Production des rayons x

Principe

Les rayons X sont produits par l'interaction d'électrons avec une cible métallique (voir Sch.). Les électrons sont émis par un filament chauffé par effet Joule (électrons thermiques). Ces électrons sont accélérés par une différence de potentiel et dirigés vers une cible métallique (anode ou anticathode). La production de photons X est due à la décélération rapide des électrons lors de leur impact sur la cible. Remarquons que le rendement de production des rayons X est faible, typiquement de l'ordre de 0,2% ; le reste de l'énergie se dissipe sous forme de chaleur. Il est donc nécessaire d'évacuer cette chaleur (nécessité d'un système de refroidissement) et d'utiliser des matériaux de cible bons conducteurs thermiques et de point de fusion élevé (métaux réfractaires : tungstène, molybdène ou très bons conducteurs : cuivre).

Schéma de principe de la production des rayons X

 

Le Spectre de Rayons X

Supposons que l'on bombarde une cible de Mo avec des électrons accélérés sous des tensions croissantes. Étudions pour chaque tension d'accélération la répartition du spectre obtenu, c'est à dire l'évolution de l'intensité des rayons X émis en fonction de leur longueur d'onde (voir Sch.). Jusqu'à une tension de 20 kV, on obtient un spectre continu qui s'arrête vers les courtes longueurs d'onde. A partir de 25 kV, des raies d'émission très intenses apparaissent; elles se détachent du spectre continu : ce sont les raies caractéristiques.

Schéma du spectre du molybdène en fonction de la tension appliquée V 

Le spectre continu

Le spectre continu est dû à la décélération des électrons incidents lorsqu'ils entrent en contact avec l'anticathode. Certains électrons, stoppés net par un seul choc, transmettent toute leur énergie et donnent naissance à des photons X dont l'énergie hν est égale à l'énergie eV des électrons incidents.

 


 

où λm est la valeur limite de la longueur d'onde des photons X émis.

La longueur d'onde des photons émis ne peut être inférieure à λm qui décroît quand la tension croit. On remarque que cette longueur d'onde est indépendante de la cible et ne dépend que de la tension d'accélération des électrons.

D'autres électrons transmettent leur énergie à la suite de plusieurs chocs et donnent naissance à des photons de moindre énergie, de longueur d'onde supérieure qui composent le spectre continu.

Les raies caractéristiques

 Nomenclature

Contrairement au spectre continu, le spectre de raies est une caractéristique de l'anticathode. Sous l'impact des électrons incidents, une couche électronique d'un atome de l'anticathode peut perdre un électron qui est expulsé par son noyau. Il faut pour cela que l'énergie des électrons incidents eV soit supérieure à l'énergie de liaison (par exemple WK) des électrons qui gravitent sur leur orbitale (par exemple K). L'atome se trouve alors dans un état excité et la désexcitation peut se faire par passage d'un électron des orbitales L (respectivement M) vers l'orbitale K et émission d'un photon X d'énergie WK - WL (respectivement WK - WM) caractéristique de l'atome. Cette radiation est appelée radiation caractéristique Ka (respectivement ).

Remarquons que l'on peut préciser encore la description en tenant compte de la structure fine du nuage électronique. Nous savons que quatre nombres quantiques définissent l'état d'un électron dans un atome. La combinaison de ces quatre nombres quantiques définit un certain nombre de niveaux d'énergie à l'intérieur de chaque couche, par exemple les trois niveaux LI, LII et LIII dans la couche L. Les transferts d'électrons entre les différents niveaux d'énergie obéissent à des règles de sélection. Ainsi, un électron de la couche K ne peut être remplacé par un électron du niveau LI, mais il peut être remplacé par un électron du niveau LII , on aura dans ce cas une raie Ka1 , ou par un électron du niveau LIII , on aura dans ce cas une raie Ka2.

États d'excitation

Longueurs d'onde des raies caractéristiques :

Si un électron est éjecté d'un niveau d'énergie W1 et est remplacé par un électron d'un niveau d'énergie W2 < W1, le photon X émis aura une énergie Ey telle que :

 

 

W1 et W2 sont caractéristiques du numéro atomique de l'élément considéré, du numéro de la couche (nombre quantique n) et du niveau d'énergie dans la couche.

 

Les Tubes de Rayons X

Les rayons X sont produits dans des tubes sous vide (voir Sch.) qui sont soit scellés soit démontables. Les électrons sont produits par un filament de tungstène parcouru par un courant. Ils sont accélérés par un différence de potentiel entre le filament et l'anticathode qui est reliée à la terre. Une cupule de concentration (ou wehnelt) entoure le filament ; son potentiel, qui est inférieur de quelques centaines de volts à celui du filament, repousse les électrons et concentre ainsi le faisceau. Les rayons X produits sortent du tube par des fenêtres en béryllium, choisi pour son étanchéité au vide et sa perméabilité aux rayons X.

Schéma d'un tube de rayons X

 

 

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