La radiographie - Free

La radiographie
[pic]
[pic]Introduction
En France, le Laboratoire de Recherche des Musées de France, créé en 1931
au Louvre (il s'appelait alors l'Institut Mainini), a patiemment enrichi
ses fonds documentaires, qui recèlent entre autre quelque 9000 dossiers
radiographiques de tableaux, et environ 1600 dossiers radiographiques
d'objets d'art ou d'archéologie.
Ces dossiers, associés aux autres examens et analyses réalisés en
laboratoire, représentent une source inestimable de renseignements sur les
?uvres, leur état, le processus de leur élaboration. La quantité
d'information fournie par ces films est telle que la moindre craquelure de
la couche picturale d'un tableau est perceptible.
En général, la radiographie, effectuée par contact, nécessite une surface
de film égale à la surface entière de l'?uvre, par exemple la radiographie
des Noces de Cana de Véronèse mesure, comme le tableau lui-même, 6,66
mètres sur 9,90 mètres (plus de 65 m2 !).
Le stockage et l'exploitation numérique de ces images, dont certaines sont
absolument gigantesques, est maintenant partiellement réalisé en très haute
définition, en liaison avec une base documentaire, depuis le démarrage du
projet européen Narcisse en 1991.
[pic]
[pic]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 ?uvre
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 ?uvres d'art n'a jamais diminué. De nombreuses
institutions dans le monde étudient les ?uvres 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...
[pic]
[pic]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.
[pic]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).
[pic]
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 :
[pic] 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.
[pic] 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.
[pic] 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.
|[pic]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 matérial