Rayons X
Discussion
introduction
Ondes électromagnétiques
Effet photoélectrique inverse
histoire
Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen (également orthographié Roentgen). Il a reçu le premier prix Nobel de physique en 1901 « en reconnaissance des services extraordinaires qu’il a rendus par la découverte des remarquables rayons qui ont ensuite porté son nom. » Le président de la Société physico-médicale de Wurzberg, Albert von Kolliker, dont la main a été utilisée pour produire cette image, a proposé que cette nouvelle forme de rayonnement soit appelée « rayons de Röntgen ». Röntgen avait une idée différente.
On voit donc qu’un certain agent est capable de pénétrer le carton noir qui est tout à fait opaque à la lumière ultra-violette, à la lumière solaire ou à la lumière d’arc. Il est donc intéressant de rechercher dans quelle mesure d’autres corps peuvent être pénétrés par le même agent. Il est facile de montrer que tous les corps possèdent cette même transparence, mais à des degrés très divers. Par exemple, le papier est très transparent ; l’écran fluorescent s’illumine lorsqu’il est placé derrière un livre de mille pages ; l’encre d’imprimerie n’offre aucune résistance marquée….. Un morceau de tôle d’aluminium de 15 mm d’épaisseur laisse encore passer les rayons X (que j’appellerai les rayons, par souci de concision), mais réduit fortement la fluorescence. Les plaques de verre d’épaisseur similaire se comportent de la même manière ; le verre au plomb est cependant beaucoup plus opaque que le verre exempt de plomb….. Si la main est tenue devant l’écran fluorescent, l’ombre montre les os de façon sombre, avec seulement de faibles contours des tissus environnants.
Wilhelm Röntgen, 1895
Röntgen semble avoir toujours mis la majuscule à l’x. Je préfère utiliser la minuscule, puisque les rayons ne portent volontairement le nom de personne ou de quoi que ce soit.
Avertissement : n’essayez pas cela chez vous. N’essayez pas cela n’importe où !
La rétine de l’œil est assez insensible à ces rayons : l’œil placé près de l’appareil ne voit rien. Il ressort clairement des expériences que cela n’est pas dû à un manque de perméabilité de la part des structures de l’œil.
Wilhelm Röntgen, 1895
1912 : Walter Friedrich et Paul Knipping diffractent les rayons X dans la blende de zinc
1912 : Max von Laue suggère d’utiliser des solides en réseau pour diffracter les rayons X
1913 : William Bragg et Lawrence Bragg élaborent la condition de Bragg pour une forte réflexion des rayons X
1922 : Arthur Compton étudie la diffusion des photons de rayons X par les électrons
Tubes remplis de gaz/Roentgen
Les premiers tubes à rayons X étaient remplis d’air à basse pression (ou d’un vide partiel, si vous préférez)… cathode, anode et anticathode.
 Source : bulbcollector.com alias kilocat |
 Source : photo de l’auteur a.k.a. l’auteur |
Tubes réfrigérants/à vide
La plupart des tubes à rayons X utilisés aujourd’hui sont « remplis » de vide. Cette « variété entièrement nouvelle » de tube à rayons X a été inventée en 1913 par l’ingénieur électricien américain William Coolidge (1873-1975). La même année, Coolidge a mis au point la technique de fabrication de fils fins en tungstène (un métal notoirement non ductile). Presque toutes les ampoules à incandescence fabriquées après 1913 contiennent un filament de tungstène fabriqué selon le procédé de Coolidge. Après avoir travaillé sur les ampoules électriques, il s’est intéressé aux tubes à rayons X. Il a donc décidé d’utiliser le procédé de Coolidge. Et devinez quoi ? Presque tous les tubes à rayons X fabriqués après 1913 contiennent un filament en tungstène fabriqué selon le procédé utilisé dans les ampoules électriques.
Dans un tube à rayons X sous vide typique, les électrons sont accélérés depuis une cathode chauffée vers une anode métallique par une grande différence de potentiel. La modification de la température du filament modifie le courant d’électrons – une cathode plus chaude libère plus d’électrons qu’une cathode froide. C’est ce qui détermine l’intensité ou la « luminosité » du faisceau de rayons X. Puisqu’un électron produit un photon de rayons X lorsqu’il frappe l’anode, plus d’électrons traversent le tube, plus de photons de rayons X sont émis par le tube. La tension aux bornes du tube détermine l’énergie cinétique des électrons lorsqu’ils frappent l’anode, qui détermine à son tour le pouvoir de pénétration des photons de rayons X – plus d’énergie par électron signifie plus d’énergie par photon de rayons X et donc une plus grande capacité à labourer la matière.
La cathode est un filament de fil enroulé (généralement du tungstène) chauffé à environ 2000 °C (chaleur blanche). Elle émet des électrons par émission thermoionique. En un sens, les électrons « bouillonnent » à la surface du métal, mais c’est une sorte d’ébullition bizarre puisque les électrons qui partent sont toujours remplacés par de nouveaux. Si je mets une casserole d’eau sur la cuisinière à la maison, que je la fais bouillir et que je quitte la cuisine pendant une heure ou deux, il y a de fortes chances que la casserole soit vide (et peut-être même brûlante) à mon retour. Cela ne se produit pas avec les électrons dans une cathode. Ceux qui partent sont toujours remplacés par de nouveaux. S’ils ne le faisaient pas, nous nous retrouverions avec une collection d’ions chargés positivement (et éventuellement de noyaux nus) qui s’envoleraient sûrement en raison de leur répulsion mutuelle. Un tube à rayons X est un élément de circuit. Le courant entre d’un côté et sort de l’autre et fait le tour du circuit.
L’anode est un dissipateur thermique en cuivre relativement massif dont la face cible est coupée en diagonale et recouverte d’un autre métal (généralement du platine). Plus de 99% de l’énergie cinétique communiquée aux électrons est convertie en chaleur sur l’anode. Le 1% restant est émis sous forme de rayonnement de freinage (c’est-à-dire les rayons X utiles). Cette chaleur doit être transférée, sinon la cible fondrait. La solution de Coolidge consistait à faire tourner la cible à l’aide d’un petit moteur. Ainsi, le point chaud ne restait jamais assez longtemps au même endroit pour causer des dommages durables à l’anode. (Certains tubes à rayons X sont refroidis à l’eau.) La cible est coupée en diagonale pour que les rayons X émis se détachent de la surface selon un angle différent de celui des électrons incidents. Une coupe à 45° fait sortir les rayons X perpendiculairement à l’axe du tube. Toutes les photographies de tubes à rayons X de cette page ont leurs cibles alignées selon cet angle. (La photo d’un tube à rayons X dentaire présentée en bas à gauche est un peu déformée, de sorte que la géométrie n’est pas apparente.)
 Schéma d’une « variété entièrement nouvelle » de tube à rayons X provenant de la demande de brevet de William Coolidge en 1913. Presque tous les tubes à rayons X contemporains sont des variantes du tube Coolidge. Source : US Patent & Trademark Office |
 Tube à rayons X sous vide du type utilisé en dentisterie. Source : bulbcollector.com |
Spectres caractéristiques par rapport aux spectres bremsstrahlung (freinage).
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brems (freinage/décélération) + strahlung (rayonnement)
- Dans un métal pur froid (a), tous les électrons sont en dessous du niveau d’énergie de Fermi. L’énergie thermique permet aux électrons de former un nuage spatial dans le vide (b), et l’application d’un champ électrique permet de collecter les électrons sur une anode ; sinon, un équilibre s’établit entre les électrons à l’intérieur et à l’extérieur du métal. Un fil de tungstène est utilisé dans la plupart des tubes à rayons X, des microscopes électroniques et des microsondes électroniques afin de profiter de la température élevée pour la fusion (3680 K) et l’évaporation. Dans un tube à rayons X classique, le fil est une bobine d’environ 1 cm sur 1 mm, et la température est ajustée pour minimiser l’évaporation des atomes de W qui contaminent lentement la cible. À moins qu’une tension d’accélération ne soit appliquée, il n’y a pas de courant émis par un filament chaud en raison de la formation d’une charge d’espace d’électrons près de la surface du métal. Le courant de saturation est mesuré en utilisant le métal comme cathode d’un tube à vide et en collectant les électrons sur une anode qui est suffisamment positive pour dissiper la charge d’espace. Dans un tube à rayons X classique, une stabilité suffisante est obtenue en régulant la tension du filament (pour le chauffage) et la tension d’accélération entre la cathode et l’anode.
- Il existe deux (TROIS ?) mécanismes principaux par lesquels les rayons X sont produits. Le premier mécanisme implique la décélération rapide d’un électron à grande vitesse lorsqu’il entre dans le champ électrique d’un noyau. Au cours de ce processus, l’électron est dévié et émet un photon de rayons X. Ce type de rayons X est souvent appelé « rayon X ». Ce type de rayonnement X est souvent appelé bremsstrahlung ou « rayonnement de freinage ». Pour une source donnée d’électrons, un spectre continu de bremsstrahlung sera produit jusqu’à l’énergie maximale des électrons.
Les rayons X sont produits chaque fois que des électrons en mouvement rapide sont décélérés, et pas seulement dans les tubes à rayons X. Presque toutes les sources naturelles de rayons X sont extraterrestres. (Non, cela ne signifie pas qu’elles sont produites par des créatures extraterrestres de l’espace. Cela signifie simplement « au-delà de la Terre »). Les rayons X sont produits lorsque le vent solaire est piégé par le champ magnétique de la Terre dans les ceintures de radiation de Van Allen. Les trous noirs sont des sources importantes de rayons X dans l’univers. La matière qui tombe dans un trou noir subit une accélération extrême causée par le champ intense du trou noir. Une particule unique et isolée tomberait dans le trou sans émettre de rayonnement, mais un flux de particules le ferait, car les particules finiraient par se heurter les unes aux autres au cours de leur descente dans le trou. Chaque collision inélastique subie par une particule chargée entraînerait l’émission d’un photon. Comme ces collisions ont lieu à grande vitesse, les énergies des photons émis sont de l’ordre de celles que l’on trouve dans la région des rayons X du spectre électromagnétique. Des collisions inélastiques à des énergies encore plus élevées (supérieures à un million d’électronvolts) généreraient des rayons gamma.
- Le deuxième mécanisme par lequel les rayons X sont produits est par les transitions des électrons entre les orbites atomiques. De telles transitions impliquent le déplacement des électrons des orbites extérieures vers les vacuités des orbites intérieures. En effectuant ces transitions, les électrons émettent des photons de rayons X avec des énergies discrètes données par les différences d’états énergétiques au début et à la fin de la transition. Parce que de tels rayons X sont distinctifs pour l’élément et la transition particuliers, ils sont appelés rayons X caractéristiques.
Le troisième mécanisme est l’émission synchrotron.
- Initialement prédite en 1944 par Ivanenko et Pomeranschuk en Russie, elle a été, trois ans plus tard, observée accidentellement dans un accélérateur en anneau fermé du type d’un synchrotron. Il a longtemps été considéré comme un « déchet », car le rayonnement synchrotron est produit dans les accélérateurs sous forme de bremsstrahlung magnétique et limite de manière indésirable l’énergie finale requise des accélérateurs. Ce n’est que plusieurs années plus tard, en 1956, que le rayonnement synchrotron a été spécifiquement utilisé dans des recherches scientifiques par Tomboulian et Hartmann.
Le rayonnement synchrotron est émis par des particules chargées qui se déplacent sur une trajectoire courbe (comme cela se produirait en se déplaçant dans un champ magnétique). Comme la source de tout rayonnement électromagnétique est l’accélération de la charge, le rayonnement synchrotron est un exemple de rayonnement électromagnétique produit par une accélération centripète (par opposition au bremsstrahlung, qui est produit par une accélération tangentielle). La longueur d’onde de ce rayonnement est fonction de l’énergie des particules chargées et de l’intensité du champ magnétique qui plie les particules chargées. Le spectre de ce rayonnement est continu et est caractérisé par sa longueur d’onde critique, qui divise le spectre en deux parties de puissance égale (la moitié de la puissance rayonnée au-dessus de la longueur d’onde critique et l’autre moitié en dessous).
La longueur d’onde critique peut être trouvée en utilisant l’équation ci-dessous
| λc = | 4π | E03 | |
| 3 | cBE2 |
ce qui se réduit à l’équation suivante lorsque les particules chargées sont des électrons
| λc = | 1.86453 |
| BE2 |
Sources de rayonnement synchrotron : anneaux, ondulateurs, wigglers, La National Synchrotron Light Source ne produit pas de lumière comme forme principale de rayonnement électromagnétique. La plupart des recherches effectuées dans cette installation utilisent les rayons X et l’ultraviolet sous vide produits par le faisceau d’électrons.
- En 1945, le synchrotron a été proposé comme le dernier accélérateur pour la physique des hautes énergies, conçu pour pousser les particules, en l’occurrence les électrons, à des énergies plus élevées que ne pouvait le faire un cyclotron, l’accélérateur de particules de l’époque. Un accélérateur prend des particules chargées stationnaires, comme les électrons, et les pousse à des vitesses proches de celle de la lumière. En étant forcées par des aimants à se déplacer autour d’un anneau de stockage circulaire, les particules chargées émettent tangentiellement un rayonnement électromagnétique et, par conséquent, perdent de l’énergie. Cette énergie est émise sous forme de lumière et est connue sous le nom de rayonnement synchrotron.
Le rayonnement synchrotron est une nuisance dans un accélérateur de particules car il aspire l’énergie des particules accélérées, mais il constitue une source idéale de rayonnement électromagnétique de haute énergie. Le faisceau produit est composé de rayons presque parallèles (collimatés) et est assez intense.
- Le rayonnement synchrotron peut être produit pendant des heures, peut-être même des jours si vous étiez prêt à payer les bils électriques et si vous aviez une raison de travailler 24 heures sur 24. les tubes à rayons X ne peuvent fonctionner que pendant quelques secondes ou peut-être quelques minutes. Faites-les fonctionner trop longtemps et ils brûleront comme une ampoule électrique.
- Le rayonnement synchrotron est « organisé » : le faisceau est hautement polarisé (la plupart des ondes oscillent dans le même plan) et collimaté (la plupart des ondes sont dans la même direction). les tubes à rayons X produisent un rayonnement « désordonné » qui n’est absolument pas polarisé et ne peut être focalisé qu’avec beaucoup de difficultés. Une source synchrotron est comme un « laser à rayons X », tandis qu’un tube à rayons X est comme un « projecteur de rayons X ».
- Le rayonnement synchrotron peut être « partagé ». Un grand synchrotron peut avoir plus de 50 lignes de faisceau et réaliser des centaines, voire des milliers d’expériences en un an. Les installations de synchrotron sont coûteuses à construire, mais elles sont rentabilisées par le volume même de la recherche.
- Les ondulateurs ou les onduleurs (également connus sous le nom de dispositifs d’insertion) produisent un rayonnement synchrotron qui est considérablement plus brillant que le rayonnement d’un aimant de flexion. Le dispositif fait en sorte que les électrons suivent une trajectoire sinusoïdale au lieu d’une trajectoire courbe en établissant une série de champs magnétiques dont la polarité alterne et qui sont perpendiculaires à la direction de déplacement des électrons. Un wiggler augmente la luminosité du rayonnement produit par un faisceau d’électrons donné d’un facteur à peu près égal au double du nombre d’oscillations complètes que subit le faisceau. Les déviations du faisceau sont plus petites dans un onduleur que dans un wiggler, et la luminosité du rayonnement peut, en théorie, être augmentée d’un facteur à peu près égal au carré du nombre d’oscillations, mais seulement à des énergies de photons discrètes.
momentum du photon
Max Planck a découvert que les phtons ont de l’énergie.
E = hf
Albert Einstein a découvert que l’énergie et le momentum sont liés.
E2 = p2c2 + m2c4
Les photons sont sans masse, donc cette équation se réduit à…
E = pc
Combinez Planck et Einstein (leurs équations, pas les hommes eux-mêmes)….
hf = pc
Solvez pour la quantité de mouvement…
| p = | hf |
| c |
Rappellez que…
| λ = | c |
| f |
Ainsi…
| p = | h |
| λ |
Si Planck et Einstein ont raison, alors les photons ont aussi un momentum. Ce dont nous avons besoin maintenant, c’est de preuves expérimentales pour soutenir ou réfuter cela. (Ne vous inquiétez pas, personne ne va réfuter cela.)
effet Compton
Arthur Compton (1892-1962) Etats-Unis
| ∆λ = | 2h | sin2 | θ |
| mec | 2 |
technologie
graphiques d’ombre
tomographie axiale calculée (CAT)
diffusion de rayons x-.
diffusion des rayons X
diffraction des rayons X
fluorescence des rayons X
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