Fiche de révision : Rayons X, absorption et fluorescence

📋 Plan du Cours

1. Absorption des rayons X
2. Seuils d’absorption et ionisation
3. Dosimétrie et risques biologiques
4. Radioprotection et obligations
5. Applications des rayons X
6. Principe et instrumentation XRF
7. Spectres et signaux parasites
8. Intensités de fluorescence

📖 1. Absorption des rayons X

📝 Points essentiels

📐 Formule — La loi de Bragg-Pierce décrit l’absorption par $\mu = K\lambda^3 Z^4$ ou, pour le coefficient massique, par $\frac{\mu}{\rho} = K'\lambda^3 Z^3$, avec K constant et Z le numéro atomique.

📌 Les rayons X de faible longueur d’onde sont plus énergétiques et plus pénétrants, tandis que les éléments lourds sont plus absorbants.

💡 Astuce mémo

Longueur d’onde faible → énergie et pénétration élevées

📖 2. Seuils d’absorption et ionisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Seuil d’absorption : Énergie minimale nécessaire pour ioniser un niveau électronique donné par effet photoélectrique.

★ À maîtriser

• Pour un nombre quantique principal n donné, il existe autant de seuils d’absorption que de sous-couches et de niveaux énergétiques possibles après ionisation, notamment à cause du couplage spin-orbite.

📌 La valeur d’un seuil d’absorption correspond à l’énergie d’ionisation du niveau concerné, soit la différence entre l’énergie finale de l’électron dans l’atome ionisé et son énergie initiale dans l’atome neutre.

Compléments

• Le seuil d’absorption d’un élément est toujours proche de l’énergie de sa fluorescence, sans lui être égal.

💡 Astuce mémo

K puis L puis sous-couches et couplage spin-orbite

📖 3. Dosimétrie et risques biologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Dose absorbée : Énergie absorbée, égale à l’énergie incidente moins l’énergie transmise, par unité de masse ; elle s’exprime en J/kg ou en gray, avec 1 Gy = 100 rad.
• Équivalent de dose : L’équivalent de dose est calculé par $H = D \times EBR$ et s’exprime en J/kg ou en sievert, avec 1 Sv = 100 rem.

📝 Points essentiels

• Les rayons X usuels ont des énergies de 10 à 150 keV, supérieures aux énergies d’ionisation des molécules biologiques et aux énergies des liaisons chimiques, de l’ordre de 1 à 10 eV.

• Dans le milieu vivant, les rayons X provoquent des excitations, des ionisations et la formation de radicaux libres, puis des réactions physicochimiques qui modifient les structures cellulaires et tissulaires.

💡 Astuce mémo

Ionisation → radicaux libres → altérations cellulaires et tissulaires

📖 4. Radioprotection et obligations

★ À maîtriser

📌 La législation ALARA impose une exposition justifiée et aussi faible que raisonnablement possible, dans le respect de limites annuelles.

📌 Le principe D.A.T.E. protège des sources externes par la Distance, la réduction de l’Activité, la limitation du Temps d’exposition et l’utilisation d’Écrans.

📐 Formule — L’intensité reçue d’une source ponctuelle diminue selon $D \sim \frac{1}{d^2}$, où d est la distance à la source.

Compléments

📌 La détention d’un instrument émetteur de rayons X exige une signalétique appropriée et peut nécessiter une déclaration en préfecture, une demande d’autorisation auprès des autorités de sûreté nucléaire et la présence d’une personne compétente en radioprotection, selon la puissance et les caractéristiques de l’instrument.

💡 Astuce mémo

D.A.T.E. : Distance, Activité, Temps, Écrans

📖 5. Applications des rayons X

📝 Points essentiels

📌 La radiographie produit une image fondée sur les différences d’absorption des rayons X par les tissus, tandis que la radioscopie fournit une radiographie en temps réel.

• En tomodensitométrie, un faisceau balaie une tranche sous tous les angles, l’intensité transmise est mesurée, puis un traitement informatique reconstruit des coupes ou une image en trois dimensions.

• La fluorescence X est une méthode d’analyse élémentaire qualitative et quantitative, tandis que la diffraction des rayons X analyse la structure des cristaux.

📖 6. Principe et instrumentation XRF

🔑 Notions clés & Définitions

• Spectrométrie de fluorescence X : Consiste à irradier un échantillon par des photons X énergétiques afin de provoquer et mesurer la fluorescence X des éléments présents.

★ À maîtriser

• Les transitions de fluorescence X impliquent des électrons de cœur qui ne participent pas aux liaisons chimiques, de sorte que l’énergie de fluorescence X est constante et constitue une empreinte digitale de l’élément indépendante de son environnement chimique.

📌 Un spectromètre EDXRF identifie l’énergie des photons par un compteur électronique, tandis qu’un spectromètre WDXRF trie les photons selon leur longueur d’onde grâce à un dispositif optique diffractant.

Compléments

• Un spectromètre de fluorescence X comprend une source de rayons X, une chambre d’analyse et un système de détection.

• Dans un détecteur, un photon entrant provoque une ionisation, les électrons libérés sont collectés et amplifiés, puis transformés en impulsion électrique comptée selon son amplitude et son temps.

💡 Astuce mémo

EDXRF trie les énergies, WDXRF trie les longueurs d’onde

📖 7. Spectres et signaux parasites

🔑 Notions clés & Définitions

• Pic d’échappement : Artefact dû à l’ionisation de cœur d’atomes de l’élément principal du détecteur, qui fait perdre à certains photons une énergie égale à l’énergie d’ionisation de ce détecteur.

★ À maîtriser

• Un spectre de fluorescence X contient les raies d’émission des différents éléments présents dans l’échantillon ; l’énergie identifie l’élément et l’intensité est proportionnelle au nombre de photons reçus.

Compléments

• Les raies de l’anode et le fond continu résultent notamment de la diffusion élastique de Rayleigh du rayonnement incident par l’échantillon.

• L’effet Compton est une rediffusion inélastique donnant une distribution large d’énergies et il est important pour les éléments légers.

• Un pic pile-up résulte de deux photons entrant simultanément dans le détecteur, avec une énergie artificiellement détectée égale à leur somme, par exemple $E_{K\alpha}+E_{K\beta}$.

📖 8. Intensités de fluorescence

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement de fluorescence : Le rendement de fluorescence est $\omega = \frac{n_{\mathrm{fluo}}}{n}$, où n est le nombre de photons incidents efficaces provoquant une ionisation et nfluo le nombre de photons récupérés par fluorescence.

★ À maîtriser

• Pour une série et un élément donnés, l’intensité de la raie Kα est très supérieure à celle de la raie Kβ.

📌 Après une ionisation, la désexcitation radiative émet un photon de fluorescence, tandis que la désexcitation non radiative de type Auger émet un électron.

• Pour un élément donné, le nombre de transitions radiatives vers la couche K est supérieur à celui des transitions vers la couche L, lui-même supérieur à celui des transitions vers la couche M.

• L’intensité absolue d’une raie de fluorescence est proportionnelle à l’intensité excitatrice incidente et dépend de la probabilité d’ionisation, de la probabilité de transition et de la probabilité de désexcitation radiative.

Compléments

• La probabilité d’ionisation dépend de l’absorption, selon une relation de type Bragg-Pierce, de sorte que deux éléments différents n’ont pas nécessairement la même probabilité d’être ionisés par une même longueur d’onde.

💡 Astuce mémo

Ionisation → transition → désexcitation radiative

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des spectromètres XRF

Principaux signaux parasites