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Points essentiels Production de rayons X: Spectre de raies (discontinu); Spectre continu; Interaction des rayons X avec la matière; Diffusion des rayons.

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2 Points essentiels Production de rayons X: Spectre de raies (discontinu); Spectre continu; Interaction des rayons X avec la matière; Diffusion des rayons X; Effet Compton; effet photoélectrique.

3 Anode Lanode rotative du tube absorbe le faisceau délectrons qui bombardent ainsi les atomes de tungstène. La très grande proportion (>99%) de lénergie cinétique des électrons est transformée en énergie thermique (CHALEUR). Moins de 1% des électrons du faisceau ont un effet beaucoup plus intéressant!

4 1. Production dun spectre de raies Il arrive quun électron du faisceau (1) entre en collision avec un électron de lorbite fondamentale K dun atome de tungstène (2). Les 2 électrons séjectent hors de latome créant alors un espace disponible pour quun électron dune orbite supérieure (3), puisse y tomber, ce qui a pour effet de libérer de lénergie sous forme dun rayon X (4). Tout électron tombant au niveau K et provenant de nimporte quel niveau supérieur (L, M, N, O, P) libère une énergie comprise entre 57,4 keV et 69,5 keV. Ce sont les seules transitions importantes produisant des rayons X utiles en radiodiagnostic. Les énergies libérées par les autres transitions ne sont pas suffisamment grandes. 2 1

5 Transitions simplifiées des raies X K L MN K K K Limite K L L Limite L M Limite M

6 Énergie libérée (en KeV) pour chaque transition électronique de latome de tungstène P N O M L K 69,569,4 66,768,9 2,7 0,60 12,111,5 0,52 12,0 2,2 9,3 57,4 0,08 2,8

7 Représentation graphique du spectre démission des rayons X Des groupes de raies nettement séparés les uns des autres; Le groupe K a lénergie la plus grande. K rayon X L rayon X M rayon X # de photons Énergie des photons (keV) K K K

8 2.Production dun spectre continu On observe un phénomène lors du bombardement de lanode: un électron pénètre dans un atome, et, à cause du champ électrique attractif très intense, dévie et freine en se débarrassant de la majeure partie de son énergie cinétique sous forme de rayons X. Les rayons X obtenus par le freinage des électrons du faisceau est appelé rayonnement de freinage ou bremsstrahlung. +

9 Le spectre continu des rayons X lordonnée (Y) représente le nombre de radiations par unité de temps et dénergie en fonction de lénergie associée (X); Lénergie maximale dépend de la tension (kV) du tube; E max ( min ) # de photons (par unité de temps) Énergie des photons (keV) max. # Filtration des faibles énergies On observe une quantité maximale de rayonnement pour une énergie variant entre ~1/3 et 1/2 de E max

10 Le spectre continu des rayons X Le spectre continu est indépendant de l'élément composant l'anode; Le spectre continu du tungstène par exemple dépend de la tension d'accélération des électrons, donc de l'énergie des électrons incidents; Chaque spectre présente une limite brutale du côté des grandes énergies

11 Spectre combiné # de photons Énergie des photons (keV) Brems spectre de raies K spectre de raies L Au-dessus du spectre continu apparaît des pics ou raies qui constituent le spectre discontinu La position de ces raies est caractéristique du métal

12 Contrôle du tube à rayon X Dans un tube à rayons X, on contrôle: 1- la haute tension entre la cathode et lanode, responsable de laccélération et de lénergie cinétique des électrons du faisceau; 2- le courant déterminant le nombre délectrons du faisceau.

13 Influence du courant Doublant le courant du faisceau, on produit deux fois plus délectrons pour bombarder la cible de tungstène doù 2 fois plus de photons X à toutes les énergies. Lénergie maximale des rayons X na pas changé, car la tension maximale appliquée est la même. animation

14 Influence de la haute tension Si lon augmente la haute tension, leffet sur le spectre est plus complexe; le nombre de photons émis devient plus élevé et leur énergie est surtout plus grande. Cela naffecte pas la position des raies spectrales des transitions électroniques. Le nombre de photons à faible énergie naugmente pas mais ceux dénergie supérieure augmentent leur nombre et lénergie maximale est plus grande. Les rayons X sont plus nombreux et de meilleure qualité. Le nombre de photons augmente avec le carré de la tension maximale animation

15 Interaction des rayons X avec la matière Diffusion classique; Effet Compton; Effet photoélectrique;

16 Diffusion des rayons X (diffusion classique) photons de faible énergie (< 10 keV) traversent la matière; les atomes de la matière deviennent excités; désexcitation et émission dun photon de même keV & lorientation du nouveau photon est généralement différente de celle du photon incident; apparition dun voile gris sur le film.

17 Effet Compton Photon dénergie entre 10 et 40 keV le photon interagit un électron dune couche électronique externe; Éjection de lélectron avec une quantité dénergie cinétique K; Perte dénergie du photon E finale = E initiale - [W+ K] Atome ionisé

18 Effet Compton exemple Un photon 40 keV interagit avec un électron dune couche extérieure ayant une énergie de liaison de 72 eV. Si lélectron éjecté possède une énergie cinétique de 4,2 keV, déterminer lénergie du photon diffusé? E finale = E initiale - [W + K] = 40keV - [,072keV + 4,2keV] = 35,728 = 36 keV

19 Effet Compton (suite) angle de diffusion photon E H photon E L grand angle petit angle 0 E faible E Haute E Moyenne Photons diffusés de grandes énergies si est petit Photons diffusés de faibles énergies si est grand Si lénergie perdue E pour le photon diffusé E 0 < E 30 Perte maximale dénergie si

20 Effet Compton (suite) Lénergie du rayon X résultant est égale à la différence entre lénergie du rayon X incident et celle impliquée dans le processus déjection de lélectron de latome, doù:

21 Conséquence de Effet Compton Résultats ionisation de latome; voile sur le film ( contraste)

22 Effet photoélectrique Les rayons X de 40 keV et plus ont assez dénergie pour produire leffet photoélectrique en sattaquant aux électrons des couches internes des atomes. Si les nombres atomiques des atomes sont petits, les énergies de liaisons sont relativement faibles et les électrons libérés séjectent avec une grande énergie cinétique.

23 Effet photoélectrique (suite) Un atome absorbe toute lénergie E dun photon X incident. Un électron dune couche électronique interne de latome est expulsé hors de cet atome alors ionisé. Lélectron a suffisamment dénergie pour: 1.fournir le travail W nécessaire pour lexpulser de latome; 2.conserver le reste de lénergie sous forme dénergie cinétique. où hf est lénergie (J) du photon X initial totalement absorbé par latome, W est le travail (J) dextraction de lélectron hors de latome(énergie de liaison) et K est son énergie cinétique.

24 Conséquence de leffet photoélectrique Résultats Disparition du photon incident Les rayons X absorbés par les substances denses provenant directement du tube produisent une ombre blanche sur la pellicule et dessinent ainsi un contour des os ayant absorbé ces radiations. Ionisation de latome

25 Exercices suggérés 2301, 2302, 2303, 2306 et 2309.


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