Que sont les rayons X?

Les rayons X sont des types de rayonnement électromagnétique probablement les plus connus pour leur capacité à voir à travers la peau d'une personne et à révéler des images des os en dessous. Les progrès technologiques ont conduit à des faisceaux de rayons X plus puissants et plus concentrés ainsi qu'à des applications toujours plus importantes de ces ondes lumineuses, de l'imagerie de cellules biologiques d'adolescents et des composants structurels de matériaux comme le ciment à la destruction des cellules cancéreuses..  

Les rayons X sont grossièrement classés en rayons X mous et rayons X durs. Les rayons X mous ont des longueurs d'onde relativement courtes d'environ 10 nanomètres (un nanomètre est un milliardième de mètre) et se situent donc dans la gamme du spectre électromagnétique (EM) entre la lumière ultraviolette (UV) et les rayons gamma. Les rayons X durs ont des longueurs d'onde d'environ 100 picomètres (un picomètre équivaut à un billionième de mètre). Ces ondes électromagnétiques occupent la même région du spectre EM que les rayons gamma. La seule différence entre eux est leur source: les rayons X sont produits par des électrons accélérés, tandis que les rayons gamma sont produits par des noyaux atomiques dans l'une des quatre réactions nucléaires.. 

Histoire des rayons X

Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Conrad Röentgen, professeur à l'Université de Würzburg en Allemagne. Selon "History of Radiography" du Nondestructive Resource Center, Röentgen a remarqué des cristaux près d'un tube cathodique à haute tension présentant une lueur fluorescente, même lorsqu'il les a protégés avec du papier foncé. Une certaine forme d'énergie était produite par le tube qui pénétrait le papier et faisait briller les cristaux. Röentgen a appelé l'énergie inconnue «rayonnement X». Des expériences ont montré que ce rayonnement pouvait pénétrer les tissus mous mais pas les os, et produirait des images d'ombre sur des plaques photographiques. 

Pour cette découverte, Röentgen a reçu le tout premier prix Nobel de physique, en 1901.

Sources et effets de rayons X

Les rayons X peuvent être produits sur Terre en envoyant un faisceau d'électrons à haute énergie se brisant dans un atome comme le cuivre ou le gallium, selon Kelly Gaffney, directeur de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Lorsque le faisceau frappe l'atome, les électrons de la coque interne, appelée coque en S, sont bousculés et parfois projetés hors de leur orbite. Sans cet électron, ou ces électrons, l'atome devient instable, et ainsi pour que l'atome «se détende» ou retourne à l'équilibre, a dit Gaffney, un électron dans la soi-disant coquille 1p tombe pour combler le vide. Le résultat? Une radiographie est libérée.

"Le problème avec cela est que la fluorescence [ou la lumière des rayons X émise] va dans toutes les directions", a déclaré Gaffney. "Ils ne sont ni directionnels ni focalisables. Ce n'est pas un moyen très facile de créer une source lumineuse et à haute énergie de rayons X".

Entrez dans un synchrotron, un type d'accélérateur de particules qui accélère les particules chargées comme les électrons à l'intérieur d'un chemin circulaire fermé. La physique de base suggère que chaque fois que vous accélérez une particule chargée, elle émet de la lumière. Le type de lumière dépend de l'énergie des électrons (ou d'autres particules chargées) et du champ magnétique qui les pousse autour du cercle, a déclaré Gaffney..

Puisque les électrons du synchrotron sont poussés à près de la vitesse de la lumière, ils dégagent d'énormes quantités d'énergie, en particulier l'énergie des rayons X. Et pas n'importe quels rayons X, mais un faisceau très puissant de rayons X focalisés.

Le rayonnement synchrotron a été observé pour la première fois chez General Electric aux États-Unis en 1947, selon l'Installation européenne de rayonnement synchrotron. Ce rayonnement était considéré comme une nuisance car il faisait perdre de l'énergie aux particules, mais il a ensuite été reconnu dans les années 1960 comme une lumière aux propriétés exceptionnelles qui surmontait les lacunes des tubes à rayons X. Une caractéristique intéressante du rayonnement synchrotron est qu'il est polarisé; c'est-à-dire que les champs électriques et magnétiques des photons oscillent tous dans la même direction, qui peut être linéaire ou circulaire. 

"Parce que les électrons sont relativistes [ou se déplacent à une vitesse proche de la lumière], lorsqu'ils émettent de la lumière, elle finit par être focalisée vers l'avant", a déclaré Gaffney. "Cela signifie que vous n'obtenez pas seulement la bonne couleur de rayons X légers et pas seulement beaucoup parce que vous avez beaucoup d'électrons stockés, ils sont aussi préférentiellement émis vers l'avant."

Imagerie par rayons X

En raison de leur capacité à pénétrer certains matériaux, les rayons X sont utilisés pour plusieurs applications d'évaluation et de test non destructives, en particulier pour identifier les défauts ou les fissures dans les composants structurels. Selon le centre de ressources NDT, «le rayonnement est dirigé à travers une pièce et sur [un] film ou un autre détecteur. L'ombrage résultant montre les caractéristiques internes» et si la pièce est sonore. Il s'agit de la même technique utilisée dans les cabinets de médecins et de dentistes pour créer des images radiographiques des os et des dents, respectivement. [Images: Superbes radiographies de poissons]

Les rayons X sont également essentiels pour les inspections de sécurité des transports du fret, des bagages et des passagers. Les détecteurs d'imagerie électroniques permettent de visualiser en temps réel le contenu des colis et autres articles passagers. 

L'utilisation originale des rayons X était pour l'imagerie des os, qui se distinguaient facilement des tissus mous sur le film qui était disponible à ce moment-là. Cependant, des systèmes de mise au point plus précis et des méthodes de détection plus sensibles, telles que des films photographiques améliorés et des capteurs d'imagerie électroniques, ont permis de distinguer des détails de plus en plus fins et des différences subtiles de densité tissulaire, tout en utilisant des niveaux d'exposition beaucoup plus faibles..

De plus, la tomodensitométrie (CT) combine plusieurs images radiographiques dans un modèle 3D d'une région d'intérêt.

Semblable à la tomodensitométrie, la tomographie synchrotron peut révéler des images tridimensionnelles de structures intérieures d'objets tels que des composants d'ingénierie, selon le Centre Helmholtz pour les matériaux et l'énergie..

Thérapie aux rayons X

La radiothérapie utilise des rayonnements à haute énergie pour tuer les cellules cancéreuses en endommageant leur ADN. Étant donné que le traitement peut également endommager les cellules normales, le National Cancer Institute recommande que le traitement soit soigneusement planifié pour minimiser les effets secondaires.. 

Selon l'Agence américaine de protection de l'environnement, le soi-disant rayonnement ionisant des rayons X zappe une zone focalisée avec suffisamment d'énergie pour dépouiller complètement les électrons des atomes et des molécules, modifiant ainsi leurs propriétés. À doses suffisantes, cela peut endommager ou détruire les cellules. Bien que ces dommages cellulaires puissent provoquer le cancer, ils peuvent également être utilisés pour le combattre. En dirigeant les rayons X sur les tumeurs cancéreuses, il peut démolir ces cellules anormales. 

Astronomie aux rayons X

Selon Robert Patterson, professeur d'astronomie à la Missouri State University, les sources célestes de rayons X comprennent des systèmes binaires proches contenant des trous noirs ou des étoiles à neutrons. Dans ces systèmes, le résidu stellaire le plus massif et le plus compact peut dépouiller le matériau de son étoile compagnon pour former un disque de gaz émettant des rayons X extrêmement chaud lorsqu'il tourne vers l'intérieur. De plus, les trous noirs supermassifs au centre des galaxies spirales peuvent émettre des rayons X lorsqu'ils absorbent les étoiles et les nuages ​​de gaz qui tombent dans leur portée gravitationnelle.. 

Les télescopes à rayons X utilisent des réflexions à faible angle pour focaliser ces photons à haute énergie (lumière) qui autrement passeraient à travers des miroirs de télescope normaux. Étant donné que l'atmosphère terrestre bloque la plupart des rayons X, les observations sont généralement effectuées à l'aide de ballons à haute altitude ou de télescopes en orbite.. 

Ressources supplémentaires

• Pour en savoir plus, téléchargez ce PDF du SLAC intitulé «Early History of X-Rays».
• Le centre de ressources NDE / NDT fournit des informations sur l'évaluation non destructive / les tests non destructifs. 
• La page de mission de la NASA sur le spectre électromagnétique explique comment les astronomes utilisent les rayons X.

Cette page a été mise à jour le 5 octobre 2018 par Jeanna Bryner, rédactrice en chef.