PRODUCTION DES RAYONS X - RBNT WebSite

1 Bases physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys1 PPRROODDUUCCTTIIOONN DDEESSRRAAYYOONNSS XX1 DEFINITIONLes rayonnements X sont des rayonnements lectromagn tiques de tr s courte longueurd'onde et donc tr s p n un tube RAYONS X, l' mission de ces rayonnements est obtenue en bombardant unecible appel e anode par un faisceau d' lectrons acc l r s dans le vide. Ces lectrons sontobtenus en chauffant un filament appel cathode (effet thermo-ionique) et ils sont acc l r spar une forte diff rence de BASES PHYSIQUES2-1 Effet thermo-ioniquePour les extraire des lectrons des structures atomiques, il faut apporter de l' nergie. Enchauffant un filament par effet JOULE (W=RI2t). Il y a lib ration des lectrons avec cr ationd'un v ritable "nuage lectronique" : effet thermo-ionique ou effet charge d'espacefilamentacc l rationanode r gion de saturationr gion de transitionr gion de charge d'espaceI (mA)U (v) 123 123<<Effet thermo-ionique, arrachement L'intensit du courant d pend et acc l ration des lectrons de la temp rature du filamentIl est possible d'attirer ces lectrons vers une cible port e un potentiel tr s positif (anode) parrapport au filament (cathode) et de les acc l rer.

2 Un courant s' tablit donc entre ces deux physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys2choc tangentielchoc frontalA condition d'appliquer une ddp suffisante entre cathode et anode, l'intensit du courantd pend uniquement de la temp rature et donc du courant de chauffage du filament (r gionde saturation).2-2 Faisceau d' lectronsDans le tube RAYONS X, type COOLIDGE, les lectrons sont acc l r s par une forte diff rencede potentiel, de plusieurs milliers de volts. Leur nergie peut tre abord e sous le doubleaspect lectrique et cin tique. T0 = e . U = avec e=charge d'un lectron U = ddp en Volt v = vitesse de l' lectron m = masse de l' lectronIl est noter que tous les lectrons ont la m me une diff rence de potentiel de 120 KV, ils ont une nergie de 120 Interaction des lectrons avec la mati reLorsque les lectrons ainsi acc l r s percutent une cible mat rielle, il y a perte d' nergie et mission de rayonnements X.

3 Deux types d'interaction se produisent : interaction avec lechamp lectrique p ri-nucl aire ou avec un lectron de l' Interactions avec les lectronsOn parle de "collision" mais il s'agit en fait d'une interaction entre champs lectriques et toutesles possibilit s d'interactions existent entre le "choc frontal" et le "choc tr s loign " de transfert d' nergie l' lectron cible est maximum en cas de choc frontal ("v ritablecarreau"), mais cette possibilit est ' lectron incident change de vitesse et de trajectoire et l' lectron percut est ject .Selon l'importance de l' nergie transf r e et selon l' nergie de liaison de l' lectron cible, il enr sulte une ionisation ou une excitation. ZeeTo+-attraction mission de freinageRayonnement de freinage Interactions avec les lectronsLes collisions avec les lectrons loign s sont consid rablement plus nombreuses dans lamesure o les lectrons des couches p riph riques sont en plus grand l'interaction a lieu avec un lectron d'une couche profonde, le r -agencement lectroniqueentra nera une mission de photons : rayonnement de fluorescence avec des photonsd' nergie relativement lev par contre, c'est un lectron des couches p riph riques qui est ject , le r -agencement lectronique ne provoquera que l' mission de photons peu nerg tiques qui seront absorb spar la mati re environnante avec mission de Interactions avec le champ lectrique p ri-nucl aireQuand l' lectron passe proximit du noyau, il est attir par la charge positive nucl aire, et satrajectoire est modifi e.

4 Soumis alors une acc l ration centrip te intense, il rayonne del' nergie sous forme d'un photon et se trouve finalement physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys3 EE Spectre continu0Le rayonnement mis est appel rayonnement de freinage ou "Bremsstrahlung".Cet change d' nergie d pend de la distance laquelle l' lectron incident passe du noyau : lesphotons de freinage peuvent prendre toutes les valeurs nerg tiques comprises entre 0(passage grande distance) et l' nergie des lectrons incidents E0 (passage proximit ). Lesphotons de faible nergie sont beaucoup plus nombreux que les tr s nerg tiques car laprobabilit pour un lectron incident de passer distance du noyau est tr s rayonnement de freinage ne survient que dans la proportion de 1 pour 100 1 pour 1000par rapport au rayonnement de fluorescence. Si bien que les interactions lectrons-mati reproduisent plus de chaleur que de RAYONS Le rayonnement XLe rayonnement X obtenu a la particularit d' tre poly nerg tique ou polychromatique c'est dire form de photons d' nergies (donc de longueurs d'onde) diff rentes.

5 Il est possibled'obtenir une repr sentation spectrale du rayonnement photonique ainsi obtenu : c'est lavariation de l' nergie rayonn e en fonction de l' nergie des permet de conna tre la participation l' nergie totale de chaque valeur nerg tique dephoton. spectre discontinuspectre continu EEo Le spectre du rayonnement X Le spectre continuLe spectre obtenu est complexe, form en fait par la superposition de deux spectresdiff rents, l'un discontinu, l'autre continu, nettement pr Spectre continuIl correspond au rayonnement de Repr sentation du spectreIl d cro t vers les hautes nergies : les photons de faible nergie sont les plus nombreux. Lavaleur nerg tique maximale des photons est celle des lectrons incidents Eo=To. La longueurd'onde minimale des photons d'un rayonnement X peut donc tre calcul e:Ce spectre peut tre assimil une droite de pente p, abstraction faite du gommage du d butde la courbe qui correspond une auto- absorption des photons de tr s faible nergie par lesatomes surface d limit e par la courbe et l'axe des coordonn es (int grale) d finit l' nergie totale durayonnement ou.

6 2-4-1-2 Param tres influen ant le spectreBases physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys4 Lorsque la diff rence de potentiel entre cathodeet anode augmente, l' nergie T0 des lectronsaugmente et il en est de m me de E0, nergiemaximale des photons. La pente p n'est pasmodifi e et le spectre se d place parall lement lui-m me. Influence de la diff rence de potentielLorsque le nombre d' lectrons incidents frappantla cible augmente, la valeur de E0 reste inchang e(puisque To ne change pas). Seule la pente de lacourbe est modifi e, traduisant une augmentationdu nombre de photons X essentiellement dans lesbasses nergies. Influence du nombre d' lectronsLorsque c'est le num ro atomique de la ciblemat rielle qui augmente, il en est de m me : E0 nese modifie pas mais c'est la pente p quis' du num ro atomiqueL' nergie totale rayonn e est repr sent e par la surface d'un triangle rectangle et il est doncpossible d' crire : = = nergie totalek = coefficient de proportionnalit n = nombre d' lectronsZ = num ro atomiqueT = ddp2-4-2 Spectre discontinu2-4-2-1 Repr sentation du spectre 0 0T 2 T 100T 2 0T 10> % 2 0 0> % nn2n1n2n1 0 0> % ZZ2Z1Z2Z1 Bases physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys5Il correspond la r partition de l' nergie des photons de fluorescence.

7 Plus le num roatomique de la mati re travers e est lev et plus l' lectron ject est situ sur une coucheprofonde de l'atome, plus les photons mis lors du r -agencement lectronique sont nerg de raies du tungst neE n < n21T > 69 Kev67 69Le spectre de raiesSeuls les lectrons de la couche K des mat riaux fort num ro atomique sont susceptibles deproduire des photons suffisamment nerg tiques pour participer au spectre de rayonnement 'est le cas des lectrons de la couche K du tungst ne dont arrachement provoque l' missionde photons de fluorescence de :-69 KeV (WK-WN)-67 KeV (WK-WM)-59 KeV (WK-WL)2-4-2-2 Param tres influen ant le spectreLes photons poss dent une nergie gale celle des nergies de liaison ou leur diff nergie globale est donc repr sent e par des pics dont la position d pend du num roatomique de l'atome la diff rence de potentiel augmente, plus le nombre de raies se compl l'amplitude des pics, elle d pend du nombre d' lectrons frappant la BASES TECHNOLOGIQUES3-1 Le tube RAYONS XLe tube est l' l ment essentiel d'une cha ne radiog ne : c'est m me le maillon limitant.

8 Il estutilis en radiologie conventionnelle mais aussi en radiologie vasculaire num rique et entomodensitom trie et les performances qui lui sont demand es sont tr s diff doit r pondre deux qualit s essentielles mais contradictoires :- grande puissance pour r aliser des radiographies avec un temps de pose tr s courtafin de diminuer le flou de grande finesse de foyer pour obtenir des images de grande r solution spatiale endiminuant le flou g om Les diff rents l ments du tubeNous prendrons comme type de description le tube de lectrodes, une cathode et une anode sont plac es dans une enceinte de verre o l'onr alise un vide pouss pour viter les interactions entre les lectrons et l' La cathodeElle comprend un filament en tungst ne et une pi ce de concentration :3-1-1-1-1 Le filamentBases physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys6 Habituellement en tungst ne, il s'agit d'un enroulement h lico dal d'un fil de 0,2 0,3 mm desection.

9 Il est parcouru par un courant de chauffage de forte intensit qui par effet JOULE, leporte une temp rature de 2000 des filamentsc te c tebout bout pi ce de focalisationfilamentanodepotentiel tr s n gatif potentiel peu n gatifgrilleLes filaments cathodiques La pi ce de concentrationEn r glant l'intensit de ce courant de chauffage, dans la mesure o la diff rence de potentielentre cathode et anode est suffisante, on d termine l'intensit du flux lectronique de hautetension qui gagne l'anode (cf. valve de FLEMING).Le plus souvent la cathode porte deux enroulements de tailles diff rentes dispos s c te c teou dans le prolongement l'un de l'autre. Dans ce cas le courant de chauffage est amen partrois La pi ce de concentrationM tallique, elle pr sente une forme en cuvette au fond de laquelle sont plac s les de focaliser le faisceau d' lectrons, elle est port e un potentiel n L'anodeSa conception tient compte des deux imp ratifs pr c demment nonc s : grande puissance etsurface de PRODUCTION des RAYONS X de petite Anode fixePlaque de tungst ne sertie dans un cylindre de cuivre biseaut et plac e en face de la cathodepour tre frapp e par le faisceau ma d'un tube anode fixeLe cylindre de cuivre se prolonge l'ext rieur du tube en verre par un radiateur pour assurerl' vacuation de la chaleur.

10 La surface de l'anode frapp e par les lectrons, ou foyer lectronique est rectangulaire. Il est noter que toute cette surface est le si ge d'un importantd gagement de chaleur : le foyer thermique correspond au foyer physiques des RAYONS X - CERF 2001 - Solacroup, Boyer, Le Marec, Schouman Claeys7anodefoyer optiquefoyer lectronique thermique pente d'anodefen tre lectronsRXLes diff rents foyers d'une anode fixe Foyer optique et foyer thermiquePour diminuer la surface apparente du foyer, visible partir de la fen tre d' mergence du tube,la plaque de tungst ne est oblique par rapport au faisceau d' lectrons : perpendiculairement auflux lectronique, le foyer est vu "en raccourci", sous la forme d'un carr . et cette surfaceapparente porte le nom de foyer optique. L'angle d'anode, angle entre la piste et le rayondirecteur (partie m diane du faisceau X), varie entre 10 et 20 . Le foyer optique est directementproportionnel au sinus de l'angle : plus l'angle est petit, plus le foyer est vu en , la r duction de l angle , de 20 10 permet de multiplier par deux la surface du foyerthermique tout en gardant le m me foyer optique (sin 20 =2,7 et sin 10 =5,6).