Rayon X

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Une des premières radiographies, prise par Wilhelm Röntgen.
Divers systèmes utilisant les rayons X sont déjà utilisés pour la surveillance aux frontières et dans les aéroports, sur les objets et véhicules. D'autres sont en test ou à l'étude concernant l'humain.

Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence constitué de photons dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 0,01 nanomètre et 10 nanomètres (10-11 m et 10-8 m), correspondant à des fréquences de 30 pétahertz à 30 exahertz (3×1016 Hz à 3×1019 Hz). L'énergie de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV[1]. C'est un rayonnement ionisant utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale (« radiographie conventionnelle »[2]) 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 lui donna le nom habituel de l'inconnue en mathématiques, X.

Les rayons X et les rayons gamma sont de même nature, mais sont produits différemment : les rayons X sont produits par des transitions électroniques alors que les rayons gamma sont produits lors de la désintégration radioactive des noyaux des atomes ou d'autres processus nucléaires ou subatomiques.

C'est une gamme de rayonnement très utilisée en astrophysique contemporaine.

Histoire[modifier | modifier le code]

À la fin du XIXe 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[3]. 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. Röntgen décide alors 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. 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 en déduit 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, Röntgen les baptise « rayons X ». Ce rayonnement est encore souvent appelé Röntgenstrahlung (littéralement : « rayons de Röntgen ») en Allemagne, et que l'autre nom de la radiologie est encore aujourd'hui la röntgenologie.

Le premier cliché est celui de la main d'Anna Bertha Röntgen (22 décembre 1895, pose de 20 minutes) ; 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 » (en français : « 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 Brunswick 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 la première 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[4].

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 on les utilisait pour la radiographie médicale. Encore là, on fit quelques erreurs, par exemple en radiographiant les femmes enceintes[5],[6].

Le premier « Congrès international de radiologie », qui réunit des scientifiques de la Grande-Bretagne, des États-Unis, de la France, de l’Allemagne, de l’Italie et de la Suède, émet en 1925 des recommandations portant sur les « rayonnements ionisants »[5],[7],[8],[6].

Un monument a été inauguré en 1936 au voisinage du pavillon Roentgen de l’hôpital St-Georg, à Hambourg, à l’initiative du professeur allemand Hans Meyer, « Aux radiologues de toutes les nations : … qui ont fait don de leur vie dans la lutte contre les maladies de l’humanité… »[5],[6].

Avec les années, en médecine pour la fluoroscopie ou radioscopie, on diminua la durée des examens et les quantités administrées. En 1948, notamment, par la découverte de la « crête de Tavernier » par le physicien belge Guy Tavernier qui correspond à un accroissement de la dose d'irradiation dans les tissus avant leur décroissance avec la profondeur, ce qui mena à une réduction de la dose d'exposition de 1,2 Roentgen à 0,3 Roentgen par semaine au niveau international dès 1950. Cette valeur sera encore divisée par 3 dès 1958 pour tenir compte des risques potentiels d'effets génétiques[4].

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, et dans les densitomètres pour détecter ou suivre l'ostéoporose. Plusieurs autres techniques sont actuellement utilisées en imagerie médicale : l'échographie (qui utilise les ultrasons), l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, la scintigraphie ou encore la tomographie par émission de positons.

Mais l'utilisation des rayons X ne se limite pas au seul domaine de la 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. L'industrie agroalimentaire les utilise pour détecter les corps étrangers dans les produits finis. En cristallographie, on peut identifier divers cristaux à l'aide de la diffraction des rayons X. Enfin, depuis peu, il est possible d'étudier des fossiles piégés à l'intérieur d'un matériau (type ambre) et d'en voir des coupes virtuelles[9].

Production[modifier | modifier le code]

Production de rayons X par un tube à rayons X (ici à anode fixe).
Spectre produit avec un tube à rayons X. Le fond continu correspond à la Bremsstrahlung et les raies proviennent des transitions électroniques de l'anode
Articles détaillés : Générateur de rayons X et Tube à 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 trois manières très spécifiques :

  1. 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 ;
  2. 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 par chauffage d'un filament métallique, la cathode, et accélérés par une tension électrique dans un tube sous vide. Ce faisceau est focalisé de manière à bombarder une cible métallique en tungstène ou en molybdène, appelée anode ou anti-cathode. Le ralentissement des électrons par les atomes de la cible provoque un rayonnement continu de freinage, dit Bremsstrahlung (nom commun féminin)[10].
    • La courbure de la trajectoire dans des accélérateurs de particules : c'est le rayonnement dit « synchrotron », qui est un cas particulier de Bremsstrahlung.
  3. Par une source radioactive : la désintégration de certains isotopes produit des rayons X. Cela permet d'avoir des sources compactes, mais la production de rayons X est peu stable et n'est pas maîtrisable, ce qui introduit une dispersion dans les mesures

Lors de la production de rayons X avec un tube à rayons X, le spectre est composé d'un rayonnement continu (Bremsstrahlung) auquel se superposent des raies spécifiques à l'anode utilisée et qui sont dues au phénomène de fluorescence.

Anecdotiquement, des rayons X peuvent être produits par triboluminescence, décollement d'un ruban adhésif sous vide, et la quantité émise peut alors suffire pour faire une radiographie (de mauvaise qualité) d'un doigt[11].

Propriétés[modifier | modifier le code]

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 », c'est-à-dire la matière solide peu dense et constituée d'éléments légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote, et sont facilement absorbés par la « matière dure » (matière solide dense constituée d'éléments lourds) ;
c'est ce qui permet l'imagerie médicale (radiographie, scanner, densitométrie osseuse) : ils traversent la chair et sont arrêtés par les os ;
  • ils sont facilement absorbés par la couche d'air très épaisse que constitue l'atmosphère ;
de fait, les télescopes à rayons X (qui détectent les rayons X émis par les étoiles) doivent être placés dans des satellites ;
ceci donne naissance au phénomène de fluorescence X, également utilisé en analyse chimique ; ces ionisations ont toutefois un effet délétère sur les cellules vivantes.

On distingue les rayons X durs et rayons X mous selon leur énergie, pour les premiers supérieure à environ 5 à 10 keV (longueur d'onde inférieure à 0,1-0,2 nm). À l'inverse des rayons X durs, les rayons X mous sont facilement absorbés par une épaisseur millimétrique de matière solide.

Effets sur la santé[modifier | modifier le code]

Brûlure radiologique (radiome) illustrée par un modèle pédagogique médical en cire préparé par le Dr. J.F. Wallis. Ce modèle présente une brûlure par rayons X du sein droit et de l'aisselle chez une femme ayant développé un carcinome du sein (Femme de couleur, âge de 35 ans), exposée à un essai de traitement par radiothérapie intense aux rayons X. Dans ce cas, une nécrose des tissus a produit une ulcération délitescence, dont le fond est constitué de la plèvre et du tissu pulmonaire. Source : Archives médicales militaires des États-Unis ; Army Medical Museum[12]
Modèle de cire, pédagogique, montrant la restauration chirurgicale d'une partie d'un visage brûlé par des rayons X (Archives médicales militaires des États-Unis)

Les rayons X sont des radiations ionisantes. Une exposition prolongée aux rayons X, ou une exposition répétée avec des répits trop courts pour l'organisme peut provoquer des brûlures (radiomes) mais aussi des cancers et des anomalies chez le nourrisson et l'enfant de moins de un an.

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[modifier | modifier le code]

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 a 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 systèmes 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 des laboratoires spécialisés pour contrôler que le manipulateur n'a pas reçu de dose excessive de rayons X.

Comme tous les rayonnements 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). Il existe cependant des détecteurs semi-conducteurs non refroidis à base de Silicium ou de Tellurure de Cadmium. L'utilisation de structures à diodes bloquantes permet en particulier de réduire le bruit associé au courant d'obscurité.

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 (−273,05 °C) 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 : les détecteurs basés sur le silicium permettent une précision de la mesure de l'ordre de 150 eV pour un photon de 6 000 eV. Un senseur supraconducteur au tantale 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.

Article détaillé : Détecteur de rayons X.

En cristallographie[modifier | modifier le code]

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).

GonioX.jpg

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 cristallogenèse (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 positions 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 Rosalind Franklin, puis James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins et leurs collaborateurs ont pu déterminer la structure hélicoïdale de l'ADN en 1953[13].

Réglementation[modifier | modifier le code]

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[14] et notamment à son article R.1333-19[15] ;
  • au code du travail[16] ;
  • aux normes NFC 74-100 (conception), NFC 15-160, NFC 15-164 (installation) ;
  • à l'arrêté du 22 septembre 2006 [17] relatif aux informations dosimétriques (PDS ou Produit Dose × Surface exprimé en Gy.cm² ou en µGy.m²) qui doivent figurer dans tout compte rendu d'acte médical utilisant les rayonnements ionisants.

L'organisme chargé du contrôle est l'Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN), créée par la Loi no 2006-686 du 13 juin 2006 relative à la transparence et à la sécurité en matière nucléaire (loi TSN)[18]. L'ASN a remplacé la DGSNR, la Direction générale de la sûreté nucléaire et de la radioprotection, créée par le décret no 2002-255 du 22 février 2002[19], modifiant le décret no 93-1272 du 1er décembre 1993,qui avait elle-même remplacé la DSIN (Direction de la sûreté des installations nucléaires).

Autre acception[modifier | modifier le code]

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

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « Liste de coefficients d'atténuation de rayons X dans la gamme d'énergie de 1 keV à 20 MeV », sur http://www.nist.gov/
  2. Anatomie médicale, de Moore et Dalley, 2e édition, 2007, (ISBN 978-2-8041-5309-0)
  3. Le tube de Crookes fut le premier tube à rayon X.
  4. a et b Georges Chicotot, Premiers essais du traitement du cancer par les rayons X, musée de l'Assistance publique-Hôpitaux de Paris, tableau, 1907
  5. a, b et c Gérard Borvon, Les Rayons X et les rayonnements radioactifs, quand on ne parlait pas encore de principe de précaution, 13 octobre 2007
  6. a, b et c Gérard Borvon, Histoire de l’Électricité, de l'ambre à l'électron, éditions Vuibert, septembre 2009
  7. La Nature, Revue des sciences et de leurs applications aux arts et à l’industrie
  8. Pr Guy Pallardy, Marie-José Pallardy et Auguste Wackenheim, Histoire illustrée de la radiologie, éditions Roger Dacosta, Paris, 1989, 542p. (ISBN 2-85128-074-0)
  9. Exemple (voir image n° 4)
  10. terme allemand adopté internationalement
  11. (en) Camara CG, Escobar JV, Hird JR, Putterma SJ, « Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape » Nature 2008;455:1089-1092
  12. (en) Ref Otis Historical Archives of “National Museum of Health & Medicine”  : OTIS Archive 1 : Reeve 36721 ; modèle no 92
  13. Prix Nobel de médecine et physiologie 1962 : Fondation Nobel.
  14. Articles L.1333-1 à L.1333-20 (nouvelle partie législative), articles R.1333-17 à R.1333-93 (nouvelle partie réglementaire) Code de la santé publique.
  15. Article R.1333-19 du Code de la santé publique (nouvelle partie réglementaire)
  16. Articles R.231-73 à R.231-116 (partie réglementaire — décrets en Conseil d'État) Code du travail
  17. Arrêté du 22 septembre 2006 relatif au PDS (cf. article 3 de l'Arrêté)
  18. Loi n° 2006-686 du 13 juin 2006 relative à la transparence et à la sécurité en matière nucléaire [1]
  19. Décret n° 2002-255 du 22 février 2002 créant la DGSNR

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]