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TRD d’optique- MI Rayons X

08/02/2009 1/21 Hamdaoui Karim

HEIG-VD

Travail de recherche documentaire – MI

Rayons X

Réalisé par : Hamdaoui Karim-Ahmed

Optique

13.01.2009



Sommaire

1 Introduction __________________________________________________________________ 4

2 Histoire des rayons X ___________________________________________________________ 4

3 Rappel sur les ondes magnétiques ________________________________________________ 4

4 Les rayons X __________________________________________________________________ 6

5 Production des rayons X ________________________________________________________ 6

6 Diffraction des rayons X ________________________________________________________ 7

6.1 Méthodes de mesures ______________________________________________________ 7

6.1.1 Principes de base de la mesure - Méthode des poudres _______________________ 7

6.1.2 Diffractomètre Bragg-Brentano __________________________________________ 7

6.1.3 Chambre Debye-Scherrer _______________________________________________ 9

6.2 Principes physiques de la diffraction __________________________________________ 10

6.2.1 Diffusion des rayons X _________________________________________________ 10

6.2.2 Interférences des rayons X _____________________________________________ 11

6.2.3 Loi de Bragg _________________________________________________________ 12

6.2.4 Repérage des pics : 2θ ou d ? ___________________________________________ 15

6.2.5 Cristallites diffractant _________________________________________________ 15

7 Domaines d’utilisation des rayons X ______________________________________________ 17

7.1 Absorption des rayons X par différents matériaux _______________________________ 17

7.1.1 But de l’expérience ___________________________________________________ 17

7.1.2 Rappels théoriques ___________________________________________________ 17

7.1.3 Description de l’expérience _____________________________________________ 17

7.1.4 Résultats ___________________________________________________________ 18

7.1.5 Discussion __________________________________________________________ 18

7.2 Radiographie ____________________________________________________________ 18

7.2.1 But de l’expérience ___________________________________________________ 18

7.2.2 Rappels théoriques ___________________________________________________ 18

7.2.3 Description de l’expérience _____________________________________________ 19

7.2.4 Résultats ___________________________________________________________ 19

7.2.5 Discussion __________________________________________________________ 20

8 Conclusion __________________________________________________________________ 21

9 Références __________________________________________________________________ 21



Tables des figures

Figure 1 : Le rayonnement électromagnétique et le spectre des couleurs .............................................................. 5

Figure 2 : Schéma d’un tube à rayons X. HT: haute tension d’accélération. RX : rayons X émis par l’anode .......... 6

Figure 3 : Diffractométrie X : mesure de l'intensité en fonction de l'angle 2θ de déviation.................................... 7

Figure 4 : Définition des angles dans le montage de Bragg-Brentano .................................................................... 8

Figure 5 : Montage θ-θ et θ-2θ ............................................................................................................................... 8

Figure 6 : Goniomètre de la marque Bruker-AXS, type D8 ...................................................................................... 9

Figure 7 : Chambre de Debye-Scherrer .................................................................................................................... 9

Figure 8 : Cliché de Debye-Scherrer - rapport avec une courbe I = f(2θ) ............................................................... 10

Figure 9 : Diffusion élastique : les photons X rebondissent en gardant la même énergie ..................................... 10

Figure 10 : Diffusion élastique : modèle du dipôle vibrant .................................................................................... 11

Figure 11 : interférence des ondes diffuées - phénomène de diffraction .............................................................. 11

Figure 12 : Loi de Bragg donnant les directions où les interférences sont constructrices ..................................... 12

Figure 13 : Cônes de diffraction et anneaux de Debye dans une chambre de Debye-Scherrer ............................. 12

Figure 14 : Cônes de diffraction et signal détecté dans un diffractomètre de Bragg-Brentano ............................ 13

Figure 15 : Indexation des pics : association d'un pic de diffraction et d'un plan (hkl) ......................................... 13

Figure 16 : Divergence du faisceau : faisceau à section rectangulaire .................................................................. 14

Figure 17 : Divergence du faisceau : tous les cônes de diffraction passent par un même point, en l'occurence le

détecteur ............................................................................................................................................................... 14

Figure 18 : Cercles de focalisation de Rowland : le cercle est différent pour chaque déviation 2θ ....................... 15

Figure 19 : Cristallites diffractant dans le cas d'une incidence fixe (chambre de Debye-Scherrer) - les plans (hkl)

en condition de Bragg sont surlignés par des traits noirs ..................................................................................... 16

Figure 20 : Cristallites diffractant dans le cas d'une incidence et d'une détection symétriques (diffractomètre de

Bragg-Brentano) - les plans (hkl) en condition de Bragg sont surlignés par des traits noirs................................. 16

Figure 21 : Souris ................................................................................................................................................... 19

Figure 22 : Stylos ................................................................................................................................................... 19

Figure 23 : Souris informatique ............................................................................................................................. 20



1 Introduction

Dans le cadre de ce travail de recherche documentaire, on va faire des recherche sur les rayons X, leur production, les phénomènes physiques qui y sont liés et leurs applications. Dans un premier abord, on va faire un petit aperçu historique sur les rayons X. Ensuite, on va expliquer comment se produisent ces rayons. Dans la grande partie de cette recherche, on se concentrera principalement sur la diffraction des rayons X. Enfin, on va mettre le point sur des domaines se basant surl’application des rayon X.

2 Histoire des rayons X

Dans la fin du 19eme siècle, Wilhelm Röntgen reproduit, comme beaucoup de confrères, L’expérience des rayons cathodiques. Et ce, a de nombreuses reprises en changeant ses Paramètres expérimentaux. Le 8 novembre 1895, il arrive à rendre luminescent un écran de Platino-Cyanure de Baryum. Il décide de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son Tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est le même. M. Röntgen place ensuite différentes matières devant l’écran fluorescent, et en déduit que Le rayonnement traverse la matière d'autant plus aisément que celle-ci est peu dense et peu Épaisse. Ne sachant quel nom donner à ce rayonnement, il les baptise « Rayons X ». La première radiographie est celle de la main d'Anna Bertha Röntgen le 22 décembre 1895 (Le cliche est sur la page de garde). Notons que la pose était de 20 min. Le 28 décembre 1895, M. Röntgen publie sa découverte. C'est celle-ci qui lui vaudra le Premier prix Nobel de physique en 1901. Après cette découverte, la radiographie s’est vite développée pour la médecine. Mais Pendant longtemps, les doses étaient trop fortes. Une des premières victimes des rayons X Est Henri Simon. Charge de prendre les radiographies, âpres seulement deux ans de Pratique, on lui amputa la main (qui était constamment en contact avec l'écran fluorescent), Mais ensuite, un cancer généralise se déclara. Cent ans âpres leur découverte, on utilise encore des rayons X en radiographie, mais la Durée de pose a nettement diminue et les doses aussi. De nos jours, l’emploi des rayons X N’est plus limite à la médecine. Par exemple, ils sont utilises par services de sécurité afin de Dévoiler le contenu de mallette, bagage et autres.

3 Rappel sur les ondes magnétiques

Les rayons X sont, comme la lumière, une forme de rayonnement électromagnétique. Ils se Déplacent dans le vide à la vitesse de la lumière c. Un rayonnement (ou une onde) électromagnétique consiste en la propagation d’un champ électrique E et d’un champ Magnétique B perpendiculaires. Ces champs oscillent en phase et sont eux-mêmes perpendiculaires à la direction de propagation. Une onde électromagnétique sinusoïdale est Caractérisée par sa fréquence de vibration n (ou par sa période T = 1/n) et par son amplitude. La longueur d’onde � est la distance que parcourt l’onde pendant une période, soit

� � � � � ��

�



En général, un rayonnement électromagnétique est constitué par la superposition de rayonnements de fréquences différentes. On appelle spectre du rayonnement, la distribution de l’intensité du rayonnement en fonction de la fréquence, de la longueur d’onde ou de l’énergie. Certaines interactions du rayonnement électromagnétique avec la matière, comme l’effet photoélectrique, ne sont pas explicables dans le cadre du modèle ondulatoire, mais peuvent s’interpréter si l’on considère le rayonnement comme un flux discontinu de paquets d’énergie (ou quanta d’énergie) appelés photons. Chaque photon transporte, à la vitesse de la lumière, un quantum d’énergie E bien déterminée, liée à la fréquence n du rayonnement par la relation de Planck-Einstein:

� � � � est la constante de Planck:

� 6,626 � 10 � 34 �J � s� Les rayonnements électromagnétiques se présentent donc sous les deux aspects complémentaires : ondulatoire et corpusculaire. L’aspect corpusculaire devient marqué lorsque la longueur d’onde du rayonnement est plus petite que la dimension des objets avec lequel celui-ci interagit. La figure ci-dessous donne la classification usuelle des ondes électromagnétiques dans l’ordre croissant des fréquences (donc dans l’ordre croissant des énergies des photons associés). On remarquera que l’énergie d’un photon X est de l’ordre de grandeur de l’énergie de liaison des électrons des couches internes des atomes, c’est-à-dire de l’ordre du keV (un eV correspond à 1,6 10-19 J).

Figure 1 : Le rayonnement électromagnétique et le spectre des couleurs



4 Les rayons X

Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie de ces photons va de quelques eV (électron-volt), à plusieurs dizaines de MeV. Les principales propriétés des rayons X sont les suivantes :

� Ils pénètrent facilement la matière peu dense et difficilement (car ils se font absorber) la matière dense (ceci est la base de la radiographie). L’absorption est en fonction de la masse atomique des atomes absorbants.

� Ils sont absorbés par l’air.

� Leur longueur d’onde étant de l’ordre de celui des distances interatomiques dans les

cristaux, ils peuvent diffracter sur ces matières (cristallographie).

� L'énergie des photons est grande, ils provoquent des ionisations des atomes, ce sont des rayonnements dits « ionisants ». Cela donne des phénomènes de fluorescence X, mais cela modifie aussi les cellules vivantes (dangereux pour l’Homme).

5 Production des rayons X

On peut produire les rayons à l’aide de tube à rayons X. Le principe de fonctionnement d’un tube a rayons X est le suivant : On applique une haute tension, de quelque 10 aines a quelque 100 aines de kilovolt, entre deux électrodes (anode et cathode), le tout dans une enceinte sous vide. Il se produit donc un courant électrique entre les deux électrodes qui va de la cathode (filament) vers l’anode. Les électrons sont freines par les atomes de l’anode, ce qui provoque un rayonnement continu de freinage ou Bremsstrahlung, dont une partie du spectre est dans le domaine des rayons X. Ces rayons X excitent les atomes de la cible, et ceux-ci réemettent un rayonnement X par le phénomène de fluorescence X. Le spectre sortant est donc la superposition du rayonnement de freinage et de la fluorescence X de la cible (anode). Les tubes de rayons X ont un rendement mauvais, la majeure partie de la puissance électrique (99 %) est dissipée sous forme de chaleur.

Figure 2 : Schéma d’un tube à rayons X. HT: haute tension d’accélération. RX : rayons X émis par l’anode



6 Diffraction des rayons X

6.1 Méthodes de mesures

6.1.1 Principes de base de la mesure - Méthode des poudres

La méthode générale consiste à bombarder l'échantillon avec des rayons X, et à regarder l'intensité de rayons X qui est diffusée selon l'orientation dans l'espace. Les rayons X diffusés interfèrent entre eux, l'intensité présente donc des maxima dans certaines directions ; on parle de phénomène de «diffraction». On enregistre l'intensité détectée en fonction de l'angle de déviation 2θ du faisceau ; la courbe obtenue s'appelle le «diffractogramme».

Figure 3 : Diffractométrie X : mesure de l'intensité en fonction de l'angle 2θ de déviation

L'échantillon est une poudre homogène isotrope, ou bien un solide composé de minuscules cristaux soudés entre eux ; on parle de fait de «méthode des poudres».

La source de rayons X est un tube sous vide, ou «tube de Coolidge», muni d'un dispositif permettant de ne sélectionner qu'une seule longueur d'onde (filtre, monochromateur) ; on travaille en monochromatique.

Plusieurs montages différents permettent la mesure.

6.1.2 Diffractomètre Bragg-Brentano

C'est le montage le plus courant. L'échantillon se présente comme une plaquette ; cela peut être effectivement une plaquette solide, ou bien une coupelle remplie de poudre avec un niveau bien plan.

Dans la configuration dite «θ-θ», l'échantillon est horizontal et immobile, le tube et le détecteur de rayons X bougent symétriquement. Si 2θ est la déviation du faisceau, l'angle entre l'horizontale et le tube vaut donc θ de même que l'angle entre l'horizontale et le détecteur, d'où le nom du montage.



Figure 4 : Définition des angles dans le montage de Bragg-Brentano

Comme le tube à rayons X est la partie la plus lourde, on préfère souvent garder le tube fixe et faire bouger l'échantillon et le détecteur. On a alors le montage dit «θ-2θ» ("thêta-deux-thêta"), puisque la plan de l'échantillon fait un angle θ avec le faisceau incident, et le détecteur fait un angle 2θ avec le même faisceau.

Figure 5 : Montage θ-θ et θ-2θ

Le montage de Bragg-Brentano présente l'avantage de récolter le plus d'intensité ; en effet, le faisceau sort divergent du tube, et du fait de la géométrie, il reconverge sur le détecteur. En fait, la convergence n'est pas parfaite (il faudrait un échantillon courbe et non pas plan), on parle donc de focalisation approchée (parafocussing).

Il y a au moins deux moteurs, un pour positionner le détecteur, et un pour le porte-échantillon (θ-2θ) ou pour le tube à rayons X (θ-θ). Ce dispositif s'appelle un «goniomètre», puisqu'il sert à régler les angles d'incidence et de diffraction.



Figure 6 : Goniomètre de la marque Bruker-AXS, type D8

Le tout est bien entendu enfermé dans un bâti blindé afin de confiner les rayons X (une exposition prolongée aux rayons X peut provoquer des cancers).

6.1.3 Chambre Debye-Scherrer

Cette chambre est la plus simple dans le principe. L'échantillon se présente sous forme d'un tube de verre, ou «capillaire», rempli de poudre. Il est éclairé par une source fixe de rayons X. Il est au centre d'un cercle qui est un support pour un film photographique.

Les rayons X diffractés forment des cônes, donc en impressionnant le film, cela donne des cercles, ou «anneaux de Debye». On peut ensuite obtenir un tracé comme celui de la figure en traçant le niveau de noir en fonction de l'angle de déviation.

Figure 7 : Chambre de Debye-Scherrer

Pour la chambre Debye-Scherrer, le faisceau incident est un fin cylindre ; afin de ne pas surcharger la figure, nous n'avons donc pas représenté le tube à rayons X mais le collimateur qui met en forme le faisceau. Ainsi, l'inscription "tube à rayons X" signifie qu'il y a un tube



(non représenté) à gauche du dispositif, alors que sur les schémas de diffractomètres Bragg-Brentano, l'inscription désigne le dessin tube (un rectangle ouvert).

Notons que l'on peut maintenant remplacer le film photographique par une détecteur en mouvement, on obtient alors un signal de même nature que pour le diffractomètre Bragg-Brentano. En fait, le diffractogramme peut être vu comme une "coupe" du film photographique.

Figure 8 : Cliché de Debye-Scherrer - rapport avec une courbe I = f(2θ)

6.2 Principes physiques de la diffraction

6.2.1 Diffusion des rayons X

Les rayons X sont une onde électromagnétique. Les rayons X interagissent avec le nuage électronique des atomes. Parmi les interactions possibles, il y a la «diffusion élastique», ou «diffusion Rayleigh».

Dans la diffusion élastique, les rayons X rebondissent simplement sur le nuage électronique, ils sont diffusés dans toutes les directions de l'espace, en gardant la même énergie, la même longueur d'onde.

Figure 9 : Diffusion élastique : les photons X rebondissent en gardant la même énergie



On peut décrire ceci de la manière suivante : les ondes électromagnétiques mettent en mouvement le nuage électronique par rapport au noyau de l'atome. Ceci crée un dipôle vibrant, qui rayonne lui-même des ondes de même fréquence à la manière d'une antenne.

Figure 10 : Diffusion élastique : modèle du dipôle vibrant

6.2.2 Interférences des rayons X

Lorsque les rayons X frappent un morceau de matière, ils sont donc diffusés par chacun des atomes de la cible. Ces rayons X diffusés interfèrent entre eux. Si les atomes sont ordonnés, c.-à-d. placés à des intervalles réguliers (ce qui caractérise les cristaux), alors ces interférences vont être constructrices dans certaines directions (c.-à-d. les ondes s'additionnent), destructrices dans d'autres (c.-à-d. les ondes s'annulent). Ces interférences d'ondes diffusées forment le phénomène de diffraction.

Figure 11 : interférence des ondes diffuées - phénomène de diffraction

Donc, pour certains angles de déviation 2θ du faisceau, on détecte des rayons X (interférences constructrices), ce sont les pics du diffractogramme ; ces angles de déviation sont caractéristiques de l'organisation des atomes dans la maille cristalline. Dans les autres directions, on ne détecte pas de rayon X, c'est la ligne de fond du signal.



6.2.3 Loi de Bragg

Si l'on calcule les directions dans lesquelles on a du signal, on s'aperçoit que l'on obtient une loi très simple : si l'on trace des plans imaginaires parallèles passant par les atomes, et si l'on appelle d la distance entre ces plans (ou «distance interréticulaire»), alors les interférences sont constructrices si

2*d*sin(θ) = n*λ où θ est la moitié de la déviation, n est un nombre entier appelé «ordre de diffraction», et λ est la longueur d'onde des rayons X (souvenez-vous que l'on travaille en monochromatique). C’est la loi de Bragg.

Figure 12 : Loi de Bragg donnant les directions où les interférences sont constructrices

Si le faisceau de rayons X qui éclaire l'échantillon est ponctuel (ou tout du moins est un fin cylindre), il y a alors une symétrie de révolution autour de l'axe du faisceau. Les rayons diffractés forment donc des cônes dont l'axe est le faisceau incident. Dans le cas d'une chambre de Debye-Scherrer, les anneaux de Debye qui impressionnent le film sont les traces de ces cônes.

Figure 13 : Cônes de diffraction et anneaux de Debye dans une chambre de Debye-Scherrer

Dans le cas d'un diffractomètre de Bragg-Brentano, le détecteur de rayons X enregistre un maximum lorsqu'il se trouve sur un cône. (Sur l'image ci-dessous, les cônes devraient bien sûr



être tronqué sous l'échantillon, car les rayons X sont absorbés par l'échantillon et le porte-échantillon. J'ai volontairement négligé ce point pour des raisons de clarté).

Figure 14 : Cônes de diffraction et signal détecté dans un diffractomètre de Bragg-Brentano

Par la loi de Bragg, on peut donc associer chaque pic à un plan atomique imaginaire. On sait que ces plans peuvent être désignés par des indices de Miler (hkl). On peut donc de même associer ces indices (hkl) aux pics de diffraction. On parle d'«indexation des pics».

Figure 15 : Indexation des pics : association d'un pic de diffraction et d'un plan (hkl)

Note : forme du faisceau incident

Dans le cas d'une chambre de Debye-Scherrer, le faisceau incident est un fin cylindre, le trait qui sert à le représenter dans ce document est donc pertinent.

Dans le cas d'un diffractomètre de Bragg-Brentano, le faisceau est divergent et a une section rectangulaire (la fenêtre de sortie du tube est un rectangle d'environ 1 cm de large pour 1 mm de haut).



Figure 16 : Divergence du faisceau : faisceau à section rectangulaire

Si l'on regarde le dispositif de profil, on considère par approximation que l'échantillon, le tube et le détecteur se trouvent sur un cercle, appelé «cercle de focalisation de Rowland», donc si le cône d'un des rayons incidents passe par le détecteur, les cônes des autres rayons aussi. On peut donc assimiler tous ces rayons au rayon central, et donc représenter le faisceau entier par un trait unique passant par le centre de l'échantillon.

Figure 17 : Divergence du faisceau : tous les cônes de diffraction passent par un même point, en l'occurence le détecteur

Notons que le cercle de focalisation est le cercle imaginaire passant par l'échantillon, le tube et le détecteur. Il est donc différent pour chaque position angulaire. Ce cercle possède une propriété géométrique : si l'on prend n'importe quel point A de ce cerle, l'angle tube-A-détecteur est toujours le même (et si O est le centre du cercle, il vaut la moitié de l'angle tube-O-détecteur, car les deux secteurs angulaires interceptent le même arc-propriété classique de la géométrie du cercle). Ceci explique pourquoi, en faisant l'approximation que la surface de l'échantillon épouse le cercle de Rowland, si un des points de l'échantillon est en condition de bragg, tous les points le sont puisque les faisceaux ont la même déviation.



Figure 18 : Cercles de focalisation de Rowland : le cercle est différent pour chaque déviation 2θ

L'effet de la largeur du faisceau est étudié plus loin, mais il peut être négligé dans un premier temps. La fenêtre du détecteur est elle aussi rectangulaire.

6.2.4 Repérage des pics : 2θ ou d ?

D'après la loi de Bragg énoncée ci-dessus, on voit qu'il y a une relation unique entre la déviation 2θ et la distance interréticulaire d (si l'on ne considère que le premier ordre de diffraction, n =1). Un pic est présent en 2θ s'il existe, dans le cristal, des plans atomiques parallèles espacés d'une distance d = λ/(2*sinθ).

On peut donc dire que le pic représente une distance d. Ceci présente l'avantage d'être indépendant de la longueur d'onde λ des rayons X utilisés. En effet, si l'on mesure un même échantillon avec deux longueurs d'ondes différentes, les positions en 2θ des pics seront différentes, par contre, les d seront les mêmes.

Pour cette raison, de nombreux utilisateurs affichent les diffractogrammes en (d, I). Par ailleurs, les listes de pics des signatures des produits sont toujours indiquées en (d, I).

6.2.5 Cristallites diffractant

Les rayons X d'un cône de diffraction donné (c.-à-d. pour une déviation 2θ donnée) proviennent de la diffraction de certains cristallites.

Rappelons qu'une poudre ou un échantillon massif polycristallin contiennent des domaines semblables en tous points à un monocristal ; ces domaines de cohérence sont nommés «cristallites» (dans certains domaines de la science des matériaux, on parle de «grains», mais il y a une ambiguïté avec les grains de poudre, un grain de poudre peut être constitué de plusieurs cristallites).

Pour une incidence donnée, seules certaines cristallites contribuent à un cône donné, ce sont les cristallites dont les plans (hkl) correspondant à l'angle de déviation 2θ vérifient les conditions de Bragg.

Donc, chaque cône provient de cristallites orientées de manière différente. Pour que le diffractogramme soit caractéristique des phases en présence et d'aucun autre paramètre, il faut



donc que toutes les orientations cristallines soient représentées, et que les grains sous le faisceau soient suffisamment nombreux pour avoir une analyse statistique.

Figure 19 : Cristallites diffractant dans le cas d'une incidence fixe (chambre de Debye-Scherrer) - les plans (hkl) en condition de Bragg sont surlignés par des traits noirs

Figure 20 : Cristallites diffractant dans le cas d'une incidence et d'une détection symétriques (diffractomètre de Bragg-Brentano) - les plans (hkl) en condition de Bragg sont surlignés par des traits noirs

Notons que les plans (hkl) contribuant au signal sont nécessairement orthogonaux à la bissectrice entre le faisceau incident et le faisceau diffracté (bissectrice que l'on appelle aussi «vecteur de diffraction»). Dans le cas d'un diffractomètre de Bragg-Brentano, les plans diffractants sont donc parallèles à la surface de l'échantillon.



7 Domaines d’utilisation des rayons X

Dans cette partie de la recherche, on va faire référence à un laboratoire de physique qu’on a effectué en deuxième année. On a trouvé des résultats intéressants dans les trois domaines suivants :

� Absorption des rayons X par différents matériaux � Cristallographie � Radiographie

Au lieu de prendre des résultats sur le web, on a préféré citer les résultats qu’on a trouvé tout en les comparant à la théorie.

7.1 Absorption des rayons X par différents matériaux

7.1.1 But de l’expérience

Déterminer le coefficient d’absorption de différents matériaux.

7.1.2 Rappels théoriques

En traversant un quelconque matériau, une partie de l’énergie du faisceau de rayons X est absorbée. Cette diminution est en fonction de la matière et tout naturellement, de l’épaisseur. L’intensité sortante peut être calculée avec la loi de l’absorption : Loi de l’absorption : � � �� · �� Avec : �: �� !" é à #"$� ��%&'!� ��: �� !" é )*#�)!*� � ��%&'!� $: �'*"!!�&) $& +* é)"*& �+� ,: -%�.."�"�� $/*0!%)' "%��+�1�

7.1.3 Description de l’expérience

Tout d'abord, nous allons mesurer l’intensité à vide à l’aide d’un compteur Geiger-Muller, puis l’intensité traversant un matériau. En connaissant l’épaisseur du matériau, nous pourrons en tirer son coefficient d’absorption.

Avec la loi de l’absorption, on peut déterminer µ pour chaque matière : , �23

4

45

��

Toutes mesures seront réalisées quatre fois afin d’utiliser la moyenne qui devrait au mieux refléter la réalité.



7.1.4 Résultats

Si on récapitule, on trouve :

Coefficient d’absorption Masse atomique (selon CRM)

� Carton : µ = 84.9 [m-1] � PVC : µ = 638 [m-1] � ALU : µ = 960 [m-1] 27.0 [gr/mol] � Acier : µ = 1247 [m-1] 55.8 [gr/mol] (celui du fer) � Plomb : µ = 4701 [m-1] 207 [gr/mol] � Cuivre : µ = 9131 [m-1] 63.5 [gr/mol]

7.1.5 Discussion

Pour le PVC, l’ALU et le carton, nous pouvons surement prétendre que le coefficient d’absorption trouve reflète assez bien la réalité, car les points (5 par matière) sont proches de la courbe de régression. Avec l’acier, le plomb et le cuivre, on ne peut s’avancer, car : - Trop peu de points avec l’acier (2). - Peu de points avec le plomb (3), et ces points sont parfois très éloignés de la courbe de régression. - Peu de points avec le cuivre (3). De plus, en regardant la masse atomique (le coefficient d’absorption est en fonction de cette valeur), on remarque que le cuivre n’est pas à sa place. Son coefficient devrait être inferieur a celui du plomb (ou celui du plomb supérieur a celui du cuivre).

Mis a part le fait que le plomb et le cuivre soient inverses, on voit bien la participation de la masse atomique dans le coefficient d’absorption. Par contre, on s’est bien rendu compte que nous aurions du avoir plus d’épaisseur d’échantillons afin de faire de meilleures régressions exponentielles (environ une dizaine par matière).

7.2 Radiographie

7.2.1 But de l’expérience

Etudier le phénomène de pénétration des rayons X a travers différents objets.

7.2.2 Rappels théoriques

La radiographie fonctionne sur le même principe que pour le coefficient d’absorption. Le flux de rayon X qui traverse un objet en ressort plus ou moins attenue en fonction du type de matériaux traverse. Le flux est ensuite projeté soit sur une plaque photographique soit (dans notre cas) sur un écran phosphorescent qui réagit a l’impact du flux. On peut donc le visualiser à l’oeil nu dans une pièce sombre.



7.2.3 Description de l’expérience

Tout d'abord, il faut mettre l’appareil dans un lieu sombre. Puis on introduit l’objet à radiographier dans la machine. En règle ensuite la haute tension a 42kV (position 8) et le courant d’émission à 0.6mA. Il suffit d’attendre un court instant afin que l’image apparaisse à l’écran.

7.2.4 Résultats

Figure 21 : Souris

Figure 22 : Stylos



Figure 23 : Souris informatique

7.2.5 Discussion

Sur la figure 1 on peut bien voir les nuances de couleur, avec des zones clair et des zones sombres. Les zones claires étant les zones qui n’absorbent pas bien les rayons X et les zones noirs celle qui les absorbe bien. Sur la figure 2 on remarque bien la différence d’absorption entre le plastique (très clair) et l’encre (noir). Le plastique absorbe donc moins bien les rayons X que l’encre. Sur la figure 3 on distingue très nettement la plaque électronique avec ses différents composants ainsi que les câbles de la souris qui sont tous sombres. Alors que le boitier est lui plus clair. En remarque donc encore une fois que le plastique du boitier laisse mieux passer les rayons X que les autres matériaux présents comme le cuivre. Cette méthode nous permet de bien mettre en évidence la différence d’absorption entre les matières. On constate donc que le plastique ou la peau absorbent très mal les rayons X. Ce qui donne une couleur claire sur la photo. Alors que l’encre ou le cuivre les absorbe très bien et donne une couleur foncée.



8 Conclusion

Pendant cette recherche, on a mis en évidence les rayons X et leur importance dans de différentes applications, tant en optique qu’en physique ou en médecine ou bien encore en biologie. La Recherche était principalement effectuée sur des sites internet scientifiques et un ancien laboratoire de physique sur les rayons X. La liste des sites et livres consultés est citée ci-dessous. Ce travail était très intéressant et m’a permis de me familiariser avec un phénomène qui m’était encore flou. Je veux aussi remercier le professeur Zago pour son engagement dans ce cours d’optique et son implication dans la préparation des cours et des travaux pratiques.

9 Références

� http://www.wikipedia.fr/

� http://tpe.bgpr.free.fr/gifs/radiog4.gif

� http://deuns.chez.com/sciences/drx/drx.html

� http://epfl.ch

� Table des constantes Physique Premier cycle, Université de Lausanne Faculté des

Sciences 1995

� Les rayons X, Louis Rougeat, Imprimerie des presses universitaires de France 1974

� Laboratoire de physique de deuxième année microtechnique sur les rayons X

YverdonYverdonYverdonYverdon----lesleslesles----bains, le bains, le bains, le bains, le 8 Février8 Février8 Février8 Février 2009200920092009

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