07_Rayon X

MEC-761 Essais mcaniques et contrle non destructif 07 Radiographie (RT)

MEC761 - Martin Viens, prof.Dpartement de gnie mcaniqueProgramme de baccalaurat

Le gnie pour l'industrie

MEC-761Essais mcaniques et contrle non destructif




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Introduction

La radiographie peut tre dcrite comme tant unexamen qui utilise un faisceau de radiationspntrantes dirig vers la pice inspecter.

Suivant la nature et la gomtrie de la pice, uneportion plus ou moins importante du faisceau estabsorbe par cette pice.

En crant une image de lintensit de la radiationayant traverse la pice, des nuances de gris sontobserves. Ces nuances correspondent lombrageproduit par les diffrentes structures (internes etexternes) de la pice inspecte.




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Principe de base

= forte exposition

= faible exposition

Source de radiation

Pice inspecter

Film radiographique

Dveloppement du film vu de haut




Principes physiques

Structure de l'atome




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lments de latome

Proton: particule du noyau atomique qui porte une chargelectrique lmentaire positive

Neutron: particule du noyau atomique lectriquement neutre

lectron: particule qui gravite autour du noyau atomique suivantdes trajectoires dfinies (analogue aux plantes autour dusoleil). Les lectrons portent une charge lectrique lmentairengative.




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Nomenclature

X: Symbole identifiant llment (ex.: H pourhydrogne, Fe pour fer, )

Z: Numro atomique. Dsigne le nombre deprotons dans le noyau de latome.

A: Nombre de masse. Somme du nombre deprotons et de neutrons dans le noyau dunatome.

AZ X

protons

neutrons

lectrons

42He




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Isotopes

Diffrentes espces dun mme lment (mmenumro atomique Z). Se distinguent par le nombre deneutrons dans le noyau.ex: uranium-235 (92U235) et uranium-238 (92U238)

11H

21H

31H

Hydrogne Deutrium Tritium




Principes physiques

Radioactivit




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Radiation et radioactivitRadiation: Transport dnergie sous forme dondes

lectromagntiques (photons) ou de particules.Radiation ionisante: Rayonnement capable de produire

des ions (arracher des lectrons un atome) lors deson passage travers un matriau.

Radioactivit: Proprit de certains atomes instablesdmettre des radiations ionisantes en vue deretrouver une stabilit nergtique. Ce processus sefait soit en rarrangeant spontanment leslectrons qui gravitent autour du noyau, soit en mettant des particules nuclaires (dsintgrationspontane). Dans les deux cas, il y a dgagementdnergie.




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Couches lectroniques

2 3 1[Rn] 7s 5f 6d




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Tableau priodique




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Rarrangement lectronique

En revenant sur un niveaunergtique plus faible, leslectrons mettent desphotons.

Ce quantum dnergie mis(photon) est directementassoci au saut quantiquednergie entre les deuxniveaux lectroniques.




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Rayonnement de l'hydrogne




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Dsintgration nuclaire

Particule : particule constitue de deuxprotons et deux neutrons (noyau d'hlium)et ayant une nergie variant de 3 7 MeV

Particule -: lectron rapide produit par latransformation d'un neutron en proton

Rayon : rayonnement lectromagntique(photon) de haute nergie (> 0.1 MeV) mispar un isotope mtastable qui, trs souvent,origine d'une dsintgration nuclaire

Nature des radiations mises

0n p




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Dsintgration nuclaire

238 234 492 90 2U Th 14 146 7C N

Exemple de dsintgration




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Temps de demi-vie

Suivant lisotope utilis, les temps de demi-vie varient de fractions de seconde plusieurs milliards d'annes

0 1 2 3 4 50

200

400

600

800

1000

t/t1/2

A

c

t

i

v

i

t

500

250

12562.5

Impossible dafficher limage.

1 214

60

192

235 8

238 9

5730

5.3

74

7.0 10

4.5 10

t annes

C

Co

Ir jours

U

U

2120 ttNtN




Principes physiques

Source radioactive




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Usage en CNDTrois sources de radiations sont principalement utilises en CND:

Les rayons X (photon) Les rayons (photon) Les rayons n (particule)




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X et : similarit et diffrence Les rayonnements X et sont tous deux des

rayonnements lectromagntiques (photons)

Les rayons X sont gnrs, la demande, l'intrieur d'un tube sous vide. Leur nergie,contrle par la tension applique sur legnrateur, varie de 20 500 keV

Les rayons sont mis naturellement suite la dsintgration de radio-isotopes. Leurnergie, qui dpend de l'isotope utilis, variede 0.1 2 MeV




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Spectre lectromagntique

E h f




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Radiation (Gamma)

La trs grande majorit des sources de rayons utilises en CND sont produites partir de deux radio-isotopes artificiels:

Usage nergie (MeV) Activit (Ci/g)Ir-192 95% 0.1 1.1 350Co-60 4% 1.17 et 1.33 50

60Co 60NiRadiation




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Activation des radio-isotopes

La majorit des radio-isotopes (isotopes radioactifs)utiliss en radiographieindustrielle sont produitsartificiellement.

Pour les activer, desmatriaux stables sontsoumis une source deneutrons lintrieur dunracteur nuclaire.




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Encapsulation de la source

Suite leur activation, lesradio-isotopes mettent conti-nuellement des radiations.

De faon limiter les fuites,le matriel irradi estencapsul et la capsule estattache un pigtail .




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Utilisation d'une source




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Source de rayons X

Contrairement aux rayons , lesrayons X sont produits, lademande par un gnrateur.

Un trs haut potentiel lectrique(plusieurs centaines de kV) esttabli entre deux lectrodes (lacathode ngative source dlectronset lanode positive en tungstnesource des rayons X).

De faon viter la formation darclectrique entre les deux lectrodes,celles-ci sont places dans un tube vide.

Haut potentiel lectrique

Electrons-+

Gnrateur derayons X

Dispositif denregistrement de lexposition

chantillon




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Radiation X

Radiation produite par le bombardement dune cible de tungstnepar des lectrons de haute nergie.

En passant prs des noyaux mtalliques de charge positive, leslectrons sont dvis en raison de leur charge ngative. Cettedflection impose une diminution de lnergie de llectron; nergiequi est mise sous la forme dun rayonnement X.

L'nergie maximale du photon X est donc limite par l'nergiecintique initiale de l'lectron. Cette nergie cintique est contrlepar le potentiel lectrique entre les deux lectrodes du tube.

Rayon X

Noyau de tungstne

lectron




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Spectre de rayonnement continuSpectre de Bremsstrahlung




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Raies spectrales superposes

Spectre continu

Raies spectrales spcifiques la nature de

la cible utilise

mission de photons quantiques




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Tube rayons X




Radiations

Units de mesures etradioprotection




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Radioactivit

Mesure de lactivit dune source radioactive i.e.la quantit de photons (rayonnement lectroma-gntique) ou de particules (rayonnementcorpusculaire) mise par unit de temps.

Becquerel (Bq): Unit correspondant la dsint-gration dun atome par seconde (Unit SI).

Curie (Ci): Unit correspondant lactivit dungramme de radium (dsintgration de 37 milliardsdatomes par seconde).




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nergie du rayonnement

Mesure de lintensit nergtique des photons mis.Cette nergie est directement proportionnelle lafrquence du rayonnement.

o h est la constante de Planck(6.626 10-34 Js)

Joule (J): Unit correspondant au travail dune force de unnewton sur une distance de un mtre (Unit SI).

lectron-volt (eV): nergie acquise par un lectron qui sedplace sous laction dune diffrence de potentiel de un volt(1.6 10-19 J).

E h f




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Dose radioactive absorbe

Mesure de la quantit dnergie de rayon-nement ionisant absorbe par gramme dematire irradie.Gray (Gy): Unit correspondant labsorption

de un joule dnergie par kilogramme dematire irradie (Unit SI).

Rad (Rad): Unit correspondant 10 Jdnergie absorbe par gramme de matireirradie (1 Rad = 10 mGy).




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Effet sur les tissus biologiques

Pour une mme dose, divers rayonnements ionisantsproduisent diverses quantits de lsions biologiques.Par exemple, les particules et les neutrons rapidessont plus dangereux que le rayonnement X et .

o k est une constante qui varie enfonction du type de rayonnement.

pour X et , k = 1pour , k = 20

Sievert (Sv): Unit SI.Rem (rem): Abrviation pour roentgen equivalent man .

(1 rem = 0.01 Sv).

Dose quivalente (DE)

DE Sv k dose Gy




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Mesures de scuritLutilisation de sources de radiation en milieu industriel estfortement contrle par des organismes fdraux enraison des risques potentiels pour les oprateurs et lepublique en gnral.




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Irradiation dorganismes vivants

Les rayonnements X et ont la capacit dioniser les matriauxquils traversent. Les organismes vivants sont galement sensibles ces radiations:

Brlures Cancer Etc.

En fait, les rayons ont suffisamment dnergie pour endommager la structure molculaire des cellules.




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Les techniciens qui travaillent avec les radiationsdoivent porter des dispositifs qui dtecte et enregistre leniveau des radiations auxquelles ils ont t exposs

Radioprotection

Indicateur de radiation

Dosimtre de poche

Avertisseur de radiation

Badge de radiation




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Mesures de protection

Il y a 3 moyens pour limiter l'exposition aux radiations:




Principes physiques

Attnuation du rayonnement




Interaction avec la matire

Le photon est absorb par un lectron des couchespriphriques de latome ce qui rsulte en son ionisation(jection de l'lectron)

Plus le numro atomique de l'atome est grand, plus les lectrons priphriques sont loigns du noyau. Il

est donc plus facile de les arracher l'attraction des protonsnuclaires

plus grande est la densit d'lectrons dans le nuagelectronique entourant le noyau. La probabilit de collisionentre un photon et un lectron est donc plus grande

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Plus le numro atomique d'un atome est grand, plus grande est l'attnuation du rayonnement X qui le traverse




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Pouvoir pntrant




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Pouvoir pntrant




Technique d'exposition

Qualit de l'image radiographique




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Notions de photographie

Densit optique: dfinit l'opacit et la transparenced'un film sur une chelle logarithmique

010log

t

ID

I

o I0: Intensit de la lumire incidente sur le filmIt: Intensit de la lumire transmise travers

le film

Dose d'exposition: quantit de rayonnement absorbpar le film en un certain point

RX expI t o IRX: Intensit du rayonnement (W)It: Temps d'exposition (s)




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Notions de photographie

Contraste: diffrence entre les densits optiques dedeux rgions adjacentes d'une image.Plus le contraste produit par un dfaut sera grand,plus il sera facilement dtectable.

Nettet: Qualit d'une image caractrise par descontours bien dfinis.




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Contraste et exposition

log




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Contraste

L'nergie de la radiation affecte son pouvoir pntrant(plus la radiation est nergtique, plus elle pntreprofondment dans un matriau ou plus elle traverse desmatriaux denses)

L'nergie de la radiation et le temps d'exposition doiventtre contrls de faon obtenir un bon contraste dans largion d'intrt

Radiation de faible nergie Radiation de haute nergie

Paroi mince




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Optimisation du contraste

Utiliser un rayonnement suffisammentnergtique pour traverser la rgiond'intrt sans, pour autant, treexcessivement nergtique de faon dgrader le contraste




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Agrandissement de limage

Source

Objet

Film

a bMa

o M dsigne l'agrandissement (magnification)




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Flou gomtrique(Nettet des images)

gS bUa

Objet

Source

FilmgU

a

b

gU

o Ug: zone de pnombreS: taille de la source




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Autres causes de flou

Flou d au mouvement de la source, de l'objet ou du film durantl'exposition

Flou d la dispersion du rayonnement lors de son passage au traversde l'objet. Ce flou dcrot avec l'nergie des radiations.

Flou caus par des lectrons secondaires gnrs dans le film lui-mme (flou inhrent). Ce flou crot avec l'nergie des radiations.




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Orientation du dfaut

Les rayons X voient une fissure comme une variation d'paisseur.Plus cette variation est grande, plus elle est facile dtecter.

Angle optimal

facile dtecter

difficile dtecter

Lorsque le trajet des rayons X n'est pas parallle la fissure, lavariation d'paisseur est moindre et la fissure est plus difficile voir.




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Film




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Effet, sur le contraste de l'image, de l'orientation dudfaut par rapport l'orientation du rayonnement X

0o 10o 20o




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Exemple de fissure




Techniques d'imagerie

Film et radiographie numrique




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Film radiographique Un des plus vieux medium de

visualisation et d'enregistrementd'images radiographiques. Encoreaujourd'hui, le plus utilis desmedium

L'mulsion (la couche sensible) estconstitue d'une suspensiond'halognure d'argent. Deuxcouches de glatine durcieprotgent l'mulsion de part etd'autre du film

Lorsque expos aux radiations etdvelopp en chambre noire, lesfines particules d'halognured'argent tournent au noir.




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Cassette de film

Les films doivent tre protgs de la lumire visible parce que,tout comme les rayons X et , la lumire visible est une ondelectromagntique et peut exposer le film.

Les films sont donc placs dans une cassette l'preuve de lalumire ambiante.




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Dveloppement du film De faon pouvoir visualiser l'image, le film doit tre dvelopp

suivant un processus similaire celui utilis en photographieconventionnel

Le dveloppement se fait manuellement ou l'aide de systmeautomatis




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Radiographie numrique

Ne requiert aucun film. Les images radiographiquessont captures en utilisant soit des crans spciauxau phosphore, soit des panneaux contenant descapteurs microlectroniques.

Ne requiert pas de chambre noire pour dvelopperles films.

Les images captures peuvent tre traitesnumriquement (luminosit, contraste) pour mettrecertains dtails en vidence.

Les images peuvent tre facilement emmagasinesous sa forme numrique.




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Radiographie numrique (suite)

Il existe plusieurs techniques pour obtenir desimages radiographiques numriques:

Computed Radiography (CR): Post-numrisationdun film au phosphore rutilisable.

Real-time Radiography (RTR): Numrisation entemps rel de limage produite par un cran auphosphore.

Direct Radiographic Imaging (DR): Numrisationinstantane des photons-X incidents grce unematrice de capteurs microlectroniques.




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Post-numrisation

Un cran au phosphore est utilis la place d'un film radiographiqueconventionnel

L'information est ensuite convertie en image numrique grce unscanneur appropri

(Computed radiography - CR)




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cran au phosphore

Le rayonnement qui pntre dans la plaque stimule les particules de phosphore i.e. elles deviennent fluorescentes.

Rayons X

Couche sensible

Couche de protection

SubstratParticules de phosphore




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Numrisation

Aprs l'exposition:

L'cran est introduit dans un scanneuro la fluorescence du phosphore estnumrise. En parallle, les particulesde phosphore sont dsactives.




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Radiographie en temps rel Terme utilis pour dcrire une technique de capture

lectronique des radiographies en temps rel. Grce l'instantanit des images, ces dernires

peuvent tre visualises lorsque la pice est enmouvement.

La manipulation des pices peut tre avantageusepour diverses raisons: Il peut tre possible d'inspecter compltement une pice

grce une seule exposition. La visualisation de structures internes d'une pice partir de

diffrents points de vue peut permettre une meilleureanalyse de cette structure.

Les temps d'inspection sont souvent rduits.




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quipements requisT

u

b

e

r

a

y

o

n

s

-

X

Intensificateur d'image




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Comparaison des imagesTemps rel Film

Plus claire aux endroits oles photons X ont excitl'cran fluorescent.

Plus fonce aux endroitso les photons X ontionis les molculesd'halognure d'argent surle film.




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Imagerie radiographique directe

Utilise un panneau de photo-dtecteurs lectroniques similai-res ceux retrouvs dans lescamras numriques convention-nelles (CCD).

Ces photo-dtecteurs qui sont,en fait, des condensateursmicrolectroniques convertissentl'intensit des rayons-X encharges lectriques.

Chaque photo-dtecteur corres-pond un pixel dans l'imagenumrique.




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Radiographie numrique

Les radiographies numrises peuvent tre: Traites grce des logiciels spcialiss Transmises distances par internet Inclues dans des rapports Emmagasines pour rfrence future

Radiographie d'un engrenage




Applications

Discontinuits dans les soudures et les joints brass




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Exemples d'indicesPorosits

Inclusions de laitier




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Exemples d'indicesManque de pntration

Manque de fusion




Page 73

Exemples d'indicesCaniveaux

Fissures




Page 74

Soudage TIGInclusions de tungstne

Inclusions d'oxyde




Applications

Discontinuits dans les pices coules




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Exemples d'indicesPorosits et soufflures

Inclusions de sable

Fissures

Inclusions non mtalliques




Page 77

Exemples d'indicesRetassures

Retassures en ponge




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Autres exemples

Trouver les dfautsdans ces prouvettesde traction.




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Radiographie d'un assemblage




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Autres exemples

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