L'Appareil à rayons x

Objectifs :

1.Connaître les éléments constitutionnels d'un tube radiogène

2.Connaître le principe du fonctionnement du tube radiogène

3.Connaître les différences, les avantages et les inconvénients des tubes à anode fixe et à anode tournante

4.Connaître la composition et le rôle des enveloppes de protection du tube radiogène.

5.Connaître le principe de fonctionnement du générateur de haute tension.

6.Connaître les différents types de générateur de haute tension utilisés en radiologie vétérinaire, leurs avantages et leurs inconvénients.

Points importants :

Le tube radiogène est constitué d'une cathode et d'une anode entouré par des enveloppes de protection

La cathode est la source des électrons. Il s'agit d'un filament en forme de spirale qui s'échauffe lors de la mise en route du tube pour laisser s'échapper les électrons.

Les électrons sont accélérés entre la cathode et l'anode par une forte différence de potentiel

L'anode est la cible des électrons et le lieu de production des rayons x s'appelle le foyer.

Le rendement de la production des rayons x est très faible, de l'ordre de 1%, le reste de l'énergie se retrouve sous forme de chaleur

L'anode tournante permet de répartir la chaleur sur une plus grande surface et de pouvoir augmenter le débit des rayons x.

L'anode tournante permet également de diminuer la taille du foyer aux faibles puissance et d'améliorer la finesse de l'image.

Le tube est entouré d'une enveloppe de verre, qui maintient les constituants sous vide.

Des diaphragmes permettent d'ajuster la taille du champ radiographique

Un faisceau lumineux simule la position et la taille du faisceau de rayons x avant la prise de radiographies.

Le courant utilisé dans le tube radiogène doit être redressé et transformé en un courant de haute tension

Les générateurs monophasés sont les plus anciens et les plus fréquemment rencontrés en radiologie vétérinaire. Ils ont un rendement faible, ils sont lourds, mais ils sont peu onéreux

Les générateurs haute fréquence ont un meilleur rendement, sont plus fiables et moins encombrants que les générateurs monophasés

Les 3 paramètres d'exposition contrôlés par l'opérateur sont la tension (kV) représentant à la fois la quantité et l'énergie des rayons x, l'intensité (mA) représentant la quantité de rayons x produits et le temps de pose (ms) représentant aussi la quantité de rayons x

Un appareil de radiologie est constitué d'un tube radiogène, d'un générateur de haute tension et d'une console de contrôle. Ces éléments peuvent être physiquement isolés, comme dans la plupart des installations radiographiques fixes ou être ressemblés dans des unités compactes destinée à se déplacer au chevet du malade. Le volume et le poids occupés par l'installation radiographique dépendent essentiellement du type de générateur et de sa puissance. Les appareils radiographiques portables rassemblent tous les constituants en un volume réduit de 15 à 20 kg.

1. Constituants du tube radiogène:

Les rayons X sont produits lorsqu'un faisceau d'électrons à grande vitesse rencontre une cible matérielle. Lors de l'interaction entre les électrons et la matière, l'énergie cinétique des électrons est transformée en énergie électromagnétique. Le tube radiogène est composé d'une cathode, responsable de l'émission des électrons, et d'une anode, source de production des rayons X. Le tube est entouré d'une enveloppe protectrice (gaine) assurant le vide, une isolation électrique, et prévenant la dispersion des rayons X émis.

2. La Cathode:

La cathode correspond à la partie négative du tube radiogène. Il s'agit d'un filament en forme de spirale composé généralement de tungstène et de traces de thorium. Les électrons sont émis à la cathode par un mécanisme de thermo-émission : la cathode est amenée à haute température par un courant électrique. Les électrons libérés par la haute température sont soumis à une différence de potentiel et sont précipités sur l'anode avec une grande vitesse. Le filament est monté dans une pièce creuse appelée pièce de concentration, dont la finalité est de focaliser les électrons sur l'anode.

Sur certains appareils, la cathode est composée de deux filaments de taille différente. Le grand filament permet d'augmenter le flux d'électron et donc la production de rayons x alors que le petit filament permet de concentrer un faisceau d'électron plus faible sur une plus petite surface de l'anode, améliorant ainsi la finesse de l'image. Selon la quantité d'électrons nécessaire à la production de rayons X souhaitée et selon les impératifs de finesse de l'image désirés, le grand ou le petit filament peut être sélectionné.
3. L'anode:

L'anode est la partie positive du tube radiogène et correspond à la cible. C'est là que sont produits les rayons x, lorsque les électrons accélérés par la différence de potentiel entre les 2 électrodes viennent percuter l'anode. La surface de bombardement des électrons sur l'anode s'appelle le foyer et sa taille est un élément déterminant de la finesse de l'image. Les rayons x sont émis dans toutes les directions à partir du foyer, mais les rayons x sont partiellement arrêtés par l'anode elle-même. La plus grande concentration de rayons x se retrouve dont dans une direction perpendiculaire à la surface de l'anode : on parle d'anode réflective. La surface de l'anode est oblique par rapport à la direction du faisceau d'électron de manière à permettre à d'avantage de rayons x de pouvoir sortir du tube.

La production des rayons x est très inefficace puisque le rendement dans les tubes radiogènes de radiodiagnostic est d'environ 1%. Une grande quantité de chaleur est produite en même temps que les rayons x, ce qui pose des problèmes technologiques importants et qui limitent, en tout état de cause, la quantité de rayons x produites. L'anode est généralement composée de tungstène car le tungstène a un numéro atomique élevé (Z=74), qui favorise le rendement, mais aussi une température de fusion élevée (3410 degrés).

La surchauffe, qui peut entraîner une fonte du foyer, dépend de la concentration en électrons sur l'anode et de leur énergie. Le flux de rayons x produits dans le tube dépend donc de la taille du foyer (qui dépend lui-même de la taille du faisceau d'électron et donc de la taille de la cathode), du flux d'électrons (mesuré en mA), et de l'énergie des électrons (mesuré en kV). La surchauffe de l'anode limite donc la puissance électrique (kW) utilisable pour produire les rayons x.

Lorsqu'une grande quantité de rayons x est nécessaire, la technologie de l'anode tournante permet de répartir la chaleur sur une plus grande surface tout en maintenant le foyer de même taille. L'anode est alors composée d'un disque monté sur un axe de rotation. La vitesse de rotation est généralement de 3 à 9 000 tours par minute.

Les avantages de l'anode tournante sont une augmentation de la quantité de rayons x produits, et donc d'une possibilité d'augmentation de la puissance du générateur. Les appareils équipés d'anode tournante sont de puissance supérieure à 15-20 kW. L'autre avantage majeur et de pouvoir diminuer la taille du foyer aux faibles puissances et d'améliorer ainsi la finesse de l'image. Lors de la prise de la radiographie, un temps de mise en route de l'anode doit être respecté, et le déclanchement se fait toujours en 2 temps.
4. Enveloppes de protection

Le tube radiogène est entouré de plusieurs enveloppes de protection permettant d'assurer une protection électrique, thermique et mécanique du tube tout en assurant la protection des utilisateurs contre les rayonnements de fuite.

Le tube radiogène est entouré d'une ampoule de verre qui a pour fonction d'assurer une isolation électrique, d'évacuer la chaleur produite et d'assurer un vide aussi parfait que possible. En l'absence de vide, des phénomènes électriques parasites inacceptables se produisent. L'ampoule est généralement composée de verre ou d'une combinaison de verre et de métal ou de céramique et de métal. L'ampoule baigne dans de l'huile, qui participe au système de refroidissement. Le tout est enfermé dans une gaine métallique, assurant l'évacuation de la chaleur produite, une protection mécanique du tube, et une absorption des rayons X indésirables.

L'enveloppe protectrice laisse échapper les rayons x par une fenêtre de sortie. Les rayons x les moins énergétiques, qui ne contribueront pas à la formation de l'image, mais qui pourront avoir des effets biologiques, sont éliminés par un filtre d'aluminium : on parle de durcissement du faisceau, car l'énergie moyenne du faisceau de rayons x augmente après filtration. La taille du faisceau de rayons x est ensuite ajusté par l'utilisation de diaphragmes. Un faisceau lumineux permet de simuler la position du faisceau de rayons x avant la prise du cliché radiographique.

5. Générateur

Le générateur de haute tension a pour mission de produire un courant de même direction entre la cathode et l'anode (le retour d'électrons sur la cathode serait catastrophique), le plus constant possible et de tension ajustable entre 50 et 120 kV. Un générateur classique est composé d'un redresseur et d'un transformateur. Le redresseur est constitué habituellement de diodes assemblées de telle manière à ce que le courant circule toujours dans le même sens. Le transformateur assure la transformation d'un courant de 220 ou 380 Volt en un courant de haute tension de 50 à 120 kVolt. Le générateur est une pièce maîtresse de l'appareil radiographique car il conditionne son fonctionnement, son rendement et sa fiabilité.
La plupart des générateurs qui équipent les appareils radiographiques vétérinaires sont des générateurs monophasés qui fonctionnement à partir d'un courant monophasé de 220 ou 380 Volts. Le courant est transformé à la tension voulue par l'opérateur par un transformateur. Le courant est redressé en inversant le sens du courant de la partie négative du cycle grâce à un pont de diodes. Les générateurs monophasés sont d'une technologie ancienne et souffrent d'un manque de fiabilité et d'un rendement faible lors de la production de rayons x. En effet, la tension varie fortement pendant l'exposition, de 0 à la valeur de tension maximale, ce qui entraîne une production discontinue de rayons x. De plus, ces générateurs sont lourds et encombrants.

Les générateurs triphasés fonctionnement sur le même principe que les générateurs monophasés, mais avec un courant triphasé, ce qui permet de limiter fortement les variations de tension au cours de l'exposition. Ces générateurs ont un meilleur rendement et sont également plus fiables. Ils sont cependant peu utilisés en médecine vétérinaire car ils sont chers et nécessitent une installation électrique spéciale.

Les générateurs haute fréquence sont les derniers-nés des générateurs haute tension utilisés en radiologie. Ils représentent une avancée technologique importante. Le courant de 60 Hz est transformé en un courant de haute fréquence (20 à 300 KHz) et utilisé pour charger une capacité. La tension développée varie cette fois en fonction de la fréquence du courant, ce qui permet un ajustement plus fin et plus fiable de la tension de sortie. Ces générateurs ont un rendement meilleur, une plus grande fiabilité, et sont moins encombrants que les autres. Ils tendent depuis quelques années à supplanter les autres types de générateurs.
6. Console de contrôle
La console de contrôle permet à l'opérateur d'ajuster les 3 paramètres d'exposition radiographie : la tension (kV), l'intensité (mA) et le temps de pose (ms). La tension permet de contrôler la quantité et l'énergie des rayons x produits, tandis que l'intensité (mA) et le temps de pose (ms) permettent de contrôler la quantité de rayons x seulement. Ces 2 dernières grandeurs sont souvent regroupées sous le terme mAs (milliampèreseconde).

Enfin, un déclencheur permet à l'opérateur de prendre le cliché radiographique quand les conditions de prise de vue et de sécurité sont remplies. Le déclenchement se fait en 2 temps sur les appareils à anode tournante pour permettre à l'anode de se mettre en route.