Les rayons X

Introduction

Les rayons X ont été découverts en 1895 par W. Röntgen. Leur pouvoir de traverser des parois opaques et de révéler l'intérieur du corps humain a immédiatement donné un grand retentissement à cette découverte. Les RX sont des rayonnements électromagnétiques, d'origine ÉLECTRONIQUE, avec des applications médicales multiples : radiodiagnostic et radiothérapie. Après avoir étudié la détection et la radioprotection, ce chapitre aborde le premier grand outil de l'imagerie médicale : les rayons X, dont la production et les caractéristiques conditionnent directement la qualité et la dose des examens d'imagerie radiologique, objet du chapitre suivant. Nous verrons les propriétés et caractéristiques physiques des RX, leurs mécanismes d'émission, leur spectre, puis les modalités de production : tube de Coolidge et accélérateurs de particules.

I. Propriétés des rayons X

• Propagation en ligne droite, à la vitesse de la lumière dans le vide (c). Longueur d'onde TRÈS COURTE : 10 nm à 20 pm.
• NON déviés par un champ électrique ou magnétique (rayonnement non chargé). Donnent lieu au phénomène de diffusion.
• On distingue les rayons X DURS (λ faible, plus pénétrants) et les rayons X MOUS, la frontière se situant vers 25 keV.

II. Caractéristiques physiques

• Fréquence ν, longueur d'onde λ = c/ν, énergie E = hν = hc/λ, avec c = 3 × 10⁸ m/s (célérité) et h = 6,62 × 10⁻³⁴ J·s (constante de Planck).

III. Mécanismes d'émission des rayons X

A. Ionisation (émission de raies caractéristiques)

• Un électron incident (éi) percute un électron d'une couche profonde (K) d'un atome cible et l'éjecte, à condition que Ec(éi) > EL(e). Le trou laissé est comblé par un électron d'une couche plus périphérique (L, M…) : la différence d'énergie de liaison entre les deux couches est émise sous forme d'un photon X.
• Les niveaux étant quantifiés, les rayonnements émis sont caractéristiques de l'atome cible : ce sont les RAIES CARACTÉRISTIQUES (notées Kα, Kβ… selon la couche d'arrivée et la couche d'origine). Ce mécanisme est MINEUR dans la production globale des rayons X.

B. Freinage (Bremsstrahlung — spectre continu)

• Interaction électron-noyau : un électron d'énergie cinétique Ec passe au voisinage d'un noyau, sa trajectoire est déviée par attraction électrostatique, et la particule FREINÉE (décélérée) rayonne de l'énergie sous forme de photon X.
• C'est le mécanisme PRINCIPAL et MAJORITAIRE de production des rayons X dans un tube radiogène.

IV. Spectre d'émission des rayons X

• Le spectre d'un tube à RX associe TOUJOURS deux composantes : le spectre de RAIES (issu de l'ionisation, caractéristique de l'anode) et le spectre CONTINU (issu du freinage).
• Spectre de raies : énergies QUANTIFIÉES, caractéristiques de l'atome de l'anode (numéro atomique Z de l'anode généralement > 30).
• Spectre continu : produit par freinage, s'étend continûment jusqu'à une énergie maximale Emax déterminée par la tension d'accélération.

V. Production des rayons X

A. Le tube de Coolidge

• En 1913, William Coolidge améliore le tube de Crookes (cathode froide) en utilisant un filament de tungstène chauffé : c'est le tube à CATHODE CHAUDE, ou tube de Coolidge.
• Principe : dans une enceinte sous vide, des électrons émis par le filament (cathode) sont accélérés vers l'anode (anticathode) par une différence de potentiel élevée (10 à 150 kV), puis percutent la cible métallique de l'anode.

B. Puissance d'un tube à RX

• La puissance rayonnée Φ (en watts) dépend du temps d'exposition t, de l'intensité i, du numéro atomique Z de la cible et de la tension V : Φ = k·i·Z·V².

C. Loi de Duane et Hunt

• Quand l'énergie incidente E est totalement transformée en RX : Emax = e·V = hν = hc/λmin, d'où λmin = hc/eV, avec e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Formule pratique : λmin (nm) = 1,24 / V (kV).

D. Paramètres du débit d'exposition

E. Accélérateurs de particules

• Accélérateurs LINÉAIRES : succession de tubes sous vide alignés, à potentiels alternativement positifs et négatifs, accélérant systématiquement la particule chargée de tube en tube. Applications médicales : radiothérapie (RX, γ, protons, électrons, ions lourds) et production de radio-isotopes.
• Accélérateurs CIRCULAIRES (cyclotrons, synchrotrons) : deux chambres semi-circulaires en « D » opposées, sous champ magnétique ; un courant alternatif accélère la particule à chaque passage d'une chambre à l'autre. Utilisés pour accélérer électrons, protons, ions.

Conclusion

Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques d'origine électronique, produits par deux mécanismes complémentaires : l'ionisation d'un électron de couche profonde, à l'origine du spectre de raies caractéristiques (mineur en quantité), et le freinage (Bremsstrahlung) des électrons dans le champ du noyau, à l'origine du spectre continu — mécanisme majoritaire. Le spectre réel d'un tube à RX combine toujours ces deux composantes. En pratique, les RX sont produits par le tube de Coolidge, où des électrons accélérés par une haute tension (10-150 kV) entre cathode chauffée et anode percutent une cible métallique. La loi de Duane et Hunt (λmin = hc/eV) relie directement la tension appliquée à l'énergie maximale du faisceau, tandis que l'intensité module uniquement le nombre de photons produits. Les accélérateurs de particules, linéaires ou circulaires, complètent l'arsenal pour la radiothérapie de haute énergie et la production de radio-isotopes. Ces notions de production et de spectre sont indispensables pour comprendre le chapitre suivant : l'imagerie radiologique, qui exploite ce faisceau de rayons X pour former une image diagnostique.