I.A. Production des rayonsX

1) Les tubes

a) Le tube de Crookes.

Le tube de Crookes est l'ancêtre des tubes à rayons X. Il est dû à William Crookes qui dans les années 1870 a perfectionné un instrument imaginé puis modifié par quelques prédécesseurs, dont Faraday.

Le tube est muni de deux électrodes qui peuvent être soumises à une différence de potentiel élevée. On y fait le vide mais un vide peu poussé, typiquement d'un millième d'atmosphère, de sorte que dans le volume subsiste un gaz résiduel.

Quand on impose la haute tension sur les électrodes, les "quelques" ions positifs qui se trouvent en permanence dans le gaz sont accélérés vers la cathode. L'impact arrache au métal des électrons qui à leur tour sont violemment accélérés vers la région d'anode. Ce faisceau d'électrons fut découvert à l'époque au travers de phénomènes très visibles de type fluorescence mais on s'est aperçu par la suite que l'impact des électrons produisait également des rayons X. Le fonctionnement du tube est en quelque sorte auto-entretenu puisque sur leur trajet vers l'anode certains électrons peuvent heurter des atomes du gaz résiduel et les ioniser. Les ions positifs ainsi générés sont accélérés vers la cathode, etc…

La nature électronique du faisceau n'était pas comprise du temps de William Crookes. Pour le désigner on parlait de "rayons cathodiques", expression qu'on rencontre encore parfois aujourd'hui même si bien entendu nous connaissons fort bien les phénomènes associés à ce faisceau, à la production de rayons X, etc…

Le tube de Crookes est parfois appelé tube à cathode froide, par opposition au tube de Coolidge qui sera décrit plus loin et qui pour des raisons qui apparaîtront évidentes est à "cathode chaude".

b) Energie des électrons à l'impact.

La charge électrique d'un électron est dite "charge élémentaire" et est notée "e". C'est une des constantes de base de la physique. Dans le système SI elle vaut e = 1,6 10^-19 Coulombs mais dans le monde microscopique il est pratique de la considérer comme une unité en soi, l'unité "e".

Quand une charge électrique q "descend" une différence de potentiel V, son énergie potentielle diminue de la quantité W=qV. Donc des électrons qui sont accélérés d'une électrode à l'autre dans un tube soumis à une tension V voient leur énergie potentielle diminuer de W=eV. Si ces électrons ne subissent aucun choc sur leur trajet (c'est loin d'être évident dans le tube de Crookes, mais cela sera assez vrai pour le tube de Coolidge), cette énergie potentielle est entièrement transformée en énergie cinétique E_c=mv²/2: Songez à l'analogue en gravitation où un objet en chute libre voit son énergie potentielle de gravitation mgh transformée en énergie cinétique. On en déduit que l'énergie cinétique des électrons à l'impact est donnée par:

Rappel: Dans le sujet "physique nucléaire" on a défini l'unité d'énergie dite "électronvolt" de symbole "eV". Dans cette unité, la tension V d'accélération se transpose directement en énergie, ce qui se révélera bientôt extrêmement pratique. Exemples: des électrons accélérés sous V=1000 volts auront une énergie E_c=1000eV à l'impact; des électrons accélérés sous V=18000 volts auront une énergie E_c=18000eV à l'impact; etc…

En unité SI, 1eV = 1,6 10^-19 Joules

Rappel aussi des multiples de l'électron-volt:

1 keV = 10³ eV

1 MeV = 10⁶ eV

c) Production des rayons X

Les rayons X sont produits dans la matière à l'impact des électrons. Les modes de production et le type de spectre qui en résulte sont à la base de la technique de radiologie et seront développés en détails dans un prochain paragraphe

d) Le tube de Coolidge.

N.B.: Les tubes actuels sont des tubes de Coolidge plus ou moins sophistiqués (voir plus loin)

Le défaut principal du tube de Crookes est le vide imparfait qui y règne: 1°) Cela empêche une bonne propagation des électrons (chocs fréquents avec les molécules du gaz); 2°) On ne peut pas monter très haut en tension sous peine de provoquer des claquages au travers du gaz.

La bonne idée était donc de pousser le vide interne à un niveau très élevé ce qui impliquait de trouver un mode nouveau de production d'électrons au niveau de la cathode. La solution a été trouvée dans l'effet "thermo-ionique": Dans un métal porté à haute température, l'agitation thermique des électrons est telle qu'un certain nombre d'entre eux parviennent à sortir du matériau. Ainsi, une cathode chauffée à blanc s'entoure d'un nuage électronique qui peut facilement être emporté et accéléré par la différence de potentiel qui lui est imposée. Pour obtenir cet effet on utilise comme cathode un filament parcouru par un courant électrique et l'effet joule qui en découle. ( Le même principe est appliqué pour produire le faisceau d'électrons des tubes cathodiques, autrefois à la base des téléviseurs et écrans d'ordinateurs, ou pour faciliter les décharges dans les tubes néons.).

2) Les accélérateurs d'électrons.

Les "petits" (!!) accélérateurs d'électrons utilisés en médecine produisent des électrons de haute énergie (de quelques MeV à 20 ou 25MeV) capables de générer par impact sur une cible des rayons X très durs. La différence d'énergie par rapport aux tubes radiogènes est telle que nous rentrons ici dans un tout autre champ d'application, à savoir la radiothérapie. L'imagerie radiologique est d'ailleurs impraticable à ce niveau puisque les différences d'absorption et donc le contraste entre les différents tissus du corps sont beaucoup trop faibles.

A noter aussi que la production de rayons X n'est pas la seule utilisation possible des accélérateurs: Le faisceau d'électrons accélérés peut être lui-même utilisé pour le traitement de régions malades.

Pour une description détaillée de l'accélérateur linéaire standard (linac): voir le chapitre qui lui est consacré dans le sujet "radiothérapie".