Qu’est-ce que les rayons X – Production – Tube à rayons X – Définition

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Radiographie – Production

Étant donné que les rayons X sont des photons de haute énergie, qui ont une nature électromagnétique, ils peuvent être produits chaque fois que des particules chargées (électrons ou ions) d’une énergie suffisante frappent un matériau. C’est similaire à l’ effet photoélectrique, où les photons peuvent être annihilés lorsqu’ils frappent la plaque métallique, chacun cédant son énergie cinétique à un électron.

Les rayons X peuvent être générés par un tube à rayons X, un tube à vide qui utilise une haute tension pour accélérer les électrons libérés par une cathode chaude à une vitesse élevée. La cathode doit être chauffée pour émettre des électrons. Des électrons, accélérés par des différences de potentiel de dizaines de milliers de volts, sont dirigés vers une cible métallique (généralement en tungstène ou un autre métal lourd) dans un tube à vide. Plus la tension entre les électrodes est élevée, plus les électrons atteindront une énergie élevée. En frappant la cible, les électrons accélérés sont brusquement arrêtés et les rayons X et de la chaleur sont générées. La majeure partie de l’énergie est transformée en chaleur dans l’anode (qui doit être refroidie). Seulement 1 % de l’énergie cinétique des électrons est convertie en rayons X. Les rayons X sont généralement générés perpendiculairement au trajet du faisceau d’électrons.

Une source spécialisée de rayons X qui devient largement utilisée dans la recherche est l’accélérateur de particules, qui génère un rayonnement connu sous le nom de rayonnement synchrotron. Lorsque des particules chargées ultra-relativistes se déplacent à travers des champs magnétiques, elles sont obligées de se déplacer le long d’une trajectoire courbe. Étant donné que leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent ainsi un bremsstrahlung, dans ce cas, on parle de rayonnement synchrotron.

Les rayons X peuvent également être produits par des protons rapides ou d’autres ions positifs. L’émission de rayons X induite par les protons ou l’émission de rayons X induite par les particules est largement utilisée comme procédure analytique.

Rayons X mous et durs

Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Les rayons X avec des énergies photoniques élevées (supérieures à 5-10 keV) sont appelés rayons X durs, tandis que ceux avec une énergie plus faible (et une longueur d’onde plus longue) sont appelés rayons X mous. En raison de leur capacité de pénétration, les rayons X durs sont largement utilisés pour imager l’intérieur d’objets visuellement opaques. Les applications les plus souvent rencontrées sont en radiographie médicale. Étant donné que les longueurs d’onde des rayons X durs sont similaires à la taille des atomes, elles sont également utiles pour déterminer les structures cristallines par cristallographie aux rayons X. En revanche, les rayons X mous sont facilement absorbés dans l’air. La longueur d’atténuation des rayons X de 600 eV dans l’eau est inférieure à 1 micromètre.

Spectre de rayons X – Caractéristique et continu

Pour les rayons X générés par le tube à rayons X, la part d’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro jusqu’à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge de l’électron, de sorte qu’un tube de 100 kV ne peut pas créer de rayons X avec une énergie supérieure à 100 keV. Lorsque les électrons atteignent la cible, les rayons X sont créés par deux processus atomiques différents:

• Bremsstrahlung . Le bremsstrahlung est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’un électron lorsqu’il est dévié par de puissants champs électromagnétiques de noyaux cibles à Z élevé (nombre de protons). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est « rayonnement de freinage ». D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules légères chargées avec la matière (en particulier avec des numéros atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec la fréquence décroissante, à partir de zéro à l’énergie des électrons incidents, la tension sur le tube à rayons X. Changer le matériau à partir duquel la cible dans le tube est faite n’a aucun effet sur le spectre de ce rayonnement continu. Si nous devions passer d’une cible de molybdène à une cible de cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient, à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
• Émission de rayons X caractéristique. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la couche électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse un vide dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent en cascade pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité pointus apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde caractéristiques du matériau à partir duquel la cible d’anode est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

Voir également:

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