RAYONS X

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Dans la suite continue des radiations électromagnétiques que l'on sait produire, depuis les longueurs d'onde très courtes de l'ordre de 10−4 nm jusqu'à celles de l'ordre de plusieurs kilomètres, on appelle rayons X les radiations comprises entre 0,01 et 5 nm environ. Ces limites ne sont pas précises et, en fait, c'est plutôt leur mode de production qui définit les rayons X : ils sont émis par le bombardement de la surface d'un solide par des rayons cathodiques, ou faisceaux d'électrons accélérés par des tensions variant entre 103 et 106 volts.

Du côté des grandes longueurs d'onde, le domaine des rayons X est limité pratiquement du fait de l'absorption de plus en plus considérable par toute matière, même de faible densité, si bien que ces rayons, dits rayons mous, deviennent très difficiles à utiliser et à détecter quand la longueur d'onde croît. Les rayons X sont reliés au domaine de l'ultraviolet très lointain par des radiations qui ont été produites et étudiées mais qui sont très peu employées.

Du côté des petites longueurs d'onde (rayons « durs »), des sources à très haute tension deviennent nécessaires, et la limitation est due aux difficultés techniques de réalisation. Le domaine des rayons X recouvre celui des rayons γ émis par certains atomes radioactifs.

Production

La source usuelle des rayons X est appelée le tube Coolidge, du nom de son inventeur (1917). C'est un tube à vide comportant deux électrodes, une cathode émettrice d'électrons (filament de tungstène chauffé) et une anode, ou anticathode, masse métallique portée à un potentiel positif de l'ordre de 10 à 300 kilovolts dans les tubes ordinaires. Si la source de tension est un simple transformateur, le tube n'émet que pendant l'alternance où l'anode est positive (le tube est dit autoredresseur). Il comporte une fenêtre d'une nature telle qu'elle n'absorbe pas trop les rayons X émis (en verre pour les rayons durs, en béryllium pour les rayons mous, en mylar très mince pour les rayons très mous).

Radiologie : un tube Coolidge

Photographie : Radiologie : un tube Coolidge

Dans une ampoule où l'on a fait le vide, l'émission de rayons X se produit au niveau d'une anticathode AC qui reçoit les électrons que propulse la cathode FC. Invention de 1917. 

Crédits : Collection Guy Pallardy

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Rayons X : l'expérience de Röntgen est étudiée

Photographie : Rayons X : l'expérience de Röntgen est étudiée

Dans un laboratoire universitaire, des étudiants apprennent à maîtriser le rayonnement X découvert en 1895 par Wilhelm Röntgen. On leur présente un tube à vide, où l'émission de rayons aura lieu, ainsi que deux types de générateurs à haute tension, qui fourniront l'énergie nécessaire. 

Crédits : Collection Guy Pallardy

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Deux phénomènes bien distincts sont à l'origine de la production des rayons X : l'émission du spectre continu, d'une part, et celle des raies caractéristiques, d'autre part.

Spectre continu

Le spectre d'émission est constitué par un ensemble de radiations dont l'intensité varie de façon continue avec la longueur d'onde. La figure donne l'exemple d'un spectre émis par une anticathode de tungstène. Les faits essentiels sont les suivants :

Tube à rayons X : spectre continu

Dessin : Tube à rayons X : spectre continu

Spectre continu émis par un tube à rayons X sous la tension de 44 kilovolts 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– le spectre comporte un seuil d'émission brusque du côté des courtes longueurs d'onde, cette limite inférieure étant inversement proportionnelle à la tension appliquée ;

– quand la tension appliquée au tube croît, la proportion des rayonnements de courte longueur d'onde augmente : on dit que le rayonnement devient plus dur.

D'après l'électromagnétisme classique, un électron en mouvement accéléré émet une radiation électromagnétique continue. Or, dans le tube de rayons X, l'électron du faisceau cathodique est décéléré brusquement ; sa vitesse au moment de l'impact est égal à (2e/m)V, soit 50 000 kilomètres par seconde pour V = 8 000 volts ; elle s'annule sur un parcours de l'ordre du micron dans le métal de l'anticathode. Il en résulte une impulsion de rayonnement, dite de freinage (Bremsstrahlung). Mais la présence d'un seuil d'émission ne peut être expliquée que par la théorie quantique. L'énergie de l'électron est transformée par le choc en photon hν dont l'énergie ne peut être supérieure à celle de l'électron incident égale à eV. Il existe donc une limite supérieure de la fréquence de la radiation donnée par la relation hν = eV, ou encore une limite inférieure de la longueur d'onde, telle que :

soit numériquement, en exprimant V en volts et λ en nanomètres :

Dans les expressions précédentes, h est la constante de Planck, ν la fréquence du rayonnement, e la charge de l'électron et c la vitesse de la lumière.

Empiriquement, on peut dire que le maximum du spectre se produit pour une longueur d'onde de l'ordre de (3/2)λm. La décroissance vers les grandes longueurs d'onde tient en partie à l'absorption des rayons X dans l'anticathode elle-même et aussi dans la fenêtre de sortie du tube.

Des électrons de grande énergie, soumis à un champ magnétique normal à leur vitesse, subissent une accélération et émettent un rayonnement, dit rayonnement synchrotron, qui peut comprendre des radiations X, si l'énergie des élect [...]

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Radiologie : un tube Coolidge

Radiologie : un tube Coolidge
Crédits : Collection Guy Pallardy

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Rayons X : l'expérience de Röntgen est étudiée

Rayons X : l'expérience de Röntgen est étudiée
Crédits : Collection Guy Pallardy

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Tube à rayons X : spectre continu

Tube à rayons X : spectre continu
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Longueurs d'onde déplacées

Longueurs d'onde déplacées
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Pour citer l’article

André GUINIER, « RAYONS X », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 08 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/rayons-x/