Rayons X: production et interaction avec la matière

Comme la radiographie et le scanner utilisent des rayons X afin de reproduire une image du tissu souhaité, il est important de s’intéresser aux rayons X.

Les rayons X constituent un rayonnement ionisant provoquant l’ionisation des atomes de la matière qu’il traverse. Ils sont constitués de photons dont la longueur d’onde est comprise entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L’énergie des rayons X permet aux rayons X de traverser certaines parties de notre organisme.

Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen. Ces rayons sont produits dans un tube de Coolidge ou tubes à cathode chaude (figure 1).

Tube à rayons X

Dans ce tube, des électrons sont produits à partir de l’échauffement d’un filament de la cathode.  Ces électrons sont accélérés par une différence de potentiel en direction d'une anode en métal, qui les attire. Dans l’anode, les électrons entrent en collision avec le métal.

Certains élec-trons ayant une vitesse élevée vont réussir à traverser certaines couches électroniques des atomes et collisionnent avec d’autres électrons. En conséquence, ces derniers vont être éjectés de l’atome laissant ainsi une place vacante. Les électrons des couches plus externes vont venir occuper cette place et puisqu’ils changent d’orbite, vont perdre de l’énergie sous forme de photon, c’est le rayonnement X.

D’autres électrons incidents sont arrêtés par le bloc solide de l’anode et ne pénètrent que très peu. En effet, ils sont soumis à une très forte décélération et émettent ce qu’on appelle le rayonnement de freinage. Ce rayonnement constitue aussi une partie du faisceau des rayons X.

Seulement 1% environ de l'énergie cinétique perdue par les électrons est irradiée sous forme de rayons X. Ainsi, la plupart de l’énergie est convertie en énergie thermique.

Lorsque le rayonnement est produit, il est projeté sur un tissu. Dès qu’un faisceau de rayon X pénètre un tissu, il interagit avec ces électrons. Il y a deux types d’interaction possible, soit l’effet photoélectrique soit l’effet Compton. Dans les deux cas, il y a éjection d’un électron et production d’un photon secondaire qui se diffuse. Un examen radiographique ou scanner utilise des basses énergies. Dans ce cas, c’est l’effet photoélectrique qui est prédominant.

C’est l’intensité des photons diffusées qui permet de réaliser un examen. L’intensité des photons qui traversent le corps du patient dépend de la quantité de photons incidents et du coefficient d’atténuation, µ, à l’énergie utilisée lors de l’examen. Cette relation est donnée par la Loi de Beer Lambert, qui est la suivante:

I(x)=I0e^(-µ(E,M)x)

Avec I: intensité du faisceau après avoir traversé une épaisseur x de matière         

 I0: intensité du faisceau incident [I0=I(x=0)]          

µ(E,M): coefficient d’atténuation de l’objet traversé, dépend de l’énergie E des photons et du milieu M (en m-1)        

 x: épaisseur de l’objet