principe et production des rx

PRINCIPE & PRODUCTION

INTRODUCTION :

Les rayons X ont été découverts en 1895 par W. Röntgen à Würzbug en Allemagne. Il baptise les rayons qu’il a découverts “Rayons X” avec le “X” comme l’inconnue en Mathématiques. Le pouvoir des rayons X, qui a semblé merveilleux, de traverser des parois opaques et de révéler l’intérieur du corps humain a immédiatement donné un grand retentissement populaire à cette découverte scientifique.

Les rayons X sont des radiations électromagnétiques. Dans l’ensemble de ces radiations, s’étendant des rayonnements γ à très courte longueur d’onde (λ = 0,001 nm) aux ondes longues radioélectriques (λ = 1 km), les rayons X occupent un domaine de 0,03 nm à 10 nm. Bien qu’il n’y ait pas de limites bien déterminées, on sait que la longueur d’onde d’un rayon X est nettement inférieur aux dimensions d’un atome.

L’ensemble des radiations électromagnétiques a fondamentalement une nature commune : ce qui les distingue dans leur interaction avec la matière est le paramètre qui caractérise chacune : la longueur d’onde λ ou l’énergie du photon E. Un photon est une particule de masse nulle, non chargée, se déplaçant à la vitesse de la lumière c et transportant une quantité d’énergie E déterminée.

A un rayon X de fréquence ν (donc de longueur d’onde dans le vide λ = c/ν ), on associe un photon d’énergie :

E = h . ν = h . c/λ

Ici, h correspond à la Constante universelle de Planck (h = 6,626.10-34 J.s) et λ est en mètres.

PRODUCTION :

Les tubes à rayons X fonctionnent de la manière suivante : Dans une enceinte de verre où règne le vide, des électrons sont émis par un filament dans lequel circule un courant électrique. Ceux-ci sont accélérés en direction d’une anode (ou anticathode) par un champ électrique créé par une différence de potentiel élevée (généralement de 10 à 150 kV) entre le filament qui sert de cathode et l’anode. Ces électrons entrent en collision avec la cible que constitue le métal de l’anode.

Schéma d’un tube à rayons X. HT = Haute Tension et RX = Rayons X émis par l’anode

Il y a deux phénomènes complètement différents susceptibles de donner naissance à des rayons X :

- LE SPECTRE CONTINU :

Dans les tubes à rayons X, l’élément essentiel est un faisceau d’électrons mis en mouvement par une différence de potentiel de l’ordre de quelques dizaines de kvolts. Ce faisceau est arrêté par le bloc solide de l’anode. Les électrons n’y pénètrent qu’à une profondeur de l’ordre du micron (10-6m) : sur cette distance leur vitesse est réduite de quelques 100 000 km.s-1 à celle des électrons libres dans un métal (1 000 km.s-1). Ils sont donc soumis à une très forte décélération et émettent ce qu’on appelle le rayonnement de freinage. Des rayons X font partie de ces rayonnements de freinage.

- LE SPECTRE DE RAIES CARACTERISTIQUES :

Au spectre continu émis par une anode bombardée par un faisceau d’électrons se superpose un spectre de raies caractéristiques qui ne dépend que de la nature de l’anode, c’est-à-dire du numéro atomique Z de la matière qui constitue l’anode (Généralement, Z>30). Sous l’effet du choc des électrons incidents, certains atomes de l’anode sont ionisés : un électron est arraché à l’atome dans le choc. Si l’électron arraché provient d’une couche interne de l’atome, les électrons des couches externes auront tendance à se précipiter dans la place laissée vacante. Ce faisant, l’électron qui change d’orbite perd de l’énergie, qui est rejetée à l’extérieur sous la forme d’un photon : tel est le mécanisme d’émission des photons des raies caractéristiques de rayons X.

L’énergie E des photons ainsi émis est parfaitement déterminée. Elle est égale à la différence entre les énergies initiales W1 et finale W2 de l’électron qui change d’orbite :

E = h . ν = W1-W2

Ainsi, un tube à rayons X émet simultanément, et indépendamment, un spectre continu et un spectre de raies.