Les rayons X La production des rayons X

1. Professeur Michel Bourguignon Faculté de Médecine Paris Ile de France Ouest Autorité de Sûreté Nucléaire michel.bourguignon@asn.fr Les rayons X La production des rayons X

2. - Etude par Röntgen des décharges électriques dans des tubes de Crookes (tube à décharge gazeuse sous haute tension 1890) : émission par la cathode de corpuscules d ’électricité négative appelés rayonnements cathodiques (électron - caractérisé en 1897 par Thomson) - Apparition à distance d ’une lumière fluorescente par une plaque de platino-cyanure de baryum - Rayonnement plus pénétrant que les UV (traverse divers matériaux) et de nature inconnue : rayons X • Les rayons X : Rœntgen (Röntgen) 1895 Anode + Cathode - Gaz raréfié Vide

3. Les rayons X observés par Röntgen proviennent de l ’interaction avec la matière des électrons des rayonnements cathodiques. Deux mécanismes : - l ’interaction avec un électron d ’un cortège électronique créé une case quantique vide, et un électron d ’une couche périphérique vient prendre la place : composante de spectre de raies - le rayonnement de freinage des électrons en passant à proximité d ’un noyau: composante de spectre continu • Les rayons X de Röntgen

4. Les rayons X : spectre de raies (1) Un électron de la couche L va descendre occuper la case vide de la couche K. Il y a émission d ’un photon X emportant la différence d ’énergie entre les 2 niveaux : E(X) = EL-EK X N l L ’énergie du photon X est quantifiée. Le spectre correspondant à cette situation particulière comporte une raie caractéristique de la nature du matériau dans lequel a eu lieu l ’interaction de l ’électron initial car dépend de EL et EK

5. Les rayons X : spectre de raies (2) e- e- + Un électron incident n ’a pas une énergie suffisante pour arracher un électron de l ’orbite K. En revanche, il peut arracher un électron de la couche L. Une case électronique vacante apparaît.

6. Les rayons X : spectre de raies (3) Un électron de la couche M va descendre occuper la case vide de la couche L. Il y a émission d ’un photon X emportant la différence d ’énergie entre les 2 niveaux : E(X) = EM-EL X N X l Le spectre comporte une autre raie caractéristique de la nature du matériau dans lequel a eu lieu l ’interaction de l ’électron initial; le spectre dépend de l ’énergie initiale de l ’électron.

7. Les rayons X : le spectre continu (1) Les électrons d ’énergie cinétique Ec élevée (> 2 MeV) sont ralentis en émettant un rayonnement de freinage (Bremsstrahlung). L ’électron chargé (-1) passant au voisinage d ’un noyau chargé (+Z) du matériau de numéro atomique Z subit une accélération  Zq2/md2. N lm = 3/2lEc (empirique) X d lEc l Il y a émission d ’un photon X dont l ’énergie est proportionnelle au carré de l ’accélération que l ’électron subit. Il y a perte d ’énergie et ralentissement. Le spectre correspondant est continu, l ’énergie variant de 0 à Ec, et l de lEc à 

8. Les rayons X : le spectre continu (2) La probabilité de heurter le noyau est très petite, de passer près du noyau est faible, et de passer loin du noyau est élevée. Réabsorption des photons X de faible énergie l2 N l1 <l2 lEc lEc l La distribution théorique des photons X selon la probabilité d ’interaction est figurée en . Les photons X les moins énergétiques (mous) de l élevé sont réabsorbés dans le matériau et l ’énergie est dissipée sous forme de chaleur.

9. Les rayons X : le spectre continu (3) La probabilité de heurter le noyau est très petite, de passer près du noyau est faible, et de passer loin du noyau est élevée. N Plus l ’électron passe près du noyau, plus l ’énergie du photon X est élevée. A la limite (quasi choc avec le noyau), toute l ’énergie cinétique Ec de l ’électron est transférée au rayon X. Les photons X de basse énergie sont les plus nombreux, mais ils sont réabsorbés plus facilement dans le matériau -> échauffement important. Réabsorption des photons X de faible énergie Ec Energie Spectre théorique Spectre observé

10. Les rayons X : le spectre continu (4) L ’interaction coulombienne est d’autant plus importante que le matériau est dense (Z élevé). N En effet, la force d ’attraction coulombienne est  Z/d2. Le nombre de photons X de freinage augmente car on recrute donc des électrons qui n ’auraient pas interagi car trop loin. En revanche, l ’énergie maximale Ec des photons X ne change pas. Z >Z ’ Ec Energie Spectre théorique Spectre observé

11. Les rayons X : le spectre continu (5) L ’émission du rayonnement de freinage n ’est pas isotrope. Il dépend de l ’énergie initiale des électrons : - quand Ec est élevée (>1MeV), peu d ’interaction et les RX de freinage sont // à la direction incidente des électrons - quand Ec est faible (<500keV), les RX de freinage sont à la direction incidente des électrons X Indicatrice pour les basses énergies Flux d ’électrons X Indicatrice pour les hautes énergies Cible X

12. Les rayons X : le spectre global (1) Le spectre global résulte de la superposition du spectre continu du rayonnement de freinage (qui est prédominant) et du spectre de raie. N Raie K N Raie K lEc Ec Energie l L ’exemple ci-dessus est purement didactique. Un vrai spectre peut comporter plus de raies.

13. Les rayons X : le spectre global (2) Attention ! Si l ’énergie des électrons incidents est trop faible pour arracher les électrons K, alors il n ’y a pas de raie K (courbe pointillée). Exemple du tungstène comme matériau absorbant dont l ’énergie de liaison de l ’électron K est EK= 69,5 keV. EL = 12 keV. On devrait voir les raies L, mais étant de faible énergie, elles sont absorbées par les enveloppes du tube X N Raie K l Schéma didactique

14. Les rayons X : le spectre global (4) N Raie Ka En pratique, le flux de photons X du rayonnement de freinage est très supérieur au flux de photons des raies. Raie Kb EO Energie

15. Spectre de rayons X (anode Cu)

16. LA PRODUCTION DES RAYONS X • Système contenant : • Une source d ’électrons • Un système d ’accélération • Une cible d ’interaction

17. Emission d ’électrons par un conducteur chauffé placé dans un tube sous vide : effet thermo-ionique. - création d ’un nuage électronique au voisinage du conducteur - réalisation d ’un équilibre : les électrons émis sont rappelés par les charges + sur le conducteur, et repoussés par les électrons du nuage - exemple : fil de tungstène à 2200°C - - - Anode Générateur HT Cathode • Le tube à rayons X (1) - - X

18. Mise en place d ’une différence de potentiel V entre une cathode située à proximité du conducteur et une anode. - La haute tension V accélère les électrons en direction de l ’anode (une ddp de 100 kV donne une énergie cinétique de 100 keV aux électrons: définition de eV) - Les électrons interagissent avec le matériau de l ’anode (tungstène) et induisent la production de rayons X caractéristiques du tungstène - - - + + + Anode + Générateur HT Cathode - • Le tube à rayons X (2)

19. Tube à rayons X Radiologie X Scanner Radiologie interventionnelle X Indicatrice pour les basses énergies Flux d ’électrons X Indicatrice pour les hautes énergies Cible X

20. LE TUBE A RAYONS X Application médicale e- Pour dissiper la chaleur Obliquité de l ’anode car émission des RX à 90° Diagramme d ’un tube à rayons X à anode fixe

21. d.d.p. (kV) Anode Cathode e- mA x s Rayons X

22. Influence de la ddp V Le spectre des rayons X N 100kV 80kV 60kV l lE0

23. Influence de la ddp V Le spectre des rayons X N 100kV 80kV 60kV Energie

24. Influence de l ’intensité I du courant pour la même ddp V Le spectre des rayons X N 40mA 30mA 20mA l lE0

25. Influence de l ’intensité du courant à ddp V constante Le spectre des rayons X N 40mA 30mA 20mA Energie

26. Les différents composants du tube à rayons X : - Cathode : filament chauffé, source du faisceau d ’électrons dirigé par la haute tension en direction de l ’anode - Anode (stationnaire ou tournante) bombardée par les électrons et émettrice des rayons X - Le dispositif Anode + Cathode est inséré dans un tube en verre sous vide avec fenêtre spéciale pour la sortie des rayons X - Tube en métal accueillant l ’ensemble du dispositif et l ’alimentation électrique - Protection de blindage contre les rayonnements diffusés + Générateur électrique la ddp au tube RX • Le tube à rayons X (3)

27. Structure de la Cathode (1) • Cathode : filament(s) et circuits électriques associés • tungstène : préféré du fait de son haut point de fusion (3370°C) • évaporation lente du filament • pas d’arc électrique • dépôt minimum de tungstène sur l’enveloppe de verre • Pour réduire le phénomène d’évaporation du métal de la cathode, la température d’émission thermonionique n’est atteinte que pendant la période de production des rayons X. Pendant la période d’attente, la température de la cathode est conservée à ± 1500 °C de sorte que la température d’émission à 2700°C puisse être atteinte en une fraction de seconde

28. Structure de la Cathode (2) • Les tubes RX modernes ont 2 filaments • un long pour délivrer des courants élevés /basse résolution • un court pour des courants faibles / haute résolution • L’interaction coulombienne crée un faisceau électronique divergent vers l’anode • moins d’électrons producteurs de rayons X • surface plus large de cible anodique • augmentation de la surface de source  diminution de la résolution image • La focalisation des électrons est cruciale

29. Angle de l’anode (1) • Le principe d’alignement focalisation • La surface cible de l’anode a plutôt une forme rectangulaire ou ellipsoidale que circulaire; elle dépend • taille et forme du filament • système de focalisation et différence de potentiel • distance entre cathode et anode • Une bonne résolution image exige une petite surface cible de l’anode • La dissipation de chaleur exige une grande surface cible de l’anode • Le conflit est résolu en orientant de biais la surface de l’anode par rapport au faisceau d’électrons incidents.

30. Tube à rayons X à anode tournante Rayons X

31. Angle de l’anode (2)  Angle Angle  Source RX Largeur du faisceau électronique incident Taille du faisceau Film Plus l’angle est petit, meilleure est la résolution

32. Surface cible de l’anode et géométrie du système d’imagerie • En théorie, il faut un point source de rayons X. Une surface cible de l’anode de taille finie  diminution de la résolution de l’image • Améliorer la résolution  diminuer la surface cible de l’anode  diminuer la puissance du dispositif (puissance utilisée FU = Vi, puissance rayonnée FE = kiZV2, rendement R = kZV)

33. Surface cible de l’anode et non uniformité du faisceau de rayons X Electrons Anode A B Les rayons B doivent parcourir une épaisseur de métal de l ’anode plus importante que les rayons A Intensité relative

34. La formation de l’image radiologique Les photons X transmis au travers de la structure examinée forment une image virtuelle des intensités d’atténuation qui doit être convertie en une image visuelle par interaction des rayons X avec un détecteur (récepteur) approprié. Source (point focal) Diaphragme d ’ouverture Image virtuelle Image radiologique visuelle

35. Radiothérapie externe avec des rayons X Radiothérapie avec un accélérateur d’électrons 4-25 MeV X Indicatrice pour les basses énergies Flux d ’électrons X Indicatrice pour les hautes énergies Cible X

36. Accélérateur linéaire d’électrons

37. RADIOTHERAPIE EXTERNE Isocentre

38. Accélérateur linéaire d’électrons Filtre égalisateur Collimation primaire Section accélératrice Diffuseur électrons Miroir 45°- Simulation lumineuse Collimation Multilames

39. Influence filtre égalisateur Effet du positionnement faisceau/ filtre

40. Influence filtre égalisateur Correct = Dose homogène Effet du positionnement faisceau/ filtre Incorrect = Dose hétérogène

41. Accélérateur de radiothérapie Photons X de 4 à 25 Mev

42. Production des rayons X Radiologie : planaire, tomographique, interventionnelle diagnostic et traitement 70 millions d’actes / an Radiothérapie externe 180000 patients / an > 60 % des cancers et 80% de guérison +pathologies bénignes (anévrysmes AV cérébraux, neurinomes …) Conclusion