L'émission de rayons X

Dans cette partie, nous allons vous expliquer comment les rayons X sont créés.


Généralités :


Un dispositif d’imagerie médicale est constitué de deux grandes parties:

  • Un émetteur de rayons X chargé de créer et d’envoyer les rayons X qui seront par la suite projetés sur la partie du corps qui intéresse les médecins.
  • Et aussi d'un capteur qui analyse les rayons X et qui les transforme en images.

 

Ce schéma nous montre la composition d'un dispositif d'imagerie médicale.

Nous allons donc dans un premier temps étudier l'émission de ces rayons X.

Cette première partie d'un appareil d'imagerie médicale a en effet pour objectif de produire une quantité appropriée de rayons X, pendant un temps déterminé, afin d'obtenir une image nette et exploitable, sans trop irradier les patients.

Cet appareil, fonctionne à l'aide d'un élément appelé « Tube à rayons X » ou dans le jargon scientifique : « Tube de Coolidge ». Ce tube, qui a la forme d' une ampoule, permet la génération de rayons X par l'effet de « Bremsstrahlung » que l'on appelle aussi « rayonnement continu de freinage » au niveau de l'anode qui est responsable de l'émission de rayons X .

Ce tube de Coolidge est constitué d'une ampoule de verre dans laquelle, baignant dans le vide, on trouve d'un coté un filament de tungstène qui constitue la cathode, et de l'autre coté, d'une plaque d'un alliage de métaux ayant un nombre atomique Z élevé. Cette plaque, qui constitue l'anode du dispositif, et donc la cible du flux d'electrons, est associée à un circuit de liquide de refroidissement.

 

 

Ce schéma nous montre une composition simplifiée d'un émetteur de rayons X

 

Une très forte tension électrique de l'ordre de 20 à 400 kV (ce qui est similaire à la tension des lignes EDF de transport d'énergie haute tension) est générée entre deux électrodes. Il se produit alors un flux d'électrons de la cathode vers l'anode (parfois appelée « cible » ou « anticathode ». Quand les électrons « heurtent » l'anode, une grande quantité d'énergie (99%) est transformée en chaleur, mais une petite quantité (1%) est transformée en rayons X de par l'effet de Bremsstrahlung.

Pour régler ce dispositif, on peut modifier trois paramètres:

1-L'intensité du courant que l'on fait circuler dans le filament, qui va faire varier la quantité d'électrons émis par cette cathode, et du coup la quantité de rayons X émis par l'anode qui reçoit ce flux variable d'électrons. On fait varier cette intensité de 5 à 50 mA.

2-La tension appliquée entre le filament cathode, et la plaque d'alliage anode qui détermine l'energie des rayons X émis par l'anode.

3- La composition de l'alliage de métaux utilisé pour la plaque anode qui conditionne donc sa nature chimique et détermine donc la longueur d'onde du rayonnement émis.

 

Cette animation nous montre les électrons (ronds bleus) allant de la catode à l'anode, et donc les rayons X ainsi créés (traits jaunes).

Remarque: Avant les années 1920 une première génération de tubes créateurs de rayons X était utilisée : à savoir le tube de Crookes.

Que se passe t'il au niveau atomique?

 

Actuellement, il y a principalement deux méthodes de formation des rayons X résultant d'un flux d'électrons lancés à grande vitesse sur une cible : l'émission générale (Bremsstrahlung) et l'émission caractéristique.

 

  • Émission générale :

 

Schéma de l'émission générale :

 

 

L'émission générale a lieu lorsque un électron est envoyé depuis un émetteur (cathode) vers une cible (anode) en passant à proximité d'un atome et se trouvant donc attiré par son noyau (par sa charge), l'électron est alors dévié et ralenti.

La perte d'énergie due à cette déviation et à ce ralentissement provoque l'émission d'un photon, soit l'émission de rayons X.

La quantité d'énergie produite par cette méthode est variable. En effet, l'énergie du photon émis dépend de :

- L'attraction du noyau

 

- De la trajectoire de l'électron

 

- De l'énergie cinétique de l'électron

 

L'attraction du noyau et la trajectoire de l'électron ne sont pas réglables lors de la formation des rayons X , seule l'énergie cinétique de l'électron peut être réglée.

L'énergie produite est comprise entre 0 et l'énergie cinétique de l'électron (énergie issue de son mouvement).

 

  • Émission caractéristique:

 

Schéma de l'émission caractéristique :

 

 

L'émission caractéristique est une seconde méthode de formation des rayons X. Elle correspond, comme à l'émission générale, à envoyer des électrons sur une cible sauf que ceux ci entrent en collision avec un électron d'une des couches internes de l'atome. L'électron percuté est alors éjecté ainsi que l'électron percutant. L'atome n'a maintenant plus sa couche intérieure complète. Afin de combler la non-stabilité de l'atome , des électrons issus des couches périphériques extérieures viennent remplacer l'électron éjecté dans la couche intérieure en déficit électrique. Cette différence d'énergie entre les différentes couches d'un atome se trouve sous forme de rayons X. On peut donc en conclure que puisque l'énergie de liaison des électrons est unique pour chaque couche et chaque atome, cette création de rayons X dépend de la nature de l'atome qui va être « attaqué ».

Cette animation nous montre le principe de l'émission caractéristique 

Lors de l'émission de rayons X, la méthode de création n'est pas choisie. En effet, on dit que l'on "subit" ces 2 types d'émission, par conséquent lorsque l'on crée des rayons X, ceux ci résultent des 2 types d'émission, ce qui explique alors le spectre que l'on obtient. 

L'énergie des rayons X ainsi créés, dépend de la tension exercée entre l'anode et la cathode. En effet, on remarque que la tension en kV, est proportionnelle à l'énergie des rayons X en kEv. Par exemple si l'on exerce une tension de 50 kV dans le tube, les photons X, possèderont une énergie variant de 0 à 50 kEv.

Ainsi on peut différencier 2 types de rayons X;

- les rayons X mous, possèdent une energie allant de 100 Ev à 10 kEv.

- Les rayons X durs, possèdent une énergie variant de 10 kEv à 1 mEv. Les rayons X durs possèdent une énergie bien plus grande que celle des rayons X mous, ce qui leur permet de mieux traverser la matière.


Le Spectre d'un rayon X.

 

Le spectre d’émission d'un rayon X est constitué d'un spectre d’émission générale, auquel viennent s'ajouter les raies d 'émission caractéristiques.

Le spectre d'émission générale est donc par définition lié au rayonnement créé par l’émission générale et le spectre d'émission caractéristique est lié au rayonnement caractéristique.

La mise en commun de ces 2 spectres s'appelle le spectre d'émission continu.

 

Remarque : Ces raies d'émission caractéristiques n’apparaissent qu'à partir d'une tension de 25kV.

Schéma du spectre continu de rayons X pour un atome x

 

Prenons pour exemple le spectre continu des atomes de Tungstène et de Molybdène. Ce sont des atomes avec un grand numéro atomique Z qui sont souvent utilisés comme composants de l'anode.

 


Schéma du spectre d'émission continu de rayons X, issus d'une émission caractéristique sur une anode composée en jaune de Molybdène et en rouge de Tungstène.


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