WO1999057946A1 - Source de rayons x et application a la radiographie - Google Patents
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- WO1999057946A1 WO1999057946A1 PCT/FR1999/001052 FR9901052W WO9957946A1 WO 1999057946 A1 WO1999057946 A1 WO 1999057946A1 FR 9901052 W FR9901052 W FR 9901052W WO 9957946 A1 WO9957946 A1 WO 9957946A1
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- H01J35/00—X-ray tubes
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- H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
Definitions
- the present invention relates to X-ray emission devices. More specifically, the invention relates to a new source of X-rays for applications in radiology, in particular medical.
- Cyclotronique Electronique different from that used by existing tube installations, and whose implementation does not require a high voltage supply. This principle, which was described in an article published in 1990 by MM. Garner et al. In Review of Scientific Instrumentation, is schematically the following: electrons emitted by a heated filament in a cavity, exposed to microwave radiation, enter certain resonant conditions to create a plasma in which, having reached levels of high energy, said electrons move at high speed. If a solid target is placed on the path of these energetic electrons, it can emit X-rays.
- 5,355,399 is a device operating according to the same principle as the devices of the patents cited above and emitting X-rays, and a method associated with this device for producing radiographic images. But in this latter device, the target located in the median plane of the magnetic field disturbs the generation of energetic electrons, which leads to limiting the flow of X-rays emitted by the device. This has a direct influence on the operation of the device and on the quality of the images, since a low X-ray rate implies long exposure times of the subject to be radiographed, which, on the one hand, is restricting in practice and, on the other hand, decreases the resolution of the image obtained due to the movements of the subject during the exposure time. This important limitation prohibits operational operation of the device.
- An object of the present invention is to make it possible to produce a radiology device according to the principle of X-ray emission by RCE, so as to have an X-ray rate sufficient in particular to produce images of at least equal quality. to that of the current stereotypes produced by apparatuses with tubes, by using a source of X-rays compact and transportable, not implementing high voltage supply.
- a second object of the invention is to make it possible to produce an X-ray source whose response time to a control signal is short enough to produce fixed or animated radiography images,
- a third object of the invention is to allow stereoradiography images to be produced and to produce radiographic images in relief.
- an X-ray emission device comprising a microwave source, a resonance chamber containing a hermetically confined volume of gas, a magnetic structure defining a geometric zone.
- electron confinement in which electrons move at high speed and at least one target placed on an electron path to emit X-rays, characterized in that the or each target is offset relative to a median region of the geometric containment area.
- the magnetic field is symmetrical and the middle region of the geometric confinement zone is a plane
- the magnetic structure comprises at least one pair of permanent magnets placed on either side of the resonance chamber, the magnetic structure comprises coils placed on either side of the resonance chamber,
- the means for varying the intensity of the current in the coils are capable of carrying out the variation in intensity slowly enough to allow the electrons to keep substantially invariant the ratio B / ⁇ , where B is the value of the magnetic field and ⁇ ⁇ l-tWc 2 , v being the speed of the electron, c the speed of light and ⁇ the mass of the electrons,
- the device comprises means for adjusting the configuration of the magnetic structure so as to vary the energy of the X-rays emitted
- the device comprises means for adjusting the position of the target (s) so as to vary the energy of the X-rays emitted,
- the microwave source comprises means for modulating the emission of microwaves
- the device comprises two targets
- the invention also proposes an X-ray installation comprising an X-ray emission device according to one of the aspects described above and comprising two targets, means for forming two X-ray images of the same object according to two different angles and means for reconstructing a stereoradiography image of said object.
- FIG. 1 is a schematic view of an XRCE source of a known type
- Figure 2 is a schematic front view of an XRCE source of a known type
- Figure 3 is a schematic view of the trajectory of energetic electrons in the middle region of the magnetic field of an XRCE source
- Figure 4 is a graph showing the variation of the intensity of the X-ray emitted as a function of the position of the target relative to the median plane of the magnetic field
- Figures 5a and 5b show trajectories of energetic electrons in an XRCE source, obtained by modeling for a distance between the magnets of 6.2 cm.
- the energy of the electrons is 36 to 38 keV (FIG. 5a) and 40 keV (FIG. 5b), FIGS.
- FIG. 6a, 6b and 6c are schematic representations of the position of a target in a device according to the invention
- Figure 7 is a graph showing the evolution of the intensity and energy of the X-ray spectrum emitted by an XRCE source, as a function of the distance between the magnets. The lower curve corresponds to a distance of 6.3 cm and the upper curve to a distance of 9.1 cm
- Figure 8 is a graph showing the variation of the intensity and energy of the X-ray spectrum emitted by an XRCE source, as a function of the distance between the magnets
- FIG. 9 is a graph showing the variation of the dose rate of an XRCE source with target as a function of the pressure, for a microwave power of 200W and a distance between the 6.2 cm magnets
- FIG. 10 is a graph showing the variation of the dose rate of an XRCE source with target as a function of the microwave power, for a distance between the magnets of 6.2 cm.
- the bottom curve corresponds to a pressure of 2.3 10 '5 Torr and the top curve corresponds to a pressure of 6.2 10 "5 Torr
- FIG. 11 is a schematic view of an XRCE source according to the invention
- FIG. 12 is an example of an image obtained using the device according to the invention
- FIG. 13 is a schematic representation of an embodiment of the target usable in the device according to the invention
- Figure 14 is a schematic top view of an alternative embodiment of the invention.
- An aluminum enclosure 10 is hermetically closed at its two ends by a window 20 which can be made of a material such as Teflon (registered trademark) or quartz, and by an aluminum window 30, respectively.
- the enclosure 10 thus closed by the windows 20 and 30 defines a cavity 40 filled with argon, the pressure of which is maintained at a set value which can be between 10 "6 and 10 " 4 Torr, thanks to a pressure regulator of a type known per se and not shown in the figures.
- On either side of the cavity 40 are two permanent magnets 50 and 51, identical and coaxial, inducing a magnetic field B of axis Z.
- This magnetic field is symmetrical with respect to a median plane M containing a main direction of the cavity 40 and having an intersection with said cavity.
- a microwave source 60 facing the window 20 is capable of injecting through said window microwaves of frequency F typically equal to 2.45 Gigahertz, to excite the electrons contained in the cavity 40.
- a target 90 in tungsten is carried by a fixed support 80, so as to be in the median plane M.
- a receiving plate carrying a photosensitive film 100, of a known type and usually used in radiology, is located next to the aluminum window 30.
- the device in FIG. 1 is capable of emitting X-rays according to the following known principle: Subjected to the radiation of microwaves from source 60, the electrons become “energetic", that is to say that their energy increases, and each move according to particular trajectories. There thus exists between the two magnets a so-called confinement zone H, having substantially the shape of a hyperboloid of revolution of axis Z, in which are registered the trajectories of the electrons entering in resonance with the microwaves and being charged in energy . The energy of the electrons increases as long as said electrons are contained in this resonance zone, and a part of the trajectories of the energetic electrons is consequently included in the resonance zone H, represented in FIG. 2.
- a tungsten target 90 is placed in the part of the median plane M included in said hyperboloid and is thus on the trajectory of energetic electrons.
- the X-rays generated by this bombardment of the target 90 by the electrons, are directed towards the aluminum window 30 thanks to an adequate orientation of said target 90, as illustrated in FIG. 3 which schematically represents the envelope of the trajectory T of an energetic electron in the median plane M.
- the aluminum window 30 has two functions: on the one hand, it seals the cavity 40 so as to contain the argon under low pressure inside said cavity, on the other hand it must also be thin enough to allow the X-rays to exit from said cavity to go and strike the film 100. It is possible, using a device of this type, to make images of an object or of a part of the exposed body (e) between the aluminum window 30 and the film 100. But as we said, the pictures obtained with this existing device, in which the target is placed in the median plane M, are of low resolution.
- the Applicant has discovered that it was possible to substantially increase the density of the X-ray radiation emitted by an XRCE source, by shifting the position of the target outside the median plane M of the magnetic field. To highlight this property, the Applicant has varied the position of the target on either side of the median plane, keeping the radius constant (distance between the target and the Z axis). The results of this experiment, which are presented in Figure 4, show that there is an optimal position of the target relative to the median plane.
- the Applicant has modeled the trajectory of energetic electrons in cavity 40.
- the model used has been validated experimentally by comparing the energy levels of electrons, as shown in the tables below which show the levels d 'maximum energy Emax of the electrons for different spacing values D between the magnets of the source, said maximum energies being obtained on the one hand by modeling and on the other hand experimentally:, (c ⁇ ) jj: if ⁇ X ; f ⁇ odél ⁇ ⁇ fj ⁇ cm): s £ ⁇ a ⁇ ô) ⁇ érme ⁇ tâf6.
- FIG. 6a By placing the target 90 in the median plane as illustrated in FIG. 6a in which the resonance zone H and the envelope E of the traces of the trajectory of an energetic electron in the horizontal plane comprising the Z axis are represented schematically, we are therefore guaranteed to intercept the electrons from the start of their movement in the resonance zone, whereas said electrons will probably only be not very energetic.
- FIG. 6c illustrates an intermediate position of the target on the path of the electrons, between the central position of FIG. 6a and the marginal position of FIG. 6b.
- the Applicant has identified parameters influencing the operation of an XRCE source, and characterized the influence of these input parameters of the device on the emission of X-rays, which is itself described by two output parameters.
- the following table summarizes the input and output parameters of the device: Paranrieter d ⁇ ⁇ l ⁇ j ⁇ erjtré ⁇ II
- Incident microwave power P ⁇ Radiation intensity (I), assimilable Gas pressure in the cavity (P) at the dose rate (Dd) Magnetic field (B), and distance between the magnets (D)
- the dose rate of the X-rays emitted depends on the power of the microwaves coming from the source 60.
- FIG. 10 indeed shows the increase in the dose rate Dd emitted by a target placed in an XRCE source, as a function of the power P ⁇ from microwaves. This property is also important because the dose rate is a parameter which seems to limit the performance of existing XRCE sources and currently prohibits their operational exploitation. Among the operational parameters, the power P ⁇ of the microwaves is therefore one of the factors making it possible to achieve the desired dose rate.
- the source according to the invention is provided with a device 70 for three-dimensional movement of the support 80 of the target 90.
- Said target intercepting the electrons when they are located on the part of their path located on the side of microwave source 60, is according to the invention placed by means of the displacement device 70 in a plane N parallel to the median plane M and offset by a distance ⁇ z relative to said plane M.
- the target 90 is in this embodiment of the invention consists of a beveled surface at the end of a bar, but may consist of a flat surface element of any geometry, the orientation of which is controlled to direct the beam of X-rays emitted.
- the displacement device 70 makes it possible to adjust the position of the target with an accuracy of the order of a millimeter or better.
- the support 80 of the target 90 is made of a material resistant to the impacts of energetic electrons, such as ceramic.
- the magnets 50 and 51 are not fixed as in the known device of FIG. 1, but are able to move along the magnetic axis Z, to traverse the segments 500 and 510 respectively. The movement of the magnets can be controlled by a positioning system also known per se, not shown in FIG. 11.
- the microwave source 60 delivers a radiation whose power is adjustable, for example between 0 and 1000 W.
- the device according to the invention therefore allows adjustments to be made to adjust the energy of the X-rays on the one hand, and their dose rate on the other. 13
- FIG. 12 An example of an x-ray image obtained on film 100 is shown in FIG. 12.
- the microwave source 60 can emit in an impulse manner in the direction of the cavity 40.
- This impulse command makes it possible to generate energetic electrons in the cavity in an equally impulse mode, because the times rise and fall of electron energy are extremely short.
- X-ray pulses are thus generated at the source, the durations of which can typically be of the order of nannoseconds.
- This variant is therefore particularly advantageous for applications which require only reduced exposure times, such as scintigraphy or fluorometry which require exposure times of the order of a millisecond.
- the pulse emission allows for these applications to minimize the effective exposure time, compared to existing tube installations which have significant rise times ("heating" of the cathode) and which expose the subject unnecessarily, causing risks carcinogenesis.
- the XRCE source comprises two targets 91 and 92, mounted on the support 80 as shown in FIG. 13.
- This particular configuration makes it possible to have two X-ray emission points.
- the two targets By placing, thanks to the displacement device 70 and as indicated in FIG. 14, the two targets symmetrically with respect to the median plane M, electrons are intercepted with the two targets making it possible to emit according to the same spectrum.
- a fourth variant of the invention it is possible to use to create the magnetic field B both permanent magnets and at least one pair of coils in which the current is slowly varied to generate a variable magnetic field superimposed on the fixed magnetic field B generated by permanent magnets.
- a variation of the magnetic field if it extends over a time interval typically greater than one millisecond, makes it possible to keep the ratio B / ⁇ invariant, where B is the value of the magnetic field and ⁇ a value directly related to energy.
- B is the value of the magnetic field and ⁇ a value directly related to energy.
- the present description uses for illustration purposes an XRCE source configuration in which the magnetic field is symmetrical and defines a median plane M in which energetic electrons are confined.
- the invention is in no way limited to this particular embodiment. It is indeed possible according to the invention to develop an XRCE source in which the magnetic field is not symmetrical; such an XRCE source will also include a confinement zone of energetic electrons comprising a median region, equivalent to the median plane M used in the present description, the geometry of said median region possibly being non-planar.
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'émission de rayons X comprenant une source de micro-ondes (60), une chambre de résonance (10) contenant un volume de gaz hermétiquement confiné, une structure magnétique (50, 51) définissant une zone géométrique (H) de confinement d'électrons dans laquelle des électrons se déplacent à grande vitesse et au moins une cible (90, 91, 92) placée sur un trajet d'électrons pour émettre des rayons X. Selon l'invention, chaque cible est décalée par rapport à une région médiane (M) de la zone géométrique de confinement (H).
Description
SOURCE DE RAYONS X ET APPLICATION A LA RADIOGRAPHIE
La présente invention concerne les dispositifs d'émission de rayons X. Plus précisément, l'invention concerne une nouvelle source de rayons X pour des applications en radiologie, en particulier médicale.
Les sources actuelles de rayons X mettent en œuvre des tubes contenant un gaz , sous une pression très basse (de l'ordre de10'9 Torr), dans lesquels une différence de potentiel de l'ordre de 50 à 100 kilovolts entre une cathode et une cible permet de générer un flux d'électrons se déplaçant à grande vitesse pour venir frapper la cible et émettre des rayons X. Leur fonctionnement nécessitant une alimentation haute tension, ces installations sont par nature fixes, lourdes et encombrantes. De plus, la présence des transformateurs nécessaires à l'alimentation haute tension rend le coût total des installations élevé, et impose des protocoles de fonctionnement et de maintenance particulièrement contraignants.
On connaît un principe d'émission de rayons X par RCE (Résonance
Cyclotronique Electronique), différent de celui utilisé par les installations à tubes existantes, et dont la mise en œuvre ne nécessite pas d'alimentation haute tension. Ce principe, qui a été décrit dans un article publié en 1990 par MM. Garner et al. In Review of Scientific Instrumentation, est schématiquement le suivant : des électrons émis par un filament chauffé dans une cavité, exposés à un rayonnement de micro-ondes, entrent dans certaines conditions en résonance pour créer un plasma dans lequel, ayant atteint des niveaux d'énergie élevés, lesdits électrons se déplacent à grande vitesse. Si on place sur la trajectoire de ces électrons énergétiques une cible solide, celle-ci peut émettre des rayons X. En créant, à l'aide de deux aimants placés symétriquement par rapport à la cavité, un champ magnétique dont le plan médian intersecte le volume de la cavité, on observe des trajectoires d'électrons énergétiques ayant la forme générale d'un anneau sensiblement inscrit dans ledit plan médian. Il est alors possible de placer la cible dans ce plan, afin d'intercepter des électrons
énergétiques avec la cible pour donner lieu à une émission de rayons X. Les rayons X émis sont ensuite filtrés par une mince fenêtre réalisée en un matériau tel que le verre, capable de garantir l'étanchéité de la cavité au gaz, mais laissant passer les rayons X. La mise en œuvre de ce principe comporterait des avantages très importants par rapport aux sources actuelles à tubes : il ne serait plus nécessaire de prévoir de source d'alimentation électrique haute tension, ce qui rendrait l'installation plus sûre, plus simple à utiliser, plus économique et considérablement plus compacte. Des tentatives ont été faites pour élaborer des sources de rayons X sur le fondement du principe d'émission par RCE. Ces tentatives, décrites en particulier dans les brevets US 5323442, US 5282899 et US 5327475, ont certes permis de produire des rayons X, mais en quantité et à des niveaux d'énergie qui semblent insuffisants pour envisager une utilisation opérationnelle notamment en radiologie médicale. En particulier, certaines applications de radiologie médicale nécessitent de produire avec une densité suffisante un flux de rayons X d'une énergie voisine de 100 keV, et les tentatives évoquées ci-dessus ne semblent pas capables de produire de tels flux de rayons X. On connaît également par le brevet US 5355399 un dispositif fonctionnant selon le même principe que les dispositifs des brevets cités ci- dessus et émettant des rayons X, et une méthode associée à ce dispositif pour produire des clichés radiographiques. Mais dans ce dernier dispositif, la cible située dans le plan médian du champ magnétique perturbe la génération des électrons énergétiques, ce qui conduit à limiter le débit de rayons X émis par le dispositif. Ceci a une influence directe sur le fonctionnement du dispositif et sur la qualité des images, car un débit de rayons X faible implique des temps d'exposition du sujet à radiographier longs, ce qui, d'une part, est contraignant en pratique et, d'autre part, diminue la résolution de l'image obtenue à cause des mouvements du sujet pendant le temps d'exposition. Cette limitation importante interdit une exploitation opérationnelle du dispositif. On ne dispose donc pas
actuellement de source de rayons X par RCE réellement opérationnelle, alors que qu'une telle source pourrait grâce à sa compacité être transportable, et élargir ainsi considérablement le domaine d'application des appareils d'imagerie par rayons X (utilisation en imagerie médicale dans des environnements difficilement accessibles, par exemple sur le site d'un accident, ou en imagerie industrielle, par' exemple dans des sous-marins, des avions ou des usines ).
Un but de la présente invention est de permettre de réaliser un dispositif de radiologie selon le principe d'émission de rayons X par RCE, de manière à disposer d'un débit de rayons X suffisant en particulier pour produire des images de qualité au moins égale à celle des clichés actuels produits par des appareils à tubes, en utilisant une source de rayons X compacte et transportable, ne mettant pas en œuvre d'alimentation haute tension. Un deuxième but de l'invention est de permettre de réaliser une source de rayons X dont le temps de réponse à un signal de commande soit suffisamment court pour produire des images de radiographie fixes ou animées,
Un troisième but de l'invention est de permettre de réaliser des images de stereoradiographie et de produire des images radiographiques en relief.
Afin d'atteindre ces buts, la présente invention propose selon un premier aspect un dispositif d'émission de rayons X comprenant une source de micro-ondes, une chambre de résonance contenant un volume de gaz hermétiquement confiné, une structure magnétique définissant une zone géométrique de confinement d'électrons dans laquelle des électrons se déplacent à grande vitesse et au moins une cible placée sur un trajet d'électrons pour émettre des rayons X, caractérisé en ce que la ou chaque cible est décalée par rapport à une région médiane de la zone géométrique de confinement.
Des aspects préférés, mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants :
- le champ magnétique est symétrique et la région médiane de la zone géométrique de confinement est un plan,
- la structure magnétique comprend au moins une paire d'aimants permanents placés de part et d'autre de la chambre de résonance, - la structure magnétique comprend des bobines placées de part et d'autre de la chambre de résonance,
- il est prévu des moyens pour faire varier l'intensité du courant dans les bobines,
- les moyens pour faire varier l'intensité du courant dans les bobines sont aptes à effectuer la variation d'intensité assez lentement pour permettre aux électrons de conserver sensiblement invariant le rapport B/γ, où B est la valeur du champ magnétique et γ^l-tWc2, v étant la vitesse de l'électron, c la célérité de la lumière et γ la masse des électrons,
- le dispositif comprend des moyens pour ajuster la configuration de la structure magnétique de manière à faire varier l'énergie des rayons X émis,
- le dispositif comprend des moyens pour ajuster la position de la ou des cible(s) de manière à faire varier l'énergie des rayons X émis,
- la source de micro-ondes comprend des moyens pour moduler l'émission de micro-ondes, - le dispositif comprend deux cibles,
- les positions des deux cibles sont symétriques par rapport à la région centrale de la zone géométrique de confinement,
Selon un deuxième aspect, l'invention propose également une installation de radiographie comprenant un dispositif d'émission de rayons X selon un des aspects décrits ci-dessus et comportant deux cibles, des moyens pour former deux images radiographiques d'un même objet selon deux angles différents et des moyens pour reconstituer une image de stereoradiographie dudit objet.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d'une source XRCE d'un type connu,
La figure 2 est une vue schématique de face d'une source XRCE d'un type connu, la figure 3 est une vue schématique de la trajectoire des électrons énergétiques dans la région médiane du champ magnétique d'une source XRCE, la figure 4 est un graphe montrant la variation de l'intensité du rayonnement X émis en fonction de la position de la cible par rapport au plan médian du champ magnétique, les figures 5a et 5b montrent des trajectoires d'électrons énergétiques dans une source XRCE, obtenues par modélisation pour une distance entre les aimants de 6,2 cm. L'énergie des électrons est de 36 à 38 keV (figure 5a) et de 40 keV (figure 5b), les figures 6a, 6b et 6c sont des représentations schématiques de la position d'une cible dans un dispositif selon l'invention, la figure 7 est un graphe montrant l'évolution de l'intensité et de l'énergie du spectre de rayons X émis par une source XRCE, en fonction de la distance entre les aimants. La courbe inférieure correspond à une distance de 6,3 cm et la courbe supérieure à une distance de 9,1 cm, la figure 8 est un graphe montrant la variation de l'intensité et de l'énergie du spectre de rayons X émis par une source XRCE, en fonction de la distance entre les aimants, la figure 9 est un graphe montrant la variation du débit de dose d'une source XRCE avec cible en fonction de la pression, pour une puissance micro-ondes de 200W et une distance entre les aimants de 6,2 cm, la figure 10 est un graphe montrant la variation du débit de dose d'une source XRCE avec cible en fonction de la puissance micro-ondes, pour une distance entre les aimants de 6,2 cm. La courbe du bas correspond à une pression de 2,3 10'5 Torr et la courbe du haut correspond à une pression de 6,2 10"5 Torr,
la figure 11 est une vue schématique d'une source XRCE selon l'invention, la figure 12 est un exemple d'image obtenue grâce au dispositif selon l'invention, la figure 13 est une représentation schématique d'un mode de réalisation de cible utilisable dans le dispositif selon l'invention, la figure 14 est une vue schématique de dessus d'une variante de réalisation de l'invention.
On précise, en préalable à la description suivante, que les éléments identiques ou équivalents des dispositifs décrits sont dans la mesure du possible indexés de la même manière en référence à des figures différentes.
En référence tout d'abord à la figure 1 , on va décrire une source de rayons X par RCE (source XRCE) d'un type déjà connu en soi. Une enceinte 10 en aluminium est hermétiquement close à ses deux extrémités par une fenêtre 20 pouvant être réalisée dans un matériau tel que le Téflon (marque déposée) ou le quartz, et par une fenêtre en aluminium 30, respectivement. L'enceinte 10 ainsi close par les fenêtres 20 et 30 définit une cavité 40 remplie d'argon, dont la pression est maintenue à une valeur de consigne pouvant être comprise entre 10"6 et 10"4 Torr, grâce à un régulateur de pression d'un type connu en soi et non représenté sur les figures. De part et d'autre de la cavité 40 se trouvent deux aimants permanents 50 et 51 , identiques et coaxiaux, induisant un champ magnétique B d'axe Z. Ce champ magnétique est symétrique par rapport à un plan médian M contenant une direction principale de la cavité 40 et ayant une intersection avec ladite cavité. Une source de micro-ondes 60 en regard de la fenêtre 20 est apte à injecter à travers ladite fenêtre des micro- ondes de fréquence F typiquement égale à 2,45 Gigahertz, pour exciter les électrons contenus dans la cavité 40. Une cible 90 en tungstène est portée par un support fixe 80, de façon à se trouver dans le plan médian M. Une plaque réceptrice portant un film photosensible 100, d'un type connu et
habituellement utilisé en radiologie, est située en regard de la fenêtre d'aluminium 30.
Le dispositif de la figure 1 est apte à émettre des rayons X selon le principe connu suivant : Soumis au rayonnement des micro-ondes issues de la source 60, les électrons deviennent « énergétiques », c'est à dire que leur énergie augmente, et se déplacent chacun selon des trajectoires particulières. Il existe ainsi entre les deux aimants une zone H dite de confinement, ayant sensiblement la forme d'un hyperboloïde de révolution d'axe Z, dans laquelle sont inscrites les trajectoires des électrons entrant en résonance avec les micro-ondes et se chargeant en énergie. L'énergie des électrons augmente tant que lesdits électrons sont contenus dans cette zone de résonance, et une partie des trajectoires des électrons énergétiques est par conséquent comprise dans la zone de résonance H, représentée sur la figure 2. En présence du champ magnétique symétrique B, la majorité des électrons sont de plus confinés dans le plan médian M, et leurs trajectoires sont proches d'un cercle inscrit dans ledit plan médian. Selon l'état de la technique, une cible en tungstène 90 est placée dans la partie du plan médian M comprise dans ledit hyperboloïde et se trouve ainsi sur la trajectoire d'électrons énergétiques. Les rayons X générés par ce bombardement de la cible 90 par les électrons, sont dirigés vers la fenêtre d'aluminium 30 grâce à une orientation adéquate de ladite cible 90, comme illustré sur la figure 3 qui représente schématiquement l'enveloppe de la trajectoire T d'un électron énergétique dans le plan médian M. La fenêtre d'aluminium 30 a deux fonctions : d'une part, elle assure l'étanchéité de la cavité 40 de manière à contenir l'argon sous basse pression à l'intérieur de ladite cavité, d'autre part elle doit également être assez mince pour laisser les rayons X sortir de ladite cavité pour aller frapper le film 100. On peut grâce à un dispositif de ce type réaliser des images d'un objet ou d'une partie du corps exposé(e) entre la fenêtre d'aluminium 30 et le film 100.
Mais comme on l'a dit, les clichés obtenus avec ce dispositif existant, dans lequel la cible est placée dans le plan médian M, sont de résolution faible.
La Demanderesse a découvert qu'il était possible d'augmenter sensiblement la densité du rayonnement de rayons X émis par une source XRCE, en décalant la position de la cible hors du plan médian M du champ magnétique. Pour mettre cette propriété en évidence, la Demanderesse a fait varier la position de la cible de part et d'autre du plan médian, en maintenant constant le rayon (distance entre la cible et l'axe Z). Les résultats de cette expérience, qui sont présentés sur la figure 4, montrent qu'il existe une position optimale de la cible par rapport au plan médian.
Pour expliquer ce phénomène, la Demanderesse a modélisé la trajectoire des électrons énergétiques dans la cavité 40. Le modèle utilisé a été validé expérimentalement par la comparaison de niveaux d'énergie des électrons, comme le montrent les tableaux ci-dessous qui présentent les niveaux d'énergie maximale Emax des électrons pour différentes valeurs de récartement D entre les aimants de la source, lesdites énergies maximales étant obtenues d'une part par modélisation et d'autre part expérimentalement : ,(c^)j j: if ^X;fπodél έ^f j <cm): s£§aχ ô)< érmeήtâf6.
6,2 38 6,3 35
7,2 52 7,1 40
8,6 70 8,6 60
9 90 9,1 90
Tableau 1 Tableau 2
La modélisation des trajectoires d'électrons permet ainsi d'observer sur la figure 5a que la trajectoire de l'électron coupe le plan médian M, qui correspond sur la figure à l'axe des ordonnées (Z=0), selon un cercle de rayon constant et égal à 2.5 cm, alors qu'en dehors de ce plan médian les rayons de la trajectoire sont dispersées.
En plaçant la cible 90 dans le plan médian comme illustré sur la figure 6a dans laquelle la zone de résonance H et l'enveloppe E des traces
de la trajectoire d'un électron énergétique dans le plan horizontal comprenant l'axe Z sont représentées schématiquement, on est donc assuré d'intercepter les électrons dès le début de leur déplacement dans la zone de résonance, alors que lesdits électrons ne seront probablement que peu énergétiques. En plaçant maintenant la cible sur la trajectoire de l'électron hors du plan médian comme illustré sur la figure 6b, on augmente la probabilité de n'intercepter l'électron qu'après que celui-ci ait effectué un certain nombre de révolutions autour de l'axe magnétique Z, c'est à dire qu'il ait atteint un niveau d'énergie important ; par conséquent on augmente l'énergie des rayons X émis. La figure 6c illustre quant à elle une position intermédiaire de la cible sur la trajectoire des électrons, entre la position centrale de la figure 6a et la position marginale de la figure 6b.
Afin de quantifier précisément le phénomène mis en évidence et de mettre au point un dispositif permettant en particulier de produire un débit suffisant de rayons X dont l'énergie soit voisine de 100 keV pour une utilisation en radiologie médicale, la Demanderesse a identifié des paramètres influençant le fonctionnement d'une source XRCE, et caractérisé l'influence de ces paramètres d'entrée du dispositif sur l'émission de rayons X, qui est elle-même décrite par deux paramètres de sortie. Le tableau suivant résume les paramètres d'entrée et de sortie du dispositif : Paranriètre dυ ^ l^ j ïerjtréθΕII
Position de la cible Energie des rayons émis (E)
Puissance micro-ondes incidente (Pμ) Intensité du rayonnement (I), assimilable Pression de gaz dans la cavité (P) au débit de dose (Dd) Champ magnétique (B), et distance entre les aimants (D)
A l'issue de calculs théoriques et d'expérimentations pratiques, la
Demanderesse a ainsi mis en évidence des propriétés de l'émission de rayons X par RCE, permettant d'élaborer une source XRCE comprenant au moins une cible hors du plan médian M et dont le fonctionnement est optimisé selon l'invention. Ces propriétés sont les suivantes :
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• Il est possible de faire varier l'énergie et l'intensité des rayons X émis en fonction de la distance entre les aimants qui entourent la cavité. En effet, la Demanderesse a procédé à des mesures de spectres de rayons X émis par une source XRCE. Le graphique de la figure 7 montre qu'en écartant symétriquement les aimants sans modifier la position du plan médian M du champ magnétique, on obtient en sortie une intensité de rayonnement X beaucoup plus importante. De plus, le pic d'énergie du spectre émis se déplace alors vers les énergies croissantes, et l'énergie des rayons émis augmente jusqu'à 80 keV. Dans le cas présenté sur la figure 6, le fait d'écarter les aimants de façon à faire passer leur distance de 6.3 à 9.1 cm permet d'émettre une quantité importante de rayons autour de 30 keV, ce qui permet d'envisager des applications pratiques en radiographie des tissus et plus particulièrement en mammographie.
• Il existe pour les rayons X émis une énergie E et une intensité I maximales, pour une valeur donnée de la distance D entre les aimants.
Comme exposé sur la figure 8, la Demanderesse a mis en évidence le fait qu'au delà d'une certaine valeur de D (9.6 cm dans le cas de la figure 8), l'énergie et l'intensité du spectre émis diminuaient rapidement. Ce phénomène est dû au changement de configuration de la zone de résonance H, dont l'axe de révolution bascule au-delà de cette distance
D, ce qui a pour effet de modifier le régime de fonctionnement de la source XRCE. Ainsi est-il possible dans une source XRCE d'adapter la distance D entre les aimants pour optimiser les caractéristiques du spectre d'émission des rayons X. • Il existe une valeur de la pression P de l'argon optimale pour chaque point de fonctionnement (Pμ, D), comme indiqué sur la figure 9. La mise en évidence de cette propriété permet d'ajuster au mieux, grâce au régulateur équipant la source XRCE, la pression P en fonction des valeurs de Pμ et de D. • Il existe, pour chaque valeur de D, une valeur maximale de l'énergie que peuvent avoir les électrons compris dans la zone de résonance H. Cette
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énergie maximale est très importante car elle définit la limite supérieure du niveau d'énergie des rayons X émis par la source XRCE, et par conséquent les applications pratiques envisageables. Les résultats présentés dans les tableaux 1 et 2 de la page 8, obtenus par modélisation et validés par des mesures expérimentales, mettent en évidence l'augmentation de cette énergie maximale avec la distance D. Il est ainsi possible de prévoir l'énergie maximale associée à chaque configuration des aimants. Le modèle dont les valeurs du tableau 1 sont issues permet également de calculer la trajectoire des électrons énergétiques dans la zone de résonance H. Les figures 5a et 5b montrent les trajectoires de deux électrons dont les énergies se situent de part et d'autre de la valeur de l'énergie maximale, pour un écartement des aimants de 6.2 cm. Sur la figure 5a, la trajectoire de l'électron est confinée dans la zone de résonance. Par contre, l'électron de la figure 5b a acquis un niveau d'énergie ne lui permettant pas de rester dans la zone de résonance, et la trajectoire de cet électron diverge loin du plan médian M défini par (Z=0). • Le débit de dose des rayons X émis dépend de la puissance des microondes provenant de la source 60. La figure 10 montre en effet l'augmentation du débit de dose Dd émis par une cible placée dans une source XRCE, en fonction de la puissance Pμ des micro-ondes . Cette propriété est également importante car le débit de dose est un paramètre qui semble limiter les performances des sources XRCE existantes et interdit actuellement leur exploitation opérationnelle. Parmi les paramètres opérationnels, la puissance Pμ des micro-ondes est donc l'un des facteurs permettant d'atteindre le débit de dose désiré.
Il apparaît ainsi qu'il est possible d'améliorer sensiblement les performances des sources XRCE, en augmentant d'une part l'énergie des rayons X émis par l'ajustement de la distance D entre les aimants qui créent le champ magnétique B, d'autre part le débit de dose par l'ajustement de la puissance micro-ondes Pμ et de la position de la cible en dehors du plan médian M, et en ajustant enfin la pression P à l'intérieur de la cavité.
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Les caractéristiques du dispositif selon l'invention sont représentées schématiquement sur la figure 11. Ce dispositif reprend des éléments du dispositif connu représenté sur la figure 1. Ces éléments sont référencés de la même manière que sur la figure 1 , et ils ne seront pas décrits à nouveau dans le paragraphe qui suit.
La source XRCE selon l'invention' est munie d'un dispositif 70 de déplacement tridimensionnel du support 80 de la cible 90. Ladite cible, qui intercepte les électrons lorsque ceux-ci se trouvent sur la partie de leur trajectoire située du côté de la source micro-ondes 60, est selon l'invention placée grâce au dispositif de déplacement 70 dans un plan N parallèle au plan médian M et décalé d'une distance Δz par rapport audit plan M. La cible 90 est dans ce mode de réalisation de l'invention constituée d'une surface biseautée à l'extrémité d'une barre, mais peut être constituée d'un élément de surface plane de géométrie quelconque, dont on contrôle l'orientation pour diriger le faisceau de rayons X émis. Le dispositif de déplacement 70 permet d'ajuster la position de la cible avec une précision de l'ordre du millimètre ou mieux. Un tel dispositif est connu en soi et ne sera pas décrit plus en détail dans la présente description. Il est à noter que le support 80 de la cible 90 est en une matière résistante aux impacts des électrons énergétiques, telle que de la céramique. D'autre part, les aimants 50 et 51 ne sont pas fixes comme dans le dispositif connu de la figure 1 , mais sont aptes à se déplacer selon l'axe magnétique Z, pour parcourir les segments 500 et 510 respectivement. Le mouvement des aimants peut être commandé par un système de positionnement également connu en soi, non représenté sur la figure 11. La source micro-ondes 60 délivre un rayonnement dont la puissance est ajustable, par exemple entre 0 et 1000 W. Il est ainsi possible selon l'invention d'ajuster l'écartement des aimants, la puissance micro-ondes, la position de la cible et enfin la valeur de consigne de la pression dans la cavité 40, afin d'optimiser le rayonnement émis. Le dispositif selon l'invention permet donc d'effectuer des réglages pour ajuster l'énergie des rayons X d'une part, et leur débit de dose d'autre
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part. Un exemple d'image de radiographie obtenu sur le film 100 est représenté sur la figure 12.
Selon une variante de l'invention, la source micro-ondes 60 peut émettre de manière impulsionnelle en direction de la cavité 40. Cette commande impulsionnelle permet d'engendrer dans la cavité des électrons énergétiques selon un mode également impulsionnel, du fait que les temps de montée et de descente de l'énergie des électrons sont extrêmement courts. On engendre ainsi au niveau de la source des impulsions de rayons X dont les durées peuvent être typiquement de l'ordre de la nannoseconde. Cette variante est donc particulièrement avantageuse pour les applications qui ne nécessitent que des temps d'exposition réduits, telles la scintigraphie ou la fluorométrie qui nécessitent des temps d'exposition de l'ordre de la milliseconde. L'émission impulsionnelle permet pour ces applications de minimiser le temps d'exposition effective, par rapport aux installations existantes à tubes qui ont des temps de montée (de "chauffage" de la cathode) importants et qui exposent inutilement le sujet, entraînant des risques de cancérogenèse.
Selon une autre variante de l'invention, la source XRCE comprend deux cibles 91 et 92, montées sur le support 80 comme représenté sur la figure 13. Cette configuration particulière permet de disposer de deux points d'émission de rayons X. En plaçant, grâce au dispositif de déplacement 70 et comme indiqué sur la figure 14, les deux cibles de manière symétrique par rapport au plan médian M, on intercepte avec les deux cibles des électrons permettant d'émettre selon le même spectre. Il est alors possible de placer un sujet S entre la source XRCE à deux cibles selon l'invention et le film photosensible 100, sur lequel deux images du sujet vont se former en 1 10 et 120. Ces deux images correspondent à des angles de visée différents du même sujet, et il est donc possible de combiner ces deux images pour reconstituer une image radiographique stéréoscopique. Selon une troisième variante de l'invention, il est possible de remplacer les aimants par des bobines électromagnétiques. Dans ce cas de figure, les bobines peuvent être comme les aimants montées sur un
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système de déplacement permettant de faire varier l'écartement desdites bobines. Dans cette variante avec bobines, il est également possible d'utiliser deux ou plusieurs cibles montées sur le support 80, et de faire varier l'alimentation électrique des bobines pour commander la position du plan médian M de manière à ce que les électrons viennent frapper sélectivement et alternativement les différentes cibles de la source XRCE. Cette dernière variante permet d'allonger sensiblement la durée de vie des cibles.
Selon une quatrième variante de l'invention, il est possible d'utiliser pour créer le champ magnétique B à la fois des aimants permanents et au moins une paire de bobines dans lesquelles on fait varier lentement le courant pour engendrer un champ magnétique variable superposé au champ magnétique B fixe engendré par les aimants permanents. A cet égard, il est connu qu'une variation du champ magnétique, si elle s'étend sur un intervalle de temps typiquement supérieur à une milliseconde, permet de conserver invariant le rapport B/γ, où B est la valeur du champ magnétique et γ une valeur directement reliée à l'énergie. Une telle variation constitue donc un moyen supplémentaire d'augmenter l'énergie des électrons dans la source XRCE. La présente description utilise à des fins d'illustration une configuration de source XRCE dans laquelle le champ magnétique est symétrique et définit un plan médian M dans lequel des électrons énergétiques sont confinés. Cependant, l'invention n'est aucunement limitée à ce mode de réalisation particulier. Il est en effet possible selon l'invention d'élaborer une source XRCE dans laquelle le champ magnétique n'est pas symétrique ; une telle source XRCE comprendra également une zone de confinement d'électrons énergétiques comprenant une région médiane, équivalente au plan médian M utilisé dans la présente description, la géométrie de ladite région médiane pouvant être non plane. Enfin, il est possible selon l'invention d'utiliser au moins deux cibles fixées sur le support 80, ledit support étant animé par le dispositif 70 d'un mouvement alternatif de translation selon l'axe Z, afin de présenter
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alternativement chacune des cibles aux impacts des électrons. Cette solution permet également d'allonger la durée de vie des cibles.
Claims
1. Dispositif d'émission de rayons X comprenant une source de micro-ondes (60), une chambre de résonance (10) contenant un volume de gaz hermétiquement confiné, une structure magnétique (50, 51 ) définissant une zone géométrique (H) de confinement d'électrons dans laquelle des électrons se déplacent à grande vitesse et au moins une cible (90, 91 , 92) placée sur un trajet d'électrons pour émettre des rayons X, caractérisé en ce que chaque cible est décalée par rapport à une région médiane (M) de la zone géométrique de confinement (H).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le champ magnétique est symétrique et la région médiane de la zone géométrique de confinement (H) est un plan (M).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure magnétique comprend au moins une paire d'aimants (50, 51 ) permanents placés de part et d'autre de la chambre de résonance (10).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure magnétique comprend des bobines placées de part et d'autre de la chambre de résonance (10).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour faire varier l'intensité du courant dans les bobines.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour faire varier l'intensité du courant dans les bobines sont aptes à effectuer la variation d'intensité assez lentement pour permettre aux électrons de conserver sensiblement invariant le rapport B/γ, où B est la
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valeur du champ magnétique et γ2=l+v2/c2, v étant la vitesse de l'électron, c la célérité de la lumière et γ la masse des électrons.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens pour ajuster la configuration de la structure magnétique de manière à faire varier l'énergie des rayons X émis.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens (70, 80) pour ajuster la position de la ou des cible(s) (90, 91 , 92) de manière à faire varier l'énergie des rayons X émis.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de micro-ondes comprend des moyens pour moduler l'émission de micro-ondes .
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend deux cibles.
1 1. Dispositif selon la revendication 10, caractéπsé en ce que les positions des deux cibles sont symétriques par rapport à la région centrale de la zone géométrique de confinement (H).
12. Installation de radiographie comprenant un dispositif d'émission de rayons X selon la revendication 10 ou 1 1 , des moyens (91 , 92, 100) pour former deux images radiographiques d'un même objet (S) selon deux angles différents et des moyens pour reconstituer une image de stereoradiographie dudit objet (S).
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