Rayon X - Définition

Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV. C'est un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale et la cristallographie.

Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, qui a reçu pour cela le premier prix Nobel de physique ; il les nomma ainsi car ils étaient d'une nature inconnue (la lettre x désigne l'inconnue en mathématiques).

La distinction entre les rayons X et les rayons gamma (qui sont de même nature et d'énergie semblable) vient de leur mode de production : les rayons X sont des photons produits par les électrons des atomes alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux des atomes.

Historique

À la fin du XIX^e siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques qui ont été découverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient été étudiés par Crookes (voir l'article Tube de Crookes). À cette époque, tous les physiciens savent reproduire l'expérience de Crookes mais personne n'a eu d'idée d'application de ces rayonnements.

En 1895, Wilhelm Röntgen reproduit l'expérience à de nombreuses reprises en modifiant ses paramètres expérimentaux (types de cibles, tensions différentes, etc.). Le 8 novembre 1895, il parvient à rendre luminescent un écran de platinocyanure de baryum. C'est une intuition que l'on peut qualifier de " géniale " qui va mener Röntgen dans la direction de sa découverte : il décide de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est identique à la situation normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode et l'écran fluorescent, et en déduit que le rayonnement traverse la matière d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Plus troublant encore, lorsqu'il place des objets métalliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient à visualiser l'ombre de l'objet sur le négatif.

Röntgen parvient à en déduire que les rayons sont produits dans la direction des électrons du tube et que ce rayonnement est invisible et très pénétrant.

Comme il ne trouve pas de dénomination adéquate pour ses rayons, Röntgen les baptise " Rayons X ". Notons au passage que ce rayonnement est encore souvent appelé Röntgen Strahlen (litt. rayons de Röntgen) en Allemagne.

Le premier cliché est celui de la main d'Anna Bertha Röntgen (22 décembre 1895, pose de 20 min.) ; il s'agit de la première radiographie, la radiologie est née.

Un mois plus tard, Bergonié reproduit à Bordeaux l'expérience de Röntgen, avant que ce dernier publie officiellement.

Le 28 décembre 1895, Röntgen publie sa découverte dans un article intitulé " Über eine neue Art von Strahlen " (" À propos d'une nouvelle sorte de rayons ") dans le bulletin de la Société physico-chimique de Wurtzbourg.

C'est cette découverte qui lui vaudra le premier prix Nobel de physique en 1901.

Il tire quatre conclusions dans son article :

1. " les rayons X sont absorbés par la matière ; leur absorption est en fonction de la masse atomique des atomes absorbants ;
2. les rayons X sont diffusés par la matière ; c'est le rayonnement de fluorescence ;
3. les rayons X impressionnent la plaque photographique ;
4. les rayons X déchargent les corps chargés électriquement."

La recherche de Röntgen est rapidement développée en dentisterie puisque deux semaines plus tard, le Dr Otto Walkhoof réalise à Braunschweig la première radiographie dentaire.

Il faut 25 minutes d'exposition. Il utilise une plaque photographique en verre, recouverte de papier noir et d'une digue (champ opératoire) en caoutchouc. Six mois après, paraît le premier livre consacré à ce qui va devenir la radiologie dont les applications se multiplient - dans le cadre de la physique médicale, pour le diagnostic des maladies puis leur traitement (radiothérapie qui donne une expansion extraordinaire à ce qui était jusque-là l'électrothérapie).

Röntgen laissa son nom à l'unité de mesure utilisée en radiologie pour évaluer une exposition aux rayonnements. Le symbole des röntgens est R.

La découverte de Röntgen fit rapidement le tour de la terre. En 1897, Antoine Béclère, pédiatre et clinicien réputé, créa, à ses frais, le premier Laboratoire hospitalier de radiologie.

Tout le monde voulait faire photographier son squelette. Mais pendant longtemps, les doses étaient trop fortes. Par exemple, Henri Simon, photographe amateur, a laissé sa vie au service de la radiologie. Chargé de prendre les radiographies, les symptômes dus aux radiations ionisantes apparurent après seulement deux ans de pratique. On lui amputa d'abord la main (qui était constamment en contact avec l'écran fluorescent) mais ensuite, un cancer généralisé se déclara.

Au début de la radiologie, les rayons X étaient utilisés à des fins multiples : dans les fêtes foraines où on exploitait le phénomène de fluorescence, dans les magasins où l'on étudiait l'adaptation d'une chaussure au pied des clients grâce au rayonnement et bien sûr, on les utilisait pour la radiographie médicale. Encore là, on fit quelques erreurs, par exemple en radiographiant les femmes enceintes.

Avec les années, on diminua la durée des examens et les quantités administrées. Cent ans après leur découverte, on se sert encore des rayons X en radiographie moderne. On les utilise aussi dans les scanners, pour effectuer des coupes du corps humain. Plusieurs autres techniques sont venues compléter les appareils des médecins : les ultrasons, l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, la scintigraphie ou encore la tomographie par émission de positrons.

Mais on ne se sert pas des rayons X seulement en médecine ; les services de sécurité les utilisent pour examiner le contenu des valises ou des conteneurs aériens et maritimes sur écran. Les policiers les exploitent afin d'analyser les fibres textiles et les peintures se trouvant sur le lieu d'un sinistre. En minéralogie, on peut identifier divers cristaux à l'aide de la diffraction des rayons X.

Production des rayons X

Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique comme les ondes radio, la lumière visible, ou les infra-rouge. Cependant, ils peuvent être produits de deux manières très spécifiques :

• par des changements d'orbite d'électrons provenant des couches électroniques ; les rayons X sont produits par des transitions électroniques faisant intervenir les couches internes, proches du noyau ; l'excitation donnant la transition peut être provoquée par des rayons X ou bien par un bombardement d'électrons, c'est notamment le principe de la spectrométrie de fluorescence X et de la microsonde de Castaing ;
• par accélération d'électrons (accélération au sens large : freinage, changement de trajectoire) ; on utilise deux systèmes :
  • le freinage des électrons sur une cible dans un tube à rayons X : les électrons sont extraits d'une cathode de tungstène chauffée, accélérés par une tension électrique dans un tube sous vide, ce faisceau sert à bombarder une cible métallique (appelée anode ou anti-cathode) ; le ralentissement des électrons par les atomes de la cible provoque un rayonnement continu de freinage (ou Bremsstrahlung, terme allemand adopté internationalement) ;
    voir l'article Tube à rayons X ;
  • la courbure de la trajectoire dans des accélérateurs de particule, c'est le rayonnement dit " synchrotron ".

Notez que dans le cas d'un tube à rayons X, on a à la fois un rayonnement continu (Bremsstrahlung) et un phénomène de fluorescence de la cible.

La photo utilisée dans l'encart ci-dessus pour illustrer à la fois sciences physique et quantique est un diffractomètre à rayons X.

Dans le cas où la radiation ionisante électromagnétique est dérivée d'une source naturelle, les photons ne sont pas considérés comme étant des rayons X, mais plutôt comme étant des rayons gamma.

Propriétés des rayons X

Historiquement, les rayons X étaient connus pour faire briller certains cristaux (fluorescence), ioniser les gaz et impressionner les plaques photographiques.

Les principales propriétés des rayons X sont les suivantes :

• ils pénètrent facilement la " matière molle " (matière solide peu dense et constituée d'éléments légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote) ; ils sont facilement absorbés par la " matière dure " (matière solide dense constituée d'éléments lourds) ;

c'est ce qui permet l'imagerie médicale (radiographie, scanner) : ils traversent la chair et sont arrêtés par les os ;

• ils sont facilement absorbés par l'air, par l'atmosphère ;

de fait, les télescopes à rayons X (qui détectent les rayons X émis par les étoiles) doivent être placés dans des satellites, et les radiographies médicales, la source de rayons X doit être proche du patient ;

• l'ordre de grandeur de leur longueur d'onde étant celui des distances interatomiques dans les cristaux (métaux, roches...), ils peuvent diffracter sur ces cristaux ;

ceci permet de faire de l'analyse chimique, et plus précisément de l'analyse de phase par diffraction de rayons X (ou radiocristallographie) ;

• du fait de l'énergie importante des photons, ils provoquent des ionisations des atomes, ce sont des rayonnements dits " ionisants " ;

ceci donne naissance au phénomène de fluorescence X, qui permet une analyse chimique, mais cela modifie aussi les cellules vivantes (cf. infra).

Effets sur la santé

Les rayons X sont des radiations ionisantes. Une exposition prolongée aux rayons X peut provoquer des brûlures (radiomes) mais aussi des cancers. Ces effets ont été réellement pris en compte assez tard. C'est ainsi que dans un ouvrage de 1954, on ne lisait aucune recommandation de sécurité, mais par contre ^[1] :

" It was shown that X-rays produce an effect, though a small one, directly upon the retina, giving rise to a faint illumination of the whole field of view. "

" Il a été montré que les rayons X provoquent un effet, certes peu important, directement sur la rétine, provoquant une légère illumination dans tout le champ de vision. "

ce qui semble indiquer que les auteurs ou leurs collaborateurs étaient soumis à cet effet occasionnellement.

Les personnels travaillant avec des rayons X doivent suivre une formation spécifique, être protégés et suivis médicalement (ces mesures peuvent être peu contraignantes si l'appareil est bien " étanche " aux rayons X)

Détection

Les rayons X sont invisibles à l'œil, mais ils impressionnent les pellicules photographiques. Si l'on place un film vierge protégé de la lumière (dans une chambre noire ou enveloppée dans un papier opaque), la figure révélée sur le film donne l'intensité des rayons X ayant frappé la pellicule à cet endroit. C'est ce qui permis à Röntgen de découvrir ces rayons. Ce procédé est utilisé en radiographie médicale ainsi que dans certains diffractomètres (clichés de Laue, chambres de Debye-Scherrer). Il est aussi utilisé dans les système de suivi des manipulateurs : ceux-ci doivent en permanence porter un badge, appelé " film dosimètre ", enfermant une pellicule vierge ; ce badge est régulièrement changé et développé par les services de santé pour contrôler que le manipulateur n'a pas reçu de dose excessive de rayons X.

Comme tous les rayonnement ionisants, les rayons X sont détectés par les compteurs Geiger-Müller (ou compteur G-M). Si l'on diminue la tension de polarisation du compteur, on obtient un compteur dit " proportionnel " (encore appelé " compteur à gaz " ou " compteur à flux gazeux ") ; alors que le compteur G-M travaille à saturation, dans le compteur proportionnel, les impulsions électriques générées sont proportionnelles à l'énergie des photons X.

Les rayons X provoquent aussi de la fluorescence lumineuse sur certains matériaux, comme l'iodure de sodium NaI. Ce principe est utilisé avec les " compteurs à scintillation " (ou " scintillateurs ") : on place un photodétecteur après un cristal de NaI ; les intensités des impulsions électriques récoltées par le photomultiplicateur sont elles aussi proportionnelles aux énergies des photons.

De même qu'ils peuvent ioniser un gaz dans un compteur G-M ou proportionnel, les rayons X peuvent aussi ioniser les atomes d'un cristal semi-conducteur et donc générer des paires électron-trou de charges. Si l'on soumet un semi-conducteur à une haute tension de prépolarisation, l'arrivée d'un photon X va libérer une charge électrique proportionnelle à l'énergie du photon. Ce principe est utilisé dans les détecteurs dits " solides ", notamment pour l'analyse dispersive en énergie (EDX ou EDS). Pour avoir une résolution correcte, limitée par l' énergie de seuil nécessaire à la création de charges, les détecteurs solides doivent être refroidis, soit avec une platine Peltier, soit à l'azote liquide. Les semi-conducteurs utilisés sont en général du silicium dopé au lithium Si(Li), ou bien du germanium dopé au lithium Ge(Li).

Notons au passage que la faible température n'a pas d'effet direct sur la valeur de l'énergie de seuil, mais sur le bruit de fond. Il est possible en revanche d'utiliser des supraconducteurs maintenus à très basse température afin de faire usage d'énergie de seuil vraiment petite. Par exemple l'énergie de seuil nécessaire à la création de charges " libres " dans le silicium est de l'ordre de 3 eV, alors que dans le tantale supraconducteur, disons au-dessous de 1 Kelvin, elle est de 1 meV, soit 1 000 fois plus faible. La diminution de la valeur de seuil a pour effet d'augmenter le nombre de charges créées lors de la déposition d'énergie, ce qui permet d'atteindre une meilleure résolution. Cette dernière est en effet limitée par les fluctuations statistiques du nombre de charge créées. L'amplitude de ces fluctuations peut s'estimer avec la Loi de Poisson. Des expériences récentes de détection d'un photon X à l'aide d'un calorimètre maintenu à très basse température (0,1 K) permettent d'obtenir une excellente résolution en énergie. Dans ce cas, l'énergie du photon absorbé permet de chauffer un absorbeur, la différence de température est mesurée à l'aide d'un thermomètre ultra sensible.

Afin de comparer les approches : le Si permet une précision de la mesure de l'ordre de 150 eV pour un photon de 6 000 eV. Un senseur au Ta permet d'approcher 20 eV, et un calorimètre maintenu à 0,1 K a récemment démontré une résolution d'environ 5 eV, soit un pouvoir de résolution de l'ordre de 0,1 %. Il est utile de mentionner que les méthodes de détection cryogéniques ne permettent pas encore de fabriquer des capteurs possédant un grand nombre d'éléments d'images (pixel), alors que les capteurs basés sur les semi-conducteurs offrent des " caméras " à rayons X avec plusieurs milliers d'éléments. De plus, les taux de comptage obtenus par les senseurs cryogéniques sont limités, 1 000 à 10 000 cps par pixel.

Rayons X en cristallographie

L'analyse des cristaux par diffraction de rayons X est aussi appelée radiocristallographie. Ceci permet soit de caractériser des cristaux et de connaître leur structure (on travaille alors en général avec des monocristaux), soit de reconnaître des cristaux déjà caractérisés (on travaille en général avec des poudres polycristallines).

Pour travailler avec un monocristal, on utilise l'appareil ci-contre :

• Les rayons X sortent par le tube vertical en haut ;
• le cristal au centre de la photo est trop petit pour être vu ; il est fixé à l'extrémité d'une fine aiguille de verre manipulée par la tête goniométrique sur la droite (qui ressemble au mandrin d'une perceuse) et permet selon trois axes successifs (un vertical, un à 45° et un horizontal) de tourner le cristal dans toutes les orientations tout en le maintenant dans le faisceau de rayons X ;
• une caméra vidéo (en noir en haut à gauche) permet de contrôler que le cristal est bien centré ;
• un puits en bas au milieu est tenu par une lame : le puits sert à arrêter les rayons X directs qui n'ont pas interagi avec le cristal ;
• un système de refroidissement (à gauche, tube avec des lettres en rouge) permet de refroidir le cristal ;
• n'est pas visible sur la photo le détecteur de rayons X qui est depuis quelques années une caméra CCD permettant de remplacer à la fois les plaques photos et les compteurs ;
• n'est pas visible aussi la source de rayons X et son monochromateur focaliseur qui est composé d'une multicouche miroir à rayons X ;
• n'est pas visible l'informatique d'acquisition des données expérimentales.

Utilisé en géologie et en métallurgie, c'est aussi un outil de biophysique, très utilisé en biologie pour déterminer la structure des molécules du vivant, notamment en cristallogénèse (c'est l'art de fabriquer des monocristaux avec une molécule pure) ; dans ce cadre, un monocristal de la molécule est mis dans un faisceau de rayons X monochromatiques et la diffraction observée pour différentes position du cristal dans le faisceau de rayons X (manipulé par un goniomètre) permet de déterminer non seulement la structure du cristal, mais aussi et surtout la structure de la molécule. C'est notamment par radiocristallographie que James Watson, Francis Crick et leurs collaborateurs ont pu déterminer la structure hélicoïdale de l'ADN en 1953.

Réglementation

Dans l'Union européenne, l'utilisation des rayons X est soumise aux normes Euratom 96/29 et 97/43. La directive 97/43/ Euratom du 30 juin 1997 aurait dû être transposée en Droit interne français au plus tard le 30 mai 2000.

En France, il faut se référer :

• au Code de la santé publique (CSP), articles L.1333-1 à L.1333-20 (nouvelle partie législative), articles R.1333-17 à R.1333-93 (nouvelle partie réglementaire) ;
• au Code du travail (CT), articles R.231-73 à R.231-116 (partie réglementaire — décrets en Conseil d'État) ;
• aux normes NFC 74-100 (conception), NFC 15-160, NFC 15-164 (installation) ; ces normes sont obsolètes et sont en cours d'actualisation en 2006.

L'organisme chargé du contrôle est la DGSNR, la Direction générale de la sûreté nucléaire et de la radioprotection, créée n°2002-255 par le décret du 22 février 2002, modifiant le décret n°93-1272 du 1er décembre 1993, et qui remplace la DSIN (Direction de la sûreté des installations nucléaires). La DGSNR est une branche de l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN).

Autre acception

" X-ray " est aussi l'appellation de la lettre X dans l'alphabet radio international.

Notes et références