lire le Principe Physique de la methode

Contrôle non destructif
Radiographie
En métrologie, l’intérêt étant de disposer d’une méthode de mesure qui permettra
d’identifier les défauts internes, celles qui s’échappent aux méthodes de contrôle
précédemment décrites.
Dans les méthodes de contrôle radiologique utilisées, on distingue les unes des autres
soit par la nature de rayonnements employés (électromagnétiques ou particules), soit par le
type de récepteur d’image mis en œuvre (film, écrans fluorescents, détecteurs CCD,...).
Dans la suite, on parlera de la radiographie, de la radioscopie, de la tomographie et de
la neutronographie.
Notons que les techniques de la radiologie s’appliquent à tout les matériaux solides
dont les épaisseurs peuvent varier de quelques micromètres à plusieurs centaines de
millimètres en tenant compte de la nature de milieu contrôlé et celle de rayonnement utilisé.
Principes physiques
1 Propriétés générales de la radiographie, la radioscopie et la tomographie :
1.1 Propriétés des rayonnements électromagnétiques :
Ces techniques d’examen reposent sur la propriété qu’ont les rayonnements
électromagnétiques de très faibles longueurs d’ondes λ, ce qui leurs permet de traverser la
matière. D’une part, il est important de noter que les rayonnements électromagnétiques,
caractérisés par l’aspect ondulatoire, couvrent un très large spectre dont les longueurs
d’ondes sont approximativement comprises entre 10-5 et 1018 nanomètres. D’une autre part,
les rayons X et les rayons gamma, qui sont de même nature et qui ne diffèrent que par leur
mode de production, occupent avec les rayons cosmiques le domaine des plus faibles
longueurs d’ondes du spectre, à titre d’indication, pour les rayons X de 10 à 10-4 nm et de 5 à
10-2 nm pour les rayons gamma.
D’après Einstein, un rayonnement électromagnétique ondulatoire possède une énergie
W donnée par l’expression suivante :
W=h.ν
avec : W est exprimée en électron-volt,
h est la constante de Planck (h = 6.62 10-34 J.s)
ν est la fréquence de l’onde.
1
Généralement, la fréquence ν d’un phénomène périodique peut s’écrire :
ν=C/λ
avec : C est la vitesse d’une onde électromagnétique (C = 2.998 108 m.s-1).
D’où, l’expression de l’énergie devient :
W = h.C/λ
Par conséquent, l’énergie W sera plus importante si la longueur d’onde est plus faible.
Cela confère donc aux rayons X et aux rayons gamma l’aptitude de traverser des milieux
solides puisqu’ils sont caractérisés par des énergies élevées qui sont comprises entre
104<W<109 eV pour les rayons X et 105<W<107 eV pour les rayons gamma.
1.2 Absorption des rayons X et gamma par la matière :
La nécessité de connaître les modes d’interaction de ces rayonnements
électromagnétiques avec la matière devient de fait que la principe de la formation des
images de défauts en radiologie repose sur l’absorption différentielle de ces rayonnements
dans le matériau contrôlé.
Comme le montre la figure suivante, lorsqu’un faisceau homogène de rayons X ou
gamma d’intensité I0 traverse une épaisseur infiniment petite dx d’un matériau. Il subit alors
une diminution d’intensité dI qui est proportionnelle à l’intensité I0 du faisceau incident et
l’épaisseur dx du corps absorbant.
Ce qui s’exprime sous la forme de l’équation différentielle suivante :
dI = - I0. µ .dx
le signe négatif indique une diminution d’intensité.
avec µ est une constante appelée coefficient d’absorption linéique du matériau, il tient
compte des différents mécanismes d’absorption et aussi la nature physique du milieu
absorbant et du rayonnement, il s’exprime en
cm-1.(voir figure 1)
Si l’intensité I du rayonnement est obtenu
par l’intégration de l’équation différentielle :
I = I0. exp[-µ.x]
avec x l’épaisseur traversée du matériau.
D’après Bragg et Pierce, le coefficient
d’absorption du matériau pour un rayonnement
supposé monochromatique est donné par :
µ = K λ3 Z4 + σa (λ,Z)
2
avec : K est le coefficient de proportionnalité,
λ est la longueur d’onde,
Z est le numéro atomique du matériau contrôlé,
σa est le coefficient de diffusion massique qui dépend de λ et Z.
Pratiquement, les rayonnements X ou gamma sont polychromatiques, ils sont alors
constitués de radiations de différentes longueurs d’ondes. Lorsque l’intensité I0
correspondant à chacune d’elles traverse un matériau dont le numéro atomique est connu,
elle est absorbée proportionnellement à la puissance 3 de la longueur d’onde λ de la
radiation considérée. En fait, l’interaction des rayonnements X ou gamma avec les électrons
gravitant autour des atomes du matériaux, provoque une absorption.
Pour chaque matériau, cette absorption est exprimée selon la nature de la source de
rayonnement utilisée et son énergie par la notion d’épaisseur de demi-transmission désignée
par le symbole e0.5; nous expliquerons cette notion quand nous traiterons les sources de
rayonnements.
Dans le but de mieux connaître ces interactions, nous sommes invités à se référer à la
modèles quantique des rayonnements ionisants dans laquelle l’onde électromagnétique peut
être considérer comme une émission discontinue de grains d’énergie appelés photons de
masse m et d’énergie W telle que :
W = m v2
avec : v est la vitesse du photon
Par conséquent, l’expression suivante qui exprime à la fois la représentations
ondulatoire et quantique de l’onde :
W = h ν = m v2
La probabilité d’interaction d’un photon incident avec les électrons qui gravitent autour
du noyau de l’atome, dépend du nombre atomique Z de l’élément absorbeur, elle dépend
aussi de la fréquence ν et sa longueur d’onde λ ; on peut écrire ainsi que :
W=hν=hC/λ
Il existe trois effets principaux qui gouvernent ces interactions : l’effet photoélectrique,
l’effet Compton et l’effet de matérialisation ou création de paires.
Si l’énergie des photons augmente, le processus d’interaction sont observés
successivement ou simultanément :
L’effet photoélectrique se produit lorsque l’énergie W = h ν0 du photon incident qui
frappe un électron est égale ou légèrement supérieure à l’énergie de liaison de cet électron à
l’atome auquel il appartient. L’électron est expulsé et la conservation d’énergie entre l’état
final et l’état initial donne l’expression suivante :
h ν0 = W n + ½ m v 2
3
avec W n est l’énergie de
liaison de l’électron expulsé de la
couche d’indice n.
½ m v2 est l’énergie
cinétique qui est transférée du
photon à l’électron expulsé.
Pour cela, on utilise des
photons
dont
l’énergie
est
inférieure à 80 kilo électron-Volts
(keV) pour que l’excitation de la couche d’indice K soit la plus fréquente pour des métaux
dont le numéro atomique Z est de l’ordre de 30, citons à titre d’exemple Mg, Al…(voir figure
2)
Diffusion Compton aura lieu si la quantité d’énergie h ν0 du photon incident est
sensiblement plus grande que l’énergie de liaison W n de l’électron sur son orbite n. Le choc
expulse ce dernier en lui donnant une partie de l’énergie initiale sous forme d’énergie
cinétique (½ m v2). Le reste de l’énergie se conserve sous la forme d’un photon d’énergie h ν
qui représente la diffusion Compton.
En appliquant la loi de
conservation d’énergie, on peut
écrire :
h ν0 = W n + ½ m v 2 + h ν
D’une manière générale, en
radiologie industrielle, la diffusion
Compton est le phénomène
prédominant lorsque l’énergie des
photons incidents X ou gamma
est comprise entre 80 keV et 1
MeV (méga électron-Volts).(voir
figure 3)
La création de paires ou effet de matérialisation apparaît lorsque h ν0 du photon
incident est supérieure à deux fois l’énergie équivalente à la masse m de l’électron. Dans ce
cas le photon incident peut disparaître et donne naissance à deux particules de même
masse m mais chargées pour l’une positivement (positon) et pour l’autre négativement
(l’électron).
Il y a alors conservation de l’énergie qui s’exprime :
h ν0 = 2 m C2 + ½ m v21+ ½ m v22
avec C est la vitesse des ondes électromagnétiques,
4
v1 est la vitesse du positon,
v2 est la vitesse du l’électron.
(voir figure 4)
La durée de vie d’un positon
est très courte parce qu’il se
recombine immédiatement avec un
électron de l’atome selon un effet
du matérialisation qui s’écrit :
e+ + e- → h ν
On a alors une émission de
deux photons d’énergie h ν, ce qui est équivalent à 511 keV. Pour que ce processus de
création de paires de particules de signes opposés se produit, il faut que les photons
incidents possèdent une énergie h ν0 égale ou supérieure à 5 MeV. La figure suivante nous
renseigne sur les domaines occupés par ses trois effets en fonction de l’énergie du
rayonnement
incident,
ainsi que le numéro
atomique Z du matériau
contrôlé.
(voir figure 5)
D’une
générale, le
façon
coefficient
d’absorption linéique µ est
la somme des trois
mécanismes d’absorption
dus à l’interaction des
photons incidents avec les
couches électroniques des
atomes du milieu absorbant, on peut écrire ainsi :
µ = µe + µc + µp
avec : µe est le coefficient d’absorption dû à l’effet photoélectrique,
µc est le coefficient d’absorption dû à l’effet Compton,
µp est le coefficient d’absorption dû à la création de paire.
1.3 Formation de l’image radiante :
La méthode de détection des défauts dans un matériau se base sur le phénomène de
variation d’intensité du faisceau de rayons X et gamma lorsqu’il traverse une zone
défectueuse ou saine.
5
On se situe dans le cas d’un
faisceau monochromatique caractérisé
par un longueur d’onde λ et d’intensité
I0, ce faisceau est orienté sur un
matériau d’épaisseur X dont sa forme
contient
constante
une
∆x.
cavité
Cette
d’épaisseur
dernière
est
remplie d’un gaz dont son numéro
atomique est nettement faible par
rapport à celui du matériau.
(voir figure 6)
La première expression donne
l’intensité transmise I au niveau des
zones saines :
I = I0 exp[-µ x]
La deuxième expression indique l’intensité transmise I’ au niveau de la cavité:
I’ = I0 exp[-µ (x - ∆x)]
On constate que I’ > I telle que I’
= I exp[∆x],
On définie alors le contraste de
l’image radiante émergeante ou
contraste objet C0 le logarithme du
I'
rapport I ;
I'
D’où C0 = log I = µ ∆x
D’après Bragg et Price , on sait
que µ = K λ3 Z4 , l’expression du
contraste devient :
C0 = K λ3 Z4 ∆x ⇒ C0 = f(λ)
De ce fait, nous pouvons
augmenter le contraste en augmentant
le longueur d’onde λ ce qui est
techniquement possible
rayons X ou gamma.
avec
les
En réalité, les rayonnements ne sont pas monochromatiques et la surface du matériau
est irrégulière ; en effet, des nombreuses interactions peuvent se produire entre les photons
6
et les atomes du matériau par les effets décrites précédemment ou création de paires des
rayonnements diffusés secondaires dans toutes les directions. (voir figure 7)
Par conséquent, l’expression de l’intensité transmise I = I0 exp[-µ x] n’est plus
applicable car elle ne tient pas compte des rayonnements diffusés transmis.
Pour cela, il est nécessaire d’utiliser un facteur de diffusion B dans l’expression
précédente qui devient :
I = B . I0 exp[-µ x]
En fait, le facteur de diffusion est supérieur à 1, tel que :
B = I0
+ Id
= 1+ Id
I0
I0
Ces rayonnements diffusés dans toutes les directions ne participent pas à la formation
de l'image des défauts mais au contraire en altèrent le contraste comme le ferait un voile sur
un cliché photographique.
Un autre facteur, le flou géométrique. dégrade la définition des images radiologiques.
Ce phénomène sera décrit prochainement.
1.4 Principe de l'émission et caractéristiques des rayons X
C'est en 1896 que le physicien allemand W.C. Roentgen découvrit les rayons X, mais
ce n'est que vers 1920 qu'apparurent les
premiers générateurs de rayons X grâce à la
mise au point du tube radiogène par le
physicien américain Coolidge (voir figure 8).
Les rayons X sont en effet produits à
l'intérieur d'une enceinte en verre ou céramique
dans laquelle règne un vide poussé (environ
1.10-6 Pascal).
Deux électrodes sont disposées à l'intérieur de cette enceinte :
- une cathode constituée par un filament métallique qui, lorsque porté à une
température élevée, émet des électrons
par effet thermoélectronique,
- une anode portée à un potentiel
positif par rapport à la cathode. ce qui
crée, entre les deux électrodes un
champ électrique.
Dans
les
tubes
radiogènes
modernes (voir figure 9), le filament de
cathode est placé à l'intérieur d'une
coupelle de focalisation (ou pièce de
concentration) destinée à concentrer le
7
faisceau d'électrons émis, alors que l'anode comporte une cible en tungstène destinée à
recevoir les électrons émis par la cathode puis accélérés par la différence de potentiel
établie entre cette dernière et l'anode.
Ce sont les interactions entre ces électrons et les atomes constituant la cible qui
produisent la quasi totalité des rayons X émis.
En effet, les électrons qui passent à proximité d'un noyau atomique de la cible
subissent une force d'attraction F qui les dévie de leur trajectoire initiale.
Sous l'effet de la décélération qui en résulte, il se produit une émission d'un
rayonnement électromagnétique dit de freinage qui constitue le spectre continu des rayons X
émis (voir figure 10 ).
Le flux énergétique du spectre des rayons X émis est égal à la surface délimitée par la
courbe représentée à la figure 11 qui rend compte de la distribution des débits d'exposition I0
en fonction de la longueur d'ondes λ des différentes radiations.
La plus courte longueur d'onde λ0 du spectre correspond à l'énergie maximale
W = e V0 que peuvent acquérir les électrons sous l'effet de la différence de potentiel V0
appliquée entre la cathode et l'anode du tube.
8
Si ν0 est la fréquence maximale correspondant à λ0, on peut écrire :
e V = h ν0
où h constante de Planck.
Comme
υ
0
=C
λ0 , l'expression précédente devient :
e V0= h C / λ0
et en remplaçant h et C par leur valeur :
λ0 = 1240 / V0
La différence de potentiel Vo étant exprimée en volt. C'est cette longueur d'onde
minimale λ0 qui définit l'énergie maximale du faisceau de rayons X émis ou encore sa qualité
ou pouvoir de pénétration de la matière.
En fait, au débit d'exposition maximal lm du spectre, correspond une longueur d'onde
λm telle que :
λm ≈ 1.5 λ0
Dans la pratique, lm et λm constituent les caractéristiques effectives du spectre,
Au fond continu de ce spectre se superposent des raies caractéristiques, En effet, si la
différence de potentiel V0 est élevée, la vitesse atteinte par les électrons est grande et ceuxci peuvent expulser des électrons appartenant au matériau irradié,
L'atome devient alors un ion positif qui recapture immédiatement ces électrons
expulsés au niveau des couches électroniques K ou L. Ces captures s'accompagnent de
l'émission d'un rayonnement de fréquence donc d'énergie bien définie correspondant aux
énergies de liaison des couches K et L.
Le grand intérêt que présentent les générateurs à rayons X est de permettre une mise
en forme du spectre de rayonnement grâce au réglage des deux paramètres qui sont :
9
- l'intensité du courant (flux d'électrons) qui traverse le tube de la cathode vers l'anode
exprimée en milliampères,
- la différence de potentiel appliquée entre ces deux électrodes exprimée en kilo volts.
Ces réglages sont effectués par l'intermédiaire du circuit d'alimentation du tube
radiogène.
Trois principaux types de circuits sont utilisés :
- les circuits à tension
pulsée autoredressée (voir
figure 12) qui sont les plus
simples et où le tube
alimenté par le circuit
secondaire
d'un
transformateur
ne
fonctionne
qu'une
alternance sur deux, c'est-àdire lorsque l'anode est
portée à un potentiel positif,
- les circuits Graetz à
tension pulsée et redressée
où les alternances de
tension
négatives
sont
redressées et participent à
l'alimentation du tube.
- les circuits à tension constante qui permettent une alimentation continue du tube donc
un coefficient d'utilisation maximal de celui-ci.
En se référant au circuit à tension d'alimentation pulsée auto-redressée de la figure , il
est possible de faire varier le débit du flux d'électrons dans le tube donc la quantité de
photons X émis en agissant sur le rhéostat du
courant de chauffage du filament de cathode.
La figure (voir figure 13) montre que
l'intensité du débit d'exposition émergeant du
tube est proportionnelle à l'intensité du
courant donc au flux d'électrons qui traverse
ce tube. Par contre, ce dernier n'a aucune
influence sur les longueurs d'ondes λ0 et λm
donc sur la qualité du rayonnement. En
revanche une modification de la tension
d'alimentation du tube agit doublement sur le
spectre des radiations émises (voir figure 14).
10
C'est ainsi qu'une diminution de la tension d'alimentation :
- réduit le débit d'exposition,
- augmente les longueurs d'ondes λ0 et λm des spectres accroissant ainsi le contraste
de l'image radiante C0 donc la qualité des images obtenues.
Le spectre de rayonnement X peut également être modifié à l'aide d'une filtration des
radiations qui émergent du tube (voir figure 15).
En effet, l'interposition d'un filtre
constitué par une plaque de métal dense à
numéro atomique élevé tel que le plomb
permet une filtration sélective des radiations
dont les longueurs d'onde sont les plus
grandes.
Cette
disposition
qui
favorise
l'émergence des radiations les plus
pénétrantes, donc à faibles longueurs
d'onde, est utilisée lorsque l'on cherche à
réduire volontairement le contraste objet lors
de l'examen d'un matériau qui présente à es
variations d'épaisseur dues à sa géométrie.
L'énergie des rayonnements X émis par les tubes radiogènes varie de quelques kilo
électron-volts à quelques centaines de kilo électron-volts permettant ainsi le contrôle de
pièces métalliques en acier d'épaisseurs comprises entre 0 et 80 mm environ.
Pour des épaisseurs supérieures, les énergies à mettre en oeuvre doivent être plus
importantes et le plus souvent supérieures à 1 méga électron-volts (1 MeV = 106 eV).
De telles énergies sont atteintes à l'aide d'accélérateurs de particules qui
communiquent aux électrons émis par une cathode une énergie e V0 supérieure à celle qu'ils
peuvent avoir sous l'effet d'une différence de potentiel maximale de 400 à 500 kilovolts dans
un tube radiogène.
Deux types d'accélérateurs se
sont imposés pour les besoins de la
radiographie industrielle :
- le bétatron,
- l'accélérateur linéaire.
Le bétatron (voir figure 16) est
constitué d'une chambre torique dans
laquelle règne un vide poussé et où
sont injectés des électrons émis par un
filament de cathode chauffée et dont le
11
flux est focalisé par une grille. Une différence de potentiel appliquée entre le filament et la
grille permet d'expulser les électrons.
Un champ magnétique alternatif orienté parallèlement à l’axe de révolution de la
chambre va, par l'action d'un champ sur un courant, accélérer les électrons émis selon une
trajectoire circulaire dont le rayon est maintenu constant par l'action d'un champ magnétique
de direction perpendiculaire au vecteur vitesse de l'électron et résultant du champ alternatif
précité.
Lorsque l’énergie désirée est atteinte, une brutale variation du champ magnétique créé
par deux bobines dans lesquelles se décharge un condensateur, écarte les électrons de leur
orbite et les dirige vers une cible en tungstène qui, par effet de freinage, produit un faisceau
de rayons X intense et très énergétique.
En
effet,
les
électrons
parcourent quelques 100 000
révolutions pour acquérir leur
énergie maximale qui peut atteindre
pour certains appareils 32 MeV.
Dans ces conditions, des
parois
d'acier
de
300
mm
d'épaisseur peuvent être examinées
par radiographie dans de bonnes
conditions.
L'accélérateur linéaire (voir
figure
17)
est
principalement
constitué d'un guide d'onde dans
lequel sont introduits des électrons émis par un filament de cathode chauffé.
Ce faisceau d'électrons après fractionnement en paquets va être accéléré sous l'effet
d'une onde électromagnétique hyperfréquence créé par un magnétron ; il progresse ainsi le
long du guide d'onde en synchronisme avec cette onde.
Enfin de course, les électrons frappent une cible en tungstène et génèrent ainsi des
rayons X de freinage dont l'énergie peut atteindre de 4 à 30 MeV avec un débit d'exposition
très élevé.
1.5 Principe de l'émission et caractéristiques des rayons gamma
On sait que l'atome est la plus petite partie de la matière qui puisse être isolée par les
méthodes courantes de la chimie.
Un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravite un nombre variable
d'électrons selon le numéro atomique Z de l'élément considéré.
12
Après avoir longtemps cru qu'un atome était indivisible, il est apparu que celui-ci était
un édifice complexe et pas du tout intangible sous l'effet de moyens de fractionnement
puissants.
Vers la fin du 19ème siècle, on a constaté que certains atomes d'éléments naturels peu
nombreux présentaient la propriété de se métamorphoser et parfois de se détruire
spontanément en libérant une énergie considérable par rapport à leur petite taille.
C'est le physicien français Becquerel qui en 1896 observa ce phénomène dit de
radioactivité naturelle pour le minerai d'Uranium.
En 1898, Pierre et Marie Curie mirent en évidence la radioactivité de composés du
thorium puis du radium.
Enfin, en 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie ont montré la possibilité de produire
artificiellement des atomes radioactifs. Ces types d'atomes constituent les radio- éléments
artificiels ou radio isotopes d'éléments naturels stables.
De nos jours, ces radioéléments sont très nombreux mais seuls quelques-uns d'entre
eux sont utilisés en radiologie.
Ce sont des noyaux instables qui sont à l'origine de cette radioactivité.
On sait qu'en dehors de l'hydrogène dont le numéro atomique et la masse sont égaux
à 1 et qui a pour symbole 1H , le noyau des atomes est constitué de protons chargés
positivement et d'un certain nombre de particules, les neutrons, de même dimension que les
protons, de masse très peu différente mais sans charge électrique. Dans les noyaux
d'éléments stables, les protons et les neutrons sont souvent en nombres peu différents et
sont maintenus étroitement liés par des forces très importantes et de nature très complexe.
1
Il existe donc un équilibre qui peut être rompu par l'introduction d'un ou plusieurs
neutrons dans le noyau d'un
élément stable.
On obtient alors un isotope
de l'élément cible et cet isotope
est le plus souvent radioactif.
L'opération qui consiste à
introduire un ou plusieurs
neutrons excédentaires dans un
noyau s'appelle une réaction
nucléaire (voir figure 18)).
L'étude des propriétés des
radioéléments naturels a montré que l'énergie émise par ceux-ci peut être de trois types
principaux :
13
- les rayonnements alpha (α) de nature corpusculaire résultant de la désintégration de
noyaux d'éléments lourds. Ils sont constitués de noyaux d'atomes d'hélium
positivement et animés d'une grande vitesse,
He chargés
4
2
- les rayonnements béta (β) ou électrons également de nature corpusculaire possèdent
une charge électrique négative. Leur vitesse initiale est aussi très grande.
La radioactivité β résulte d'une métamorphose de l'atome radioactif et est fréquente
pour les atomes où le nombre de protons est supérieur à celui à es neutrons. Dans le noyau
ainsi excité il se produit une transformation d'un neutron en proton de la forme :
n → p + e _ + hν
L'émission d'un électron e- par le noyau est une conséquence de cette transformation
qui s'accompagne de la libération d'une petite quantité d'énergie hν.
- les rayonnements gamma (γ) qui sont de nature électromagnétique comme les rayons
X. Ils se propagent en ligne droite à la vitesse de la lumière. Les rayons gamma sont les
seuls avec les rayons X à être utilisés en
radiologie puisque les rayonnements α et β
sont très rapidement absorbés par la
matière.
Alors que les rayons X sont
essentiellement caractérisés par des
spectres d'émission à fond continu dont
l'énergie maximale dépend, pour un tube
radiogène, de la tension appliquée, les
rayonnements gamma émis par un même
radioélément ont, au contraire une énergie
concentrée autour d'un petit nombre de
valeurs que l'on appelle des raies
caractéristiques.
L'utilisation d'un spectrographe spécial
permet d'établir les spectres de raies des
radioéléments.
En radiologie et plus particulièrement
en radiographie. les radioéléments les plus
couramment utilisés sont :
- l'Iridium 192,
- le Césium 137 ,
- le Cobalt 60,
14
dont les spectres de raies sont représentés sur les figures 19,20.
L'énergie correspondant à chacun de ces pics, c'est-à-dire à chacune de ces raies, est
caractéristique d'un isotope déterminé.
Une autre particularité des radioéléments est leur activité, c'est-à-dire le nombre de
transformations nucléaires dont ils sont le siège par unité de temps. L'unité de radioactivité
ou d'activité est le becquerel (Bq). C'est l'activité d'une source radio- active dans laquelle le
nombre moyen de désintégrations de noyau d'atome est de un par seconde. Cette activité
est le plus souvent exprimée en gigabecquerel (GBq) ou en térabecquerel (TBq). 1 GBq =
109 Bq. 1 TBq = 1012 Bq.
De cette activité va dépendre la quantité de photons y émise par le radioélément
considéré donc le débit d'exposition. Le
débit d'exposition délivré par une source
radioactive dépend de l'activité de cette
source mais également de la nature du
radioélément utilisé.
Ce dernier intervient non seulement
par l'énergie des rayonnements y qu'il émet
mais également par leur nombre.
Le débit d'exposition exprimé en
nanoampère par kilogramme (nA.kg-1) ou
nanocoulomb par kilogramme et par
d'une
source
seconde
(nC.kg-1.s-1)
radioactive mesuré à 1 mètre de celle-ci et
pour une activité donnée et égale à 1
gigabecquerel (109 becquerels) est appelé
constante spécifique du radioélément considéré.
Le tableau ci-dessous rend compte de cette constante pour les radioéléments utilisés
en radiographie. Il apparaît que pour une même activité et à une même distance, c'est le
Cobalt 60 qui présente le débit d'exposition le plus élevé et le Thullium 170 le plus faible, ce
qui aura une incidence sur les temps d'exposition nécessaires pour l'obtention d'une image
satisfaisante de la pièce examinée.
Enfin, l'activité d'une source radioactive décroît dans le temps. En effet, au cours de la
transformation radioactive d'un atome instable, celui-ci se détruit. Ainsi le nombre des
atomes radioactifs contenus dans une quantité donnée d'un radioélément diminue avec le
temps, ce qui conduit donc à une diminution de l'activité de ce radioélément.
Constantes spécifiques des radioéléments
Unité
nA. Kg-1 par
Radioéléments
Ir192
0.97
2.54
Co60
0.0048
15
Tm170
0.68
Cs137
GBq à 1 m
On appelle période d'un radioélément le temps au bout duquel l'activité est réduite de
moitié. Cette durée est également une caractéristique de la substance radioactive
considérée comme le montre le tableau suivant :Périodes des radioéléments
Unité
An (a)
Jours (d)
Radioéléments
Co60
Tm170
5,3 a
129 d
Ir192
74,3 d
Cs137
30,1 a
Connaissant l'activité initiale d'une source radioactive, des abaques permettent de
calculer cette activité à un instant donné.
1.6 Comparaison des rayons X et des rayons gamma
Rien ne distingue a priori les rayons X et les rayons gamma quant à leur nature
puisqu'ils sont tous deux des rayonnements électromagnétiques dont les spectres occupent
des plages communes.
Il n'en va cependant pas de même si l'on considère leurs modes de production.
Si l'on considère tout d'abord l'énergie de ces rayonnements, nous avons vu qu'avec
les rayons X, il était possible de faire varier celle-ci de façon progressive et continue en
agissant sur la tension d'alimentation du tube radiogène. En revanche, pour les rayons γ
cette énergie est discontinue et le choix le mieux adapté à un problème donné passe par le
choix du radioélément dont le spectre d'émission est le moins défavorable eu égard aux
énergies élevées qui caractérisent généralement ces substances et qui dégradent le
contraste objet.
Le tableau ci-dessous rend compte pour les rayons X et les rayons γ des énergies de
rayonnement par les épaisseurs de demi-transmission et de déci-transmission pour l'acier en
fonction de la tension appliquée au tube, de l'énergie en MeV (accélérateur linéaire) ou de la
nature du radioélément considéré.
Epaisseurs des
couches de (en
mm)
Demitransmissione0.5
(1)
Demitransmissione0.1
(1)
Rayons γ
Rayons X
50 kV
0.7
100
kV
1.8
200
kV
7
300
kV
3.8
MeV
6
Tm170
MeV
Ir192
Cs137
Co60
25
30
1.5
12
15
20
6.3
40
50
66
16
(1) pour l’acier
Un autre facteur qui différencie les rayons X des rayons γ, outre leur mode de
production, est le débit d'exposition qu'ils permettent, c'est-à-dire le nombre de photons X ou
de photons γ émis par unité de temps à une distance donnée.
Plus ce nombre est élevé meilleure sera l'image obtenue et plus court sera le temps
d'exposition pour obtenir une exposition donnée E (l'exposition E est le produit du débit
d'exposition I par le temps t (E = I t)).
16
Enfin, si les rayons X sont des rayonnements dit de freinage qui prennent naissance au
sein du cortège électronique qui gravite autour du noyau de l'atome, les rayons y émanent
du noyau d'éléments rendus instables par l'introduction d'un ou plusieurs neutrons
excédentaires dans ce noyau.
2 Principes physiques de la neutronographie :
C'est en 1938 que Kallman, en Allemagne, fut le premier à entrevoir les possibilités de
la neutronographie.
Cette technique d'examen ne progressa réellement qu'à partir de 1962 à la faveur de
sources de neutrons à débit suffisamment élevé.
L'utilisation industrielle de la neutronographie est encore marginale en raison du
caractère inadapté des sources de neutrons à cet usage.
2.1 Caractéristiques des neutrons utilisés
De manière conventionnelle, les neutrons émis par les sources classiques sont répartis
en quatre domaines d'énergies correspondant à des propriétés différentes. Dans l'ordre des
énergies E croissantes, on trouve successivement :
- les neutrons froids (E < 0,005 eV),
- les neutrons thermiques (0,005 eV < E < 0,5 eV),
- les neutrons épithermiques (0,5 eV < E < 103 eV),
- les neutrons intermédiaires (103 eV < E < 5.105 eV),
- les neutrons rapides (E > 5.105 eV).
Ces types de neutrons présentent des comportements différents lorsqu'ils rencontrent
un milieu de nature donnée.
En effet, chaque élément, chaque isotope constituant un milieu est caractérisé par une
section efficace σ exprimée en
barns (1 barn = 10-24 cm2) qui
rend compte de la probabilité
d'interaction de cet élément
avec les neutrons en fonction de
leur énergie E.
La
courbe
standard
représentée sur la figure 22
permet d'apprécier à cet égard
la répartition des différents
types de neutrons selon leur
énergie.
17
La gamme d'énergies correspondant aux neutrons thermiques est de loin la plus
utilisée car la plage des capacités d'absorption est très étendue et c'est dans cette gamme
d'énergies que l'on possède les moyens de détection les meilleurs.
2.2 Interactions des neutrons avec la matière
La différence essentielle entre la radiologie X et γ la neutronographie résulte du fait que
l'interaction des particules avec la matière se situe, pour les photons X et γ au niveau des
couches électroniques de l'atome alors que pour les neutrons qui ne possèdent pas de
charge électrique, c'est au niveau des noyaux que cette interaction a lieu.
Les neutrons subissent des phénomènes de diffusion élastique ou inélastique (perte
d'énergie) et d'absorption mais l'importance relative de ces phénomènes dépend
énormément de l'énergie du neutron incident notamment pour l'absorption.
En effet, le coefficient d'absorption (ou d'atténuation) varie, pour un noyau donné, en
raison inverse de la vitesse du neutron, donc de la racine carrée de son énergie. On peut
σ= K
E
donc écrire que le coefficient d'absorption σ est tel que :
Ceci se traduit, à l'échelle macroscopique, par des coefficients d'absorption des
neutrons qui ne présentent aucun point commun avec ceux des rayonnements X ou gamma.
En particulier, si pour les rayonnements électromagnétiques, ces coefficients
d'absorption sont proportionnels au numéro atomique des éléments, la distribution de ces
coefficients présente un aspect beaucoup plus aléatoire et des variations d'amplitude bien
plus considérables pour les neutrons .
On peut ainsi noter que certains matériaux légers et notamment les composés
hydrogénés très peu absorbants vis-à-vis des rayons X sont au contraire très absorbants
pour les neutrons.
A l'inverse, certains matériaux lourds (plomb, uranium naturel) opaques aux rayons X
sont transparents aux neutrons.
Ces constatations indiquent que le champ d'application de la neutronographie sera
différent de celui de la radiologie conventionnelle à l'aide des rayons X et γ et qu'ainsi ces
méthodes seront complémentaires.
2.3 Formation de l'image radiante :
Comme pour les rayons X et γ, l'absorption des neutrons par un matériau varie de
façon exponentielle suivant la loi : I = I0.e
−σx
expression dans laquelle :
- l = débit des neutrons émergents d'une pièce,
- I0 = débit des neutrons incidents,
- σ = coefficient d'atténuation massique,
18
- x = épaisseur traversée.
Le coefficient d'atténuation σ est la somme des coefficient d'atténuation pour chaque
type d'interaction soit :
σ = σd + σa
σd = coefficient d'atténuation dû aux phénomènes de diffusion élastique et in élastique,
σa = coefficient d'atténuation dû au phénomène d'absorption proprement dit.
Comme pour les rayonnements ionisants X et γ si l'on considère un matériau d'égale
épaisseur x contenant une cavité interne d'épaisseur ∆x constituée d'un milieu solide, liquide
ou gazeux, le contraste objet au droit de cette cavité aura pour expression :
C0 = σ . ∆x
Ce contraste étant proportionnel au coefficient d'atténuation σ, seuls les milieux
caractérisés par une valeur de σ comprise entre 0,2 et 50 cm2.g-1 donneront lieu à des
images bien contrastées.
On constate que les produits à base de bore (B) dont la présence est fréquente dans
les brasures, le lithium (Li) qui entre dans les composants électroniques et les produits
hydrogènés (H), qui sont tous des éléments légers, pourront être décelés par
neutronographie avec un bon contraste.
2.4 Sources de neutrons utilisées en neutronographie
L'obtention d'images neutroniques satisfaisantes nécessite de disposer d'un faisceau
de neutrons homogène suivant sa section.
Pour parvenir à cette fin, deux types de source sont utilisés pour produire des neutrons
thermiques :
- les réacteurs nucléaires,
- les sources isotopiques.
A titre d’exemple, les réacteurs nucléaires utilisés en France par le Commissariat à
l'Energie Atomique (CEA) sont caractérisés par un flux de neutrons thermiques ∅ très
important et de l'ordre de :
∅
=
2.1013
à
2.1014
n/cm2/s
conduisant
après
collimation du faisceau à un flux
sur objet ∅0 d’environ :
∅0 = 107 à 108 n/cm2/s
La figure 23 représente
très schématiquement le poste
19
de neutronographie du réacteur expérimental Triton au CEA
Une telle installation comporte :
- un collimateur conique dont les parois latérales sont doublées d'un écran absorbeur
de neutrons en cadmium, indium ou carbure de bore,
- un filtre de rayons gamma qui, placé en sortie du collimateur, est constitué par un
monocristal de bismuth de 10 à 15 cm d'épaisseur,
- un conduit à neutrons placé entre le filtre et la zone d'exposition dont parois sont
revêtues de bore ou de lithium et qui contient de l'hélium très absorbant pour les neutrons,
- la zone d'exposition ou aire expérimentale qui est un local blindé (murs de 50 cm
d’épaisseur en béton) afin d'arrêter les neutrons résiduels,
- le chariot porte-objet.
Ce dernier dispositif supporte également le convertisseur qui, selon la technique de
prise de vue utilisée, sera associé ou non au film sur lequel se formera l’image de la pièce
contrôlée.
A noter que les réacteurs nucléaires constituent à ce jour les sources les plus utilisées.
Autres sources de neutrons thermiques, les sources isotopiques de type moinebéryllium (Sb124-Be) qui produisent dans un angle solide égal à 4π un flux de neutrons ∅ tel
que :
∅ = 5.10 5 à 5.10 6 n.s-l
et dont l'énergie moyenne est de 0,024 MeV.
L'inconvénient majeur de ce type de source réside dan l'antimoine 124 n'est que de 60
jours, ce qui est peu.
2.5 Détection des images neutroniques :
Les neutrons n'étant pas des particules ionisantes traversé la pièce, être convertis en
particules α ou β ou en photons γ qui seuls sont susceptibles d'impressionner un film
radiographique. Tel est le rôle des convertisseurs.
Deux techniques de prise de vue sont utilisées :
directe,
l'une
appelée
- l'autre étant
méthode indirecte.
méthode
qualifiée
de
La méthode directe (voir figure
24) utilise un récepteur constitué du
film et d'une feuille de gadolinium
20
(Gd) très absorbante aux neutrons qui constitue le convertisseur.
Soumis au flux de
neutrons émergeant de la
pièce, ce convertisseur émet
des particules β (électrons)
ionisantes qui impressionnent
la ou les couches d'émulsion
que comporte le film.
La méthode indirecte
(voir figure 25) comprend deux
phases successives.
- Dans un premier
temps, seul l'écran convertisseur est irradié par le flux de neutrons émergeant de la pièce. La
réaction nucléaire produit un radio-isotope de période plus ou moins longue.
- Dans un deuxième temps, à l'issue de l'activation de l'écran, celui-ci est mis en
contact avec le film qui est impressionné par l'émission de particules résultant de la
désactivation du convertisseur.
Cette méthode présente le grand avantage de permettre l'examen de matériaux
radioactifs.
L'écran convertisseur utilisé avec la méthode indirecte est généralement une feuille
d'indium (In) ou de dysprosium (Dy), matériaux facilement activables et présentant un
coefficient d'atténuation élevé aux neutrons.
3. Techniques d'imagerie en radiologie : « matériels utilisés et exemples de
résultats »
Rôle et caractéristiques du matériel utilisé :
La radiographie met en oeuvre
des rayonnements X ou gamma.
Le récepteur d'image utilisé est
un film spécialement conçu pour cet
usage.
La technique de prise de vue
est représentée de façon très
schématique sur la figure 26 ci-contre.
Nous nous bornerons à ne
décrire que les matériels spécifiques
à la radiographie, c'est-à-dire :
- les sources de rayonnements,
21
- les filtres, masques et écrans,
- le film et sa cassette,
- les écrans renforçateurs,
- les indicateurs de qualité
d'image.
Les sources de rayonnement
X et gamma :
Celles-ci
doivent
être
adaptées à la nature et à
l'épaisseur du matériau à contrôler,
c'est-à-dire
émettre
un
rayonnement d'énergie nécessaire
et suffisante.
A titre indicatif, la figure 27
indique le type de générateur à
rayons X ou la nature du
radioélément à utiliser en fonction
de l'épaisseur à contrôler pour l'acier.
Lorsque cela est techniquement et matériellement possible, il est préférable d'utiliser
une source de rayonnement X dont l'ajustement de la tension d'alimentation permet
l'utilisation d'une longueur d'onde λm conduisant à un contraste objet C0 optimal. Pour des
épaisseurs d’acier inférieures à 50-60 mm, et lorsque l'équipement de contrôle doit être
déplacé sur site, les générateurs à rayons X monoblocs à tension pulsée auto-redressée
sont bien adaptés à la situation car le tube radiogène et le circuit d'alimentation sont
contenus dans une même enceinte. De tels équipements sont conçus pour émettre des
faisceaux de rayons X directionnels ou panoramiques (l'anode est dans ce dernier cas de
forme conique.
En revanche, les contrôles à poste fixe dans un local spécialement adapté et protégé
pour des raisons de sécurité seront efficacement réalisés au moyen de générateurs à
tension constante pour lesquels le débit de courant dans le tube radiogène peut atteindre ou
dépasser 10 mA.
Les débits d'exposition qui en résultent sont très importants et conduisent à une
réduction sensible des temps d'exposition, ce qui est satisfaisant des points de vue
technique et économique.
Il existe des appareils qui permet de radiographier des épaisseurs d'acier inférieures
ou égales à 100 mm. De même il y a des tubes à faisceau directionnel et à tension constante
dont les tensions maximales d'alimentation du tube sont respectivement et de haut en bas de
160, 320 et 450 kilovolts. Le débit de courant dans ces tubes peut atteindre pour certains 20
mA.
22
Ces tubes sont reliés à des blocs d'alimentation qui contiennent les enroulements du
transformateur ainsi que des redresseurs et des condensateurs.
La liaison tube-bloc est réalisée à l'aide de câbles haute-tension de forte section et
dont l'isolement les rend particulièrement fragiles.
L'examen de parois en acier de très fortes épaisseurs pouvant atteindre 300 à 400
millimètres nécessite l'usage d'un faisceau de rayons X de très haute énergie (plusieurs
MeV) et à grand débit d'exposition.
Ces conditions sont satisfaites grâce à l'utilisation d'accélérateurs linéaires.
L'encombrement de ces matériels, la nécessité de disposer d'une alimentation
électrique ainsi que la fragilité relative de ceux-ci constituent des facteurs qui ne permettent
pas toujours leur mise en oeuvre sur site ou à l'intérieur de constructions d'accès difficile.
On doit alors avoir recours à des source isotopiques émettrices de rayons γ dont
l'autonomie et le faible encombrement
sont à cet égard des facteurs favorables.
La figure 31 représente des sources
de cobalt 60, d'iridium 192 et dE césium
137 conditionnées dans des capsules
métalliques
en
acier
inoxydable
résistantes et étanches.
Ces capsules sont fixées à
l'extrémité d'un porte-source qui peut être
fixe ou mobile.
Contrairement aux rayons X pour
lesquels l'émission du rayonnement cesse
dès que le courant d'alimentation est
coupé, les rayons y sont émis en
permanence et il est alors nécessaire de
se protéger de leurs effets quand la
source n'est pas utilisée.
La protection est assurée en
disposant cette source à l'intérieur d'un
conteneur dont les parois épaisses sont
constituées d'un matériau lourd très
absorbant vis-à- vis des photons γ.
23
Ce matériau peut être du
plomb, du tungstène ou de l'uranium
appauvri.
Le conteneur doit permettre :
-
l'émission
des
rayons
γ
lorsque le radioélément est utilisé,
-
la
protection
contre
ces
rayons γ lors du stockage de la
source.
On distingue selon le type de
conteneur utilisé :
- les sources fixes non éjectables qui sont destinées aux irradiations directionnelles
latérales ou frontales (voir figure 32).
Elles sont situées à l'intérieur d'un conteneur dont l'enlèvement d'un bouchon permet
l'irradiation,
- les sources mobiles non éjectables sont également destinées aux irradiations
directionnelles
et
ont
généralement une activité
élevée (quelques milliers
de GBq).
Le déplacement de
la source devant la fenêtre
d'irradiation du conteneur
peut être obtenu soit par
translation du porte-source
soit par rotation d'un
disque interne comme le
montre la figure 33
mobiles éjectables sont utilisées pour les
expositions panoramiques. Le portesource est à cet effet fixé à l'extrémité
d'un câble flexible qui permet de l'éjecter
à l'extrémité d'une gaine souple ou rigide
qui permet l'introduction de la source
dans des zones d'accès difficile. Le
conteneur ou projecteur permet le
24
les
sources
stockage de la source au repos (figure 34).
Lorsque la source doit être disposée dans une zone où l'introduction ou le maintien en
position stable du conteneur est malaisé ou impossible, on fait usage d'une gaine d'éjection
souple de longueur pouvant être supérieure à 1 mètre.
L'énergie et le débit d'exposition d'un rayonnement X ou y émis par une source ne sont
pas les seuls critères à prendre en considération lors d'un examen radiographique.
Les dimensions de cette source constituent un facteur important vis-à-vis de la qualité
de l'image radiographique.
En effet, si l'on se réfère aux schémas de la figure 34 ci-après, il apparaît que le bord
d'un défaut (cavité) n'apparaît pas sur un film comme une ligne nette délimitant deux zones
de densités différentes mais comme une zone étroite de largeur "u" et de densité
intermédiaire. Ceci est dû à un phénomène de pénombre appelé flou géométrique
Comme le montre le schéma de droite, l'image radiographique d'un point sera une
tâche de largeur "u".
Ce phénomène est dû au fait que les sources ne sont pas ponctuelles mais de
dimension finie "d".
Ce flou géométrique"u" peut être calculé au moyen de l'expression :
u = d .b
h
où: d = dimension de la source,
b = distance face antérieure de la pièce-film,
h = distance source-pièce.
Si l'on fait intervenir la distance source-film f, l'expression précédente devient :
u = d.b
f −b
On voit que le flou géométrique est :
- proportionnel à la dimension "d" de la source et à la distance pièce-film "b",
- inversement proportionnel à la distance source-pièce "h" ou à la distance source-film
"f'.
Dans ces conditions, l'obtention d'un flou géométrique minimal nécessitera l'utilisation :
- d'une source aussi petite que possible (d minimum),
- d'une distance source-pièce ou source-film aussi grande que possible.
Comme en toutes choses il faut adopter un compromis puisque l'association des deux
conditions précédentes va diminuer le débit d'exposition du rayonnement X ou γ.
25
En effet, pour un tube radiogène plus la dimension de la cible est petite plus est faible
le débit de photons X émis. Ce dernier étant proportionnel au débit du courant dans le tube
radiogène exprimé en mA, il existe pour une dimension donnée du foyer (cible), un débit
maximal à ne pas dépasser au risque de détruire la cible comme indiqué dans le tableau au
dessous.
Débits de courant maximaux
Types de foyers
NormalMinifoyerMicro-foyer
Dimensions du foyer
Débit maximal (mA)
(mm)
0.8 à 4.00.1 à 0.50.005 à
3 à 200.5 à 30.1 à 0.5
0.1
Il en va de même pour les sources radioactives dont l'activité maximale est
proportionnelle à leurs masses donc à leurs dimensions pour une masse donnée.
Ces dernières peuvent, suivant les radioéléments, varier de 0,5 mm à plusieurs
millimètres.
Le second facteur à prendre en considération, la distance source-pièce, ne peut être
augmentée inconsidérément car le débit d'exposition en un point donné est proportionnel à
l'inverse du carré de la distance séparant ce point de la source d'émission. Ainsi si en un
point P1 distant d'une distance D1 de la source le débit d'exposition est égal à I1; en un point
P2 situé à une distance D2 telle que D2 = 2.D1 le débit d'exposition I2 en ce point sera égal au
quart de I1.
Au flou géométrique il convient d’ajouter également l’effet dégradant du flou dû aux
rayonnements diffusés dans la pièce résultant des interactions photons atomes du matériau
radiographié ainsi que celui du flou interne dû à l'émulsion du film utilisé.
Il existe donc un flou total ft tel que :
ft= fg+fd+fi
2
2
2
où: fg = flou géométrique.
fd = flou diffusé,
fi = flou interne.
Les filtres, les masques et les écrans
Nous avons vu que l'image radiante est, pour une part, formée par le rayonnement
primaire émergeant de la pièce à contrôler et pour une autre part, non négligeable, dégradée
par le rayonnement secondaire qui prend naissance dans le matériau de la pièce.
Résultant de l'interaction des photons incidents sur les atomes de la matière (effet
photoélectrique, effet Compton et effet de matérialisation), il est donc nécessaire de réduire
au maximum ces rayonnements secondaires qui sont diffusés dans toutes les directions.
26
On utilise à cet
dispositions (figure 36) :
effet
deux
- les masques et diaphragmes qui
limitent au strict nécessaire la surface de
la pièce soumise au rayonnement
incident. Ils sont généralement en plomb,
matériau qui en raison d'un numéro
atomique
élevé
absorbe
les
rayonnements X et γ ,
- le filtre postérieur à la pièce, placé
entre celle-ci et la cassette porte-film. En
fonction de la nature et de l'énergie du
rayonnement utilisé celui-ci peut être en plomb, en cuivre ou en acier. D'épaisseur
généralement inférieure ou égale à 1 mm, ce filtre postérieur doit absorber les rayonnements
secondaires qui émergent de la pièce.
Enfin, l'image radiographique peut également être dégradée par un rayonnement
diffusé ou rétrodiffusé par les objets situés dans l'environnement immédiat de la pièce
radiographiée et qui sont soumis au rayonnement de la source si celui-ci n'est pas
suffisamment collimaté.
Ces rayonnements peuvent parvenir sur la pièce radiographiée côté film et contribuer
pour une part à l'exposition de celui-ci.
L'effet nocif de ces rayonnements parasites sera supprimé par l'emploi d'un écran
postérieur en plomb de 2 mm d'épaisseur placé sur la face postérieure de la cassette portefilm (figure 36).
Le film radiographique et sa
cassette de protection
En radiographie, le film est
le récepteur d'image. Son rôle est
de convertir l'image radiante
émergeant
de
la
pièce
radiographiée en une image
latente puis en une image visible
après traitement (figure 37).
27
Le film
(figure 38) :
radiographique
est
d'une
structure
complexe.
Il
est
constitué
- d'un support souple et transparent
en
polytéréphtalate
d'éthylèneglycol
(supports Estar), dont l'épaisseur est
d'environ 0,2 mm (200 µm),
-
de
deux
couches
d'émulsion
photographique de 50 . µm d'épaisseur
environ déposées sur chacune des faces
du support et constituées par des
microcristaux de bromure d'argent en
suspension dans de la gélatine,
- de deux couches protectrices déposées sur chaque couche d'émulsion et de
quelques µm d'épaisseur.
Comme le montre le tableau suivant, le pourcentage de photons absorbés par
l'émulsion étant très faible et inversement proportionnel à l'énergie du rayonne- ment, la
couche d'émulsion doit présenter une épaisseur suffisante afin de comporter un nombre
élevé de microcristaux de bromure d'argent.
Rendement d’un film selon l’énergie des photons
Nombre de photons absorbés (en
Energie des photons(en KeV)
%)
60150500
10.10.01
Cette couche d'émulsion est répartie sur les deux faces du support afin de réduire le
temps de son traitement chimique.
Les photons X ou γ d'énergie hν absorbés par l'émulsion ionisent les cristaux de
bromure d'argent selon la relation :
Br Ag + hν → Br Ag + Ag+
Il apparaît des ions argent positifs Ag+ qui, dans le bain révélateur du traitement et
après combinaison avec un électron e - de celui-ci, se transformeront en atomes d'argent qui
constitueront l'image visible.
Cette dernière sera caractérisée par sa densité optique "d" qui est le logarithme
décimal du rapport des intensités lumineuses incidente I0 et transmise It par le film lors de
l'examen de celui-ci devant une source lumineuse (négatoscope) :
d=log10I0
It
Un film de densité optique égale à 2 ne transmet qu'un centième de la lumière
incidente.
28
Le film est un élément important du système radiographique et ses propriétés vont
influencer la qualité de l'image obtenue.
Parmi ses propriétés, il convient de citer :
- la grosseur des cristaux de bromure d'argent dont les dimensions, généralement
comprises entre 0,2 et 1 µm, déterminent leur sensibilité à l'action des photons donc la
rapidité de l'émulsion ou du film. Des grains de dimensions voisines et petites caractérisent
des films peu sensibles mais à constraste et définition élevés ;
- la
l’émulsion.
courbe
caractéristique
de
Il existe en effet une relation entre la
dose de rayonnement absorbée par le film
et sa densité optique après développement
chimique.
L'expression graphique de cette
relation est la courbe caractéristique ou
sensito-métrique du film (figure 39).
La dose de rayonnement absorbée
par l'émulsion est appelée exposition
E ; c'est le produit du débit d'exposition I par
le temps d'exposition t du film à l'action des
rayons X ou γ soit :
E=I.t
où: E est exprimée en coulomb par kilogramme (C.kg-1),
l est exprimée en coulomb par kilogramme par seconde (C.kg-1.S-1),
t est exprimé en secondes (s).
29
La
courbe
conventionnellement
l'exposition relative
décimal
et
la
correspondante.
caractéristique
est
la relation entre
ou son logarithme
densité
optique
d
La zone utile de cette courbe que l'on
peut appeler zone d'utilisation est la partie
pseudo linéaire de celle-ci correspondant à
des densités de l'ordre de 2 à 3 et à un
contraste film maximal.
En effet si l'on considère une pièce
d'épaisseur constante x contenant une
cavité interne d'épaisseur ∆x faible, on
observera à l'issue d'un temps d'exposition t
une différence d'exposition ∆E entre la zone
saine et la zone comportant la cavité.
Si l'on suppose cette différence égale
à 20% cela signifie que E' = 1,2 E.
En considérant le logarithme des
expositions relatives, on peut écrire .
log ∆E = log E' -log E
= log 1,2 - log 1
= 0,08
En se reportant à la courbe de la
figure 41 a, on voit qu'un tel écart conduit
pour cette courbe a un écart de densité ∆d respectivement égal à 0,06 dans la partie
curviligne inférieure et à 0,40 dans la zone pseudo linéaire utile.
Cette dernière valeur de ∆t permettra une perception aisée du défaut que ne
permettrait pas un écart de densité égal à 0.06.
Enfin, le contraste film encore appelé gradient est la pente de la tangente en un point
de la courbe caractéristique (figure 41 b).
Lorsque l'on sait que le contraste global de l’image radiographique CR est la somme du
contraste objet C0 et du contraste film CF soit :
CR = C0 + CF
il apparaît donc souhaitable de se placer dans des conditions d'exposition
correspondant au contraste film maximal soit dans la partie pseudo linéaire de la courbe
caractéristique du film considéré.
30
Les écrans renforçateurs
Le tableau précédent et la
courbe de la figure 42 montrent
que
les
émulsions
radiographiques sensibles aux
longueurs d’ondes de l’ultraviolet
et de la couleur bleue sont peu
sensibles aux rayonnements
d’énergie plus élevée que sont
les rayons X et gamma.
L'effet
photographique
direct des rayons X et γ étant
peu important, on a cherché à
l'améliorer par l'emploi d'écrans
renforçateurs encore appelés
convertisseurs.
Le principe consiste à cumuler l’effet du rayonnement secondaire produit par ces
écrans sous l’effet des photons X ou gamma émergeant de la pièce radiographiée avec
l’effet direct de ces photons sur l’émulsion.
Il existe trois types d'écrans renforçateurs :
- Les écrans fluorescents constitués d'un support sur lequel est appliquée une couche
de tungstate de calcium ou de sulfure de zinc, substances rendues fluorescentes sous l'effet
des photons X ou gamma. Des terres rares, les lanthanides sont depuis peu utilisées.
Ces écrans conviennent aux faibles énergies, leur facteur de renforcement est
important mais leur emploi dégrade le contraste et la définition de l'image radiographique.
-
Les écrans métalliques constitués d'une fine feuille de plomb d'épaisseur
comprise entre 0,05 et 0,25 mm collée sur un support en carton.
Ces écrans, utilisés pour les énergies de rayonnement moyennes et élevées
(supérieures à 50 keV environ) produisent des électrons e - par effet photoélectrique ou effet
Compton sous l'action des photons incidents X ou gamma.
31
Ces électrons ionisent les couches
d'émulsion du film et ajoutent ainsi leur
effet à celui du rayonnement X ou
gamma émergeant de la pièce (figure
43).
Par ailleurs, ces écrans jouent
également un rôle de filtre vis-à-vis du
rayonnement diffusé secondaire qui
prend naissance dans la pièce
principalement par effets Compton et de
création de paires.
Ces écrans dont le facteur de
renforcement est généralement de l'ordre
de 2 à 4, améliorent le contraste et la
définition de l'image radiographique et
leur emploi est par conséquent imposé
pour les contrôles dont le niveau de qualité exigé est élevé.
- Les écrans fluorométalliques sont une combinaison des deux précédents types
d'écrans renforçateurs.
Ils sont constitués d'un support en carton sur lequel sont successivement déposées
une couche de plomb ou d'oxyde de plomb puis une couche d'une substance rendue
fluorescente sous l'effet des photons X et gamma incidents. Ces écrans ne sont utilisés que
lorsque la qualité de l'information recherchée est moyenne et le temps d'exposition limité.
Ces écrans renforçateurs doivent être disposés de part et d'autre du film puisque celuici comporte deux couches d'émulsion (une sur chacun des côtés du support).
Le tableau ci-dessous indique l'épaisseur des écrans renforçateurs en plomb pour
différentes énergies de rayonnement ainsi que les coefficients de renforcement
correspondants.
Energie E
des photons
X et γ
100 à 300 kV
E > 300 kV
Ir 192 – Cs 137
Co60
Caractéristique des écrans renforçateurs en plomb
selon l’énergie du rayonnement
Epaisseur des écrans renforçateurs (mm)
Coefficient de
Antérieur
Postérieur
0.05
0.1
0.15
0.25
0.15
0.15
0.25
0.25
32
renforcement
3 à 12
3.5 à 4
3.5 à 2.5
1.5
Enfin, pour les faibles énergies (correspondant à une tension d'accélération V < 100 kV
pour les rayons X), on n'utilise pas d'écran renforçateur métallique au plomb car, dans ce
cas particulier, il se comporterait comme un écran absorbant vis-à-vis du rayonnement et
non comme un convertisseur de celui-ci.
Le film radiographique étant sensible aux radiations de la lumière blanche, il convient
de le protéger contre celles-ci.
Pour cela, le film et les écrans sont disposés à l'intérieur de pochettes souples en
papier ou en plastique éventuellement étanches à l'humidité ou de cassettes rigides en métal
peu absorbant (aluminium).
Les pochettes ou cassettes dont les dimensions sont voisines de celle du film ont
également pour objet de maintenir un contact étroit entre le film et les écrans renforçateurs
afin d'éviter tout phénomène de flou.
Cassettes ou pochettes seront enfin disposées contre ou le plus près possible de la
pièce radiographiée afin de limiter autant que faire se peut le flou géométrique.
Les indicateurs de qualité d'image (IQ I)
Les deux facteurs de la qualité d'image en radiographie par rayons X ou rayons
gamma sont :
- la définition,
- le contraste,
qui dépendent à leur tour de la technique de prise de vue utilisée.
La définition dépend en effet :
- du flou géométrique fg qui résulte de :
- la dimension de la source,
- la distance source-film,
- la distance objet-film,
- du type de film utilisé :
- à grain fin,
- à grain moyen,
- du type d'écran renforçateur utilisé :
- fluorescent,
- métallique,
- fluorométallique.
Le contraste radiographique résulte pour sa part :
- de l'énergie du rayonnement,
33
- du type de film utilisé,
- du type d'écran renforçateur utilisé,
- des conditions du traitement chimique du film.
La qualité d'image dépend donc de l'ensemble de ces facteurs et, en ce qui concerne
la détection des défauts, but de l'opération, cette qualité d'image sera d'autant plus élevée
que définition et contraste seront meilleurs.
Afin d'évaluer de façon simple et reproductible la qualité d'image d'une radiographie,
on a recours à l'image formée sur le film d'un dispositif appelé indicateur de qualité d'image
(IQ I).
Cet indicateur doit présenter les caractéristiques suivantes :
- être dans un matériau de nature identique ou la plus voisine possible de celle de la
pièce contrôlée pour avoir le même coefficient d'absorption, que celui de la pièce vis-à-vis du
rayonnement utilisé.
- comporter une succession de plages et de trous ou de fils d'épaisseurs et de
diamètres variables (généralement variables selon une progression géométrique de raison
10
10 dont la plus ou moins bonne perception sur le film permettra d'attribuer à celui-ci, après
exposition et traitement, une qualité d'image.
En Europe deux types d'indicateurs de qualité d'image ont été reconnus et normalisés ;
il s'agit :
- de l'indicateur à gradins et à trous de forme allongé ou hexagonale d'origine
française,
- de l'indicateur à fils d'origine allemande.
Ces indicateurs, doivent, sauf impossibilité majeure, être disposés sur la pièce
radiographiée du côté de la source de rayonne- ment de façon à ce que leur image soit
caractérisée par un flou géométrique maxi- mal, c'est-à-dire identique à celui qui affecte les
défauts les plus éloignés du film.
Dans ces conditions, la qualité d'image obtenue sera exprimée par le diamètre du plus
petit trou ou fil visible sur le film.
Une norme européenne en préparation précise, en fonction de l'épaisseur
radiographiée, de la nature du rayonnement utilisé et des conditions de prise de vue, la
qualité d'image exigible selon la classe de qualité qui est imposée à l'examen
radiographique.
Précisons enfin qu'il n'existe aucune relation entre le plus petit défaut décelable et les
plus petits trous ou fils visibles sur le film.
La qualité d'image ne fournit qu'une indication sur la plus ou moins bonne exécution de
la prise de vue ou du traitement du film.
34
Techniques de prise de vue
L'image radiographique résulte des variations d'absorption que subit le faisceau de
rayon X ou gamma lorsque celui-ci traverse le matériau à contrôler.
La source de rayonnement et le film radiographique doivent donc être disposés de part
et d'autre de la pièce ou de la paroi à
contrôler.
Toutefois les deux faces d'une
paroi ne sont pas toujours accessibles et
selon la forme de l'objet à radiographier
plusieurs cas sont à considérer.
Cas des pièces planes et de
révolution susceptibles de comporter
une soudure bout à bout longitudinale ou
circulaire
- Cas des pièces planes
Si les deux côtés de la pièce ou de
la soudure sont accessibles, la source et
le film seront placés comme indiqué sur
la figure 44a.
Cas
des
pièces
de
révolution
Plusieurs dispositions peuvent être
adoptées selon l'accessibilité interne de
ces pièces et leurs dimensions :
- Film à l'intérieur, source
l'extérieur (figure 44 b)
à
L'axe du faisceau de rayons X ou gamma passe par le centre du corps creux et est
donc perpendiculaire au plan tangent à la circonférence au point où cet axe pénètre dans la
pièce. Le film est maintenu à l'intérieur le plus près possible de la paroi, son centre
correspondant avec l'axe du faisceau de rayonnement.
- Film à l'extérieur, source à l'intérieur (figure 44 c et d)
Selon la valeur du diamètre intérieur de la pièce et en fonction des impératifs
concernant la valeur du flou géométrique imposée et par conséquent la distance source-film
minimale à respecter, la source peut être excentrée (figure 44c) ou centrée (figure 44 d) à
l'intérieur du corps creux. Dans ce dernier cas l'examen est dit panoramique.
Le film sera disposé à l'extérieur de la pièce, en contact avec celle-ci et son centre sera
confondu avec l'axe du faisceau de rayon X ou gamma.
35
- Film et source à l'extérieur (figure 44 e et f)
Cette disposition est généralement adoptée lorsque l'intérieur des pièces est
inaccessible ou de trop faibles dimensions.
Deux cas peuvent se présenter :
Examen en double paroi, simple image (figure 44 e)
La source est placé au voisinage de la pièce et le film au contact de la sur- face
diamétralement opposée de telle sorte que l'axe du faisceau de rayons X ou gamma passe
par le centre du corps creux et celui du film.
Dans ces conditions seule la partie de la pièce en contact avec le film donnera lieu à
une image radiographique interprétable. La partie de la pièce située au voisinage de la
source sera affectée d'un flou géométrique très important et son image ne voilera que
légèrement celle de la zone contrôlée. Il conviendra de tenir compte de la double épaisseur
de paroi à ans le calcul du temps d'exposition.
Examen en double paroi, double image (figure 44 f)
Cette disposition est utilisée lors de l'examen de corps creux de faible dia- mètre
externe (Φ≤ 100 mm) et de faible épaisseur (e ≤ 10 mm).
La source de rayonnement est placée suffisamment loin de la pièce pour que la région
de celle-ci qui est la plus proche de la source soit affectée d'un flou géométrique admissible.
L'axe du faisceau est légèrement incliné de telle sorte que la portion cylindrique
contrôlée de la pièce se projette sous la forme d'une ellipse peu ouverte sur le film.
Comme précédemment l'axe du rayonnement X ou gamma passe par le centre du
corps creux et celui du film. Seules les portions de paroi de la pièce les plus proches de la
source et du film seront interprétables.
Le calcul du temps d'exposition tiendra également compte de la double épaisseur de
paroi.
Cas des assemblages soudés autres que bout à bout (figure 45)
36
L'examen radiographique n'est que
modérément adapté à ces soudures et
les résultats obtenus sont le plus souvent
difficiles à interpréter.
Ceci découle :
- de la forte variation d'épaisseur
de la zone contrôlée,
- de l'inclinaison du faisceau de
rayons X ou gamma par rapport à
l'orientation
des
défauts
plans
susceptibles d'affecter ces soudures.
Toutefois, plusieurs techniques de
prise de vue peuvent être utilisées selon
la géométrie et les caractéristiques
dimensionnelles
des
éléments
assemblés.
Cas des soudures d'angle
en T (figure 45a)
L'examen de chaque cordon de
soudure d'angle sera réalisé en
disposant la source dans le plan
bissecteur des éléments assemblés. Le
film sera placé sur la paroi opposée de la
semelle et de telle sorte qu'il contienne
l'image de la projection oblique du cordon de soudure contrôlé.
Aux positions S1 et S2 de la source correspondront respectivement les positions du film
F1 et F2.
Cas des soudures d'angle en L (figure 45b)
La source doit être placée à l'intérieur de l'assemblage et légèrement décalée par
rapport à la surface de l'un des éléments assemblés (semelle).
Le film sera disposé sur la face opposée de la soudure. Cette disposition permet à
l'axe du faisceau d'être contenu dans un plan proche du plan bissecteur de la soudure.
Cas des soudures de piquage
Ces soudures assurent la liaison d'une tubulure sur une tôle ou plus généralement sur
un corps creux cylindrique de plus grand diamètre.
- Cas des piquages pénétrants (figure 45c)
37
La tubulure pénètre à l'intérieur de l'orifice et plusieurs dispositions du couple sourcefilm sont possibles selon les caractéristiques dimensionnelles des éléments assemblés.
- Source positionnée selon l'axe de la tubulure suivant S1 OU S3.
Le film est soit disposé en F1, soit en F3. Dans ce dernier cas la déformation de
l'ensemble film-écran peut entraîner la formation d'images parasites qui nuisent à
l'interprétation du radiogramme.
- Source positionnée à l'extérieur de la tubulure suivant S2
Dans ce cas l'axe du faisceau doit être incliné le moins possible afin de réduire la
variation de l'épaisseur de matériau traversé par le rayonnement. Le film est alors placé en
F2 sans déformation de celui-ci.
- Cas des piquages posés (figure 45d)
La tubulure est posée sur la surface externe du corps creux de plus grand diamètre.
Deux dispositions sont ici encore
dimensionnelles des éléments assemblés.
envisageables
selon
les
caractéristiques
- La source est positionnée selon l'axe de la tubulure en S1
Le film est placé en F1 sur la surface externe de la soudure et déformé pour épouser le
profil de l'assemblage avec les mêmes inconvénients que ceux indiqués précédemment.
- La source est positionnée en S2 à l'extérieur de la tubulure le plus près possible de la
surface externe du corps creux
Le film est alors placé en F2 à l'intérieur de la tubulure.
Dans tous les cas l'axe du faisceau de rayons X ou gamma doit autant que faire se
peut être contenu dans le plan bissecteur de la soudure.
Facteur influençant le temps d'exposition :
Pour un rayonnement X ou gamma d'énergie (ou de qualité) donnée, le noircissement
d'un film est proportionnel à l'exposition E c'est-à-dire au produit du débit d'exposition l par le
temps d'exposition t soit :
E = I. t.
Le débit d'exposition I sera proportionnel :
- au courant qui circule dans le tube radiogène (milliampérage) pour les rayons X,
- à l'activité du radioélément pour les rayons gamma.
Ces facteurs ne sont pas les seuls à considérer. En effet, la distance source-film joue
également un rôle important.
Si l'on fait abstraction de l'absorption des photons de faible énergie dans l'air, on
démontre facilement que le débit d'exposition I varie comme l'inverse du carré de la distance
à la source de rayonnement.
38
Si le débit d'exposition à 1 mètre d'une source est égal à I, à une distance d1 ce débit
I1 = I2
d1
sera égal à I1 tel que
et à la distance d2 telle que d2 = 2d1 ce débit I2 sera égal à :
I2 = I2 = I 2
d2 4 d1
I
I2 = 41
soit
Il apparaît que lorsque la distance est doublée, le débit d'exposition est divisé par
quatre.
Des expression précédentes on peut écrire :
2
I1 = d2
I2 d12
Par ailleurs, comme E = I.t
si l'on désire conserver la même exposition E lorsque la distance varie de d1 à d2, il
conviendra de modifier en conséquence le temps d'exposition t selon l'expression :
2
t1 = d1
t1 d22
Des expressions précédentes on peut écrire :
I1 = t2
I2 t1
d’où la loi de réciprocité :
I1 .t1 = I2 .t2 = E.
L'ensemble de ces relations entre les débits d'exposition, les temps d’exposition et les
distances source-film constitue ce que l'on a coutume d'appeler l'arithmétique du temps de
pose.
.Déterminations pratiques des temps d'exposition lors de l'utilisation d'un générateur à
rayon X :
Il est possible de démontrer que le temps d'exposition t nécessaire pour obtenir une
information satisfaisante de la pièce contrôlée, c'est-à-dire un radiogramme (film
radiographique exposé puis traité chimiquement pour obtenir une image radiographique
visible et interprétable) de qualité requise, peut être calculé au moyen de l'expression :
2
x
t = E.d 2e0.5
B.i.Γx
expression dans laquelle :
39
E : exposition requise pour l'obtention d'une image radiographique satisfaisante
(dépend du film utilisé),
d : distance source-film,
x : épaisseur radiographiée,
e0,5 : épaisseur de demi-transmission du matériau radiographié,
B : facteur de diffusion ou d'empilement,
i : valeur du courant dans le tube radiogène (en mA),
Γ
x
:
constante
de
débit
d'exposition du tube radiogène.
La connaissance de facteurs
tels que E, B et éventuellement Γ
x
n'étant pas aisément accessible, des
abaques dits de temps d'exposition,
ont établi expérimentalement pour un
type de générateur à rayons X, un
type de matériau radiographié, un
type de film et d'écrans renforçateurs
et une distance source-film donnés.
Dans ces conditions, les
paramètres pris en compte pour le
calcul du temps d'exposition, sont :
- la tension au tube exprimée en
kilovolts,
- l'épaisseur de matériau
traversée
par
le
rayonnement
exprimée en millimètre,
- l'intensité du courant dans le
tube exprimée en milliampères.
La figure 46 représente l'abaque d'exposition d'un générateur à rayon X pour l'acier et
un film de classe 2 ayant, après exposition, une densité égale à 2, la distance foyer-film étant
de 0,7 m.
L'épaisseur d'acier radiographiée est en abscisse alors que les valeurs de l'exposition
en milliampère. mn sont en ordonnée.
Une famille de droite dont chacune correspond à une valeur de la tension au tube
figure sur cet abaque. Ainsi à une épaisseur de 35 mm et à une tension de 250 kV
correspond un produit mA.mn de 33.
40
En supposant un courant dans le tube égal à 5 mA, le temps d'exposition t sera égal à
:
t = 33 = 6 min 36 s
5
Le choix d'une tension de 300 kV aurait conduit dans les mêmes conditions à un
produit mA.mm d'environ 11 et a un temps d'exposition t égal à :
t = 11 = 2 min 12 s
5
Le choix de la tension résulte d'un compromis entre le temps d'exposition qui doit être
le plus court possible en raison des impératifs économiques et l'énergie du rayonnement qui
ne doit pas être trop importante afin d'obtenir un contraste image suffisamment élevé.
.Déterminations
radioélément :
pratiques
des
temps
d'exposition
lors
de
l'utilisation
d'un
Comme pour les rayons X, le temps d'exposition t peut être calculé à partir de
l'expression :
2
x
t'
t = Ed 2e0.5 t T
A0.Γ.B
où: E :exposition requise pour l'obtention d'une image radiographique satisfaisante
(dépend du film utilisé),
d : distance source-film,
e0.5 : épaisseur de demi-transmission du matériau radiographié,
x : épaisseur radiographiée,
t' : temps écoulé lors de l'utilisation du radioélément depuis la mesure de l'activité
initiale A0 .
T : période du radioélément,
Γ : constante spécifique du radioélément,
B : facteur de diffusion ou
d'empilement.
Des abaques ont également
été établis pour chacun des
radioéléments
utilisés
industriellement.
La figure 47 représente
l'abaque établi pour l'iridium 192, un
film de classe 2 pour une densité
égale à 2 et une distance source-film
41
de 0,7 m. Des écrans renforçateurs au plomb de 0,1 et 0,15 mm ont été utilisés.
Dans ces conditions les paramètres pris en compte pour la détermination du temps
d'exposition sont :
- l'activité de la source au moment de la prise de vue, exprimée en gigabecquerels
(GBq),
- l'épaisseur de matériau traversée par le rayonnement exprimée en millimètres.
En supposant une source d'iridium 192 d'activité égale à 1,295 TBq soit 1295 GBq et
une épaisseur d'acier égale à 45 mm, l'abaque montre qu'a une distance de 0,7 m sur un film
de classe 2 ayant une densité égale à 2 après exposition, l'exposition doit être égale à 800
GBq.heure.
Le temps de pose correspondant sera :
t=
Exposition 800
=
= 0.618 heure
Activité
1295
soit t = 37 minutes
4 La radioscopie
Matériels utilisés et techniques de prise de vue :
Si la radiographie présente de nombreux avantages dont une qualité d’image élevée,
elle présente en revanche quelques inconvénients dont les principale temps de mise en
place des équipements,
- le temps d'exposition qui peut être important (plusieurs heures) avec des sources de
faible débit,
- le temps de traitement des
films après exposition,
- l'image de la pièce dans un
seul plan lors de chaque prise de
vue.
La production d'une image
immédiatement visible d'un objet
est réalisée depuis fort longtemps,
notamment dans le domaine
médical, au moyen d'un écran
fluorescent convertisseur d'image
(figure 48).
On remarquera sur le schéma de cette figure que l'écran convertisseur au sulfure de
zinc n'est pas appliqué sur la paroi postérieure de l'objet examiné.
42
Si cette disposition entraîne un flou géométrique important, elle permet en revanche un
grandissement des détails qui favorise leur détection en radioscopie compte tenu de la
structure grossière de l'écran convertisseur.
Un tel système élémentaire est caractérisé par une image peu lumineuse, de définition
modeste et peu contrastée et des risques
d'irradiation importants pour l'opérateur.
Afin de placer ce dernier à l'abri de
ces risques et en vue d'améliorer la
qualité de l'image obtenue, plusieurs
types
de
matériels
ont
été
progressivement introduits ces dernières
années dans les chaînes de radioscopie
les plus couramment utilisées dans
l'industrie.
Ces matériels sont :
- les amplificateurs de luminance,
- les circuits fermés de télévision,
- les dispositifs à transfert de
charge (capteurs CCD) et des semiconducteurs métal-oxyde de type CMOS.
Les systèmes faisant appel à ces équipements peuvent être classés en trois groupes.
.Systèmes du groupe 1
Conformes au schéma de la figure 49 ces systèmes comprennent :
- une source de rayons X constituée par un générateur à tension constante, à débit
élevé et à petit foyer.
En principe. seuls les rayons X de basse et moyenne énergie sont utilisés en raison du
très faible rendement des écrans de conversion et des autres dispositifs aux énergies de
rayonnement plus élevées.
- un écran convertisseur fluorescent qui peut être constitué d'une couche de sulfure de
zinc-cadmium et qui, sous l'effet des photons X, émet une lumière jaune- verte de faibles
intensité,
- un miroir incliné à 45° qui renvoie l'image vers une caméra vidéo qui ne reçoit pas,
ainsi, le rayonnement émergeant de la pièce non absorbé par l'écran convertisseur,
- une caméra vidéo à haute sensibilité,
- un convertisseur de signal analogique/digital permettant un traitement informatique
ultérieur des images,
43
- une mémoire associée à un ordinateur et à un système de traitement d'image,
- un moniteur vidéo sur lequel s'affichent en temps réel l'image de la pièce ou en temps
différé cette image après traitement,
- un enregistreur vidéo permettant d'archiver les images en vue d'une interprétation
ultérieure ou d'un nouveau traitement.
De tels systèmes dit "ouverts"
permettent l'examen de pièces de grandes
dimensions.
.Systèmes du groupe 2
Afin de remédier au manque de
luminosité et de contraste des images
délivrées par les systèmes du groupe 1,
l'écran fluorescent à été remplacé par un
amplificateur de brillance qui est l'élément
caractéristique des systèmes du deuxième
groupe représentés schématiquement sur
la figure 50.
L'amplificateur de brillance (ou de
luminance) est un tube sous vide à
duquel sont successivement disposés
(figure 51) :
- un écran de conversion primaire
au iodure de césium qui convertit
comme précédemment les photons X en
lumière visible.
- une photocathode qui, placée en
contact étroit avec l'écran fluorescent,
transforme l'image visible en un flux
d'électrons dont le nombre est
proportionnel à la brillance de l'écran
primaire,
- des électrodes de forme cylindrique qui, disposées en cascade, permettent
d'accélérer et de focaliser les électrons émis par la photocathode,
- un écran secondaire luminescent qui convertit enfin les électrons accélérés en
photons lumineux.
Cet écran constitué par du sulfure de zinc-cadmium a une structure très fine dont les
grains de l'ordre du micromètre permettent une résolution qui atteint 100 lignes par
millimètre.
44
La très forte luminance de ces écrans secondaires permet l'utilisation d'une caméra
vidéo du moins sensible mais beaucoup plus stable que les caméras précédentes.
Ces systèmes radioscopiques sont actuellement les plus performants quant aux
qualités d'image obtenues et les
pièces peuvent être arrimées d'un
mouvement de rotation lent durant
l'examen pour en permettre un
contrôle en dynamique.
Systèmes du groupe 3
Les chaînes radioscopiques du
troisième
groupe
représentées
schématiquement sur la figure 52 ne
font plus appel aux écrans de
conversion
précédents
pour
transformer les photons X émergeants
de la pièce contrôlée en lumière
visible.
Ce rôle de convertisseur est maintenant dévolu à des éléments directement sensibles
aux rayons X qui sont constitués d'une portion élémentaire d'écran convertisseur accolée à
une photodiode ou à un semi-conducteur à transfert de charge (CCD) ou encore à un semiconducteur métal-oxyde de type C-MOS.
Les photons X transmis par la pièce sont directement transformés par chaque élément
en un signal électrique qui peut être mis en mémoire puis ultérieurement traité.
Ces détecteurs élémentaires sont disposés selon un alignement qui peut en comporter
jusqu'à 1000. Cet ensemble constitue une barrette détectrice.
Un tel dispositif, contrairement aux deux précédents des groupes 1 et 2, permet un
contrôle en dynamique des pièces.
En effet, si la pièce à contrôler, soumise à un faisceau de rayons X, est animée d'un
mouvement de translation relativement lent devant la barrette et que le signal issu de chaque
élément détecteur est mémorisé à intervalles de temps réguliers, plusieurs centaines de
positions successives de la barrette peuvent ainsi être enregistrées (figure 53).
45
On obtient de cette façon une
image bidimensionnelle de la pièce
qui peut être affichée et dont la
qualité peut, comme pour les système
des deux autres groupes. être
améliorée au moyen d'un traitement
informatique ultérieur.
Le temps total de balayage d'un
objet de quelques décimètres de
longueur n'est de l'ordre que de
quelques secondes.
De tels systèmes sont d'ores et
déjà utilisés pour le contrôle des
bagages dans les aéroports.
La qualité des images fournies
par ces détecteurs est encore très
inférieurs à celle des images obtenues au moyen des chaînes radioscopiques des groupes 1
et 2.
Ceci résulte
photosensible.
des
dimensions
relativement
importantes
de
chaque
élément
Il serait possible dès à présent d'utiliser des barrettes constituées d'éléments de 25 µm
de côté fournissant des points image (pixel) de même dimension, donc une image de
définition plus élevée.
Malheureusement de telles barrettes exigeraient des temps d'acquisition trop longs en
l'état actuel de la technique. Il convient de signaler, enfin, que ce dernier type de détecteurs
fournit des images bruitées et que sa durée de vie est limitée sous l'effet des rayons X.
Traitement des images radioscopiques :
La représentation analogique d'une grandeur physique dans le temps ou l'espace,
c'est-à-dire l'expression continue de celle-ci, n'en permet pas le traitement informatique.
Pour cela, il convient de numériser ou échantillonner cette grandeur en fonction du
temps, c'est-à-dire lui donner une expression numérique discontinue constituée de valeurs
discrètes.
Chaque point d'une image peut ainsi représenté un niveau d'éclairement (grandeur
physique) sur une échelle dite de 8 bits en langage informatique comprenant ainsi 28 soit
256 niveaux.
On dit alors que chaque point ou pixel de l'image radioscopique est codé sur 256
niveaux de gris.
46
En radioscopie industrielle, l'image numérisée est constituée par une matrice car rée
constituée de 512 lignes comportant chacune 512 points image ou pixels. Au total l'image est
donc formé de 5122 soit 262 144 pixels qui seront affichés sur un écran de télévision.
Les logiciels de traitement d'image permettent un certain nombre d'opération visant
toutes à améliorer le contraste de l'image.
Parmi les traitements utilisés on peut citer :- l'intégration, moyennage pour réduire le
bruit de fond,
- la dilatation des niveaux de gris,
- la transformation d'une image positive en une image négative,
- la coloration des niveaux de gris (pseudo couleur),
- le filtrage matriciel.
Ce dernier traitement consiste à modifier la valeur du niveau de gris d'un pixel en
introduisant dans une certaine proportion, les contenus des pixels voisins, opération qui est
répétée pour tous les pixels de l'image.
4.1
La tomographie
La tomographie est une technique qui permet d'obtenir l'image radiographique des
tranches successives d'un objet c'est-à-dire la représentation en coupe de celui-ci à
différents niveaux ou à un niveau bien déterminé.
Cette technique, lorsqu'elle est exploitable, présente donc un intérêt particulier puisque
la radiographie et la radioscopie ne délivrent que des images où se superposent par
projection dans un plan toutes les informations concernant la structure de l'objet contrôlé
(sauf dans une certaine mesure pour la radioscopie en dynamique) sans pouvoir connaître la
position exacte des anomalies dans l'épaisseur exprimée suivent la direction du faisceau de
rayons X.
Les récents développements technologiques de l'électronique multiplexée bas niveau,
des détecteurs directement sensibles aux rayons X et de l'informatique (opérateurs logiques
rapides) ainsi que l'utilisation conjointe de ces techniques, ont permis voici quelques années,
la réalisation des fameux scanners médicaux et l'avènement de l'ère industrielle de la
tomographie par rayons x.
Le principe de la tomographie repose sur la mesure de l'atténuation d'un pinceau de
rayons X à travers l'objet à étudier lorsque cet objet est animé d'un mouvement de rotation.
Pour chaque direction du rayonnement X dans un plan de la pièce appelée projection,
est mesuré le coefficient d'absorption global.
C'est à partir de l'ensemble des projections angulairement repérées et des débits
d'exposition émergents correspondant à toutes les directions comprises dans un angle de
3600 que l'on reconstruit l'image de la coupe de l'objet dans le plan d'irradiation,
Un tomographe est donc constitué :
47
- d'une partie physique comprenant :
- une source de rayons X collimatée,
- un détecteur multiple et son électronique (un détecteur simple est encore utilisé dans
les anciens appareils),
- une mécanique de positionnement de la pièce et de mise en rotation de celle-ci,
- un système d'acquisition des données,
- d'un système de reconstruction et d'exploitation des images.
Selon la nature de l'objet à contrôler, l'énergie de la source de rayonnement utilisée
peut varier de quelques dizaines de kilo électronvolts (domaine des tubes radiogènes
courants à plusieurs mégaélectronvolts (domaine des accélérateurs linéaires).
4.2
La neutronographie :
« Exemples de résultats obtenus et comparaison avec la radiographie »
Nous avons vu que les neutrons thermiques étaient particulièrement absorbés par les
composés hydrogénés (poudres, explosifs...), les produits borés (présence fréquente dans
les brasures) le lithium (composants électroniques). Au contraire, les matériaux à numéro
atomique élevé tels que le plomb, le titane, le molybdène sont transparents aux neutrons.
Dans ces conditions la neutronographie peut être utilisée pour l'examen de matières
plastiques, du collage de métaux par résine époxy, des combustibles solides utilisés dans
l'industrie aérospatiale, des isolants électriques et des produits de la chimie organique
(joints, caoutchouc; essence, huile…).
L'examen de ces produits peut être correctement effectué même si ceux-ci sont
contenus dans des enceintes métalliques.
Quelle que soit la méthode de détection des images utilisée (méthode directe ou
indirecte), celles-ci sont formées sur des films radiographiques identiques à ceux
48