Connus principalement pour leur utilisation dans le domaine médical comme méthode d'investigation, les rayons X ont permis à la science de voir littéralement à travers le corps humain. Avant leur découverte, les fractures et les blessures internes n'étaient diagnostiquées et examinées qu'au moyen d'une chirurgie au scalpel. Les rayons X sont découverts dans des circonstances particulières et grâce au hasard, auquel contribue également le daltonisme du découvreur : Wilhelm Conrad Röntgen, physicien allemand.
La découverte des rayons X
Röntgen, lors des expériences menées dans son laboratoire, a décidé de vérifier les théories des physiciens allemands Heinrich Hertz et Philipp Lenard sur les faisceaux de rayons cathodiques, c'est-à-dire les faisceaux d'électrons produits à l'intérieur d'un tube à rayons cathodiques. Lors de ses expériences, il avait l'habitude d'enlever les sources de lumière et d'obscurcir complètement la pièce à cause de son daltonisme. Après avoir enveloppé le tube d'une feuille de papier noir, il s'aperçoit soudain qu'une autre feuille de papier sur la table, recouverte de sel de platine et de baryum, est devenue lumineuse. Le physicien en déduit que la fluorescence est causée par l'émission de rayons invisibles sortant du tube. Après avoir pris d'autres objets et les avoir placés entre la trajectoire des rayons émis et une plaque photographique, il remarque qu'une image de ceux-ci reste imprimée sur la plaque : l'image du contenu des objets et de leur structure interne. Appelé sa femme, Anna Bertha Ludwig, il place sa main entre le tuyau et la dalle. Ce qui les fait tenir la bouche ouverte, c'est la vue du squelette de la main, avec un anneau au doigt : on peut considérer que c'est la première radiographie de l'histoire. C'est le 8 novembre 1895 que Röntgen a découvert les rayons X. Il les a appelés ainsi pour indiquer que les rayons X étaient inconnus. Contrairement au fait que les rayons portent son nom et qu'il s'oppose également à leur brevetage, il choisit de rendre la découverte publique, bien que dans certains cas le nom rayons Röntgen soit toujours utilisé.
Comment est produit le rayon X ?
Les rayons X, rayonnements électromagnétiques qui, en traversant les objets, les impressionnent sur une plaque photographique, sont produits par un tube à rayons cathodiques dans lequel le vide est fait et qui contient deux plaques métalliques, la cathode et l'anode. La cathode, traversée par le courant, émet des électrons qui frappent l'anode, provoquant la perte d'électrons par les atomes de l'anode et l'émission d'énergie, précisément les rayons X. Ils sont absorbés de différentes manières : ils passent à travers la peau, le papier et le bois, mais sont arrêtés par les os ou les métaux. Il a reçu le premier prix Nobel de physique avec la motivation suivante : en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus pour la découverte de l'importante radiation qui a ensuite pris son nom, Röntgen a fait don de la somme du prix à son université. Les objections à cette récompense ne manquent pas de la part de ses collègues, y compris de Lenard, qui prétend être le premier découvreur de rayons X. Röntgen a également reçu un doctorat honorifique en médecine de l'université de Würzburg. De plus, il a été nommé d'après le physicien.
L'interaction d'électrons avec une cible métallique peut produire des rayons X. Ces électrons sont eux-mêmes émis par un filament - en tungstène, par exemple - chauffé. Ils sont accélérés par une différence de potentiel de quelques dizaines de kilovolts.
- Les tubes à rayons X
Le processus se déroule dans des tubes à rayons X sous vide, aussi appelés tubes de Coolidge. Les rayons X sortent du tube par des fenêtres en béryllium, un matériau sélectionné pour son étanchéité au vide et pour sa perméabilité aux rayons X. Pour autant, la production de rayons X par ce biais n'affiche pas une efficacité supérieure à 1 % !
- Le spectre des rayons X
Le spectre d'émission des rayons X est constitué de la superposition d'un spectre continu et d'un spectre discret de raies. Les rayons X sont en effet issus de la décélération rapide des électrons lors de l'impact sur la cible rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung ou du retour à l'état fondamental d'atomes excités de la cible.
- Des sources radioactives
La désintégration radioactive de certains isotopes produit également des rayons X. Cette production se fait à partir de sources compactes mais elle est difficilement maîtrisable et peu stable.
- Utilisation des rayons X
Les rayons X sont employés dans le domaine médical en radiographie ou lorsqu'un patient passe un scanner. Ils sont aussi utilisés pour des raisons de sécurité. C'est le cas par exemple dans certains aéroports, où passagers et valises peuvent passer un scanner à rayons X.
Caractéristiques du rayonnement X
Les longueurs d’onde des rayons X sont de l’ordre de grandeur des distances interatomiques dans les molécules, entre 0,03 et 10 nm nanomètre, millionième de millimètre, et cette caractéristique leur permet de passer au travers des matériaux, plus ou moins selon l’épaisseur et la nature de la matière traversée : le plomb, le béton baryté, sont de très bons écrans, les os sont moins transparents que la chair, d’où son utilisation dans le diagnostic médical, les pièces métalliques, dont l’acier, sont peu traversées. Plus la longueur d’onde du rayonnement X est faible, plus le rayonnement est pénétrant, rayonnement dur, et, à l’opposé, plus la longueur d’onde est grande, rayonnement mou, plus le rayonnement est absorbé. Plus la matière à étudier, contrôle non destructif, spectrographie à l’aide de rayons X est épaisse ou absorbante, plus il est nécessaire d’utiliser un rayonnement dur, à longueur d’onde faible. Les rayons X sont des rayons ionisants, ils arrachent ou ajoutent des électrons aux atomes qu’ils ionisent et, dans une cellule, ils peuvent rompre les molécules d’ADN. Plus leur longueur d’onde est courte, plus les rayons X pénètrent dans le corps et détériorent les structures cellulaires puis tissulaires. Les appareils générateurs de rayons X n’émettent un rayonnement que lorsqu’ils sont sous tension. Leurs caractéristiques dépendent des conditions de tension et d’intensité de leur alimentation en courant électrique : plus la tension est élevée, plus les rayons sont énergétiques et pénétrants; plus l’intensité augmente, plus le flux de rayons X et par conséquent la dose reçue, s’accroît.
Les rayons X peuvent parcourir quelques centaines de mètres dans l’air, mais le débit de dose est inversement proportionnel au carré de la distance, c’est à dire qu’il diminue rapidement avec l’éloignement de la source.
Les situations de travail exposant aux rayons X
Elles résultent de l'utilisation des rayons X dans différentes applications médicales, industrielles, et scientifiques : le secteur de la santé a le plus grand nombre de travailleurs potentiellement exposés ; le secteur industriel vient ensuite avec la radiométallographie des pièces métalliques, l'utilisation des dispositifs à rayons X pour l'inspection des bagages et le contrôle des cargaisons, enfin, le personnel des laboratoires de recherche sont souvent exposés à des doses de rayons X. Ces derniers peuvent être directement reçus à partir de la source, rayonnement primaire ou diffusés par les murs, sols, plafonds.
- Les applications médicales
Le radiodiagnostic dans le cadre de la radiologie conventionnelle, de la scanographie exposent le personnel médical et vétérinaire à des doses répétées, plus fortes lorsque celui-ci se trouve à proximité du patient pour accomplir de gestes thérapeutiques, ou pour des examens comme la tomodensitométrie ou les doses peuvent être élevées. La radiothérapie externe utilise la source d’irradiation X à distance de la peau avec des appareils de radiothérapie superficielle, pour traiter des lésions cutanées.
- Les applications industrielles
Des appareils émettent des rayons X, afin de vérifier à partir d'une image radiographique, l'intégrité de structures ou de pièces, notamment l’état des soudures, le niveau de corrosion des composants métalliques, et la présence de fissures. Cette technique de radiographie industrielle permet un contrôle non destructif. L'appareil muni d'un tube à rayons X peut être fixe et placé dans une enceinte blindée, équipée de dispositifs de sécurité, ce qui diminue grandement les risques dus aux rayonnements, mais certains appareils sont portatifs pour être utilisés sur un site de travail temporaire : oléoducs, ponts, tuyauteries, coques de navires, ailes d’avion ou les conditions de travail difficiles et les manipulations fréquentes de sources intenses de rayonnement X constituent un danger potentiel d'irradiation supérieur. Le soudage par bombardement électronique, qui concentre d'intenses faisceaux d'électrons à haute énergie pour fondre et souder des métaux dans le vide, émet des rayons X. En matière de sécurité alimentaire, des détecteurs rayons X permettent la recherche de toutes les non-conformités, défauts de remplissage, produits cassés, corps étrangers. Des matériels de contrôle aux rayons X : portiques fixes, camions scanners mobiles des douanes, sont utilisés pour détecter explosifs, armes, stupéfiants dans les bagages, colis postaux, cargaisons de camions et conteneurs pour les professionnels du monde aéroportuaire, portuaire, routier et les autorités de contrôle frontalières.
- Les applications de laboratoires
Des appareils d'analyse aux rayons X sont utilisés comme dispositifs de diffractométrie et de spectrographie conçus pour effectuer des examens microscopiques ou pour analyser des spectres de rayons X de la matière au niveau atomique ou cristallin.
Les principaux risques des rayons X
Les rayons X sont fortement énergiques et peuvent ioniser les matières qu’ils traversent, ils arrachent ou ajoutent des électrons aux atomes, donc changent leur comportement chimique et électrique. Il y a donc un risque d’exposition externe, soit globale, soit localisée, en rapport avec le pouvoir de pénétration dans le corps des rayons X émis par la source, car ces rayonnements passent très aisément la barrière cutanée : ils entraînent une irradiation en profondeur du corps humain et, à partir d’une certaine dose, modifient les fonctions et les structures cellulaires puis tissulaires par radiolyse de l’eau de la matière biologique, dérèglent la division cellulaire, avec parfois une détérioration de l’ADN, qui contient le programme génétique et les cellules endommagées peuvent être celles de l'ovaire ou des spermatozoïdes, reprotoxicité par mutation génétique. Toutes les radiations subies s’ajoutent et se cumulent tout au long de la vie. Les cellules jeunes des embryons et des fœtus sont très sensibles aux rayons X ; les effets des irradiations sont particulièrement délétères, effets tératogènes : développement anormal du fœtus et retard mental, défaut de croissance Les rayons X ont deux types d’effets différents sur l’organisme :
- les effets déterministes, qui se manifestent rapidement et certainement lorsque la dose reçue atteint ou dépasse un seuil d’apparition, et dont la gravité est fonction de cette dose et qui sont réversibles. Les rayons X ont notamment un effet néfaste sur la peau, les globules rouges du sang, la moelle osseuse, le cristallin de l'œil et les gonades. Ces risques immédiats, radiodermites, anémie, syndrome hémorragique, cataracte, diminution de la fertilité sont liés à une irradiation aiguë correspondant à une forte dose reçue.
- Les effets aléatoires, qui ne se manifestent pas toujours, qui apparaissent de façon différée, sans seuil évident, ni gravité clairement corrélée à la dose reçue, même si, statistiquement, leur occurrence dépend de cette dose.Ces risques tardifs : cancers radio-induits dont les ceux de la thyroïde, les sarcomes osseux, les leucémies et possiblement malformations dans la descendance sont plus liés à l'accumulation des doses sur plusieurs irradiations successives.
L’évaluation de la dangerosité d’une dose délivrée aux différents tissus et organes du corps est mesurée en Sievert. La limite d’exposition annuelle aux rayonnements X des travailleurs exposés est fixée par la réglementation à 20 milliSievert par an. Les femmes enceintes et les très jeunes travailleurs sont les personnes les plus sensibles aux risques des rayons X.
Les mesures préventives des risques des rayons X
La dangerosité des rayons X implique que les employés soient efficacement protégés contre une exposition excessive à ce rayonnement pendant qu'ils travaillent. La prévention doit être orientée vers la meilleure maîtrise possible des niveaux d'expositions par la mise en œuvre de la radioprotection qui est l’ensemble des règles, des procédures et des moyens de prévention et de surveillance visant à empêcher ou à réduire les effets nocifs des rayonnements ionisants sur les personnes et l’environnement. La prévention consiste à limiter l’ensemble des doses reçues à un très bas niveau pour les risques aléatoires différés, et en évitant qu’une dose puisse excéder le seuil d’apparition des risques immédiats certains. Les principes généraux de la radioprotection reposent sur trois piliers :
- Les durées : durée d’exposition aux rayons X la plus brève possible,
- Les distances : éloignement maximal des travailleurs par rapport aux sources de rayons X, avec l’utilisation d'appareils manipulables à distance,
- Les écrans : interposition d’un écran épais et absorbant entre la source de rayons X et le travailleur et port de vêtements de protection.
