Points essentiels Production de rayons X: Spectre de raies (discontinu); Spectre continu; Interaction des rayons X avec la matière; Diffusion des rayons.

Points essentiels• Production de rayons X:

• Spectre de raies (discontinu);

• Spectre continu;

• Interaction des rayons X avec la matière;

• Diffusion des rayons X;

• Effet Compton;

• effet photoélectrique.

AnodeL’anode rotative du tube absorbe le faisceau d’électrons qui bombardent ainsi les atomes de tungstène. La très grande proportion (>99%) de l’énergie cinétique desélectrons est transformée en énergie thermique (CHALEUR). Moins de 1% des électrons du faisceau ont un effet beaucoup plus intéressant!

1. Production d’un spectre de raies

+

4 3Il arrive qu’un électron du faisceau (1) entre en collision avec un électron de l’orbite fondamentale K d’un atome de tungstène (2) . Les 2 électrons s’éjectent hors de l’atome créant alors un espace disponible pour qu’un électron d’une orbite supérieure (3), puisse y tomber, ce qui a pour effet de libérer de l’énergie sous forme d’un rayon X (4). Tout électron tombant au niveau K et provenant de n’importe quel niveau supérieur (L, M, N, O, P) libère une énergie comprise entre 57,4 keV et 69,5 keV. Ce sont les seules transitions importantes produisant des rayons X utiles en radiodiagnostic.Les énergies libérées par les autres transitions ne sont pas suffisamment grandes.

21

Transitions simplifiées des raies X

K

L

M N

K

K

K

Limite K

LL Limite L

M

Limite M

Énergie libérée (en KeV) pour chaque transition électronique de l’atome de tungstène

P

N

O

M

L

K69,5 69,4 66,768,9

2,7

0,60

12,1 11,5

0,52

12,0

2,2

9,3

57,4

0,08

2,8

Représentation graphique du spectre d’émission des rayons X

Des groupes de raies nettement séparés les uns des autres;

Le groupe K a l’énergie la plus grande.

K rayon X

L rayon X

M rayon X # dephotons

Énergie des photons (keV)

K K K

2. Production d’un spectre continu

On observe un phénomène lors du bombardement de l’anode: un électron pénètre dans un atome, et, à cause du champ électrique attractif très intense, dévie et freine en se débarrassant de la majeure partie de son énergie cinétique sous forme de rayons X. Les rayons X obtenus par le freinage des électrons du faisceau est appelé rayonnement de freinage ou bremsstrahlung.

+

Le spectre continu des rayons X

l’ordonnée (Y) représente le nombre de radiations par unité de temps et d’énergie en fonction de l’énergie associée (X);

L’énergie maximale dépend de la tension (kV) du tube;

Emax (min)# de photons (par unité de temps)

Énergie des photons (keV)

max. #

Filtration des faibles énergies

On observe une quantité maximale de rayonnement pour une énergie variant entre ~1/3 et 1/2 de Emax

Le spectre continu des rayons X

Le spectre continu est indépendant de l'élément composant l'anode;

Le spectre continu du tungstène par exemple dépend de la tension d'accélération des électrons, donc de l'énergie des électrons incidents;

Chaque spectre présente une limite brutale du côté des grandes énergies

Emax = hflim = e V

Spectre combiné

# dephotons

Énergie des photons (keV)

Brems

spectre de raies Kspectre de raies L

Au-dessus du spectre continu apparaît des pics ou raies qui constituent le spectre discontinu

La position de ces raies est caractéristique du métal

Au-dessus du spectre continu apparaît des pics ou raies qui constituent le spectre discontinu

La position de ces raies est caractéristique du métal

Contrôle du tube à rayon X

Dans un tube à rayons X, on contrôle:

• 1- la haute tension entre la cathode et l’anode, responsable de l’accélération et de l’énergie cinétique des électrons du faisceau; • 2- le courant déterminant le nombre d’électrons du faisceau.

Influence du courant

•Doublant le courant du faisceau, on produit deux fois plus d’électrons pour bombarder la cible de tungstène d’où 2 fois plus de photons X à toutes les énergies.

•L’énergie maximale des rayons X n’a pas changé, car la tension maximale appliquée est la même.

animation

Influence de la haute tension

•Si l’on augmente la haute tension , l’effet sur le spectre est plus complexe; le nombre de photons émis devient plus élevé et leur énergie est surtout plus grande. Cela n’affecte pas la position des raies spectrales des transitions électroniques. Le nombre de photons à faible énergie n’augmente pas mais ceux d’énergie supérieure augmentent leur nombre et l’énergie maximale est plus grande. Les rayons X sont plus nombreux et de meilleure qualité.

Le nombre de photons augmente avec le carré de la tension maximale

animation

Interaction des rayons X avec la matière

• Diffusion classique;

• Effet Compton;

• Effet photoélectrique;

Diffusion des rayons X(diffusion classique)

photons de faible énergie (< 10 keV) traversent la matière; les atomes de la matière

deviennent excités;

désexcitation et émission d’un photon de même keV &

l’orientation du nouveau photon est généralement différente de celle du photon incident;

apparition d’un voile gris sur le film.

Effet Compton Photon d’énergie entre 10 et 40 keV

le photon interagit un électron d’une couche électronique externe;

Éjection de l’électron avec une quantité d’énergie cinétique K;

Perte d’énergie du photon Efinale = Einitiale - [W+ K]

Atome ioniséAtome ionisé

Effet Compton exempleUn photon 40 keV interagit avec un électron d’une couche extérieure ayant une énergie de liaison de 72 eV.

Si l’électron éjecté possède une énergie cinétique de 4,2 keV, déterminer l’énergie du photon diffusé?

Efinale= Einitiale - [W + K]

= 40keV - [,072keV + 4,2keV]

= 35,728 = 36 keV

Effet Compton (suite)

angle de diffusion

photon E H photon E L

grandanglepetitangle

0

E faible

E HauteE Moyenne

Photons diffusés de grandes énergies si est petit

Photons diffusés de faibles énergies si est grand

Sil’énergie perdue Epour le photon

diffuséE 0 < E 30

Perte maximale d’énergie si

Effet Compton (suite)

L’énergie du rayon X résultant est égale à la différence entre l’énergie du rayon X incident et celle impliquée dans le processus d’éjection de l’électron de l’atome, d’où:

' - 1 - cos e

h

m c

Conséquence de Effet Compton

Résultats

ionisation de l’atome;

voile sur le film (contraste)

Effet photoélectrique

Les rayons X de 40 keV et plus ont assez d’énergie pour produire l’effet photoélectrique en s’attaquant aux électrons des couches internes des atomes. Si les nombres atomiques des atomes sont petits, les énergies de liaisons sont relativement faibles et les électrons libérés s’éjectent avec une grande énergie

cinétique.

Effet photoélectrique (suite)Un atome absorbe toute l’énergie E d’un photon X incident. Un électron d’une couche électronique interne de l’atome est expulsé hors de cet atome alors ionisé. L’électron a suffisamment d’énergie pour:

1. fournir le travail W nécessaire pour l’expulser de l’atome; 2. conserver le reste de l’énergie sous forme d’énergie cinétique.

hf W K

où hf est l’énergie (J) du photon X initial totalement absorbé par l’atome, W est le travail (J) d’extraction de l’électron hors de l’atome(énergie de liaison) et K est son énergie cinétique.

Conséquence de l’effet photoélectrique

RésultatsDisparition du photon incident

Les rayons X absorbés par les substances denses provenant directement du tube produisent une ombre blanche sur la pellicule et dessinent ainsi un contour des os ayant absorbé ces radiations.

Ionisation de l’atome

Exercices suggérés

2301, 2302, 2303, 2306 et 2309.