[0001] La présente invention concerne un perfectionnement aux tubes convertisseurs d'images
: ce perfectionnement permet d'éliminer les lueurs parasites qui peuvent se développer
sur les isolants à l'intérieur de ces tubes.
[0002] L'invention concerne également le procédé mis en oeuvre pour supprimer ces lueurs
parasites.
[0003] Le rappel préliminaire de la structure et du fonctionnement d'un tube convertisseur
d'images permettra de mieux comprendre la nature du problème posé et celle de la solution
proposée par l'invention Mais, de façon à être plus claires et précises les explications
ainsi que celles relatives à l'invention s'appuieront sur l'exemple, non limitatif,
d'un tube intensificateur d'images radiologiques.
[0004] Les tubes intensificateurs d'images sont des tubes à vide comprenant un convertisseur
d'entrée, situé à l'avant du tube, un système d'optique électronique, et un écran
d'observation de l'image visible situé à l'arrière du tube, du côté d'une fenêtre
de sortie de ce dernier.
[0005] Dans les tubes intensificateurs d'image radiologiques ou en abrégé "tube IIR", le
convertisseur d'entrée comporte un écran scintillateur qui convertit les photons X
incidents en photons visibles.
[0006] La figure 1 montre schématiquement un tel tube intensificateur d'image du type radiologique.
[0007] Le tube IIR comprend une enveloppe 1 en verre ou en métal dont une extrémité, à l'avant
du tube, comprend un écran d'entrée 2. Cette extrémité est fermée par une fenêtre
d'entrée 3 exposée à un rayonnement de photons X.
[0008] La seconde extrémité de l'enveloppe formant l'arrière du tube est fermée par une
fenêtre de sortie 4 transparente à la lumière .
[0009] Les rayons X sont convertis en rayons lumineux par un écran scintillateur 5. Les
rayons lumineux excitent une photocathode 6 qui en réponse produit des électrons.
[0010] Les électrons produits par la photocathode 6 sont accélérés vers la fenêtre de sortie
4 à l'aide de différentes électrodes 7, et d'une anode 8, disposées le long d'un axe
longitudinal du tube et qui forment le système d'optique électronique.
[0011] La fenêtre de sortie 4 est formée par une pièce transparente en verre qui, dans l'exemple
représenté, porte un écran cathodoluminescent ou écran de sortie 9 fait de luminophores
par exemple.
[0012] L'impact des électrons sur l'écran cathodoluminescent ou écran de sortie permet de
reconstituer une image (amplifiée en luminance) qui au départ était formée sur la
surface de la photocathode 6.
[0013] L'image affichée par l'écran de sortie 9 est visible à travers la pièce en verre
qui constitue la fenêtre de sortie 4. Généralement des dispositifs capteurs d'optiques
(non représentés) sont disposés à l'extérieur du tube à proximité de la fenêtre de
sortie 4 pour capter cette image au travers de cette dernière et permettre son observation.
[0014] Mais cette observation ne peut être efficace que s'il n'intervient pas de lumière
parasite. Or, une conséquence du procédé de fabrication, d'une part, et des hautes
tensions de l'optique électronique, d'autre part, réside en l'apparition de lueurs
en surface des parties isolantes qui soutiennent les électrodes. Il est facilement
concevable que ces lueurs dégradent l'image radiologique observée, en particulier
en contraste.
[0015] Ces lueurs parasites proviennent de ce que l'isolation électrique des électrodes
est dégradée par la présence des métaux alcalins qui se sont déposés sur ces électrodes,
et qui favorisent par effet de champ une émission d'électrons qui vont charger les
isolants.
[0016] L'invention apporte une solution aux inconvénients de l'art antérieur en proposant
de limiter la charge électrique des isolants, qui est à l'origine des lueurs parasites.
Cet objectif est atteint en recouvrant la surface des isolants par une couche mince
d'un produit très peu conducteur pour limiter le courant de fuite mais ayant surtout
un faible taux d'émission secondaire d'électrons. Le carbone diamant est un bon exemple
de substance convenant à ces impératifs.
[0017] De façon plus précise, l'invention concerne un tube intensificateur d'images radiologiques
(IIR) comportant, à l'intérieur d'une enceinte sous vide, au moins un écran d'entrée
associant un scintillateur et une photocathode, qui transforment les rayons X incidents
sur le scintillateur en électrons, focalisés sur un écran de sortie au moyen d'une
optique électronique formée par une plurallté d'électrodes fixées au moyen d'une pluralité
de pièces isolantes, ce tube IIR étant caractérisé en ce que, en vue de supprimer
les lueurs parasites qui naissent en fonctionnement sur les isolants, ceux-ci sont
recouverts d'une couche mince d'un matériau ayant un faible taux d'émission secondaire
d'électrons, une très faible conductivité électrique, et susceptible d'être déposé
par un procédé physique ou chimique de vaporisation en couche mince.
[0018] L'invention sera mieux comprise par l'exposé d'un exemple de réalisation, en liaison
avec les figures jointes en annexes qui représentent :
- figure 1 : vue en coupe, schématique, d'un tube IIR selon l'art connu ;
- figure 2 : vue en coupe d'un tube IIR, orientée sur les problèmes d'isolants résolus
par l'invention ;
- figures 3a à 3c : schéma du mécanisme d'apparition des lueurs sur les isolants ;
- figure 4 : coupe d'un isolant recouvert d'une couche mince selon l'invention.
[0019] La figure 1 qui a été décrite précédemment exposait rapidement le fonctionnement
d'un tube IIR. La figure 2 reprend cette vue en coupe, mais elle est plus particulièrement
orientée sur les isolements électriques à l'intérieur.
[0020] De façon à rendre plus claire et plus concrète la description, on admettra que ce
tube IIR a une photocathode 6 en antimoniure d'alcalins, et qu'il est de type tétrode
, avec trois grilles 71, 72, 73 et une anode 8.
[0021] Les électrodes sont portées à des tensions pouvant aller au delà de 30 kV pour l'anode
8 et à environ 20 kV pour la grille 73. Les électrodes 71 et 72 sont portées à des
tensions ne dépassant généralement pas 1500 V. L'écran primaire 2 avec sa photocathode
6 transforme le rayonnement X en un faisceau d'électrons qui est ensuite focalisé
par l'ensemble d'électrodes sur l'écran secondaire 4 qui le transforme en image lumineuse.
Généralement l'anode 8 est portée à une tension fixe, par exemple 30 kV, tandis que
les autres électrodes, dont en particulier la grille 73 peuvent être portées à des
tensions variables pour agrandir l'image d'entrée sur l'écran de sortie, créant ainsi
un effet de zoom. Le mode de fonctionnement zoom peut conduire à des tensions de fonctionnement
supérieures à 20 kV pour l'électrode 73.
[0022] L'ensemble des grilles 71, 72 et 73, de l'anode 8, et de la fenêtre de sortie 4 forment
un ensemble architectural qui est assemblé de façon rigide :
- d'une part au moyen de cales d'alumine 11 et 12, par exemple, entre les grilles
71, 72 et 73,
- d'autre part au moyen d'un scellement 13 verre/métal, entre l'enveloppe 1 du tube
et les électrodes 8 et 73.
[0023] Compte tenu des tensions élevées auxquelles peuvent fonctionner les électrodes 73
et l'anode 8, leur isolement électrique vis à vis du reste du tube est un problème
délicat, mais il se fait que la tenue en tension est particulièrement dégradée par
le procédé de fabrication de la photocathode 6 qui se fait à l'intérieur même du tube
à vide 1 par évaporations successives de ses éléments constitutifs. Si l'évaporation
de l'antimoine (Sb) par effet Joule à partir d'un creuset inséré sur l'axe du tube
est directive et permet d'éviter une pollution importante du reste du tube, il en
est tout autrement pour celle des alcalins tels que potassium (K), césium (Cs) ou
sodium (Na). L'évaporation des métaux alcalins est le résultat d'une décomposition
à chaud d'un composé de ces métaux tel que par exemple un chromate, par le chauffage
par effet Joule des générateurs alcalins. La géométrie fermée de ces générateurs,
nécessaire au confinement des chromates pour optimiser les réactions de décomposition,
et leur position décentrée par rapport à l'axe du tube rendent l'évaporation très
peu directive. L'évaporation des alcalins peut même se faire à l'extérieur du tube
: ils sont alors injectés dans le tube à travers un queusot. Dans tous les cas, cette
évaporation génère un brouillard qui se dépose partout à l'intérieur du tube.
[0024] Une partie des alcalins vaporisés se dépose sur les pièces métalliques du tube IIR,
telles que les électrodes 71, 72, 73, tandis qu'une autre partie des alcalins se dépose
sur les pièces isolantes 11, 12, 13. Les figures 3a à 3c permettent de comprendre
le phénomène d'apparition des lueurs sur les isolants, et par voie de conséquence
de comprendre la solution apportée par l'invention.
[0025] Soit une pièce isolante 12, en alumine, qui soutient et réunit deux grilles 72 et
73 en acier inoxydable, par exemple. Dans ce cas, la grille 73 est portée à quelque
20 kV, la grille 72 à quelque 1,5 kV et la cale d'alumine 12 a été précédemment polluée
par des alcalins, ainsi d'ailleurs que les pièces métalliques.
[0026] Les alcalins, déposés en surface des pièces métalliques internes du tube, diminuent
considérablement le travail de sortie des électrons du métal ce qui favorise les émissions
parasites d'électrons par effet de champ aux endroits où le champ électrique est élevé.
En particulier, le champ électrique peut être très élevé au voisinage isolant/électrode
à basse tension pour des raisons de charge de l'isolant et de proximité de sources
potentielles d'électrons.
[0027] Ainsi, dans un premier mécanisme d'émission représenté en figure 3a, un électron
incident qui heurte la cale d'alumine 12 provoque un effet multiplicateur et en arrache
au moins deux électrons secondaires, avec la conséquence que la cale 12 est chargée
d'au moins une charge positive. Cette charge positive attire, dans un second mécanisme
d'émission symbolisé en figure 3b, les électrons qui sont sortis des pièces métalliques
par effet de champ, par exemple au voisinage isolant/électrode. Les électrons ainsi
captés ramènent au cas précédent et créent des électrons secondaires par effet multiplicateur.
C'est ainsi qu'il y a très rapidement un effet d'avalanche, et l'émission d'électrons
par effet de champ conduit - figure 3c - à l'apparition de lueurs en surface de l'isolant
bombardé par un mécanisme de type cathodolu- minescence. Ces lueurs sont typiquement
bleues sur le verre et rouge sur l'alumine A1
20
3. Les lueurs sont généralement stables dans le temps bien qu'elles peuvent varier
légèrement en position.
[0028] Les lueurs en surface des isolants, visibles directement de la photocathode ou par
réflexions sur les électrodes ou les parois métalliques du tube, sont retransmises
et amplifiées sur l'écran secondaire 4. L'éclairement parasite ainsi généré perturbe
le bon fonctionnement du tube IIR: lueur en l'absence de signal utile et détérioration
du contraste en fonctionnement. Le courant de fuite important qui peut être associé
à la présence des lueurs est aussi source d'instabilité de l'alimentation du tube
IIR au détriment de la qualité de l'image, avec perte de résolution.
[0029] Pour améliorer l'isolement électrique et en particulier limiter l'apparition de lueurs
en surface des isolants, différentes solutions sont connues mais comportent des limitations
de performances ou restent très coûteuses.
[0030] Une première solution consiste à limiter les possibilités d'émission d'électrons.
Cette solution nécessite une action sur la configuration des pièces et leur état de
surface. En effet l'émission parasite d'électrons par effet de champ est régi par
deux paramètres : le travail de sortie des électrons et le champ microscopique en
surface du site d'émission. Si le travail de sortie est conditionné par la présence
inévitable des alcalins, le champ microscopique peut être diminué en améliorant l'état
de surface et en augmentant le rayon de courbure de la place au niveau des sites possibles
d'émission, avec diminution de l'effet de pointe. L'émission parasite d'électrons
et donc les lueurs sur isolants peuvent donc être diminuées par l'introduction de
pièces polies et arrondies, parexem- ple aux jonctions isolant-métal. Ces pièces sont
généralement coûteuses et doivent être manipulées avec soin.
[0031] Une seconde solution consiste à protéger l'isolant bombardé par un dépôt d'un produit
pulvérulent. Une telle solution consiste par exemple en un dépôt d'oxyde de chrome,
réalisé en utilisant un mélange de poudre d'oxyde de chrome, d'eau et éventuellement
d'un liant. Déposé au pinceau ou au tampon, on obtient un dépôt épais et d'adhérence
faible. Cette solution, si elle permet d'éliminer les lueurs en surface de l'isolant
badigeonné, est une source de pollution particulaire dans le tube et donc de défauts
d'aspect sur l'écran de sortie.
[0032] Enfin, on peut optimiser la forme de l'isolant, en utilisant des alumines crénelés
ou coniques. C'est une solution coûteuse et à l'efficacité limitée compte tenu de
la présence d'alcalins dans le tube.
[0033] Selon l'invention, on limite la charge électrique des isolants à l'origine des lueurs
parasites par un dépôt 14 (figures 2 et 4) sur ces isolants d'un produit ayant pour
principales caractéristiques :
- d'avoir un faible taux d'émission secondaire d'électrons, de sorte que s'il est
heurté par un électron, il l'absorbe sans émission secondaire avec mutiplication,
- d'être homogène, c'est-à-dire non pulvérulent, ou déposé par un procédé dit "de
couche mince", avec forte adhérence entre le produit et l'isolant,
- d'être très peu conducteur pour limiter le courant de fuite dans le tube intensificateur
d'image.
[0034] Un tel dépôt consiste par exemple en une couche de carbone amorphe déposée par pulvérisation
cathodique ou par un procédé chimique, stimulé par un plasma et connu sous le vocable
anglais PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). La technique de PECVD permet
l'obtention d'un dépôt homogène, mince, isolant et très adhérent sur des pièces de
formes complexes. Le dépôt consiste en un craquage, en surface du substrat, de l'acétylène
en présence d'hydrogène à basse pression (10-
1 à 10-
3 torr) . Pour activer la réaction le substrat est chauffé à 100°C et soumis à un plasma
HF de 13.5 MHz. Ce type de couches minces est aussi connu sous le nom de "carbone
diamant" ou en anglais ADLC (Amor- phous Diamond Like Carbon).
[0035] Le carbone diamant est un matériau connu pour son faible coefficient d'émission secondaire.
Celui-ci reste inférieur à 1 quelle que soit l'énergie incidente des électrons : le
matériau ne se charge pas quelles que soient les conditions de bombardement électronique.
[0036] Le carbone sous forme de graphite ne convient pas car ii est conducteur. Le noir
de carbone a été utilisé en technologie du tube à vide mais ce type de dépôt présente
tous les inconvénients de la peinture d'oxyde de chrome : épaisseur, mauvaise adhérence
et donc possibilité de générer des particules dans le tube.
[0037] Le carbone diamant déposé en couche mince par pulvérisation ou par PECVD est parfaitement
homogène et adhère à son support ; il ne génère pas de poussières comme la peinture
à l'oxyde de chrome.
[0038] Le dépôt de carbone par PECVD permet de traiter un grand nombre de pièces simultanément.
Une épaisseur de 1000 A (0,1 f..lm) suffit pour gagner un facteur 1,5 à 2 sur le seuil
d'apparition des lueurs en surface d'isolateurs en alumine travaillant à des tensions
pouvant aller jusqu'à 40 kV, car le carbone diamant est très peu conducteur et tient
de très hautes tensions.
[0039] Le dépôt de carbone amorphe peut être fait sur des pièces en alumine telles que les
isolateurs 11 et 12 entre les électrodes 72 et 73 par exemple, ou sur le bulbe de
verre 13 qui permet l'isolement grille 73 / anode 8. Les pièces métalliques attenantes
telles que les embouts des cales d'alumine ou les pièces métalliques moulées dans
le bulbe en verre peuvent aussi être recouvertes, le dépôt étant aussi adhérent sur
un substrat métallique et n'est pas susceptible de générer des particules pendant
les opérations de montage en raison de sa faible épaisseur.
[0040] La figure 4 illustre l'invention : une cale isolante 12, située entre deux pièces
métalliques telles que les électrodes 72 et 73, est recouverte d'une couche 14 d'un
matériau ayant un faible taux d'émission secondaire et une faible conductivité, déposé
selon une technique dite de couche mince.
[0041] Par rapport à la cale isolante 12, la couche 14 se comporte comme un blindage, pour
empêcher que des électrons incidents ne chargent l'isolant 12, par l'émission secondaire
d'électrons.
[0042] L'invention peut être généralisée à tout autre type de matériau isolant susceptible
d'être déposé en couche mince et ayant pour caractéristique principale un faible taux
d'émission secondaire. On citera par exemple les oxydes de titane, de tungstène, de
vanadium, de molybdène, d'argent, de cuivre ou même l'oxyde de chrome en couche mince.
Dans ce cas, le chrome est déposé par exemple par pulvérisation cathodique avec un
dispositif de rotation de l'échantillon pour homogénéiser le dépôt, et le dépôt est
ensuite oxydé.
[0043] L'invention est précisée par les revendications suivantes.
1. Tube convertisseur d'images comportant, à l'intérieur d'une enceinte sous vide
(1), au moins un écran d'entrée (2) associant un scintillateur (5) et une photocathode
(6), qui transforment les rayons X incidents sur le scintillateur (5) en électrons,
focalisés sur un écran de sortie (4) au moyen d'une optique électronique formée par
une pluralité d'électrodes (8, 71, 72, 73) fixées au moyen d'une pluralité de pièces
isolantes (11,12, 13), ce tube étant caractérisé en ce que, en vue de suppri mer les
lueurs parasites qui naissent en fonctionnement sur les isolants (11, 12, 13), ceux-ci
sont recouverts d'une couche mince (14) d'un matériau ayant un faible taux d'émission
secondaire d'électrons, une très faible conductivité électrique et susceptible d'être
déposé par un procédé physique ou chimique de vaporisation en couche mince.
2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau (14) à faible
taux d'émission secondaire est choisi parmi le carbone diamant, ou les oxydes de titane,
de tungstène, de vanadium, de molybdène, d'argent, de cuivre, ou de chrome.
3. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau (14) est déposé
sous forme d'une couche adhérente d'épaisseur de l'ordre de 1000 Â (0,1 1 micromètre).
4. Procédé de suppression des lueurs parasites dans un tube intensificateur d'images
radiologiques conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de "carbone
diamant" est déposée en surface des isolants (11, 12, 13), chauffés à 100°C, par craquage
d'acétylène en présence d'hydrogène, à une pression entre 10-1 et 10-3 torr, sous l'action d'un plasma à 13,5 MHz.
5. Procédé de suppression des lueurs parasites dans un tube intensificateur d'images
radiologiques conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche d'oxyde
d'un métal choisi parmi titane, tungstène, vanadium, molybdène, argent, cuivre, chrome,
est déposée en surface des isolants (11, 12, 13) par pulvérisation cathodique, suivie
d'une oxydation.