05-Radiographie

CND 1
 Contrôle non destructif
Radiographie

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 oeuvre (film, écrans fluorescents, détecteurs CCD,...).

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

Propriétés des rayonnements électromagnétiques :

Ces techniques d’examen reposent sur la propriété qu’ont les rayonnements
électromagnétiques de très faibles longueurs d’ondes l, 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.n
avec : W est exprimée en électron-volt,
h est la constante de Planck (h = 6.62 10-34 J.s)
n est la fréquence de l’onde.
 Principes physiques

Propriétés des rayonnements électromagnétiques :

Généralement, la fréquence n d’un phénomène périodique peut s’écrire :
n=C/l
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/l
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.
 Principes physiques

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. m .dx

le signe négatif indique une diminution d’intensité.

 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

avec m 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 :
Principes physiques
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

avec :
K est le coefficient de proportionnalité,
λ est la longueur d’onde,
Z est le numéro atomique du matériau contrôlé, sa est le coefficient de diffusion massique qui dépend de l 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 l 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 n = 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 n et sa longueur d’onde l ; on peut écrire ainsi
que :
W=hn=hC/l
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

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 :
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

L’effet photoélectrique se produit lorsque l’énergie W = h n0 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 γ0 = Wn + ½ m v2
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)
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

Diffusion Compton aura lieu si la quantité d’énergie h n0 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 n qui représente la diffusion Compton.
En appliquant la loi de conservation d’énergie, on peut
écrire : h n0 = Wn + ½ m v2 + h n
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)
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

La création de paires ou effet de matérialisation apparaît lorsque h γ0 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 γ0 = 2 m C2 + ½ m v2 1+ ½ m v2 2
avec C est la vitesse des ondes électromagnétiques, 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 n
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

On a alors une émission de deux photons d’énergie h n, 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 n0 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)
 Principes physiques

Absorption des rayons X et gamma par la matière

D’une façon générale, le coefficient d’absorption linéique m 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 :
m = me + mc + mp
avec : me est le coefficient d’absorption dû à l’effet photoélectrique,
mc est le coefficient d’absorption dû à l’effet Compton,
mp est le coefficient d’absorption dû à la création de paire.
 Principes physiques

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. On se situe dans le cas d’un
faisceau monochromatique caractérisé
par un longueur d’onde l et d’intensité
I0, ce faisceau est orienté sur un
matériau d’épaisseur X dont sa forme
contient une cavité d’épaisseur
constante Dx. Cette dernière est
remplie d’un gaz dont son numéro
atomique est nettement faible par
rapport à celui du matériau. (voir figure 6)
 Principes physiques

Formation de l’image radiante :

La première expression donne l’intensité transmise I au niveau des zones saines :
I = I0 exp[-m x]
La deuxième expression indique l’intensité transmise I’ au niveau de la cavité:
I’ = I0 exp[-m (x - Dx)]
On constate que I’ > I telle que I’ = I exp[Dx],
On définie alors le contraste de l’image radiante émergeante ou contraste objet C0 le logarithme du rapport I /I'; D’où C0 = log I/I'= µDx
D’après Bragg et Price , on saitque m = K λ3 Z4 , l’expression du contraste devient :
C0 = K λ3 Z4 Dx ⇒ C0 = f(l)
De ce fait, nous pouvons augmenter le contraste en augmentant le longueur d’onde l 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
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[-m 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[-m x]
En fait, le facteur de diffusion est supérieur à 1, tel que : B= (l0 +ld)/l0 =1 +ld/l0
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.
 Principes physiques

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
 Principes physiques
Principe de l'émission et caractéristiques des rayons X
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 l des différentes
radiations. La plus courte longueur d'onde l0 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.
 Principes physiques

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.
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 H 1
1 , 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 :
- les rayonnements alpha (a) de nature corpusculaire résultant de la désintégration de
noyaux d'éléments lourds. Ils sont constitués de noyaux d'atomes d'hélium 4He
2 chargés
positivement et animés d'une grande vitesse,
- les rayonnements béta (b) ou électrons également de nature corpusculaire possèdent
une charge électrique négative. Leur vitesse initiale est aussi très grande.
La radioactivité b 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 _ + hn
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 hn.
- les rayonnements gamma (g) 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 a et b
sont très rapidement absorbés par la
matière.
 Principes physiques

Techniques d'imagerie en radiologie : « matériels

utilisés et exemples de résultats »
La radiographie met en œuvre 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,
- - les filtres, masques et écrans,
- - le film et sa cassette,
- - les écrans renforçateurs,
- - les indicateurs de qualité
- d'image.
 Principes physiques

Techniques d'imagerie en radiologie : « matériels utilisés et exemples de résultats »

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.
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 g ,
- le filtre postérieur à la pièce, placé
entre celle-ci et la cassette porte-film. En
fonction de la nature et de l'énergie du
rayonnement utilisé celui-ci peut être en plomb, en cuivre ou en acier. D'épaisseur
généralement inférieure ou égale à 1 mm, ce filtre postérieur doit absorber les rayonnements
secondaires qui émergent de la pièce.
Enfin, l'image radiographique peut également être dégradée par un rayonnement
diffusé ou rétrodiffusé par les objets situés dans l'environnement immédiat de la pièce
radiographiée et qui sont soumis au rayonnement de la source si celui-ci n'est pas
suffisamment collimaté.
Ces rayonnements peuvent parvenir sur la pièce radiographiée côté film et contribuer
pour une part à l'exposition de celui-ci.
L'effet nocif de ces rayonnements parasites sera supprimé par l'emploi d'un écran
postérieur en plomb de 2 mm d'épaisseur placé sur la face postérieure de la cassette portefilm
(figure 36).
Le film radiographique et sa
cassette de protection
En radiographie, le film est
le récepteur d'image. Son rôle est
de convertir l'image radiante
émergeant de la pièce
radiographiée en une image
latente puis en une image visible
après traitement (figure 37).
 Principes physiques

Techniques d'imagerie en radiologie : « matériels

utilisés et exemples de résultats »
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 mm),
- de deux couches d'émulsion
photographique de 50 . mm 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 mm d'épaisseur.