La Radiographie

Historique:

Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Conrad Roentgen lorsqu'il étudiait les rayons cathodiques émis par un tube de Crookes, vers un écran de platino-cyanure de baryum dont ils excitaient la fluorescence.

Ayant recouvert le tube émetteur d'un carton noir pour mieux observer l'extrémité du tube sur laquelle se projetaient les rayons cathodiques, Roentgen constata la brillance de l'écran disposé au-delà du carton.

Il s'aperçut rapidement qu'un rayonnement inconnu, qu'il appela X, pouvait traverser des matières plus denses et plus lourdes que le carton, et il ne lui fallut ensuite que quelques semaines pour réussir à « photographier » le squelette de sa main, de celle de sa femme, l'intérieur d'une boîte en bois contenant des poids cylindriques, et même son fusil chargé, dans lequel on voit les cartouches garnies de leurs plombs.

Cette innovation s'est répandue comme une traînée de poudre, et a trouvé en l'espace de cinq années l'essentiel de ses applications courantes: la radiographie médicale (dès 1896), et le contrôle industriel.

Seulement trois mois après la découverte des rayons X, A. Toepler, un ami de Roentgen habitant Dresde compare les transparences respectives de pigments métalliques et de pigments organiques. La première radiographie de tableau a été réalisée en 1896, en Allemagne, par W. König, puis une œuvre de Dürer a été examinée par radiographie en 1897, à Londres.

Au cours de la première guerre mondiale, des médecins français ont observé des tableaux grâce à la radioscopie, et l'intérêt manifesté envers les radiographies des œuvres d'art n'a jamais diminué. De nombreuses institutions dans le monde étudient les œuvres de musée au moyen de la radiographie; pour n'en citer que quelques unes en Europe : British Museum (Londres), Institut Royal du Patrimoine Artistique (Bruxelles), Doerner Institute (Münich), etc

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Principe

La radiographie enregistre l'image formée par des rayons X qui sont plus ou moins absorbés lorsqu'ils traversent un objet. On obtient ainsi à la fois une représentation de la constitution interne (structure, armatures, assemblages, ...) et de l'épiderme des tableaux ou des objets étudiés (lacunes de polychromie ancienne recouvertes ensuite, compositions superposées, ...).

Les rayons X, créés par la collision d'électrons sur des atomes de matière, sont des ondes électromagnétiques, de même nature que la lumière visible ou les ondes radiophoniques, mais de longueur d'onde très courte, comprise entre 10-7 et 10-11 mètres, et dotées d'une grande énergie.

Ces longueurs d'onde de l'ordre de l'Angström (10-10 m), sont proches des distances inter-atomiques, ce qui permet le passage du rayonnement à travers la matière, alors qu'un rayonnement de plus grande longueur d'onde se trouve réfléchi par la surface du matériau étudié.

[b][left]Production des rayons X

L'enveloppe externe d'un générateur de rayons X est en général une ampoule de verre ou plus récemment une association métal-céramique, dans laquelle a été fait le vide[color=violet][/color
][/b[/left]]

* un spectre de raies caractéristiques de l'élément composant l'anode, lorsque l'électron incident frappe un électron du cortège électronique de l'atome, obligeant cet électron cible à quitter son orbite (correspondant à un niveau d'énergie fixe pour cette matière), un photon X est alors émis, lorsque ce niveau d'énergie originel est à nouveau occupé par un électron provenant d'une autre couche électronique,

* un fond continu de rayonnement, quand l'électron incident est dévié par la masse du noyau de l'atome cible, créant ainsi un photon X dont l'énergie n'est pas déterminée par la nature du matériau.

En analyse physique, les raies caractéristiques permettent justement de caractériser les éléments et leurs composés

L'anode (appelée également anticathode) est le plus souvent en tungstène, métal de numéro atomique élevé (74), offrant une forte probabilité d'interaction des électrons incidents dans le cortège électronique de l'atome, et résistant bien à la chaleur dégagée lors de la création du rayonnement.

Le refroidissement de l'anticathode, effectué par un bain d'huile qui dissipe les calories, est éventuellement complété par une circulation d'eau.

En dehors des générateurs directionnels les plus courants, divers types de tubes ont été réalisés pour des applications spécifiques :

* un tube panoramique, pour la radiographie des soudures de tubes, par exemple des oléoducs,

* un tube à anode longue qui peut pénétrer dans des orifices de faible diamètre,

* un tube à anode tournante, utilisé en médecine: la chaleur est mieux dissipée par la grande surface totale de l'anode se déplaçant à l'emplacement du foyer, ce qui autorise la réduction du temps d'exposition grâce à une plus grande intensité de rayonnement, et permet l'élimination du flou cinétique provenant des mouvements du corps humain.

Les rayons X sortent du tube par une fenêtre pratiquée dans l'enceinte plombée qui l'entoure. Le faisceau de rayons X issus du foyer n'étant pas isotrope, dans les tubes directionnels, on limite le rayonnement à un cône homogène d'environ 35 à 40 degrés d'ouverture.

Pour certaines applications, dont la radiographie de tableaux ou d'objets peu épais, la fenêtre de sortie est découpée dans l'enveloppe en verre du tube, remplacée par une mince feuille de béryllium, un métal plus transparent aux rayons X que ne l'est le verre du tube.

Une augmentation de la tension appliquée entre l'anode et la cathode influe sur la qualité du rayonnement :

* raccourcissement des longueurs d'ondes

* accroissement de la pénétration du rayonnement par élévation de l'énergie des rayons X
.
[b]L'intensité de rayonnement émis augmente approximativement comme le carré de la tension d'excitation.

Les variations de l'intensité du courant de chauffage appliqué au filament de la cathode modifient la quantité des rayonnements émis, mais pas leur qualité: les longueurs d'ondes demeurent identiques.

Le noircissement obtenu sur le film dépend directement du produit du temps d'exposition par l'intensité du rayonnement, par exemple en radiographie médicale l'unité d'exposition utilisée est le mAs (produit des milliampères par les secondes), pour d'autres applications (radiographie industrielle) le mAm (produit des milliampères par les minutes). Certains matériels travaillent à intensité fixe, seuls varient le temps d'exposition et la tension.

[left]Interaction des rayons X avec la matière

Les rayons X atteignant un objet produisent des effets qui dépendent de l'énergie du rayonnement incident :

* effet photoélectrique : un photon frappe un électron orbital en lui cédant toute son énergie, cette interaction se produit à 80% avec la couche la plus proche du noyau; l'absorption photoélectrique est proportionnelle à Z3 : cet effet est important pour des photons X de faible énergie (proche de l'énergie de liaison des électrons cibles) et pour des matériaux lourds (Z élevé).

* diffusion Compton : c'est la collision élastique d'un photon avec un électron périphérique non lié. Une partie de l'énergie du photon étant cédée à l'électron, le photon change de direction. Le coefficient de diffusion Compton varie peu avec le numéro atomique du matériau, et dépend pratiquement de la masse de matière présente par unité de surface. C'est l'effet prépondérant entre 1 et 3 MeV (domaine des accélérateurs de particule ou des rayons gamma du cobalt).

* création de paire ou matérialisation : quand l'énergie du photon est supérieure à 1,02 MeV, celui-ci peut disparaître dans le champ magnétique intense du noyau atomique. Il se crée une paire d'électrons de signe opposé. Cet effet n'intervient dans la pratique que pour des énergies de plusieurs MeV, donc supérieures à celles disponibles avec les photons du cobalt 60.

Ces interactions du rayonnement sur les électrons des atomes entraînent une ionisation de la matière, qui peut perturber le fonctionnement des cellules vivantes, surtout pendant la division cellulaire.

Le phénomène d'ionisation est par ailleurs utilisé dans certains appareils de détection du rayonnement.
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]

Formation de l'image radiographique

Les rayons X sont issus d'une petite surface de l'anode appelée foyer.

Etant des ondes électromagnétiques, ils se propagent en ligne droite et ne sont pas déviés par des champs magnétiques.

Ils sont très difficilement réfractés, sauf par des dispositifs extrêmement complexes. L'image radiographique est donc formée uniquement par la projection conique des rayons à partir du foyer, sans utilisation d'un système optique.

L'atténuation du rayonnement est fonction du carré de la distance parcourue entre la source et le film radiographique.

L'interaction du rayonnement avec les atomes de la matière de l'objet, avec les atomes de l'air qui sépare l'objet de la source de rayonnement, et également avec les objets environnants, créent de multiples diffusions qui peuvent, dans les cas les plus défavorables, dégrader totalement l'image radiographique, au point de la rendre inexploitable. La diffusion peut être combattue dans une certaine mesure en limitant la zone irradiée (emploi d'un collimateur), en arrêtant le rayonnement à l'arrière de l'objet par des feuilles de plomb, en filtrant le rayonnement (au moyen de minces plaques de métal: aluminium, fer, cuivre,...).

La netteté de l'image dépend de la distance entre la source, l'objet et le film, de l'épaisseur de l'objet, des dimensions du foyer, et aussi de l'absence de mouvement de l'objet, du film et de la source de rayonnement[/left]
Lorsque le film est en contact direct avec l'objet, l'image A'B' est de même grandeur que l'objet (image de gauche).

L'éloignement de l'objet vers la source de rayons X augmente la taille de l'image (image de droite), mais abaisse sa netteté à cause de l'étendue du foyer (comprise en général entre 0,6 mm au carré et 3 mm au carré), les rayons X issus des points extrêmes du foyer donnent des images éloignées d'un point de l'objet.

L'image est considérée comme nette lorsque le flou géométrique maximal (l'étendue de la pénombre) est d'environ 0,2 mm.

L'image suivante (Figure 6) montre que la diminution des dimensions du foyer par l'utilisation d'un tube à micro-foyer (typiquement 0,015 mm au carré) rend négligeable le flou géométrique et permet de forts agrandissements directs de l'image.[left]
Pour simplifier, on peut comparer la radiographie aux ombres créées par le soleil dans un ciel limpide : si l'objet est près d'un mur, son ombre sera sombre et nette, si l'objet s'éloigne du mur, les contours de son ombre perdront progressivement leur netteté, et l'ombre s'éclaircira; si le soleil est voilé l'ombre s'atténue encore et peut disparaître totalement.

L'absorption du rayonnement est proportionnelle à l'épaisseur de matière traversée, et à une puissance du numéro atomique de l'élément traversé. Ainsi un objet composé d'un unique matériau sera de plus en plus opaque aux rayons X quand son épaisseur augmentera. On peut schématiquement représenter l'absorption par la superposition de multiples épaisseurs de tissus translucides : une épaisseur unique n'atténue pas la lumière, dix épaisseurs l'arrêtent partiellement, vingt épaisseurs deviennent opaques.

[left]Enregistrement de l'image radiographique

[left]L'image radiographique est formée par les modulations du faisceau émergent résiduel de rayons X ayant traversé l'objet. Les paramètres à prendre en compte pour l'exposition sont :

[left] * la tension, mesurée en kilovolts (kV), elle règle l'énergie du rayonnement et donc sa pénétration dans la matière,

* l'intensité, en milliampères (mA), et le temps, dont le produit détermine la quantité totale de rayonnements reçus par l'objet,

* la distance séparant la source de rayonnements du récepteur,

* la sensibilité du récepteur

* la présence éventuelle de filtration dans le faisceau, d'écrans renforçateurs disposés contre le film,

* la nature de l'objet (numéro atomique des éléments constitutifs), et son (ou ses) épaisseurs(s).

La plus importante restriction dans l'emploi de la radiographie est la mauvaise discrimination de deux éléments de numéro atomique très proches. Ce phénomène provient du fait que la distribution de l'absorption du rayonnement ne présente pas de discontinuité entre un élément et ses voisins immédiats. On constate sur la courbe suivante la constance du coefficient d'absorption des rayons , et les variations de plus en plus affirmées pour des rayons x de plus basse énergie.[/left

][b]
Il existe trois moyens complémentaires de visualiser et d'enregistrer l'image radiographique :

- le film radiographique : c'est un film photographique spécial, muni d'une forte épaisseur d'émulsion sensible, très chargée en halogénures d'argent. Il est généralement bicouche (une demi-émulsion sur chaque face) pour faciliter le développement de l'image. Plus l'énergie du rayonnement est élevée, plus l'oxydation des sels métalliques contenus dans l'émulsion photographique est importante, et le noircissement du film important. Les photons ont de rares interactions, mais celles-ci produisent des électrons qui sont par contre très actifs pour le noircissement du film. On utilise souvent les films emballés dans une pochette en papier, étanche à la lumière, ou bien dans une cassette en alliage léger (transparente aux rayons X), munie d'écrans renforçateurs ou au plomb, ou encore dans un emballage plastique sous vide avec des écrans au plomb. Les écrans renforçateurs (dits salins, ou fluorométalliques) comportent un matériau fluorescent qui atténue légèrement la netteté de l'image, mais raccourcissent énormément la durée d'exposition nécessaire (jusqu'à 24 fois). Les écrans au plomb se composent d'une feuille de carton recouverte d'une fine épaisseur de plomb qui atténue l'effet des rayons diffusés et renforce l'image au dessus de 100 kV par émission d'électrons (gain sur la durée d'exposition: environ 3 fois).

- la radioscopie : la fluorescence d'écrans sensibles aux rayons X forme l'image visible de l'objet. Cette image était naguère observée directement derrière l'écran, ce qui était très dangereux pour l'observateur non protégé, et a entraîné au début du siècle de nombreuses maladies chez les radiologues (nécrose des mains par exemple), et même plusieurs décès. De nos jours, cette image est reprise par une caméra de télévision, l'observation se fait donc loin des rayonnements dangereux. L'écran fluorescent constitue souvent la face d'entrée d'un amplificateur de brillance, dans lequel les électrons produits à la surface de l'écran par les rayons X sont accélérés puis transformés en lumière visible par un écran phosphorescent qui fournit une image lumineuse à l'objectif de la caméra. Cette amplification diminue fortement les doses de rayonnement nécessaires (c'est le type de matériel utilisé pour le contrôle des bagages). L'image de l'écran peut être enregistrée sur bande magnétique, imprimée, ou numérisée.

- la numérisation directe : un capteur sensibilisé aux rayons X transforme l'intensité du rayonnement en valeur numérique. Deux voies parallèles existent :

* les capteurs en forme de barrette, qui nécessitent l'exploration de la surface de l'image par défilement soit de l'objet, soit du support de la barrette,

* les capteurs plans, en forme de matrice, qui analysent en bloc la surface de l'image. Une voie détournée consiste à effectuer la numérisation d'après un film radiographique déjà existant, ou en sortie de la radioscopie télévisée.

Classification

La radiographie est une technique non destructive. Les doses de rayonnement émises sont plusieurs milliers de fois plus faibles que celles utilisées pour la désinfection des matériaux.

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SITE:http://www.culture.gouv.fr/culture/conservation/fr/methodes/radio_04.htm[left]