Principe de production de Rayons X de “ freinage ”

1. Principe de production deRayons X de “freinage” Séminaires de Biophysique 14 juin 2010

2. 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 : • La force répulsive coulombienne s’exerçant entre l’électron et le noyau est importante, • La répulsion de l’électron par le noyau est importante, • La déviation de la trajectoire de l’électron est importante, • L’accélération centrifuge subie par l’électron est importante,, • L’émission d’énergie sous forme de rayons X est importante Quelles sont les propositions exactes ? 1 B,C,E ; 2 A,C,D,E ; 3 B,C,D : 4 C,E : 5 D,E

3. 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 : • L’énergie maximale des X est égale à 62 keV, • L’énergie minimale des X est de valeur nulle ou très proche de 0 keV, • La longueur d’onde minimale des X est égale à 0,2 Å • Apparaissent les X caractéristiques de la série K du tungstène, • Apparaissent les X caractéristiques de la série M du tungstène, Quelles sont les ou la proposition(s) exacte(s) ? 1 A,B,C,D,E ; 2 A,C ; 3 A,B,C ; 4 B,D,E ; 5 A

4. 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 : Générateurs de Rayons X ? • Fait appel à des structures métalliques, • Est réalisée entre cathode et anode du tube, • Porte essentiellement sur la partie la plus énergétique du spectre de rayons X émis • Permet de minimiser l’irradiation des tissus superficiels des patients radiographiés, • Représente une cause de dégradation de la qualité de l’image radiographique car elle est génératrice de rayonnement diffusé. Quelles sont les propositions exactes ? 1 A,B,C ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,E ; 5 B,E

5. Q4 : Le tube de Coolidge, dans ses conditions habituelles de fonctionnement : • Produit beaucoup d’énergie calorifique, • Est utilisé, du fait du complément précédent, comme appareil de chauffage d’appoint, • Produit peu d’énergie sous forme de rayons X, • Est utilisé, malgré le complément précédent, comme source de rayons X en radiologie conventionnelle, • Produit des quantités notables de gaz à effet de serre. Quelles sont les propositions exactes ? 1 A,B,C,D ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,D : 5 A,D

6. Principe de production deRayons X de “freinage” Séminaires de Biophysique 14 juin 2010

7. 1895 : C. Röntgen

8. 1895 : C. Röntgen : rayons X, 1er prix Nobel de physique en 1901 1896 : H. Becquerel : rayons uraniques radioactivité naturelle Nobel 1903 1898 : P. et M. Curie : polonium, radium 1934 : I. et F. Joliot-Curie : radioactivité artificielle, Nobel 1935

9. Principe de la radiographie Le faisceau de rayons X est d’autant plus atténué que le tissu est dense 1895 : 1ère radiographie radiographie actuelle

10. Cible Production des rayons X Electrons Rayons X Collisions avec les électrons atomiques RX caractéristiques. Freinage dans le champ électrique des nx atomiques : RX de freinage.

12. Généralitéssur les RX de freinage. e- EX = E0-E1= ΔE E0 photon X + Zp e- E1<E0 noyau

13. Principe de production deRayons X Spectre continu Flux énergétique Indicatriceénergétique

14. Spectre continu des RX de freinage E = E0-E1= ΔE 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) dΦ dE 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 E 0 Emax

15. Spectre continu des RX de freinage Raies du rayonnementcaractéristique 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) dΦ dE E 0 Emax EL EK

16. Exemple : Ionisation sur couche K du Tungstène 3d 3p 3s Photons émis par un tube à RX à anode de Tungstène 2p Principales raies du Tungtène 2s Nombre de photons (unité arbitraire) 𝜀L (keV) 1s • Des raies apparaissent autour de : • 69 keV ~ 𝜀L(K) • 59 keV ~ 𝜀L(K)-𝜀L(L) • 9 keV ~ 𝜀L(L)-𝜀L(M) Energie (keV)

17. Energiemaximale des X de freinage : Gaz raréfié Cathode - Anode + e- Vide 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)

18. Longueurd’ondeλmin des X d’Emax : Emax = 1/2 mv2max = eU = hmax = hc/min  min = hc/eU = hc/Emax • h = 6,62.10-34 (SI) • c = 3.108 m.s-1 •e= 1,6.10-19 C min (nm) = 1,24/ Emax (keV) Relation de Duane et Hunt

19. 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 : K = Constante I = intensité courant électronique Z = N° atomique de la cible Emax = énergie max des RX émis E = énergie particulière considérée dΦ dE = K.I.Z (Emax - E) dΦ dE Spectre théorique : droite de Chalmers. Spectre réel : tenant compte absorption des X les moins énergétiques dans la cible elle-même E 0 Emax

20. Spectre continu et flux énergétique : flux énergétique total Puisque Emax=U dΦ dE Spectre théorique Spectre réel E 0 Emax

21. Rendement de l’émission X Puissance émise E émise ρ = ρ = Puissance dépensée E dépensée E émise (X) = φ, E dépensée =P = UI et φ 1 ρ = = K.Z.U : proportionnel à Z et U P 2 U = 100 kV et Z = 74 (cible tungstène) : ρ = 1 %, le reste (99%) en chaleur U = 50. 106V , ρ = 100 %

22. Indicatriceénergétique de l’émission X Représente l’intensité énergétique et la direction de l’émission X Dépend de l’Ec des électrons accélérés et donc de la haute tension accélératrice Faisceau d’électrons Rayons X

23. Indicatriceénergétique de l’émission X Représente l’intensité énergétique et la direction de l’émission X Dépend de l’Ec des électrons accélérés et donc de la haute tension accélératrice

24. Générateurs de rayons X Tubes à rayons X utilisés en radiodiagnostic

25. TUBES DE COOLIDGE Tubes radiogènes actuels

26. 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

27. Flux d’électrons • Influence de l ’intensité I du courant pour la même ddp V N 40mA 30mA 20mA Energie

28. Haute-tension accélératrice N 100kV 80kV 60kV Energie

29. Caractéristiques de la cible Pour un bon rendement : Z élevé. Résistance à un échauffement important. Tungstène : 74W  Angle Angle  Source RX Largeur du faisceau électronique incident Taille du faisceau Film Plus l’angle est petit, meilleure est la résolution

30. Modification du faisceau émis La limite supérieure du spectre ou Emax Ex : Tissu dense compact (os) : Emax 100 kV, Tissus mous (seins) Emax 50 kV Flux énergétique total T° de chauffage du filament cathodique = intensité mA ou mAs Filtres métalliques sélectifs • 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

31. Filtres métalliques sélectifs dΦ dE Non filtré Filtré E 0

32. 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 : • La force répulsive coulombienne s’exerçant entre l’électron et le noyau est importante, • La répulsion de l’électron par le noyau est importante, • La déviation de la trajectoire de l’électron est importante, • L’accélération centrifuge subie par l’électron est importante, • L’émission d’énergie sous forme de rayons X est importante Quelles sont les propositions exactes ? 1 B,C,E ; 2 A,C,D,E ; 3 B,C,D : 4 C,E : 5 D,E

33. 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 : • L’énergie maximale des X est égale à 62 keV, • L’énergie minimale des X est de valeur nulle ou très proche de 0 keV, • La longueur d’onde minimale des X est égale à 0,02 nm, • Apparaissent les X caractéristiques de la série K du tungstène, • Apparaissent les X caractéristiques de la série M du tungstène, Quelles sont les ou la proposition(s) exacte(s) ? 1 A,B,C,D,E ; 2 A,C ; 3 A,B,C ; 4 B,D,E ; 5 A

34. 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 : Générateurs de Rayons X ? • Fait appel à des structures métalliques, • Est réalisée entre cathode et anode du tube, • Porte essentiellement sur la partie la plus énergétique du spectre de rayons X émis • Permet de minimiser l’irradiation des tissus superficiels des patients radiographiés, • Représente une cause de dégradation de la qualité de l’image radiographique car elle est génératrice de rayonnement diffusé. Quelles sont les propositions exactes ? 1 A,B,C ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,E ; 5 B,E

35. Q4 : Le tube de Coolidge, dans ses conditions habituelles de fonctionnement : • Produit beaucoup d’énergie calorifique, • Est utilisé, du fait du complément précédent, comme appareil de chauffage d’appoint, • Produit peu d’énergie sous forme de rayons X, • Est utilisé, malgré le complément précédent, comme source de rayons X en radiologie conventionnelle, • Produit des quantités notables de gaz à effet de serre. Quelles sont les propositions exactes 1 A,B,C,D ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,D : 5 A,D