Production de Rayons X

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1 Production de Rayons X Les rayonnements X sont des rayonnements électromagnétiques de très courte longueur d'onde et donc très pénétrants. Dans un tube à rayons X, l'émission de ces rayonnements est obtenue en bombardant une cible appelée anode par un faisceau d'électrons accélérés dans le vide. Ces électrons sont obtenus en chauffant un filament appelé cathode (effet thermo-ionique) et ils sont accélérés par une forte différence de potentiel. Le tube préférentiellement utilisé actuellement pour produire du rayonnement X est le tube de Coolidge. Quel que soit le type de tube, la génération des rayons X se fait selon le même principe. Des électrons sont produits à partir d'un filament de tungstène porté à haute température par un courant de chauffage I chauffage de quelques ampères. Ces électrons, extraits du métal sont ensuite accélérés par une tension électrique de quelques dizaines de kilovolts qui est maintenue entre le filament (cathode), porté à un potentiel négatif, et la cible métallique (anode ou anticathode) qui se trouve à un potentiel positif. Afin d'éviter une divergence trop importante due à la répulsion des électrons entre eux, le filament est entouré d'un cylindre porté à un potentiel négatif ; c'est une pièce de concentration qui permet la focalisation du faisceau d'électrons vers la cible. Une haute tension électrique (de l'ordre de 20 à 400 kv) est établie entre deux électrodes. Il se produit alors un courant d'électrons de la cathode vers l'anode ( parfois appelée " anticathode " ou " cible "). Arrivés au niveau de l anode, les électrons accélérés peuvent subir deux types d intéraction : Intéraction à distance produisant des photons de freinage Intéraction par choc produisant des photons de fluorescence.

2 Intéraction à distance : photon de freinage Lorsque les électrons incidents pénètrent dans le matériau de l anode, ceux-ci subissent des forces de type coulombienne. Ces forces ont pour conséquence de freiner ces électrons et de dévier leur trajectoire. L électron perd donc de l énergie cinétique. Cette énergie se transforme en rayonnement photonique, appelé photon de freinage ou Bremsstrahlung. Plus l énergie cinétique perdue par l électron incident est imortante, plus l énergie du photon émis est importante. Puisque l électron incident peut perdre tout ou partie de son énergie cinétique incidente, correspondant, en ev, à la tension accélératrice U entre la cathode et l anode, le rayonnement de freinage est constitué d un spectre énergétique continu évoluant de 0 ev à U ev.

3 Puisque la longueur d onde associée au photon est inversement proportionnelle à l énergie associée au photon ( (Å) = / E(eV) ), le spectre en longueur d onde démarre d une longueur d onde minimale o, donnée par o = / U et évolue jusqu à l infini. La figure ci-après donne la densité de probabilité d émission des différentes radiations, pour différentes tensions U d alimentation du tube. On constate sur ce graphe qu il existe, pour chaque tension U d alimentation, une longueur d onde pour laquelle la densité de probabilité est maximale. On considère que le tube émet en moyenne cette longueur d onde, appelée m. Il existe une relation empirique entre la longueur d onde minimale o et la longueur d onde moyenne m : dn/d m = 1,5 o o m Intéraction par choc : photon de fluorescence Un électron incident percute un électron des couches profondes ( K, L ou M ) d un atome constituant le matériau de l anode. L énergie cinétique de l électron incident doit être suffisante pour que l électron appartenant à l atome puisse être arraché de sa couche et évacué à l extérieur du cortège électronique.

4 Le graphe ci-après représente les différents niveaux énergétiques de l atome de tungstène, métal habituellement utilisé pour l anode. Les différents niveaux énergétiques s expriment en kev. Un électron appartenant à la couche K se situe sur le niveau énergétique -69,5 kev. Il faut donc qu un électron incident possède au moins 69,5 kev pour que celui-ci puisse éjecter un électron de la couche K. Lorsque l un des électrons de la couche K, L ou M est expulsé, s ensuit alors le phénomène de recombinaison électronique, ramenant les électrons vers un état de plus grande stabilité. Ainsi, lorsque un électron K est éjecté, un électron L ou M descend sur le niveau K, libérant sous forme d un photon, la quantité d énergie correspondant à la transition énergétique. Ci-dessous, le schéma nomme les différents photons émis, selon la couche d origine de l électron comblant la lacune électronique et la couche à combler. On obtient alors un ensemble de possibilités de photons K, nommés K, K,, un ensemble de photons L, L, L, Puisque les transitions énergétiques créant les photons K sont plus importantes que les transitions énergétiques créant les photons L, les longueurs d onde associées aux photons K sont plus petites que les longueurs d onde des photons L. Le graphe ci-après représente, en plus des photons de freinage, les longueurs d onde des photons de fluorescence créés lors des différents chocs électron-électron.

5 Les tubes à Rayons X ont un mauvais rendement énergétique. La puissance consommée est P abs = U x I, U étant la tension accélératrice appliquée au tube et I le courant permettant de créer le courant électrique d électrons entre la cathode et l anode. La puissance émise par le tube est P émis = K I Z U², K étant une constante caractérisant le tube, Z, le numéro atomique de l atome type constituant l anode ( Z = 74 pour le tungstène ). Le rendement est : =Pémis / Pabs = K Z U. ce rendement est de l ordre de quelques pour cent, ce qui signifie que la grande majorité de la puissance électrique consommée par le tube se transforme en chaleur. Il est donc nécessaire, pour ce dernier, de permettre une évacuation efficace de cette énergie calorifique, sous peine de très rapidement endommager le tube. Pour cela, il existe plusieurs techniques : Refroidissement par radiateur thermique Refroidissement par bain d huile Anode tournante

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