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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.

2

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)

3

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 = h ν = h C / 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 = Wn + ½ m v2

4

avec Wn 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 Wn 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 = Wn + ½ m v2 + 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 v2

2

avec C est la vitesse des ondes électromagnétiques,

5

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 façon

générale, le 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.

6

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 une cavité d’épaisseur

constante ∆x. Cette 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

rapport II'

;

D’où C0 = log II'

= 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 avec les

rayons X ou gamma.

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

7

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 : IId 1

IId I B

00

0 +=+=

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

8

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.

9

Si ν0 est la fréquence maximale correspondant à λ0, on peut écrire :

e V = h ν0

où h constante de Planck.

Comme 00 λυ C=

, 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 ceux-

ci 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 :

10

- 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-à-

dire 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).

11

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

12

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.

13

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 H11 , 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.

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 :

14

- 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 He42 chargés

positivement et animés d'une grande vitesse,

- 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,

15

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

seconde (nC.kg-1.s-1) d'une source

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

Radioéléments Unité Ir192 Co60 Tm170 Cs137

nA. Kg-1 par 0.97 2.54 0.0048 0.68

16

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 Radioéléments Ir192 Co60 Tm170 Cs137 An (a)

Jours (d) 74,3 d 5,3 a 129 d 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.

Rayons X Rayons γ Epaisseurs des

couches de (en mm) 50 kV 100

kV 200 kV

300 kV

3.8 MeV

6 MeV

Tm170 Ir192 Cs137 Co60 Demi-transmissione0.5

(1) 25 30 1.5 12 15 20

Demi-transmissione0.1

(1) 0.7 1.8 7 16 6.3 40 50 66

(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)).

17

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.

18

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

donc écrire que le coefficient d'absorption σ est tel que : EK =σ

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 : e.I I x0 σ−=

expression dans laquelle :

- l = débit des neutrons émergents d'une pièce,

- I0 = débit des neutrons incidents,

- σ = coefficient d'atténuation massique,

19

- 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

20

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 moine-

béryllium (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 :

- l'une appelée méthode

directe,

- l'autre étant qualifiée de

méthode indirecte.

La méthode directe (voir figure

24) utilise un récepteur constitué du

film et d'une feuille de gadolinium

21

(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,

22

- 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.

23

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.

24

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

- les sources

mobiles éjectables sont utilisées pour les

expositions panoramiques. Le porte-

source 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

25

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 :

hbdu .=

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 :

bfbdu −= .

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.

26

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 Dimensions du foyer (mm)

Débit maximal (mA)

NormalMini-foyerMicro-foyer

0.8 à 4.00.1 à 0.50.005 à 0.1

3 à 200.5 à 30.1 à 0.5

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 :

ffff 2i

2d

2gt ++=

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.

27

On utilise à cet effet deux

dispositions (figure 36) :

- 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 porte-

film (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).

28

Le film radiographique est d'une structure complexe. Il est constitué

(figure 38) :

- 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

Energie des photons(en KeV) Nombre de photons absorbés (en %)

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) :

IIlogdt

010=

Un film de densité optique égale à 2 ne transmet qu'un centième de la lumière

incidente.

29

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 courbe caractéristique de

l’émulsion.

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).

30

La courbe caractéristique est

conventionnellement la relation entre

l'exposition relative ou son logarithme

décimal et la densité optique d

correspondante.

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.

31

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.

32

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 celui-

ci 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.

Caractéristique des écrans renforçateurs en plomb selon l’énergie du rayonnement

Epaisseur des écrans renforçateurs (mm)

Antérieur Postérieur Coefficient de renforcement

Energie E des photons

X et γ

100 à 300 kV E > 300 kV

Ir 192 – Cs 137 Co60

0.05 0.1

0.15 0.25

0.15 0.15 0.25 0.25

3 à 12 3.5 à 4

3.5 à 2.5 1.5

33

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,

34

- 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 1010 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.

35

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 à

l'extérieur (figure 44 b)

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.

36

- 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)

37

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)

38

La tubulure pénètre à l'intérieur de l'orifice et plusieurs dispositions du couple source-

film 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 envisageables selon les caractéristiques

dimensionnelles des éléments assemblés.

- 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.

39

Si le débit d'exposition à 1 mètre d'une source est égal à I, à une distance d1 ce débit

sera égal à I1 tel que dI I 21

1=

et à la distance d2 telle que d2 = 2d1 ce débit I2 sera égal à :

d 4I

dI I 2

122

2 ==

soit 4I I 1

2 =

Il apparaît que lorsque la distance est doublée, le débit d'exposition est divisé par

quatre.

Des expression précédentes on peut écrire :

dd

II

21

22

2

1 =

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 :

dd

tt

22

21

1

1 =

Des expressions précédentes on peut écrire :

tt

II

1

2

2

1 =

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 :

x

5.0ex2

.i.B2d.E t Γ=

expression dans laquelle :

40

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.

41

En supposant un courant dans le tube égal à 5 mA, le temps d'exposition t sera égal à

:

s 36 min 6 533 t ==

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 :

s 12 min 2 511 t ==

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 pratiques des temps d'exposition lors de l'utilisation d'un

radioélément :

Comme pour les rayons X, le temps d'exposition t peut être calculé à partir de

l'expression :

B..At2dE t

0

T't

5.0ex2

Γ=

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

42

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 :

heure 618.0 1295800

ActivitéExposition t ===

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.

43

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 semi-

conducteurs métal-oxyde de type C-

MOS.

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,

44

- 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.

45

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 semi-

conducteur 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).

46

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 des dimensions relativement importantes de chaque élément

photosensible.

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.

47

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 :

48

- 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