DE VUE UTILISANT UN TEL TUBE ET PROCEDE DE

FONCTIONNEMENT D'UN TEL TUBE

La présente invention concerne un tube à image à sortie vidéo destiné à transformer l'image d'un rayonnement incident en un signal électrique- Dans la description qui va suivre, on se référera plus particu- lièrement aux tubes à image à sortie vidéo utilisés en radiologie, c'est à dire aux tubes convertisseurs ou intensificateurs de rayons X. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que l'invention peut aussi s'appliquer à des tubes à image détectant ou convertissant des rayonnements du spectre visible, du spectre invisible tels que des rayons ou même un flux de neutrons. Dans ce cas, il est nécessaire de changer la nature de l'écran d'entrée pour l'adapter aux rayon¬ nements incidents à convertir.

Pour bien comprendre le problème que cherche à résoudre la présente invention, on a représenté sur les figures l (a) et l(b) deux systèmes d'imagerie à sortie vidéo utilisés en radiologie, à savoir un tube intensificateur d'image radioiogique à sortie vidéo et un système constitué d'un tube intensificateur d'image couplé opti¬ quement à un tube vtdicon.

Le tube intensificateur d'image à sortie vidéo de la figure l (a) désigné dans son ensemble par la référence I se compose, de gauche à droite sur la figure, du tube intensificateur d'image proprement dit puis de la partie prise de vue qui sont contenus dans la même enceinte à vide 2. L'enceinte à vide 2 comporte une fenêtre d'entrée <*. transparente au faisceau de rayons X qui est détecté après avoir traversé le corps ^" î à observer.

Le tube intensificateur d'image comporte donc à l'Intérieur de l'enceinte :

- un écran d'entrée constitué d'un scintillateur 5 et d'une

photocathode 6 qui assure la conversion des rayons X en photons lumineux puis en photo-électrons,

- une optique électronique constituée des grilles g _j , g ₂ et g^ qui assurent la- focalisation des électrons et les soumettent à une

5 tension d'accélération,

- une anode conique A,

- une cible 7 qui reçoit sur sa face f . l'impact du faisceau d'électrons et dont l'autre face f _j est balayée ligne après ligne par un faisceau d'électrons produit par la cathode K chauffée par un

10 filament 8, le faisceau d'électrons étant focalisé et accéléré par des grilles g^ à g ₇ , et

- des bobines, non représentées, réalisant la concentration et la déviation du faisceau.

Le signal vidéo de sortie S est, dans ce cas, recueilli sur la

I 5 face f , de la cible 7.

Le système de la figure l (b) comporte, lui, un tube intensi¬ ficateur d'image T, un système de couplage optique L et un tube vidicon V. Le tube intensificateur d'Image T est identique à la partie tube intensificateur d'image de la figure l (a). La seule o différence entre ces deux parties réside dans le fait que le tube intensificateur d'image T de la figure l(b) comporte un écran électroluminescent 7' sur lequel est formée l'image visible du corps observé. De même, le tube vidicon V est semblable à la partie prise de vue du tube de la figure l (a) et il ne sera pas redécrit en détail, 5 les mêmes éléments portant les mêmes références sur les deux figures.

L'inconvénient principal de ces deux systèmes de prise de vue lorsqu'ils sont utilisés notamment en radiologie, est leur encom¬ brement, en particulier pour les tubes à grand champ image. En 0 effet, dans les tubes intensificateurs d'Image, l'optique électronique ne permet pas des ouvertures angulaires très importantes sans détérioration de la qualité de l'image. Cela conduit à choisir des rapports longueur/champ image supérieurs à 1 ,3/1. De même, dans les tubes vidicons, pour des raisons d'optique électronique, le rapport

longueur/champ image est supérieur à 4/ 1. En conséquence, plus le champ image est important, plus la profondeur du système est grande, même lorsque, dans le cas du système de la figure I (b), le système de couplage optique L permet de positionner le tube vidicon V perpendiculairement au tube intensificateur d'image T. A titre

2 d'exemple, un champ utile de 40 X 40 cm conduit à une profondeur, pour un tube intensificateur d'image traditionnel, supérieure à

75 cm.

En conséquence, si l'on veut réaliser un système de prise de vue à grand champ et faible encombrement en profondeur, il est nécessaire de faire appel à des concepts différents de ceux utilisés dans les systèmes de l'art antérieur.

La présente invention a donc pour objet un nouveau tube à image à sortie vidéo présentant un rapport longueur/champ image 5 inférieur à celui des tubes connus.

Le tube à image à sortie vidéo de la présente invention servant à transformer l'image d'un rayonnement incident en .jn signal électrique comporte principalement, dans une enceinte à vide munie d'une fenêtre d'entrée transparente au rayonnement incident, Q - un ensemble écraπ-photocathode formant une mosaïque de capacités élémentaires, ledit ensemble assurant la conversion du rayonnement incident en un flux d'électrons ou photo-électrons et la mémorisation de l'image du rayonnement incident,

- des moyens pour fixer le potentiel maximal de la photo- cathode et provoquer l'extraction des photo-électrons,

- des moyens pour ramener la photσcathode à un potentiel de référence en l'arrosant avec un flux d'électrons ou photo-électrons,

- au moins une fenêtre optique prévue sur l'enceinte à vide pour le passage d'un faisceau lumineux réalisant le balayage de la 0 photocathode, ledit faisceaux lumineux servant à porter le potentiel de la photocathode au potentiel maximal,

- des moyens pour collecter le signal électrique obtenu lors du balayage par le faisceau lumineux et,

- une optique électronique portée à des potentiels variables pour accélérer et diriger les différents flux d'électrons ou photo¬ électrons.

Dans ce cas, l'optique électronique ne sert pas à former l'image des photo-électrons issus de la photocathode sur un écran. Il est donc possible de la réaliser sous une forme très compacte, ce qui permet de diminuer le rapport longueur/champ image.

La présente invention concerne aussi un système de prise de vue comportant, associés à un tube à image à sortie vidéo tel que décrit ci-dessus, une source lumineuse émettant un faisceau lumi¬ neux, un système de balayage assurant la déflexion du faisceau lumineux sans défocalisation sur toute la surface de la photocathode et, éventuellement, une optique relai dirigeant le faisceau lumineux vers la photocathode, constituée soit par une optique du type grand angulaire formant l'image d'un plan diffusant intermédiaire soit par des microlentilles juxtaposées.

La présente invention concerne aussi un procédé de fonction¬ nement d'un tube à image à sortie vidéo comportant une phase d'inscription et de mémorisation, une phase de lecture et une phase de remise à zéro caractérisé en ce que

- pendant la phase d'inscription et de mémorisation, sous irradiation par le ^" rayonnement incident, l'ensemble écran-photo- cathode détecte ou convertit le rayonnement incident et émet un flux de photo-électrons capté par la ou les anodes, ce qui modifie le potentiel des différents points de la photocathode,

- pendant la phase de lecture, on balaye à l'aide d'un faisceau lumineux les différents points de la photocathode pour ramener leur potentiel au potentiel maximal donné par la grille de champ et on collecte le courant du signal obtenu par cette photo-excitation, puis - pendant la phase de remise à zéro, on arrose la photocathode par un flux d'électrons ou photo-électrons pour ramener le potentiel de la photocathode à un potentiel de référence.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de

réalisation faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :

- la figure l (a), déjà décrite, est une représentation schéma¬ tique d'un tube intensificateur d'image à sortie vidéo conforme à l'art antérieur ,

- la figure l(b), déjà décrite, est une représentation schéma¬ tique d'un système comportant un tube intensificateur d'image couplé optiquement à un tube vidicon,

- la figure 2 est une représentation schématique d'un tube à image à sortie vidéo selon un premier mode de réalisation de la 0 présente invention,

- la figure 3 est une représentation schématique d'un tube à image à sortie vidéo selon un second mode de réalisation de la présente invention,

- la figure 4 est une représentation schématique d'un système

1.5 de prise de vue conforme à la présente invention,

- la figure .5 est une vue en coupe agrandie d'un ensemble écran-photocathode utilisé dans le tube de la présente invention, et

- la figure 6 est un diagramme donnant le potentiel des différents points d'une ligne de photocathode lors des différentes

20 phases de fonctionnement.

Sur les différentes figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. D'autre part, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments n'ont pas été respectées.

Comme représenté sur les figures 2 et 3, le tube à image à

25 sortie vidéo de la présente invention comporte une enceinte à vide E. Cette enceinte est réalisée, de préférence, en un métal ou un alliage métallique tel que l'aluminium, l'acier inoxydable, les alliages fer-nickel ou fer-πickel-cσbalt. L'enceinte E peut aussi être en verre. Toutefois, dans ce cas, le verre est recouvert d'un

30 revêtement métallique pour définir le potentiel.

L'enceinte E comporte sur sa face exposée aux rayonnements incidents, à savoir aux rayons X dans le cas d'un tube utilisé en radiologie, une fenêtre d'entrée F - transparente auxdits rayon-

nements. Cette fenêtre est réalisée, de préférence, en verre mince, en titane, en aluminium ou en acier mince.

L'enceinte E comporte de plus dans la partie opposée à la fenêtre F. , au moins une fenêtre optique F ₂ permettant le passage d'un faisceau lumineux L. La ou les fenêtres optiques F ₂ peuvent être disposées latéralement comme représenté sur les figures 2 et 3 ou bien elle peut être disposée axialement comme représenté sur la figure 4. Cette dernière disposition facilite le balayage optique de la couche photosensible ou photocathode comme expliqué ci-après. D'autre part, les dimensions de l'enceinte à vide sont choisies pour que le rapport longueur/champ image soit, de préférence, compris entre O,5 et 1.

On trouve à l'intérieur de l'enceinte E essentiellement les éléments suivants, positionnés de la gauche vers la droite sur les figures à partir de la fenêtre d'entrée F . :

- un ensemble écran-photocathode SC-C,

- une grille de champ g', ,

- une optique électronique comportant des grilles d'accé¬ lération et de focalisation g' ₂ , g' g'*, et au moins une anode A ¹ pour collecter les électrons, et

- des moyens, K . , ₂ pour émettre un flux d'électrons ou photo-électrons.

Dans le cas d'un rayonnement X, l'ensemble écran-photo¬ cathode est constitué principalement par un scintillateur SC recou- vert d'une couche photoémissive ou photocathode C, l'ensemble étant déposé sur une électrode support conductrice EC et réalisé de manière à former des capacités élémentaires comme représenté sur la figure .5. Le scintillateur utilisé peut être tout scintillateur connu pour transformer des rayons X en photons lumineux, tel que les halogénures alcalins et alcaiino-terreux, l'oxysulfure de gadolinium, le sulf re de zinc, le ^' Ca O^. En fait le scintillateur est de préférence réalisé en iodure de césium. En effet, il est connu de disposer l'iodure de césium sur un substrat conducteur, en aluminium par exemple, sous forme d'aiguilles isolées les unes des autres, ce

qui donne un écran de structure alvéolaire. La couche photoémissive est réalisée par toute couche photoémissive connue compatible avec le scintillateur. Ainsi, la couche photoémissive peut être réalisée en antimoniure d'alcalin, par exemple. Elle est déposée sur le scintil¬ lateur, par exemple par évaporation à travers une grille positionnée sur le scintillateur, pour obtenir une structure en mosaïque de manière à réaliser les capacités élémentaires comme représenté sur la figure 5. Comme mentionné dans l'introduction, le matériau constituant l'écran est fonction du rayonnement incident. Il est constitué par un diélectrique. Eventuellement, une couche d'arrêt peut être prévue entre le scintillateur et la photocathode en cas d'incompatibilité chimique entre ces deux éléments. Cette couche d'arrêt peut être réalisée par une couche mince d'alumine ou de silice. Elle n'est pas nécessaire dans le cas d'un écran en iodure de césium et d'une photocathode en antimoniure.

Une grille de champ g' , est positionnée devant la photocathode C. De préférence mais non obligatoirement, cette grille de champ est positionnée parallèlement et à une faible distance de la photo¬ cathode C. Cette grille de champ g' , reliée à un potentiel extérieur variable sert à fixer le potentiel maximal de la photocathode C et provoque l'extraction des photo-électrons. Elle est réalisée, de préférence, en acier inoxydable, en nickel, en cuivre ou similaire. Elle présente une transparence maximale aux photons lumineux pour minimiser l'occultation du faisceau de balayage optique. D'autre part, la surface de la grille peut être légèrement oxydée pour réduire sa réflectance optique tout en détruisant la photoélectricité de surface.

La grille de champ g' , est suivie par un système optique comprenant essentiellement des grilles d'accélération et de foca- lisation g'- et g'., et au moins une anode A' entourée éventuell ement d'une grille g dont le rôle sera expliqué ci-après.

Les grilles g' ₂ et '^ sont reliées par des connecteurs étanches non représentés à des alimentations en tension externes permettant de régler le potentiel des grilles.

Différents types d'anode peuvent être utilisés pour collecter les électrons.

Comme représenté sur la figure 2, l'anode A' est une anode réalisée de préférence en Cu Be, Ag Mg ou Ga P. Elle est entourée d'une grille g connectée à un potentiel ajustable par rapport à celui de l'anode pour favoriser l'extraction des électrons secondaires de l'anode et obtenir ainsi un effet multiplicateur d'électrons.

Selon un autre mode de réalisation représenté à la figure 3, l'anode A' est réalisée par un écran cathodoluminescent métallisé, 0 en phosphore métallisé à très faible persistance par exemple, déposé sur un doigt en verre. Cette anode permet l'émission de photons lumineux vers un photomultiplicateur PM extérieur à l'enceinte.

De plus, l'anode peut aussi être constituée par la première dynode d'un multiplicateur d'électrons de type connu. 1.5 D'autre part, des moyens K , , ₂ pour envoyer un flux d'élec¬ trons ou de photo-électrons vers la photocathode C sont prévus à .l'intérieur de l'enceinte. Ces moyens sont constitués par une ou plusieurs cathodes thermoémissives K , et K ₂ comme représenté sur les figures 2 et 3. Toutefois, des cathodes photoémissives peuvent 20 aussi être utilisées. Les cathodes 'thermoémissives sont en général des cathodes à oxydes à chauffage direct ou indirect ou des cathodes en tungstène thorié ou non. Elles sont entourées par une grille de commande ou whenelt W permettant le blocage ou le déblocage du flux d'électrons émis par la cathode K _j ou ₂ et un certain contrôle 25 des trajectoires des électrons au départ de la cathode. Les cathodes photoémissives peuvent être constituées par une combinaison d'anti¬ moine avec des métaux alcalins du type potassium, sodium, césium, rubidium.

Le tube à image de la présente invention peut aussi comporter

30 d'autres moyens habituellement prévus dans les tubes i intensif i- cateurs d'image tels que des moyens pour réaliser une couche photoémissive de type Sb-Cs ou Sb-alcalins, en pa ^r ticulier Sb-K-Cs.

Ces moyens peuvent être incorporés dans le tube et constitués par

un évaporateur ou bien les matériaux peuvent être introduits par l'intermédiaire des queusots de pompage.

Des getters actifs et/ou chimiques peuvent être incorporés dans le tube pour maintenir un vide de haute qualité. ^ Pour faciliter la compréhension des dessins, ces moyens n'ont pas été représentés.

Comme représenté sur la figure 4, le tube à image à sortie vidéo de la présente invention est associé à une source lumineuse émettant un faisceau lumineux L, un système de balayage D 10 assurant la déflexion du faisceau lumineux sans défocalisatioπ, sur toute la surface de la photocathode C et, éventuell ^e ment une optique relai. Cette optique relai est constituée par un plan dif¬ fusant P réalisé, par exemple, à l'aide d'une lame à fibres optiques et une optique de type grand angulaire O. On peut aussi utiliser des 1 5 microlentilles juxtaposées.

On décrira maintenant, avec référence plus particulièrement à la figure 6, le mode de fonctionnement du tube à image à sortie vidéo conforme à la présente invention.

Le mode de fonctionnement comporte trois phases distinctes : o - une phase de détection de l'image du rayonnement incident et transformation en image électronique par intégration et mémo¬ risation,

- une phase de lecture de l'image mémorisée, et

- une phase de remise à zéro. 5 Lors de la phase de remise à zéro, les cathodes thermo¬ émissives K , et _*_ ₂ sont portées à un potentiel négatif par rapport au potentiel de la grille de champ g' _j , l'électrode de commande étant débloquée. Les cathodes K , et ₂ émettent donc des électrons vers la photocathσde C dont les trajectoires ^' sont ajustées par le 0 potentiel appliqué sur les grilles g' ₂ et g'.-, de manière à arroser en électrons orthogonalement ia photocathode C. A titre d'exemple, le potentiel des cathodes K . , ₂ = OV, le potentiel de la grille de champ g' , est choisi entre 100 et 200 V et les potentiels des grilles g' ₂ ^et §'3 ^sont choisis entre 0 et 50V.

Du fait de l'arrosage en électrons, le potentiel de la photo- cathode tend progressivement vers le potentiel des cathodes K - , K ₂ comme représenté sur la partie droite du diagramme de la figure 6.

Lors de la phase de détection, on irradie par des rayons X le corps à observer. Le rayonnement X après avoir traversé le corps et la fenêtre d'entrée arrive sur le scintillateur SC qui émet, sous l'effet des rayons X, un flux de photons lumineux qui excite la photocathode C. Sous l'effet de cette photo-excitation, la photo¬ cathode émet des photo-électrons qui traversent la grille de champ g ¹ , et sont collectés par la ou les anodes A', ces électrodes étant portées à des potentiels appropriés. A titre d'exemple, le potentiel de la grille de champ g'. = 100 V et le potentiel des autres électrodes g' ₂ , '^ et A est positif de O 100 V.

A cause des électrons émis vers l'anode, le potentiel de chaque élément de photocathode varie positivement en fonction de la charge émise et prend les valeurs représentées par a, b, c, d, e, f sur la partie gauche du diagramme de la figure 6. En fait, la ^' limite maximale du potentiel que peut prendre chaque élément de photo¬ cathode est fixée par le potentiel de la grille de champ. Au d là de ce potentiel, les électrons ne sont plus émis. On remarquera que ce phénomène est intéressant pour limiter la dynamique de certaines images.

Après détection, le potentiel des éléments de la photocathode C traduit la luminance locale de l'image Incidente selon une distribution variant de O au potentiel de la grille de champ g' . .

La phase de lecture est réalisée en explorant séquentiellement les différents points ou éléments de la photocathode C à l'aide d'un faisceau lumineux L. Pendant cette opération, la ou les anodes A' sont portées à un potentiel positif qui est compris, par exemple, entre 100 et quelques 1000 V. Les grilles g' _2> '^ sont ^* à des potentiels variant de - 100 V à quelques 10 V de façon à optimiser les trajectoires des photo-électrons issus de la photocathode C et traversant la grille de champ g' , .

Sous l'effet du flux de photons lumineux, le potentiel flottant des différents points de la photocathode est porté de la valeur obtenue après détection de l'image au potentiel maximal imposé par la grille de champ g', comme représenté sur la figure 6. On donne ainsi naissance au signal de lecture qui est complémentaire du photo-signal mémorisé.

Le signal de lecture peut être collecté sur la ou les anodes A' ou sur l'électrode-support EC.

Dans le cas de la figure 2, l'anode A* collecte directement les 0 électrons pour alimenter un amplificateur vidéo extérieur non représenté.

Un effet multiplicateur est obtenu en portant la grille g'^ à un potentiel positif par .rapport à celui de l'anode A', ce qui permet la collection d'électrons secondaires obtenus par impact des photo- I électrons sur l'anode A'.

Dans le cas de la figure 3, l'anode A' étant constituée d'un écran cathodoluminescent métallisé, elle émet sous l'impact des photo-électrons, des photons lumineux qui sont transmis à travers le doigt en verre formant une fenêtre optique vers le photomul-

_2Q tiplicateur PM qui délivre le courant de signal.

Dans le cas de la figure 4, les électrons collectés directement sur les deux anodes A- et A ₂ comme dans le mode de réalisation de la figure 2 sont additionnés pour donner le courant de signai total.

Dans tous les cas, le signai peut également être prélevé sur ₂ 5 l'électrode support EC connectée à un amplificateur vidéo. Dans ce cas, pour améliorer le rapport signal/bruit, l' lectrode support peut être divisée en plusieurs électrodes connectées chacune à un ampli¬ ficateur vidéo.

Le tube à image à sortie vidéo conforme à l'invention présente ™ de nombreux avantages par rapport aux tubes actuellement connus.

Ainsi, la structure décrite permet de réaliser un tube à image à sortie vidéo extr mement compact de rapport longueur/champ image pouvant atteindre un facteur de 0,5.

Le mode de fonctionnement sans formation d'image élec¬ tronique focalisée permet de réaliser des formats rectangulaires, de tels formats étant mieux adaptés aux applications radiologiques-

Le balayage optique qui permet de donner naissance au signal vidéo peut être réalisé à l'aide de sources lumineuses peu coûteuses et peu encombrantes telles que des sources lasers ou des diodes de puissance Inférieure à 10 mΨ.

Le tube présente une dynamique ajustable en réglant la tension de la grille de champ g'., ce qui permet son fonctionnement soit en radioscopie ou en radiographie lorsqu'il est utilisé pour des appli¬ cations radiologiques.