Tube à rayons X

Les tubes à rayons X sont des systèmes servant à produire des rayons X, généralement pour trois types d'applications ...



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  • ... La cathode K du tube à rayons X est un filament chauffé qui émet des ... de 20 à 100 kV, est appliquée entre ce filament et la cible A, ... Les premiers dispositifs de production de rayons X étaient les tubes de Crookes, ... (source : fr.wikibooks)
  • quand la tension du tube à rayons X est inférieure à 50 kilovolts (crête), ... le format du récepteur d'image; et; la distance entre la cible et le ... (source : hc-sc.gc)
Deux Tubes radiogènes

Les tubes à rayons X sont des systèmes servant à produire des rayons X, généralement pour trois types d'applications :

Il existe plusieurs types de tubes.

Principe de fonctionnement

Quel que soit le type de tube, la génération des rayons X se fait selon le même principe.

Une haute tension électrique (de l'ordre de 20 à 400 kV) est établie entre deux électrodes. Il se produit alors un courant d'électrons de la cathode vers l'anode (quelquefois nommée «anticathode» ou «cible»).

Les électrons sont freinés par les atomes de la cible, ce qui provoque un rayonnement continu de freinage ou Bremsstrahlung, dont une partie du spectre est dans le domaine des rayons X.

Ces rayons X excitent les atomes de la cible, et ceux-ci réémettent un rayonnement X caractéristique par le phénomène de fluorescence X.

Le spectre sortant du tube est par conséquent la superposition du rayonnement de freinage et de la fluorescence X de la cible.

Les tubes de rayons X ont un rendement extrêmement mauvais, l'essentiel de la puissance électrique (99 %) est dissipée sous forme de chaleur. Les tubes doivent par conséquent être refroidis, généralement par une circulation d'eau.

Tube de Crookes

Historiquement, le premier tube à rayons X fut découvert par sir William Crookes. Il s'agissait à l'origine de provoquer une fluorescence lumineuse de minéraux. Le tube de Crookes est toujours nommé tube à décharge, tube à gaz ou tube à cathode froide.

Il s'agit d'une ampoule en verre dans laquelle on fait le vide ; il reste une pression d'air résiduelle d'environ 100 Pa (env. 1 torr). Elle contient une cathode métallique, en aluminium, de forme concave pour concentrer le flux d'électrons, et une anode, ou «cible».

Une bobine d'induction apporte une haute tension. Il se produit alors une ionisation de l'air résiduel, sous la forme d'un éclair ou «décharge», qui provoque un flux d'électrons de la cathode vers l'anode. Ce flux, nommé rayon cathodique, produit un rayonnement électromagnétique qui est capable de créer de la lumière de fluorescence sur certains corps mais aussi produire des décharges de corps électrisés à distance. Il crée aussi des rayons X.

Ce tube ne sert à créer des rayons X que par intermittence. Il est toujours utilisé dans certains types de cyclotrons.

Tube de Coolidge

Schéma de principe d'un tube de Coolidge à fenêtre latérale
  • K : filament
  • A : anode
  • Win et Wout : entrée et sortie de l'eau de refroidissement

Le tube de Crookes fut perfectionné par William Coolidge en 1913. Le tube de Coolidge, toujours nommé tube à cathode chaude, est le tube le plus largementutilisé. C'est un tube sous vide poussé (env. 10-4 Pa, env. 10-6 torr), recouvert d'une enceinte plombée.

Dans le tube de Coolidge, les électrons sont émis par un filament de tungstène chauffé par un courant électrique (effet thermoïonique aussi utilisé dans les tubes cathodiques de téléviseur). Le filament forme la cathode du tube. La haute tension est établie entre la cathode et l'anode, ce qui accélère les électrons émis par le filament. Ces électrons viennent frapper l'anode.

Dans les tubes dits «à fenêtre latérale», les électrons sont concentrés (focalisés) par une pièce nommée Wehnelt positionnée juste après le filament.

D'un point de vue électrique, on a donc :

On peut distinguer deux géométries de tube :

Tube à anode tournante

Les tubes à anode tournante sont un progrès des tubes de Coolidge permettant d'avoir des intensités de rayons X importantes.

Une des limitations de la production de rayons X est en effet la chaleur produite par le phénomène. On prend par conséquent une grande anode de forme cylindrique et on la fait tourner. Ainsi, chaque partie de l'anode n'est irradiée que durant un court instant, ce qui favorise la dissipation de la chaleur.

On peut ainsi atteindre des puissances de l'ordre de 80 kW.

Conditions de fonctionnement des tubes à cathode chaude

Paramètres du spectre

Spectre d'un tube à anticathode de cuivre, mesuré par diffraction sur un monocristal de fluorure de lithium

Les trois paramètres importants des tubes à cathode chaude (tubes de Coolidge et tubes à anode tournante) sont :

L'intensité des rayons X est directement proportionnelle à l'intensité du courant qui parcours le filament, toutes choses étant identiques d'autre part. L'intensité du courant du filament fluctue typiquement de 5 à 50 mA pour un tube de Coolidge, plus pour un tube à anode tournante.

Le rôle de la haute tension est plus complexe. Les électrons de charge e sont accélérés avec la haute tension V, leur énergie cinétique E0 est donc

E_0 = V \cdot e

si elle est exprimée en kilo électron-volts (keV), E0 a la valeur numérique de V en kilo-volts.

Si E0 est inférieure à l'énergie d'ionisation des électrons de cœur des atomes de la cible, on n'a que du rayonnement continu de freinage. Si E0 est supérieure à cette énergie d'ionisation, la cible va émettre de la fluorescence. On verra généralement les raies Kα1, Kα2 et Kβ des atomes de la cible.

Plus on augmente la haute tension, plus l'énergie maximale des photons augmente, par conséquent plus la longueur d'onde minimale diminue.

La nature chimique de la cible va faire fluctuer les énergies/longueurs d'onde des raies de la cible.

Cas de la diffraction X

Pour la diffraction X, on s'intéresse essentiellement aux raies Kα de la cible, pas au rayonnement de fond. En effet, la direction de diffraction dépendant de la longueur d'onde (selon la loi de Bragg), on cherche à avoir la majorité du temps une radiation monochromatique (à l'exception des clichés de Laue). En réalité, on élimine généralement la raie Kβ mais on conserve les raies Kα1 et Kα2, mais aussi le rayonnement continu de freinage qui contribuera au bruit de fond. Occasionnellemen où le rapport signal sur bruit est capital, on utilise un monochromateur, au prix d'une perte importante d'intensité — on a alors une radiation «réellement» monochromatique ; on peut aussi utiliser un détecteur «solide» (diode de silicium dopé au lithium ou diode de silicium à diffusion) ayant une très bonne discrimination en énergie (principe de l'analyse dispersive en énergie), ce qui sert à travailler en monochromatique tout en ayant un signal intense.

On utilise typiquement des hautes tensions de 50 kV, et des cibles de cuivre généralement, quelquefois de molybdène, cobalt ou de manganèse. En effet, la longueur d'onde des raies Kα1 du cuivre (de l'ordre de 1, 6 Å) permet d'observer le phénomène de diffraction pour une grande plage de distances interréticulaires (d allant de 0, 9 à 9, 2 Å sur une plage angulaire 2θ de 10 à 120°, voir l'article Loi de Bragg). Par contre, les raies du cuivre ont une énergie suffisamment grande (8 keV pour la Kα1) pour exciter les atomes de fer, la fluorescence induite sur les échantillons contenant surtout du fer (comme les aciers et fontes) donne par conséquent un bruit de fond particulièrement élevé. L'utilisation d'un tube au cobalt ou au manganèse sert à diminuer ce bruit de fond parasite puisque les énergies des photons sont insuffisantes pour exciter le fer (la raie Kα1 du cobalt a une énergie de 6, 9 keV, celle du manganèse 5, 9 keV)  ; une autre solution consiste à mettre un monochromateur arrière (c'est-à-dire localisé entre l'échantillon et le détecteur) ou d'utiliser un détecteur filtrant de manière précise les énergies des photons (détecteur solide du type de ceux utilisés en analyse dispersive en énergie) afin d'éliminer la composante fluorescente du fer.

Le tube au manganèse est aussi utilisé pour le mesure des contraintes (stress)  : le décalage angulaire Δ2θ pour une déformation de la maille de ε vaut :

\Delta 2 \theta = -2 \tan \theta \cdot \varepsilon

donc plus 2θ est élevé, plus le décalage Δ2θ est important. Or, la longueur d'onde de la raie Kα1 du manganèse (de l'ordre de 2, 1 Å) permet d'avoir des angles de diffraction plus élevés.

Cas de la fluorescence X

En fluorescence X, le contexte est différent. Il faut ici avoir des photons ayant une énergie suffisante pour exciter les atomes qu'on veut détecter. On choisit par conséquent des cibles en éléments lourds, comme le rhodium pour la majorité des tubes (la raie Kβ a une énergie de 22, 7 keV), ou quelquefois le palladium (en général pour les minitubes, la raie Kβ a une énergie de 23, 8 keV). Les éléments ayant une énergie d'ionisation plus élevée sont excités par les photons du rayonnement continu de freinage.

La limitation principale est due à la puissance du générateur. En effet, si on veut plus d'intensité, il faut diminuer la haute tension ; cette situation est adaptée à la mesure des éléments légers car ceux-ci n'ont besoin que de photons de faible énergie, par contre, leur signal étant faible, il faut augmenter l'intensité. Si par contre, on veut exciter les atomes lourds, il faut une haute tension plus élevée, par conséquent diminuer l'intensité ; ceci ne pose pas de problème car les atomes lourds donnent un signal important.

La plupart des spectromètres ont un tube de Coolidge alimenté par une puissance électrique de 1 à 4 kW.

Cependant, tout le rayonnement du tube ne sert pas à exciter les atomes de l'échantillon ; une partie est diffusée par diffusion Rayleigh ou par effet Compton. Les pics caractéristiques de la cible apparaissent par conséquent sur le spectre mesuré, même si l'échantillon ne contient pas de ces éléments. Ces phénomènes peuvent gêner la détection des éléments ayant des pics d'une énergie proche de ceux de l'anode du tube. Pour éviter ceci, on peut

Vieillissement du tube

Spectre d'émission d'un tube à rayons X vieilli (cible de cuivre), mesuré par diffraction du rayonnement non monochromatisé et non filtré sur un monocristal de LiF.

Le vieillissement du tube fait intervenir trois phénomènes :

Le filament de tungstène est chauffé et sous vide, il va par conséquent naturellement se sublimer. Le gaz de tungstène ainsi créé va migrer dans le tube et se condenser sur les parois mais aussi sur la fenêtre. On va par conséquent avoir trois effets :

La fenêtre du tube est la plus fine envisageable afin d'absorber le moins de rayons X. Le tube étant sous vide, les gaz vont lentement diffuser vers l'intérieur du tube. Ceci est spécifiquement vrai pour les tubes mis dans une atmosphère d'hélium (cas des spectromètres de fluorescence X mesurant des liquides), l'hélium étant une molécule particulièrement petite. Quand le vide n'est plus suffisant, il se produit des arcs électriques (ionisation du gaz sous l'effet de la haute tension) nommés «flashages», qui empêchent la production de rayons X. Quand les flashages deviennent trop habituels, le tube est inutilisable et doit être changé.

Le tube est refroidi à l'eau. L'humidité va avoir tendance à se condenser sur les parties froides, et surtout les tubulures métalliques transportant l'eau dans le tube. Cette humidité va accélérer la corrosion du métal. C'est une des raisons pour laquelle le tube est gardé allumé hors utilisation (on le met généralement au minimum de la haute tension et de l'intensité, par exemple 20 kV et 5 mA)  : en gardant le tube chaud, on évite la condensation.

L'autre raison pour laquelle le tube est maintenu allumé hors fonctionnement est pour éviter les chocs thermiques. On maintient généralement l'intensité dans le filament (courant de chauffe) même quand la haute tension est coupée : le tube n'émet pas de rayons X, mais il n'est pas éteint, il ne subit pas de variation de température.

Selon les conditions d'utilisation, la durée de vie d'un tube va d'un à dix ans, avec une moyenne de trois à cinq ans.

Voir aussi

Bibliographie

Liens externes

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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