La microtomographie par rayons X est une technique d'imagerie non destructive permettant d’identifier la structure interne d’un matériau. Cette section a pour but de rappeler les grands principes de la technique. Pour de plus amples détails, le lecteur peut se référer à [Buffière 14]. Quelques matériaux observés avec la plateforme ISIS4D sont représentés et classés en fonction de leur atténuation aux rayons X :
Familles de matériaux observables en microtomographie RX classés par leur niveau d'atténuation.
Dans son ensemble, la microtomographie est proche d’un scanner médical. Dans le cas de la microtomographie de laboratoire, la source est un tube qui délivre un faisceau conique de rayons X. Elle peut fonctionner à des tensions d’accélération allant jusqu’à 230 kV. La taille du voxel est adaptée en modifiant la position de la plate-forme rotative placée entre la source de rayons X et le détecteur, comme on peut le constater sur la figure ci-dessous.
avec Kpix la taille réelle d’un pixel du détecteur, Z la distance source-objet et ZD la distance source-détecteur.
Grandissement géométrique pour un micro-tomographe de laboratoire à faisceau conique.
La source émet donc des rayons X qui vont se propager dans le matériau avec une certaine atténuation en raison de l’absorption et de la diffusion. La mesure d’atténuation, par la réception des rayons X ayant traversé le matériau et atteint le détecteur, permet d’obtenir du contraste et ainsi de révéler la présence de pores ou de distinguer deux phases différentes par exemple. La loi de Beer-Lambert décrit cette transmission des rayons X dans le matériau :
avec I1 l’intensité du faisceau transmis, I0 celle du faisceau émis et μ, le coefficient d’atténuation linéaire. Ce dernier dépend notamment du numéro atomique de l’élément traversé Z et de la masse volumique ρ. Pour une énergie initiale des photons E inférieure à 200 keV, l’interaction entre les photons X et la matière est dominée par l’effet photo-électrique, ainsi le coefficient d’atténuation peut être obtenu grâce à l’équation :
avec K qui est une constante. Par conséquent, si le matériau contient deux phases de numéros atomiques différents et bien distincts, le profil de I1; le long de la direction y ne sera pas uniforme, un contraste d’absorption est alors observé. Si au contraire, au sein de l’échantillon traversé, les numéros atomiques sont proches comme avec l’aluminium et le silicium, la différence de contraste d’absorption n’est plus suffisante pour obtenir des résultats corrects.
Ensuite, le rayonnement X traversant l’objet est converti dans le domaine du visible à l’aide d’un scintillateur puis numérisé par un capteur. Les images obtenues par absorption sont appelées radiographies. Ces dernières contiennent l’intégralité de l’information volumique projetée sur un plan. L’acquisition d’un scan correspond à l’enregistrement d’une série de radiographies à intervalle angulaire régulier sur 360°. A partir des radiographies enregistrées sous plusieurs angles, Radon démontra qu’il est possible à l’aide d’une transformation inverse de reconstituer la tranche de matériau traversée. Le volume est obtenu par reconstruction numérique en utilisant par exemple un algorithme de rétroprojection filtrée [Kak 02]. La procédure pour un scan tomographique est récapitulée sur la figure ci-dessous :
Etapes d'un scan tomographique RX avec une coupe reconstruite d'un alliage d'aluminium.
[Buffière 14] Buffière, J. Y., & Maire, E. (2014). Imagerie 3D en mécanique des matériaux. Hermès.
[Kak 02] Kak, A. C., Slaney, M., & Wang, G. (2002). Principles of computerized tomographic imaging. Medical Physics, 29(1), 107-107.