07_Rayon X

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07 – Radiographie (RT)

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07 – Radiographie (RT)

Introduction • La radiographie peut être décrite comme étant un examen qui utilise un faisceau de radiations pénétrantes dirigé vers la pièce à inspecter. • Suivant la nature et la géométrie de la pièce, une portion plus ou moins importante du faisceau est absorbée par cette pièce. • En créant une image de l’intensité de la radiation ayant traversée la pièce, des nuances de gris sont observées. Ces nuances correspondent à l’ombrage produit par les différentes structures (internes et externes) de la pièce inspectée. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Principe de base Source de radiation

Pièce à inspecter Film radiographique Développement du film vu de haut

= faible exposition = forte exposition

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07 – Radiographie (RT)

Principes physiques

Structure de l'atome Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Éléments de l’atome

Proton: particule du noyau atomique qui porte une charge électrique élémentaire positive Neutron: particule du noyau atomique électriquement neutre Électron: particule qui gravite autour du noyau atomique suivant des trajectoires définies (analogue aux planètes autour du soleil). Les électrons portent une charge électrique élémentaire négative.

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07 – Radiographie (RT)

Nomenclature X:

Z

X

A

Z: A:

Symbole identifiant l’élément (ex.: H pour hydrogène, Fe pour fer, …) Numéro atomique. Désigne le nombre de protons dans le noyau de l’atome. Nombre de masse. Somme du nombre de protons et de neutrons dans le noyau d’un atome. protons

2 He

4

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neutrons électrons MEC761 - Martin Viens, prof.

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07 – Radiographie (RT)

Isotopes Différentes espèces d’un même élément (même numéro atomique Z). Se distinguent par le nombre de neutrons dans le noyau. ex: uranium-235 (92U235) et uranium-238 (92U238) 1

H

1

Hydrogène

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1

H

2 1

Deutérium

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H

3

Tritium

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07 – Radiographie (RT)

Principes physiques

Radioactivité Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Radiation et radioactivité Radiation: Transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques (photons) ou de particules. Radiation ionisante: Rayonnement capable de produire des ions (arracher des électrons à un atome) lors de son passage à travers un matériau. Radioactivité: Propriété de certains atomes instables d’émettre des radiations ionisantes en vue de retrouver une stabilité énergétique. Ce processus se fait soit en  réarrangeant spontanément les électrons qui gravitent autour du noyau, soit en  émettant des particules nucléaires (désintégration spontanée). Dans les deux cas, il y a dégagement d’énergie.

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07 – Radiographie (RT)

Couches électroniques [Rn] 7s2 5f 3 6d1

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07 – Radiographie (RT)

Tableau périodique

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07 – Radiographie (RT)

Réarrangement électronique En revenant sur un niveau énergétique plus faible, les électrons émettent des photons. Ce quantum d’énergie émis (photon) est directement associé au saut quantique d’énergie entre les deux niveaux électroniques.

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07 – Radiographie (RT)

Rayonnement de l'hydrogène

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07 – Radiographie (RT)

Désintégration nucléaire Nature des radiations émises

Particule : particule constituée de deux protons et deux neutrons (noyau d'hélium) et ayant une énergie variant de 3 à 7 MeV Particule -: électron rapide produit par la transformation d'un neutron en proton

n0  p     Rayon : rayonnement électromagnétique (photon) de haute énergie (> 0.1 MeV) émis par un isotope métastable qui, très souvent, origine d'une désintégration nucléaire Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Désintégration nucléaire Exemple de désintégration

238 234 4 U  Th   92 90 2 Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

14 14  C  N   6 7

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07 – Radiographie (RT)

Temps de demi-vie Impossible d’afficher l’image.

1000

N t   N 0 2

Activité

800



 t t1 2

t1 2  années 



600 500 400 250 200

125

0 0

1

2

t/t1/2

3

62.5 4

C14

5730

Co60

5.3

Ir192

74 jours

U 235

7.0  108

U 238

4.5  109

5

Suivant l’isotope utilisé, les temps de demi-vie varient de fractions de seconde à plusieurs milliards d'années Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Principes physiques

Source radioactive Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Usage en CND Trois sources de radiations sont principalement utilisées en CND: • Les rayons X (photon) • Les rayons  (photon) • Les rayons n (particule)

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07 – Radiographie (RT)

X et : similarité et différence • Les rayonnements X et  sont tous deux des rayonnements électromagnétiques (photons) • Les rayons X sont générés, à la demande, à l'intérieur d'un tube sous vide. Leur énergie, contrôlée par la tension appliquée sur le générateur, varie de 20 à 500 keV • Les rayons  sont émis naturellement suite à la désintégration de radio-isotopes. Leur énergie, qui dépend de l'isotope utilisé, varie de 0.1 à 2 MeV Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Spectre électromagnétique

E  h f Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Radiation  (Gamma) 60

Co

60

Ni

Radiation 

La très grande majorité des sources de rayons  utilisées en CND sont produites à partir de deux radioisotopes artificiels: Ir-192 Co-60

Usage 95% 4%

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Énergie (MeV) 0.1 – 1.1 1.17 et 1.33 MEC761 - Martin Viens, prof.

Activité (Ci/g) 350 50 Page 21

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07 – Radiographie (RT)

Activation des radio-isotopes • La majorité des radioisotopes (isotopes radioactifs) utilisés en radiographie industrielle sont produits artificiellement. • Pour les activer, des matériaux stables sont soumis à une source de neutrons à l’intérieur d’un réacteur nucléaire.

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07 – Radiographie (RT)

Encapsulation de la source • Suite à leur activation, les radio-isotopes émettent continuellement des radiations. • De façon à limiter les fuites, le matériel irradié est encapsulé et la capsule est attachée à un « pigtail ».

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07 – Radiographie (RT)

Utilisation d'une source

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07 – Radiographie (RT)

Source de rayons X • Contrairement aux rayons , les rayons X sont produits, à la demande par un générateur.

Haut potentiel électrique Electrons +

• Un très haut potentiel électrique (plusieurs centaines de kV) est établi entre deux électrodes (la cathode négative source d’électrons et l’anode positive en tungstène source des rayons X).

-

Générateur de rayons X

• De façon à éviter la formation d’arc électrique entre les deux électrodes, celles-ci sont placées dans un tube à vide.

Échantillon

Dispositif d’enregistrement de l’exposition Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Radiation X Rayon X Électron Noyau de tungstène • Radiation produite par le bombardement d’une cible de tungstène par des électrons de haute énergie. • En passant près des noyaux métalliques de charge positive, les électrons sont déviés en raison de leur charge négative. Cette déflection impose une diminution de l’énergie de l’électron; énergie qui est émise sous la forme d’un rayonnement X. • L'énergie maximale du photon X est donc limitée par l'énergie cinétique initiale de l'électron. Cette énergie cinétique est contrôlée par le potentiel électrique entre les deux électrodes du tube. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Spectre de rayonnement continu Spectre de Bremsstrahlung

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07 – Radiographie (RT)

Raies spectrales superposées Raies spectrales spécifiques à la nature de la cible utilisée

Spectre continu

Émission de photons quantiques

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07 – Radiographie (RT)

Tube à rayons X

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07 – Radiographie (RT)

Radiations

Unités de mesures et radioprotection Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Radioactivité Mesure de l’activité d’une source radioactive i.e. la quantité de photons (rayonnement électromagnétique) ou de particules (rayonnement corpusculaire) émise par unité de temps. Becquerel (Bq): Unité correspondant à la désintégration d’un atome par seconde (Unité SI). Curie (Ci): Unité correspondant à l’activité d’un gramme de radium (désintégration de 37 milliards d’atomes par seconde).

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07 – Radiographie (RT)

Énergie du rayonnement Mesure de l’intensité énergétique des photons émis. Cette énergie est directement proportionnelle à la fréquence du rayonnement.

E  h f

où h est la constante de Planck (6.626  10-34 J·s)

Joule (J): Unité correspondant au travail d’une force de un newton sur une distance de un mètre (Unité SI). Électron-volt (eV): Énergie acquise par un électron qui se déplace sous l’action d’une différence de potentiel de un volt (1.6  10-19 J). Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Dose radioactive absorbée Mesure de la quantité d’énergie de rayonnement ionisant absorbée par gramme de matière irradiée. Gray (Gy): Unité correspondant à l’absorption de un joule d’énergie par kilogramme de matière irradiée (Unité SI). Rad (Rad): Unité correspondant à 10 J d’énergie absorbée par gramme de matière irradiée (1 Rad = 10 mGy). Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Effet sur les tissus biologiques Dose équivalente (DE)

Pour une même dose, divers rayonnements ionisants produisent diverses quantités de lésions biologiques. Par exemple, les particules  et les neutrons rapides sont plus dangereux que le rayonnement X et . DE  Sv   k  dose  Gy 

où k est une constante qui varie en fonction du type de rayonnement. pour X et , k = 1 pour , k = 20

Sievert (Sv): Unité SI. Rem (rem): Abréviation pour « roentgen equivalent man ». (1 rem = 0.01 Sv). Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Mesures de sécurité L’utilisation de sources de radiation en milieu industriel est fortement contrôlée par des organismes fédéraux en raison des risques potentiels pour les opérateurs et le publique en général.

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07 – Radiographie (RT)

Irradiation d’organismes vivants Les rayonnements X et  ont la capacité d’ioniser les matériaux qu’ils traversent. Les organismes vivants sont également sensibles à ces radiations: • Brûlures • Cancer • Etc.

En fait, les rayons ont suffisamment d’énergie pour endommager la structure moléculaire des cellules. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Radioprotection

Les techniciens qui travaillent avec les radiations doivent porter des dispositifs qui détecte et enregistre le niveau des radiations auxquelles ils ont été exposés

Indicateur de radiation

Dosimètre de poche

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Avertisseur de radiation

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Badge de radiation Page 37

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07 – Radiographie (RT)

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

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07 – Radiographie (RT)

Principes physiques

Atténuation du rayonnement Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Interaction avec la matière • Le photon est absorbé par un électron des couches périphériques de l’atome ce qui résulte en son ionisation (éjection de l'électron) • Plus le numéro atomique de l'atome est grand, – plus les électrons périphériques sont éloignés du noyau. Il est donc plus facile de les arracher à l'attraction des protons nucléaires – plus grande est la densité d'électrons dans le nuage électronique entourant le noyau. La probabilité de collision entre un photon et un électron est donc plus grande

Plus le numéro atomique d'un atome est grand, plus grande est l'atténuation du rayonnement X qui le traverse Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Pouvoir pénétrant

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07 – Radiographie (RT)

Pouvoir pénétrant

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07 – Radiographie (RT)

Technique d'exposition

Qualité de l'image radiographique Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Notions de photographie Densité optique: définit l'opacité et la transparence d'un film sur une échelle logarithmique I  D  log10  0   It 

où I0: Intensité de la lumière incidente sur le film It: Intensité de la lumière transmise à travers le film

Dose d'exposition: quantité de rayonnement absorbé par le film en un certain point   I RX  texp

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où IRX: Intensité du rayonnement (W) It: Temps d'exposition (s)

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07 – Radiographie (RT)

Notions de photographie Contraste: différence entre les densités optiques de deux régions adjacentes d'une image. Plus le contraste produit par un défaut sera grand, plus il sera facilement détectable. Netteté: Qualité d'une image caractérisée par des contours bien définis.

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07 – Radiographie (RT)

Contraste et exposition

log    Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Contraste • L'énergie de la radiation affecte son pouvoir pénétrant (plus la radiation est énergétique, plus elle pénètre profondément dans un matériau ou plus elle traverse des matériaux denses) • L'énergie de la radiation et le temps d'exposition doivent être contrôlés de façon à obtenir un bon contraste dans la région d'intérêt Paroi mince

Radiation de faible énergie Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

Radiation de haute énergie

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07 – Radiographie (RT)

Optimisation du contraste Utiliser un rayonnement suffisamment énergétique pour traverser la région d'intérêt sans, pour autant, être excessivement énergétique de façon à dégrader le contraste

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07 – Radiographie (RT)

Agrandissement de l’image Source

ab M  a

Objet

où M désigne l'agrandissement (magnification)

Film

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07 – Radiographie (RT)

Flou géométrique (Netteté des images) Source

Ug 

a

S b a

où Ug: zone de pénombre S: taille de la source Objet

b

Ug

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Film

Ug

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07 – Radiographie (RT)

Autres causes de flou

• • •

Flou dû au mouvement de la source, de l'objet ou du film durant l'exposition Flou dû à la dispersion du rayonnement lors de son passage au travers de l'objet. Ce flou décroît avec l'énergie des radiations. Flou causé par des électrons secondaires générés dans le film luimême (flou inhérent). Ce flou croît avec l'énergie des radiations. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat

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07 – Radiographie (RT)

Orientation du défaut Angle optimal

facile à détecter

difficile à détecter

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. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Orientation du défaut

Film Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Orientation du défaut Effet, sur le contraste de l'image, de l'orientation du défaut par rapport à l'orientation du rayonnement X

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20o Page 54

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07 – Radiographie (RT)

Exemple de fissure

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07 – Radiographie (RT)

Techniques d'imagerie

Film et radiographie numérique Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Film radiographique • Un des plus vieux medium de visualisation et d'enregistrement d'images radiographiques. Encore aujourd'hui, le plus utilisé des medium • L'émulsion (la couche sensible) est constituée d'une suspension d'halogénure d'argent. Deux couches de gélatine durcie protègent l'émulsion de part et d'autre du film • Lorsque exposé aux radiations et développé en chambre noire, les fines particules d'halogénure d'argent tournent au noir. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Cassette de film • Les films doivent être protégés de la lumière visible parce que, tout comme les rayons X et , la lumière visible est une onde électromagnétique et peut exposer le film. • Les films sont donc placés dans une cassette à l'épreuve de la lumière ambiante.

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07 – Radiographie (RT)

Développement du film • De façon à pouvoir visualiser l'image, le film doit être développé suivant un processus similaire à celui utilisé en photographie conventionnel • Le développement se fait manuellement ou à l'aide de système automatisé

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07 – Radiographie (RT)

Radiographie numérique • Ne requiert aucun film. Les images radiographiques sont capturées en utilisant soit des écrans spéciaux au phosphore, soit des panneaux contenant des capteurs microélectroniques. • Ne requiert pas de chambre noire pour développer les films. • Les images capturées peuvent être traitées numériquement (luminosité, contraste) pour mettre certains détails en évidence. • Les images peuvent être facilement emmagasinée sous sa forme numérique.

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07 – Radiographie (RT)

Radiographie numérique (suite) Il existe plusieurs techniques pour obtenir des images radiographiques numériques: Computed Radiography (CR): Post-numérisation d’un film au phosphore réutilisable. Real-time Radiography (RTR): Numérisation en temps réel de l’image produite par un écran au phosphore. Direct Radiographic Imaging (DR): Numérisation instantanée des photons-X incidents grâce à une matrice de capteurs microélectroniques.

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07 – Radiographie (RT)

Post-numérisation (Computed radiography - CR) • •

Un écran au phosphore est utilisé à la place d'un film radiographique conventionnel L'information est ensuite convertie en image numérique grâce à un scanneur approprié

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07 – Radiographie (RT)

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

Rayons X Couche de protection Couche sensible

Substrat

Particules de phosphore

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07 – Radiographie (RT)

Numérisation Après l'exposition:

L'écran est introduit dans un scanneur où la fluorescence du phosphore est numérisée. En parallèle, les particules de phosphore sont désactivées. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Radiographie en temps réel • Terme utilisé pour décrire une technique de capture électronique des radiographies en temps réel. • Grâce à l'instantanéité des images, ces dernières peuvent être visualisées lorsque la pièce est en mouvement. • La manipulation des pièces peut être avantageuse pour diverses raisons: – Il peut être possible d'inspecter complètement une pièce grâce à une seule exposition. – La visualisation de structures internes d'une pièce à partir de différents points de vue peut permettre une meilleure analyse de cette structure. – Les temps d'inspection sont souvent réduits. Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Équipements requis

Tube à rayons-X

Intensificateur d'image

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07 – Radiographie (RT)

Comparaison des images Temps réel

Film

Plus claire aux endroits où les photons X ont excité l'écran fluorescent.

Plus foncée aux endroits où les photons X ont ionisé les molécules d'halogénure d'argent sur le film.

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07 – Radiographie (RT)

Imagerie radiographique directe • Utilise un panneau de photodétecteurs électroniques similaires à ceux retrouvés dans les caméras numériques conventionnelles (CCD). • Ces photo-détecteurs qui sont, en fait, des condensateurs microélectroniques convertissent l'intensité des rayons-X en charges électriques. • Chaque photo-détecteur correspond à un pixel dans l'image numérique.

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07 – Radiographie (RT)

Radiographie numérique Les radiographies numérisées peuvent être: • • • •

Traitées grâce à des logiciels spécialisés Transmises à distances par internet Inclues dans des rapports Emmagasinées pour référence future

Radiographie d'un engrenage

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07 – Radiographie (RT)

Applications

Discontinuités dans les soudures et les joints brasés Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Exemples d'indices Porosités

Inclusions de laitier

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07 – Radiographie (RT)

Exemples d'indices Manque de pénétration

Manque de fusion

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07 – Radiographie (RT)

Exemples d'indices Caniveaux

Fissures

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07 – Radiographie (RT)

Soudage TIG Inclusions de tungstène

Inclusions d'oxyde

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07 – Radiographie (RT)

Applications

Discontinuités dans les pièces coulées Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Exemples d'indices Porosités et soufflures

Fissures

Inclusions de sable

Inclusions non métalliques Département de génie mécanique Programme de baccalauréat Le génie pour l'industrie

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07 – Radiographie (RT)

Exemples d'indices Retassures

Retassures en éponge

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07 – Radiographie (RT)

Autres exemples Trouver les défauts dans ces éprouvettes de traction.

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07 – Radiographie (RT)

Radiographie d'un assemblage

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07 – Radiographie (RT)

Autres exemples

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