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.

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 (Figure 1).

Figure 1. Dispositif expérimental de production des rayons X.

Une cathode (-), constituée d'un filament métallique chauffé par le passage d'un courant de quelques milliampères, fournit des électrons mobiles facilement accélérés par une forte différence de potentiel (de quelques kilovolts à environ 450 kilovolts pour les générateurs les plus courants).

Ce pinceau d'électrons heurte l'anode (+), en produisant principalement de la chaleur (99 %), mais aussi des rayons X selon deux phénomènes associés :

Figure 2. Spectre d'un tube à rayons X.

• 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.

Figure 3. Variation de la longueur d'onde des rayons X en fonction de la tension du tube.

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.

Figure 4. Variation du rayonnement en fonction de l'intensité appliquée à la cathode,
pour une tension constante.

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.