Tube à rayons X - Définition

Introduction

Deux Tubes radiogènes

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.

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 (parfois appelée « 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 donc la superposition 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 électrique (99 %) est dissipée sous forme de chaleur. Les tubes doivent donc être refroidis, en général par une circulation d'eau.

Tube de Coolidge

Schéma de principe d'un tube de Coolidge à fenêtre latérale

• K : filament
• A : anode
• W_in et W_out : entrée et sortie de l'eau de refroidissement

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 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 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 de vue électrique, on a donc :

• un filament aux bornes duquel on établit une basse tension, 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 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.

Tube à fenêtre latérale

Tube à fenêtre frontale