Généralités HT

2010
Lezzar Omar Cherif
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Omar Cherif Lezzar
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Omar Cherif Lezzar
I. Généralités :
Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un appareil générateur de rayons X
conventionnel. (Les circuits principaux sont en traits gras, les circuits de
sécurité en rouge).
Le générateur est un ensemble de circuits électriques ayant pour but d'assurer toutes
les fonctions propres à l'alimentation du tube à rayons X :
- haute tension,
- chauffage du filament,
- rotation d'anode,
- et tous les réglages kV, mA, temps d'exposition (fig. 1).
En outre, de multiples circuits de sécurité sont indispensables :
- respect des charges,
- contrôles de refroidissement, de rotation d'anode, etc.
Enfin, les interfaces de liaison avec le système récepteur (film, caméra, changeurs,
posemètre automatique, etc.) doivent être prévus pour de multiples applications.
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Autotransformateur :
Figure 14 :L'autotransformateur. A. Principe. La tension primaire étant
appliquée sur n1 spires, on peut recueillir sur plusieurs sorties des tensions,
plus petites que n1 sur n2 spires, ou plus grandes sur n2 + n3 spires. La
formule de fonctionnement est la même que sur un transformateur à bobinages
séparés : Vsortie= Ventr é e n 1 ×n 2 B.
Autotransformateur circulaire. Il peut être à réglage manuel sur les petits
générateurs pour faire varier la tension primaire du transformateur haute
tension. C. Autotransformateur triphasé à multiples fonctions. La tension
d'entrée V1 n'est pas invariable ; elle est introduite sur un (ou plusieurs)
bobinages en un point tel que le nombre de tours soit exactement
proportionnel à la tension V1 de telle manière que V 1 n 1 soit constant. Cela
peut se faire automatiquement. Sur la figure, les curseurs (a) de la tension
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d'entrée et les curseurs (b) de la tension de sortie sont déplacés par un
servomoteur.
Le choix des réglages d'exposition kV, mA et temps d'exposition est fait en fonction
de l'organe à radiographier et de la corpulence du patient, d'une part, des possibilités
du tube et du générateur, d'autre part.
- Réglage de la tension kV. Le choix kV étant fait, l'appareil détermine quelle tension
Vp doit être appliquée au primaire du transformateur. Ce sera une fraction (inférieure
ou supérieure à 1) de la tension d'alimentation, fraction définie par un «
autotransformateur ». C'est un transformateur magnétique à bobinage unique (fig.
14A). La tension du secteur V1 est appliquée à un certain nombre de spires, soit n1.
La tension nécessaire, soit V2, est trouvée par un curseur sur un nombre de spires.
- Le curseur de réglage (fig. 14B) peut être manoeuvré à la main (sur les anciens et
petits appareils), soit à distance par un servomoteur.
- Un même autotransformateur peut servir à cette fonction de réglage mais aussi à la
fonction de stabilisation et même de compensation, mentionnées dans le paragraphe
précédent (fig. 14C).
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Transformateur :
Figure 2 : Transformateurs électromagnétiques : a. Monophasé à bobinages
séparés sur cadre fermé; b. Monophasé.
Représentation conventionnelle ; c. Triphasé. Primaire en étoile. Secondaire en
triangle. A : armature ou noyau ; P : bobinage(s) primaire(s) ; S : bobinage(s)
secondaire(s) ; N1 : nombre de tours de fil au(x) primaire(s) ; N2 : nombre de
tours de fil au(x) secondaire(s) ; Vp : tension primaire ; Vs : tension secondaire
; Ip : intensité primaire ; Is : intensité secondaire.
L'élément le plus important du générateur est le transformateur de haute tension. Un
transformateur est, en principe, composé de trois parties :
- un enroulement primaire (P) : c'est un bobinage (N1 tours de fil) qui reçoit le
courant alternatif de tension Vp ;
- un enroulement secondaire (S) : autre bobinage (N2 tours de fil) développant la
tension Vs ;
- un noyau ou armature (A) de fer feuilleté, placé à l'intérieur des enroulements
(fig.2).
La tension Vs, à la sortie du secondaire, est donnée par la formule :
Le quotient N2/N1 est appelé « rapport de transformation ». Il peut être plus grand
que 1 (transformateur survolteur), jusqu'à 500 pour le transformateur de haute
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tension, ou plus petit que 1 (sous-volteur, pour les circuits auxiliaires et pour le
chauffage du filament).
Le transformateur de haute tension est un ensemble très lourd du fait de la
puissance transportée par ses bobinages (jusqu'à 100 kW) et du fait du noyau de fer.
Pour en faciliter le refroidissement et l'isolement, il est placé dans une cuve d'huile
isolante. D'autres organes : les redresseurs (diodes), les transformateurs de
chauffage des filaments et les commutateurs haute tension (nécessaires si plusieurs
tubes sont alimentés par le même générateur) y sont également noyés. La cuve à
huile et tout ce matériel pèsent 200 à 500 kilogrammes pour un générateur puissant.
Générateurs à charge et décharge de condensateur :
Figure 10 : Générateur à charge et décharge de condensateur. Schéma et
fonctions. Un condensateur à haute tension reçoit une tension redressée qui le
charge progressivement par un petit courant élevé à la tension suffisante. Le
tube à rayons X est branché directement sur le condensateur ; mais il
comporte sur sa cathode une grille, laquelle chargée négativement s'oppose à
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tout passage d'électrons. En inversant la charge de grille, le débit s'amorce et
libère l'émission X. La tension diminue dans le condensateur et aux bornes du
tube pendant la radiographie.
L'alimentation d'un générateur puissant n'est pas possible sur la prise de courant
d'une chambre de malade. Une des solutions actuelles est donnée par un générateur
constitué d'un condensateur à haute tension qui accumule progressivement la
quantité d'électricité nécessaire à la radiographie (fig. 10).
Le tube à rayons X comporte, à la sortie de la cathode, une électrode à effet de grille
qui, chargée négativement, bloque le passage des électrons. Pendant la durée de la
radiographie, la tension de grille est inversée et permet le passage de la quantité
mAs nécessaire, le chauffage du filament ayant été réglé pour une intensité
suffisante.
Alimentation - Correction de chute en ligne :
Théoriquement, le réseau d'alimentation délivre une tension connue (220 V ou 380 V
en Algérie).
Mais cette valeur est affectée par la « chute en ligne », causée, d'une part, par la
consommation extérieure des autres usagers, d'autre part, par l'appel de courant
propre à chaque radiographie.
Pour que la tension choisie soit exacte sur le tube, il faut corriger ces deux chutes.
- Correction de la tension d'entrée. La consommation extérieure varie (en principe)
assez lentement : on peut corriger la tension d'entrée, soit manuellement sur les
anciens matériels ou sur les petits appareils, avec un contrôle sur un voltmètre à
lecture directe, soit automatiquement sur les générateurs modernes.
- Le principe et la réalisation de ces dispositifs de stabilisation de la tension d'entrée
ne méritent pas une description (fig. 1).
- Compensation de la chute instantanée. Les radiographies (surtout de grande
puissance) appellent sur la ligne une énergie considérable : parfois, plus de 100 kW,
donc plusieurs centaines d'ampères. La résistance ohmique de la ligne, n'étant
jamais nulle, provoque sous un tel courant, une chute instantanée de plusieurs volts,
non négligeable en pourcentage de la tension théorique.
Le transformateur reporte le même pourcentage de chute sur la tension aux bornes
du tube : c'est souvent une chute de plusieurs kilovolts, susceptible d'affecter la
qualité de la radiographie présente. Il faut compenser cette chute instantanée.
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- Cette « compensation » (jadis empirique) est maintenant automatique sur tous les
matériels. Elle consiste, en connaissance de la charge kV × mA, à ajouter à la
tension fournie au primaire du transformateur les quelques volts que la chute fait
perdre (fig. 1).
- Calculée très exactement, elle impose la connaissance préalable de toutes les
résistances ohmiques que le courant électrique traverse depuis la centrale
productrice jusqu'au tube. Mais si toutes les résistances internes de l'appareil sont
connues, celle de la ligne d'alimentation extérieure ne l'est pas. La solution la plus
simple consiste à tout calculer pour une ligne sinon médiocre (laquelle ne permettra
jamais un fonctionnement correct d'un appareil puissant), tout au moins pour une
ligne moyenne et réalisable sans difficulté majeure. Il faut compter 0,1 ohm pour un
appareil de moyenne puissance, quelques centièmes d'ohm (un centième d'ohm par
fil de phase) pour un appareil de grande puissance (triphasé par exemple).
Désignons cette résistance de ligne suffisante par Rs. Trois cas peuvent se
présenter :
- la ligne réelle extérieure a cette résistance Rs et le problème est résolu ;
- la ligne réelle a une résistance R < Rs et on y ajoutera une résistance d'adaptation r
= Rs - R (fig.1) ;
- la ligne a une résistance R > Rs ; on est alors dans la nécessité de réduire en partie
les puissances les plus élevées qui ne peuvent plus être atteintes. Il faut tenter
d'éviter ce dernier cas et chercher à améliorer la ligne, laquelle présente souvent des
défauts corrigibles.
Cette compensation, inutile avec les appareils à charge et décharge de
condensateur, repose sur un tout autre principe pour les appareils à conversion de
fréquence.
Réglage des facteurs d'exposition :
- Réglage de l'intensité.
Ce réglage est fait par le chauffage du filament et l'intermédiaire d'un transformateur
d'isolement.
- L'intensité de radioscopie est réglable manuellement ou automatiquement pendant
l'irradiation ; elle est contrôlée par un milliampèremètre inséré dans le circuit de
haute tension au point mis au potentiel de terre (fig.1)
- L'intensité de radiographie est réglée, avant le début d'opération, par un système de
résistances tarées pour fournir au transformateur de chauffage la tension exacte et
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stabilisée car la moindre variation est inacceptable. Le contrôle par milliampèremètre
est impossible du fait de la brièveté de la radiographie, mais le produit mA × s est
parfois mesuré et affiché a posteriori (mAs-mètre).
Minuteries :
Les anciennes « minuteries » mécaniques, à mouvement d'horlogerie ou mouvement
électrique, sont abandonnées pour être remplacées par des circuits électroniques.
On distingue deux fonctions principales dans toute minuterie (terme impropre
puisqu'il s'agit de définir avec exactitude des temps qui sont généralement inférieurs
à 1 seconde) :
- le système de calcul du temps ;
- le dispositif de coupure du courant de radiographie.
- Le calcul du temps a longtemps consisté à mesurer le temps de charge (ou de
décharge) d'un condensateur sous une tension constante. On préfère maintenant un
système plus simple : un circuit d'horlogerie à quartz oscille à une fréquence voisine
de 10 000 Hz ; le temps est ensuite compté directement en 10 millièmes de seconde.
- La coupure du courant peut être faite à deux niveaux : soit sur la basse tension
d'alimentation du transformateur principal, soit sur la haute tension qui alimente le
tube à rayons X.
- Dans le premier cas (fig. 1), un relais électromagnétique reçoit son alimentation
pendant la durée exacte de la radiographie. Mais un relais mécanique met un certain
temps, non négligeable (3 ms par exemple) par rapport à celui de la radiographie,
pour se fermer et un autre temps de retard pour s'ouvrir. Si ces deux temps sont
égaux, il n'y a pas de problème et cela peut être exactement réalisé par un réglage
correct.
- Une autre difficulté résulte de la très haute intensité qu'il faut établir et couper. Des
dispositifs sophistiqués peuvent établir et couper le courant alternatif quand l'intensité
passe par la valeur 0 (Au début et à la fin de chaque alternance). Le temps
d'exposition le plus court est limité à un centième de seconde. Cette coupure
synchrone est irréalisable, par principe, pour tout générateur triphasé : l'intensité
n'étant nulle que sur une seule phase à la fois.
- L'invention du thyristor a permis de supprimer le relais électromagnétique de
coupure. Dans le cas de l'alimentation monophasée le principe est simple : deux
thyristors (ou quatre) conduisent le courant alternatif dans les deux sens à la
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condition de les amorcer alternativement au début de chaque alternance (fig. 15A) ;
ils se désamorcent à chaque renversement de tension (fin d'alternance). Il suffit de
ne plus provoquer l'amorçage pour interrompre la radiographie.
- Le principe est encore plus élégant en distribution triphasée ; sachant que les trois
phases primaires se réunissent au point central de l'étoile, il suffit de guider les
courants des trois bobinages primaires vers un unique thyristor parcouru par la
somme des trois courants, jamais nulle (fig. 15B). Comme le thyristor ne se coupe
pas tout seul, il faut, à la fin de la radiographie, lancer sur le collecteur une décharge
électrique de polarité inverse et d'égale intensité pour annuler le courant permanent
et désamorcer le thyristor. Il ne se réamorce plus avant impulsion sur la gâchette
pour une autre radiographie.
Figure 15 : Exemples de circuits d'alimentation et de coupure du primaire
haute tension par thyristors. A. Monophasé par deux paires de thyristors. Au
début de chaque alternance, les gâchettes d'une paire de thyristors (impairs
pour l'alternance 1, pairs pour l'alternance 2) reçoivent le signal d'amorçage.
Quand cesse le signal, la radiographie cesse. B. Triphasé par un unique
thyristor placé au centre de l'étoile. Les trois phases R, S, T du primaire se
rejoignent au centre de l'étoile (point N des figures 7a et 8a). En fait, ce point
commun est constitué par le thyristor Ta qui reçoit les trois courants alternatifs
par un pont de 6 diodes. Il suffit de l'amorcer au début de la radiographie
(impulsion Ia) et le point neutre est fermé. Pour le désamorcer, en fin de
radiographie, on lance en sens inverse du courant redressé un courant égal
qui l'annule ; à cet effet un condensateur C est maintenu chargé ; en amorçant
le thyristor Tc (impulsion Ic), le condensateur se décharge et désamorce Ta
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instantanément. Le centre de l'étoile étant ouvert, les trois bobinages R, S, T ne
sont plus alimentés. La radiographie cesse.
Rotation d'anode :
La mise en rotation de l'anode
est réalisée en lançant dans le
stator de gaine deux courants
déphasés pour créer un champ
tournant
à
la
vitesse
de
fréquence du courant alternatif
: 50 périodes, soit 3 000
tours/minute. Le rotor d'anode
est un cylindre de cuivre qui
tourne à l'intérieur du champ à
une vitesse quelque peu inférieure (glissement), soit environ 2 700 tours par minute.
Les anodes à grande vitesse nécessitent un tripleur de fréquence qui crée un champ
tournant à 150 périodes/seconde, pour une vitesse triple : soit 9 000 tours par minute
(8 000 tours d'anode par minute environ par suite du glissement). Du fait de cette
vitesse augmentée, la rotation risque de se prolonger longuement après la fin de la
radiographie avec divers inconvénients : bruit et usure des roulements. Il faut donc
arrêter l'anode dès la coupure du champ tournant. Aucun système de freinage
mécanique n'étant concevable à l'intérieur du tube, on procède par freinage
électrique : un courant continu est lancé dans les bobinages du stator pour créer un
fort champ magnétique continu. La rotation du rotor détermine l'apparition dans le
cuivre de courants de Foucault qui absorbent l'énergie de rotation en la transformant
en chaleur.
Commande en deux temps :
La mise en rotation d'anode et le chauffage du filament, jusqu'à la température
d'émission, imposent un temps suffisant. Il importe donc, au moment de déclencher
une radiographie en partant de l'état de repos, voire du régime de radioscopie, de
ménager un temps de retardement suffisant. Ce retard est assuré par la commande
en deux temps :
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- le courant de rotation d'anode est établi, le filament est porté à la température
d'émission graphie ; la radiographie peut être commandée, après un temps
nécessaire et suffisant (1 seconde environ) ;
- si l'opérateur a pressé le bouton sans temps d'arrêt entre les deux positions, un
circuit temporisateur assure un temps de retard suffisant (minimum une seconde)
pour commander la radiographie.
Sécurités de fonctionnement :(graphie)
De multiples sécurités automatiques assurent au tube et à l'ensemble du matériel un
fonctionnement correct, indispensable à une bonne qualité radiographique.
Quelques-uns de ces circuits de sécurité ont été schématisés sur la (figure 1) (lignes
tirettes rouges).
- Sécurité de rotation d'anode. Si l'une des phases est défaillante, si le
fonctionnement du tripleur de fréquence n'est pas assuré, la radiographie ne pourra
pas être commandée.
- Sécurité de chauffage filament. Si le circuit filament est coupé ou si le filament n'est
chauffé qu'à l'intensité de radioscopie, la radiographie est interdite. Certains
générateurs lancent, au premier temps, une petite impulsion de haute tension dans
le circuit du tube ; l'impédance du circuit est mesurée pendant le temps très court de
l'impulsion ; la radiographie n'est possible que si l'impédance est suffisamment faible.
- Sécurité de charge instantanée. Il s'agit de s'assurer que les réglages choisis : kV,
mA et temps, sont acceptables selon le nomogramme du foyer utilisé. Il importe
donc:
que le nomogramme soit connu des circuits de commande du générateur que toutes les valeurs des réglages kV, mA, s soient portées à la
connaissance du système de sécurité ;
soit par un réglage dit à trois boutons : l'opérateur choisit librement les trois
facteurs kV, mA et s ; le dispositif compare avec le nomogramme connu et
affiche l'accord ou le refus ; dans ce dernier cas la radiographie n'est pas
possible et l'opérateur doit chercher un autre réglage ;
soit par un réglage dit à deux boutons : l'opérateur choisit librement la tension
et le produit mAs ; le système choisit les valeurs mA et s qui sont en accord
avec le nomogramme. Il n'y a pas d'interdiction et la radiographie est toujours
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possible quels que soient les facteurs réglés. Ce système est donc plus
perfectionné que le précédent, mais risque parfois de conduire à des temps de
pose inadaptés.
- Sécurité de capacité thermique. Le système de sécurité connaît aussi la capacité
thermique de l'anode en fonction du temps (fig. 15 du chapitre « Tube à rayons X »)
et la courbe de refroidissement du tube. Différents modes de fonctionnement,
différents programmes peuvent être imaginés, par exemple :
- affichage des constants kV et mAs d'une série de clichés. Le système de calcul
annonce le nombre de clichés autorisés sans aucun temps d'arrêt (régimes à
cadence rapide, radiologie vasculaire, radiocinéma ; chapitre « Tube à rayons X ») ;
- affichage des facteurs kV et temps d'exposition, plus le nombre de clichés à faire en
série rapide.
Le calculateur indique l'intensité maximale autorisée ;
- affichage des facteurs kV, mA et s à cadence lente. Au fur et à mesure de
l'avancement de l'examen, le calculateur fait usage de la courbe de refroidissement
et détermine à chaque instant le nombre de clichés qui sont encore autorisés, cela
jusqu'à 0 ; mais, le refroidissement agissant, le chiffre 1 réapparaît ; les expositions
peuvent reprendre à la cadence définie par le calculateur. Bien entendu, le
calculateur tient aussi compte de la radioscopie, qui entraîne un échauffement non
négligeable de l'anode.
- Sécurité de température de gaine. Dans la gaine de protection du tube une sécurité
mesure, par sa dilatation, la température de l'huile d'isolement. Le phénomène de
dilatation étant incoercible, lorsque la température maximale (80 °C) est atteinte, il
faut arrêter le fonctionnement. En poursuivant l'examen, la dilatation de l'huile finirait
par rompre les joints et laisserait s'échapper l'huile très chaude. Le dispositif de
sécurité de température de gaine arrête complètement le fonctionnement de
l'appareil, parfois en coupant purement et simplement l'alimentation générale
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Posemètre automatique ou exposimètre:
Les difficultés d'un choix correct des réglages de tension, intensité et temps pour la
radiographie d'un patient, dont les opacités propres sont inconnues, sont évitées par
l'emploi des « exposimètres » ou posemètres automatiques. Le principe de ces
appareils consiste à mesurer l'« exposition », grandeur qui groupe à la fois la qualité
et la quantité du rayonnement atteignant le film récepteur.
La mesure impose la captation d'une partie du rayonnement, la plus faible possible,
qui puisse être transformée en un phénomène physique mesurable. L'organe de
captation ne doit laisser nulle ombre visible sur la radiographie.
Deux propriétés des rayons X peuvent être mises en oeuvre :
- l'ionisation d'un gaz (et l'air est satisfaisant à cet effet),
- la fluorescence d'un sel minéral assez léger (le sulfure de zinc peut convenir).
Le courant d'ionisation de l'air à la pression atmosphérique est faible, mais
parfaitement mesurable.
La fluorescence est saisie par une cellule photo-électrique ou, mieux, par un tube
photomultiplicateur d'électrons (fig. 16).
Le courant détecté doit être intégré pendant toute la durée de la radiographie dans
un condensateur. La mesure de la tension aux bornes dudit condensateur donne
indirectement la valeur de l'exposition (fig. 17).
L'opérateur doit avoir le choix du noircissement plus ou moins poussé de l'image.
Au moment précis où la tension intégrée sur le condensateur, mesurée par un
dispositif convenable, atteint la valeur déterminée pour le noircissement choisi, le
posemètre commande automatiquement la fin de l'exposition.
Mais les deux phénomènes : enregistrement de l'image photographique et mesure
ionométrique ou photoluminescente, peuvent ne pas avoir et n'ont généralement pas
la même « réponse » quand varie la qualité des rayonnements X.
Il est logique d'informer le posemètre de la tension kV et de prévoir un circuit de
compensation qui en tienne compte.
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Figure 16 : Détecteur de posemètre automatique. a. A photoluminescence. Le
rayonnement qui resurgit du patient et de la grille rencontre une mince couche
de sel luminescent (ZnS : sulfure de zinc). La lumière de fluorescence parvient,
directement ou par réflexion, dans un détecteur photo-électrique généralement un tube photomultiplicateur - qui donne naissance à un courant
proportionnel au débit d'énergie rayonnante. b. A ionisation. Dans une masse
de polystyrène expansé, une cavité de quelques dizaines de centimètres cubes
enferme un même volume d'air. Sous l'effet du rayonnement à mesurer,
l'ionisation fait apparaître une quantité d'ions proportionnelle à la dose de
rayons X. Le courant d'ionisation donne une mesure de l'exposition
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Figure 17 : Schéma de principe du posemètre automatique (exposimètre). Le
courant du détecteur est premièrement intégré pour pouvoir comparer une
quantité d'électricité à une quantité de rayonnement. La tension qui en résulte
est mesurée par un circuit électronique (figuré ici par un voltmètre) et
comparée à des tensions choisies par l'opérateur suivant le noircissement
voulu. Après correction de la mesure en fonction de la haute tension kV
utilisée, un circuit électronique donne le signal de fin de radiographie. La
minuterie a pour but d'interrompre le cliché avant le signal, pour protéger
éventuellement le tube contre une prolongation excessive du temps de pose
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