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Principe de production deRayons X de “freinage”
Séminaires de Biophysique14 juin 2010
A. La force répulsive coulombienne s’exerçant entre l’électron et le noyau est importante,
B. La répulsion de l’électron par le noyau est importante,
C. La déviation de la trajectoire de l’électron est importante,
D. L’accélération centrifuge subie par l’électron est importante,,
E. L’émission d’énergie sous forme de rayons X est importante
Q1 : Concernant le mécanisme de production du rayonnement X « de freinage », plus l’électron négatif incident accéléré par une haute tension adéquate passe à proximité d’un noyau du
matériau adéquat de la cible, plus :
1 B,C,E ; 2 A,C,D,E ; 3 B,C,D : 4 C,E : 5 D,E
Quelles sont les propositions exactes ?
A. L’énergie maximale des X est égale à 62 keV,
B. L’énergie minimale des X est de valeur nulle ou très proche de 0 keV,
C. La longueur d’onde minimale des X est égale à 0,2 Å
D. Apparaissent les X caractéristiques de la série K du tungstène,
E. Apparaissent les X caractéristiques de la série M du tungstène,
Q2: Soit un tube à RX de type Coolidge, utilisé pour réaliser une radiographie thoracique. La haute tension d’alimentation du tube est fixée à 62 kVolts. Le tungstène constituant la cible du tube, présente, sur les différentes couches électroniques, les énergies de liaisons suivantes : K =69,5 keV, L=11,5 keV, M=2,3 keV, N=0,40 keV. Le faisceau incident de RX subit, avant l’arrivée sur le patient, l’opération habituelle de filtration. La distribution en énergie des RX
arrivant sur le patient se présente sous la forme d’un spectre continu sur lequel :
1 A,B,C,D,E ; 2 A,C ; 3 A,B,C ; 4 B,D,E ; 5 A
Quelles sont les ou la proposition(s) exacte(s) ?
Générateurs de Rayons X ?
A. Fait appel à des structures métalliques,
B. Est réalisée entre cathode et anode du tube,
C. Porte essentiellement sur la partie la plus énergétique du spectre de rayons X émis
D. Permet de minimiser l’irradiation des tissus superficiels des patients radiographiés,
E. Représente une cause de dégradation de la qualité de l’image radiographique car elle est génératrice de rayonnement diffusé.
Q3 : Le faisceau de rayons X émis par un tube de Coolidge est « filtré » lors de l’utilisation pour réaliser un examen
radiographique. Cette opération de filtration :
1 A,B,C ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,E ; 5 B,E
Quelles sont les propositions exactes ?
A. Produit beaucoup d’énergie calorifique,
B. Est utilisé, du fait du complément précédent, comme appareil de chauffage d’appoint,
C. Produit peu d’énergie sous forme de rayons X,
D. Est utilisé, malgré le complément précédent, comme source de rayons X en radiologie conventionnelle,
E. Produit des quantités notables de gaz à effet de serre.
Q4 : Le tube de Coolidge, dans ses conditions habituelles de fonctionnement :
1 A,B,C,D ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,D : 5 A,D
Quelles sont les propositions exactes ?
Principe de production deRayons X de “freinage”
Séminaires de Biophysique14 juin 2010
1895 : C. Röntgen
1896 : H. Becquerel : rayons uraniques
radioactivité naturelle
1895 : C. Röntgen : rayons X, 1er prix Nobel de physique en 1901
1898 : P. et M. Curie : polonium, radium
Nobel 1903
1934 : I. et F. Joliot-Curie : radioactivité artificielle, Nobel 1935
Le faisceau de rayons X est d’autant plus atténué que le tissu est dense
radiographie actuelle
Principe de la radiographie
1895 : 1ère radiographie
Cible
Electrons Rayons X
Production des rayons X
Collisions avec les électrons atomiques RX caractéristiques.
Freinage dans le champ électrique des nx atomiques :RX de freinage.
+ Zp
noyau
Généralités sur les RX de freinage.
EX = E0-E1 = ΔE
photon X
e-
E0
e-
E1<E0
Indicatrice énergétique
Principe de production deRayons X
Spectre continu
Flux énergétique
EEmax0
Spectre continu des RX de freinage
dΦdE
ΔE = 0 : l’e- n’a pas été ralenti (très probable).
ΔE = Emax= E0 et l’e-:- a été totalement ralenti = arrêté !- a cédé la totalité de son Ec (peu probable)
E = E0-E1 = ΔE
Auto absorption dans la cible
Spectre théorique : droite de Chalmers.
Spectre réel : tenant compte absorption des X les moins énergétiques dans la cible elle-même
Spectre continu des RX de freinage
dΦdE
E
ΔE = 0 : l’e- n’a pas été ralenti (très probable).
ΔE = Emax= E0 et l’e-:- a été totalement ralenti = arrêté !- a cédé la totalité de son Ec (peu probable)
Emax0
Raies du rayonnement caractéristique
EL EK
Exemple : Ionisation sur couche K du Tungstène
• Des raies apparaissent autour de :– 69 keV ~ 𝜀L(K)
– 59 keV ~ 𝜀L(K)-𝜀L(L)
– 9 keV ~ 𝜀L(L)-𝜀L(M)
Energie (keV)
Photons émis par un tube à RX à anode de Tungstène
Nombre de photons
(unité arbitraire)
𝜀L(keV)
1s
2s
2p
3s3p3d
Principales raies du Tungtène
Energie maximale des X de freinage :
Emax = Ec d’un e- dont le ralentissement est total :
Ec = e.U avec e=1 uesf (1,6.10-19 Coulomb) et U=HT accélératrice.
Puisque e=1 → Emax (keV) = U (kvolts).
En radiologie Emax s’exprime en kV (ex. U=100 kV → Emax= 100keV)
E globale de ces photons d’Emax est très faible (éventualité très peu probable)
Cathode - Anode +
Vide
Gaz raréfié
e-
Emax = 1/2 mv2max = eU = hmax = hc/min
min = hc/eU = hc/Emax
• h = 6,62.10-34 (SI) • c = 3.108 m.s-1
•e= 1,6.10-19 Cmin (nm) = 1,24/ Emax (keV)
Relation de Duane et Hunt
Longueur d’onde λmin des X d’Emax :
Spectre continu et flux énergétique
Plutôt que considérer le nombre dN de photons X émis par intervalles petits d’énergie dE, on s’intéresse au flux énergétique :
dΦdE
= K.I.Z (Emax - E)
K = ConstanteI = intensité courant électroniqueZ = N° atomique de la cibleEmax = énergie max des RX émisE = énergie particulière considérée
dΦdE
EEmax0
Spectre théorique : droite de Chalmers.
Spectre réel : tenant compte absorption des X les moins énergétiques dans la cible elle-même
Spectre continu et flux énergétique : flux énergétique total
dΦdE
EEmax0
Spectre réel
Spectre théorique
2max
maxE
0E KIZ
2
1E).dEKIZ(Emax
Puisque Emax=U 2 UKIZ2
1
Rendement de l’émission X
ρ =E émise
E dépensée
E émise (X) = φ, E dépensée =P = UI et
ρ =φ
P=
1
2K.Z.U : proportionnel à Z et U
U = 100 kV et Z = 74 (cible tungstène) : ρ = 1 %, le reste (99%) en chaleur
U = 50. 106V , ρ = 100 %
ρ =Puissance émise
Puissance dépensée
2 UKIZ2
1
Indicatrice énergétique de l’émission X
Représente l’intensité énergétique et la direction de l’émission XDépend de l’Ec des électrons accélérés et donc de la haute tension accélératrice
Faisceau d’électrons
Rayons X
Indicatrice énergétique de l’émission X
Représente l’intensité énergétique et la direction de l’émission XDépend de l’Ec des électrons accélérés et donc de la haute tension accélératrice
Générateurs de rayons X
Tubes à rayons X utilisés en radiodiagnostic
TUBES DE COOLIDGE
Tubes radiogènes actuels
25
Trois paramètres déterminent le flux des RX émis et leur énergie :
- La valeur du flux d’électrons,- La valeur de la haute-tension accélératrice,- les caractéristiques de la cible matérielle
Flux d’électronsFlux d’électrons
Influence de l ’intensité I du courant pour la même ddp V
N
Energie
40mA
30mA
20mA
Haute-tension accélératriceHaute-tension accélératrice
N
Energie
100kV
80kV
60kV
Caractéristiques de la cibleCaractéristiques de la cible
Pour un bon rendement : Z élevé.Résistance à un échauffement important. Tungstène : 74WTungstène : 74W
Plus l’angle est petit, meilleure est la résolution
Angle
Largeur du faisceau électronique incident
Taille du faisceau
Film
Angle
Source RX
Modification du faisceau émisModification du faisceau émis
La limite supérieure du spectre ou EmaxLa limite supérieure du spectre ou Emax
Flux énergétique totalFlux énergétique total
Filtres métalliques sélectifsFiltres métalliques sélectifs
Ex : Tissu dense compact (os) : Emax 100 kV, Tissus mous (seins) Emax 50 kV
T° de chauffage du filament cathodique = intensité mA ou mAs
La partie la moins énergétique du spectre doit être éliminée car :
-Irradiation supplémentaire et inutile--Cause de dégradation de l’image car génératrice de rayonnement diffusé
Filtres métalliques sélectifsFiltres métalliques sélectifs
dΦdE
E0
Non filtré
Filtré
A. La force répulsive coulombienne s’exerçant entre l’électron et le noyau est importante,
B. La répulsion de l’électron par le noyau est importante,
C. La déviation de la trajectoire de l’électron est importante,
D. L’accélération centrifuge subie par l’électron est importante,
E. L’émission d’énergie sous forme de rayons X est importante
Q1 : Concernant le mécanisme de production du rayonnement X « de freinage », plus l’électron négatif incident accéléré par une haute tension adéquate passe à proximité d’un noyau du
matériau adéquat de la cible, plus :
1 B,C,E ; 2 A,C,D,E ; 3 B,C,D : 4 C,E : 5 D,E
Quelles sont les propositions exactes ?
A. L’énergie maximale des X est égale à 62 keV,
B. L’énergie minimale des X est de valeur nulle ou très proche de 0 keV,
C. La longueur d’onde minimale des X est égale à 0,02 nm,
D. Apparaissent les X caractéristiques de la série K du tungstène,
E. Apparaissent les X caractéristiques de la série M du tungstène,
Q2: Soit un tube à RX de type Coolidge, utilisé pour réaliser une radiographie thoracique. La haute tension d’alimentation du tube est fixée à 62 kVolts. Le tungstène constituant la cible du tube, présente, sur les différentes couches électroniques, les énergies de liaisons suivantes : K =69,5 keV, L=11,5 keV, M=2,3 keV, N=0,40 keV. Le faisceau incident de RX subit, avant l’arrivée sur le patient, l’opération habituelle de filtration. La distribution en énergie des RX
arrivant sur le patient se présente sous la forme d’un spectre continu sur lequel :
1 A,B,C,D,E ; 2 A,C ; 3 A,B,C ; 4 B,D,E ; 5 A
Quelles sont les ou la proposition(s) exacte(s) ?
Générateurs de Rayons X ?
A. Fait appel à des structures métalliques,
B. Est réalisée entre cathode et anode du tube,
C. Porte essentiellement sur la partie la plus énergétique du spectre de rayons X émis
D. Permet de minimiser l’irradiation des tissus superficiels des patients radiographiés,
E. Représente une cause de dégradation de la qualité de l’image radiographique car elle est génératrice de rayonnement diffusé.
Q3 : Le faisceau de rayons X émis par un tube de Coolidge est « filtré » lors de l’utilisation pour réaliser un examen
radiographique. Cette opération de filtration :
1 A,B,C ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,E ; 5 B,E
Quelles sont les propositions exactes ?
A. Produit beaucoup d’énergie calorifique,
B. Est utilisé, du fait du complément précédent, comme appareil de chauffage d’appoint,
C. Produit peu d’énergie sous forme de rayons X,
D. Est utilisé, malgré le complément précédent, comme source de rayons X en radiologie conventionnelle,
E. Produit des quantités notables de gaz à effet de serre.
Q4 : Le tube de Coolidge, dans ses conditions habituelles de fonctionnement :
1 A,B,C,D ; 2 A,D ; 3 C,D,E : 4 A,C,D : 5 A,D
Quelles sont les propositions exactes