Video Transcript
Lequel des éléments suivants doit changer si le courant du faisceau d’électrons d’un tube de Coolidge est modifié ? (A) L’énergie maximale des photons de rayons X produits. (B) L’énergie moyenne des photons de rayons X produits. (C) La vitesse des photons de rayons X produits. (D) La présence de raies caractéristiques dans le spectre des rayons X produit. Ou (E) la vitesse de production des photons de rayons X
Rappelons la structure typique d’un tube de Coolidge et la façon dont il produit un faisceau d’électrons. Une bobine chargée négativement faisant office de cathode et une cible chargée positivement faisant office d’anode se trouvent toutes deux à l’intérieur d’un tube quasiment sans air. Une différence de potentiel, appelée la différence de potentiel d’accélération, est ce qui fait que la bobine soit la cathode et la cible soit l’anode sont chargées négativement et positivement, respectivement. La différence de potentiel à travers la cathode et l’anode provoque une accélération des électrons de la cathode à l’anode, avec l’énergie cinétique de ces électrons, soit 𝐸𝑐, étant proportionnelle à la différence de potentiel d’accélération du tube de Coolidge. Mais la différence de potentiel d’accélération n’est pas proportionnelle au courant du faisceau d’électrons.
Pour changer le courant du faisceau, nous devons changer une différence de potentiel différente ici, la différence de potentiel qui est responsable du réchauffement de la cathode, provoquant l’éjection des électrons dans un processus appelé émission thermo-ionique. En raison du nom de ce processus, cette différence de potentiel s’appelle ici la différence de potentiel thermo-ionique. La différence de potentiel thermo-ionique permet au faisceau d’électrons de se former. Si nous augmentions la différence de potentiel thermo-ionique, la température de la cathode augmenterait également, ce qui lui permettrait de libérer plus d’électrons et ainsi d’augmenter le courant du faisceau d’électrons. Par conséquent, la différence de potentiel thermo-ionique est proportionnelle au courant du faisceau.
Ainsi, en résumé, la différence de potentiel d’accélération est responsable de l’énergie cinétique des électrons dans le faisceau, qui est liée au carré de leur vitesse. Et la différence de potentiel thermo-ionique est responsable du courant du faisceau ou du nombre d’électrons dans le faisceau d’électrons. En gardant ces proportions à l’esprit, commençons par examiner les réponses qui traitent des photons de rayons X. Pour nous aider, nous avons ici un spectre de rayons X typique, qui montre l’énergie des photons et l’intensité des rayons X.
Maintenant, si le courant du faisceau d’électrons change, la réponse (A) indique que l’énergie maximale des photons de rayons X produits changera également. Dans un tube de Coolidge, l’énergie maximale des photons de rayons X qui peuvent être produits est égale à l’énergie cinétique maximale des électrons dans le faisceau, ou au produit de 𝑞, la charge d’un électron et 𝑉 t, la différence de potentiel à travers le tube de Coolidge, qui dans ce cas serait la différence de potentiel d’accélération. Ainsi, nous pouvons voir que l’énergie maximale des photons de rayons X qui peuvent être produits est proportionnelle à la différence de potentiel d’accélération, et non à la différence de potentiel thermo-ionique, qui est liée au courant du faisceau. Ainsi, le changement du courant du faisceau ne changera en rien l’énergie des photons de rayons X qui peuvent être produits dans ce tube. Ainsi, la réponse (A) ne peut pas être la bonne.
De même, la réponse (B) examine l’énergie moyenne des photons de rayons X produits. Et nous avons déjà vu que l’énergie de ces photons de rayons X n’est pas proportionnelle au courant du faisceau. Donc, (B) n’est pas la bonne réponse non plus. La réponse (C) s’intéresse à la vitesse des photons de rayons X qui sont produits. Il est vrai que la vitesse, et par suite l’énergie cinétique des électrons dans le faisceau, est proportionnelle à la différence de potentiel d’accélération, ce qui signifie qu’elle est liée à l’énergie. Cependant, nous examinons la vitesse des photons des rayons X, pas les électrons. Et les photons n’ont qu’une seule vitesse, la vitesse de la lumière, qui ne dépend pas du courant du faisceau ni de l’énergie cinétique des électrons. (C) n’est pas correcte.
La réponse (D) nous parle de la présence de raies caractéristiques ou de pics dans le spectre de rayons X produit. Que ces pics apparaissent ou non dans un spectre de rayons X dépend de l’énergie maximale du spectre des rayons X. Si l’énergie maximale des photons de rayons X est inférieure au point où les pics se produisent normalement, alors les pics n’apparaîtront pas du tout. Seule la courbe lisse du bremsstrahlung, ou rayonnement de freinage, serait présente. Et donc, parce que la présence des raies caractéristiques dans un spectre de rayons X dépend de l’énergie maximale des photons de rayons X, les raies caractéristiques ne sont pas liées au courant du faisceau, car il n’est pas lié à l’énergie.
Cela nous laisse avec la dernière réponse (E). La vitesse de production des photons de rayons X doit dépendre du courant du faisceau. Pour voir pourquoi c’est le cas, rappelons la structure du tube de Coolidge et comment une plus grande différence de potentiel thermo-ionique augmente le courant du faisceau ou le nombre d’électrons qui sont produits. Quand il y a plus d’électrons dans le faisceau d’électrons, plus d’électrons frappent la cible de l’anode, ce qui signifie qu’un plus grand nombre de photons de rayons X sont produits, ce qui crée une intensité de rayons X plus élevée sur tout le spectre même si l’énergie maximale est toujours la même. Notons que cela ne change pas l’énergie moyenne des photons de rayons X qui sont produits, comme nous l’avons vu dans la réponse (B), car nous n’examinons pas l’intensité moyenne des photons de rayons X. Nous examinons l’énergie moyenne des rayons X, qui reste la même.
Ainsi, si le courant du faisceau d’électrons d’un tube de Coolidge est changé, la vitesse de production des photons de rayons X change également. La bonne réponse est (E).
