Qu’est-ce que la radiographie – rayonnement Roentgen – définition

Les rayons X , également connus sous le nom de rayonnement X , se réfèrent au rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) des hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc des fréquences très élevées. La fréquence de rayonnement est un paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies des ondes radioélectriques de faible énergie et du rayonnement infrarouge, à travers la lumière visible, aux rayons X à haute énergie et aux rayons gamma .

NASA - Spectre électromagnétique
Source: Visite du spectre électromagnétique www.nasa.gov

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3 × 10 16 Hz à 3 × 10 19 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. La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement valable, les rayons X sont émis par des électrons à l’extérieur du noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau .

Étant donné que les rayons X (en particulier les rayons X durs) sont en substance des photons de haute énergie, ils constituent une matière très pénétrante et sont donc biologiquement dangereux. Les rayons X peuvent parcourir des milliers de pieds dans l’air et peuvent facilement traverser le corps humain.

Découverte des rayons X – Wilhelm Conrad Röntgen

Découverte par rayons X - Roentgen
Hand mit Ringen (Hand with Rings): impression de la première radiographie «médicale» de Wilhelm Röntgen, de la main de sa femme, prise le 22 décembre 1895 et présentée à Ludwig Zehnder du Physik Institut, Université de Fribourg, le 1er janvier 1896
Source : wikipedia.org Licence: domaine public

Des rayons X ont été découverts le 8 novembre 1895 par le professeur de physique allemand Wilhelm Conrad Röntgenà l’Université de Würtzburg en Allemagne. Il étudiait les décharges électriques dans des tubes en verre remplis de divers gaz à très basse pression. Dans ces expériences, Röntgen avait recouvert le tube de papier noir et avait obscurci la pièce. Il a ensuite découvert qu’un morceau de papier peint avec un colorant fluorescent, à une certaine distance du tube, brillerait lorsqu’il allumerait la haute tension entre les électrodes dans le tube. Il s’est rendu compte qu’il avait produit une «lumière invisible» ou rayon auparavant inconnue, qui était émise par le tube et un rayon qui pouvait passer à travers le papier épais recouvrant le tube. Röntgen a appelé le rayonnement «X», pour indiquer qu’il s’agissait d’un type de rayonnement inconnu.

Conscient de l’importance de sa découverte, Röntgen a concentré toute son attention sur l’étude de ce nouveau rayonnement qui avait la propriété inhabituelle de passer à travers du papier noir. Grâce à des expériences supplémentaires, il a également constaté que le nouveau rayon traverserait la plupart des substances projetant des ombres d’objets solides tels que des blocs de bois, des livres et même sa main. Il a constaté que les rayons X se propagent en lignes droites d’où ils ne sont déviés ni par des champs électriques ni magnétiques. La première image aux rayons X était une image de la main de sa femme sur une plaque photographique formée à cause des rayons X. Sa découverte s’est rapidement répandue dans le monde et Wilhelm Conrad Röntgen a reçu le premier prix Nobel de physique pour sa découverte.

Caractéristiques des rayons X

Les principales caractéristiques des rayons X sont résumées en quelques points:

  • Les rayons X sont des photons de haute énergie (environ 100 à 1 000 fois plus d’énergie que les photons visibles), les mêmes photons que les photons formant la gamme visible du spectre électromagnétique – la lumière.
  • Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Elle peut aller d’environ 20 kV à 300 kV. Le rayonnement à basse tension est appelé « doux » – et le rayonnement à haute tension est appelé « dur ».
  • Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
  • Les rayons X ionisent la matière par ionisation indirecte .
  • Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois mécanismes d’interaction clés avec la matière.
    • Effet photoélectrique
    • Diffusion de Compton
    • Diffusion de Rayleigh
  • Les rayons X voyagent à la vitesse de la lumière et ils peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air avant de dépenser leur énergie.
  • Comme les rayons X durs sont des matières très pénétrantes, ils doivent être protégés par des matériaux très denses, comme le plomb ou l’uranium.
  • La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement valable, les rayons X sont émis par des électrons à l’extérieur du noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau .
  • Pour les rayons X générés par un tube à rayons X, il existe deux types différents de spectres de rayons X:
    • Bremsstrahlung
    • Rayons X caractéristiques
  • Les rayons X caractéristiques accompagnent fréquemment certains types de désintégrations nucléaires, telles que la conversion interne et la capture d’électrons .

Radiographie – Production

Tube à rayons X - Production de rayons XÉtant 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’énergie suffisante frappent un matériau. Il est similaire à l’ effet photoélectrique , où les photons peuvent être annihilés lorsqu’ils frappent la plaque métallique, chacun remettant 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. Les électrons, accélérés par des différences de potentiel de dizaines de milliers de volts, visent une cible métallique (généralement faite de tungstène ou d’un autre métal lourd) dans un tube à vide. Plus la tension entre les électrodes est grande, plus les électrons atteindront l’énergie. En frappant la cible, les électrons accélérés sont brusquement arrêtés et les rayons Xet 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 à la trajectoire du faisceau d’électrons.

Une source spécialisée de rayons X qui est 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’un chemin incurvé. Comme leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent donc des bremsstrahlung, dans ce cas, ils sont appelés 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 à 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 l’image de l’intérieur d’objets visuellement opaques. Les applications les plus souvent vues 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 à 600 eV dans l’eau est inférieure à 1 micromètre.

Spectre de rayons X – caractéristique et continu

Spectre de rayons X - caractéristique et continuPour les rayons X générés par un tube à rayons X, la partie de l’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon à rayons X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge des électrons, 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 forts 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 rayonner de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules chargées de lumière avec la matière (en particulier avec des nombres atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec une 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 en molybdène à une cible en cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
  • Emission caractéristique de rayons X. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la coquille électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse une vacance dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

Interaction des rayons X avec la matière

Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois mécanismes d’interaction clés avec la matière. La force de ces interactions dépend de l’ énergie des rayons X et de la composition élémentaire du matériau, mais pas beaucoup des propriétés chimiques, car l’énergie photonique des rayons X est beaucoup plus élevée que les énergies de liaison chimique. L’absorption photoélectrique domine aux faibles énergies des rayons X, tandis que la diffusion Compton domine aux énergies plus élevées.

  • Absorption photoélectrique
  • Diffusion de Compton
  • Diffusion de Rayleigh

Absorption photoélectrique des rayons X

Absorption gamma par un atome.  Source: laradioactivite.com/
Absorption gamma par un atome.
Source: laradioactivite.com/

Dans l’effet photoélectrique, un photon subit une interaction avec un électron qui est lié dans un atome. Dans cette interaction, le photon incident disparaît complètement et un photoélectron énergétique est éjecté par l’atome de l’un de ses coques liées . L’énergie cinétique du photoélectron éjecté (E e ) est égale à l’énergie photonique incidente (hν) moins l’ énergie de liaison du photoélectron dans sa coque d’origine (E b ).

e = hν-E b

Par conséquent, les photoélectrons ne sont émis par l’effet photoélectrique que si le photon atteint ou dépasse une énergie de seuil – l’énergie de liaison de l’électron – la fonction de travail du matériau. Pour les rayons X très élevés avec des énergies de plus de centaines de keV, le photoélectron transporte la majorité de l’énergie photonique incidente – hν.

Aux petites valeurs de l’énergie des rayons gamma, l’effet photoélectrique domine . Le mécanisme est également amélioré pour les matériaux de numéro atomique Z élevé. Il n’est pas simple de dériver l’expression analytique de la probabilité d’absorption photoélectrique des rayons gamma par atome sur toutes les gammes d’énergies de rayons gamma. La probabilité d’absorption photoélectrique par unité de masse est approximativement proportionnelle à:

τ (photoélectrique) = constante x Z N / E 3,5

où Z est le numéro atomique, l’exposant n varie entre 4 et 5. E est l’énergie du photon incident. La proportionnalité aux puissances supérieures du nombre atomique Z est la principale raison de l’utilisation de matériaux à forte teneur en Z, tels que le plomb ou l’uranium appauvri dans les écrans de rayons gamma.

Coupe transversale de l'effet photoélectrique.Bien que la probabilité de l’absorption photoélectrique des photons diminue, en général, avec l’augmentation de l’énergie des photons, il y a de fortes discontinuités dans la courbe de section transversale. Celles-ci sont appelées «bords d’absoption»et ils correspondent aux énergies de liaison des électrons des coquilles liées à l’atome. Pour les photons avec l’énergie juste au-dessus du bord, l’énergie des photons est juste suffisante pour subir l’interaction photoélectrique avec l’électron de la coque liée, disons K-shell. La probabilité d’une telle interaction est juste au-dessus de ce bord bien supérieure à celle des photons d’énergie légèrement en dessous de ce bord. Pour les photons en dessous de ce bord, l’interaction avec l’électron de la coquille K est énergétiquement impossible et donc la probabilité chute brusquement. Ces arêtes se produisent également aux énergies de liaison des électrons d’autres coquilles (L, M, N… ..).

Diffusion Compton des rayons X

diffusion de comptonLa formule Compton a été publiée en 1923 dans la Physical Review. Compton a expliqué que le déplacement des rayons X est provoqué par une impulsion de type particules de photons . La formule de diffusion Compton est la relation mathématique entre le changement de longueur d’onde et l’angle de diffusion des rayons X. Dans le cas de la diffusion Compton, le photon de fréquence  f  entre en collision avec un électron au repos. Lors de la collision, le photon rebondit sur l’électron, abandonnant une partie de son énergie initiale (donnée par la formule de Planck E = hf), tandis que l’électron prend de l’élan (masse x vitesse), le  photon ne peut pas réduire sa vitesse. En raison de la loi de conservation de l’impulsion, le photon doit réduire son impulsion donnée par:

En raison de la loi de conservation de la quantité de mouvement, le photon doit réduire sa quantité de mouvement donnée par cette formule.

Diffusion de Compton
En diffusion Compton, le photon gamma incident est dévié d’un angle Θ par rapport à sa direction d’origine. Cette déviation entraîne une diminution de l’énergie (diminution de la fréquence du photon) du photon et est appelée effet Compton.
Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

La diminution de la quantité de mouvement des photons doit donc se traduire par une  diminution de la fréquence  (augmentation de la longueur d’onde Δ λ = λ ‘- λ ). Le décalage de la longueur d’onde augmente avec l’angle de diffusion selon  la formule de Compton :

Le décalage de la longueur d'onde augmente avec l'angle de diffusion selon la formule de Compton

où λ  est la longueur d’onde initiale du photon λ ‘  est la longueur d’onde après diffusion,  est la constante de Planck = 6,626 x 10 -34  Js, e  est la masse de repos des électrons (0,511 MeV) c  est la vitesse de la lumière Θ  est la diffusion angle. Le changement minimal de longueur d’onde ( λ ′  –  λ ) pour le photon se produit lorsque Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) et est au moins nul. La variation maximale de longueur d’onde ( λ ′  –  λ) pour le photon se produit lorsque Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). Dans ce cas, le photon transfère à l’électron autant de mouvement que possible. Le changement maximal de longueur d’onde peut être dérivé de la formule de Compton:

Le changement maximal de longueur d'onde peut être dérivé de la formule de Compton.  Longueur Compton

La quantité h / m e c est appelée  longueur  d’ onde Compton de l’électron et est égale à  2,43 × 10 -12 m . 

Rayleigh Scattering – Thomson Scattering

La diffusion de Rayleigh , également connue sous le nom de diffusion Thomson, est la limite de basse énergie de la diffusion Compton. L’énergie cinétique des particules et la fréquence des photons ne changent pas en raison de la diffusion. La diffusion de Rayleigh se produit à la suite d’une interaction entre un photon entrant et un électron, dont l’énergie de liaison est nettement supérieure à celle du photon entrant. Le rayonnement incident est supposé mettre l’électron en oscillation de résonance forcée de sorte que l’électron réémet un rayonnement de la même fréquence mais dans toutes les directions. Dans ce cas, le champ électrique de l’onde incidente (photon) accélère la particule chargée, ce qui, à son tour, émet un rayonnement à la même fréquence que l’onde incidente, et donc l’onde est diffusée. La diffusion de Rayleigh est significative jusqu’à ≈ 20keV et, comme la diffusion de Thomson, elle est élastique. La section efficace de diffusion totale devient une combinaison des sections efficaces de diffusion liées à Rayleigh et Compton. La diffusion de Thomson est un phénomène important en physique des plasmas et a été expliqué pour la première fois par le physicien JJ Thomson. Cette interaction a une grande importance dans le domaine de la cristallographie aux rayons X.

Atténuation des rayons X

Coefficients d'atténuation.
Sections efficaces totales de photons.
Source: Wikimedia Commons

À mesure que les photons de haute énergie traversent le matériau, leur énergie diminue. C’est ce qu’on appelle l’ atténuation . La théorie de l’atténuation est également valable pour les rayons X et les rayons gamma . Il s’avère que les photons de plus haute énergie (rayons X durs) voyagent à travers les tissus plus facilement que les photons de basse énergie (c’est-à-dire que les photons de plus haute énergie sont moins susceptibles d’interagir avec la matière). Une grande partie de cet effet est liée à l’ effet photoélectrique . La probabilité d’absorption photoélectrique est approximativement proportionnelle à (Z / E) 3, où Z est le numéro atomique de l’atome de tissu et E est l’énergie photonique. À mesure que E augmente, la probabilité d’interaction diminue rapidement. Pour les énergies supérieures, la diffusion Compton devient dominante. La diffusion de Compton est à peu près constante pour différentes énergies bien qu’elle diminue lentement aux énergies plus élevées.

Voir aussi: Atténuation des rayons X

Blindage des rayons X

En bref, un blindage efficace des rayons X est dans la plupart des cas basé sur l’utilisation de matériaux ayant les deux propriétés suivantes:

  • haute densité de matériau.
  • nombre atomique élevé de matériaux (matériaux à forte teneur en Z)

Cependant, les matériaux à faible densité et les matériaux à faible Z peuvent être compensés par une épaisseur accrue, qui est aussi importante que la densité et le nombre atomique dans les applications de blindage.

Un fil est largement utilisé comme écran anti -rayons X. Le principal avantage du blindage en plomb réside dans sa compacité en raison de sa densité plus élevée. Un fil est largement utilisé comme écran gamma. D’un autre côté,  l’uranium appauvri  est beaucoup plus efficace en raison de son Z plus élevé. L’uranium appauvri est utilisé pour le blindage dans les sources de rayons gamma portables.

Dans  les centrales nucléaires, le  blindage du cœur d’un  réacteur  peut être assuré par des matériaux de la cuve sous pression du réacteur, des internes du réacteur ( réflecteur de neutrons ). Le béton lourd est également généralement utilisé pour protéger à la fois les  neutrons  et le rayonnement gamma.

En général, le blindage contre les rayons X est plus complexe et difficile que le  blindage contre les radiations alpha  ou  bêta . Afin de comprendre de façon globale comment un rayonnement X perd son énergie initiale, comment peut être atténué et comment être protégé, nous devons avoir une connaissance détaillée de ses mécanismes d’interaction.

Voir aussi plus de théorie:  Interaction des rayons X avec la matière

Voir aussi calculatrice:  Activité gamma au débit de dose (avec / sans écran)

Voir aussi XCOM – photon cross-section DB:  XCOM: Photon Cross Sections Database

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci