Nature et origine des rayons ionisants
Rayonnements électromagnétiques
Rayonnement X
Rayonnement de fluorescence
Le transfert d’un électron de couche périphérique à une couche plus centrale, dont un électron avait été éjecté, dégage, sous forme de photon, une énergie égale à la différence de niveau énergétique des deux couches. La répartition des différentes énergies photoniques émises par ce mécanisme est discontinue. C’est un spectre de raies, caractérisant l’ élément cible à la manière d’un « code-barre ». Ici est représenté le spectre de raies simplifié du tungstène (ou wolfram, numéro atomique 74).
Rayonnement de freinage
Le rayonnement X qui en résulte a pour énergie maximale l’ énergie maximale de l’ électron incident, exprimée en eV. Dans un tube à RX, cette énergie maximale a la même valeur, en keV que la tension appliquée aux bornes du tube en kV. L’ énergie du faisceau de rayonnement de freinage se répartit selon un spectre continu (fig. 1-2a, fig. 1-2b, fig. 1-2c).
Spectre de RX de freinage
Le nombre total de photons (intensité du faisceau) est représenté par l’aire sous la droite. Dans un faisceau de RX de freinage, beaucoup de photons peu énergétiques transportent la plus grande partie de l’ énergie totale et la part d’ énergie transportée diminue avec l’ énergie des photons (a). Quand on augmente le nombre d’ électrons incidents (c’est-à-dire la charge, exprimée en mAs), on augmente l’intensité du faisceau, dont l’ énergie maximale ne varie pas (b). Quand le numéro atomique de l’ élément cible augmente, le nombre de photons émis, pour un même nombre d’ électrons incidents, augmente mais l’ énergie maximale ne varie pas (même cas de figure b). Quand on augmente la tension (kV), le nombre et l’ énergie des électrons incidents augmente. On augmente donc à la fois l’intensité du faisceau et son énergie maximale (c).
Production des rayons X
Tube à rayons X
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Nature et origine des rayons ionisants
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Les rayonnements ionisants (RI) sont, des rayonnements dotés d’une énergie suffisante pour éjecter un électron de l’orbite électronique d’un atome (ionisation). Les RI sont électromagnétiques ou corpusculaires (particulaires), selon qu’ils sont constitués d’une particule énergétique immatérielle, le photon, ou d’un corpuscule de masse non nulle.
Les rayonnements électromagnétiques comprennent la lumière et les rayons X ou γ. Ce sont des rayonnements photoniques. On les distingue par leur origine et par leur énergie. Ils ne sont ionisants qu’au-dessus de 10 eV, c’est-à-dire au-delà du spectre de la lumière visible.
Les rayons X (RX) et gamma sont constitués de photons, caractérisés par leur énergie, inversement proportionnelle à leur longueur d’onde. L’ énergie des RX provient des électrons de l’orbite d’un atome. Elle s’exprime donc comme une énergie électrique, énergie acquise par une charge q quand elle franchit une différence de potentiel U et elle se mesure en électron-volt (eV).
Les rayons X et les rayons gamma (Rγ) sont de même nature et se distinguent par leur origine et non par leur énergie : le rayonnement X provient des couches électroniques de l’atome, alors que le rayonnement γ provient du noyau. Ainsi, certains RX peuvent être plus énergétiques, donc plus pénétrants, que des Rγ.
Il naît soit d’un réarrangement électronique après éjection d’un électron d’une couche orbitaire profonde d’un atome (RX de fluorescence), soit de la dissipation énergétique de l’interaction entre un flux d’ électrons et les noyaux des atomes d’une cible (RX de freinage).
Le rayonnement X de fluorescence est dû à des collisions d’ électrons incidents avec les électrons des orbites électroniques des atomes de la cible. Ces électrons, déplacés sur une orbite plus périphérique, restituent leur énergie lorsqu’ils regagnent cette orbite sous forme d’un rayonnement X. Chacune de ces transitions émet un rayonnement de fluorescence monoénergétique sous forme d’une raie, l’ensemble des raies constituant un spectre caractéristique de l’ élément cible. Ce rayonnement ne comporte que les valeurs discontinues d’ énergie correspondant aux différentes transitions électroniques possibles (fig. 1-1a ). Les RX résultant d’une transition donnée constituent un rayonnement monoénergétique (monochromatique). L’ensemble des RX résultant de toutes les transitions possibles constitue un spectre discontinu ou spectre de raies caractéristique de l’ élément qui constitue la cible.
Figure 1-1a Le rayonnement de fluorescence est la restitution d’ énergie qui se produit lors de la désexcitation d’un atome.
C’est le rayonnement émis par les électrons qui perdent de l’ énergie lorsque leur trajectoire est modifiée par l’attraction coulombienne entre leur charge négative et la charge positive d’un noyau (fig. 1-1b ). Toutes les valeurs d’ énergie sont possibles entre 0 (pas d’interaction) et l’ énergie totale de l’ électron incident (arrêt complet). Ce rayonnement est polychromatique et l’ensemble des énergies qui le constitue réalise un spectre continu..
Figure 1-1b Le rayonnement de freinage est le mode de dissipation d’ énergie qui résulte de l’inflexion de trajectoire d’un électron, porteur d’une charge négative, qui subit l’attraction coulombienne d’un noyau chargé positivement.
C’est la répartition de l’ énergie transportée par le faisceau de RX en fonction de l’ énergie des photons X (voir fig. 1-2a ). Le rayonnement de freinage, représenté par la surface du triangle délimité par la droite et les axes, est d’autant plus important que le nombre de photons arrivant sur la cible est plus élevé (donc lorsqu’on augmente l’intensité du flux d’ électrons) et que le numéro atomique (Z) de l’atome cible est élevé (voir fig. 1-2b). L’ énergie maximale de ce rayonnement polyénergétique de freinage est d’autant plus élevée que l’ énergie maximale des électrons du faisceau incident est plus élevée. Elle dépend donc de la tension d’accélération des électrons, la valeur maximale de l’ énergie des photons X du spectre, résultant de l’arrêt total d’un électron est donc, en keV, égale à la valeur de la tension, en kilovolts (kV), appliquée aux électrons. Il faut noter que l’augmentation de tension augmente non seulement l’ énergie maximale du spectre, mais également le nombre total de photons (aire sous la droite).
Figure 1-2 La distribution spectrale d’un rayonnement exprime la répartition de l’ énergie entre les différentes classes d’ énergie de photons.
Le phénomène de rayonnement de freinage d’un tube de Crookes a été à l’origine de la découverte des RX par Röntgen et il fournit toujours l’essentiel des RX d’usage médical et industriel. Le principe du tube à RX est inchangé depuis le premier tube de Coolidge (fig. 1-3a ). Un filament métallique chauffé (cathode) émet des électrons qui sont attirés et accélérés par une différence de potentiel vers l’anode, constituée d’un métal lourd (tungstène le plus souvent, molybdène pour les tubes de mammographie). L’ énergie moyenne du rayonnement polyénergétique de freinage est d’autant plus élevée que l’ énergie moyenne des électrons du faisceau incident est plus élevée. Dans un tube à RX conventionnel, elle est au maximum de 200 keV, mais peut ainsi atteindre plusieurs MeV lorsque le rayonnement X est émis par un accélérateur. De plus, dans un tube à RX le rayonnement de freinage, prédominant, est toujours associé à un rayonnement de fluorescence. Le spectre d’ émission des rayons X résulte donc de la sommation du spectre continu du freinage et des raies caractéristiques de l’ élément (fig. 1-3b). Il est défini par une énergie moyenne. La largeur du spectre peut être réduite par filtration, avec pour corollaire l’augmentation de l’ énergie moyenne du faisceau. En pratique, on peut retenir que l’ énergie moyenne du faisceau de RX d’un tube de radiodiagnostic, en keV, est comprise entre un tiers et la moitié de l’ énergie maximale, selon l’ épaisseur et la nature de la filtration ; plus l’ épaisseur du filtre, ou son numéro atomique (cuivre vs. aluminium), augmentent, plus l’ énergie moyenne du faisceau sera élevée. Quel que soit l’usage du tube une filtration en sortie de tube est obligatoire pour éliminer les RX de basse énergie qui seraient absorbés dans les premiers centimètres du patient, augmentant la dose sans contribuer à la formation de l’image. En radiologie conventionnelle, cette filtration obligatoire est de 2 mm d’aluminium. Selon les équipements, une filtration additionnelle est ajoutée en fonction des énergies sélectionnées par l’opérateur. Pour la mammographie, la filtration est choisie en fonction de la composition de l’anode, afin de rendre le faisceau le plus homogène possible dans le domaine d’ énergie choisie. Ainsi, lorsqu’on utilise une anode en molybdène, l’emploi d’un filtre de même métal, qui filtre fortement les rayonnements en dessous et au-dessus de l’ énergie correspondant à la discontinuité des énergies de liaison des couches K et L, permet de modifier le spectre en privilégiant les énergies voisines du spectre de raies du molybdène, c’est-à-dire entre 15 et 20 keV (fig. 1-3b, fig. 1-3c).
