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Rayon X
Une des premières radiographies prise par Wilhelm Röntgen.
Une des premières radiographies prise par Wilhelm Röntgen.

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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV. C'est un rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse. Pour les rayons ionisants, il y a beaucoup d'usages pratiques, mais ces rayons sont aussi dangereux...) utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) médicale et la cristallographie.

Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et...) 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux des atomes.

Historique

À la fin du XIXe siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques (On nomme rayons cathodiques une éjection continue d'électrons. Lorsque les éjections de rayons se font dans un gaz excitable, elles peuvent déterminer une fluorescence sur leur trajet. On peut alors...) 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 (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de texte et d'images en deux...) 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 (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre...) normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de...) et l'écran fluorescent, et en déduit que le rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules circulant sur les rails....) la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) 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 (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se...) de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) 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 (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par...) d'Anna Bertha Röntgen (22 décembre 1895, pose de 20 min.) ; il s'agit de la première radiographie, la radiologie est née.

Un mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) 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 (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques éminentes s'étant...) en 1901.

Il tire quatre conclusions dans son article :

  1. " les rayons X sont absorbés par la matière ; leur absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) est en fonction de la masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la masse atomique est fixée à 12...) 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) de Röntgen est rapidement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales...) en dentisterie puisque deux semaines plus tard, le Dr Otto Walkhoof réalise à Braunschweig la première radiographie dentaire.

Il faut 25 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) d'exposition. Il utilise une plaque photographique en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de...), recouverte de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de base...) 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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) médicale, pour le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση,...) 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 (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles.) 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 (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...). En 1897, Antoine Béclère, pédiatre et clinicien réputé, créa, à ses frais, le premier Laboratoire hospitalier de radiologie.

Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le monde (Le mot monde peut désigner :) voulait faire photographier son squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage sélectif conséquent suite au besoin d'un organisme...). Mais pendant longtemps, les doses étaient trop fortes. Par exemple, Henri Simon, photographe amateur, a laissé sa vie (La vie est le nom donné :) 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 (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière que la survie de ce dernier est menacée. Ces cellules dérivent...) 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 (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un matériau.), 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 (Le corps humain est la structure physique d'une personne.). Plusieurs autres techniques sont venues compléter les appareils des médecins : les ultrasons, l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.), la scintigraphie ou encore la tomographie par émission de positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même...).

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 (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) 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 (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La...) des rayons X.

Production des rayons X

Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) comme les ondes radio, la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), ou les infra-rouge. Cependant, ils peuvent être produits de deux manières très spécifiques :

  • par des changements d'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) 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 (La spectrométrie de fluorescence X (SFX ou FX, ou en anglais XRF pour X-ray fluorescence) est une méthode d'analyse chimique élémentaire utilisant une propriété physique de la matière, la fluorescence de rayons X.) et de la microsonde de Castaing ;
  • par accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) d'électrons (accélération au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) 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 (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à...) de tungstène chauffée, accélérés par une tension (La tension est une force d'extension.) électrique dans un tube sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), ce faisceau sert à bombarder une cible métallique (appelée anode ou anti-cathode) ; le ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée qui ne peut être franchie à la vitesse normale de la ligne.) des électrons par les atomes de la cible provoque un rayonnement continu de freinage (Le rayonnement continu de freinage, ou Bremsstrahlung (aussi appelé free-free emission en anglais), est un rayonnement électromagnétique à spectre large créé par le...) (ou Bremsstrahlung, terme allemand adopté internationalement) ;
      voir l'article Tube à rayons X ;
    • la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) de la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) 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 (Le diffractomètre est un appareil permettant de mesurer la diffraction d'une onde sur une cible. Le terme est utilisé exclusivement pour la diffractométrie de rayons X.) à rayons X.

Dans le cas où la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité...) ionisante électromagnétique est dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus...) 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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) 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 (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) 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 (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de 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 (Satellite peut faire référence à :), et les radiographies médicales, la source de rayons X doit être proche du patient ;
  • l'ordre de grandeur de leur longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.)

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 (Les industries ne fonctionnent pas correctement sans normes garantissant l'interopérabilité, des organismes crées pour, promulguent des recommandations, qui si elles sont suivies deviennent des normes ou des standards. Une...) 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 (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une mince membrane pluri-stratifiée d'environ 0,5 mm d'épaisseur couvrant environ 75 %...), provoquant une légère illumination dans tout le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge)....) (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 ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) du compteur, on obtient un compteur dit " proportionnel " (encore appelé " compteur à gaz " ou " compteur à flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) gazeux ") ; alors que le compteur G-M travaille à saturation, dans le compteur proportionnel (Les compteurs proportionnels à gaz sont des détecteurs de radiations ionisantes, qui ont un très bon rendement pour les photons de faible énergie.), les impulsions électriques générées sont proportionnelles à l'énergie des photons X.

Les rayons X provoquent aussi de la fluorescence lumineuse sur certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), comme l'iodure de sodium NaI. Ce principe est utilisé avec les " compteurs à scintillation " (ou " scintillateurs ") : on place un photodétecteur après un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie,...) de NaI ; les intensités des impulsions électriques récoltées par le photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous la forme d'un tube électronique.) 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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) X va libérer une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) proportionnelle à l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...). 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 (Table complète - Table étendue) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Les semi-conducteurs utilisés sont en général du silicium dopé au lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) Si(Li), ou bien du germanium dopé au lithium Ge(Li).

Notons au passage que la faible température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) n'a pas d'effet direct sur la valeur de l'énergie de seuil, mais sur le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.). Il est possible en revanche d'utiliser des supraconducteurs maintenus à très basse température afin de faire usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) 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 (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non...), 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de...) du nombre de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) créées. L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de ces fluctuations peut s'estimer avec la Loi de Poisson (En statistique, la loi de Poisson de paramètre λ, ou loi des événements rares, correspond au modèle suivant:). 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 (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer des températures. C'est le domaine d'étude de la thermométrie.) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se déplacer...) 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 (En optique, le pouvoir de résolution d'un système optique désigne sa capacité à distinguer des détails fins. Il est défini comme la distance angulaire minimale entre deux...) 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 (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de...) 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 (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à...) (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 (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) 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 (Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau...) focaliseur qui est composé d'une multicouche miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine,...) à rayons X ;
  • n'est pas visible l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de...) d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales.

Utilisé en géologie et en métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par extension, on...), c'est aussi un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par...) de biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.), très utilisé en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants (ou ayant...) pour déterminer la structure des molécules du vivant, notamment en cristallogénèse (c'est l'art de fabriquer des monocristaux avec une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus...) 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 (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable...) français au plus tard le 30 mai 2000.

En France, il faut se référer :

  • au Code de la santé publique (La santé publique peut être définie de diverses manières. On peut en effet la présenter comme « l'étude, d'une part, des déterminants...) (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 (L'actualisation est la méthode qui sert à ramener à une même base des flux financiers non directement comparables car se produisant à des dates différentes. Cela permet non seulement de les comparer mais également d'effectuer sur eux des...) en 2006.

L'organisme chargé du contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) est la DGSNR, la Direction générale de la sûreté nucléaire (La sûreté nucléaire est un terme définissant l'ensemble des activités ayant trait au maintien de l'intégrité des mécanismes, process, outils ou instruments contenant de la...) et de la radioprotection (La radioprotection est un ensemble de mesures destinées à assurer la protection de l'homme et de son environnement contre les effets néfastes des rayonnements ionisants tout en permettant de les utiliser.), 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 (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (ASN).

Autre acception

" X-ray " est aussi l'appellation de la lettre X dans l'alphabet radio (On appelle Alphabet Radio l'alphabet international utilisé en radiotéléphonie. Les transmissions radio sont soumises fréquemment à des parasites et interférences. Il est donc parfois nécessaire d'épeler les mots importants....) international.

Notes et références

  1. X-Rays in Theory and Experiment, Arthur Compton et Allison, 1954, chap. 1, p. 1
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