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Rappels Généraux sur la Physique Appliquée en Radiologie de Projection

Multiples et Sous-multiples

• Exemples de conversions :
• 25 MeV (mégaélectronvolts) = 25 000 keV = $25 \times 10^6$ eV
• 140 kV (kilovolts) = 140 000 V = $140 \times 10^3$ V
• 10 nm (nanomètres) = $10 \times 10^{-9}$ m = $10^{-8}$ m
• 1 pm (picomètre) = $10^{-12}$ m
• Table des préfixes (à retenir) :

Facteur	Préfixe	Symbole	Facteur	Préfixe	Symbole
$10^{24}$	yotta	Y	$10^{-1}$	déci	d
$10^{21}$	zetta	Z	$10^{-2}$	centi	c
$10^{18}$	exa	E	$10^{-3}$	milli	m
$10^{15}$	peta	P	$10^{-6}$	micro	$\mu$
$10^{12}$	téra	T	$10^{-9}$	nano	n
$10^9$	giga	G	$10^{-12}$	pico	p
$10^6$	méga	M	$10^{-15}$	femto	f
$10^3$	kilo	k	$10^{-18}$	atto	a
$10^2$	hecto	h	$10^{-21}$	zepto	z
10	déca	da	$10^{-24}$	yocto	y

Les Unités Fondamentales

• Coulomb (C) : Unité de charge électrique (Q). $1 C = 6,25 \times 10^{18}$ électrons. C'est aussi la quantité d'électricité pour 1 ampère pendant 1 seconde ($1 C = 1 A \cdot 1 s$).
• Ampère (A) : Unité de l'intensité du courant électrique (I). Mesure le débit de charge. $1 A = 1 C/s$. Utilisé pour le courant tube en mAs.
• Volt (V) : Unité de Différence De Potentiel (DDP) ou tension (U). C'est l'énergie appliquée pour faire circuler 1C d'électrons. $1 V= 1 J/C$. Utilisé pour la tension au tube en kV.
• Joule (J) : Unité d'énergie (E), travail et chaleur. $1 J = 6,2 \times 10^{18}$ eV. L'énergie est aussi $E = Q \cdot U$.
• Électronvolt (eV) : Unité d'énergie (E) adaptée à l'échelle atomique. $1 eV =1,6 \times 10^{-19}$ J. $E_{eV} = e \cdot U_V$.
  • Un électron soumis à 1 V $\rightarrow$ 1 eV.
  • Un électron soumisà 70 kV $\rightarrow$ 70 keV.
• Watt (W) : Unité de puissance électrique (P). $P = U \cdot I = E/t$. $1 W = 1 V \cdot 1 A = 1 J/s$.

Constantes Fondamentales

• Célérité de la lumière (c) : $3 \times 10^8$ m/s
• Charge élémentaire (e) : $1,6 \times 10^{-19}$ C. Plus petite charge électrique.
• Constante dePlanck (h) : $6,62 \times 10^{-34}$ J$\cdot$s. Relie l'énergie d'un photon à sa fréquence ($E = h \cdot \nu$).
• Masse d'un électron (m) : $9,1 \times 10^{-31}$ kg.
• Conversion électrons-volts : $1 eV = 1,6 \times 10^{-19}$ J.

Rappel sur l'Atome

• Structure : Noyau (protons et neutrons) + nuage d'électrons.
• Dimensions : Atome $\sim 10^{-10}$m, Proton $\sim 10^{-15}$ m.
  • Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome.
  • Un atome est principalement constitué de vide (structure lacunaire).
• Numéro Atomique (Z) : Définit l'élément. Égal au nombre de protons et, pour un atome neutre, au nombre d'électrons.
• Couches Électroniques : Les électrons sont organisés en couches (K, L, M, N, O, P).
  • Énergie de liaison (El) : El K > El L > El M > ... Plus la couche est proche du noyau, plus l'énergie de liaison est élevée.
• Exemple (Tungstène W) : Z=74 $\rightarrow$ 74 protons et 74 électrons.

CHAPITRE 1 : Définition des Rayons X

Nature des Rayons X

• Qu'est-ce qu'un rayon X ?
  • C'est un rayonnement électromagnétiqueinvisible.
  • Double nature (dualité onde-particule) :
    • Corpusculaire : propagation de photons (sans masse).
    • Ondulatoire: onde électromagnétique (propagation de champs E et B perpendiculaires).
• Caractéristiques d'une Onde Électromagnétique :
  • Célérité(C) : vitesse de propagation (m/s).
  • Longueur d'onde ($\lambda$) : distance entre deux maximums (m).
  • Fréquence ($\nu$) : nombre de cycles par seconde(Hz). $\nu = C/\lambda$.
  • Énergie (E) : $E = h \cdot \nu = (h \cdot C)/\lambda$.
    • Plusl'énergie (E) est élevée, plus la fréquence ($\nu$) est élevée, et plus la longueur d'onde ($\lambda$) est courte.
• Propriétés des Rayons X :
  • Ondes électromagnétiques invisibles.
  • Longueur d'onde : $10^{-8}$ m (10 nm) à $10^{-12}$ m (1 pm).
  • Circulent en ligne droite à la vitesse de la lumière.
  • Énergie : quelques eV à plusieurs MeV.
  • Rayonnements indirectement ionisants (non chargés, $\lambda < 100$ nm, > 10 eV).
• Utilisation en Imagerie Médicale :
  • Radiologie diagnostique : 40 à 140 keV.
  • Radiothérapie : jusqu'à 25 MeV.

Origine des Rayons X et Rayons Gamma ($\gamma$)

• Production des Rayons X :
  • Réduction d'énergie de particules chargées (électrons).
  • Interactions d'électrons avec :
    1. Le nuage électronique (interaction électrons-électrons).
    2. Le noyau d'un atome cible (interaction électrons-noyau).
• Production des Rayons Gamma ($\gamma$):
  • Dans le noyau de l'atome (désintégration $\gamma$).
  • Processus subatomique (ex: annihilation d'une paire électron-positron).
• Différence clé : l'origine (le mode de production), et non l'énergie.

Points Clés à Retenir sur les Rayons X

• Rayonnement électromagnétique invisible et indirectement ionisant.
• Produits par réduction d'énergie des électrons (interactions électrons-électrons ou électrons-noyau).
• Énergie et longueur d'onde : E est inversement proportionnelle à $\lambda$.
• Radiologie diagnostique : 40 à 140 keV.
• Différenciés des rayons $\gamma$ par leur origine.

Implications Pratiques

• Rayons X invisibles $\rightarrow$ centreur lumineux indispensable pour cibler.
• Rayons X ionisants $\rightarrow$ règles de radioprotection importantes.

CHAPITRE 2 : Productiondes Rayons X

Historique des Tubes à Rayons X

• Tube de Crookes (années 1870) :
  • Tube à cathode froide (tube à décharge, tube à gaz).
  • Ancestor des tubes à rayons X.
  • Découverte fortuite des rayons X par Wilhelm Roentgen en 1895.
  • Constatations de Roentgen : les rayons X sont atténués, diffuséspar la matière, impressionnent une plaque photo et déchargent des corps électriquement chargés.
• Tube de Coolidge (1913) :
  • Amélioration du tube de Crookes par William Coolidge.
  • Tube à cathode chaude : le plus utilisé actuellement.

Structure du Tube de Coolidge

• Composants Essentiels :
  1. Une enceinte en verre sous vide (le vide est crucial pour éviter les collisions des électrons).
  2. Une cathode (-) : filament chauffé source d'électrons.
  3. Une anode (+) : cible des électrons et source des rayons X.

Principe de Fonctionnement du Tube de Coolidge

• Les électrons sont produits en chauffant un filament (cathode) par effet thermoïonique.
• Ils sont accélérés par une forte DDP (Haute Tension) entre la cathode et l'anode.
• Les électrons accélérés bombardent la cible (anode).
• Interaction des électrons avec le métal de l'anode $\rightarrow$ émission de photons X.

Propriétés des Rayons X Émis

• Formation des RX dans toutes les directions :
  • Rectilignes : Les photons se déplacent en ligne droite.
  • Divergents : Les photons s'écartent les uns des autres.
• Conséquences du Caractère Divergent :
  1. Agrandissement de l'objet étudié sur l'image.
  2. Baisse de la fluence (nombrede photons par unité de surface).
  3. Baisse de la dose avec le carré de la distance ($1/d^2$). Si la distance double, la dose est divisée par 4.
• Rayon Directeur (RD) : Le seul rayon perpendiculaire à la fenêtre de sortie du tube. C'est la croix du centreur lumineux.

Points Clés à Retenir sur le Tube de Coolidge

• Tube à cathode chaude : enceinte sous vide, cathode (source d'e⁻), anode (source de RX).
• Rayons X produits sont divergents.
• Rayon directeur (RD) est le rayon centralet perpendiculaire.
• La divergence entraîne : agrandissement de l'objet et diminution de la dose avec le carré de la distance.

Implications Pratiques de la Divergence

• Rayon Directeur (RD) : Doit pointer sur l'interligne de l'articulation pour l'enfiler correctement.
• Agrandissement :
  • Limiter l'agrandissement en réduisant la distance objet-détecteur.
  • Compenser l'agrandissement en augmentant la distance tube-détecteur.
• Dose et Distance :
  • S'éloigner de la source de rayons X (patient pour le diffusé)est un principe de radioprotection.
  • Éloigner le tube du détecteur diminue la dose au détecteur, ce qui nécessite d'augmenter le nombre de rayons X produits (mAs) pour compenser.