Les rayons X se développent à partir des électrons qui proviennent du nuage extérieur d'un atome. Cet électron est ensuite converti en photons hautement énergétiques lorsqu'ils passent d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, libérant ainsi l'énergie excédentaire. Cela se produit parce que les électrons rapides décélèrent soudainement et que leur grande quantité d'énergie cinétique est transférée en photons de rayonnement électromagnétique. Ce processus se produit dans un tube à rayons X qui accélère les électrons via la différence de potentiel entre les électrodes. Ceux-ci sont ensuite dirigés vers le matériau qu'ils percutent.
Le spectre électromagnétique est l'ensemble des ondes électromagnétiques. Il est composé de différents types d'ondes ayant des longueurs d'onde et une énergie différentes.
Le spectre électromagnétique montre comment les rayons X sont une forme de rayonnement ionisant, Wikimedia CommonsLes rayons X peuvent être classés en deux catégories : les rayons X de faible énergie et les rayons X de haute énergie.
- Les rayons X de faible énergie émettent une faible quantité d'énergie lorsque les électrons se transfèrent dans des niveaux d'énergie inférieurs.
- Les rayons X à haute énergie sont obtenus à l'aide d'une méthode différente, dont nous parlons ci-dessous.
Nous avons beaucoup plus d'informations sur les rayons X ! Jette un coup d'œil à nos explications : Absorption des rayons X et Traitement des images radiographiques.
Que sont les rayons X de haute énergie ?
Les rayons X de haute énergie, également appelés rayons HEX, sont un type de rayons X dont l'énergie est supérieure d'environ un ordre de grandeur à celle des rayons X standard ou des rayons gamma.
Les rayons X de haute énergie ont un grand spectre énergétique et sont émis lorsque des électrons accélérés passent à proximité de leur noyau atomique et sont déviés par le champ électrique.
Les noyaux atomiques sont composés de protons chargés positivement et de neutrons de charge neutre. Ils sont maintenus ensemble par une force fondamentale appelée forceforte. Les électrons sont situés à l'extérieur des noyaux dans un nuage en orbite autour des noyaux, et ils sont maintenus ensemble par uneforce électrostatique . La charge positive du noyau et la charge négative du nuage d'électrons en orbite créent undipôle électrique , ce qui crée un champ électrique.
Comment se forment les rayons X de haute énergie ?
Les rayons X de haute énergie sont produits par des machines modernes qui produisent un rayonnement synchrotron. Le rayonnement synchrotron est un rayonnement électromagnétique émis lorsque des particules chargées sont accélérées et que le vecteur de leur accélération est perpendiculaire au vecteur de leur vitesse. Ces particules sont accélérées à l'aide d'accélérateurs de particules ou en soumettant des électrons à de grands champs magnétiques.
Lerayonnement synchroton (ou rayonnement magnetobremsstrahlung) est le rayonnement émis par une particule chargée lorsqu'elle se déplace selon une trajectoire courbe en raison des champs magnétiques puissants présents dans les accélérateurs de particules.
Les accélérateurs de particules sont des machines qui accélèrent des particules chargées à des vitesses très élevées dans différentes directions à l'aide de puissants champs électromagnétiques créés par des aimants supraconducteurs. Cette accélération est confinée dans des faisceaux circulaires de sorte que les particules chargées entrent en collision. Ces collisions de particules produisent de grandes quantités d'énergie. Les accélérateurs de particules sont utilisés pour la recherche en physique des particules ou pour générer des rayons X et des rayons gamma de haute énergie.
Le plus grand accélérateur de particules au monde se trouve au laboratoire du CERN(Organisation européenne pour la recherche nucléaire) et est connu sous le nom de Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il se compose d'aimants supraconducteurs qui accélèrent les particules à des vitesses presque égales à celle de la lumière. C'est l'accélérateur le plus puissant et le plus grand avec une circonférence de 27 kilomètres !
Les machines qui génèrent le rayonnement synchrotron se trouvent dans différents laboratoires, comme à l'European Synchrotron Radiation Facility (l'ESRF). Les rayons X de haute énergie peuvent pénétrer profondément dans la matière, ce qui est utile pour la recherche en physique, la science des matériaux et le traitement du cancer.
Caractéristiques des rayons X de haute énergie
Les rayons X de haute énergie formés par le rayonnement synchrotron ont un spectre continu d'énergies de photons avec une gamme d'énergie comprise entre 80keV et 1000keV (kiloélectronvolts). Ces rayons X ont des propriétés différentes des rayons X conventionnels. Voici quelques-unes de ces caractéristiques :
- Les rayons X conventionnels ont une énergie inférieure d'environ un ordre de grandeur à celle des rayons X de haute énergie.
- Les rayons X de haute énergie ont une faible capacité d'absorption.
- Les rayons X de haute énergie ont une résolution spatiale élevée et un pouvoir de pénétration important.
- Le rayonnement synchrotron émis par les rayons X de haute énergie est polarisé.
- Les rayons X de haute énergie peuvent endommager les cellules vivantes en raison de leur haute énergie.
Fonctions des rayons X de haute énergie
En raison de leur capacité à pénétrer la matière en profondeur, les rayons X de haute énergie sont utilisés pour
- l'étude de la structure de divers types de matériaux,
- à des fins d'inspection (comme l'inspection des cargaisons pour la sécurité des aéroports),
- l'imagerie en science des matériaux (comme la spectroscopie, qui est une technique qui fournit des informations sur la composition, les contraintes et la déformation des matériaux),
- les applications industrielles (telles que la stérilisation d'articles ou d'aliments) et
- les traitements médicaux (tels que la radiothérapie, qui est utilisée pour réduire les cellules cancéreuses).
Comment les rayons X de haute énergie sont-ils détectés ?
Lorsque des rayons X de haute énergie (dont l'énergie est bien supérieure à 30keV) sont émis sur un matériau, la capacité de pénétration de ce dernier diminue en raison de la réduction du coefficient d'atténuation de masse dans les matériaux. Le coefficient d'atténuation de masse exprime la capacité d'un matériau à être pénétré par l'énergie, et il diminue à des énergies plus élevées. Par conséquent, plus le coefficient d'atténuation de masse du matériau du détecteur est élevé, plus sa capacité de pénétration est importante.
Pour la détection des rayons X de haute énergie, les détecteurs utilisés sont constitués de matériaux de haute densité avec un coefficient d'atténuation de masse plus élevé. Voici quelques techniques de détection des rayons X :
- Les détecteurs de rayons X à haute énergie sont utilisés pour l' inspection des cargaisons et se composent d'un scintillateur couplé à des photodiodes fonctionnant comme des cellules photovoltaïques. La distribution de la scintillation est variée à travers les faisceaux.
- Les caméras scientifiques détectent les rayons X de haute énergie en utilisant des méthodes directes et indirectes.
- Ladétection directe implique l'absorption directe des photons de rayons X doux par des capteurs en silicium produisant des paires électron-trou. Cette méthode est limitée à la gamme d'énergies des photons que le silicium peut absorber.
- Ladétection indirecte utilise des matériaux scintillants pour convertir les rayons X à haute énergie en photons visibles qui sont ensuite détectés par une caméra à fibre optique. Cette méthode garantit que le capteur est protégé des dommages causés par les photons à haute énergie.
- Les détecteurs ASIC de XEXITEC détectent les rayons X de haute énergie en utilisant des semi-conducteurs de haute densité, tels que le tellurure de cadmium, et se composent d'un réseau de pixels capables de mesurer des rayons X d'une énergie de l'ordre de 200 kEV. Les rayons X interagissent avec le détecteur et forment des nuages de charge composés de paires d'électrons et de trous. La charge dérive à travers le détecteur, créant un signal de détection. Ce système élimine le besoin de systèmes de refroidissement cryogéniques qui sont généralement nécessaires pour des technologies similaires.
Les scintillateurs sont des matériaux qui s'illuminent lorsqu'ils sont exposés à un rayonnement ionisant, car ils absorbent l'énergie du rayonnement.
Rayons X de haute énergie - Principaux enseignements
- Les rayons X de haute énergie ont une énergie supérieure d'environ un ordre de grandeur à celle des rayons X conventionnels.
- Les rayons X de haute énergie sont formés par les accélérateurs de particules qui accélèrent les particules dans de grands champs magnétiques.
- Les rayons X de haute énergie ont une énergie plus élevée, un pouvoir de pénétration plus important et une résolution spatiale plus élevée que les rayons X conventionnels.
- Les rayons X de haute énergie sont utilisés dans l'industrie pour la stérilisation, l'inspection et le traitement médical.
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