Les rayons X ont été découverts en 1895 par W. Röntgen à Würzburg en Allemagne. Il baptise les rayons qu’il a découverts “Rayons X” avec le “X” comme l’inconnue en Mathématiques. La capacité de ces rayons X à traverser des parois opaques et de révéler l’intérieur du corps humain a immédiatement donné un grand retentissement populaire à cette découverte scientifique.

L’ensemble des radiations électromagnétiques a fondamentalement une nature commune : ce qui les distingue dans leur interaction avec la matière est le paramètre qui caractérise chacune : la longueur d’onde .

Longueur d’onde et fréquence des différentes radiations électromagnétiques

 Toutes ces ondes, donc les rayons X, qui correspondent à un phénomène périodique, peuvent être définies par :

- une longueur d'onde (exprimée en mètre)
- une fréquence (exprimée en hertz)
- une période (exprimée en seconde et qui est l'inverse de la fréquence)
- une énergie (exprimée en électrons-volts ou eV), dont la formule est : E=h * c / L

Avec h=constante de Planck ; c=vitesse de propagation des ondes électromagnétiques ; L=longueur d’onde

 Les rayons X occupent un domaine de 0,03 nm à 10 nm. Leur énergie est comprise entre 50 et 110 eV. Cette importante énergie explique leur pouvoir pénétrant et donc leur capacité à traverser le corps humain.

Nature atomique des rayons X :

  Lorsqu'un électron, provenant de l'interaction entre le faisceau primaire et l'échantillon est éjecté d'une couche atomique interne, l'atome est déstabilisé.
L'atome libère de l'énergie en remplaçant l'électron éjecté par un électron d'une couche externe. Les interactions peuvent se faire sur une ou plusieurs couches (K, L …) mais c’est toujours un électron d’une couche externe qui en remplace un de la couche précédente interne.

 La quantité d'énergie libérée pour passer d'une couche externe à une couche interne se fait sous forme d'un rayon X.

Schémas explicatifs :

Bombardement d’une cible par un électron primaire

Interaction entre faisceau primaire et échantillon

Un électron est éjecté d’une couche interne

Libération d’énergie et remplacement de l’électron
éjecté par un électron d'une couche externe

Ici l’interaction se situe au niveau des couches plus externes de l’élément :

Il peut aussi y avoir plusieurs interactions et l’on arrive alors à une « réaction en chaîne » comme ce schéma l’illustre :

Pour une récapitulation animée de la création du rayon X, cliquez ICI

Production :

 Les rayons X sont produits par interactions entre des électrons animés d'une grande vitesse et une structure métallique ou cible (le plus souvent en tungstène). Cette interaction provoque une émission d'énergie fournissant d'une part un dégagement important de chaleur (99%), d'autre part un rayonnement ionisant X.

 La source émettrice d'électrons (anode) est composée d'un filament de tungstène rhénium. Celui-ci, lorsqu'il est porté à incandescence par un courant de chauffage (dont l'intensité est proportionnelle à la quantité de rayons X émis), émet par effet thermo ionique des électrons. L'intensité de ce courant est exprimée en milliampère (mA)
L'accélération des électrons est due à la tension que l'on applique entre le filament émetteur de rayons X et la cible en tungstène. Cette tension, exprimée en kilovolt (kV), est responsable de la puissance pénétrante des rayons X. Plus la tension est importante, plus le rayon est pénétrant.

 Au contact de la cible ( cathode ), le faisceau d'électrons est freiné par une certaine surface ( appelée foyer ) qui dégage de la chaleur et surtout produit un faisceau de rayons X dont la direction va être déviée grâce à l'inclinaison de la cible. Un important système de refroidissement est nécessaire pour éviter à l'anode de dépasser sa capacité thermique maximale (exprimée en joule). Pour cela on utilise une gaine ayant une grande capacité thermique pour évacuer la chaleur émise. Le refroidissement est obtenu par circulation forcée d'eau dans l'huile d'une gaine placée en manchon au contact du tube à rayons X.
La puissance du faisceau d'électrons dépend du foyer. Le foyer optique (ou apparent) correspond à la source de rayons X perpendiculaire à l'axe du tube. Plus l'angle sera faible, plus la puissance du faisceau sera élevée.

Tube à rayons X à anode fixe

1: cathode ; 2 : filament incandescent, source d’électrons ; 3 : cible de l’anode en tungstène ;
4 : corps de l’anode, souvent en cuivre pour dissiper la chaleur ; 5 : espace sous vide ;
6 : diaphragme plombé ; 7 : faisceau de rayons X utiles ; 8 : fenêtre du tube

 Pour afficher le tube de création de rayons X de manière plus schématique, cliquez ICI

 Pour que l’image radiographique soit de qualité, il faut que le foyer optique soit le plus fin possible.