5-ANNEXE II - PRODUCTION DES RAYONS X (RX)

5.1	Découverte

Les RX sont des rayonnements électromagnétiques dont la longueur d'onde s'étale de 0.05 à 100 Angströms, ce qui correspond à une énergie comprise entre 100 et 1000 kiloélectronVolts (keV). Ceux-ci sont produits par bombardement d'un métal par un faisceau d'électrons et furent découverts en 1895 par Röntgen qui, le premier, élabora un tube à RX à l'aide d'un tube de Crookes. Les principales caractéristiques des RX sont de pouvoir traverser des parois opaques et révéler l'intérieur du corps humain. Cette découverte reste à la base du radiodiagnostic et de la radiothérapie.

5.2	Phénomènes physiques donnant naissance aux RX

5.2.1	Spectre continu

	Par chauffage d'une cathode constituée d'un filament de Tungstène (température de fusion de 3400 °C), des électrons sont émis et accélérés vers une anode par une différence de potentiels (d.d.p.) de 40 à 160 kilovolts (kV). Lorsque les électrons atteignent l'anode, ceux-ci sont ralentis à la vitesse des électrons libres du métal la constituant et émettent un rayonnement de freinage, c'est-à-dire un paquet de photons à toutes les fréquences. Seuls les RX , dont l'absorption est faible, parviennent à s'extraire de l'anode. Le spectre continu de RX débute à un seuil ne dépendant que de l'énergie cinétique des électrons incidents et donc de la d.d.p. appliquée entre la cathode et l'anode du tube. L'énergie maximale des. photons est égale au produit de la charge de l'électron par la d.d.p. ce qui justifie l'origine du seuil donné par:

Longueur d'onde seuil[Angstrom]=12398/d.d.p.[Volts]
 
Figure 14 Intensité du spectre continu en fonction de la longueur d'onde
 
Le rendement de l'émission de photons X est accru lorsque le numéro atomique Z du métal constituant l'anode augmente: ainsi, l'anode composant les tubes médicaux est en Tungstène (Z=74).
5.2.2	Spectre discret
Le second mécanisme de production des rayons X est dû à la désexcitation du cortège électronique des atomes de l'anode, initialement excité par l'expulsion d'un électron d'une couche interne après collision avec un électron cathodique dont l'énergie est d'au moins 70 keV (énergie de liaison d'un électron sur une couche K). La lacune est alors comblée par une cascade d'électrons issus de couches électroniques moins profondes. Les transitions électroniques caractéristiques du Tungstène sont les raies d'énergie, en keV, et d'intensités relatives:

59.3182 (100%)
57.9817(57.6%)
67.2 (33.8%)

Ces raies sont à l'origine du spectre discret, dans la mesure où l'énergie cinétique des électrons cathodiques est supérieure aux énergies de transition. Un tube à RX émet simultanément deux spectres continu et discret mais ce premier domine en pratique [Figure 15].



Figure 15 Spectre expérimental émis par un tube à RX sous une tension de 220 kV
 
5.3	Réalisation du tube

L'appareil usuel dérive de l'invention de Coolidge de 1916 et comporte une enceinte en
verre sous vide d'air dans laquelle un filament de Tungstène chauffé, faisant office de cathode,
émet des électrons par effet thermoélectronique. Le faisceau obtenu (section de 1 mm²), dont
la puissance atteint 1 kilowatt, converge ensuite vers une anode tournant à 9000 tours/minute,
ce qui évite de la détériorer par échauffements successifs. Néanmoins, ce type de tubes ne peut
fonctionner en continu mais à raison d'un dixième de seconde toutes les 3 minutes. Les
photons X sortent du tube, perpendiculairement à son axe, par une fenêtre, de faible ouverture,
devant être la moins absorbante possible. Par conséquent du verre mince est utilisé pour des
RX durs (longueur d'onde de 0.1 Angström environ) et du Béryllium pour les RX mous (de
l'ordre de l'Angström ). Le tube est entouré d'un blindage en Plomb d'où n'émergent que
deux câbles d'alimentation gainés afin de prévenir tout choc électrique. La haute tension
alimentant le tube provient d'un générateur isolé du pupitre de commandes, utilisé par le
radiologue, grâce à un circuit électrique auto-redresseur. Le pupitre permet de contrôler les
paramètres suivants:
·	Tension du tube en k V ;
·	Intensité du courant du tube en milliampères (mA) ;
·	Temps de pose en millisecondes (ms) ou secondes (s) ;
·	Produit Intensité * Temps de pose en milliAmpèresecondes (mAs) ;

 

Figure 16 Coupe schématique d'un tube à RX

5.4	Rendement de l'émission X

Les électrons cathodiques, soumis à une d.d.p. V, acquièrent une énergie cinétique e x V, avec e la charge élémentaire, et l'énergie totale des RX émis par le tube traversé par un courant I pendant un temps de pose t est égal à :

Energie totale (RX) = constante * I * t * Z * (e * V)²

La puissance associée est donc:

Puissance (RX) = K * I * Z * V²

où K est une constante intégrant e. La puissance fournie au tube étant:

Puissance fournie = V * I

Le rendement du tube s'obtient en effectuant le rapport des puissances et s'exprime par :

Rendement = Puissance (RX) / Puissance fournie = K * Z * V

Dans le cas d'une anode en Tungstène où Z=74 , le rendement du tube avoisine les 1 % pour
V=100 kV et 0.25 % pour V=50 kV. La majeure partie de l'énergie fournie au tube est
transformée en chaleur et évacuée par conduction dans l'anode et l'huile qu'il contient.

5.5	Vieillissement du tube

La dose délivrée par le tube à RX décroît lorsque celui-ci vieillit car la surface de l'anode bombardée devient irrégulière par " cratérisation ". Du point de vue industriel, aucun seuil en deçà duquel le tube ne doit plus être utilisé n'a été défini. Ceci est compréhensible car
rares sont ceux qui changent les ampoules domestiques avant leur autodestruction bien qu'elles
connaissent le même processus de vieillissement au niveau du filament que les tubes à RX (
auxquels il faut ajouter la détérioration de l'anode ).Ainsi, la pratique courante dans le service
de radiologie, consiste à changer le tube après qu'il se soit autodétruit par claquage (le coût
d'un tube à RX dépasse les 100 kilofrancs).

Dans la manipulation suivante, nous nous sommes attachés à mettre en lumière la diminution
de la dose délivrée par le tube lorsqu'il vieillit ainsi que la loi de décroissance de cette dose
comme l'inverse du carré de la distance séparant le foyer du tube (F) et le détecteur (D). La
comparaison fut réalisée à l'aide des plus ancien (octobre 1991 en salle 8) et récent (1996 en Salle 4) tubes du service pour une d.d.p. de 60 kV, un ampérage de 32 mA et un temps de pose
de 200 ms. Après avoir fixé la distance F-D à 100 cm et l'ouverture du diaphragme à l0 cm* 11 cm, cette dernière ne doit en aucun cas être modifiée lorsque l'on fait varier la distance F-D afin de relever la dose reçue par le détecteur. Les résultats de ce test [Figure 17] vérifient bien la linéarité de la dose mesurée avec l'inverse du carré de la distance F-D et
le fait que la dose délivrée par le tube décroisse lorsque celui-ci vieillit.

  

Figure 17 Evolution de la dose mesurée en fonction de l'inverse du carré de la distance foyer détecteur, en fonction de l'âge du tube