RAYONS ET FLUORESCENCE X

D'une importance et d'une portée capitale pour la médecine, les rayons X furent mis en évidence par Wilhem Konrad Roentgen qui les découvrent en 1895.
Les travaux du physicien allemand, Max von Laue (1879-1960) permettront d'avancer dans la voie de l'utilisation des figures de diffraction par rayons X dans le domaine de la cristallographie.

PRODUCTION DE RAYONS X

Principe de fonctionnement d'un tube à rayons X

Les faisceaux de rayons X utilisés en médecine sont généralement produits par des "tubes à rayons X" ou "tube de Coolidge". Celui-ci est constitué d'un tube de verre ou règne un vide poussé (10-3 à 10-4 mm Hg). L'émission des rayons X est la conséquence des interactions qui se produisent entre des électrons rapides et les particules d'une cible métallique dans lequel ils pénètrent.


Figure 1 : Principe du tube à rayons X

Production du faisceau d'électrons

Propriétés des rayons X

 

Longueur d'onde

Énergie

Fréquence
n

R.X. mous 10 nm à 0,1 nm = 100 pm 124 eV à 12,4 keV 3.1016 Hz à 3.1018 Hz
R.X. radiodiagnostic 100 pm à 10 pm 12,4 keV à 124 keV  3.1018 Hz 3.1019 Hz
R.X. radiothérapie  10 pm à 1 pm 124 keV à 1,24 MeV  3.1019 Hz 3.1020 Hz

         Tableau 1 : Classification du rayonnement X 

Émission de rayons X

Le spectre d'émission d'un tube à rayons X

" La courbe de distribution de l'intensité du rayonnement par unité d'énergie en fonction de l'énergie du rayonnement est formée d'un fond continu sur lequel se superposent des raies.


Figure 2 : Exemple de spectre d'émission d'un tube à rayons X

Le fond continu : interaction électron - noyau

Lorsqu'un électron d'énergie cinétique Ec arrive au voisinage d'un noyau, sa trajectoire est déviée et il subit une accélération due à la force attractive d'origine électrostatique. Il s'avère qu'une particule décélérée (freinée) rayonne de l'énergie. L'énergie émise sous forme de photons X est prélevée sur l'énergie cinétique Ec de l'électron qui poursuit sa trajectoire avec une énergie cinétique plus faible E'c telle que :


Figure 3 : Rayonnement de freinage.

C'est la raison pour laquelle ce rayonnement porte le nom de rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung (de l'allemand Bremsung - freinage et Strahlung - rayonnement). Toutes les distances entre le noyau et la trajectoire de l'électron incident étant possibles, toutes les valeurs de hn sont permises depuis 0 lorsque l'électron passe loin du noyau jusqu'à Emax quand toute l'énergie cinétique de l'électron est communiquée au photon X. Cela explique le spectre continu. C'est ce spectre continu qui fournit les rayons X utilisables en radiologie. Quant à la répartition spectrale, elle prend la forme suivante :


Figure 4 : Effet de la tension accélératrice sur le spectre continu.

Si toute l'énergie de l'électron incident est transformée en rayonnement, nous obtenons : d'où 
L'intensité du rayonnement est maximale pour 1,5 lmin.

Les raies : interaction électron - électron

Lorsque un électron très énergétique arrive sur un atome de la cible, la probabilité pour qu'il heurte un électron du cortège électronique n'est pas négligeable.
Si cet électron possède une énergie cinétique supérieure à l'énergie d'ionisation d'un électron du cortège électronique, celui-ci est expulsé.
Si l'électron incident a une énergie cinétique assez forte, il pourra expulser un électron des niveaux internes de l'atome. Dès lors, l'atome devient instable ; un réarrangement électronique se produit en moins de 10-16 s.
Supposons par exemple que l'électron incident ait une énergie cinétique supérieure à l'énergie d'ionisation d'un des deux électrons de la couche K (n = 1) ; celui-ci est alors expulsé. Sa place sur la couche K devient vacante.
Si un électron de la couche L vient occuper la place laissée libre par l'électron K, l'électron L perd une énergie qui est émise sous forme d'un photon d'énergie hn :

Si l'électron vient de la couche M, on aura :

L'indice K indique la couche d'arrivée. L'indice a, b… indique si l'électron de remplacement vient de la couche immédiatement supérieure ou des couches suivantes.
Les niveaux de départ et d'arrivée étant parfaitement définis (quantifiés), il en résulte que les rayonnements émis sont caractéristiques de l'atome cible. On parle donc de raies caractéristiques.


Figure 5 : Formation des raies par transition électronique

Les rayons X émis par ionisation présentent donc un spectre de raies.

C'est l'utilisation de ce spectre qui est utilisée dans le domaine de la cristallographie et de l'analyse chimique par fluorescence X.

La spectrométrie de fluorescence X

Elle est utilisée pour déterminer la composition élémentaire d'un échantillon car le spectre de fluorescence X obtenu dépend très peu de l'arrangement chimique des éléments.
Il s'agit d'une méthode spectroscopique non destructive de l'échantillon. L'ionisation des atomes, préalable à l'émission de fluorescence, est assurée par irradiation de l'échantillon par un rayonnement X primaire ou par bombardement d'électrons (5 à 60 keV).
Ce type de spectroscopie permet d'identifier tous les éléments chimiques à partir du bore (Z = 5). Pour les éléments lourds, des réarrangements en cascades peuvent avoir lieu, enrichissant d'autant le spectre.

Les sources

Ce peuvent être des dispositifs analogues au tube de Coolidge ou des sources radio isotopiques dans lesquelles certains radionucléides se transforment par capture électronique interne (CEI). Dans de telles sources, tout ce passe comme si l'un des deux électrons de la couche K disparaissait subitement dans le noyau. La lacune créée provoque un réarrangement responsable de l'émission X. Ces sources nécessitent une autorisation de détention et une protection permanente puisqu'elles émettent en continu.
On peut aussi utiliser les émetteurs comme l'244Am (période 430 années) pour lesquels une collision entre la particule alpha émise et un électron provoque l'ionisation qui induit le rayonnement X. L'utilisation d'électrons rapides est aussi utilisée.

Les détecteurs

Appareils à dispersion en énergie

Compteurs proportionnels (à flux gazeux) : chaque photon déclenche dans le circuit une impulsion dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie.
Semi-conducteur (à scintillation) : Le silicium dopé au lithium réagit par augmentation de la conductivité de sa jonction. (…/…) 

Appareils à dispersion en longueur d'onde.

(…/…)

Absorption des rayons X - densimétrie X

Les interactions des photons avec la matière ont un caractère aléatoire. Nous émettons l'hypothèse que le nombre d'interactions dN est proportionnel à N et à l'épaisseur de la couche traversée dx.

Le coefficient de proportionnalité µ est appelé coefficient d'atténuation linéique qui s'exprime en cm-1 si l'épaisseur traversée s'exprime en cm. Le coefficient d'atténuation linéique exprime la probabilité de subir une interaction.
Il dépend :

Comme chaque interaction correspond à la disparition d'un photon, la variation du nombre N vaut :

où le signe - indique qu'il s'agit d'une diminution.
Par intégration de la loi d'absorption :

Un autre concept important est la couche de demie atténuation qui correspond à une atténuation moitié du faisceau incident : CDA = x½ = ln2/µ

 

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