Rayon X

Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence constitué de photons dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres.


Catégories :

Rayons X - Radiocristallographie - Mesure physique - Métrologie - Histoire de la physique - Radiologie

Recherche sur Google Images :


Source image : atylia.com
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Définition de Rayons X - Il y a 1 jour Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen à Würzbug en Allemagne. Il baptise les rayons qu'il a découverts Rayons X avec le X comme... (source : news?q=rayon%20x&hl=fr)
  • ... Les Rayons X appartiennent à la famille des rayonnements électromagnétiques, tout comme les ultraviolets ou les rayons γ.... (source : )
Une des premières radiographies prise par Wilhelm Röntgen.
Divers dispositifs utilisant les rayons X sont déjà utilisés pour la surveillance aux frontières et dans les aéroports, sur les objets et véhicules. D'autres sont en test ou à l'étude concernant l'humain.

Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence constitué de photons dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV. C'est un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale («radiographie conventionnelle»[1]) et la cristallographie.

Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, qui a reçu pour cela le premier prix Nobel de physique ; il les appela ainsi car ils étaient d'une nature inconnue[2].

Les rayons X et les rayons gamma sont de même nature, mais sont produits différemment : les rayons X sont produits par des transitions électroniques tandis que les rayons gamma sont produits lors de la désintégration radioactive des noyaux des atomes ou d'autres processus nucléaires ou subatomiques.

C'est une gamme de rayonnement particulièrement utilisée en astrophysique contemporaine.

Historique

À la fin du XIXe siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques qui ont été découverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient été étudiés par Crookes[3]. À cette époque, l'ensemble des physiciens savent reproduire l'expérience de Crookes mais personne n'a eu d'idée d'application de ces rayonnements.

En 1895, Wilhelm Röntgen reproduit l'expérience à de nombreuses reprises en modifiant ses paramètres expérimentaux (types de cibles, tensions différentes, etc. ). Le 8 novembre 1895, il parvient à rendre luminescent un écran de platinocyanure de baryum. C'est une intuition qu'on peut qualifier de «géniale» qui va mener Röntgen dans la direction de sa découverte : il décide de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est semblable à la situation normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode et l'écran fluorescent, et en déduit que le rayonnement traverse la matière d'autant plus aisément que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Plus troublant toujours, quand il place des objets métalliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient à visualiser l'ombre de l'objet sur le négatif.

Röntgen parvient à en déduire que les rayons sont produits dans la direction des électrons du tube et que ce rayonnement est invisible et particulièrement pénétrant.

Comme il ne trouve pas d'appellation correcte pour ses rayons, Röntgen les baptise «Rayons X». Notons au passage que ce rayonnement est toujours fréquemment nommé Röntgenstrahlung[4] en Allemagne.

Le premier cliché est celui de la main d'Anna Bertha Röntgen (22 décembre 1895, pose de 20 min. )  ; il s'agit de la première radiographie, la radiologie est née.

Un mois plus tard, Bergonié reproduit à Bordeaux l'expérience de Röntgen, avant que ce dernier publie officiellement.

Le 28 décembre 1895, Röntgen publie sa découverte dans un article intitulé «Über eine neue Art von Strahlen»[5] dans le bulletin de la Société physico-chimique de Wurtzbourg.

C'est cette découverte qui lui vaudra le premier prix Nobel de physique en 1901.

Il tire quatre conclusions dans son article :

  1. «les rayons X sont absorbés par la matière ; leur absorption est selon la masse atomique des atomes absorbants ;
  2. les rayons X sont diffusés par la matière ; c'est le rayonnement de fluorescence ;
  3. les rayons X impressionnent la plaque photographique ;
  4. les rayons X déchargent les corps chargés électriquement.»

La recherche de Röntgen est rapidement développée en dentisterie puisque deux semaines plus tard, le Dr Otto Walkhoof réalise à Braunschweig la première radiographie dentaire.

Il faut 25 minutes d'exposition. Il utilise une plaque photographique en verre, recouverte de papier noir et d'une digue (champ opératoire) en caoutchouc. Six mois après, paraît le premier livre consacré à ce qui va devenir la radiologie dont les applications se multiplient - dans le cadre de la physique médicale, pour le diagnostic des maladies puis leur traitement (radiothérapie qui donne une expansion extraordinaire à ce qui était jusque-là l'électrothérapie).

Röntgen laissa son nom à l'unité de mesure utilisée en radiologie pour évaluer une exposition aux rayonnements. Le symbole des röntgens est R.

La découverte de Röntgen fit rapidement le tour de la terre. En 1897, Antoine Béclère, pédiatre et clinicien connu, créa, à ses frais, le premier Laboratoire hospitalier de radiologie.

N'importe qui voulait faire photographier son squelette. Mais pendant longtemps, les doses étaient trop fortes. A titre d'exemple, Henri Simon, photographe amateur, a laissé sa vie au service de la radiologie. Chargé de prendre les radiographies, les symptômes dus aux radiations ionisantes apparurent après uniquement deux ans de pratique. On lui amputa en premier lieu la main (qui était constamment en contact avec l'écran fluorescent) mais ensuite, un cancer généralisé se déclara.

Au début de la radiologie, les rayons X étaient utilisés à des fins multiples : dans les fêtes foraines où on exploitait le phénomène de fluorescence, dans les magasins où on étudiait l'adaptation d'une chaussure au pied des clients grâce au rayonnement et évidemment, on les utilisait pour la radiographie médicale. Toujours là, on fit quelques erreurs, par exemple en radiographiant les femmes enceintes.

Avec les années, on diminua la durée des examens et les quantités administrées. En 1948, surtout, par la découverte de la "Crête de Tavernier" par le physicien belge Guy Tavernier qui correspond à un accroissement de la dose d'irradiation dans les tissus avant leur décroissance avec la profondeur, ce qui mena à une réduction de la dose d'exposition de 1, 2 Rœntgen à 0, 3 Rœntgen par semaine au niveau international dès 1950. Cette valeur sera toujours divisée par 3 dès 1958 pour tenir compte des risques potentiels d'effets génétiques.

Cent ans après leur découverte, on se sert toujours des rayons X en radiographie moderne. On les utilise aussi dans les scanners, pour effectuer des coupes du corps humain. Plusieurs autres techniques sont aujourd'hui utilisées en imagerie médicale : l'échographie (qui utilise les ultrasons), l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, la scintigraphie ou encore la tomographie par émission de positons.

Mais l'utilisation des rayons X ne se limite pas au seul domaine de la médecine : les services de sécurité les utilisent pour examiner le contenu des valises ou des conteneurs aériens et maritimes sur écran. Les policiers les exploitent afin d'analyser les fibres textiles et les peintures se trouvant sur le lieu d'un sinistre. En minéralogie, on peut identifier divers cristaux avec la diffraction des rayons X. Enfin, depuis peu, il est envisageable d'étudier des fossiles piégés à l'intérieur d'un matériau (type ambre) et d'en voir des coupes virtuelles. [6]

Production des rayons X

Article principal : Générateur de rayons X.

Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique comme les ondes radio, la lumière visible, ou les infra-rouge. Cependant, ils peuvent être produits de deux manières particulièrement spécifiques :

  1. par des changements d'orbite d'électrons provenant des couches électroniques ; les rayons X sont produits par des transitions électroniques faisant intervenir les couches internes, proches du noyau ; l'excitation donnant la transition peut être génèrée par des rayons X ou bien par un bombardement d'électrons, c'est surtout le principe de la spectrométrie de fluorescence X et de la microsonde de Castaing ;
  2. par accélération d'électrons (accélération au sens large : freinage, changement de trajectoire)  ; on utilise deux dispositifs :
Production de rayons X par Bremsstrahlung.
  • le freinage des électrons sur une cible dans un tube à rayons X : les électrons sont extraits d'une cathode de tungstène chauffée, accélérés par une tension électrique dans un tube sous vide, ce faisceau permet de bombarder une cible métallique (appelée anode ou anti-cathode)  ; le ralentissement des électrons par les atomes de la cible provoque un rayonnement continu de freinage, dit de Bremsstrahlung[7];
    voir l'article Tube à rayons X ;
  • la courbure de la trajectoire dans des accélérateurs de particule, c'est le rayonnement dit «synchrotron».

Lors de la production de rayons X avec un tube à rayons X, le spectre se compose d'un rayonnement continu Bremsstrahlung, mais également de raies spécifiques à l'anode utilisé, et qui sont dus au phénomène de fluorescence.

Spectre de rayon produit avec un tube à rayons X. Le fond continu correspond au rayonnement de Bremsstrahlung et les raies proviennent des transitions électroniques de l'anode

Anecdotiquement, des rayons X peuvent être produits par triboluminescence, décollement d'un ruban adhésif sous vide, et la quantité émise peut alors suffire pour faire une radiographie (de mauvaise qualité) d'un doigt[8].

Propriétés des rayons X

Historiquement, les rayons X étaient connus pour faire briller certains cristaux (fluorescence), ioniser les gaz et impressionner les plaques photographiques.

Les principales propriétés des rayons X sont les suivantes :

c'est ce qui permet l'imagerie médicale (radiographie, scanner)  : ils traversent la chair et sont arrêtés par les os ;
de fait, les télescopes à rayons X (qui détectent les rayons X émis par les étoiles) doivent être positionnés dans des satellites, et les radiographies médicales, la source de rayons X doit être proche du patient ;
ceci sert à faire de l'analyse chimique, et plus exactement de l'analyse de phase par diffraction de rayons X (ou radiocristallographie)  ;
ceci donne naissance au phénomène de fluorescence X, qui permet une analyse chimique, mais cela modifie aussi les cellules vivantes.

Effets sur la santé

Les rayons X sont des radiations ionisantes. Une exposition prolongée aux rayons X peut provoquer des brûlures (radiomes) mais également des cancers. Ces effets ont été réellement pris en compte assez tard. C'est ainsi que dans un ouvrage de 1954, on ne lisait aucune recommandation de sécurité, mais par contre [9] :

«It was shown that X-rays produce an effect, though a small one, directly upon the retina, giving rise to a faint illumination of the whole field of view. »
«Il a été montré que les rayons X provoquent un effet, certes peu important, directement sur la rétine, provoquant une légère illumination dans tout le champ de vision.»

ce qui semble indiquer que les auteurs ou leurs collaborateurs étaient soumis à cet effet dans certains cas.

Les personnels œuvrant avec des rayons X doivent suivre une formation spécifique, être protégés et suivis médicalement (ces mesures peuvent être peu contraignantes si l'appareil est bien «étanche» aux rayons X)

Détection

Les rayons X sont invisibles à l'œil, mais ils impressionnent les pellicules photographiques. Si on place un film vierge protégé de la lumière (dans une chambre noire ou enveloppée dans un papier opaque), la figure révélée sur le film donne l'intensité des rayons X ayant frappé la pellicule à cet lieu. C'est ce qui a permis à Röntgen de découvrir ces rayons. Ce procédé est utilisé en radiographie médicale mais aussi dans certains diffractomètres (clichés de Laue, chambres de Debye-Scherrer). Il est aussi utilisé dans les dispositifs de suivi des manipulateurs : ceux-ci doivent en permanence porter un badge, nommé «film dosimètre», enfermant une pellicule vierge ; ce badge est régulièrement changé et développé par les services de santé pour contrôler que le manipulateur n'a pas reçu de dose excessive de rayons X.

Comme l'ensemble des rayonnement ionisants, les rayons X sont détectés par les compteurs Geiger-Müller (ou compteur G-M). Si on diminue la tension de polarisation du compteur, on obtient un compteur dit «proportionnel» (encore nommé «compteur à gaz» ou «compteur à flux gazeux»)  ; tandis que le compteur G-M travaille à saturation, dans le compteur proportionnel, les impulsions électriques générées sont proportionnelles à l'énergie des photons X.

Les rayons X provoquent aussi de la fluorescence lumineuse sur certains matériaux, comme l'iodure de sodium NaI. Ce principe est utilisé avec les «compteurs à scintillation» (ou «scintillateurs»)  : on place un photodétecteur après un cristal de NaI ; les intensités des impulsions électriques récoltées par le photomultiplicateur sont elles aussi proportionnelles aux énergies des photons.

De même qu'ils peuvent ioniser un gaz dans un compteur G-M ou proportionnel, les rayons X peuvent aussi ioniser les atomes d'un cristal semi-conducteur et par conséquent générer des paires électron-trou de charges. Si on soumet un semi-conducteur à une haute tension de prépolarisation, l'arrivée d'un photon X va libérer une charge électrique proportionnelle à l'énergie du photon. Ce principe est utilisé dans les détecteurs dits «solides», surtout pour l'analyse dispersive en énergie (EDX ou EDS). Pour avoir une résolution correcte, limitée par l'énergie de seuil indispensable à la création de charges, les détecteurs solides doivent être refroidis, soit avec une platine Peltier, soit à l'azote liquide. Les semi-conducteurs utilisés sont généralement du silicium dopé au lithium Si (Li), ou bien du germanium dopé au lithium Ge (Li).

Notons au passage que la faible température n'a pas d'effet direct sur la valeur de l'énergie de seuil, mais sur le bruit de fond. Il est envisageable par contre d'utiliser des supraconducteurs maintenus à particulièrement basse température pour faire usage d'énergie de seuil vraiment petite. Par exemple l'énergie de seuil indispensable à la création de charges «libres» dans le silicium est de l'ordre de 3 eV, tandis que dans le tantale supraconducteur, disons au-dessous de 1 Kelvin, elle est de 1 meV, soit 1 000 fois plus faible. La diminution de la valeur de seuil a pour effet d'augmenter le nombre de charges créées lors de la déposition d'énergie, ce qui permet d'atteindre une meilleure résolution. Cette dernière est en effet limitée par les fluctuations statistiques du nombre de charge créées. L'amplitude de ces fluctuations peut s'estimer avec la Loi de Poisson. Des expériences récentes de détection d'un photon X avec un calorimètre maintenu à particulièrement basse température (0, 1 K) permettent d'obtenir une excellente résolution en énergie. Dans ce cas, l'énergie du photon absorbé sert à chauffer un absorbeur, la différence de température est mesurée avec un thermomètre ultra sensible.

Pour comparer les approches : le Si permet une précision de la mesure de l'ordre de 150 eV pour un photon de 6 000 eV. Un senseur au Ta permet d'approcher 20 eV, et un calorimètre maintenu à 0, 1 K a récemment démontré une résolution d'environ 5 eV, soit un pouvoir de résolution de l'ordre de 0, 1 %. Il est utile de mentionner que les méthodes de détection cryogéniques ne permettent pas encore de fabriquer des capteurs possédant la plupart d'éléments d'images (pixel), tandis que les capteurs basés sur les semi-conducteurs offrent des «caméras» à rayons X avec plusieurs milliers d'éléments. Qui plus est , les taux de comptage obtenus par les senseurs cryogéniques sont limités, 1 000 à 10 000 cps par pixel.

Rayons X en cristallographie

L'analyse des cristaux par diffraction de rayons X est aussi nommée radiocristallographie. Ceci permet soit de caractériser des cristaux et de connaître leur structure (on travaille alors généralement avec des monocristaux), soit de reconnaître des cristaux déjà caractérisés (on travaille généralement avec des poudres polycristallines).

GonioX.jpg

Pour travailler avec un monocristal, on utilise l'appareil ci-contre :

Utilisé en géologie et en métallurgie, c'est aussi un outil de biophysique, particulièrement utilisé en biologie pour déterminer la structure des molécules du vivant, surtout en cristallogenèse (c'est l'art de fabriquer des monocristaux avec une molécule pure)  ; dans ce cadre, un monocristal de la molécule est mis dans un faisceau de rayons X monochromatiques et la diffraction observée pour différentes position du cristal dans le faisceau de rayons X (manipulé par un goniomètre) sert à déterminer non seulement la structure du cristal, mais également et en particulier la structure de la molécule. C'est surtout par radiocristallographie que Rosalind Franklin, puis James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins et leurs collaborateurs ont pu déterminer la structure hélicoïdale de l'ADN en 1953[10].

Réglementation

Dans l'Union européenne, l'utilisation des rayons X est soumise aux normes Euratom 96/29 et 97/43. La directive 97/43/ Euratom du 30 juin 1997 aurait dû être transposée en Droit interne français au plus tard le 30 mai 2000.

En France, il faut se référer :

L'organisme chargé du contrôle est la DGSNR, la Direction générale de la sûreté nucléaire et de la radioprotection, créée par le décret n° 2002-255 du 22 février 2002[15], modifiant le décret n° 93-1272 du 1er décembre 1993, et qui remplace la DSIN (Direction de la sûreté des installations nucléaires). La DGSNR est une branche de l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN).

Autre acception

«X-ray» est aussi l'appellation de la lettre X dans l'alphabet radio international.

Notes et références

  1. Anatomie médicale, de Moore et Dalley, 2e édition, 2007, ISBN 978-2-8041-5309-0
  2. La lettre x sert à désigner l'inconnue en mathématiques.
  3. Le Tube de Crookes fut le premier tube à rayon X.
  4. littéralement : rayons de Röntgen.
  5. En français : «À propos d'une nouvelle sorte de rayons».
  6. Exemple (voir image n° 4)
  7. terme allemand adopté internationalement
  8. Camara CG, Escobar JV, Hird JR, Putterma SJ, Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape, Nature, 2008;455 :1089-1092
  9. X-Rays in Theory and Experiment, Arthur Compton et Allison, 1954, chap. 1, p. 1
  10. Prix Nobel de Médecine et Physiologie 1962 : Fondation Nobel.
  11. Articles L. 1333-1 à L. 1333-20 (nouvelle partie législative), articles R. 1333-17 à R. 1333-93 (nouvelle partie réglementaire) Code de la santé publique.
  12. Article R. 1333-19 du Code de la santé publique (nouvelle partie réglementaire)
  13. Articles R. 231-73 à R. 231-116 (partie réglementaire — décrets en Conseil d'État) Code du travail
  14. Arrêté du 22 septembre 2006 relatif au PDS (cf. article 3 de l'Arrêté)
  15. Décret n° 2002-255 du 22 février 2002 créant la DGSNR

Voir aussi

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : rayons - röntgen - rayonnement - énergie - photons - tube - radiographies - compteurs - électron - cristal - médicale - produits - effets - premier - matière - fluorescence - sert - cristaux - imagerie - 1895 - particulièrement - découverte - radiologie - rays - charges - 1333 - atomes - nucléaires - expérience - toujours -

Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_X.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 11/11/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu