Tube à rayons X - Définition et Explications

Les tubes à rayons X sont des dispositifs permettant de produire des rayons X, en général pour trois types d'applications :

• radiographie et tomographie (imagerie médicale) ;
• radiocristallographie (diffraction de rayons X, voir aussi l'article Diffractomètre) ;
• analyse chimique élémentaire par spectrométrie de fluorescence X (La spectrométrie de fluorescence X (SFX ou FX, ou en anglais XRF pour X-ray fluorescence) est...).

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 (La tension est une force d'extension.) 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 (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) vers l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) (parfois appelée " anticathode " ou " cible ").

Les électrons sont freinés par les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de la cible, ce qui provoque un rayonnement continu de freinage (Le rayonnement continu de freinage, ou Bremsstrahlung (aussi appelé free-free emission en...) 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 (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) X caractéristique par le phénomène de fluorescence X.

Le spectre sortant du tube est donc la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) du rayonnement de freinage et de la fluorescence X de la cible.

Les tubes de rayons X ont un rendement extrêmement mauvais, la majeure partie de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) électrique (99 %) est dissipée sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...). Les tubes doivent donc être refroidis, en général par une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).

Tube de Crookes (Un tube de Crookes est un des premiers tubes à décharge électriques...)

Historiquement, le premier tube à rayons X (Les tubes à rayons X sont des dispositifs permettant de produire des rayons X, en général pour...) fut inventé par sir William Crookes. Il s'agissait à l'origine de provoquer une fluorescence lumineuse de minéraux. Le tube de Crookes est encore appelé tube à décharge, tube à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) ou tube à cathode froide.

Il s'agit d'une ampoule en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) dans laquelle on fait le vide ; il reste une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) résiduelle d'environ 100 Pa (env. 1 torr). Elle contient une cathode métallique, en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....), de forme concave pour concentrer le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d'électrons, et une anode, ou " cible ".

Une bobine d'induction fournit une haute tension. Il se produit alors une ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) 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, appelé rayon cathodique, produit un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) qui est capable de créer de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) de fluorescence sur certains corps ainsi que produire des décharges de corps électrisés à distance. Il crée également des rayons X.

Ce tube ne permet de créer des rayons X que par intermittence. Il n'est plus utilisé dans les appareils modernes.

Tube de Coolidge

Le tube de Crookes fut amélioré par William Coolidge en 1913. Le tube de Coolidge, encore appelé tube à cathode chaude, est le tube le plus largement utilisé. C'est un tube sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 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 (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...) chauffé par un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) (effet thermoïonique également utilisé dans les tubes cathodiques de téléviseur). Le filament constitue 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 appelée Wehnelt placée juste après le filament.

D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) électrique, on a donc :

• un filament aux bornes duquel on établit une basse tension (Les normes européennes définissent le domaine de la basse tension (abréviation BT) comme les...), afin de créer un courant électrique chauffant (effet Joule) ;
• dans certains tubes, une pièce de forme particulière ayant une tension légèrement négative par rapport au filament (c'est-à-dire par rapport aux deux bornes du filament), afin de repousser les électrons issus du filament vers le centre de la pièce ; c'est le Wehnelt ;
• une anode cible ayant une tension fortement positive par rapport au Wehnelt et au filament.

On distingue deux géométries de tube :

• les tubes à fenêtre latérale : le filament est un solénoïde d'axe rectiligne et est placé face à la cible, qui est biseautée ; la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) des électrons est une droite
• les tubes à fenêtre frontale : le filament est un solénoïde à axe circulaire et entoure l'anode ; la trajectoire des électrons est courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...).

Tube à fenêtre latérale

Tube à fenêtre frontale

Tube à anode tournante

Les tubes à anode tournante sont une amélioration 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 donc 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 (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...), ce qui facilite 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

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

• l'intensité parcourant le filament, qui va déterminer la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'électrons émis et donc la quantité de rayons X émis (intensité) ;
• la haute tension entre l'anode et la cathode, qui va déterminer la forme du spectre continu de freinage et notamment l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) maximale des rayons X émis ;
• la nature chimique de la cible, qui va déterminer le spectre spécifique, qui sont les longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) ayant le plus d'intensité.

L'intensité des rayons X est directement proportionnelle à l'intensité du courant qui parcours le filament, toutes choses étant égales par ailleurs. L'intensité du courant du filament varie 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) e sont accélérés avec la haute tension V, leur énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) E₀ est donc

si elle est exprimée en kilo électron-volts (keV), E₀ a la valeur numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) 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 en général les raies Kα₁, Kα₂ et Kβ des atomes de la cible.

Plus on augmente la haute tension, plus l'énergie maximale des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) augmente, donc plus la longueur d'onde minimale diminue.

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

Cas de la diffraction X

Pour la diffraction X, on s'intéresse principalement 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 plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) une radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la...) (à l'exception des clichés de Laue). En fait, on élimine en général la raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de...) Kβ mais on conserve les raies Kα₁ et Kα₂, ainsi que le rayonnement continu de freinage qui contribuera au bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....). Dans certains cas où le rapport signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) sur bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) est capital, on utilise un monochromateur (Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus...), au prix d'une perte importante d'intensité — on a alors une radiation " réellement " monochromatique ; on peut aussi utiliser un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) " solide " (diode de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) 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 permet de travailler en monochromatique tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en ayant un signal intense.

On utilise typiquement des hautes tensions de 50 kV, et des cibles de cuivre en général, parfois de molybdène (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.), cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...) ou de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.). 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 (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de...) 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 (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), la fluorescence induite sur les échantillons contenant majoritairement du fer (comme les aciers et fontes) donne donc un bruit de fond très élevé. L'utilisation d'un tube au cobalt ou au manganèse permet de réduire 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 situé entre l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) 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 également utilisé pour le mesure des contraintes (stress) : le décalage angulaire Δ2θ pour une déformation de la maille de ε vaut :

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 (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) est différent. Il faut ici avoir des photons ayant une énergie suffisante pour exciter les atomes que l'on veut détecter. On choisit de ce fait des cibles en éléments lourds, comme le rhodium (Le rhodium est un élément chimique, de symbole Rh et de numéro atomique 45. Avec le...) pour la plupart des tubes (la raie Kβ a une énergie de 22,7 keV), ou parfois 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 l'on veut plus d'intensité, il faut diminuer la haute tension ; cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) est adaptée à la mesure des éléments légers car ceux-ci n'ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) 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, donc 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 (La diffusion Rayleigh est un mode de diffusion des ondes (par exemple électromagnétiques ou...) ou par effet Compton. Les pics caractéristiques de la cible apparaissent donc 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

• soit mettre un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) pour couper la partie gênante du spectre du tube ; on utilise des filtres de quelques centaines de micromètres, souvent en cuivre ou en aluminium ;
• soit utiliser un tube avec une anode ayant des pics à un endroit qui ne gêne pas, comme par exemple une anode de chrome ;
• soit utiliser une cible secondaire : le tube irradie une cible, et c'est le rayonnement fluorescent de cette cible qui va irradier l'échantillon ; ceci permet de travailler en radiation quasi-monochromatique, et avec des intensités très faibles ; on parle aussi de source " polarisée ".

Vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant...) du tube

Le vieillissement du tube fait intervenir trois phénomènes :

• la porosité du tube, qui provoque une baisse du vide ;
• la sublimation du filament ;
• les chocs thermiques sur le filament ;
• la corrosion.

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

• le tungstène sur la fenêtre va faire effet de filtre, et absorber les rayons X de faible énergie ; on a donc au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure une baisse de l'intensité dans les grandes longueurs d'onde ; en spectrométrie de fluorescence X, cela se traduit par une baisse de sensibilité pour les éléments légers ;
• le tungstène déposé étant bombardé de rayons X, il va fluorescer ; en diffraction de rayons X, l'apparition de pics caractéristiques du tungstène, et notamment de la raie L (en notation de Siegbahn), va donner lieu à des pics de diffraction parasites ;
• le filament s'amincit, ce qui à terme peut conduire à sa rupture.

La fenêtre du tube est la plus fine possible 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 particulièrement vrai pour les tubes mis dans une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) (cas des spectromètres de fluorescence X mesurant des liquides), l'hélium étant une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) très petite. Lorsque le vide n'est plus suffisant, il se produit des arcs électriques (ionisation du gaz sous l'effet de la haute tension) appelés " flashages ", qui empêchent la production de rayons X. Lorsque les flashages deviennent trop fréquent, le tube est inutilisable et doit être changé.

Le tube est refroidi à l'eau. L'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) va avoir tendence à se condenser sur les parties froides, et notamment les tubulures métalliques transportant l'eau dans le tube. Cette humidité va accélérer la corrosion du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...). C'est une des raisons pour laquelle le tube est gardé allumé hors utilisation (on le met en général 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 (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...).

L'autre raison pour laquelle le tube est maintenu allumé hors fonctionnement est pour éviter les chocs thermiques. On maintient en général l'intensité dans le filament (courant de chauffe) même lorsque 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).

Selon les conditions d'utilisation, la durée de vie (La vie est le nom donné :) d'un tube va de un à dix ans, avec une moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) de trois à cinq ans.