EP0988645A1 - Tube a rayons x comportant une source d'electrons a micropointes et des moyens de guidage magnetique - Google Patents
Tube a rayons x comportant une source d'electrons a micropointes et des moyens de guidage magnetiqueInfo
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- EP0988645A1 EP0988645A1 EP98930850A EP98930850A EP0988645A1 EP 0988645 A1 EP0988645 A1 EP 0988645A1 EP 98930850 A EP98930850 A EP 98930850A EP 98930850 A EP98930850 A EP 98930850A EP 0988645 A1 EP0988645 A1 EP 0988645A1
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- electrons
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J35/00—X-ray tubes
- H01J35/02—Details
- H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
- H01J35/06—Cathodes
- H01J35/065—Field emission, photo emission or secondary emission cathodes
-
- H—ELECTRICITY
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J35/00—X-ray tubes
- H01J35/02—Details
- H01J35/14—Arrangements for concentrating, focusing, or directing the cathode ray
- H01J35/147—Spot size control
Definitions
- the present invention relates to an X-ray tube comprising a microtip electron source ("microtips").
- the invention is particularly applicable to analysis by absorption of X-rays through thin objects or thin layers, for example to make radiographic observations of thin objects with very good resolution insofar as the source of X-rays (which is part of the tube and which is the place from which the X-rays are emitted) is extremely well defined, i.e. with sharp edges and / or an intensity controlled over the entire area emission zone, this emission zone can be small or on the contrary very large.
- the invention also makes it possible to radiograph liquids circulating in buried pipes of very small dimensions and of small thickness.
- the invention also applies to the medical field and in particular to mammography from a point source of X-rays.
- the invention also applies to analysis by X-ray fluorescence.
- This sample can then be known more precisely than with a conventional X-ray tube.
- thermo ion usually a hot tungsten filament
- the current extracted from the filament strikes the anode (on a more or less well-defined surface depending on the configurations and the focusing means with which the tube is provided), which generates X-rays at the places of impact.
- the anode can be brought to a high voltage and the filament to a potential close to the ground or the anode can be to the ground and the filament negatively polarized. Only the difference in potential counts.
- the anode is grounded and the filament polarized negatively, the anode is more easily cooled (hydraulically) to dissipate the heat dissipated by the electrons penetrating into the material of the target (anode) since the potential of this target is OV, i.e. is equal to the potential of the water discharged through pipes.
- a tube X has a diode structure.
- More complex tubes may include, in addition to the anode and the filament, an intermediate grid, the role of which is indicated below.
- the filament being hot (and therefore likely to emit electrons), the potential of the grid is sufficiently close to that of the filament so that the cloud of electrons emitted by the filament remains blocked in the area between this filament and the grid .
- the sudden increase in the potential of this grid allows the electron cloud to be extracted from this area and reach the anode by crossing the grid.
- This grid therefore acts as a sort of "electron valve”.
- the configuration is then that of a diode (the electric field results from the potential difference which exists between the anode and the needles).
- the electrons leave a certain zone of the cathode and reach the anode on a zone whose surface is delimited.
- the configuration of the anode-cathode assembly is best defined by calculating the trajectories of the electrons in the region between the anode and the cathode using the formulas of electronic optics.
- the shape of the filaments does not always allow an impact of predetermined shape on the anode and therefore the source of X-rays, the extension of which corresponds to the impact zone of the electrons, suffers from this. default.
- X spots of reduced or better defined size are generated. If we use, for example, the electron beam of an electron microscope (of submicron diameter) and that we direct this beam towards a target, we have the equivalent of an X-ray tube to microfocus circular in shape.
- Such an electron microscope used as an X-ray tube generally has an electron gun fitted with magnetic and electrostatic lenses in order to focus the electron beam on a reduced area.
- Microtips are also known for their use in flat screens or in certain instruments such as pressure gauges.
- Cathodes with a large-area matrix structure that use microtips are also known and their use inside flat screens as sources of electrons to produce visible light by cathodoluminescence is also known. It is also known from the American patent application of Cha-Mei Tang et al, serial number 201.963, of February 25, 1994, that an X-ray tube could include a microtip cathode and electrostatic focusing means which are integrated on the cathode itself. Such a structure does not make it possible to obtain an extended emissive area, well delimited with an intensity controlled over the entire area.
- filament X-ray tubes do not make it possible to define any shape of the X-ray source, that is to say the area of the tube from which the X-rays are emitted, in a precise and controllable.
- the object of the present invention is to remedy these drawbacks.
- At least one electron source one zone of which, called the first zone, is intended to emit electrons
- At least one anode one zone of which, called the second zone, is intended to emit X-rays under the impact of these electrons, and
- this X-ray tube being characterized in that the source of electrons is a source of electrons with at least one microtip and with an extraction grid and in that the means for guiding the electrons are magnetic guiding means capable of creating a magnetic field which is homogeneous (i.e. - say which has a direction and an intensity substantially constant or slowly variable spatially) at least in the volume between the first and second zones, the vector characteristics (intensity, direction) of this field being such that the second zone is homothetic of the first zone.
- the source of electrons is a source of electrons with at least one microtip and with an extraction grid
- the means for guiding the electrons are magnetic guiding means capable of creating a magnetic field which is homogeneous (i.e. - say which has a direction and an intensity substantially constant or slowly variable spatially) at least in the volume between the first and second zones, the vector characteristics (intensity, direction) of this field being such that the second zone is homothetic of the first zone.
- the invention makes it possible to obtain a source of X-ray radiation (second zone) having the shape, the intensity distribution (number of X photons emitted per second and per unit area) or the uniformity of emission which one wish by choosing judiciously the magnetic field (for example, parallel to the mean direction of propagation of the electrons) and the shape of the emissive cathode (first zone).
- the combination
- a microtip source whose geometry and distribution of the microtips in the source are adapted to the geometry and the distribution of the desired X-ray radiation
- magnetic guide means including intensity and direction are adapted to the homothetic reproduction (identical or lower or higher) of the electron emission area both spatially and in intensity, allows to obtain an X-ray tube perfectly defined in intensity and geometry.
- the intensity obtained can be variable or spatially constant.
- the intensity of the magnetic field must be greater or equal to a threshold beyond which there is always an electron beam whose envelopes of the trajectories are parallel.
- the X-ray tube object of the invention has the following advantages in particular compared to a conventional X-ray tube using an electron-emitting filament:
- the microtip cathode (s ) can be installed in front of this anode.
- the cathode can be pulsed (the duration of the pulses can be much less than 1 ⁇ s and even reach lOOps) and this possibility of drawing the cathode is accompanied by extremely flexible electronics, not affecting high voltage circuits.
- the tube can work with a battery.
- the area irradiated by electrons can be uniformly (which is not the case with a filament); the X-ray source is therefore uniform (or has controlled uniformity) and the edges of an emissive area of large area are sharp.
- the electron source can comprise a single microtip or a plurality of microtips depending on the geometry and the intensity desired for the X-ray emitting area.
- the X-ray tube comprises a plurality of electron sources, an X-ray emitting area corresponding to each electron source.
- the tube which is the subject of the invention may comprise a single anode or a plurality of anodes, each anode then being associated with at least one microtip.
- the electron source can be drawn to obtain X-ray pulses.
- the X-ray tube which is the subject of the invention may further comprise an electrically conductive grid which is arranged between the electron source and each anode, this grid being polarized so as to prevent ions from reaching the electron source and to avoid the formation of electric arcs between this source of electrons and each anode.
- the magnetic guide means of the tube which is the subject of the invention may comprise one or more magnets or Helmholtz coils or both one or more magnets and Helmholtz coils.
- Figure 1 is a schematic view of a particular embodiment of the object X-ray tube of the invention, in which the electron source comprises only a single microtip,
- FIG. 2 is a schematic view of another particular embodiment in which the source of electrons comprises a plurality of microtips
- Figure 3 is a schematic view of another particular embodiment in which there is a plurality of anodes
- Figure 4 is a schematic view of another particular embodiment in which the anode is formed on the tube window
- Figure 5 schematically illustrates means for regulating the electron source of an X-ray tube according to the invention.
- a magnetic field is used whose intensity can range from a few hundredths of a tesla to a few tenths of tesla for example, this magnetic field being, in the case of an identical reproduction of the electron-emitting area, parallel to the median trajectory of the electron beam.
- the insertion can use a divergent or convergent field to reproduce in an enlarged or narrowed manner said electron-emitting area.
- the trajectories of the electrons are wound around the direction of the magnetic field with a radius whose value is inversely proportional to the intensity of this magnetic field.
- the average trajectories of the electrons are then substantially parallel and practically do not diverge.
- spot in which the electron beam meets the anode is then identical to the area of the source which emits the electrons if we assume that the anode is placed perpendicular to the electron beam.
- the shape of the emissive zone of the electron source (cathode) is thus reproduced on the anode and the X-ray source therefore rigorously has this same shape.
- the X-ray emission density depends on the density of the incident current which itself depends on the density of the microtips on the cathode and on the current emitted by each microtip.
- a more complex magnetic configuration can possibly concentrate the electron beam more, instead of simply preventing its divergence.
- the "spot" formed on the anode may have an even smaller size.
- the area which emits X-rays has a shape similar to that of the area which emits electrons if the angle of incidence of the electrons on the anode is not taken into account (when that -this is different from 90 °). This can be corrected by giving the sending area of electrons a shape such that once projected on the anode the spot obtained has the desired shape.
- this anode is thick, the only X photons that can be used are those that are emitted outside the anode.
- an X-ray tube is provided with a window made of a material chosen so as to be as little absorbent as possible with respect to X-rays so that they these can pass through this window and exit the tube or as thin as possible to limit the absorption (one can for example use a membrane of nanometric thickness in Si 3 N 4 or Sic).
- This window also maintains the tightness of the enclosure of each X-ray tube, enclosure in which a sufficiently low pressure is created by means (not shown in FIGS. 1 to 4) (for example of the order of 10 " 8 hPa or less) to keep the X-ray tube working properly and sustainably.
- the X-ray tube is itself under vacuum (for example in the case of an electron microscope) and this window is then deleted or else it only plays the role of optical filter or pollution filter and the X-rays produced then propagate in the vacuum and irradiate a sample also placed in the vacuum.
- FIG. 1 is a schematic view of a first example of the X-ray tube of the invention.
- the X-ray tube schematically represented in this FIG. 1 comprises, in a vacuum enclosure 2, an electron source 4 comprising a single microtip 6, made of an electron emitting material and formed on a suitable substrate 8, thus an integrated extraction grid 16, the source preferably being produced by microelectronics techniques.
- Means are provided for bringing this anode 10 to a high positive voltage with respect to the microtip 6.
- the X-ray tube of Figure 1 also includes coils of Helmoltz 12 preferably placed outside of the enclosure 2 (the latter being made of a non-magnetic material) and intended to create a magnetic field B which is substantially parallel to the axis Z of the microtip and which is homogeneous in the volume between the microtip and the anode 10, this volume being delimited by dashed lines t; in figure 1.
- Helmoltz 12 preferably placed outside of the enclosure 2 (the latter being made of a non-magnetic material) and intended to create a magnetic field B which is substantially parallel to the axis Z of the microtip and which is homogeneous in the volume between the microtip and the anode 10, this volume being delimited by dashed lines t; in figure 1.
- one or more magnets can be used to create this magnetic field and this magnet or these magnets can or can be placed in the enclosure 2 or outside of it.
- the voltage applied between the anode and the microtip can be of the order of +5 kV to +50 kV.
- An electron beam is then emitted by the microtip 6 along the Z axis, in the direction of the anode 10, thanks to the application of a voltage on the extraction grid 16.
- the microtip 6 is capable of emit a current of the order of 100 ⁇ A.
- This electron beam is guided while being concentrated on the anode by the magnetic field B.
- This magnetic field is of the order of a few tenths of Teslas.
- the electron emitting area is of the order of 1 ⁇ m 2 or even less.
- the size of the electronic spot on the anode is also of the order of 1 ⁇ m 2 or even less with more intense magnetic fields.
- X-rays are thus generated (having the reference X in FIGS. 1 to 4) from a microfocus FI whose size is of the order of 1 ⁇ m 2 .
- the enclosure 2 is closed by a beryllium window 14.
- this cathode does not screen or shade the X-rays emitted.
- an intermediate grid 17, which has great transparency vis-à-vis the electrons emitted by the microtip 6, is arranged between the source 4 and the anode 10, in the vicinity from source 4, on the path of the electron beam, a few millimeters from source 4.
- This grid 17 is for example made of a conductive material and perforated to 90% to let the electrons pass.
- this grid 17 is brought (by means not shown) to a potential greater than that of the extraction grid 16. It can either be much less than that of the anode, for example of the order of 200 V to 500 V or, if the grid is extremely transparent to electrons, slightly higher than that of the anode in order to prevent the positive ions produced on the anode by the electronic impact from going up to the cathode.
- FIG. 2 A second example of the X-ray tube of the present invention is schematically represented in FIG. 2.
- the X-ray tube of Figure 2 is similar to that of Figure 1 except that, in the case of Figure 2, the electron source 4 includes several microtips 6 which are formed on the substrate 8 and whose axes Z are substantially parallel.
- the anode 10 is also placed opposite these microtips.
- the magnet or the coils of Helmotz 12 are also provided to create the homogeneous magnetic field B in the volume between the source 4 and the anode 10, this volume being delimited by the phantom lines t which we see in the figure 2.
- This magnetic field is substantially parallel to the Z axes of the microtips.
- the magnetic field B guides the electrons emitted by these microtips so that the average trajectory of the electrons is substantially parallel to this magnetic field B in the volume delimited by the dashed lines t.
- Means not shown also make it possible to positively polarize the anode 10 relative to the microtips 6, for example at a voltage of the order of +10 kV, and to bring the grid 17 to a potential higher than that of the grids 16 but much lower than that of anode 10 or slightly higher.
- the substrate has for example a surface of the order of 100 ⁇ m 2 to 1 mm 2 and comprises for example 100 to 1000 microtips distributed over a surface area equal to 100 ⁇ m 2 and making it possible to obtain an electronic current of the order from 1 mA to 10 mA. If the space charge of the electron beam is not taken into account, the magnetic guidance makes it possible to obtain an electronic spot F2 on the anode 10 having the same size as the area occupied by the microtips of the cathode 4 (in not taking into account the inclination of the anode 10 relative to the electron beam).
- This inclination of the anode in the X-ray tube of Figure 2 (as well as in the X-ray tube of Figure 1) is intended to send a large amount of X-rays towards the window in beryllium 14.
- X-ray tubes can therefore be produced in accordance with the invention, the X-ray emitting area of which has exactly the dimensions and shape desired for the intended application, the distribution of the intensity of the X-ray emitting area being a function the distribution of the emission intensity of the first zone.
- the X-ray tube according to the invention which is schematically represented in FIG. 3, differs from that of FIG. 1 in that it comprises, in addition to the anode 10, another anode 18 which is placed next to the anode 10 and an additional microtip 6a placed on the substrate 8, opposite this other anode 18. In this example, there are therefore two electron emitting zones and two X-ray emitting zones.
- the anodes 10 and 18 are inclined in the same way with respect to the electron beams, as seen in FIG. 3, to each send a large amount of X-rays to the window 14.
- the X-ray emitting zones F3 and F4 respectively located on the anodes, are homothetic of the two electron emitting zones
- microtip (respectively to a microtip or to a set of microtips).
- the anode 10 it is for example possible for the anode 10 to emit X-rays whose wavelength does not make it possible to highlight particles 20 contained in a sample 22 situated outside the X-ray tube, opposite of window 14, a detector 24 being placed following this sample 22 (which is thus included between window 14 and detector 24) and ensuring that the anode 18 emits X-rays whose wavelength instead allows to highlight these particles.
- the tube according to the invention which is schematically represented in FIG. 4, also comprises an enclosure 2 under vacuum closed by a window
- microtip cathode 4 opposite which is placed a grid 17 transparent to the electrons emitted by the microtips 6.
- the X-ray tube of Figure 4 also includes an anode 10 grounded and constituted for example by a layer of tungsten which is deposited on the beryllium window.
- Polarization means 28 are provided for bringing the microtips formed on an appropriate substrate 8 to a negative voltage with respect to the extraction grid 16 and means 29 provided for bringing the whole of the cathode to a high negative voltage with respect to that of the anode.
- the anode 10 formed on the window 14 is placed opposite the grid 16 and the microtips 6 and this anode is substantially parallel to the substrate 8 and to the grid 16.
- the X-ray tube of FIG. 4 also includes a magnet 30 external to the enclosure 2 and intended to create a magnetic field B perpendicular to the anode, homogeneous in the volume comprised between the source 4 and the anode 10 and provided to focus the electrons emitted by the microtips on this anode.
- the anode 10 When the anode 10 is struck by the electrons emitted by the microtips it emits X-rays which pass through the beryllium window 14.
- FIG. 4 also shows a sample screen 34 partially opaque to X-rays, provided with an opening 36 and placed between the window 14 and the space detector 32, the X-rays thus passing through this opening 36 before reaching the detector.
- This example highlights the concept of planar radiography with an extended X source: only the regions of low absorption (symbolized by the hole 36 allow the X-rays detected by the two-dimensional detector 32 to pass through.
- the X-ray tube in Figure 4 has an extended, defined focal point F5 (X-ray emitting area) by magnetic guidance, this focal point having a uniformity which can be constant or controlled.
- F5 X-ray emitting area
- this area F5 which emits X-rays can have a surface of several tens of cm 2 .
- the zone F5 of FIG. 4 which emits the X-rays, has rigorously the same degree of extension as the zone emitting the electrons (all of the microtips) although a few millimeters separate the cathode with microtips 4 from the anode 10.
- microtip cathode of an X-ray tube could be given any shape, for example the shape of a "P".
- the X-ray emitting area would then also have the shape of a "P", something that cannot be achieved with a conventional X-ray tube, using an electron-emitting filament or a thermionic cathode.
- An X-ray tube according to the invention can be drawn.
- microtip cathode having a matrix structure and successively control the different rows of this microtip cathode, which also corresponds to an operation in pulsed mode of the X-ray tube comprising this cathode with structure matrix.
- an aluminum or magnesium plate or a thin layer of tungsten formed by evaporation on a heat conducting support in order to evacuate the latter
- the material of the anode is chosen in the periodic classification of the elements according to the application.
- the window 14 which closes the vacuum chamber 2 is thick enough to ensure the seal but thin enough not to absorb too much X-rays emitted when the X-ray tube is operating.
- nanometric thickness membranes can be used.
- This window may have a honeycomb structure ensuring both rigidity and vacuum tightness and the transmission of X-rays thanks to the thinnest thicknesses.
- the thickness of this window depends on the diameter of the latter and can be of the order of 100 ⁇ m or less in places and in the case of membranes it can be a few hundred nanometers. If desired, one can have in this enclosure 2 a getter type element to maintain a very low pressure.
- This layer 38 itself rests on a substrate 40, for example made of silicon.
- anode 10 of the X-ray tube as well as means 44 for applying a suitable positive variable voltage to the grid 16 relative to the microtip 6 and means 46 for applying a suitable positive high voltage to the anode 10 relative to the microtip.
- a resistor 48 of value r is mounted between ground and the negative terminal of the means 46 for applying the high voltage to the anode.
- the regulation system comprises an operational amplifier 50 which controls the voltage application means 44 as a function of a value of reference voltage R set by the users and of the voltage image of the current flowing in the resistor 48.
- the electrons entering the anode 10 correspond to a current of intensity i.
- This voltage V is sent to the operational amplifier 50 and the latter compares this voltage V to the reference voltage R corresponding to the current desired by the user.
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- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Ce tube à rayons X comprend au moins une source d'électrons (4) à au moins une micropointe (6) et à grille d'extraction (16), dont une zone émet des électrons, au moins une anode (10) dont une zone émet des rayons X sous l'impact de ces électrons, et des moyens (12) de guidage magnétique des électrons, aptes à créer un champ magnétique homogène au moins dans le volume compris entre les zones. Application à l'analyse par absorption de rayons X ou par fluorescence X.
Description
TUBE A RAYONS X COMPORTANT UNE SOURCE D'ELECTRONS A MICROPOINTES ET DES MOYENS DE GUIDAGE MAGNETIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un tube à rayons X comportant une source d'électrons à micropointes (« microtips ») .
L'invention s'applique notamment à l'analyse par absorption de rayons X au travers d'objets minces ou de couches minces, par exemple pour faire des observations radiographiques d'objets minces avec une très bonne résolution dans la mesure où la source de rayons X (qui fait partie du tube et qui est le lieu d'où sont émis les rayons X) est extrêmement bien définie c'est-à-dire a des bords francs et/ou une intensité contrôlée sur l'ensemble de la zone d'émission, cette zone d'émission pouvant être de petite taille ou au contraire très étendue.
L'invention permet aussi de radiographier des liquides circulant dans des canalisations enterrées de très petites dimensions et de faible épaisseur.
Elle s'applique en outre au domaine médical et en particulier à la mammographie à partir d'une source ponctuelle de rayons X. L'invention s'applique aussi à l'analyse par fluorescence X.
Certes les rayons X de faible énergie ont des parcours de courte longueur. On peut néanmoins faire une analyse par fluorescence des éléments légers
(Ca, Mg, etc.) grâce aux rayons X « mous » générés dans un tube conforme à l'invention et ceci avec une grande précision spatiale, dans la mesure où la source de rayons X est extrêmement bien définie. Dans le cas où la source d'électrons que comporte un tube conforme à l'invention se compose de plusieurs sources d'électrons séparées les unes des autres, il est possible, en excitant ces sources les unes après les autres, de faire une série de plusieurs images afin d'observer un échantillon sous plusieurs angles .
L'épaisseur ou la forme de cet échantillon peuvent alors être connues avec davantage de précision qu'avec un tube à rayons X classique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le principe de la génération de rayons X dans un tube à rayons X classique est bien connu.
Il repose sur la production d'un rayonnement X lorsqu'un électron suffisamment énergétique bombarde un atome de la cible du tube.
Dans un tube à rayons X classique, une différence de potentiel (égale à au moins 50 kV pour les tubes de haute énergie) est appliquée entre la cathode thermo'ionique (en général, un filament de tungstène très chaud) et l'anode que comporte ce tube.
Le courant extrait du filament heurte l'anode (sur une surface plus ou moins bien définie en fonction des configurations et des moyens de focalisation dont est muni le tube) , ce qui génère les rayons X aux endroits de l'impact.
L'anode peut être portée à une haute tension et le filament à un potentiel proche de la masse ou l'anode peut être à la masse et le filament polarisé négativement. Seule la différence de potentiel compte.
Le choix de la référence de potentiel est donc libre.
Dans le cas où l'anode est à la masse et le filament polarisé négativement, l'anode est plus facilement refroidie (hydrauliquement) pour évacuer la chaleur dissipée par les électrons pénétrant dans le matériau de la cible (anode) puisque le potentiel de cette cible vaut OV, c'est-à-dire est égal au potentiel de l'eau évacuée par des tuyaux. Un tel tube X a une structure de diode.
Des tubes plus complexes peuvent comprendre, en plus de l'anode et du filament, une grille intermédiaire dont le rôle est indiqué ci-après. Le filament étant chaud (et donc susceptible d'émettre des électrons), le potentiel de la grille est suffisamment proche de celui du filament afin que le nuage d'électrons émis par le filament reste bloqué dans la zone comprise entre ce filament et la grille. L'augmentation brusque du potentiel de cette grille permet au nuage d'électrons d'être extrait de cette zone et d'atteindre l'anode en traversant la grille.
Cette grille sert donc en quelque sorte de « vanne à électrons ».
Elle ne doit pas être confondue avec la grille d'extraction que comportent les cathodes à micropointes et qui assure l'extraction des électrons
suivant un tout autre principe physique (l'effet de champ) .
Dans d'autres tubes à rayons X connus, les électrons sont fournis par effet de champ grâce à l'utilisation d'aiguilles pointues.
La configuration est alors celle d'une diode (le champ électrique résulte de la différence de potentiel qui existe entre l'anode et les aiguilles).
Toutefois, à cause de l'usure rapide de ces aiguilles, ces autres tubes n'ont pas eu le succès escompté .
Dans les tubes à rayons X classiques, une certaine focalisation des électrons est en général assurée par une configuration appropriée de l'ensemble anode-filament.
Les électrons partent d'une certaine zone de la cathode et atteignent l'anode sur une zone dont la surface est délimitée.
La configuration de l'ensemble anode- cathode est définie au mieux en calculant les trajectoires des électrons dans la région située entre l'anode et la cathode au moyen des formules de l'optique électronique.
Cependant la forme des filaments (cathodes) ne permet pas toujours d'avoir un impact de forme prédéterminée sur l'anode et par conséquent la source de rayons X, dont l'extension correspond à la zone d'impact des électrons, souffre de ce défaut.
On connaît aussi des canons à électrons pour tubes à rayons X qui permettent une focalisation accrue des faisceaux d'électrons.
Dans ce cas, des spots X de taille réduite ou mieux définie sont générés.
Si l'on utilise, par exemple, le faisceau d'électrons d'un microscope électronique (de diamètre submicronique) et que l'on dirige ce faisceau vers une cible, on a l'équivalent d'un tube à rayons X à microfoyer de forme circulaire.
Un tel microscope électronique utilisé en tant que tube à rayons X possède en général un canon à électrons muni de lentilles magnétiques et électrostatiques afin de concentrer le faisceau d'électrons sur une zone réduite.
On connaît aussi les micropointes pour leur utilisation dans les écrans plats ou dans certains instruments tels que les jauges de pression.
Les cathodes à structure matricielle et de grande surface qui utilisent des micropointes sont aussi connues et leur utilisation à l'intérieur des écrans plats en tant que sources d'électrons pour produire de la lumière visible par cathodoluminescence l'est également. On sait également par la demande de brevet américain de Cha-Mei Tang et al, numéro de série 201,963, du 25 février 1994, qu'un tube à rayons X pourrait comporter une cathode à micropointes et des moyens de focalisation électrostatique qui sont intégrés sur la cathode elle-même. Une telle structure ne permet pas d'obtenir une zone emissive étendue, bien délimitée avec une intensité contrôlée sur toute la zone .
Par ailleurs, les structures de tubes à rayons X à filaments ne permettent pas de définir une forme quelconque de la source de rayons X c'est-à-dire la zone du tube d'où sont émis les rayons X, de façon précise et contrôlable.
EXPOSE DE L' INVENTION
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients.
Elle a pour objet un tube à rayons X comprenant :
- au moins une source d'électrons dont une zone, appelée première zone, est destiné à émettre des électrons,
- au moins une anode dont une zone, appelée deuxième zone, est destinée à émettre des rayons X sous l'impact de ces électrons, et
- des moyens de guidage, ou moyens de focalisation (focalisation étant pris ici au sens large de « guidage ») , sur cette deuxième zone, des électrons émis par la première zone, ce tube à rayons X étant caractérisé en ce que la source d'électrons est une source d'électrons à au moins une micropointe et à grille d'extraction et en ce que les moyens de guidage des électrons sont des moyens de guidage magnétique aptes à créer un champ magnétique qui est homogène (c'est-à-dire qui a une direction et une intensité sensiblement constantes ou lentement variable spatialement) au moins dans le volume compris entre les première et deuxième zones, les caractéristiques vectorielles (intensité, direction) de ce champ étant telles que la deuxième zone est homothétique de la première zone.
L'invention permet d'obtenir une source de rayonnement X (deuxième zone) ayant la forme, la répartition d'intensité (nombre de photons X émis par seconde et par unité de surface) ou l'uniformité d'émission que l'on souhaite en choisissant
judicieusement le champ magnétique (par exemple, parallèle à la direction moyenne de propagation des électrons) et la forme de la cathode emissive (première zone) . Autrement dit la combinaison
- d'une part d'une source à micropointes dont la géométrie et la répartition des micropointes dans la source sont adaptées à la géométrie et à la répartition du rayonnement X recherché et, - d'autre part de moyens de guidage magnétique dont l'intensité et la direction sont adaptées à la reproduction homothétique (identique ou inférieure ou supérieure) de la zone d'émission des électrons aussi bien spatialement qu'en intensité, permet d'obtenir un tube à rayons X parfaitement défini en intensité et en géométrie.
En particulier l'intensité obtenue peut être variable ou constante spatialement.
La direction du champ correspond à la droite passant par
- d'une part le centre de la zone émettrice d'électrons et
- d' autre part le centre de la zone émettrice de rayons X. II est à noter que, pour avoir une reproduction de la zone émettrice d' électrons à l'identique sur l'anode, l'intensité du champ magnétique doit être supérieure ou égale à un seuil au- delà duquel on a toujours un faisceau d'électrons dont les enveloppes des trajectoires sont parallèles.
Du fait qu' il utilise une micropointe ou une pluralité de micropointes pour émettre des électrons, le tube à rayons X objet de l'invention
présente notamment les avantages suivants par rapport à un tube à rayons X classique utilisant un filament émetteur d'électrons :
- Il n'y a aucune pollution de l'anode par un matériau évaporé à partir d'une cathode chaude, donc il n'y a plus à « cacher » le filament par rapport à l'anode : la cathode à micropointe (s) peut être installée en face de cette anode.
- La construction du tube est plus simple. - La source d'électrons ne dégage aucune chaleur et l'anode ne peut donc pas fondre, en tout cas à faible puissance .
- La cathode peut être puisée (la durée des impulsions pouvant être largement inférieure à 1 μs et même atteindre lOOps) et cette possibilité de puiser la cathode s'accompagne d'une électronique extrêmement souple, n'affectant pas les circuits à haute tension.
- Le tube peut fonctionner avec une batterie.
- La zone irradiée par les électrons peut l'être de façon uniforme (ce qui n'est pas le cas avec un filament) ; la source de rayons X est donc uniforme (ou a une uniformité contrôlée) et les bords d'une zone emissive de grande surface sont nets.
- Le nombre de connexions (passages électriques étanches au vide) reste faible par rapport à un tube où la focalisation serait assurée par des électrodes supplémentaires .
Dans le tube à rayons X objet de l'invention, la source d'électrons peut comprendre une seule micropointe ou une pluralité de micropointes suivant la géométrie et l'intensité souhaitées pour la zone émettrice de rayons X.
Selon une autre variante, le tube à rayons X comporte une pluralité de sources d'électrons, une zone émettrice de rayons X correspondant à chaque source d'électrons. Le tube objet de l'invention peut comprendre une seule anode ou une pluralité d'anodes, chaque anode étant alors associée à au moins une micropointe.
La source d' électrons peut être puisée de manière à obtenir des impulsions de rayons X.
Le tube à rayons X objet de l'invention peut comprendre en outre une grille électriquement conductrice qui est disposée entre la source d'électrons et chaque anode, cette grille étant polarisée de manière à empêcher des ions d'atteindre la source d'électrons et à éviter la formation d'arcs électriques entre cette source d'électrons et chaque anode .
Les moyens de guidage magnétique du tube objet de l'invention peuvent comprendre un ou des aimants ou des bobines de Helmholtz ou à la fois un ou des aimants et des bobines de Helmholtz.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du tube à rayons X objet
de l'invention, dans lequel la source d'électrons ne comprend qu'une seule micropointe,
• la figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier dans lequel la source d' électrons comprend une pluralité de micropointes,
• la figure 3 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier dans lequel il y a une pluralité d'anodes, « la figure 4 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier dans lequel l'anode est formée sur la fenêtre du tube, et
• la figure 5 illustre schématiquement des moyens de régulation de la source d'électrons d'un tube à rayons X conforme à l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans l'invention, pour guider le faisceau d'électrons émis par la source d'électrons à micropointe (s) et diriger ce faisceau à un endroit déterminé, on utilise un champ magnétique dont l'intensité peut aller de quelques centièmes de tesla à quelques dixièmes de tesla par exemple, ce champ magnétique étant, dans le cas d'une reproduction à l'identique de la zone émettrice d'électrons, parallèle à la trajectoire médiane du faisceau d'électrons.
Dans le reste de la description on considère par souci de simplification le cas d'un champ parallèle.
Bien entendu l'insertion peut utiliser un champ divergent ou convergent pour reproduire de façon agrandie ou rétrécie ladite zone émettrice d'électrons.
On sait alors que les trajectoires des électrons s'enroulent autour de la direction du champ magnétique avec un rayon dont la valeur est inversement proportionnelle à l'intensité de ce champ magnétique. Les trajectoires moyennes des électrons sont alors sensiblement parallèles et ne divergent pratiquement pas.
La zone appelée « spot » dans laquelle le faisceau d'électrons rencontre l'anode est alors identique à la zone de la source qui émet les électrons si l'on suppose que l'anode est placée perpendiculairement au faisceau d'électrons.
On reproduit ainsi sur l'anode la forme de la zone emissive de la source d'électrons (cathode) et la source de rayons X a donc rigoureusement cette même forme.
La densité d'émission des rayons X dépend de la densité du courant incident qui dépend elle-même de la densité des micropointes sur la cathode et du courant émis par chaque micropointe.
Une configuration magnétique plus complexe peut éventuellement concentrer davantage le faisceau d' électrons au lieu d' empêcher simplement la divergence de celui-ci. Dans ce cas le « spot » formé sur l'anode peut avoir une taille encore plus réduite.
Dans les exemples décrits plus loin la zone qui émet les rayons X a une forme homothétique de celle de la zone qui émet les électrons si l'on ne tient pas compte de l'angle d'incidence des électrons sur l'anode (lorsque celui-ci est différent de 90°). Cela peut d'ailleurs être corrigé en donnant à la zone émettrice
d'électrons une forme telle qu'une fois projetée sur l'anode le spot obtenu ait la forme désirée.
Précisons de plus que les rayons X engendrés à la surface de l'anode sont émis de façon isotrope.
Certains d'entre eux s'échappent hors de l'anode tandis que d'autres pénètrent plus profondément dans celle-ci.
Si cette anode est épaisse, les seuls photons X utilisables sont ceux qui sont émis en dehors de l'anode.
Dans chacun des exemples schématiquement représentés sur les figures 1 à 4, on prévoit un tube à rayons X avec une fenêtre faite d'un matériau choisi de façon à être aussi peu absorbant que possible vis-à-vis des rayons X pour que ceux-ci puissent traverser cette fenêtre et sortir du tube ou aussi mince que possible pour limiter l'absorption (on peut par exemple utiliser une membrane d'épaisseur nanométrique en Si3N4 ou Sic). Cette fenêtre maintient également l'étanchéité de l'enceinte de chaque tube de rayons X, enceinte dans laquelle on crée par des moyens (non représentés sur les figures 1 à 4) une pression suffisamment basse (par exemple de l'ordre de 10"8 hPa ou moins) pour que le tube de rayons X fonctionne convenablement et durablement.
Dans un mode de réalisation particulier non représenté le tube à rayons X est lui-même sous vide (par exemple dans le cas d'un microscope électronique) et cette fenêtre est alors supprimée ou alors elle ne joue que le rôle de filtre optique ou de filtre de pollution et les rayons X produits se propagent alors
dans le vide et irradient un échantillon également placé dans le vide.
La figure 1 est une vue schématique d'un premier exemple du tube à rayons X de l'invention. Le tube à rayons X schématiquement représenté sur cette figure 1 comprend, dans une enceinte à vide 2, une source d'électrons 4 comprenant une seule micropointe 6, faite d'un matériau émetteur d'électrons et formée sur un substrat approprié 8, ainsi qu'une grille d'extraction 16 intégrée, la source étant de préférence réalisée par les techniques de la microélectronique .
Dans l'enceinte 2 se trouve également une seule anode métallique 10 disposée en regard de la micropointe 6.
Des moyens non représentés sont prévus pour porter cette anode 10 à une haute tension positive par rapport à la micropointe 6.
Le tube à rayons X de la figure 1 comprend aussi des bobines de Helmoltz 12 placées de préférence à l'extérieur de l'enceinte 2 (celle-ci étant faite d'un matériau amagnétique) et prévues pour créer un champ magnétique B qui est sensiblement parallèle à l'axe Z de la micropointe et qui est homogène dans le volume compris entre la micropointe et l'anode 10, ce volume étant délimité par des traits mixtes t; sur la figure 1.
A la place des bobines 12 on peut utiliser un ou des aimants pour créer ce champ magnétique et cet aimant ou ces aimants peut ou peuvent être placé (s) dans l'enceinte 2 ou à l'extérieur de celle-ci.
La tension appliquée entre l'anode et la micropointe peut être de l'ordre de +5 kV à +50 kV.
Un faisceau d'électrons est alors émis par la micropointe 6 suivant l'axe Z, en direction de l'anode 10, grâce à l'application d'une tension sur la grille d'extraction 16. La micropointe 6 est susceptible d'émettre un courant de l'ordre de 100 μA.
Ce faisceau d'électrons est guidé tout en étant concentré sur l'anode par le champ magnétique B.
Ce champ magnétique est de l'ordre de quelques dixièmes de Teslas.
Étant donné qu'on utilise une seule micropointe, la zone émettrice des électrons est de l'ordre de 1 μm2 ou même inférieure.
La taille du spot électronique sur l'anode est également de l'ordre de 1 μm2 ou même inférieure avec des champs magnétiques plus intenses.
On engendre ainsi des rayons X (ayant la référence X sur les figures 1 à 4) à partir d'un microfoyer FI dont la taille est de l'ordre de 1 μm2. Comme on le voit sur la figure 1, l'enceinte 2 est fermée par une fenêtre en béryllium 14.
Les rayons X quittent l'anode 10, traversent la fenêtre 14 qui est transparente aux rayons X et qui assure également l'étanchéité de 1' enceinte.
Ces rayons X sont alors disponibles pour l'utilisation souhaitée.
Les rayons X engendrés dans l'anode 10, qui se propagent à l'intérieur de celle-ci (vers l'arrière), ne sont pas utilisés.
On précise que la source à micropointe 4 doit être située à une distance convenable de l'anode 10 afin que :
- les retours d'ions positifs (qui se propagent dans le sens des potentiels décroissants) n'endommagent pas la source ou cathode 4 et
- cette cathode ne fasse pas écran ou ombrage aux rayons X émis.
De préférence, afin d'éviter les retours d'ions, une grille intermédiaire 17, qui a une grande transparence vis-à-vis des électrons émis par la micropointe 6, est disposée entre la source 4 et l'anode 10, à proximité de la source 4, sur le trajet du faisceau d'électrons, à quelques millimètres de la source 4.
Cette grille 17 est par exemple réalisée en un matériau conducteur et ajourée à 90% pour laisser passer les électrons.
Par ailleurs, cette grille 17 est portée (par des moyens non représentés) à un potentiel supérieur à celui de la grille d'extraction 16. Il peut être soit très inférieur à celui de l'anode, par exemple de l'ordre de 200 V à 500 V ou alors, si la grille est extrêmement transparente aux électrons, légèrement supérieur à celui de l'anode afin d'empêcher les ions positifs produits sur l'anode par l'impact électronique de remonter jusqu'à la cathode.
Un deuxième exemple du tube à rayons X de la présente invention est schématiquement représenté sur la figure 2.
Le tube à rayons X de la figure 2 est semblable à celui de la figure 1 excepté que, dans le cas de la figure 2, la source d'électrons 4 comprend
plusieurs micropointes 6 qui sont formées sur le substrat 8 et dont les axes Z sont sensiblement parallèles .
L'anode 10 est encore placée en regard de ces micropointes.
L'aimant ou les bobines de Helmotz 12 sont encore prévus pour créer le champ magnétique B homogène dans le volume compris entre la source 4 et l'anode 10, ce volume étant délimité par les traits mixtes t que l'on voit sur la figure 2.
Ce champ magnétique est sensiblement parallèle aux axes Z des micropointes.
Le champ magnétique B guide les électrons émis par ces micropointes de sorte que la trajectoire moyenne des électrons est sensiblement parallèle à ce champ magnétique B dans le volume délimité par les traits mixtes t .
On dispose encore de préférence une grille 17 transparente aux électrons entre l'anode 10 et la source 4, à quelques millimètres de cette dernière, comme on le voit sur la figure 2.
Des moyens non représentés permettent encore de polariser positivement l'anode 10 par rapport aux micropointes 6, par exemple à une tension de l'ordre +10 kV, et de porter la grille 17 à un potentiel supérieur à celui des grilles 16 mais très inférieur à celui de l'anode 10 ou légèrement supérieur.
Le substrat a par exemple une surface de l'ordre de 100 μm2 à 1 mm2 et comprend par exemple 100 à 1000 micropointes réparties sur une zone de surface égale à 100 μm2 et permettant d'obtenir un courant électronique de l'ordre de 1 mA à 10 mA.
Si l'on ne tient pas compte de la charge d'espace du faisceau électronique le guidage magnétique permet d'obtenir un spot électronique F2 sur l'anode 10 ayant la même taille que la zone occupée par les micropointes de la cathode 4 (en ne tenant pas compte de l'inclinaison de l'anode 10 par rapport au faisceau d' électrons) .
Cette inclinaison de l'anode dans le tube à rayons X de la figure 2 (de même d'ailleurs que dans le tube à rayons X de la figure 1) est prévue pour envoyer une grande quantité de rayons X en direction de la fenêtre en béryllium 14.
Il est à noter que, dans le cas des figures 1 et 2, les dimensions des spots électroniques et donc des spots de rayons X sur l'anode 10 sont directement liées aux tailles des sources d'électrons (micropointe unique ou ensemble de micropointes) .
On peut donc réaliser des tubes à rayons X conformes à l'invention dont la zone émettrice de rayon X a exactement les dimensions et la forme souhaitées pour l'application envisagée, la répartition de l'intensité de la zone émettrice de rayons X étant fonction de la répartition de l'intensité d'émission de la première zone. Le tube à rayons X conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 3, diffère de celui de la figure 1 par le fait qu'il comprend, en plus de l'anode 10, une autre anode 18 qui est placée à côté de l'anode 10 ainsi qu'une micropointe supplémentaire 6a placée sur le substrat 8, en regard de cette autre anode 18.
Dans cet exemple on a donc deux zones émettrices d'électrons et deux zones émettrices de rayons X.
On est ainsi capable d' engendrer des faisceaux électroniques distincts qui sont encore guidés par le champ magnétique B, ce champ étant homogène dans le volume compris entre les sources à micropointes et les deux anodes (ce volume étant encore délimité par les deux traits mixtes t. que l'on voit sur la figure 3) .
Ces faisceaux électroniques distincts permettent d'engendrer des faisceaux de rayons X distincts .
Les anodes 10 et 18 sont inclinées de la même façon par rapport aux faisceaux d'électrons, comme on le voit sur la figure 3, pour envoyer chacune une grande quantité de rayons X vers la fenêtre 14.
Si l'on voulait cependant séparer les deux faisceaux de rayons X, on pourrait les incliner différemment.
Au lieu d'associer une seule micropointe à chaque anode on pourrait lui associer plusieurs micropointes .
Les zones F3 et F4 émettrices des rayons X, respectivement situées sur les anodes, sont homothétiques des deux zones émettrices des électrons
(respectivement à une micropointe ou à un ensemble de micropointes) .
L'intérêt d'un tube à rayons X du genre de celui de la figure 3 réside dans le fait que les deux anodes peuvent être faites de matériaux différents.
On est ainsi capable d'engendrer des rayons X de longueurs d'onde différentes.
Le tube à rayons X « polychrome » ainsi obtenu permet de faire une interprétation discriminante de certaines expériences utilisant des rayons X.
On peut par exemple faire en sorte que l'anode 10 émette des rayons X dont la longueur d'onde ne permet pas de mettre en évidence des particules 20 contenues dans un échantillon 22 situé à l'extérieur du tube de rayons X, en regard de la fenêtre 14, un détecteur 24 étant placé à la suite de cet échantillon 22 (qui est ainsi compris entre la fenêtre 14 et le détecteur 24) et faire en sorte que l'anode 18 émette des rayons X dont la longueur d'onde permet au contraire de mettre ces particules en évidence.
Par soustraction on accède donc à une meilleure connaissance de la nature et de la localisation des particules 20 contenues dans l'échantillon 22.
Le tube conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 4, comprend encore une enceinte 2 sous vide fermée par une fenêtre
14 transparente aux rayons X et par exemple en béryllium.
Dans cette enceinte se trouve encore une cathode à micropointes 4 en regard de laquelle est placée une grille 17 transparente aux électrons émis par les micropointes 6.
Le tube à rayons X de la figure 4 comprend aussi une anode 10 mise à la masse et constituée par exemple par une couche de tungstène qui est déposée sur la fenêtre en béryllium.
Des moyens de polarisation 28 sont prévus pour porter les micropointes formées sur un substrat approprié 8 à une tension négative par rapport à la
grille d'extraction 16 et des moyens 29 prévus pour porter l'ensemble de la cathode à une haute tension négative par rapport à celle de l'anode.
L'anode 10 formée sur la fenêtre 14 est placée en regard de la grille 16 et des micropointes 6 et cette anode est sensiblement parallèle au substrat 8 et à la grille 16.
Le tube à rayons X de la figure 4 comprend aussi un aimant 30 extérieur à l'enceinte 2 et prévu pour créer un champ magnétique B perpendiculaire à l'anode, homogène dans le volume compris entre la source 4 et l'anode 10 et prévu pour focaliser les électrons émis par les micropointes sur cette anode.
Lorsque l'anode 10 est frappée par les électrons émis par les micropointes elle émet des rayons X qui traversent la fenêtre en béryllium 14.
Un détecteur spatial 32 de rayons X est placé en regard de la fenêtre 14, à l'extérieur de l'enceinte 2 du tube à rayons X. On voit également sur la figure 4 un écran échantillon 34 partiellement opaque aux rayons X, pourvu d'une ouverture 36 et placé entre la fenêtre 14 et le détecteur spatial 32, les rayons X traversant ainsi cette ouverture 36 avant de parvenir au détecteur.
Cet exemple met en évidence le concept de radiographie planaire avec une source X étendue : seules les régions de faible absorption (symbolisées par le trou 36 laissent passer les rayons X détectés par le détecteur bidimensionnel 32.
Le tube à rayons X de la figure 4 a un foyer F5 (zone qui émet les rayons X) étendu, défini
par guidage magnétique, ce foyer ayant une uniformité qui peut être constante ou contrôlée.
Avec une cathode à micropointes de taille suffisante cette zone F5 qui émet des rayons X peut avoir une surface de plusieurs dizaines de cm2.
Une telle zone F5, qui n'est pas du tout ponctuelle, est néanmoins parfaitement délimitée grâce au guidage magnétique des faisceaux d'électrons.
La zone F5 de la figure 4, qui émet les rayons X, a rigoureusement le même degré d'extension que la zone émettrice des électrons (ensemble des micropointes) bien que quelques millimètres séparent la cathode à micropointes 4 de l'anode 10.
On pourrait donner une forme quelconque à la cathode à micropointes d'un tube à rayons X conforme à l'invention, par exemple la forme d'un « P ».
La zone émettrice des rayons X aurait alors également la forme d'un « P », chose qui n'est pas réalisable avec un tube à rayons X classique, utilisant un filament émetteur d'électrons ou une cathode thermoionique .
Un tube à rayons X conforme à l'invention peut être puisé.
D'une façon générale on peut soit puiser la haute tension appliquée à l'anode de ce tube, pour que les électrons soient alternativement attirés puis repoussés par cette anode, soit puiser la source d'électrons de façon que le faisceau d'électrons soit alternativement émis puis pas émis. On peut par exemple porter l'anode à la haute tension (constante dans le temps) et puiser la cathode à micropointes pour générer des courants-crêtes d'électrons de plusieurs mA, sous forme d'impulsions de
durée atteignant 100 ps ou moins, et séparées par des temps morts de durée plus ou moins longue.
Dans le cas d'un tube puisé, on dirige encore le faisceau d'électrons grâce à l'action d'un champ magnétique comme on l'a vu dans les exemples des figures 1 à 4.
On peut appliquer un tel tube puisé à la photographie X puisée.
Dans l'invention, on peut bien sûr utiliser une cathode à micropointes ayant une structure matricielle et commander successivement les différentes rangées de cette cathode à micropointes, ce qui correspond également à un fonctionnement en mode puisé du tube à rayons X comprenant cette cathode à structure matricielle.
Dans la présente invention, on peut utiliser en tant qu'anode une plaque d'aluminium ou de magnésium ou une mince couche de tungstène formée par évaporation sur un support conducteur de la chaleur (afin d'évacuer cette dernière). Le matériau de l'anode est choisi dans la classification périodique des éléments en fonction de l'application.
On précise que la fenêtre 14 qui ferme l'enceinte à vide 2 est suffisamment épaisse pour assurer l'étanchéité mais suffisamment mince pour ne pas trop absorber les rayons X émis lorsque le tube à rayons X fonctionne. Pour des fenêtres de petite taille, on peut utiliser des membranes d'épaisseur nanométrique. Cette fenêtre peut avoir une structure alvéolée assurant à la fois la rigidité et l'étanchéité au vide et la transmission des rayons X grâce aux épaisseurs les plus fines.
L' épaisseur de cette fenêtre dépend du diamètre de celle-ci et peut être de l'ordre de 100 μm ou moins par endroits et dans le cas des membranes elle peut être de quelques centaines de nanomètres . Si on le souhaite, on peut disposer dans cette enceinte 2 un élément de type getter pour maintenir une très basse pression.
On peut associer à un tube à rayons X conforme à l'invention un système de régulation du courant électronique émis par la cathode à micropointe (s) comme l'illustre schématiquement la figure 5.
On voit sur celle-ci la cathode à micropointe (s) 4, une seule micropointe 6 étant représentée et reposant sur une couche conductrice 38 mise à la masse.
Cette couche 38 repose elle-même sur un substrat 40 par exemple en silicium.
On voit aussi la grille 16 percée en regard de la micropointe et électriquement isolée de la couche 38 par une couche 42 de Si02.
On voit également l'anode 10 du tube à rayons X ainsi que des moyens 44 permettant d'appliquer une tension appropriée variable positive à la grille 16 par rapport à la micropointe 6 et des moyens 46 permettant d'appliquer une haute tension appropriée positive à l'anode 10 par rapport à la micropointe.
Une résistance 48 de valeur r est montée entre la masse et la borne négative des moyens 46 d'application de la haute tension à l'anode.
Le système de régulation comprend un amplificateur opérationnel 50 qui commande les moyens d'application de tension 44 en fonction d'une valeur de
tension de référence R fixée par les utilisateurs et de l'image en tension du courant circulant dans la résistance 48.
Plus précisément, les électrons entrant dans l'anode 10 correspondent à un courant d'intensité i..
Celui-ci provient de la masse, passe par la résistance 48 et par l'alimentation (moyens d'application) 46. Aux bornes de la résistance 48 existe une tension V égale à r.i.
Cette tension V est envoyée à l'amplificateur opérationnel 50 et ce dernier compare cette tension V a la tension de référence R correspondant au courant désiré par l'utilisateur.
Ce système de régulation est connu. Les exemples de l'invention qui ont été décrits en faisant référence aux figures 1 à 4 utilisent des anodes planes. Cependant on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant des anodes d'un autre type par exemple des « anodes tournantes » de forme cylindrique.
Claims
1. Tube à rayons X comprenant :
- au moins une source d'électrons (4) dont une zone, appelée première zone, est destiné à émettre des électrons,
- au moins une anode (10, 18) dont une zone, appelée deuxième zone, est destinée à émettre des rayons X sous l'impact de ces électrons, et
- des moyens (12, 30) de guidage sur cette deuxième zone, des électrons émis par la première zone, ce tube à rayons X étant caractérisé en ce que la source d'électrons (4) est une source d'électrons à au moins une micropointe (6, 20) et à grille d'extraction
(16) et en ce que les moyens de guidage sont des moyens de guidage magnétique (12, 30) aptes à créer un champ magnétique qui est homogène au moins dans le volume compris entre les première et deuxième zones, les caractéristique vectorielles de ce champ étant telles que la deuxième zone est homothétique de la première zone.
2. Tube à rayons X selon la revendication 1, dans lequel la source d'électrons (4) comprend une seule micropointe (6) .
3. Tube à rayons X selon la revendication 1, dans lequel la source d'électrons (4) comprend une pluralité de micropointes (6).
4. Tube à rayons X selon la revendication 1, comprenant une pluralité de sources d'électrons, une zone émettrice de rayons X correspondant à chaque source d'électrons.
5. Tube à rayons X selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une seule anode
(10) .
6. Tube à rayons X selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une pluralité d'anodes (10, 18), chaque anode étant associée à au moins une micropointe (6, 20) .
7. Tube à rayons X selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la source d'électrons (4) est puisée de manière à obtenir des impulsions de rayons X.
8. Tube à rayons X selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre une grille (17) électriquement conductrice qui est disposée entre la source d'électrons et chaque anode, cette grille étant polarisée de manière à empêcher des ions d'atteindre la source d'électrons et à éviter la formation d'arcs électriques entre cette source d'électrons et chaque anode.
9. Tube à rayons X selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les moyens de guidage magnétique comprennent un ou des aimants (30) ou des bobines de Helmholtz (12) ou à la fois un ou des aimants et des bobines de Helmholtz.
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