Rayons X

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Rayons X

Rayon X

Une des premières radiographies prise par Wilhelm Röntgen.
Divers systèmes 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 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 √©t√© d√©couverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm R√∂ntgen, qui a re√ßu pour cela le premier prix Nobel de physique ; il les nomma ainsi car ils √©taient d'une nature inconnue[2].

Les rayons X et les rayons gamma sont de m√™me nature (ils sont constitu√©s de photons), mais sont produits diff√©remment : les rayons X sont produits par des transitions √©lectroniques alors que les rayons gamma sont produits lors de la d√©sint√©gration radioactive des noyaux des atomes ou d'autres processus nucl√©aires ou subatomiques.

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

Sommaire

Historique

√Ä la fin du XIXe si√®cle, Wilhelm R√∂ntgen, comme de nombreux physiciens de l'√©poque, se passionne pour les rayons cathodiques qui ont √©t√© d√©couverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient √©t√© √©tudi√©s par Crookes[3]. √Ä cette √©poque, tous les physiciens savent reproduire l'exp√©rience de Crookes mais personne n'a eu d'id√©e d'application de ces rayonnements.

En 1895, Wilhelm R√∂ntgen reproduit l'exp√©rience √† de nombreuses reprises en modifiant ses param√®tres exp√©rimentaux (types de cibles, tensions diff√©rentes, etc.). Le 8 novembre 1895, il parvient √† rendre luminescent un √©cran de platinocyanure de baryum. C'est une intuition que l'on peut qualifier de ¬ę g√©niale ¬Ľ qui va mener R√∂ntgen dans la direction de sa d√©couverte : il d√©cide de faire l'exp√©rience dans l'obscurit√© en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le r√©sultat est identique √† la situation normale. R√∂ntgen place ensuite diff√©rents objets de diff√©rentes densit√©s entre l'anode et l'√©cran fluorescent, et en d√©duit que le rayonnement traverse la mati√®re d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu √©paisse. Plus troublant encore, lorsqu'il place des objets m√©talliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient √† visualiser l'ombre de l'objet sur le n√©gatif.

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

Comme il ne trouve pas de d√©nomination ad√©quate pour ses rayons, R√∂ntgen les baptise ¬ę Rayons X ¬Ľ. Notons au passage que ce rayonnement est encore souvent appel√© R√∂ntgenstrahlung[4] en Allemagne.

Le premier clich√© est celui de la main d'Anna Bertha R√∂ntgen (22 d√©cembre 1895, pose de 20 min.) ; il s'agit de la premi√®re radiographie, la radiologie est n√©e.

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

Le 28 d√©cembre 1895, R√∂ntgen publie sa d√©couverte dans un article intitul√© ¬ę √úber eine neue Art von Strahlen ¬Ľ[5] dans le bulletin de la Soci√©t√© 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. ¬ę les rayons X sont absorb√©s par la mati√®re ; leur absorption est en fonction de la masse atomique des atomes absorbants ;
  2. les rayons X sont diffus√©s par la mati√®re ; c'est le rayonnement de fluorescence ;
  3. les rayons X impressionnent la plaque photographique ;
  4. les rayons X d√©chargent les corps charg√©s √©lectriquement. ¬Ľ

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 op√©ratoire) en caoutchouc. Six mois apr√®s, para√ģt le premier livre consacr√© √† ce qui va devenir la radiologie dont les applications se multiplient - dans le cadre de la physique m√©dicale, pour le diagnostic des maladies puis leur traitement (radioth√©rapie qui donne une expansion extraordinaire √† ce qui √©tait jusque-l√† l'√©lectroth√©rapie).

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 réputé, créa, à ses frais, le premier Laboratoire hospitalier de radiologie.

Tout le monde voulait faire photographier son squelette. Mais pendant longtemps, les doses √©taient trop fortes. Par exemple, Henri Simon, photographe amateur, a laiss√© sa vie au service de la radiologie. Charg√© de prendre les radiographies, les sympt√īmes dus aux radiations ionisantes apparurent apr√®s seulement deux ans de pratique. On lui amputa d'abord la main (qui √©tait constamment en contact avec l'√©cran fluorescent) mais ensuite, un cancer g√©n√©ralis√© se d√©clara.

Au d√©but de la radiologie, les rayons X √©taient utilis√©s √† des fins multiples : dans les f√™tes foraines o√Ļ on exploitait le ph√©nom√®ne de fluorescence, dans les magasins o√Ļ l'on √©tudiait l'adaptation d'une chaussure au pied des clients gr√Ęce au rayonnement et bien s√Ľr, on les utilisait pour la radiographie m√©dicale. Encore l√†, 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, notamment, 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 Roentgen à 0,3 Roentgen par semaine au niveau international dès 1950. Cette valeur sera encore divisée par 3 dès 1958 pour tenir compte des risques potentiels d'effets génétiques.

Cent ans apr√®s leur d√©couverte, on se sert encore des rayons X en radiographie moderne. On les utilise aussi dans les scanners, pour effectuer des coupes du corps humain. Plusieurs autres techniques sont venues compl√©ter les appareils des m√©decins : les ultrasons, l'imagerie par r√©sonance magn√©tique nucl√©aire, la scintigraphie ou encore la tomographie par √©mission de positrons.

Mais on ne se sert pas des rayons X seulement en m√©decine ; les services de s√©curit√© les utilisent pour examiner le contenu des valises ou des conteneurs a√©riens et maritimes sur √©cran. Les policiers les exploitent afin d'analyser les fibres textiles et les peintures se trouvant sur le lieu d'un sinistre. En min√©ralogie, on peut identifier divers cristaux √† l'aide de la diffraction des rayons X.

Depuis peu, il est possible 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 : G√©n√©rateur de rayons X.

Les rayons X sont un rayonnement √©lectromagn√©tique comme les ondes radio, la lumi√®re visible, ou les infra-rouge. Cependant, ils peuvent √™tre produits de deux mani√®res tr√®s sp√©cifiques :

  1. par des changements d'orbite d'√©lectrons provenant des couches √©lectroniques ; les rayons X sont produits par des transitions √©lectroniques faisant intervenir les couches internes, proches du noyau ; l'excitation donnant la transition peut √™tre provoqu√©e par des rayons X ou bien par un bombardement d'√©lectrons, c'est notamment le principe de la spectrom√©trie de fluorescence X et de la microsonde de Castaing ;
  2. par acc√©l√©ration d'√©lectrons (acc√©l√©ration au sens large : freinage, changement de trajectoire) ; on utilise deux syst√®mes :
Production de rayons X par Bremsstrahlung.
  • le freinage des √©lectrons sur une cible dans un tube √† rayons X : les √©lectrons sont extraits d'une cathode de tungst√®ne chauff√©e, acc√©l√©r√©s par une tension √©lectrique dans un tube sous vide, ce faisceau sert √† bombarder une cible m√©tallique (appel√©e anode ou anti-cathode) ; le ralentissement des √©lectrons par les atomes de la cible provoque un rayonnement continu de freinage, dit de Bremsstrahlung[7];
    voir l'article Tube √† rayons X ;
  • la courbure de la trajectoire dans des acc√©l√©rateurs de particule, c'est le rayonnement dit ¬ę synchrotron ¬Ľ.

Lors de la production de rayons X avec un tube à rayons X, le spectre est composé d'un rayonnement continu Bremsstrahlung, mais aussi 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 el 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 propri√©t√©s des rayons X sont les suivantes :

  • ils p√©n√®trent facilement la ¬ę mati√®re molle ¬Ľ, c'est-√†-dire la mati√®re solide peu dense et constitu√©e d'√©l√©ments l√©gers comme le carbone, l'oxyg√®ne et l'azote, et sont facilement absorb√©s par la ¬ę mati√®re dure ¬Ľ (mati√®re solide dense constitu√©e d'√©l√©ments lourds) ;
c'est ce qui permet l'imagerie m√©dicale (radiographie, scanner) : ils traversent la chair et sont arr√™t√©s par les os ;
  • ils sont facilement absorb√©s par l'air, par l'atmosph√®re ;
de fait, les t√©lescopes √† rayons X (qui d√©tectent les rayons X √©mis par les √©toiles) doivent √™tre plac√©s dans des satellites, et les radiographies m√©dicales, la source de rayons X doit √™tre proche du patient ;
  • l'ordre de grandeur de leur longueur d'onde √©tant celui des distances interatomiques dans les cristaux (m√©taux, roches...), ils peuvent diffracter sur ces cristaux ;
ceci permet de faire de l'analyse chimique, et plus pr√©cis√©ment de l'analyse de phase par diffraction de rayons X (ou radiocristallographie) ;
  • du fait de l'√©nergie importante des photons, ils provoquent des ionisations des atomes, ce sont des rayonnements dits ¬ę ionisants ¬Ľ ;
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 prolong√©e aux rayons X peut provoquer des br√Ľlures (radiomes) mais aussi des cancers. Ces effets ont √©t√© r√©ellement pris en compte assez tard. C'est ainsi que dans un ouvrage de 1954, on ne lisait aucune recommandation de s√©curit√©, mais par contre [9] :

¬ę 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. ¬Ľ
¬ę Il a √©t√© montr√© que les rayons X provoquent un effet, certes peu important, directement sur la r√©tine, provoquant une l√©g√®re illumination dans tout le champ de vision. ¬Ľ

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

Les personnels travaillant avec des rayons X doivent suivre une formation sp√©cifique, √™tre prot√©g√©s et suivis m√©dicalement (ces mesures peuvent √™tre peu contraignantes si l'appareil est bien ¬ę √©tanche ¬Ľ aux rayons X)

Détection

Les rayons X sont invisibles √† l'Ňďil, mais ils impressionnent les pellicules photographiques. Si l'on place un film vierge prot√©g√© de la lumi√®re (dans une chambre noire ou envelopp√©e dans un papier opaque), la figure r√©v√©l√©e sur le film donne l'intensit√© des rayons X ayant frapp√© la pellicule √† cet endroit. C'est ce qui a permis √† R√∂ntgen de d√©couvrir ces rayons. Ce proc√©d√© est utilis√© en radiographie m√©dicale ainsi que dans certains diffractom√®tres (clich√©s de Laue, chambres de Debye-Scherrer). Il est aussi utilis√© dans les syst√®mes de suivi des manipulateurs : ceux-ci doivent en permanence porter un badge, appel√© ¬ę film dosim√®tre ¬Ľ, enfermant une pellicule vierge ; ce badge est r√©guli√®rement chang√© et d√©velopp√© par les services de sant√© pour contr√īler que le manipulateur n'a pas re√ßu de dose excessive de rayons X.

Comme tous les rayonnement ionisants, les rayons X sont d√©tect√©s par les compteurs Geiger-M√ľller (ou compteur G-M). Si l'on diminue la tension de polarisation du compteur, on obtient un compteur dit ¬ę proportionnel ¬Ľ (encore appel√© ¬ę compteur √† gaz ¬Ľ ou ¬ę compteur √† flux gazeux ¬Ľ) ; alors que le compteur G-M travaille √† saturation, dans le compteur proportionnel, les impulsions √©lectriques g√©n√©r√©es sont proportionnelles √† l'√©nergie des photons X.

Les rayons X provoquent aussi de la fluorescence lumineuse sur certains mat√©riaux, comme l'iodure de sodium NaI. Ce principe est utilis√© avec les ¬ę compteurs √† scintillation ¬Ľ (ou ¬ę scintillateurs ¬Ľ) : on place un photod√©tecteur apr√®s un cristal de NaI ; les intensit√©s des impulsions √©lectriques r√©colt√©es par le photomultiplicateur sont elles aussi proportionnelles aux √©nergies des photons.

De m√™me 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 donc g√©n√©rer des paires √©lectron-trou de charges. Si l'on soumet un semi-conducteur √† une haute tension de pr√©polarisation, l'arriv√©e d'un photon X va lib√©rer une charge √©lectrique proportionnelle √† l'√©nergie du photon. Ce principe est utilis√© dans les d√©tecteurs dits ¬ę solides ¬Ľ, notamment pour l'analyse dispersive en √©nergie (EDX ou EDS). Pour avoir une r√©solution correcte, limit√©e par l'√©nergie de seuil n√©cessaire √† la cr√©ation de charges, les d√©tecteurs solides doivent √™tre refroidis, soit avec une platine Peltier, soit √† l'azote liquide. Les semi-conducteurs utilis√©s sont en g√©n√©ral du silicium dop√© au lithium Si(Li), ou bien du germanium dop√© au lithium Ge(Li).

Notons au passage que la faible temp√©rature n'a pas d'effet direct sur la valeur de l'√©nergie de seuil, mais sur le bruit de fond. Il est possible en revanche d'utiliser des supraconducteurs maintenus √† tr√®s basse temp√©rature afin de faire usage d'√©nergie de seuil vraiment petite. Par exemple l'√©nergie de seuil n√©cessaire √† la cr√©ation de charges ¬ę libres ¬Ľ dans le silicium est de l'ordre de 3 eV, alors 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 cr√©√©es lors de la d√©position d'√©nergie, ce qui permet d'atteindre une meilleure r√©solution. Cette derni√®re est en effet limit√©e par les fluctuations statistiques du nombre de charge cr√©√©es. L'amplitude de ces fluctuations peut s'estimer avec la Loi de Poisson. Des exp√©riences r√©centes de d√©tection d'un photon X √† l'aide d'un calorim√®tre maintenu √† tr√®s basse temp√©rature (0,1 K) permettent d'obtenir une excellente r√©solution en √©nergie. Dans ce cas, l'√©nergie du photon absorb√© permet de chauffer un absorbeur, la diff√©rence de temp√©rature est mesur√©e √† l'aide d'un thermom√®tre ultra sensible.

Afin de comparer les approches : le Si permet une pr√©cision 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 calorim√®tre maintenu √† 0,1 K a r√©cemment d√©montr√© une r√©solution d'environ 5 eV, soit un pouvoir de r√©solution de l'ordre de 0,1 %. Il est utile de mentionner que les m√©thodes de d√©tection cryog√©niques ne permettent pas encore de fabriquer des capteurs poss√©dant un grand nombre d'√©l√©ments d'images (pixel), alors que les capteurs bas√©s sur les semi-conducteurs offrent des ¬ę cam√©ras ¬Ľ √† rayons X avec plusieurs milliers d'√©l√©ments. De plus, les taux de comptage obtenus par les senseurs cryog√©niques sont limit√©s, 1 000 √† 10 000 cps par pixel.

Rayons X en cristallographie

L'analyse des cristaux par diffraction de rayons X est aussi appel√©e radiocristallographie. Ceci permet soit de caract√©riser des cristaux et de conna√ģtre leur structure (on travaille alors en g√©n√©ral avec des monocristaux), soit de reconna√ģtre des cristaux d√©j√† caract√©ris√©s (on travaille en g√©n√©ral avec des poudres polycristallines).

GonioX.jpg

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

  • Les rayons X sortent par le tube vertical en haut ;
  • le cristal au centre de la photo est trop petit pour √™tre vu ; il est fix√© √† l'extr√©mit√© d'une fine aiguille de verre manipul√©e par la t√™te goniom√©trique sur la droite (qui ressemble au mandrin d'une perceuse) et permet selon trois axes successifs (un vertical, un √† 45¬į et un horizontal) de tourner le cristal dans toutes les orientations tout en le maintenant dans le faisceau de rayons X ;
  • une cam√©ra vid√©o (en noir en haut √† gauche) permet de contr√īler que le cristal est bien centr√© ;
  • un puits en bas au milieu est tenu par une lame : le puits sert √† arr√™ter les rayons X directs qui n'ont pas interagi avec le cristal ;
  • un syst√®me de refroidissement (√† gauche, tube avec des lettres en rouge) permet de refroidir le cristal ;
  • n'est pas visible sur la photo le d√©tecteur de rayons X qui est depuis quelques ann√©es une cam√©ra CCD permettant de remplacer √† la fois les plaques photos et les compteurs ;
  • n'est pas visible aussi la source de rayons X et son monochromateur focaliseur qui est compos√© d'une multicouche miroir √† rayons X ;
  • n'est pas visible l'informatique d'acquisition des donn√©es exp√©rimentales.

Utilis√© en g√©ologie et en m√©tallurgie, c'est aussi un outil de biophysique, tr√®s utilis√© en biologie pour d√©terminer la structure des mol√©cules du vivant, notamment en cristallog√©n√®se (c'est l'art de fabriquer des monocristaux avec une mol√©cule pure) ; dans ce cadre, un monocristal de la mol√©cule est mis dans un faisceau de rayons X monochromatiques et la diffraction observ√©e pour diff√©rentes position du cristal dans le faisceau de rayons X (manipul√© par un goniom√®tre) permet de d√©terminer non seulement la structure du cristal, mais aussi et surtout la structure de la mol√©cule. C'est notamment par radiocristallographie que Rosalind Franklin, puis James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins et leurs collaborateurs ont pu d√©terminer la structure h√©lico√Įdale de l'ADN en 1953[10].

Réglementation

Dans l'Union europ√©enne, 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 d√Ľ √™tre transpos√©e en Droit interne fran√ßais au plus tard le 30 mai 2000.

En France, il faut se r√©f√©rer :

  • au code de la sant√© publique[11] et notamment √† son article R.1333-19[12]  ;
  • au code du travail[13] ;
  • aux normes NFC 74-100 (conception), NFC 15-160, NFC 15-164 (installation) ; ces normes, qui √©taient en cours d'actualisation en 2006, sont obsol√®tes ;
  • √† l'arr√™t√© du 22 septembre 2006 [14] relatif aux informations dosim√©triques (PDS ou Produit Dose x Surface exprim√© en Gy.cm¬≤ ou en ¬ĶGy.m¬≤) qui doivent figurer dans tout compte rendu d'acte m√©dical utilisant les rayonnements ionisants.

L'organisme charg√© du contr√īle est la DGSNR, la Direction g√©n√©rale de la s√Ľret√© nucl√©aire et de la radioprotection, cr√©√©e par le d√©cret n¬į 2002-255 du 22 f√©vrier 2002[15], modifiant le d√©cret n¬į 93-1272 du 1er d√©cembre 1993, et qui remplace la DSIN (Direction de la s√Ľret√© des installations nucl√©aires). La DGSNR est une branche de l'Autorit√© de s√Ľret√© nucl√©aire (ASN).

Autre acception

¬ę X-ray ¬Ľ est aussi l'appellation de la lettre X dans l'alphabet radio international.

Notes et références

  1. ‚ÜĎ Anatomie m√©dicale, de Moore et Dalley, 2e √©dition, 2007, ISBN 978-2-8041-5309-0
  2. ‚ÜĎ La lettre x d√©signe l'inconnue en math√©matiques.
  3. ‚ÜĎ Le Tube de Crookes fut le premier tube √† rayon X.
  4. ‚ÜĎ litt√©ralement : rayons de R√∂ntgen.
  5. ‚ÜĎ En fran√ßais : ¬ę √Ä propos d'une nouvelle sorte de rayons ¬Ľ.
  6. ‚ÜĎ Exemple (voir image n¬į 4)
  7. ‚ÜĎ terme allemand adopt√© internationalement
  8. ‚ÜĎ Camara CG, Escobar JV, Hird JR, Putterma SJ, Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick‚Äďslip friction in peeling tape, Nature, 2008;455:1089-1092
  9. ‚ÜĎ X-Rays in Theory and Experiment, Arthur Compton et Allison, 1954, chap. 1, p. 1
  10. ‚ÜĎ Prix Nobel de M√©decine et Physiologie 1962 : Fondation Nobel.
  11. ‚ÜĎ Articles L.1333-1 √† L.1333-20 (nouvelle partie l√©gislative), articles R.1333-17 √† R.1333-93 (nouvelle partie r√©glementaire) Code de la sant√© publique.
  12. ‚ÜĎ Article R.1333-19 du Code de la sant√© publique (nouvelle partie r√©glementaire)
  13. ‚ÜĎ Articles R.231-73 √† R.231-116 (partie r√©glementaire ‚ÄĒ d√©crets en Conseil d'√Čtat) Code du travail
  14. ‚ÜĎ Arr√™t√© du 22 septembre 2006 relatif au PDS (cf. article 3 de l'Arr√™t√©)
  15. ‚ÜĎ D√©cret n¬į 2002-255 du 22 f√©vrier 2002 cr√©ant la DGSNR

Voir aussi

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