Chapitre II
Paramètres physiques et
dosimétriques
des unités d'irradiation
II .1. Introduction :
Dans le domaine médical, les rayons X de basse
énergie sont utilisés en radiodiagnostic et en
radiothérapie conventionnelle, encore appelée
radiothérapie « basse énergie », alors que la
radiothérapie dite « haute énergie » met en oeuvre des
rayonnements X produits par des accélérateurs [3].
Les faisceaux de photons externes sont tous
caractérisés par des paramètres physiques, mais tombent
dans différentes catégories selon leur origine, des moyens de
production et l'énergie. En ce qui concerne les rayons X qui sont
originaires d'un objectif de bombardement d'électrons
énergétiques. En ce qui concerne les moyens de production des
rayons X sont produits soit dans un tube à rayons X (rayons x
superficielle ou orthovoltage) ou dans un accélérateur
linéaire (mégavoltage rayons X) [16].
II.2. Rayonnement électromagnétique X
:
Les rayons X ont été découverts en 1895
par le physicien allemand Röntgen, ils appartiennent au rayonnement
électromagnétique à haute fréquence, avec une
longueur d'onde comprise entre cinq picomètre et dix
nanomètres.[27]
Ils s'inscrivent dans le large domaine des ondes
électromagnétiques, Sur le spectre en énergie des
rayonnements électromagnétiques, les rayons X se situent
après l'ultraviolet Selon le mode de production, ils peuvent avoir une
énergie plus ou moins élevée, de quelques KeV à des
centaines de MeV [27,3].
II.3. Origine des rayons X :
Si les rayons X sont des rayonnements
électromagnétiques de même nature que les photons gamma,
ils en différent par leur origine.
Les photons gamma sont issus du noyau de l'atome, alors que les
rayons X prennent
naissance au niveau du cortège électronique
ou dans le champ électrostatique qui entoure le
noyau. Ils résultent des interactions des électrons
avec la matière, qui peuvent prendre deux formes selon l'énergie
des électrons et la nature du milieu traverse :
· Interaction des électrons avec le noyau, qui
crée un rayonnement X de freinage.
· Interaction des électrons incidents avec les
électrons du cortège électronique donnant lieu à
une ionisation ou à une excitation, dont la conséquence directe
sera un réarrangement du cortège [3].
II.4. Production de rayons X :
La théorie du rayonnement
électromagnétique prévoit que lorsqu'une particule
chargée subit une modification de sa trajectoire, elle rayonne de
l'énergie. Ainsi, une particule accélérée ou
décélérée subit une perte de son énergie
sous forme de rayonnement électromagnétique.
Ce processus porte le nom de rayonnement de freinage ou
Bremsstrahlung. Cette perte d'énergie par rayonnement de freinage
dépend en partie de la masse de la particule incidente. Ce processus est
important pour les particules légères comme les électrons
et il est pratiquement négligeable pour les particules lourdes.
La production des rayons X s'effectue sur la base de ce
processus en créant un faisceau de particules chargées que l'on
freine ensuite dans un matériau cible, c'est le principe du tube
à rayon X [27].
II.5. Principe du tube à rayons X :
Pour disposer de faisceaux de rayons X utilisables, le
procédé technologique consiste à créer des
électrons et a les envoyer sur une cible pour obtenir des rayonnements
de freinage en grand nombre.
Un courant électrique circule dans un filament et
crée des électrons par chauffage (effet
thermo-ionique). Ce
filament constitue la cathode du tube a rayons X ; il est porté à
un
potentiel négatif. Les électrons formés sont
accélérés par une haute tension appliquée entre
la
cathode et une cible, ou anode (parfois aussi appelée
anticathode), qui est portée à un potentiel fortement positif
pour attirer les électrons.
L'ensemble est placé dans une ampoule en verre dans
laquelle est réalisé un vide Poussé pour éviter la
dispersion des électrons (Figure 2.1).
Figure 2.1. Principe du tube à rayons
X
Pour favoriser la production de rayonnement de freinage,
l'anode est constituée d'un matériau de numéro atomique
élevé résistant à la chaleur. Le tungstène,
de numéro atomique 74 (et de symbole chimique W) répond bien a
ces deux exigences et constitue très souvent la cible des tubes a rayons
X. Selon les applications envisagées, celle-ci peut être
également en molybdène, or, cuivre, fer, cobalt. . .
Le rendement de la cible en rayonnement de freinage reste
toujours limite (2 %). Les nombreuses ionisations et excitations
créées par les électrons dans la cible produisent une
importante élévation de température. Celle-ci est donc
souvent enchâssée dans du cuivre pour assurer la diffusion de la
chaleur et nécessite un refroidissement par air, huile ou eau.
L'anode est le plus souvent inclinée par rapport
à la direction des électrons et les rayons X sont émis
préférentiellement dans un cône dont l'axe dépend de
la pente de l'anode. Les rayons X traversent la paroi du tube et sortent par
une fenêtre en matériau léger (béryllium ou
aluminium) aménagée dans la gaine plombée qui entoure le
tube.
Cette fenêtre va arrêter une partie des rayons X,
en particulier ceux qui auront une énergie faible. De plus, pour limiter
le faisceau à sa partie utile, un collimateur est placé
après la fenêtre de sortie.
II.6. Spectre de rayons X :
Le spectre en énergie des rayons X émis par l'anode
est le résultat de la superposition de deux spectres indépendants
:
- le spectre continu des rayonnements de freinage, de 0 à
;
- le spectre de raies caractéristiques liées au
réarrangement du cortège électronique.
Ce spectre global peut être représenté de
deux manières :
- en fonction des longueurs d'onde, comme sur la (figure 2.2.) :
le spectre présentera alors une longueur d'onde minimale
~ (2.1)
- en fonction de l'énergie, comme sur la (figure 2.3.)
Dans ce cas, l'énergie des rayons
X ne pourra pas dépasser une valeur maximale correspondant
à la haute tension
appliquée. En aucun cas l'énergie du
photon X de freinage ne peut être supérieure à celle de
l'électron qui lui a donné naissance :
(2.2)
Ou, plus simplement : (en KeV) = haute tension (KV)
(2.3)
La forme exacte du spectre émis par un tube à
rayons X dépend de nombreux paramètres tels que la nature de
l'anode, la valeur de la haute tension et la filtration totale.
L'intensité électrique du courant parcourant le filament permet
de modifier le nombre d'électrons émis, donc celui de rayons X
produits par le tube.
Figure 2.2. Exemple d'un spectre de rayons X,
représenté en fonction de la longueur
d'onde
Figure 2.3. Exemple d'un spectre de rayons X,
pour une haute tension de 100 KV,
représenté en fonction de
l'énergie
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