Principe de production deRayons X de “freinage”

Séminaires de Biophysique14 juin 2010

A. La force répulsive coulombienne s’exerçant entre l’électron et le noyau est importante,

B. La répulsion de l’électron par le noyau est importante,

C. La déviation de la trajectoire de l’électron est importante,

D. L’accélération centrifuge subie par l’électron est importante,,

E. L’émission d’énergie sous forme de rayons X est importante

Q1 : Concernant le mécanisme de production du rayonnement X « de freinage », plus l’électron négatif incident accéléré par une haute tension adéquate passe à proximité d’un noyau du

matériau adéquat de la cible, plus :

1 B,C,E ; 2 A,C,D,E ; 3 B,C,D : 4 C,E : 5 D,E

Quelles sont les propositions exactes ?

A. L’énergie maximale des X est égale à 62 keV,

B. L’énergie minimale des X est de valeur nulle ou très proche de 0 keV,

C. La longueur d’onde minimale des X est égale à 0,2 Å

D. Apparaissent les X caractéristiques de la série K du tungstène,

E. Apparaissent les X caractéristiques de la série M du tungstène,

Q2: Soit un tube à RX de type Coolidge, utilisé pour réaliser une radiographie thoracique. La haute tension d’alimentation du tube est fixée à 62 kVolts. Le tungstène constituant la cible du tube, présente, sur les différentes couches électroniques, les énergies de liaisons suivantes : K =69,5 keV, L=11,5 keV, M=2,3 keV, N=0,40 keV. Le faisceau incident de RX subit, avant l’arrivée sur le patient, l’opération habituelle de filtration. La distribution en énergie des RX

arrivant sur le patient se présente sous la forme d’un spectre continu sur lequel :

1 A,B,C,D,E ; 2 A,C ; 3 A,B,C ; 4 B,D,E ; 5 A

Quelles sont les ou la proposition(s) exacte(s) ?

Générateurs de Rayons X ?

A. Fait appel à des structures métalliques,

B. Est réalisée entre cathode et anode du tube,

C. Porte essentiellement sur la partie la plus énergétique du spectre de rayons X émis

D. Permet de minimiser l’irradiation des tissus superficiels des patients radiographiés,

E. Représente une cause de dégradation de la qualité de l’image radiographique car elle est génératrice de rayonnement diffusé.

Q3 : Le faisceau de rayons X émis par un tube de Coolidge est « filtré » lors de l’utilisation pour réaliser un examen

radiographique. Cette opération de filtration :

1 A,B,C ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,E ; 5 B,E

Quelles sont les propositions exactes ?

A. Produit beaucoup d’énergie calorifique,

B. Est utilisé, du fait du complément précédent, comme appareil de chauffage d’appoint,

C. Produit peu d’énergie sous forme de rayons X,

D. Est utilisé, malgré le complément précédent, comme source de rayons X en radiologie conventionnelle,

E. Produit des quantités notables de gaz à effet de serre.

Q4 : Le tube de Coolidge, dans ses conditions habituelles de fonctionnement :

1 A,B,C,D ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,D : 5 A,D

Quelles sont les propositions exactes ?

Principe de production deRayons X de “freinage”

Séminaires de Biophysique14 juin 2010

1895 : C. Röntgen

1896 : H. Becquerel : rayons uraniques

radioactivité naturelle

1895 : C. Röntgen : rayons X, 1er prix Nobel de physique en 1901

1898 : P. et M. Curie : polonium, radium

Nobel 1903

1934 : I. et F. Joliot-Curie : radioactivité artificielle, Nobel 1935

Le faisceau de rayons X est d’autant plus atténué que le tissu est dense

radiographie actuelle

Principe de la radiographie

1895 : 1ère radiographie

Cible

Electrons Rayons X

Production des rayons X

Collisions avec les électrons atomiques RX caractéristiques.

Freinage dans le champ électrique des nx atomiques :RX de freinage.

+ Zp

noyau

Généralités sur les RX de freinage.

EX = E0-E1 = ΔE

photon X

e-

E0

e-

E1<E0

Indicatrice énergétique

Principe de production deRayons X

Spectre continu

Flux énergétique

EEmax0

Spectre continu des RX de freinage

dΦdE

ΔE = 0 : l’e- n’a pas été ralenti (très probable).

ΔE = Emax= E0 et l’e-:- a été totalement ralenti = arrêté !- a cédé la totalité de son Ec (peu probable)

E = E0-E1 = ΔE

Auto absorption dans la cible

Spectre théorique : droite de Chalmers.

Spectre réel : tenant compte absorption des X les moins énergétiques dans la cible elle-même

Spectre continu des RX de freinage

dΦdE

E

ΔE = 0 : l’e- n’a pas été ralenti (très probable).

ΔE = Emax= E0 et l’e-:- a été totalement ralenti = arrêté !- a cédé la totalité de son Ec (peu probable)

Emax0

Raies du rayonnement caractéristique

EL EK

Exemple : Ionisation sur couche K du Tungstène

• Des raies apparaissent autour de :– 69 keV ~ 𝜀L(K)

– 59 keV ~ 𝜀L(K)-𝜀L(L)

– 9 keV ~ 𝜀L(L)-𝜀L(M)

Energie (keV)

Photons émis par un tube à RX à anode de Tungstène

Nombre de photons

(unité arbitraire)

𝜀L(keV)

1s

2s

2p

3s3p3d

Principales raies du Tungtène

Energie maximale des X de freinage :

Emax = Ec d’un e- dont le ralentissement est total :

Ec = e.U avec e=1 uesf (1,6.10-19 Coulomb) et U=HT accélératrice.

Puisque e=1 → Emax (keV) = U (kvolts).

En radiologie Emax s’exprime en kV (ex. U=100 kV → Emax= 100keV)

E globale de ces photons d’Emax est très faible (éventualité très peu probable)

Cathode - Anode +

Vide

Gaz raréfié

e-

Emax = 1/2 mv2max = eU = hmax = hc/min

min = hc/eU = hc/Emax

• h = 6,62.10-34 (SI) • c = 3.108 m.s-1

•e= 1,6.10-19 Cmin (nm) = 1,24/ Emax (keV)

Relation de Duane et Hunt

Longueur d’onde λmin des X d’Emax :

Spectre continu et flux énergétique

Plutôt que considérer le nombre dN de photons X émis par intervalles petits d’énergie dE, on s’intéresse au flux énergétique :

dΦdE

= K.I.Z (Emax - E)

K = ConstanteI = intensité courant électroniqueZ = N° atomique de la cibleEmax = énergie max des RX émisE = énergie particulière considérée

dΦdE

EEmax0

Spectre théorique : droite de Chalmers.

Spectre réel : tenant compte absorption des X les moins énergétiques dans la cible elle-même

Spectre continu et flux énergétique : flux énergétique total

dΦdE

EEmax0

Spectre réel

Spectre théorique

2max

maxE

0E KIZ

2

1E).dEKIZ(Emax

Puisque Emax=U 2 UKIZ2

1

Rendement de l’émission X

ρ =E émise

E dépensée

E émise (X) = φ, E dépensée =P = UI et

ρ =φ

P=

1

2K.Z.U : proportionnel à Z et U

U = 100 kV et Z = 74 (cible tungstène) : ρ = 1 %, le reste (99%) en chaleur

U = 50. 106V , ρ = 100 %

ρ =Puissance émise

Puissance dépensée

2 UKIZ2

1

Indicatrice énergétique de l’émission X

Représente l’intensité énergétique et la direction de l’émission XDépend de l’Ec des électrons accélérés et donc de la haute tension accélératrice

Faisceau d’électrons

Rayons X

Indicatrice énergétique de l’émission X

Représente l’intensité énergétique et la direction de l’émission XDépend de l’Ec des électrons accélérés et donc de la haute tension accélératrice

Générateurs de rayons X

Tubes à rayons X utilisés en radiodiagnostic

TUBES DE COOLIDGE

Tubes radiogènes actuels

25

Trois paramètres déterminent le flux des RX émis et leur énergie :

- La valeur du flux d’électrons,- La valeur de la haute-tension accélératrice,- les caractéristiques de la cible matérielle

Flux d’électronsFlux d’électrons

Influence de l ’intensité I du courant pour la même ddp V

N

Energie

40mA

30mA

20mA

Haute-tension accélératriceHaute-tension accélératrice

N

Energie

100kV

80kV

60kV

Caractéristiques de la cibleCaractéristiques de la cible

Pour un bon rendement : Z élevé.Résistance à un échauffement important. Tungstène : 74WTungstène : 74W

Plus l’angle est petit, meilleure est la résolution

Angle

Largeur du faisceau électronique incident

Taille du faisceau

Film

Angle 

Source RX

Modification du faisceau émisModification du faisceau émis

La limite supérieure du spectre ou EmaxLa limite supérieure du spectre ou Emax

Flux énergétique totalFlux énergétique total

Filtres métalliques sélectifsFiltres métalliques sélectifs

Ex : Tissu dense compact (os) : Emax 100 kV, Tissus mous (seins) Emax 50 kV

T° de chauffage du filament cathodique = intensité mA ou mAs

La partie la moins énergétique du spectre doit être éliminée car :

-Irradiation supplémentaire et inutile--Cause de dégradation de l’image car génératrice de rayonnement diffusé

Filtres métalliques sélectifsFiltres métalliques sélectifs

dΦdE

E0

Non filtré

Filtré

A. La force répulsive coulombienne s’exerçant entre l’électron et le noyau est importante,

B. La répulsion de l’électron par le noyau est importante,

C. La déviation de la trajectoire de l’électron est importante,

D. L’accélération centrifuge subie par l’électron est importante,

E. L’émission d’énergie sous forme de rayons X est importante

Q1 : Concernant le mécanisme de production du rayonnement X « de freinage », plus l’électron négatif incident accéléré par une haute tension adéquate passe à proximité d’un noyau du

matériau adéquat de la cible, plus :

1 B,C,E ; 2 A,C,D,E ; 3 B,C,D : 4 C,E : 5 D,E

Quelles sont les propositions exactes ?

A. L’énergie maximale des X est égale à 62 keV,

B. L’énergie minimale des X est de valeur nulle ou très proche de 0 keV,

C. La longueur d’onde minimale des X est égale à 0,02 nm,

D. Apparaissent les X caractéristiques de la série K du tungstène,

E. Apparaissent les X caractéristiques de la série M du tungstène,

Q2: Soit un tube à RX de type Coolidge, utilisé pour réaliser une radiographie thoracique. La haute tension d’alimentation du tube est fixée à 62 kVolts. Le tungstène constituant la cible du tube, présente, sur les différentes couches électroniques, les énergies de liaisons suivantes : K =69,5 keV, L=11,5 keV, M=2,3 keV, N=0,40 keV. Le faisceau incident de RX subit, avant l’arrivée sur le patient, l’opération habituelle de filtration. La distribution en énergie des RX

arrivant sur le patient se présente sous la forme d’un spectre continu sur lequel :

1 A,B,C,D,E ; 2 A,C ; 3 A,B,C ; 4 B,D,E ; 5 A

Quelles sont les ou la proposition(s) exacte(s) ?

Générateurs de Rayons X ?

A. Fait appel à des structures métalliques,

B. Est réalisée entre cathode et anode du tube,

C. Porte essentiellement sur la partie la plus énergétique du spectre de rayons X émis

D. Permet de minimiser l’irradiation des tissus superficiels des patients radiographiés,

E. Représente une cause de dégradation de la qualité de l’image radiographique car elle est génératrice de rayonnement diffusé.

Q3 : Le faisceau de rayons X émis par un tube de Coolidge est « filtré » lors de l’utilisation pour réaliser un examen

radiographique. Cette opération de filtration :

1 A,B,C ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,E ; 5 B,E

Quelles sont les propositions exactes ?

A. Produit beaucoup d’énergie calorifique,

B. Est utilisé, du fait du complément précédent, comme appareil de chauffage d’appoint,

C. Produit peu d’énergie sous forme de rayons X,

D. Est utilisé, malgré le complément précédent, comme source de rayons X en radiologie conventionnelle,

E. Produit des quantités notables de gaz à effet de serre.

Q4 : Le tube de Coolidge, dans ses conditions habituelles de fonctionnement :

1 A,B,C,D ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,D : 5 A,D

Quelles sont les propositions exactes