Radiographie [PDF]

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Cinquième Chapitre

Radiographie X et γ

Radiographie X et γ • • •

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La pièce est placée entre la source de radiation et le film Plus le matériau traversé est dense, plus il absorbe le rayonnement L’intensité de gris du film est proportionnel à l’intensité du rayonnement

Nature des rayonnements Les rayons X et γ sont des rayonnements électromagnétiques dont les longueurs d'onde se placent entre les ultraviolets et les rayons cosmiques. Ils ont la propriété de traverser la matière et d'être plus ou moins atténués par celle-ci.

Ces rayonnements, composés de photons et particules (électrons, neutrons), sont dits ionisants du fait de leur capacité à agir sur la matière et à y créer des charges électriques (ions). Bien que de même nature, les rayons X et γ ne sont ni de même origines ni produits de la même façon et par conséquent ils ne sont ni manipulés ni utilisés dans les même conditions et impliquent deux techniques différentes de radiographie: radiographie X et Gammagraphie. 3

Radiographie X* Formation des rayons X Le rayonnement X est donc un rayonnement artificiel. Il prend naissance au niveau du cortège électronique de l'atome. Pour cela il faut projeter des électrons à grande vitesse sur les atomes. En passant près des noyaux métalliques de charge positive, les électrons sont déviés en raison de leur charge négative. A la suite de cette déflection l’électron perd de son énergie ; énergie dont environ 98% est libérée en chaleur et le reste en rayons X.

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Radiographie X Equipements Les rayons X sont produits à la demande par un générateur en bombardant une cible en cuivre ou en tungstène. Un très haut potentiel électrique (plusieurs centaines de kV) est établi entre deux électrodes : la cathode négative source d’électrons (effet Edison : filament chauffé qui émet des électrons) et l’anode positive source des rayons X. Les électrons sont accélérés par la tension (champ électrique) entre les électrodes.

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Radiographie X Equipements La production du faisceau électronique génère de la chaleur (98%), d’où la nécessité d’un système de refroidissement à l’eau ou à l’huile, et des rayons X (2%). De façon à éviter la formation d’arcs électriques entre les deux électrodes, celles-ci sont placées dans un tube à vide.

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Radiographie X Equipements C’est la différence de potentiel appliquée qui détermine la production ou non des rayons X. Ces derniers commencent à apparaître à partir d’une longueur d’onde minimale λmini = 10-9m. La longueur d’onde étant donnée par :

h : constante de Planck = 6,6256 10-34 J s C : la vitesse de la lumière dans le vide = 29978108 m s-1 q : la charge d’un électron = 1,6 10-19 coulomb V : la différence de potentiel appliquée en volts Il faut 1240V pour produire des rayons X avec un λmini qualifié de très mou (facilement absorbable par les paroi du tube).

Souvent une fenêtre en béryllium est placée à la sortie des rayons, permettant d’obtenir des postes fonctionnant à partir de 5kV. 7

Radiographie X Equipements Les caractéristiques d’un générateur à rayons X sont: – Voltage : valeurs max usuelles de 100 à 300 kV, accélérateurs linéaires jusqu'à 10 MeV (1eV=1,6 10-19 J : énergie cinétique d’un électron accéléré depuis le repos par une ddp de 1V). – Courant : valeurs prédéfinies ou réglables, valeurs usuelles de 1 à 10 mA. – Directivité de rayonnement : faisceau latéral ou axial. – Pénétration dans l'acier : gamme de 10mm (mini) à 100mm (maxi).

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Radiographie X Qualité des rayons X Souvent estimée à partir du pouvoir de leur pénétration qui augmente avec leur l’énergie. Leur énergie qui est inversement proportionnelle à la longueur d’onde et qui dépend de l’énergie des électrons accélérés et du numéro atomique de la cible (le matériau de l’anode). En pratique, la qualité des rayons X est associée à la tension appliquée au générateur ou à l’épaisseur de demi-absorption d’un matériau donné.

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Radiographie X Qualité des rayons X Souvent estimée à partir du pouvoir de leur pénétration qui augmente avec leur l’énergie. Leur énergie qui est inversement proportionnelle à la longueur d’onde et qui dépend de l’énergie des électrons accélérés et du numéro atomique de la cible (le matériau de l’anode). En pratique, la qualité des rayons X est associée à la tension appliquée au générateur ou à l’épaisseur de demi-absorption d’un matériau donné.

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Gammagraphie* Formation des rayons γ En physique nucléaire, les éléments chimiques ayant le même numéro atomique, des propriétés chimiques presque identiques, mais une masse atomique différente s’appellent des isotopes. Les différences physiques entre isotopes d'un même élément sont dues à la différence de constitution du noyau de l'atome : le nombre de protons, correspondant à son numéro atomique Z, reste toujours inchangé ; c'est le nombre de neutrons N qui diffère d'un isotope à l'autre d'un même élément. Par exemple le carbone peut se présenter sous : 6C13 qui est stable et 6C14 qui est instable et suite à sa désintégration donne lieu au 7N14 en libérant une particule β- (électron).

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Gammagraphie Formation des rayons γ Les rayons γ sont émis suite à la désintégration nucléaire d’un radio-isotope avec émission de particules α (hélium : deux protons+deux neutrons 2α4) ou β (électrons). Leur énergie varie de quelques MeV (Mégaélectronvolts) à quelques centaines de GeV. Le terme radio-isotope désigne des atomes dont le noyau est instable (instabilité due à un excès soit de protons soit de neutrons soit des deux). Ce type d’atomes se trouve dans la nature ou est produit par un bombardement neutronique d’une petite quantité de matière (dans un réacteur nucléaire). La majorité des radio-isotopes utilisés en radiographie industrielle sont produits artificiellement : le cobalt 60 (27Co60) donne lieu à un isotope de nickel (28Ni60) par bombardement .

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Gammagraphie Notions de temps de demi-vie et activité résiduelle Le temps de demi-vie T1/2 d'un nucléide radioactif est la durée au bout de laquelle le nombre de noyaux radioactifs est divisé par deux. N(t)=N0·e-λt le nombre de noyaux non désintégré à un instant t N0 est le nombre de noyaux initialement présent à t0 λ est la constante radioactive qui caractérise l’élément À t =T1/2 N= N0 /2  T1/2 = ln(2)/λ

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Gammagraphie Notions de temps de demi-vie et activité résiduelle D’un autre coté l'activité radioactive (A) d'une source se mesure en becquerels (1Bq = 1 désintégration/s) ou en curies (1Ci = 37 1010 désintégrations/s) et décroît dans le temps . Elle est définie par : A(t) = -dN(t)/dt = λ·N0· e-λt = λ·N(t) à t =T1/2, A(T1/2) = λ·N0/2 Si A0 = λ·N0 alors A(T1/2) = A0/2.

Suivant l’isotope, le temps de demi-vie peut varier de fractions de secondes à quelques centaines voire quelques milliards d’années. Exemple: Ir192 = 74 jours ; Co60 = 5,2 ans ; Th170 = 129 jours. 14

Gammagraphie Notions de temps de demi-vie et activité résiduelle Exemple de résiduelle

détermination

de

l’activité

Soit une source de cobalt 60 de 740 MBq. Quelle est l'activité résiduelle au bout de 13 ans, sachant que sa demi-vie est de 5,2 ans ? - Méthode graphique On calcule le nombre de périodes (demi-vie) écoulées au bout de 13 ans:

ensuite, on détermine graphiquement le coefficient d’affaiblissement (abaque figure cidessous) : 0,175. Finalement l’activité résiduelle au bout de 13 ans est de : 740 x 0,175 :129,5 GBq (3,5 Ci).

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Gammagraphie Notions de temps de demi-vie et activité résiduelle Exemple de détermination de l’activité résiduelle Soit une source de cobalt 60 de 740 MBq. Quelle est l'activité résiduelle au bout de 13 ans, sachant que sa demi-vie est de 5,2 ans ? - Méthode de calcul Sachant que

le coefficient d’affaiblissement correspondant à 13 ans est donnée par

Par conséquent l’activité résiduelle est donnée par : 740 x 0,176 = 130,24 GBq (3,52 Ci).

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Gammagraphie Principaux radioéléments utilisés en CND Les radio-isotopes les plus utilisés sont : l’Irradium 192, le Cobalt 60 et le Césium 137 (Cs). Le choix de l’un ou l’autre dépend de l’activité résiduelle de la source qui conditionne le temps de pose mais surtout du pouvoir de pénétration dans la matière qui est fonction de l’énergie totale équivalente.

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Gammagraphie Principaux radioéléments utilisés en CND Le choix de l’un ou l’autre dépend de l’activité résiduelle de la source qui conditionne le temps de pose mais surtout du pouvoir de pénétration dans la matière qui est fonction de l’énergie totale équivalente.

Facteurs équivalence acier pour quelques métaux 18

Gammagraphie Equipements Un appareil de radiographie gamma industrielle, appelé souvent "gammagraphe", comporte une capsule en acier inoxydable (parfois en titane) dans laquelle est scellée l’isotope sous forme d’une ou plusieurs pastille (fonction du niveau d’activité désiré): c’est la source. La source de son coté est attaché à une tresse flexible appelée "Pigtail".

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Gammagraphie Equipements Le gammagraphe comprend un projecteur servant de conteneur porte source, une gaine d’éjection, le porte source et le dispositif de télécommande.

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Gammagraphie La radioprotection La radioprotection comprend toutes les mesures nécessaires pour se protéger contre l’irradiation ionisante. La nocivité d’une exposition à un rayonnement ionisant est estimée à partir de mesures et de coefficients de pondération définis par la CIPR (Commission Internationale de Protection Radiologique): – la dose radioactive absorbée qui mesure la quantité d’énergie de rayonnement ionisant absorbée par unité de masse de la matière irradiée soit en Grays (1 Gy=1J/kg) soit en rad (1Gy= 100rad). – la dose équivalente (DE) en rapport avec l’effet sur les tissus biologiques. DE= wR x dose absorbée (en Gy) donnée en sievert (Sv) ou en Rem (1rem = 0,01 Sv) avec wR le coefficient dépendant du type de rayonnement (facteur de pondération du rayonnement), traduisant l'effet relatif du rayonnement considéré sur l'organe considéré, par rapport à un rayonnement de référence, wR = 1, pour les rayonnement X et γ, wR = 20, pour les particules α. 21

Gammagraphie La radioprotection Les rayonnements ionisants ne sont pas perçus par nos sens et il s'écoule toujours un certain temps de réaction entre le moment de l'exposition (ou irradiation) et celui de l'apparition des troubles physiologiques. C'est ce qui les rend particulièrement dangereux. Les radiations ionisantes agissent soit sur les cellules qui constituent notre corps (le soma) et engendre de ce fait des troubles qui constituent les effets somatiques, soit les cellules qui sont destinées à la reproduction (le germen) et les lésions ne se manifesteront que dans la descendance de l'individu irradié, ce sont les effets génétiques.

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Gammagraphie La radioprotection Les moyens et méthodes de protection contre les irradiations sont:

- Le Temps : limiter la durée d’exposition en utilisant un film plus sensible - La distance: le débit de dose est fonction de l’inverse du carrée de la distance (100Gy/h à 1mètre devient 25Gy/h à 2 mètre). Il faut donc s’éloigner ou éloigner la source en utilisant des télécommandes de grande longueur, ou des pinces assez longues pour placer la pièce, ou des télémanipulateurs ou robots. - Les écrans: en plomb ou béton baryté plus ou moins épais en fonction de la réduction désirée. 23

La prise de clichés Le Film C’est un support d’enregistrement et de visualisation d’image, constitué d’un film en polyester couvert de part et d’autre d’une couche d’émulsion (une suspension d’halogénure d’argent sensible à la lumière et aux rayons X et γ) protégée à son par deux couche de gélatine durcis.

La dose d'énergie radiante absorbée par les couches sensibles du film est de l'ordre de 1% du rayonnement X ou γ émis. Pour renforcer l'action "photographique" de ce rayonnement, le film est disposé entre deux écrans renforçateurs qui sous l'action des rayons soit deviennent fluorescents (écrans renforçateurs fluorescents), soit émettent des électrons (écrans sous forme de feuilles minces de plomb laminé). Le développement du film (identique à la photographie) nécessite les étapes successives de révélation, de fixage de l’image, de lavage et de séchage. 24

La prise de clichés Le temps de pose Calculé ou déterminé (abaques) empiriquement. il suffit de fixer la densité optique dans la zone utile pour déterminer le temps de pose pour une activité ou un courant donnés puisque la dose d’exposition est définie comme le produit de l’intensité de lumière au temps de pose: ε = I x t L’intensité de lumière est proportionnelle soit au courant qui circule dans le tube à rayons X soit à l’activité de la source à rayons γ

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Densité optique en fonction de la luminance

La prise de clichés Le temps de pose Le temps de pose pour les rayons γ peut être aussi déterminé en utilisant la formule suivante:

-T : temps de pose en heure - Q : facteur fonction de la densité fixée par le cahier de charge du client et de l’épaisseur d’acier à traverser (voir tableau). La densité souhaitée conditionne le contraste, - d : distance source-film en millimètre, - k : coefficient de rapidité du film (fourni par le fabricant), - N : activité résiduelle en Becquerels.

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La prise de clichés Le temps de pose Une source d'iridium 192 a une activité de 925 MBq (25 curies) au 1er mars 2004. Le cliché est pris le 10 juin 2004 avec un film ayant un facteur k = 4 pour une densité recherchée de 2,5. La soudure à radiographier est un tube de 508 x 5 en acier. La source radioactive est disposée dans l'axe du tube. • Calcul de l'activité résiduelle au 10 juin 2004 : N= 925 x 0,392 = 362,6 MBq = 362,6 106 Bq • Epaisseur de l'acier : 5 mm donc Q = 950 (densité voulue 2,5) • Distance source film en mètres : d =0,259 m • Coefficient de rapidité du film = k = 4 Temps de pose :

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La prise de clichés Qualité de la radiographie Habituellement, l’objectif principal en radiographie est de produire une image montrant le maximum de détails possible. Ceci nécessite la maîtrise de certaines variables pouvant affecter la qualité de l’image définie:  le contraste: est la différence de densités optiques (de noircissement) sur le film entre deux plages adjacentes (figure). Plus le contraste produit par un défaut est grand, plus il est facilement détectable.  la définition ou la netteté: Selon la norme (Nf A09 200), la définition est une expression employée en général qualitativement. Elle caractérise la netteté des contours des détails de l’image radiographique (voir figure). C’est en relation avec l’aptitude à pouvoir séparer deux points rapprochés sur le film.

Contraste important 28

faible contraste

Nette

floue

La prise de clichés Qualité de la radiographie Paramètres influent sur la qualité La sensibilité radiographique est la mesure de la qualité de l’image en terme de la taille du plus petit détails ou discontinuité qui peut être détecté. Elle dépend : • paramètres influents sur le contraste: forme de la pièce, la longueur d’onde, l’énergie incidente, type de film, temps de pose, le développement du film,… Il est à noter que pour optimiser le contraste il faut utiliser un rayonnement suffisamment énergétique pour traverser la région d'intérêt, sans pour autant, être excessivement énergétique de façon à dégrader le contraste. Parce que: - un rayonnement « dur » (de petite longueur d’onde) produirait un mauvais contraste de l’objet radiographié. - un rayonnement « mou » provoquerait l’apparition d’un voile général sur le film (faible contraste) à cause du phénomène de diffusion. Souvent il faut considérer la dose d’exposition qui fait intervenir en plus le temps de pose. 29

La prise de clichés Qualité de la radiographie Paramètres influents sur la qualité • paramètres influents sur le netteté: taille de la source, distances source-pièce et source-film, mouvement de la pièce pendant l’exposition, type de film,…

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La prise de clichés Qualité de la radiographie Outils de contrôle de la qualité  le négatoscope : permet une lecture directe des clichés radiographiques,  le densitomètre : permet une mesure de la densité de noircissement directement sur le film,  l’Indicateur de Qualité d’Image (IQI) : objet de forme convenable superposé à la pièce du même coté de la source. Connaissant l'épaisseur e de la pièce, et le diamètre du dernier fil visible (ou trou) Φmin sur le film exposé, on définit la sensibilité comme : S(%)=Фmin / e

Trous de dimensions étagée 31

Files de différents Φ

La prise de clichés Détection et localisation des défauts Les rayons X voient une fissure comme une variation d'épaisseur. Plus cette variation est grande, plus elle est facile à détecter. Lorsque le trajet des rayons X n'est pas parallèle à la fissure, la variation d'épaisseur est moindre et la fissure est plus difficile à voir.

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La prise de clichés Détection et localisation des défauts Effet, sur le contraste de l'image, de l'orientation du défaut par rapport à l'orientation du rayonnement X

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La prise de clichés Détection et localisation des défauts La localisation d’un défaut en profondeur reste une tâche très délicate sur un support d’image en deux dimensions qu’est le film. Néanmoins, il existe des techniques qui permettent d’apprécier la position des défauts volumiques, tel que la méthode de la double exposition pour les rayons X: il s’agit de radiographier deux fois la pièce pour deux positions distinctes du tube sur le même film. La distance défaut-film permettant de retrouver le profondeur du défaut dans la pièce correspond à:

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Exemples d’applications Pipeline (pose de gazoduc) Contrôle radiographique X (ou γ) par crawler (Véhicule Automoteur Endotube) : attelage comprenant source de rayonnement, moteurs et batteries. - portée de plusieurs km - exposition simple paroi, panoramique centré

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Exemples d’applications Défauts de soudure

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Exemples d’applications Défauts de pièces moulées ou coulées

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Exemples d’applications Défauts de pièces moulées ou coulées La fissuration d’une cuve sous pression peut représenter un danger d’explosion ou au moins résulter en une perte rapide d’une grande quantité d’énergie. La radiographie ainsi que le contrôle ultrasonore sont utilisés pour prévenir ces incidents.

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Exemples d’applications Radiographie d’un assemblage

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QUIZ 1/ En Radiographie X et γ a) La source est placée entre le film et la pièce b) le film est impressionné par les rayons provenant de la source et passant à travers la pièce c) le film est un support en papier d) la position de la source par rapport au film dépend de sa nature 2/ Les rayons X a) ont des longueurs d’ondes plus grandes que les rayons gamma b) ont des fréquences plus importantes que les rayons gamma c) ont des longueurs d’ondes plus petites que les rayons gamma d) ont des fréquences plus faibles que les rayons gamma 40

QUIZ 3/ Les rayons a) X sont produits par bombardement électronique d’une cible en cuivre ou tungstène libérant 98% de l’énergie en chaleur b) γ, produits à volonté par désintégration nucléaire, sont toujours accompagnés de particules alpha ou beta c) X et γ se déplacent à la même vitesse d) Toutes ces réponses 4/ La longueur d’onde a) d’un rayonnement X utilisé en radiographie ne dépend que de la différence de potentielle appliquée entre la cathode et l’anode b) d’un rayonnement X utilisé en radiographie dépend de la différence de potentielle appliquée entre la cathode et l’anode ainsi que la nature de la cible c) d’un rayonnement électromagnétique est la plus courte distance qui sépare deux points de la matière dans le même état d’excitation d) d’un rayonnement est d’autant plus importante qu’il est plus puissant 41