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 roentgeniennes 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... ; 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

■Tubesradiogènes–Caractèresgénéraux 2

Enceinteouampouledeverre 2

Cathode 3

Principedufoyerlinéaire 5

Anode 7

Tubesàeffetdegrille 10

Courantdesaturation 11

Effetdetalondel’anode 11

Gaineetcâbleshautetension 12

CaractéristiquesetabaquesdechargesdestubesàrayonsX 13

TubesàrayonsXmétal/céramique 14

Rayonnementextrafocal 14

Allongementdeladuréedeviedestubesradiogènes etaccroissementdelacapacitécalorifiquemaximale

destubesradiogènes 14

IntensitédufaisceauderayonsX 14

Filtrationadditionnelledestubesradiogènes 15

CollimationdufaisceauderayonsX 15

■Tubesradiogènesenscanographie 16

Capacitécalorifiquemaximaledestubesenscanographie 17 Capacitédedissipationthermiquemaximaledesensembles

gaine–tube–systèmederefroidissementenscanographie 18

■Conclusion 19

Généralités

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

• l’imagerieparprojection,qu’elle soitradiographique (clichés standards), radioscopique télévisée (en particulier pour les gestesradioguidésenradiologieetencardiologieintervention- nelle)ousériographique(angiographienumériséeetimagerie volumiqueparacquisitionrotatoire).Àl’heureactuelle,toutes cestechniques sonttotalement numérisées, quelque soit le système de détection (écrans radioluminescents à mémoire [ERLM]ou«plaquesphosphore»;amplificateursdeluminance

EMC-Radiologieetimageriemédicale-principesettechnique-radioprotection

1

◦

deplusenplusremplacésparlescapteursplansdynamiques), mais la qualité d’image reste totalement dépendante de la maîtrise du contraste par le choix judicieux des paramètres d’exposition(en particulierle kilovoltagemais aussila limi- tation du rayonnement diffusé) et de la résolution spatiale parl’utilisationadéquatedupetitfoyerdestubesradiogènes, lorsque cela est possible. La radioprotection est également directementdépendanted’uneutilisationrationnelleetraison- néedes paramètres d’exposition, permettant derésoudre 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]).

Lesprogrèsréalisésdanslessystèmesdedétection,enparticu- lierlesERLMetlescapteursplanspourl’imagerieparprojection, l’améliorationdesperformancesdescristauxdesdétecteursetle développement d’algorithmes dereconstruction beaucoup plus performants(reconstructionitérative)enscanographieontdimi- nué, parfois de fac¸on massive, les exigences en matière de radiations ionisantestoutenmaintenant,lorsque l’on respecte desconditionsderéalisationraisonnablesdesexamens,unequa- litéd’imageacceptablesurleplandiagnostique.Iln’endemeure pas moins que ces résultats optimisés et adaptés aux circons- tancesrestenttotalementdépendantsd’uneutilisationjudicieuse desparamètresd’expositionquinécessitedoncuneparfaitemaî- trisedesmodalitésdefonctionnementdutuberadiogèneetdes dispositifsquiluisontannexés.

La radioprotection est particulièrement importante lors des examensscanographiqueschezl’enfantetl’adultejeune,enpar- ticulierlafemmeenâgedeprocréer.L’adaptationdesparamètres à lamorphologiedespatients (indicedemassecorporelle++)et l’optimisationdurapportsignalsurbruitenfonctionducontraste propre des structures radiographiées sont les principes de base d’uneadaptationjudicieusedesparamètresdel’expositionsans compromettrelaqualitédiagnostiquedel’examen.

Tubes radiogènes – Caractères généraux

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

Lesplusénergétiquesdesrayonnements produits(rayonsX)ne représentent que 1% de l’énergie électrique consommée; les 99%restantssontdesradiationsdegrandelongueur,enquasi- totalité du rayonnement infrarouge, c’est-à-dire de la chaleur.

Les rayonsX sontproduits par conversion d’énergiequand un faisceau d’électrons accélérés à grande vitesse dans un champ électriqueestsoudainementdécélérédanslacibleinclinée,consti- tuéedemétal lourd(de numéroatomiqueZélevé),d’untube à 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. Sidu gaz pénétrait à l’intérieurdu tube, les électrons accélérésversl’anode(cible)entreraientencollisionaveclesmolé- culesdecegaz,cequileurferaitperdredel’énergiecinétiqueet surtoutprovoqueraitlaformationd’électronssecondaireséjectés desmoléculesdegazparionisation.Parceprocessus,desélectrons supplémentairesseraientaccélérésversl’anode.Évidemmentcette productiond’électronssecondairesnepourraitpasêtrecontrôlée.

Leur présenceentraîneraitdesvariationsdanslenombreet,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, leverre et lesfils deconnexionsont chauffésà des températurestrèsélevées.Enraisondesdifférencesdeleur(s)coef- ficient(s)dedilatationlinéaire,laplupartdesmétauxsedilatent plusqueleverrelorsqu’ilssontchauffés.Cesdifférencesdansles

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 dontla pisteen tungstène (cible) estdépolie, sous l’actionde bombardementélectronique;4.rotorsituéàproximitéimmédiatedela paroideverreauniveauducoldel’ampoule,pourlimiteraumaximumla distanceséparantrotoretstator,favorisantainsil’applicationdeschamps électromagnétiques.

coefficientsdedilatationlinéairepourraiententraînerlarupture dessouduresverre–métal,cequidétruiraitlevidedansletube,si desprécautionsparticulièresn’étaientpasprises.Pourcetteraison, onutilisegénéralementdesalliagesmétalliquesspéciauxayant approximativementlemêmecoefficientdedilatationthermique queleverrePyrex^®(Fig.2)

Cathode

Le pôle négatif du tube à rayonsXconstitue la cathode. En matièredetubeàrayonsX,lestermesdecathodeetdefilament peuventêtreemployésdefac¸oninterchangeable.Enplusdufila- mentquiestla sourcedesélectrons pourle tubeàrayonsX,la cathode comportedeux autres éléments:les fils de connexion 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, uncourant–tube de200mA est produit par deuxfois plusd’électronsqu’uncourantde100mAetuncourant–tubede 200mAproduitdeuxfoisplusderayonsXqu’uncourant–tubede 100mA.

Filament

Le filament est constitué d’un fil de tungstène, d’environ 0,2mm de diamètre,torsadé enune hélice verticale d’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 nepeuvent pass’enéchapper).L’échappementdecesélectrons correspondauprocessusd’émissionthermo-ioniquequipeutêtre définicommel’émissiond’électronsrésultantd’uneabsorption d’énergiethermique.Lenuageélectroniqueentourantlefilament produitparémissionthermo-ioniqueaétéappelé«effetEdison».

Unfilamentdetungstènepurdoitêtrechaufféàunetempérature d’aumoins2200^◦Cpourémettreunnombresuffisantd’électrons

(thermions).Letungstène n’est pas unmatériauaussiefficient qued’autresconstituantscommedesalliagesdetungstèneutili- sésdanscertainstubesélectroniques.Ilestcependantchoisipour lestubesàrayonsXcarilpeutêtreétiréenunfilfinmaissolide; ila unpointdefusionélevé(3370^◦C)etn’aqu’unefaible ten- danceàsevaporiser;cequiconfèreaufilamentuneduréedevie raisonnablementlongue.

Les électrons émis par le filament de tungstène forment un petit nuage dans l’environnement immédiat du filament. Cet amas de charges négatives formé par les électrons est appelé charge d’espace. Ce nuage de charge négative tend à empê- cher d’autres électrons d’être émis par le filament tant qu’ils n’ontpas acquisune énergiethermiquesuffisantepoursurpas- serlesforcesd’attractionduchampélectriquecrééparlacharge d’espace.Latendancedelacharged’espaceàlimiterl’émission d’un plus grand nombre d’électrons par le filament est appe- lée«effet decharge d’espace». Quandles électronsquittent le filament, la pertede cescharges négatives faitque le filament acquiertunechargepositive.Lefilamentattiredecefaitquelques- uns des électrons émis qui reviennent alors vers leur origine.

Lorsqu’unfilamentestchaufféà satempératured’émission,un étatd’équilibreest rapidementatteint.Àl’équilibre,le nombre d’électronsrevenantaufilamentestégalaunombred’électrons émis. En conséquence, le nombre d’électrons constituant la charge d’espace demeure constant, tandis que le nombre réel d’électronsémisesttotalementdéterminéparlatempératuredu filament.

Les intensitésde courant–tube élevées qui peuvent être pro- duitesparl’émissionthermo-ioniquesontrenduespossiblesparce qu’un très grand nombre d’électrons peut être accéléré par le champélectrique 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»atteintlorsqu’unechargede1Coulombd’électricitétra- verseunconducteuren1seconde.LeCoulombestl’équivalentde lachargeélectriquetransportéepar6,2510¹⁸électronstraversant letube,delacathodeàl’anode.Doncuncourant–tubede100mA (0,1A)peutêtreconsidérécommeunfluxde6,2510¹⁷électrons passantdelacathodeàl’anodeen1seconde.Lecourantélectro- niquetraversantletubeàrayonsXestunidirectionnel(toujours delacathodeversl’anode).

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

Lorsqu’untubeàrayonsXfonctionne,lapiècedefocalisationest maintenueaumêmepotentielnégatifquelefilament.Lapiècede concentrationestusinéedetellesortequelesfaisceauxélectro- niquesémisparlefilamentconvergentsurlacibleanodiqueavec unetailleetuneformeparfaitementdéfinies.Lapiècedeconcen- trationestgénéralementconstituéedenickel.Ellepeutêtreportée àunpotentiel plusnégatifquecelui dufilament;elleestalors dite«biaisée»etpermetdediminuerlatailledufoyerthermique (foyervariable)(Fig.4).

Les tubes à rayonsX classiques sont équipés d’un filament unique ou plus habituellement d’un double filament. Chaque filament est constitué d’une hélice de fil métallique; ils sont installés soit côte à côte, soit l’un en dessous de l’autre, avec toujoursungrandfilamentetunfilamentpluspetit.Ilestimpor- tantdecomprendrequ’onnepeutemployerqu’unseulfilament pourune expositiondonnée;le plusgrosfilamentétantutilisé pour les expositions les plusimportantes. Le filamentchauffé est incandescent et peut être facilement observé en regardant la fenêtre desortie d’un tubeà rayonsX, si l’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

1

2

3

4

A B

C

Figure3. Filamentsetpiècedeconcentration(AàC).Ilexistegénéralement deuxfilamentsdetaillesdifférentes,correspondantaupetitetaugrandfoyerdu tuberadiogène.Lesdeuxfilamentssontplacésauseindelapiècedeconcen- tration oupiècede focalisation,quiassure le calibrageprécisenhauteur et enlargedufaisceauélectroniqueémis.1.Filamentdupetitfoyer;2.piècesde focalisation;3.filamentdugrosfoyer;4.bloccathodique.

1 2 3

4

Figure4. Modulationdelatailledufoyerparlapiècedeconcentration.

En portantlapiècede focalisationàunpotentielnégatif, ondiminue larelativedispersiondesélectronsémisparlefilamentetonpeutainsi modulerlatailledelasurfacebombardéesurlacible(foyerthermique).

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

stéréoscopiquedanslesquelsonaeurecoursàdesfilamentséloi- gnésdeplusieurscentimètres,cequipermettaitdesexpositions 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- matiquepermet deboosterlecourantdechauffage dufilament pourl’amenerdelavaleurdustand-byàlavaleurrequisepourla duréeprécisedel’exposition.

A B

C D

Figure5. VieillissementdutubeàrayonsX.

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

B.Lamétallisationpeutêtredueauxfilaments; lesparticulesmétalliquessedéposentalorspré- férentiellement à l’aplomb dubloc cathodique (flèche).

C.Lamétallisation peutêtre dueà l’anode;la zone «bronzée»estbeaucoupplus étendueet decolorationplusdense.

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

Letungstène vaporisé à partirdu filament(et à un moindre degrédel’anode)sedéposesousformed’unecoucheextrêmement finesurlasurfaceinternedel’ampouledeverredutubeàrayonsX.

Celaprovoqueunecolorationquidevientdeplusenplusintense lorsque le tube vieillit;il acquiert alors une teinte «bronzée» (Fig.5AàC).Cettepelliculedetungstèneadeuxconséquences: elleentraîneunefiltration dufaisceauderayonsXproduit,qui modifie progressivementsaqualité enle «durcissant».D’autre part,la présencedemétalsurle verreaugmentelerisqued’arc électriqueentreleverre «métallisé»etlesélectrodes,lorsqu’on utilisedeskilovoltagesélevés.Cecipeutentraîneruneperforation du tube (Fig. 5D). Une des raisons pour lesquelles on a déve- loppédestubesàrayonsXavecdesenceintesmétalliquesaulieu d’ampoulesde verre a étéla diminution des conséquencesdes dépôtsdetungstènesurlesparoisdutube(Fig.6).

Principe du foyer linéaire

Lefoyerthermiquecorrespondàlasurfacedelacibledetungs- tèneanodiquequi estsoumiseaubombardementdesélectrons issusde la cathodeet à laprofondeur depénétration desélec- tronsdanscette cibleanodique. Lamajeurepartie del’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 radiographiquesdétaillées. Cette difficulté a été résolue par le développementdès1918 duprincipe dufoyer linéaire(Fig.7).

Latailleetlaformedufoyerthermiquesontdéterminéesparla tailleetlaformedufaisceauélectroniquelorsqu’ilfrappel’anode.

Latailleetlaformedufaisceauélectroniquesontdéfiniespar:

• lesdimensions(diamètreetlongueur)del’hélice dufilament detungstène;

• laqualitédelapiècedeconcentrationainsiqueparlaposition dufilamentdanscettepièce.

Lefaisceauélectroniquebombardelacibledontlasurfaceest inclinéedetellesortequ’elleformeunanglealphaavecleplan perpendiculaireaufaisceauincident,appelé«angled’anode».Cet

A B

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

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 estlaprofondeurdepénétrationdesélectrons dansl’alliage tungstène–rhéniumdelacible.Lefoyeroptique(5)estlapro- jection dufoyerthermique dansl’axede sortiedufaisceau (c’est-à-dire dansladirectiondurayoncentral(6)ourayon directeur).Latailledufoyeroptiqueestliéeàlahauteurdufais- ceauélectroniquebparlarelationb×sinalpha(alphaétant l’angled’anode(^[4])etb∼a(aétantlediamètredel’hélicedu filament).2.Plandel’anode.

angled’anodevarie,enfonctiondeladestinationdutube,entre 6et20^◦(voire0^◦,enmammographie).L’angled’anodedétermine la surfacedufoyerthermiquelorsqu’onl’observedansladirec- tionde l’axede sortiedu faisceaudephotonsXémergeant du tube;cette projection du foyer thermique dansl’axe de sortie dufaisceauémergeantconstituelefoyeroptiquedontlesdimen- sionsdéterminentdirectementl’importanceduflougéométrique etdonclarésolutionspatialedesimages.Latailledufoyeroptique estdirectementreliéeausinusdel’angled’anode:puisquesinus 20^◦ égale0,342etsinus16,5^◦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.

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 conversion d’énergieélectriquedansun temps 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.

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.

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

Pour des raisons pratiques, sur des installationsmultiusages (tablestélécommandées)travaillantavecdesdistancesfocalesde l’ordrede110cm,etparcequel’onsouhaiteconserverdeschamps d’explorationde 36×43cm,aussibien pourle petit foyer que pourlegrandfoyerdutube,l’angled’anodenepeutêtreréduit endec¸àde15^◦.Cette limitationduchampestdictéeparl’effet detalondel’anodequidéfinitlechampcouvertmaximalàune distancefocaledonnée.

La taille des foyers optiques couramment utilisés en radio- graphie par projection sur des installations multiusages est de l’ordrede 1,5mm pour les gros foyers et 0,6 à 1mm pour les petitsfoyers.Pourdesinstallationsdédiées,onpeutadopterun petit foyer de 0,3mm surtout si l’on veut réaliser des clichés enagrandissement(radiographiesostéoarticulairesdes extrémi- tésdesmembres,radiographiescraniofaciales,enparticulieren

orthodontie).Il faut insister sur le fait quela 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 distance foyer–système de détection.Lebutdel’agrandissementesteneffetnonpasd’avoir desimagesagrandiesmaisd’accroîtrelavisibilitédespetitsdétails parl’augmentationdelarésolutionspatiale,cequinepeutêtre obtenuque par l’utilisation conjointed’un petit foyer et d’un rapportd’agrandissementélevé.

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).

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.

Letungstène est le métal choisipour la ciblepourplusieurs 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.

Lasurfacedelaplaquedetungstèneest beaucouppluséten- due que la cible bombardée par le faisceau électronique. Ceci est nécessairecarle pointde fusiondu cuivre estrelativement bas (1070^◦C).Uneseule exposition pourraitélever latempéra- turedela zonebombardéedela cibledetungstènede 1000^◦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 et lecuivre ontlescoefficients dedilatationlinéaire différents.Silasoudureentrelecuivreetletungstènen’estpas correctementfaite,lapiècedetungstènepeutsedésolidariserdu cuivredel’anode.

NB:strictosensu,ilfaudraitdistinguerl’anode,pôlepositifdu champ électriquecréepar la différencedepotentiel entreelle- mêmeetla cathode(filament), etl’anticathode,zonede métal lourdbombardéeparlefluxélectronique

Anodestournantes

Avecledéveloppementdegénérateurscapablesdedélivrerdes puissancesplusimportantes,lefacteurlimitantestdevenuletube àrayonsX.Lapossibilitépourletuberadiogèned’atteindredes débitsélevésdephotonsXestlimitéeparlaquantitédechaleur généréeauniveaudel’anode.L’objectifdel’anodetournanteest d’accroîtrelacapacitédutubeàrésisteràlachaleurengendréepar lesexpositionslongues.

L’anode du tube à anode tournanteest constituée d’un gros disquedetungstèneoud’unalliagedetungstène,quitournethéo- riquementàunevitessede3000tr/minlorsqu’uneexpositionest réalisée.Enpratiquel’anoden’atteintjamaisunetellevitessede rotationcarilyadescontraintesmécaniquesentrelerotoretles roulementsàbillesquifontquelavitesseréellementatteinteest

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Image radiante 3

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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.

Diamètre moyen de la piste D

Surface du foyer thermique

S

L = 3,14 D Piste développée L b

Figure12. L’anodetournanteaugmentelasurfacedufoyerthermique proportionnellementàlacirconférencedelacible,doncaudiamètreD (ouaurayonr)moyendelapistebombardée(␲Dou2␲r).

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).

Le biseautage permetd’appliquer le principedu foyer linéaire.

L’objectif del’anode tournante est d’étaler la chaleur produite pendantl’expositionsurunezoneplusétenduequelasimplecible anodique(Fig.12).Sil’onsupposequelefilamentetlapiècede concentrationd’untubeàrayonsXproduisentunfaisceauélec- tronique calibréde7mm dehauteur(longueurdu filament)et de2mmdelargeur(diamètredelaspiraled’enroulementdufila- ment),lazonebombardéeparlesélectronsestreprésentéeparun rectanglede14mm² (surfacedu foyerthermique).Sile biseau- tageestde16,5^◦,latailleapparentedufoyerdansl’axedurayon directeurdu faisceaude rayonsXémis ou foyeroptiqueest de 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 sûrresterla mêmequesi l’anodeétaitfixe. Àunevitesse

de3000tr/min,unezonedonnéedelacibledudisquedetungs- tènevasetrouversoumiseaufluxélectroniqueseulementunefois tousles1/50^edesecondeetlerestedutempslachaleurengendrée pendantl’expositionpeut être dissipéepar rayonnement.Tous les1/50^edeseconde,la circonférencecomplètedelacibleaété 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 chargethermiquemaximalepermise surl’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- tiquesdélivrées par le stator. Au début du développement des tubesàanodetournante,laduréedeviedutubeétaitcourteenrai- sondumanquederésistancedesroulementsàbilles,surlesquels estposél’axedel’anode.Enraisondesforcesdefrottement,ilétait nécessairedelubrifierlesroulementsàbillesmaisleslubrifiants huileuxhabituelsnepouvaientpas êtreutiliséscarilssevapo- risentdèsqu’ilssontchauffésetdétruisentlevidedutube;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 représenteun problème supplémentaire. Lachaleur engendrée dansledisquedetungstènesolideestdissipéeparrayonnement àtraverslevidejusqu’àlaparoidutubeetensuitedanslebain d’huileenvironnantletube,àl’intérieurdelagaine.Rappelons que,dansuntubeàanodefixe,lachaleurestdissipéeparrayonne- mentetparconductiondanslamasseducuivreanodique.Dansle tubeàanodetournante,l’absorptiondechaleurparl’anoden’est passouhaitéecarlachaleurabsorbéeparlesroulementsàbillesde l’anodepourraitlesfairedilateretprovoquerungrippage.Pour cetteraison,la tigequi unitledisquedetungstène aurestede 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

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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.

àunedispositionenporte-à-fauxdel’anodesurunpalierunique, d’undispositifàdoublepalier,chacund’entreeuxsupportantune extrémitéd’unaxederotationtransanodique.

Mêmesitouslesfacteursquiaffectentlarotationd’unensemble anodiquerelativementlourdsontcontrôlésdefac¸onoptimale, l’inertiedemeureunproblème.Enraisondecetteinertie,ilya uncourtdélaientrel’applicationduchampélectromagnétiqueà l’anodeetlemomentauquellerotoratteintsavitessede rota- tionangulaire maximale. Cette période varie généralementde 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 l’augmentationdel’absorptiondesphotonsXdanslacibleelle- même.Lacombinaisondeduréesd’expositioncourtes etd’une vitessederotationrapideentraînedesvariationstrèsrapidesde chauffageetderefroidissementdelasurfacedudisqueanodique.

Laperte dechaleur parrayonnement à partir dela surface du disquesurvientcarilseproduituneaugmentation significative 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

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Figure14.

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

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

électroniquedurantuntempspluscourtàchaquetourdel’anode.

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

• lalongueur de la tigeanodiquedoit êtreréduiteautant que possiblepourdiminuerl’inertiedel’anode;

• lerecoursàunaxederotationtransanodiquereposantsurdeux paliersplacésdepartetd’autredel’anodeetaussiloind’elleque possible;

• etenfinl’inertiedel’anodedoitêtreréduiteendiminuantle poidsde l’anodeelle-même.Ceci est obtenuenutilisant un disqueanodique«composite»(compound)danslequellaplus grandepartie dudisqueest faitedemolybdène(poids spéci- fique10,2)quiestbeaucouppluslégerqueletungstène(poids

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

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

spécifique19,3). Une couche relativement mince d’alliage tungstène–rhénium est plaquée surle disqueetsert decible réellepourlefaisceauélectronique(Fig.15).Certainsdisques composites utilisentducarbone(graphite)au lieudemolyb- dène pour réduire encore plus la masse, donc l’inertie. Le graphite ne conduitpas aussibien la chaleur quele molyb- dène,doncundisqueàanodeengraphitevachaufferbeaucoup plus qu’un disquede molybdène. Il ya aussiquelques pro- blèmes techniquesassociésavecle sertissagedela couchede tungstène–rhéniumsurlegraphite.Undisquecompositeavec un substrat de molybdènea un momentd’inertied’environ 35% moindre qu’un disque de tungstène solide de même diamètreetdemêmecapacitécalorifique.Uneréductionsup- plémentaire d’aumoins 50%du momentd’inertiepeut être obtenuequandlemolybdèneestremplacépardugraphite.

Certainsdisquesanodiquessontfabriquésavecdes fentesou 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- rencedepotentielentrelesélectrodes.Untubeàeffetdegrille renferme son propre système de commutation qui lui permet d’êtretrèsrapidementmissoustensionethorstension,comme celapeutêtresouhaitédanslestechniquesd’imageriedynamique àrésolutiontemporelleélevée.

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

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

Dansle tubeà effet degrille, lapièce deconcentration peut êtreportéeàunpotentielélectriquenégatifparrapportaufila- 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, situationdanslaquelle aucunélectron netransiteplusdu fila- ment vers la cible. La différence de potentiel appliquée entre lapièce deconcentrationet lefilamentpeutdoncagircomme 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- tueune charge d’espace.Lorsquela différence depotentiel est appliquéeentrelacathodeetl’anode,lefluxélectroniquedufila- ment vers l’anodeproduit le courant–tube. Si la différencede potentielappliquéeestinsuffisantepourquelamajeurepartiedes électronssoitarrachéedufilamentaumomentoùilssontémis, une charged’espace résiduelle vapersister autour du filament.

Cettecharge d’espacerésiduelle limitele nombredesélectrons disponiblesetlimitedoncl’intensitéducouranttraversantletube àrayonsX.

Jusqu’àenviron40kV,l’augmentationdukilovoltageproduit une augmentation significative de l’intensité du courant–tube, mêmesilatempératuredechauffagedufilamentdemeurecons- tante. Au-dessus de 40kV, une augmentation supplémentaire dukilovoltageproduitpeudemodificationsdansl’intensitédu courant–tube;onpeutdoncconsidérerqueladifférencedepoten- tielde40kV définitla positiondupoint desaturationdutube à rayonsX. Endessousde40kV,le courant–tube estlimitépar leseffets dela charge d’espace.Au-dessusde 40kV (voltagede saturation),l’effetdelacharged’espacen’athéoriquementplus d’influencesurl’intensitéducourantdansletubeàrayonsX.Dans

Cathode

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15° 10° 0° 10° 15°

75 50 Collimation 25

Pourcentage de l’intensité du faisceau × produit par le tube

Angle d’anode 15°

Zone d'effet de talon de l’anode

Figure17. Effetdetalondel’anode.L’intensitédufaisceauderayonsX émisestamoindrieducôtédel’anodeenraisondel’absorptiond’une partiedesphotonsXémisauseindel’anodequileuradonnénaissance.

Lavariationd’intensitéestdel’ordrede30%entrelecôtéanodiqueetle côtécathodiquedutube.

cettezone,l’intensitédu courantestdéterminéeparlenombre d’électronsrendusdisponiblesparlechauffagedufilament.

En pratique, une élévation continue du courant au-delà de 40kVs’accompagned’unelégèreaugmentationducourant–tube enraisond’un petit effetde charged’espace résiduel.Dansles 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 différentset nécessitent des compensations decharge d’espace différentes.

Effet de talon de l’anode

L’intensitédufaisceauderayonsXémispar letuben’estpas uniforme;elle dépend del’angle souslequel les rayonsX sont émisàpartirdufoyer.Cettevariationestappelée«effetdetalon» del’anode.

L”intensitédufaisceauducôtédel’anodedutubeestmoindre queducôtédelacathode.Ladiminutiond’intensitédufaisceau derayonsXémisdansunedirectionpratiquementparallèleàla surfacedel’angled’anodeestcauséeparl’absorptiond’unepartie desphotonsémisparl’anodeelle-même(Fig.17).L’intensitédu faisceaupar rapportà l’angle d’émissionvarieen fonctiondes caractéristiquesphysiquesoupropresdestubesàrayonsX.

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Figure 18. Schéma d’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.

Lesvaleursmoyennesdeceteffetdetalondel’anodecorres- pondentà une exposition relativedu côtéanodiquedel’ordre de73%del’intensitémoyennedu faisceautandisqueducôté cathodique elle est de l’ordre de 105%, pour une distance focaled’environ100cm.Doncilyaenviron30%dedifférence d’intensitédel’expositionentrelecôtéanodiqueetlecôtécatho- dique d’un film ou d’un détecteur numérique. Si la distance foyer–filmestaugmentéeà180cm,lesdifférencesd’intensitéde l’expositionvontêtrenettementmoindres,del’ordrede87%sur leversantanodiqueet104%surleversantcathodique.

Troisconséquencescliniquesimportantesdel’effetdetalonde l’anodepeuventêtreobservées:

• 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’extrémitéanodiquedutubesoitdu côtédu rachisdor- salsupérieur,làoùlesegmentcorporelestmoinsépais,lecôté cathodiquedu tubeest alorsducôtédu rachisdorsalbas,là oùlesstructurescorporellessontplusépaissesetrecoiventune expositionplusimportante;

• deuxièmement,l’effetdetalondel’anodeest moinsmarqué lorsqu’onutiliselegrosfoyerd’untubeàrayonsX;

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

Ceciestdûaufaitquel’intensitédufaisceauderayonsXestplus homogèneàproximitédurayondirecteurcentralquedansla partiepériphérique.

Gaine et câbles haute tension

Onpensegénéralementqueles rayonsXémis par letube se limitent au faisceauémergeant;ils sonten faitémis avec une intensitéplusoumoinséquivalentedanstouteslesdirectionsà partirdelacible,constituantcequ’onappellele«rayonnement defuite».DepluslesrayonsXsontdiffusésdanstouteslesdirec- tionsaprèsles collisionsavecdenombreusesstructuresdanset autourdutube.

Pourlimitercerayonnementdefuite,lagainedutubeestrecou- verted’unecouchedeplombquisertàabsorberlerayonnement primaireetsecondairequipourraitproduireuneintensitéélevée du rayonnement autourdu tube,ayant pourconséquence une exposition inutiledespatientsetdupersonnelenmêmetemps qu’unepertedecontrastesurlesimages.

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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».

L’efficacité de la gainedu tubedans la limitationdu rayon- nement de fuite doit obéir aux spécifications énumérées dans les réglementationsidoines:«le rayonnement de fuite mesuré à unedistancede1màpartirdelasourcenedoitpasdépasser 100milliroentgen (mR)parheureavecun tubefonctionnant à sonniveaumaximald’intensitédecourant(mA)etdedifférence depotentiel(kVp)».

Uneautre fonction dela gaine du tube est d’assurer la pro- tectionélectriquecontrelesdifférencesdepotentieltrèsélevées nécessairespourproduirelesrayonsX.Lescâbleshautetension connectés autube parl’intermédiairederéceptacles appropriés danslagainedutubecontiennentunetorsadedefilspermettant 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 purgéede tout 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- teurqui automatiquementarrêtel’expositionsi latempérature maximaledel’huileaétéatteinte.

Caractéristiques et abaques de charges des tubes à rayons X

Ilesthabitueldeparlerdelachargetotale(capacitéthermique maximale)d’untubeàrayonsXentermesdekilovoltage(kVp), milliampérage(mA), et tempsd’exposition (s). Lalimite de la charged’untubequipeutêtreacceptéeentoutesécuritéestfonc- tiondela quantitédechaleur produitedurant l’exposition.La température maximale pouvant être tolérée pour le tungstène estgénéralementestiméeà3000^◦C.Au-dessusdeceniveau,une vaporisationimportantedelacibledetungstèneestobservée.La quantitédechaleurproduite paruncourantélectriqueestpro- portionnelleauproduit deladifférencedepotentiel(kV)etde l’intensitéducourant(mA).Laquantitétotaledechaleurproduite estdoncleproduitduvoltageparlemilliampérageducourantet parletempsd’exposition(s).Cetteénergieestexpriméedefac¸on habituelledansdeuxsystèmesdifférents:

• lesunitéschaleur(UC)(unsystèmeartificiel);

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

Il faut comprendre les deux systèmes etleur valeur relative.

Lesunitéschaleurdisparaîtront danslefuturmaissontencore fréquemmentutiliséesdanslesdocumentationsdesfabricantset danslalittérature.

Les UC (heat units[HU]) sont définiescomme le produit de l’intensitédu courant–tube (mA) parla différencede potentiel maximale(kVp)etparladuréed’exposition(s)avecuncourant monophasé;ils’agitdoncd’unedéfinitiontrèsartificielleetmal- encontreuse.Rappelonsquedansungénérateurmonophasé,le kilovoltagemaximal(kVpoupeakvoltage)n’estpaslekilovoltage moyen;lekVpestenfaitégalà 1,35fois lekilovoltagemoyen (c’estplusprécisémentlaracinecarréemoyennedukilovoltage, quel’onpeutappelerlekilovoltagemoyenetquel’onpeutcalcu- lerenutilisantunfacteurdeconversionde1,4).Lesgénérateurs plusrécentsutilisentun couranttriphaséredresséet,à l’heure actuelle, le courant fournipar les générateursde moyenne ou hautefréquencepeutêtreconsidérécommeàdifférencedepoten- tielconstante,pourlequelle kVpetlekilovoltagemoyen sont identiques.

Le terme puissance (d’un tube à rayonsX) est couramment utilisépour exprimer la capacitédu tube à effectuer une seule exposition d’uneduréeraisonnable. Ladurée d’uneexposition raisonnableest définie commeégale à 0,1seconde (ce qui 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),trou- vezlalignecorrespondantàuneduréed’expositionde0,1s,et cherchezl’endroitoùellecoupelacourbedes70kVp.Cesdeux lignessecroisentauniveaudelalignedes500mA,celasignifie quecetubepourraitaccepteruneexpositionde70kVpet500mA pendant0,1seconde.Lapuissanceapproximativeestdoncde:

70kVp×500mA=35000W=35kW

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

Ils’agitdoncbiendufoyerd’untubede35kWdepuissance.

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 k VP 110 k VP 100 k VP 90 k VP 80 k VP 70 k VP

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

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

Laquantitédechaleur(chargethermique)quipeutêtretolérée paruntuberadiogène sansdommagesexcessifsest déterminée par:

• letypederedressementducourantalimentantletube;

• lapuissancedugénérateur;

• lasurfacedelacibledetungstènebombardéeparlesélectrons (tailledufoyerthermique);

• lediamètredel’anode;

• lamassedel’anode;

• l’angled’anode;

• lavitessederotationdel’anode;

• etenfinparladuréedel’exposition.

Enprenantenconsidérationlachargethermiquedutube,trois typesd’usagecaractéristiquessontàenvisager:

• lachargethermiqueaucoursd’uneexpositionunique;

• lachargethermiqueaucoursd’expositionsmultiples enchaî- néesrapides(commeenangiographieouenscanographie);

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

La limite de sécurité pour le tube à rayonsX réalisant une exposition unique peut être facilement déterminéeà partirde l’abaquedechargedutube.Unexempled’untelabaqueestdonné danslaFigure20.Parexemple,sil’ondéterminequ’uneexposi- tionnécessite50mAs(500mAà0,1s);enseréférantàl’abaque, les lignescorrespondantrespectivement à 500mA età 0,1s se croisentsurlekilovoltagemaximalde70kVp.Defac¸onanalogue, lachargemaximaleadmissiblepourtoutecombinaisondesfac- teursd’expositionpeutêtredéterminéeàpartirdecetabaquede chargequiestdonnéseulementàtitred’exemple.

LesfabricantsdestubesàrayonsXutilisésdanstouteslesinstal- lationsderadiodiagnosticlivrenttoujourslesabaquesdecharge pourlescirconstancesspécifiquesdanslesquellesletubepourrait êtreutilisé(parexemplecourantmonophaséredresséoucourant triphaséredressé).

Unedesutilisationslesplusimportantesdel’abaquedecharge thermiquedel’anodeest dedéterminerladuréequ’ilfaut lais- ser au tube pourqu’il se refroidisse avant que des expositions complémentaires ne soient de nouveau possibles (courbe de refroidissement).Parexemple,supposonsqu’unesérieangiogra- phiqueproduise500Jparexposition.Sicettesérieangiographique nécessite20expositions, l’échauffementtotal de l’anodeestde 100000J;ensereportantàl’abaquederefroidissementdel’anode dutubeenquestion,onvoitqu’ilfautenviron6minutespourque

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

letubeserefroidissede200000à10000J.Doncsidessériesangio- graphiquesrapidessontnécessaires,ilfautrespectermalgrétout undélai de6minutesimposéparla limitationdescapacitésde dissipationthermiquedel’anode.

Des considérations complémentaires doivent être ajoutées concernant la capacitéde la gainedu tubeà supporterles élé- vationsthermiques.Lagainedutubepeutabsorberuneénorme quantitédechaleur(1500000Jestunevaleurcourante).Maissi lagainedutubepeutabsorberdegrandesquantitésdechaleur, illuifautégalementuntempsconsidérablepourserefroidir.En seréférantauxabaquesspécifiques,onvoitqu’engénéralilfaut environ30minutesàlagained’untubeàrayonsXpourdissiper 600000J.Siunrefroidissementplusrapideestnécessairepourla gaine,l’utilisationd’uncircuitdeventilationpeutgénéralement doublercettevitessederefroidissementetonpeutenvisagerdes valeursdépassant96000J/min(Tableau1).

Tubes à rayons X métal/céramique

Lestubes à rayonsXà hauteperformanceont étéintroduits il ya un quartdesiècle, d’abord enangiographiepuisensca- nographie.Ilssontcomposésd’uneenceintemétalliqueaulieu del’habituelleampouledeverreavectroisblocsd’isolementdes câblesetfilsconducteursencéramique.Deuxdecesblocsassurent l’isolationpourlesdeuxcâbleshautetension(positifetnégatif) etuntroisièmesupportelatigeanodique.L’anodetourne,dans certainstubes,surunaxequiadespaliers desupportàchaque extrémité pourprocurerune plusgrande stabilitéetréduireles contraintesmécaniquessurl’axe.Cesupportadditionnelpermet d’employeruneanodeplusmassivepouvantallerjusqu’à2000g, tandisque,danslestubesconventionnels,elleestgénéralement limitée à 700g. Lesisolants de céramiquesontemployés pour séparerles partiesdutubeà rayonsX, soumisesàhaut voltage, de l’enceinte métallique du tube. Un oxyde d’aluminium est habituellement utilisédansles isolantsencéramique. 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 de métal est mise à la terre; cette mise à la terre ajoutéeàl’utilisationd’isolateursencéramiqueassurelasécurité électriqueendépitdelataillerestreintedutube.

Rayonnement extrafocal

LerayonnementextrafocalestproduitparuntubeàrayonsX lorsquedesélectronsaccélérésàvitesseélevéeinteragissentavec lessurfacesmétalliquesautresquelatracedelacible(générale- mentlesautrespartiesdel’anode).Laprincipalesourced’électrons extrafocaux estreprésentéeparlesélectronsrétrodiffusésà par- 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 rapportaux 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 rayonsXmiseàla terre,enfonctiondeleuréloignementdela paroimétalliqueou del’anode.Lesélectronsfrappantle métal delaparoimétalliquepeuventproduiredesrayonsX,etlemétal, de numéroatomique faible,produit plusderayonsXde faible 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 élevéplusl’efficacitédeproductiondesrayonsXestélevée.Par exemple,letungstène(Z=74)produiraitplusderayonnementde freinagequel’étain(Z=50)sitouslesdeuxétaientutiliséscomme ciblesdansuntubeàrayonsXavecunedifférencedepotentielet uneintensitéducourant–tubeidentiques.Onadéjàmisl’accent surlefaitqueletungstèneestutilisécommematérielpourlacible enraisondesonnuméroatomiquerelativementélevé(74)etde sonpointdefusionélevé(3370^◦C).Leplatine,avecunnuméro atomiqueplusfavorablede78,aenrevancheunpointdefusionà 1770^◦Cetl’orstable(Z=79)fondà1063^◦C.Doncpourlespectre continu(photonsXproduitsparfreinage),lenuméroatomique dumatérieldelacibledétermineenpartielaquantitéderayonsX produite.

Larelationentrelenuméroatomiqueetlaproductionderaies caractéristiquesestdifférente.Lenuméroatomiquedu matériel delacibledéterminel’énergieoulaqualitédurayonnementX caractéristiqueproduit.Parexemplelerayonnement caractéris- tique produitpar lacoucheKdu tungstène (Z=74)variede57 à 69keV,celuidel’étain (Z=50)variede25à29keV;celui du plomb(Z=80)adesénergiesentre72et88keV.

Ciblesdemolybdène

Avec un numéro atomique élevé comme le tungstène, le faisceauderayonsXestpresqueentièrementconstituéderayon- nement de freinage. La contribution des raies caractéristiques varieenfonctiondukilovoltagedutubemaisellenereprésente jamaisunpourcentageimportantdutotaldufaisceau.

Aveclesanodesdenuméroatomiquepluspetit,laproduction de rayonsXparfreinage est moinsefficiente.L’efficiencedimi- nueégalementlorsquela différencedepotentielauxbornesdu tube estdiminuée.Lacombinaisond’un numéroatomiquebas pourl’anodeetd’untubeà voltagebasréduitlaproductionde rayonnement par freinage à un niveausuffisamment bas pour quelerayonnementcaractéristiquedeviennelaradiationlaplus importante.

Lestubesàanodeenmolybdènesontfabriquéspourtireravan- tagedeceprincipepourlaradiographiedusein(etdesstructures minces,àfaiblecontrastepropre:piècesanatomiques,tableaux depeintureartistique).Lekilovoltageoptimalpourlamammogra- phieestd’environ28kVp.Àcettedifférencedepotentiel,lesraies caractéristiquesKalpha17,5keVetKbêta19,6keVdumolybdène