindrique .
18. Source radiogène 'selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs mono-tubes X, un support 35 circulaire supportant lesdits mono-tubes X disposés radialement, unealimentation haute tension, des moyens de distribution de ladite alimentation haute tension sur les différents mono-tubes de manière à produire des faisceaux de rayons X, et des moyens individuels de contrôles optiques indépendants dédiés à chacun dès mono-tubes.
19. Source radiogène selon la revendication 18, caractérisée en ce que lesdits faisceaux de contrôle optique et les faisceaux de rayons X sont tous parallèles entre eux et perpendiculaires audit support circulaire. 10
20. Source radiogène selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour faire converger lesdits faisceaux de rayons X.
21. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 17, 15 caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte, plusieurs ensembles constitués chacun d'un couple de photocathode associée à une cible et des moyens de distribution d'alimentation desdites photocathodes.
22. Source radiogène selon la revendication 21, caractérisée en ce 20 que l'enceinte présente une forme concave de manière à générer des faisceaux de rayons X convergents.
23. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisée en ce qu'elle comporte : 25 - une photocathode dite étendue ou un ensemble de photocathodes ; - une cible dite étendue ou un ensemble de cibles, en regard respectivement de ladite photocathode étendue ou de l'ensemble de photocathodes; 30 - un dispositif d'adressage de l'illumination d'une photocathode étendue ou d'un ensemble de photocathodes, de manière à sélectionner différentes zones au cours du temps sur la photocathode étendue ou à sélectionner différentes photocathodes 35 dans l'ensemble de photocathodes et5corrélativement rendre les zones de la cible étendue ou d'une cible parmi l'ensemble de cibles, émettrices de rayons X.
24. Source radiogène selon la revendication 23, caractérisée en ce qu'elle comprend un modulateur spatial et/ou temporel permettant de défléchir un faisceau issu de la source d'illumination, vers différentes zones de la photocathode étendue ou différentes photocathodes parmi un ensemble de photocathodes.
25. Source radiogène selon l'une des revendications 23 ou 24, caractérisée en ce que le dispositif d'adressage est un modulateur spatial de lumière éclairé par un faisceau étendu permettant de transférer différentes lois d'éclairement sur une zone de la photocathode étendue ou sur une photocathode dans l'ensemble de photocathodes, et d'obtenir les lois correspondantes d'émission de rayons X depuis une zone de cible étendue ou sur une cible de l'ensemble de cibles.
26. Source radiogène selon la revendication 23, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble de sources d'illumination et en ce que le dispositif d'adressage est un déflecteur opto-mécanique ou opto- électrique et active des sources d'illumination associées de manière biunivoque à différentes zones de la photocathode étendue ou à différentes photocathodes de l'ensemble de photocathodes, lesdites zones ou photocathodes étant associées de manière biunivoque à différentes zones de la cible étendue ou à différentes cibles parmi l'ensemble de cibles.
27. Source radiogène selon l'une des revendications 1 à 26, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un accélérateur 30 linéaire pour accélérer les électrôns émis par la source d'électrons.
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