dans les limites du raisonnable

Production des rayons X en imagerie par projection et en scanographie

D. Régent, D. Mandry, V. Croise-Laurent, A. Oliver, F. Jausset, V. Lombard

Le tube radiogène reste le facteur limitant dans les techniques d’imagerie roentgéniennes exigeantes : angiographies et radiologie interventionnelle, scanographie avec rapport signal sur bruit (résolution en contraste) élevé, en particulier chez les sujets en surpoids. L’optimisation de la qualité d’image et la réduction des doses

dans les limites du raisonnable

nécessitent une bonne compréhension du rôle des différents paramètres : intensité du courant–tube (mA), différence de potentiel aux bornes du tube (kVp), durée des expositions (s) dans les composants géométriques (flous géométrique, cinétique, de détection, morphologique) et photographiques (contraste, densité) de l’image, en scanner comme en radiographie par projection. La technologie des tubes radiogènes a beaucoup évolué, dans la discrétion médiatique, au cours des dernières décennies, en particulier pour répondre aux exigences croissantes du scanner (acquisitions multiphasiques avec reconstruction

en temps réel

ou presque, etc. ; grandes longueurs des segments explorés). Les caractéristiques significatives des tubes se sont modifiées ; la capacité de dissipation calorifique de l’ensemble tube–gaine est beaucoup plus importante en scanographie que la puissance des foyers du tube ; les technologies utilisées (diamètre, masse et composition de l’anode, enceintes métal–céramique, modalités de dissipation thermique par rayonnement et par convection, etc.) sont devenues des critères essentiels de choix car la performance des machines, au quotidien, est sous leur totale dépendance. Il faut donc que les radiologues fassent l’effort de s’investir dans ces domaines techniques s’ils veulent rester des interlocuteurs crédibles, capables d’argumenter des choix de matériel sur des bases médicotechniques plutôt que médicoéconomiques (trop souvent devenues purement économiques).

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Mots-clés :RayonsX;TubesàrayonsX;Scanographie–technique;Radiographieparprojection–technique

Plan

■Généralités 1

■Basesphysiquesdelaproductiondesrayons

Xenradiodiagnostic 2

■Tubesradiogènes–Caractèresgénéraux 2

Enceinteouampouledeverre 3

Cathode 6

Principedufoyerlinéaire 7

Anode 11

Tubesàeffetdegrille 11

Courantdesaturation 11

Effetdetalondel’anode 12

Gaineetcâbleshautetension 13

CaractéristiquesetabaquesdechargesdestubesàrayonsX 14

TubesàrayonsXmétal/céramique 14

Rayonnementextrafocal 14

Allongementdeladuréedeviedestubesradiogènes

etaccroissementdelacapacitécalorifiquemaximaledestubes

radiogènes 14

IntensitédufaisceauderayonsX 16

Filtrationadditionnelledestubesradiogènes 16

CollimationdufaisceauderayonsX 16

■Tubesradiogènesenscanographie 16

Capacitécalorifiquemaximaledestubesenscanographie 18 Capacitédedissipationthermiquemaximaledesensembles

gaine–tube–systèmederefroidissementenscanographie 18

■Conclusion 20

Généralités

La production des rayonsX reste un sujet technologique de la plus haute importance dans les deux grands domaines d’applicationdelaradiologie«roentgénienne»quesont:

• l’imagerieparprojection,qu’elle soitradiographique (clichés standard),radioscopiquetélévisée(enparticulierpourlesgestes radioguidésenradiologieetencardiologieinterventionnelle) ousériographique(angiographienumériséeetimagerievolu- mique par acquisition rotatoire). À l’heure actuelle, toutes cestechniques sonttotalement numérisées, quelque soit le système de détection (écrans radioluminescents à mémoire [ERLM]ou«plaquesphosphore»;amplificateursdeluminance deplusenplusremplacésparlescapteursplansdynamiques), mais la qualité d’image reste totalement dépendante de la

maîtrise du contraste par le choix judicieux des paramètres d’exposition (en particulier le kilovoltagemais aussila limi- tation du rayonnement diffusé) et de la résolution spatiale parl’utilisationadéquatedupetitfoyerdestubesradiogènes, lorsque cela est possible. La radioprotection est également directementdépendanted’uneutilisationrationnelleetraison- née des paramètres d’exposition, permettant de résoudre au mieuxlescompromisnécessairesentredosedélivréeetqualité d’image;

• l’imagerie scanographique dans laquelle la production des rayonsX reste le seul facteur limitant la longueur et/ou la répétition des séquences d’acquisition dans les explorations multiphasiques,endépitdelaréductiondesdosesnécessaires renduepossibleparlestechniquesrécentesetàvenirderecons- tructionparitérations.Ils’agitdelimitesphysiquesdirectement liéesaumécanismedeproductiondesrayonsXetàl’inévitable production massive de chaleur qui lui est associée. C’est donc, àl’heureactuelle,la capacitédedissipationthermique de l’ensemble«tube radiogène–gaine–systèmes de refroidis- sement» qui définit les possibilités exactes d’acquisition scanographique dans les circonstances les plus exigeantes (explorationsmultiphasiquesdesegmentscorporelsdegrande longueur, même avec un pitch élevé ou plus encore explorations multiphasiques de segments corporels relati- vement courts mais avec des acquisitions «chevauchées» [pitch<1] pour obtenir un rapport signal sur bruit élevé [explorations scanographiques cardiaques et coronaires en particulier]).

Les progrès réalisés dans les systèmes de détection, en par- ticulier les ERLM et les capteurs plans pour l’imagerie par projection, l’amélioration des performances des cristaux des détecteurs et le développement d’algorithmes de reconstruc- tion beaucoup plus performants (reconstruction itérative) en scanographie ont diminué, parfois de fac¸on massive, les exi- gencesenmatièrederadiationsionisantestoutenmaintenant, lorsque l’onrespecte desconditions deréalisationraisonnables des examens, une qualitéd’image acceptable surle plan diag- nostique.Iln’endemeurepasmoinsquecesrésultatsoptimisés et adaptés aux circonstances restent totalement dépendants d’une utilisation judicieuse des paramètres d’exposition qui nécessite donc une parfaite maîtrise des modalités de fonc- tionnement du tube radiogène et des dispositifs qui lui sont annexés.

La radioprotection est particulièrement importante lors des examens scanographiques chez l’enfant et l’adulte jeune, en particulier la femme en âge de procréer. L’adaptation des paramètres à la morphologie des patients (indice de masse corporelle++) et l’optimisation du rapport signal sur bruit en fonctionducontrastepropredesstructures radiographiéessont lesprincipesdebased’uneadaptationjudicieusedesparamètres de l’exposition sans compromettre la qualité diagnostique de l’examen.

Bases physiques

de la production des rayons X en radiodiagnostic

Ladifférencedepotentielentrecathode(filament)etanodeest régléeparlechoixdukilovoltage(kV).L’énergiecinétiqueacquise parlesélectronsdanslechampélectriquecathode–anodecorres- pondàE=eV(eétantlachargeélectriqued’unélectronquiest uneconstante,égaleà1,60×10^–19CetVladifférencedepoten- tielcathode–anode).Rappelonsque,siladifférencedepotentiel cathode–anodeestexpriméeparla valeurdepicdu kilovoltage (kVp)danslaréalité,lekilovoltagevarieenfonctiondelaqualité duredressementducourantélectriquealimentantletube.Seule unepetitefractiondesélectronsestaccéléréeparlechampélec- trique maximal;pour celle-ci,l’énergie cinétique des électrons expriméeenkeVestnumériquementidentiqueaukVp(pourune différencedepotentiel[DDP]de100kVp,cettefractiondesélec- trons acquiert une énergie cinétique de 100keV); le reste des

électronsacquiertune énergiecinétiqueinférieureà100keV et l’énergiecinétiquemoyennedesélectronstraversantletubepour 1kVpde100estdel’ordrede70keV.

LesphotonsX«utiles»pourleradiodiagnostic(radiographie par projection et scanographie) correspondent à des énergies s’étalantde10à130keV.Ilssontproduitspardeuxmécanismes.

• Lemécanismeleplusimportant,quantitativementetqualita- tivement est lefreinage (Bremstrahlung) qui correspondaux interactionsentrelesélectronsaccélérésparlechampélectrique élevécrééentrelefilamentetl’anodeetlesnoyauxdesatomes dumétallourdconstituantl’anode.

• LesecondmécanismedeproductiondesrayonsXdanslacible anodique correspond au rayonnement dit «caractéristique» qui résulte d’interactionsentre les électrons accéléréspar le champélectriquecrééentrecathodeetanodeetlesélectrons descouchesorbitairesdesatomesdumétalconstituantl’anode.

CesecondmécanismedeproductiondesphotonsXestsouvent désignésousletermedephénomènedecollision.

Tubes radiogènes – Caractères généraux

Les tubes radiogènes sont des convertisseurs d’énergie qui consommentdel’énergieélectriquepourproduiredesradiations électromagnétiques de longueurs d’onde (et d’énergie) variées.

Lesplusénergétiquesdes rayonnementsproduits (rayonsX)ne représentent que 1% de l’énergie électrique consommée; les 99%restantssontdesradiations degrande longueur,enquasi- totalité du rayonnement infrarouge, c’est-à-dire de la chaleur.

LesrayonsXsont produits parconversion d’énergie quand un faisceau d’électrons accélérés à grande vitesse dans un champ électriqueestsoudainementdécélérédanslacibleinclinée,consti- tuéedemétallourd(denuméroatomiqueZélevé),d’untubeà rayonsX.

LetubeàrayonsXclassiqueestconstituéd’uneenveloppede verre Pyrex^® à l’intérieur de laquelle est créé un vide le plus complet possible. Le tube contient deux électrodes (ce qui lui confèrelespropriétésd’unediode).Cesélectrodessontdisposées detellesortequelesélectronsproduitsàlacathode(pôlenégatif oufilament)peuventêtreaccélérésparunetrèshautedifférence depotentielversl’anode(électrodepositiveoucible)(Fig.1).

Enceinte ou ampoule de verre

Ilestnécessairedesouderhermétiquementlesélectrodesmétal- liquesàl’ampouledeverredutubeàrayonsXetdepréserverle vide,malgrélestrèsimportantesetrapidesvariationsthermiques auxquellescesmatériauxsontsoumisdansletubeenfonction- nement.Si du gaz pénétrait à l’intérieurdu tube, lesélectrons accélérésversl’anode(cible)entreraientencollisionaveclesmolé- culesdecegaz,cequileurferaitperdredel’énergiecinétiqueet surtoutprovoqueraitlaformationd’électronssecondaireséjectés desmoléculesdegazparionisation.Parceprocessus,desélectrons supplémentairesseraientaccélérésversl’anode.Évidemmentcette productiond’électronssecondairesnepourraitpasêtrecontrôlée.

Leurprésence entraîneraitdesvariationsdansle nombreet,de fac¸onplusdéterminante,danslavitessedesélectronsparvenant surlacible.Cecicauseraitdegrandesvariationsdansl’intensité ducourant–tubeetdansl’énergiedesrayonsXproduits.

L’objectifduvidedanslestubesàrayonsXestdepermettreun contrôleprécisetséparédunombreetdelavitessedesélectrons accélérés.LaformeetlatailledestubesàrayonsXsontspéciale- mentdéterminéspourempêcherlaformationd’arcsélectriques entrelesélectrodes.

Les fils de connexion doivent être soudés aux parois de l’ampouleenverredutube.Pendantlefonctionnementdutube radiogène,le verre etles fils deconnexionsontchauffés à des températurestrèsélevées.Enraisondesdifférencesdeleur(s)coef- ficient(s)dedilatationlinéaire,laplupartdesmétauxsedilatent plusqueleverrelorsqu’ilssontchauffés.Cesdifférencesdansles coefficientsdedilatationlinéairepourraiententraînerlarupture dessouduresverre–métal,cequidétruiraitlevidedansletube,si

2

3 4

6 5

1 ^{Figure 1. Tube radiogène à anode fixe. La différence de}

potentielcrééeentrelacathode(filament+piècedeconcen- tration) et l’anode accélère les électrons produits par effet thermo-ionique en chauffant le filament. Le faisceau élec- tronique ainsi produit (coloré en vert) est freinédans une cible de tungstène (colorée en rouge) sertie dans unbloc de cuivre (coloré en gris), qui permet d’évacuer la cha- leur parconduction.1.Piècede concentration; 2.filament; 3.cathode; 4.tube; 5.anode (cuivre); 6.cible anodique tungstèneW(Z=74).

1

2

4

3

Figure 2. Tube radiogène à anode tournante de 140mm de dia- mètre,engraphite.1.Souduresverre–métalsurleversantcathodique; 2.cathode,ensemblefilaments–piècedeconcentration;3.anodetour- nante dont la pisteen tungstène (cible)est dépolie, sous l’actionde bombardementélectronique;4.rotorsituéàproximitéimmédiatedela paroideverreauniveauducoldel’ampoule,pourlimiteraumaximumla distanceséparantrotoretstator,favorisantainsil’applicationdeschamps électromagnétiques.

desprécautionsparticulièresn’étaientpasprises.Pourcetteraison, onutilisegénéralementdes alliagesmétalliquesspéciauxayant approximativementlemêmecoefficientdedilatationthermique queleverrePyrex^®(Fig.2).

Cathode

Lepôle négatifdu tube à rayonsXconstitue la cathode.En matièredetubeàrayonsX,lestermesdecathodeetdefilament peuventêtreemployésdefac¸oninterchangeable.Enplusdufila- ment quiestla sourcedesélectronspourletube àrayonsX,la cathode comporte deuxautres éléments:les fils deconnexion ducourantdechauffagedufilament(courantdebasvoltage,de l’ordrede10V,etd’intensitéélevée,entre3et5A)etlapiècede concentration.

Le nombre de photonsX produits dépend totalement du nombred’électronsquitraversentletube,dufilamentàlacible (anode). L’intensité du courant–tube, mesuréeen milliampères (mA),traduitlenombred’électronstraversantletube,àchaque seconde.Ilestimportantdecomprendred’oùviennentcesélec- trons et de se souvenir que le nombre d’électrons détermine l’intensitéducourant–tube.Parexemple,dansuneunitédetemps donnée, un courant–tube de 200mA est produitpar deux fois plusd’électronsqu’uncourantde100mAetuncourant–tubede 200mAproduitdeuxfoisplusderayonsXqu’uncourant–tubede 100mA.

Filament

Le filament est constitué d’un fil de tungstène, d’environ 0,2mm dediamètre, torsadé enune hélice verticaled’environ 0,2cm de diamètre et 1cm ou moins de longueur. Quand le courantdechauffagetraversecefildetungstène(Fig.3),ilpro- voque son élévation thermique. Lorsqu’un métal est chauffé, sesatomesabsorbentl’énergiethermiqueetcertainsdesesélec- trons(lespluspériphériques,dontl’énergiedeliaisonestlaplus faible)acquièrentsuffisammentd’énergiepourleurpermettrede sedéplaceràunepetitedistancedelasurfacedumétal(normale- mentlesélectronspeuventsedéplaceràl’intérieurdumétalmais nepeuventpas s’enéchapper).L’échappementdecesélectrons correspondauprocessusd’émissionthermo-ioniquequipeutêtre défini commel’émissiond’électronsrésultant d’uneabsorption d’énergiethermique.Lenuageélectroniqueentourantlefilament produitparémissionthermo-ioniqueaétéappelé«effetEdison».

Unfilamentdetungstènepurdoitêtrechaufféàunetempérature d’aumoins2200^◦Cpourémettreunnombresuffisantd’électrons (thermions). Letungstène n’estpas un matériauaussiefficient qued’autresconstituantscommedesalliagesdetungstèneutili- sésdanscertainstubesélectroniques.Ilestcependantchoisipour lestubesàrayonsXcarilpeutêtreétiréenunfilfinmaissolide; ilaunpointdefusionélevé(3370^◦C)etn’aqu’unefaible ten- danceàsevaporiser;cequiconfèreaufilamentuneduréedevie raisonnablementlongue.

Les électrons émis par le filamentde tungstène forment un petit nuage dans l’environnement immédiat du filament. Cet amas de charges négatives formé par les électrons est appelé charged’espace.Cenuagedechargenégativetendàempêcher d’autresélectronsd’êtreémisparlefilamenttantqu’ilsn’ontpas acquisuneénergiethermiquesuffisantepoursurpasserlesforces d’attractionduchampélectriquecrééparlacharged’espace.La tendancedelacharged’espaceàlimiterl’émissiond’unplusgrand nombred’électronsparlefilamentestappelée«effetdecharge d’espace».Quandlesélectronsquittentlefilament,lapertedeces chargesnégativesfaitquelefilamentacquiertunechargepositive.

Lefilamentattiredecefaitquelques-unsdesélectronsémisqui reviennentalorsversleurorigine.Lorsqu’unfilamentestchauffé à satempératured’émission,unétatd’équilibre estrapidement atteint.Àl’équilibre,lenombred’électronsrevenantaufilament estégalaunombred’électronsémis.Enconséquence,lenombre d’électronsconstituantlacharged’espacedemeureconstant,tan- disquelenombreréeld’électronsémisesttotalementdéterminé parlatempératuredufilament.

Lesintensités de courant–tube élevées qui peuvent être pro- duitesparl’émissionthermo-ioniquesontrenduespossiblesparce qu’un très grand nombre d’électronspeut être accéléré par le champ électrique créé entre la cathode (électrode négative) et l’anode (électrode positive) du tube à rayonsX. Le nombre d’électronsintéressésesténorme.L’unitéd’intensitéducourant électriqueestl’ampère(A)quipeutêtredéfinicommeleniveau de «flux» atteint lorsqu’unecharge de 1Coulomb d’électricité

1

2

3

4

A B

C

Figure3. Filamentsetpiècedeconcentration(AàC).Ilexistegénéralement deuxfilamentsdetaillesdifférentes,correspondantaupetitetaugrandfoyerdu tuberadiogène.Lesdeuxfilamentssontplacésauseindelapiècedeconcen- trationoupiècedefocalisation,quiassurelecalibrageprécisenhauteureten largeurdufaisceauélectroniqueémis.1.Filamentdupetitfoyer;2.piècesde focalisation;3.filamentdugrosfoyer;4.bloccathodique.

traverseunconducteuren1seconde.LeCoulombestl’équivalent delachargeélectriquetransportéepar6,2510¹⁸électronstraver- sant le tube, de la cathode à l’anode. Donc un courant–tube de 100mA (0,1A) peut être considéré comme un flux de 6,2510¹⁷électronspassantdelacathodeàl’anodeen1seconde.

LecourantélectroniquetraversantletubeàrayonsXestunidirec- tionnel(toujoursdelacathodeversl’anode).

Piècedeconcentrationoupiècedefocalisation Enraisondesforcesderépulsionmutuellesetdugrandnombre d’électrons, le flux électronique à une tendance à s’étaler et à s’élargircequientraînelebombardementd’unesurfacedetaille inacceptable sur l’anode du tube à rayonsX. La structure qui empêche cephénomène estappeléepièce deconcentration ou pièce de focalisation de la cathode; elle entoure le filament.

Lorsqu’untubeàrayonsXfonctionne,lapiècedefocalisationest maintenueaumêmepotentielnégatifquelefilament.Lapiècede

concentrationestusinéedetellesortequelesfaisceauxélectro- niquesémisparlefilamentconvergentsurlacibleanodiqueavec unetailleetuneformeparfaitementdéfinies.Lapiècedeconcen- trationestgénéralementconstituéedenickel.Ellepeutêtreportée à unpotentielplusnégatifqueceluidu filament;elle estalors dite«biaisée»etpermetdediminuerlatailledufoyerthermique (foyervariable)(Fig.4).

Les tubes à rayonsX classiques sont équipés d’un filament unique ou plushabituellement d’un double filament. Chaque filament est constitué d’une hélice de fil métallique; ils sont installés soit côte à côte, soit l’unen dessous de l’autre, avec toujoursungrandfilamentetunfilamentpluspetit.Ilestimpor- tantdecomprendrequ’onnepeutemployerqu’unseulfilament pouruneexposition donnée;leplusgrosfilamentétantutilisé pour les expositionsles plus importantes. Le filament chauffé est incandescent et peut être facilement observé en regardant la fenêtre de sortied’un tube à rayonsX, sil’on retire le filtre additionnel.

D’autres dispositions des filaments ont pu être employées dansdestubesàrayonsXhautementspécialisés;destubesavec trois filaments (triple foyer) ou des tubes pour l’angiographie stéréoscopiquedanslesquelsonaeurecoursàdesfilamentséloi- gnésdeplusieurscentimètres,ce quipermettaitdesexpositions

1 2 3

4

Figure4. Modulationdelatailledufoyerparlapiècedeconcentration.

En portantlapiècede focalisationàunpotentielnégatif, ondiminue larelativedispersiondesélectronsémisparlefilamentetonpeutainsi modulerlatailledelasurfacebombardéesurlacible(foyerthermique).

1.Piècedeconcentration;2.grandfoyer;3.anode;4.petitfoyer.

alternéesséparéesde1/10^edesecondeavecchacundesdeuxfila- ments et l’acquisition d’images pouvant alors être utilisées en visionstéréoscopique.

La vaporisationdu métal du filament, quand il est chauffé, raccourcitladuréedefonctionnementdutubeàrayonsXcarle filamentpeutseromprelorsqu’ilestdevenutropfin.Ilfautdonc limiteraustrictnécessaireladuréed’échauffementdufilament.Il existepourcefairedesdispositifspermettantdegarderenstand- byl’intensitéducourantdechauffagedufilamentàune valeur faible,del’ordredecinqmA;lorsquelesexpositionsnécessitant descourants–tubesplusélevéssontsouhaitées,undispositifauto- matique permetdeboosterlecourantdechauffage dufilament pourl’amenerdelavaleurdustand-byàlavaleurrequisepourla duréeprécisedel’exposition.

Letungstène vaporisé àpartir du filament(et à unmoindre degrédel’anode)sedéposesousformed’unecoucheextrêmement finesurlasurfaceinternedel’ampouledeverredutubeàrayonsX.

Celaprovoqueunecolorationquidevientdeplusenplusintense lorsque le tube vieillit; il acquiert alors une teinte «bronzée» (Fig.5AàC).Cettepelliculedetungstèneadeuxconséquences: elle entraîneunefiltrationdu faisceauderayonsXproduit,qui modifie progressivement saqualitéen le«durcissant».D’autre part, laprésence demétalsurleverre augmentele risqued’arc

A B

C D

Figure5. VieillissementdutubeàrayonsX.

A.Lateinte«bronzée»delaparoidel’ampoule estlatraductiondesa«métallisation»pardépôt departiculesdepoudredetungstène.

B.Lamétallisationpeutêtredueauxfilaments; lesparticulesmétalliquessedéposentalorspré- férentiellement à l’aplombdu bloccathodique (flèche).

C.Lamétallisationpeut être dueàl’anode; la zone«bronzée»estbeaucoupplusétendue et decolorationplusdense.

D.Lesarcsélectriquesentrelesparoisdeverre métalliséesetl’anodeoulefilamentpeuventfis- surerleverreetdétruirelevide(flèche).

A B

Figure6. Lestubesàenceintemétalliqueetjonctionsencéramiqueontuneduréedevienettementpluslongue,enlimitantlesdépôtsmétalliquessurles parois(A,B).LefaisceauderayonsXémisnesubitaucunemodification(filtrationetdurcissementparlamétallisationduverredelafenêtredesortie,avec lesenceintesenverre).

électriqueentreleverre«métallisé» etlesélectrodes,lorsqu’on utilisedeskilovoltagesélevés.Cecipeutentraîneruneperforation du tube (Fig. 5D). Une des raisonspour lesquelles on a déve- loppédestubesàrayonsXavecdesenceintesmétalliquesaulieu d’ampoules deverre a été la diminutiondes conséquences des dépôtsdetungstènesurlesparoisdutube(Fig.6).

Principe du foyer linéaire

Lefoyerthermiquecorrespondàlasurfacedelacibledetungs- tèneanodiquequiestsoumiseaubombardementdes électrons issus dela cathode età la profondeurde pénétrationdes élec- tronsdanscette cibleanodique. Lamajeure partiedel’énergie cinétiquedecesélectronsestconvertieenchaleur,avecmoinsde 1%convertieenrayonsX.Commelachaleurestrépartiedefac¸on uniformesurtoutelasurfacedufoyerthermique,ungrandfoyer permetl’accumulationdequantitésdechaleurplusimportantes avantqu’unrisqued’endommagerletungstènedelacibleano- diquenesurvienne.Lepointdefusiondutungstèneestd’environ 3370^◦Cmaisilestpréférablederesteràunetempératureinférieure à3000^◦C.

La nécessité d’un gros foyer thermique pour autoriser une plus importante charge thermique est en contradiction avec la nécessité d’un petit foyer optique pour fournir des images radiographiques détaillées. Cette difficulté a été résolue par le développementdès 1918du principedu foyerlinéaire (Fig.7).

Latailleetlaformedufoyerthermiquesontdéterminéesparla tailleetlaformedufaisceauélectroniquelorsqu’ilfrappel’anode.

Latailleetlaformedufaisceauélectroniquesontdéfiniespar:

• lesdimensions (diamètreetlongueur)del’hélicedufilament detungstène;

• laqualitédelapiècedeconcentrationainsiqueparlaposition dufilamentdanscettepièce.

Lefaisceauélectroniquebombardelacibledontlasurfaceest inclinéedetellesortequ’elleformeunanglealphaavecleplan perpendiculaireaufaisceauincident,appelé«angled’anode».Cet angled’anodevarie,enfonctiondeladestinationdutube,entre 6et20^◦(voire0^◦,enmammographie).L’angled’anodedétermine lasurfacedu foyerthermiquelorsqu’on l’observedansla direc- tionde l’axedesortiedu faisceau dephotonsXémergeantdu tube; cette projection du foyer thermique dansl’axe desortie dufaisceauémergeantconstituelefoyeroptiquedontlesdimen- sionsdéterminentdirectementl’importanceduflougéométrique

etdonclarésolutionspatialedesimages.Latailledufoyeroptique estdirectementreliéeausinusdel’angled’anode:puisquesinus 20^◦égale0,342etsinus 16,5^◦ égale0,284,unangled’anodede 16,5^◦produitunpluspetitfoyeroptiquequ’unangled’anodede 20^◦,pourunfaisceauélectroniquedehauteur(correspondantà lalongueurdufilament)donnée.Doncplusl’angled’anodeest petit,pluslatailledufoyeroptiqueestréduite,ou,pourunetaille defoyeroptique(doncunniveauderésolutionspatiale)donnée, lefoyerthermique(donclapuissancedisponible)estd’autantplus grandquel’angled’anodeestpetit(Fig.8,9).Maislaréduction del’angled’anoderéduitlasurfaceduchampcouvertàunedis- tancefocale(distancefoyeroptiquedutube–plandusystèmede détection)donnée.

Onpeutfabriquerdestubesavecunfoyerde0,3mmetunangle d’anodedeseulement6^◦,cequipermetd’avoirunfoyerdedissi- pationthermiquedetrèsgrandetaillepourunfoyeroptiquede tailletrèsréduite;onpeutalorsproduiredesimagesdetrèshaute résolutionspatiale.Detelstubespeuventêtreutiliséslorsqueles champsexploréssontréduits,parexempleenmammographie,en angiographiecardiaqueetcoronaireetenscanographie.

Pour des raisons pratiques, sur des installations multiusages (tablestélécommandées)travaillantavecdesdistancesfocalesde l’ordrede110cm,etparcequel’onsouhaiteconserverdeschamps d’explorationde 36×43cm, aussibienpour lepetit foyer que pourlegrandfoyerdutube,l’angled’anodenepeutêtreréduit endec¸àde15^◦.Cettelimitationdu champestdictéeparl’effet detalondel’anodequidéfinitlechampcouvertmaximalàune distancefocaledonnée.

La taille des foyers optiques couramment utilisés en radio- graphie par projection sur des installations multiusages est de l’ordre de1,5mm pourles gros foyers et 0,6 à 1mm pourles petitsfoyers.Pourdesinstallationsdédiées,onpeutadopterun petit foyer de 0,3mm surtout si l’on veut réaliser des clichés enagrandissement(radiographiesostéoarticulairesdesextrémi- tésdes membres,radiographies craniofaciales,enparticulieren orthodontie). Il faut insister surle faitque la radiographie en agrandissement impose le recours à un foyer de taille réduite (inférieure ou égale à 3mm) en plus des modifications posi- tionnelles du sujet par rapport à la distancefoyer–système de détection.Lebutdel’agrandissementesteneffetnonpasd’avoir desimagesagrandiesmaisd’accroîtrelavisibilitédespetitsdétails parl’augmentationdelarésolutionspatiale,cequinepeutêtre obtenu quepar l’utilisation conjointe d’un petit foyer etd’un rapportd’agrandissementélevé.

1

b × cos α

b × sin α = env. a 2

3

α 4

5 a

a

a b

6

Figure7. Principedufoyerlinéaire.Lefoyerthermiqueapour surfacelaprojectiondelasectiondufaisceauélectronique(1) surlapisteanodique(foyerréel^[3]).Satroisièmedimension estlaprofondeurdepénétrationdesélectronsdansl’alliage tungstène–rhéniumdelacible.Lefoyeroptique(5)estlapro- jection du foyerthermique dansl’axe desortiedufaisceau (c’est-à-dire dansladirectiondurayoncentral(6) ourayon directeur).Latailledufoyeroptiqueestliéeàlahauteurdufais- ceauélectroniquebparlarelationb×sinalpha(alphaétant l’angled’anode(^[4])etb∼a(aétantlediamètredel’hélicedu filament).2.Plandel’anode.

1

3 φ

2

4

A B

Figure 8. Principe du foyer linéaire appliqué à une anode tournante (A, B). L’anode est biseautée; l’angle du biseau (propre à cha- cun des foyers) détermine la taille du foyer thermique,donclapuissancedecefoyer,c’est- à-dire sa capacité à fournir des photonsX par conversiond’énergie électriquedansuntemps égal, par convention à 1/10^e de seconde.

1.Cathode; 2.longueur du foyer thermique; 3.angle d’anode; 4.longueur réelle du foyer optique.

Anode

On a utilisé deux types d’anode (électrode positive) dans l’évolutiondestubesàrayonsX:anodefixeetanodetournante.

Anodesfixes

L’anode fixe d’un tube radiogène est constituéed’une petite plaquedetungstènede2à3mmd’épaisseur,quiestsertiedans unegrossemassedecuivre.Laplaquedetungstèneestenforme decarré,d’unpeuplusde1cmdecôté.L’angled’anodeestgéné- ralementde15à20^◦(Fig.10).

Letungstène est le métal choisipour la ciblepour plusieurs raisons.Ilaunnuméroatomiqueélevé(Z=74)quilerendplus efficientpourlaproductiondesrayonsX.Deplusenraisondeson

point defusiontrèsélevé,ilpeut supporterles élévationsther- miquesproduitesdansletubeenfonctionnement.Laplupartdes métauxfondententre300et1500^◦Ctandisqueletungstènene fondqu’à3370^◦C.Letungstèneaunecapacitéd’absorptiondela chaleurraisonnableetpermetladissipationrapidedelachaleur parrayonnementàpartirdufoyerthermique.

Laplaquedetungstène,plutôtpetite,doitêtresertiedansune massedecuivreplusvolumineusepourfaciliterladissipationde lachaleurparconduction.Endépitdesesbonnescaractéristiques thermiques, letungstène nepeut passupporterl’accumulation dechaleurdueauxexpositionsrépétées.Lecuivreestunmeilleur conducteurdelachaleurqueletungstène;pourcetteraison,la volumineusemassedecuivreanodiqueaunrôleessentielpour augmenterla capacitécalorifiquemaximale de l’anodeetpour accélérersavitessederefroidissement.

α = 20°

Électrons

a a

a

A

α = 15°

Électrons

a a

a

B

α = 10°

a a

a

Électrons

C

Figure9. Relationentrel’angled’anode,latailledufoyerthermique(puissancedufoyer)etlatailledufoyeroptique(résolutionspatiale).Unfoyeroptique de1,5mm²correspondàunfoyerthermiquedeplusenplusétendu(etdoncdeplusenpluspuissant,aufuretàmesuredelaréductiondel’angled’anode; lapuissancedoublelorsqu’onpassede20à10^◦pourl’angled’anode.Maisavecunangled’anodede10^◦,onnecouvreplusundétecteur(filmoucapteur plan)de40cmàunedistancefocalede110cm(distancefocalehabituellesurlestablestélécommandéesmultiusages).

A.Angled’anode20^◦;sin20^◦=0,34.

B.Angled’anode16^◦;sin16^◦=0,26.

C.Angled’anode10^◦;sin10^◦=0,17).

1 2

3 4

Figure10. Schémad’untuberadiogèneàanodefixe.Lefaisceauélec- troniquecalibréparlapiècedeconcentrationfrappelacible(plaquede tungstène,bonpouvoirderayonnementdelachaleuretpointdefusion élevé:3370^◦C)quiestsertiedansungrosblocdecuivre(bonconduc- teurdelachaleurmaispointdefusion1070^◦C).1.Enceinte(ampoule) deverre;2.cathode(filament);3.anodeencuivre;4.cibleentungstène W=74.

Lasurfacedela plaquedetungstèneestbeaucouppluséten- due que la cible bombardée par le faisceau électronique. Ceci est nécessairecarle pointde fusiondu cuivreest relativement bas (1070^◦C).Uneseule exposition pourraitéleverla tempéra- turedela zonebombardéedela cibledetungstènede1000^◦C ouplus.Cettetempératureestatteintepartoutmétalsituédans l’environnementimmédiatdelacible.Silaplaquedetungstène n’étaitpassuffisammentgrandepourpermettreuncertainrefroi- dissementautourdelacible,ilseproduiraitunefusionducuivre surlesbordsdelaplaque.

Touslesmétauxsedilatentquandilssontchauffésmaisilsse dilatentdefac¸onvariable.Lajonctionentrelaplaquedetungs- tène et l’anodede cuivre pose doncdes problèmes puisque le tungstène etle cuivreontles coefficientsde dilatationlinéaire différents.Silasoudureentrelecuivreetletungstènen’estpas correctementfaite,lapiècedetungstènepeutsedésolidariserdu cuivredel’anode.

NB:strictosensu,ilfaudraitdistinguerl’anode,pôlepositifdu champélectrique créepar ladifférence depotentiel entreelle- mêmeetla cathode(filament), etl’anticathode,zonedemétal lourdbombardéeparlefluxélectronique

Anodestournantes

Avecledéveloppementdegénérateurscapablesdedélivrerdes puissancesplusimportantes,lefacteurlimitantestdevenuletube àrayonsX.Lapossibilitépourletuberadiogèned’atteindredes débitsélevésdephotonsXestlimitéeparlaquantitédechaleur

1

5

2

4

Image radiante 3

7 6

Figure11. Schémad’untuberadiogèneàanodetournante.1.Paroidu tubeverrePyrex^®–métal(titane);2.axederotation,anodeenporte-à- faux;3.anode«composite»oucéramiqueougraphite;pisteenalliage detungstène+++;4.roulementsàbillesoulubrifiantmétalliquefluide; 5.stator;6.rotor;7.filamentcathode.

généréeauniveaudel’anode.L’objectifdel’anodetournanteest d’accroîtrelacapacitédutubeàrésisteràlachaleurengendréepar lesexpositionslongues.

L’anodedu tubeà anode tournante est constituéed’un gros disquedetungstèneoud’unalliagedetungstène,quitournethéo- riquementàunevitessede3000tr/minlorsqu’uneexpositionest réalisée.Enpratiquel’anoden’atteintjamaisunetellevitessede rotationcarilyadescontraintesmécaniquesentrelerotoretles roulementsàbillesquifontquelavitesseréellementatteinteest del’ordrede2600tr/min.Cettevitessederotationestliéeàlafré- quenceducourantalternatifetpeutêtreplusélevée(3600tr/min, lorsquelecourantestdélivrésousunefréquencede60Hzcomme enAmériqueduNord)(Fig.11).

Le disque de tungstène est biseauté et l’angle de ce biseau variede6^◦(mammographes,scanners)à20^◦(tablesmultiusages).

Lebiseautage permet d’appliquerle principe du foyer linéaire.

L’objectif de l’anode tournante est d’étalerla chaleurproduite pendantl’expositionsurunezoneplusétenduequelasimplecible anodique(Fig.12).Sil’onsupposequelefilamentetlapiècede

a

b

L = 3,14 D c b

Figure12. L’anodetournanteaugmentelasurfacedufoyerthermique proportionnellementàlacirconférencedelacible,doncaudiamètreD(ou aurayonr)moyendelapistebombardée(␲Dou2␲r).a:diamètremoyen delapisteD;b:surfacedufoyerthermiqueS;c:pistedéveloppéeL.

concentrationd’untubeàrayonsXproduisentunfaisceauélec- tronique calibréde7mmdehauteur(longueurdu filament)et de2mmdelargeur(diamètredelaspiraled’enroulementdufila- ment),lazonebombardéeparlesélectronsestreprésentéeparun rectanglede14mm² (surfacedu foyerthermique).Si lebiseau- tageestde16,5^◦,latailleapparentedufoyerdansl’axedurayon directeurdu faisceaude rayonsXémis ou foyer optiqueestde 7×sin16,5^◦=2mm;onaainsiunfoyeroptiquede2×2mm.Si l’anodeétaitstationnaire,lachargethermiqueseraitdélivréedans cepetitfoyerde14mm²surlacible.Silacibleestuneanodetour- nanteavecunevitessederotationde3000tr/min, lesélectrons vont bombarderune zone constammentdifférente de la cible.

Lasurfacetotaledelazonedetungstènebombardéeparlefais- ceauélectroniqueestalorsreprésentée parunebande de7mm delarge,étenduesurtoutelacirconférencedelazonebiseautée dudisquedetungstène.Latailleeffectivedufoyerthermiqueva bien sûrrester lamêmequesi l’anodeétaitfixe. Àune vitesse de3000tr/min,unezonedonnéedelacibledudisquedetungs- tènevasetrouversoumiseaufluxélectroniqueseulementunefois tousles1/50^edesecondeetlerestedutempslachaleurengendrée pendantl’exposition peut êtredissipée parrayonnement. Tous les 1/50^edeseconde,lacirconférence complètedelacibleaété exposéeaufluxélectronique.

Lacomparaisonentrelasurfacetotaleetlasurfaceinstantanée delacibletotaleillustrelesavantagesmajeursoffertsparl’anode tournante.Àchaqueinstantunezonede14mm²estbombardée parlefaisceauélectroniquedansl’exemplecité.Sionsupposeque lerayonmoyendelazonebombardéedudisquedetungstèneest de40mm,cequireprésenteunevaleurclassique,lacirconférence dudisqueàcerayonestde251mm(c=2␲r=2×3,14×40=251).

Lefoyerthermiqueestalorsreprésentéparleproduitdelahau- teurdufaisceauélectronique(7mm)parlediamètremoyendu disquesoit7×251=1757mm².Mêmesilazonetotaledecharge thermiqueaétémultipliéeparunfacteurd’environ125(14ver- sus1757mm²),latailleapparenteoueffectivedufoyeroptique estdemeuréelamême.

Le diamètre du disque de tungstène détermine la longueur totaledelatracedelacible;etcelaaffectebienévidemmentla charge thermiquemaximalepermisesurl’anode. Lesdiamètres classiquesdesanodessontdel’ordrede75à100ouà125mm, maispourdesapplicationsparticulières,onfabriquedestubesà anodede150etmême200mmdediamètre,avecbienentendula nécessitédeprendreenchargelescontraintesmécaniquesainsi créées.

Pourassurerlarotationdel’anode,certainsproblèmesméca- niques doivent en effet être résolus car l’anode est située à l’intérieur du vide du tube. L’énergie assurant la rotation de l’anodeestfournieparlechampmagnétiqueproduitparunstator quientourelecoldutubeàrayonsX,àl’extérieurdel’enveloppe.

Lechampmagnétiqueproduitparlesbobinesdustatorinduitun courantdanslesbobinesdecuivredurotoretcecourantinduit fournitl’énergiepourfairetournerl’ensembledel’anode.L’espace entrelerotoretlecoldutubeàrayonsXdoitêtreaussiréduitque possiblepourassurerlemaximumd’efficacitéauxforcesmagné-

1

2 4

5 3

Figure13. L’axederotationdel’anodenedoitpassedilateravecla chaleurcaronrisqueraitlegrippagedessystèmesderotation.Lesegment d’axeintermédiaireestenmolybdène,mauvaisconducteurthermique, pourisolerl’anodequidoitéliminerlachaleurproduiteensonseinpar rayonnement.1.Disqueanodique;2.rotor;3.axederotationdel’anode; 4.segmentd’axeintermédiaireenmolybdène;5.roulementsàbillesou cylindresdeglissementàrainurehélicoïdale.

tiques délivréespar le stator. Au début du développement des tubesàanodetournante,laduréedeviedutubeétaitcourteenrai- sondumanquederésistancedesroulementsàbilles,surlesquels estposél’axedel’anode.Enraisondesforcesdefrottement,ilétait nécessairedelubrifierlesroulementsàbillesmaisleslubrifiants huileux habituelsnepouvaientpasêtre utiliséscarilsse vapo- risent dèsqu’ilssontchauffésetdétruisentlevidedu tube;les lubrifiantssecscommelegraphites’usentensevolatilisantsous formedepoudrequidétruitégalementlevide.Leproblèmeaété résoluparl’emploidelubrifiantsmétalliquesfluides(enparticu- lierl’argent)quipeuventêtreutilisésdansunvidepoussé.Dans lestubesàanodetournantemodernes,lesdispositifspermettant larotationdel’anodesontdevenusunfacteurnégligeabledansla duréedevietotaledutube.

La dissipation thermique dans les tubes à anode tournante représente un problème supplémentaire. La chaleur engendrée dansledisquedetungstènesolideestdissipéeparrayonnement àtraverslevidejusqu’àlaparoidutubeetensuitedanslebain d’huileenvironnantletube,àl’intérieurdelagaine.Rappelons que,dansuntubeàanodefixe,lachaleurestdissipéeparrayonne- mentetparconductiondanslamasseducuivreanodique.Dansle tubeàanodetournante,l’absorptiondechaleurparl’anoden’est passouhaitéecarlachaleurabsorbéeparlesroulementsàbillesde l’anodepourraitlesfairedilateretprovoquerungrippage.Pour cette raison,latigequi unitledisquedetungstèneau restede l’anodeestconstituéedemolybdène.Lemolybdèneaunpoint defusionélevé(2600^◦C)etestunmauvaisconducteurdelacha- leur.Donclatigedemolybdèneconstitueunebarrièrethermique partielleentreledisquedetungstèneetlesroulementsàbillesde l’axederotationdel’anode(Fig.13).

Lalongueurdelatigedetungstèneestunautrepointimportant àconsidérer.Lorsqu’onaccroîtlalongueurdecettetige,l’inertie dudisquedetungstèneaugmente(ils’agitenfaitd’unproblème gyroscopiqueplusqued’unproblèmed’inertie);celaaugmentela sollicitationmécaniquesurlesroulementsàbilles.Ilestdoncsou- haitabledegarderunetigeaussicourtequepossible.Ceproblème estréduitdanslestubesmétalliquesmodernesparlasubstitution àunedispositionenporte-à-fauxdel’anodesurunpalierunique, d’undispositifàdoublepalier,chacund’entreeuxsupportantune extrémitéd’unaxederotationtransanodique.

Mêmesitouslesfacteursquiaffectentlarotationd’unensemble anodiquerelativement lourdsontcontrôlésde fac¸onoptimale,

A

B

Figure14.

A.Cratérisationscomparéesd’unecibleanodiqueentungstèneàgauche etd’unecibleanodiquemoinsancienneenalliagetungstène–rhéniumà droite.Laprofondeurdesfissuresetlesanfractuositésdelasurfacebom- bardéesontsansaucunecommunemesure.

B.Fusionlocaliséed’uneanodeaprès«grippage»ayantbloquélarota- tion.Lefaisceauélectroniquefrappantlacibleimmobileentraînesafusion localiséeenquelquessecondes(flèche).

l’inertiedemeureunproblème.Enraison decetteinertie,ilya uncourtdélaientrel’applicationduchampélectromagnétiqueà l’anodeetlemomentauquelle rotoratteint savitessederota- tion angulaire maximale. Cette période varie généralement de quelquesdixièmesà1seconde.Uncircuitdesécuritéestincorporé danslecircuitdeproductiondesrayonsX,quiempêchequ’une expositionauxrayonsXnesoitdéclenchéeavantquelerotorn’ait atteintsavitessemaximale.

Laduréedevied’untubeàanodetournantepeutêtrelimitée parledépolissageetlacratérisationdelasurfacedel’anodeexpo- séeaufaisceauélectronique(Fig.14).Cesmodificationsphysiques sontlerésultatdestressthermiquesetellesontpourconséquence de diminuer le débit de rayonsX du tube. La diminution de l’émissionderayonsXrésulted’unedispersionexcessivedespho- tons(unequantitéderayonnementplusimportanteestdirigéeen dehorsdeslimitesdelafenêtredesortiedesrayonsXdutube)etde

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3

2

Figure15. Disqueanodique«composite»(compound).Laciblebom- bardéeestbiensûrtoujourscomposéed’unalliagetungstène–rhénium.

Lacouchesous-jacenteestentungstène,mauvaisconducteurdelacha- leuretpointdefusionélevé.Pourlimiteraumaximumlamassetotale del’anode,latroisièmecoucheutilisedesmétauxpluslégers(molyb- dèneougraphite).1.Tungstène;2.alliagetungstène–rhénium;3.alliage tungstène–zirconium–molybdène.

l’augmentationdel’absorptiondesphotonsXdanslacibleelle- même.Lacombinaisondeduréesd’expositioncourtesetd’une vitessederotationrapideentraînedesvariationstrèsrapidesde chauffageetderefroidissementdelasurfacedudisqueanodique.

Laperte de chaleurpar rayonnement à partirde la surfacedu disquesurvient carilse produituneaugmentationsignificative delatempératuredanslamassedudisquedetungstène.Dansces conditions,ladilatationthermiquedumétalàlasurfacedudisque estplusimportantequecelledumétalsituésouslasurface.Cette situationentraînedescontraintestellesqu’ellesprovoquentune distorsiondelasurfacedelacibledudisqueanodique.Onamon- tréqu’unalliaged’environ90%detungstèneet10%derhénium (unmétallourdavecunebonnecapacitéd’absorptionthermique) produituneanodeplusrésistanteauxaltérationsdesurfaceetpos- sédantuneplusimportantecapacitéthermiquequ’uneanodede tungstènepur.Aveccesdisquesanodiquesaméliorés,l’érosionde lapisteanodiqueacesséd’êtreunproblèmemajeur.

Lavitessederotationhabituelled’untubefonctionnantavecun courantde50Hzvarieentre2600et3000tr/min.Sicettevitessede rotationestaugmentée,lacapacitédel’anodeàdissiperlachaleur s’accroîtcarunezonedonnéedelacibleestexposéeaufaisceau électroniquedurantuntempspluscourtàchaquetourdel’anode.

Enutilisantdescircuitspropres(tripleurdefréquence),lavitesse derotationdel’anodepeutêtreélevéejusqu’à9000tr/min,cequi accroîtd’autantlessollicitations mécaniquessurl’anodeetson axederotation.Troismodificationsdutubeaidentàrésoudreles problèmesassociésàcettevitessederotationaccrue:

• la longueur dela tige anodiquedoitêtre réduiteautant que possiblepourdiminuerl’inertiedel’anode;

• lerecoursàunaxederotationtransanodiquereposantsurdeux paliersplacésdepartetd’autredel’anodeetaussiloind’elleque possible;

• et enfin l’inertie de l’anode doit être réduite en diminuant le poids de l’anode elle-même. Ceci est obtenu en utili- santundisqueanodique«composite»(compound)danslequel la plus grande partie du disque est faite de molybdène (poids spécifique10,2) qui est beaucoup plus léger que le tungstène (poids spécifique19,3). Une couche relativement minced’alliage tungstène–rhéniumest plaquéesur ledisque et sert decible réellepourle faisceauélectronique (Fig. 15).

Certainsdisquescompositesutilisentducarbone(graphite)au lieu de molybdène pourréduire encoreplus la masse, donc l’inertie.Legraphiteneconduitpasaussibienlachaleurque lemolybdène,doncundisqueàanodeengraphitevachauffer beaucoupplusqu’undisquedemolybdène.Ilyaaussiquelques

Figure16. Disquesanodiques;petitetaille:70à100mm;arceauchi- rurgical,sallesderadiologieconventionnelle«os–thorax»;grandetaille: 150à200mm;scanners,angiographie.

problèmestechniquesassociésaveclesertissagedelacouchede tungstène–rhéniumsurlegraphite.Undisquecompositeavec unsubstrat de molybdènea un momentd’inertie d’environ 35% moindre qu’un disque de tungstène solide de même diamètreetdemêmecapacitécalorifique.Uneréductionsup- plémentaired’aumoins 50%du momentd’inertiepeut être obtenuequandlemolybdèneestremplacépardugraphite.

Certainsdisquesanodiquessontfabriqués avecdesfentesou dessillonssurlasurfacedelacible.Celapermetaumatérieldela zonecibledesedilatersansproduirelestensionsmécaniquesqui sontobservéesdansundisquesolide(Fig.16).Lafacepostérieure dudisqueanodiquepeutêtrenoircieavecun«corpsnoir»comme lecarbone,pourfavoriserladissipationthermiquedel’anodepar rayonnement.

Tubes à effet de grille

Lestubes à rayonsX conventionnels contiennentdeux élec- trodes (cathodeet anode). Les commutations nécessaires pour déclencheretarrêteruneexpositionaveccestubesdoiventêtre capablesderésisteràdesvariationstrèsimportantesdeladiffé- rencedepotentiel entrelesélectrodes.Untubeàeffetdegrille renferme son propre système de commutation qui lui permet d’êtretrèsrapidementmissoustensionethorstension,comme celapeutêtresouhaitédanslestechniquesd’imageriedynamique àrésolutiontemporelleélevée.

Unetroisièmeélectrodeestutiliséedansletubeàgrillepour contrôlerlefluxdesélectronsdufilamentverslacible.Cettetroi- sièmeélectrodeestconstituéeparlapiècedeconcentrationqui entourelefilament.Lapiècedeconcentrationcontribueàfoca- liser lefluxélectroniquesurlacible.Comme lesélectronssont chargésnégativement,ilsserepoussentlesunslesautreslorsqu’ils se déplacent vers la cible. La conséquence est que le faisceau électronique(courant–tube)s’étale.Lapiècedeconcentrationest conformée pourcontrecarrercetélargissementdufaisceauélec- tronique.

Dansle tubeà effetde grille,la pièce deconcentration peut êtreportée àunpotentielélectriquenégatifparrapportaufila- ment. La différence de potentiel entre le filament et la grille produitunchampélectriquesurletrajetdufaisceauélectronique, qui repousse les électrons. Si cette différence de potentiel est suffisante,lecourant–tubepeutêtrecomplètementinterrompu, situation danslaquelle aucunélectronnetransite plusdu fila- ment vers la cible. La différence de potentiel appliquée entre la piècede concentrationetle filamentpeut doncagircomme

uninterrupteurpourdéclencheretinterromprelecourant–tube.

Commelapiècedeconcentrationetlefilamentsontprochesl’un del’autre,ladifférencedepotentielnécessairepourinterrompre lecourant–tuben’estpastrèsimportante.Parexemple,pourobte- niruncourantpulséavecunfoyerde0,3mmetunedifférencede potentielde105kV,unedifférencedepotentielde1500Ventre lefilamentetlapiècedeconcentrationsuffit.

Enagissantsurlatensiondepolarisationdelapiècedeconcen- tration,onpeutmodifierlesdimensionsdufoyerthermiquedans une assez large mesure. On peut donc, avec un seul filament, réaliseruntubeàfoyervariable,doncdepuissancevariable,sus- ceptibledediversesapplications.

Courant de saturation

Lorsquelefilamentd’untubeàrayonsXestchauffé,ilseconsti- tue une charged’espace. Lorsquela différencede potentiel est appliquéeentrelacathodeetl’anode,lefluxélectroniquedufila- ment vers l’anode produit le courant–tube. Si la différence de potentielappliquéeestinsuffisantepourquelamajeurepartiedes électronssoitarrachéedufilamentaumomentoùilssontémis, une charge d’espace résiduelle vapersister autour du filament.

Cette charged’espace résiduelle limitelenombredes électrons disponiblesetlimitedoncl’intensitéducouranttraversantletube àrayonsX.

Jusqu’àenviron40kV,l’augmentationdu kilovoltageproduit une augmentation significative de l’intensité du courant–tube, même si la température de chauffage du filament demeure constante.Au-dessusde40kV,uneaugmentationsupplémentaire du kilovoltageproduitpeudemodificationsdansl’intensitédu courant–tube;onpeutdoncconsidérerqueladifférencedepoten- tielde40kVdéfinitla positiondupointdesaturationdu tube à rayonsX.Endessous de40kV,le courant–tubeest limitépar les effets dela charged’espace. Au-dessusde40kV(voltage de saturation),l’effetdelacharged’espacen’athéoriquementplus d’influencesurl’intensitéducourantdansletubeàrayonsX.Dans cettezone,l’intensitéducourantestdéterminéeparle nombre d’électronsrendusdisponiblesparlechauffagedufilament.

En pratique, une élévation continue du courant au-delà de 40kVs’accompagned’unelégèreaugmentationducourant–tube enraison d’un petit effetdecharge d’espacerésiduel.Dans les systèmesmodernesdeproductiondesrayonsX,cettediscrèteélé- vationdumilliampérageaccompagnantl’élévationdukilovoltage n’est pas souhaitable car l’intensité du courant–tube doit être contrôléedefac¸ontrèsprécise.Enutilisantdescircuitsdecompen- sationautomatiquesquiproduisentunelégèrediminutiondans lechauffagedufilamentlorsquelekilovoltageestaugmenté,on supprimeceteffet.IlfautremarquerquedestubesàrayonsXdif- férentsontuncourantdesaturationetunvoltagedesaturation différents et nécessitent des compensations decharge d’espace différentes.

Effet de talon de l’anode

L’intensitédufaisceauderayonsXémisparletube n’estpas uniforme;elle dépendde l’angle souslequel les rayonsXsont émisàpartirdufoyer.Cettevariationestappelée«effetdetalon» del’anode.

L’intensitédufaisceauducôtédel’anodedutubeestmoindre queducôtédelacathode.Ladiminutiond’intensitédufaisceau derayonsXémisdansunedirectionpratiquementparallèleàla surfacedel’angled’anodeestcauséeparl’absorptiond’unepartie desphotonsémisparl’anodeelle-même(Fig.17).L’intensitédu faisceau parrapport à l’angle d’émissionvarieenfonction des caractéristiquesphysiquesoupropresdestubesàrayonsX.

Lesvaleursmoyennesdeceteffetdetalondel’anodecorres- pondentà une exposition relativedu côtéanodiquedel’ordre de 73% de l’intensité moyenne du faisceau tandis que du côté cathodique elle est de l’ordre de 105%, pour une dis- tance focale d’environ 100cm. Donc il y a environ 30% de différence d’intensitéde l’expositionentre lecôté anodiqueet le côtécathodique d’un film ou d’un détecteur numérique. Si la distance foyer–film est augmentée à 180cm, les différences

d’intensité de l’exposition vont être nettement moindres, de l’ordrede87%surleversantanodiqueet 104%surle versant cathodique.

Troisconséquencescliniquesimportantesdel’effetdetalonde l’anodepeuventêtreobservées:

a

100

15° 10° 0° 10° 15°

75 50 c 25

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b

d

Figure17. Effetdetalondel’anode.L’intensitédufaisceauderayonsX émisestamoindrieducôtédel’anodeenraisondel’absorptiond’une partiedesphotonsXémisauseindel’anodequileuradonnénaissance.La variationd’intensitéestdel’ordrede30%entrelecôtéanodiqueetlecôté cathodiquedutube.a:cathode;b:angled’anode15^◦;c:collimation; d: zone d’effetde talonde l’anode.1. Pourcentage del’intensité du faisceauXproduitparletube.

• en premier lieu, l’intensité de l’exposition d’un film sur le côtéanodiquedutubeestsignificativementmoindrequecelle constatéeducôtécathodique.Cefacteurpeutêtreutilisépour obteniruneharmonisationdescontrastesradiographiquesde segmentscorporelsd’épaisseursdifférentes.Lesrégionslesplus épaissesdevraientêtreplacéesducôtédelacathode(filament dutube);parexemple,surunclichéenincidenceantéropos- térieuredurachisdorsal,letubedoitêtreorientédetellesorte quel’extrémitéanodiquedu tubesoitdu côtédu rachisdor- salsupérieur,làoùlesegmentcorporelestmoinsépais,lecôté cathodiquedu tubeestalorsdu côtédurachis dorsalbas,là oùlesstructurescorporellessontplusépaissesetrec¸oiventune expositionplusimportante;

• deuxièmement,l’effetdetalondel’anodeestmoins marqué lorsqu’onutiliselegrosfoyerd’untubeàrayonsX;

• troisièmement,pourunedistancefoyer–filmidentique,l’effet detalonestmoindrepourlesdétecteursdepluspetitformat.

Ceciestdûaufaitquel’intensitédufaisceauderayonsXestplus homogèneàproximitédurayondirecteurcentralquedansla partiepériphérique.

Gaine et câbles haute tension

Onpensegénéralementqueles rayonsXémis parle tubese limitent au faisceauémergeant; ilssont enfait émis avecune intensitéplusoumoinséquivalentedanstouteslesdirectionsà partirdelacible,constituantcequ’onappellele«rayonnement defuite».DepluslesrayonsXsontdiffusésdanstouteslesdirec- tionsaprèsles collisionsavecdenombreusesstructuresdanset autourdutube.

Pourlimitercerayonnementdefuite,lagainedutubeestrecou- verted’unecouchedeplombquisertàabsorberlerayonnement primaireetsecondairequipourraitproduireuneintensitéélevée du rayonnement autourdu tube,ayant pourconséquenceune expositioninutiledespatientsetdupersonnelenmêmetemps qu’unepertedecontrastesurlesimages.

L’efficacité dela gaine du tube dans la limitationdu rayon- nement de fuite doit obéir aux spécifications énumérées dans les réglementations idoines:«le rayonnement de fuitemesuré àunedistancede1màpartirdelasourcenedoitpasdépasser 100milliroentgen(mR) parheureavecun tubefonctionnantà sonniveaumaximald’intensitédecourant(mA)etdedifférence depotentiel(kVp)».

Uneautre fonctionde la gaine du tube est d’assurerla pro- tectionélectriquecontrelesdifférencesdepotentieltrèsélevées nécessairespourproduirelesrayonsX.Lescâbleshautetension connectésau tubepar l’intermédiairederéceptaclesappropriés danslagainedutubecontiennentunetorsadedefilspermettant

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2

3

4

5 7

6

8 9

Figure 18. Schémad’un tube à anode tour- nante dans sa gaine plombée. La gaine a de multiples rôles: abaisser le rayonnement de fuite au niveau réglementaire pour protéger le personnel et les patients; assurer la pro- tection «physique» du tube (contre les chocs en particulier); contribution àl’isolement élec- trique; constituer l’enveloppe du bain d’huile intervenantdansl’éliminationdelachaleurpar convection. 1.Plots des cables haute tension; 2.tube radiogène; 3.soufflet d’expansion du bain d’huile; 4.bain d’huile; 5.cathode, fila- ment;6.fenêtredesortiedesrayonsX;7.anode tournante;8.stator;9.rotor.

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Figure 19. Tube à anode tournante dans sa gaine plombée. On retrouve les électrodes des câbles «haute tension» (1), le soufflet d’expansion dubaind’huile(4),lecircuitd’eauréfrigérée intervenant dansleséchangesthermiquesparconvection(2)etlefiltreadditionnel (3)disposésurlafenêtredesortiedufaisceaupouréliminerlesrayonsX

«mous».

d’assurer unemise à la terredu tube.Pour prévenir les courts- circuitsentrelesfilsdemiseàlaterreetletube,l’espacequiles sépareestremplid’huileminéraletrèsépaisse.

Le tube à rayonsX est contenu dans la gaine et l’huile est répartieautourdu tubedansla gaine(Fig.18,19).Lagaineest soigneusement purgée detout élémentgazeux résiduel carcet airrésiduelpourraitsedilaterdefac¸onexcessivelorsqueletube chauffe,entraînantlarupturedelagaine.L’huilead’excellentes qualitésd’isolantélectriqueetthermique.Àcausedesespropriétés isolantes,l’huilevabiensûrsedilaterdanslagainedutubelorsque satempératures’élève.Unsouffletd’expansionvasedilaterdans lagainedutube,sansaugmenterlapressiondansletubenidans lagaine,permettantainsideprévenirdepossiblesdégâts.Deplus, cesouffletd’expansionpeutêtreutilisépouragirsuruncontac- teur quiautomatiquementarrêtel’exposition sila température maximaledel’huileaétéatteinte.

Caractéristiques et abaques de charges des tubes à rayons X

Il est habituel de parler de la charge totale (capacité ther- miquemaximale)d’untubeàrayonsXentermesdekilovoltage (kVp), milliampérage(mA),et tempsd’exposition(s).Lalimite de la charge d’un tube qui peut être acceptée en toute sécu- rité est fonction de la quantité de chaleur produite durant l’exposition.Latempératuremaximalepouvantêtretoléréepour le tungstène est généralementestimée à 3000^◦C. Au-dessusde ceniveau,unevaporisationimportantedelacibledetungstène est observée. La quantité de chaleur produite par un courant électriqueestproportionnelleauproduitdeladifférencedepoten- tiel (kV) et de l’intensité du courant (mA). La quantité totale de chaleur produite est doncle produit du voltagepar le mil- liampérage du courant et par le temps d’exposition (s). Cette énergie est exprimée de fac¸on habituelle dans deux systèmes différents:

• lesunitéschaleur(UC)(unsystèmeartificiel);

• lesunitésdusystèmeinternational(SI)(watt,seconde,joule).

Il faut comprendre les deux systèmeset leur valeur relative.

Lesunités chaleurdisparaîtront danslefuturmaissontencore fréquemmentutiliséesdanslesdocumentationsdesfabricantset danslalittérature.

Les UC (heat units[HU]) sont définiescomme le produit de l’intensité du courant–tube (mA)par la différencede potentiel maximale (kVp)etparladuréed’exposition(s)avecuncourant monophasé;ils’agitdoncd’unedéfinitiontrèsartificielleetmal- encontreuse. Rappelonsquedansungénérateurmonophasé,le kilovoltagemaximal(kVpoupeakvoltage)n’estpaslekilovoltage

0

0,01 0,1

Temps (s)

1 10

100 200 300 400 500 600

Intensité courant–tube (mA)

Taille du foyer 0,6 mm

Courant triphasé (180 Hz redressé 12 crêtes)

125 kVp 110 kVp 100 kVp 90 kVp 80 kVp 70 kVp

Figure20. Abaque(ounomogramme)dechargedupetitfoyerd’un tubealimentéencouranttriphaséredressé12crêtes(ondulation∼6%); puissance35kW.

moyen;le kVpestenfaitégalà1,35foisle kilovoltagemoyen (c’estplusprécisémentlaracinecarréemoyennedukilovoltage, quel’onpeutappelerlekilovoltagemoyenetquel’onpeutcalcu- lerenutilisantunfacteurdeconversionde1,4).Lesgénérateurs plusrécents utilisentun couranttriphaséredresséet,à l’heure actuelle, le courantfourni par les générateurs de moyenne ou hautefréquencepeutêtreconsidérécommeàdifférencedepoten- tielconstante, pourlequellekVpetle kilovoltagemoyensont identiques.

Le terme puissance (d’un tube à rayonsX) est couramment utilisé pourexprimer la capacité du tube à effectuer une seule exposition d’unedurée raisonnable. Ladurée d’uneexposition raisonnable est définie commeégaleà 0,1seconde (cequi cor- respondàuneduréetrèslonguepourunclichéradiographique ettrèscourtepourunesérieangiographiqueouuneacquisition scanographique.)Lespuissancesdestubessont,parconvention, toujoursexpriméespouruntubeàrayonsXutiliséavecungéné- rateuràdifférencedepotentielconstanteetavecunevitessede rotationdel’anodeélevée.

Parexemple,quelestlemilliampéragemaximalpouvantêtre utiliséà70kVppouruneseuleexpositionavecuntubede30kW (30000W)?

70kVp×?mA=30000W

?mA=30000/70=429mA

Paruncalculanalogue,untubede150kWpeutaccepteruncou- ranttubede2140mA.Rappelonsquecesdonnéessontdéfinies, parconvention,pourdesexpositionsde0,1seconde.

Onpeututiliserunabaquedecharged’untubeàrayonsXpour lecalculdelapuissancepermise.Surunabaque(Fig.20),trouvez lalignecorrespondantàuneduréed’expositionde0,1seconde, etcherchezl’endroitoùellecoupelacourbedes70kVp.Cesdeux lignessecroisentauniveaudelalignedes500mA,celasignifie quecetubepourraitaccepteruneexpositionde70kVpet500mA pendant 0,1seconde. La puissance approximative est donc de:

70kVp×500mA=35000W=35kW

Uncalculanalogue,surlacourbecorrespondantà100kVp: 100kVp×350mA=35kW

Ils’agitdoncbiendufoyerd’untubede35kWdepuissance.

Pour résumer, ce paragraphea permis d’introduire la notion d’UC,deW/s(joule)etdechargeenkWcommeparamètresde mesuredelacharged’untubeàrayonsX.

Laquantitédechaleur(chargethermique)quipeutêtretolérée par untuberadiogène sansdommagesexcessifsestdéterminée par:

Tableau1.

Principalescaractéristiquescourantesdestubesradiogènesenimagerie parprojection«générale»(thorax–os).

Tailledesfoyers Petitfoyer 0,6mm

Grandfoyer 1–1,2mm Puissancedesfoyers 32–40kW 72–100kW Capacitécalorifique

maximale

300à600kUC Diamètredel’anode 90à130mm Angled’anode 12à16^◦ Kilovoltage

maximal

150kVp

• letypederedressementducourantalimentantletube;

• lapuissancedugénérateur;

• lasurfacedelacibledetungstènebombardéeparlesélectrons (tailledufoyerthermique);

• lediamètredel’anode;

• lamassedel’anode;

• l’angled’anode;

• lavitessederotationdel’anode;

• etenfinparladuréedel’exposition.

Enprenantenconsidérationlachargethermiquedutube,trois typesd’usagecaractéristiquessontàenvisager:

• lachargethermiqueaucoursd’uneexpositionunique;

• lachargethermiqueaucoursd’expositionsmultiplesenchaî- néesrapides(commeenangiographieouenscanographie);

• la charge thermique accumulée durant plusieurs heures d’utilisationintense(commeenscanographie).

La limite de sécurité pour le tube à rayonsX réalisant une exposition uniquepeut être facilementdéterminée à partir de l’abaque de charge du tube. Un exemple d’un tel abaque est donné surla Figure 20.Parexemple, si l’ondétermine qu’une exposition nécessite 50mAs (500mA à 0,1s); en se référant à l’abaque, les lignes correspondant respectivement à 500mA et à 0,1s se croisent sur le kilovoltage maximal de 70kVp.

De fac¸on analogue, la charge maximale admissible pour toute combinaison des facteurs d’exposition peut être déterminée à partirdecet abaquedecharge quiest donnéseulement àtitre d’exemple.

LesfabricantsdestubesàrayonsXutilisésdanstouteslesinstal- lationsderadiodiagnosticlivrenttoujourslesabaquesdecharge pourlescirconstancesspécifiquesdanslesquellesletubepourrait êtreutilisé(parexemplecourantmonophaséredresséoucourant triphaséredressé).

Unedesutilisationslesplusimportantesdel’abaquedecharge thermiquedel’anodeestdedéterminerla duréequ’ilfautlais- ser au tube pour qu’il se refroidisse avant quedes expositions complémentaires ne soient de nouveau possibles (courbe de refroidissement).Parexemple,supposonsqu’unesérieangiogra- phiqueproduise500Jparexposition,sicettesérieangiographique nécessite 20expositions,l’échauffement total del’anodeest de 100000J;ensereportantàl’abaquederefroidissementdel’anode dutubeenquestion,onvoitqu’ilfautenviron6minutespourque letubeserefroidissede200000à10000J.Doncsidessériesangio- graphiquesrapidessontnécessaires,ilfautrespectermalgrétout undélaide6minutesimposéparla limitationdescapacitésde dissipationthermiquedel’anode.

Des considérations complémentaires doivent être ajoutées concernant la capacité de la gaine du tube à supporter les élévations thermiques. La gaine du tube peut absorber une énormequantitédechaleur(1500000Jestunevaleurcourante).

Mais si la gaine du tube peut absorber de grandes quantités de chaleur, il lui faut également un temps considérable pour se refroidir. En se référant aux abaques spécifiques, on voit qu’en général il faut environ 30minutes à la gaine d’un tube à rayonsX pour dissiper 600000J. Si un refroidissement plus rapide estnécessaire pourla gaine, l’utilisationd’un circuit de ventilationpeutgénéralementdoublercettevitessederefroidis- sementetonpeutenvisagerdesvaleursdépassant96000J/min (Tableau1).

Tubes à rayons X métal/céramique

Lestubes à rayonsX à hauteperformanceontété introduits ily a unquartde siècle, d’aborden angiographiepuisensca- nographie.Ilssontcomposésd’uneenceintemétalliqueaulieu del’habituelleampouledeverreavectroisblocsd’isolementdes câblesetfilsconducteursencéramique.Deuxdecesblocsassurent l’isolationpourlesdeuxcâbleshautetension(positifetnégatif) etuntroisièmesupportelatigeanodique.L’anodetourne,dans certainstubes,surunaxequiadespaliersdesupportàchaque extrémité pourprocureruneplusgrande stabilitéet réduireles contraintesmécaniquessurl’axe.Cesupportadditionnelpermet d’employeruneanodeplusmassivepouvantallerjusqu’à2000g, tandisque,danslestubesconventionnels,elleestgénéralement limitée à 700g. Les isolants decéramique sontemployés pour séparerlespartiesdu tubeà rayonsX,soumises àhautvoltage, de l’enceinte métallique du tube. Un oxyde d’aluminium est habituellement utilisédanslesisolants encéramique.L’emploi d’isolateurs en céramiquepermet en outre de réaliser un tube pluscompact(cf.Fig.6).

L’emploid’unmétalcommeenceintedansletubeàrayonsX offreplusieursavantagesdontlestroisplusimportantssont:

• moinsderayonnementextrafocal;

• une durée de vie plus longue du tube avec des courants d’intensitéélevée;

• unecapacitécalorifiquemaximaledutubeplusélevée.

L’enceinte demétal est mise à la terre;cette mise à la terre ajoutéeàl’utilisationd’isolateursencéramiqueassurelasécurité électriqueendépitdelataillerestreintedutube.

Rayonnement extrafocal

LerayonnementextrafocalestproduitparuntubeàrayonsX lorsquedesélectronsaccélérésàvitesseélevéeinteragissentavec lessurfacesmétalliquesautresquelatracedelacible(générale- mentlesautrespartiesdel’anode).Laprincipalesourced’électrons extrafocauxestreprésentéeparles électronsrétrodiffusésàpar- tirdel’anode. Cesélectronsrétrodiffuséspeuventvenirfrapper l’anodeunesecondefoisetproduiredesrayonsXdansunerégion autrequelefoyerthermique.

Le rayonnement extrafocal peut être en partie contrôlé en plac¸antlecollimateurouundiaphragmeplombéaussiprèsque possibledutubeàrayonsX.

Lerecoursàuneenceintemétalliquediminuelerayonnement extrafocalenattirantlesélectronsextrafocauxverslemétalmis àlaterre.Puisquel’enceintedemétalestaupotentielzéro(reliée à la terre), elle est positive par rapport aux électrons qui sont à un potentiel négatif. Les électrons extrafocaux peuvent être attirés vers l’anode ou vers la partie de l’enceinte du tube à rayonsXmise àla terre,enfonctiondeleuréloignementdela paroimétalliqueoudel’anode. Lesélectronsfrappantlemétal delaparoimétalliquepeuventproduiredesrayonsX,etlemétal, denuméro atomique faible,produit plusderayonsXdefaible énergie. L’enveloppe de métal diminue donc le rayonnement extrafocalenattirantdenombreuxélectronsextrafocaux.

Allongement de la durée de vie des tubes radiogènes et accroissement de la capacité calorifique maximale des tubes radiogènes Intensité du faisceau de rayons X

L’intensitéd’unfaisceauderayonsXestdéfinieparlenombre de photons dansle faisceaumultiplié par l’énergie de chaque photon.Cetteintensitéesthabituellementexpriméeenroentgen parminute(R/minouC/kgdansleSI).L’intensitédufaisceaude rayonsXvarieaveclekilovoltage,l’intensitéducourant–tube,le matériauconstituantlacibleanodiqueetlafiltration.

Matériauconstituantlacible

Ildéterminelaquantitéderayonnementproduiteparunkilo- voltagedonné.Pluslenuméroatomiquedesatomesdelacibleest