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La présente invention concerne une méthode de détermination de la densité des objets par la mesure de l'intensité des rayons pénétrants qui les traversent.
Les rayons pénétrants, tels les rayons X et analogues, peuvent servir à examiner des objets en vue de déterminer leur épaisseur ou la den- sité relative de leurs divers constituants. On peut donc mesurer l'épais- seur et la densité d'un objet en l'explorant à l'aide d'un faisceau de rayons pénétrants et en déterminant l'intensité de ce faisceau après son passage à travers l'objet.
La propriété des rayons X de pénétrer les corps ne dépend pas seulement de l'intensité -exprimée ordinairement en roentgens-, mais enpore de la qualité, mesurée en longueurs d'onde. En général, plus l'onde est courte, plus les rayons sont pénétrants.
Le faisceau explorateur, issu d'une source de rayons pénétrants appropriée, traverse l'objet à examiner et frappe ensuite un détenteur sen- sible dont il modifie les caractéristiques électriques en fonction des va- riations rencontrées dans l'objet. Le détecteur est couplé à un circuit de transformation qui commande un dispositif indicateur quelconque en réponse aux modifications des caractéristiques électriques du détecteur. Le dispo- sitif indicateur fournit ainsi les mesures de densité ou d'épaisseur de l'objet examiné.
Lorsqu'on a besoin d'une très grande précision dans la mesure, il est essentiel de régulariser la source de rayons X pour que les varia tions subies par le détecteur ne soient pas dues aux changements d'intensité ou de qualité du faisceau explorateur émis par la source, mais qu'elles représentent bien alors les différences de densité des constituants de l'objet.
La source de rayons X est constituée par un tube qui émet un faisceau dont les caractéristiques sont fonction de la tension appliquée entre la cathode et l'anode. Il a donc fallu jusqu'ici associer au tube à rayons X un circuit régulateur de tension assez coûteux pour obtenir un faisceau d'intensité et de qualité uniformes.
La présente invention a pour objet une méthode précise de mesure de la densité par comparaison entre les réponses de deux détecteurs soumis à un faisceau de rayons X, quelles que soient les fluctuations de ce faisceau à sa sortie de la source.
Conformément à l'invention,l'appareil utilisé pour la mesure comporte une source de rayons pénétrants, comme un tube à rayons X, deux détecteurs sensibles, au sulfure de cadmium ou de mercure ou au séléniure de cadmium, dont les caractéristiques de réponse sont égalisées sur toute l'étendue de leur zone sensible, l'un des détecteurs recevant le faisceau après son passage à travers l'objet à examiner, l'autre après son passage à travers un écran de référence, deux circuits de transformation identiques couplés chacun à un détecteur, enfin un circuit d'utilisation commun comparant les signaux de sortie des deux circuits et constituée par un dispositif indicateur, enregistreur ou autre.
L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description suivante et aux figures qui l'accompagnent, données à titre d'exemple de réalisation non limitatif.
La figure 1 représente sous forme de schéma l'appareil de mesure servant à appliquer la méthode selon l'invention;
Les figures 2 et 3 sont des graphiques montrant les caractéristiques de fonctionnement des détecteurs qui font partie de l'appareil' de la figure 1, et
La figure 4 est une vue détaillée de certains éléments de l'appareil.
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L'appareil de mesure représenté sur la figure 1 comporte un tube à rayons X, 11, qu'alimente une source 12 par l'intermédiaire d'un transformateur 13 ; l'enroulement 14 du transformateur assure l'application du potentiel voulu entre la cathode et l'anode du tube ; 15 exci- te la cathode,qui émet alors des électrons; ces derniers, donnent, en bom- bardant l'anode,naissance aux rayons X.
Les tubes à rayons X sont, par essence, des tubes redresseurs puisque le flus d'électrons ne peut se propager que dans un sens; de la cathode à l'anode. Or, si la source 12 alimente le tube 11 en tension alternative, ce dernier fonctionne en redresseur demi-alternance, les électrons ne bombardant l'anode que pendant les alternances- positives. Par suite, les rayons X sont produits sous forme d'impulsions correspondant aux alternances de la tension de commande.
L'appareil de mesure comporte aussi deux détecteurs sensibles 16 et 16', placés de façon à recevoir respectivement les faisceaux 17 et 17' émanant du tube 11. Les détecteurs 16 et 16' sont associés respectivement aux circuits de transformation 18 et 18'. Les signaux qui délivrent 18 et 18' sont comparés par l'appareil indicateur 19, ou mesurés séparément par le dispositif 20; un commutateur 20' permet de relier à 20 l'un ou l'autre des deux circuits.
On règle les circuits de transformation 18 et 18' et les détecteurs associés de façon qu'ils délivrent des signaux identiques lorsque le tube 11 est en fonctionnement. Dans ces conditions, la charge 19 demeure inerte. La charge est constituée de préférence par un indicateur dont l'aiguille s'écarte à droite ou à gauche d'une position médiane représentant le zéro, en réponse à la différence d'intensité des signaux délivrés par les deux circuits de transformation; cette différence apparaît lorsqu'on dispose l'objet à examiner 21 sur le trajet des rayons X, entre la source et l'un des détecteurs ; représente l'absorption des rayons X par l'objet qui est exactement proportionnelle à la densité cherchée.
La déviation de l'aiguille de 19 a lieu évidemment dans un sens ou dans l'autre suivant le détecteur masqué par l'objet.
Ainsi qu'il apparait sur la figure 1, l'objet 21 est placé devant le détecteur 16, sur le trajet du faisceau 17, tandis qu'un coin 21' est placé de même devant le détecteur 16', sur le trajet du faisceau 17'.
Le coin 21' sert à l'étalonnage des circuits de transformation et des dé- tecteurs associés pour établir la condition dans laquelle l'indicateur 19 marque zéro. Si l'objet à examiner est une bande que l'on achemine progressivement à travers le faisceau 17 à la position indiquée en 21 sur la figure, on peut régler les circuits 18 et 18', à l'aide du coin 21', afin que l'indicateur 19 marque zéro pour une densité donnée de la bande; ainsi, toute déviation de l'aiguille de 19 marque une variation dans l'épaisseur de la bande dont est fonction la densité. Dans ce cas, l'aiguille dévie dans un sens ou dans l'autre suivant que l'épaisseur de la portion de bande mesurée est grande ou petite par rapport à la valeur pour laquelle on a étalonné l'appareil.
Il importe que les deux circuits de transformation et les détecteurs associés délivrent une réponse rigoureusement identique dans les conditions normales d'irradiation pour que toute changement de condition ultérieur soitune mesure exacte de la densité,ou de la variation de densité de l'objet examiné, suivant l'étalonnage de l'appareil. Il faut donc que les deux détecteurs 16 et 16' possèdent des caractéristiques de réponse identiques.
Toute substance dont une caractéristique mesurable se modifie sous l'influence de certaines radiations constitue un détecteur sensible.
La résistance électrique et/ou la réactance des substances dites semi-conductrices varient suivant l'intensité de la lumière ou des autres radia-
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tions auxquelles elles sont exposées. On peut donc utiliser les semi-con- ducteurs comme détecteurs.
La résistance et la réactance - qu'il s'agisse de réactance d'in- duction ou de capacité - sont des propriétés des conducteurs électriques qui favorisent l'opposition au passage du courant ; l'effet combiné résistance- réactance d'un corps est ordinairement appelé impédance de ce corps.
En l'absence du rayonnement auquel il est sensible, un semi- conducteur peut avoir une impédance telle qu'il constitue un véritable iso- lant. Lorsqu'il est exposé aux radiations voulues, son impédance peut di- minuer proportionnellement à l'intensité de ces radiations. Cette proprié- té est utilisée dans la présente invention. Les détecteurs 16 et 16' sont constitués de préférence par des cristaux de sulfure de cadmium ou de mer- cure,ou de séléniure de cadmium. Ainsi qu'il est expliqué en détails dans le brevet belge n 506.505 du 18 octobre 1951 et son premier perfec- tionnement n 512@190 déposé le 18 juin 1952 par la Compagnie Demanderesse, pour "Dispositif de détection des rayons X", l'intensité des rayons X se mesure avec précision en fonction de l'impédance apparente des substances susmentionnées.
Ces semi-conducteurs se distinguent des autres semi-conducteurs connus, tels le sélénium, par leurs propriétés amplificatrices. Excités par des rayons pénétrants, notamment des rayons X, ils libèrent des certaines de milliers., d'électrons en réponse à un changement unitaire de la charge d'espace, L'élément sensible 16-constitue ainsi un minuscule amplifica- teur, qui, sous l'excitation par les rayons X, délivre un courant électrique non négligeable.
La prorpiété amplificatrice des sulfures de cadmium et de mercure et du séléniure de cadmium est due, semble-.-il, au fait que ces semiconducteurs sont des donneurs d'électrons ;les centres donneurs de chaque cristal s'ionisent sous l'action des rayons X, formant ainsi dans la substance des charges d'espace positives stationnaires. On peut comparer la propriété amplificatrice de ces semi-conducteurs à celle dune triode où la grille est flottante : par suite du passage de* électrons la grille se charge négativement, abaissant ainsi le courant de plaque. Si la grille présente une charge positive, le courant augmente sensiblement. Dans un cristal du type donneur, les électrons de conduction sont pour la plupart localisés dans des pièges, formant ainsi une charge d'espace négative, stationnaire, réduisant le courant.
Sous l'action des radiations, les centres donneurs s'ionisent et adoptent ainsi des charges positives qui agissent, semble-t-il, comme celles de la grille d'une triode. Une lacune ainsi établie dans le cristal y commande le passage de plus de dix mille électrons.
Ainsi l'énergie délivrée sous forme de courant par le cristal est-elle un grand multiple de l'énergie appliquée au cristal par le rayonnement d'exci- tation.
Les cristaux du semi-conducteur choisi, traités en phase vapeur, prennent la forme de prismes hexagonaux. Ils sont connectés à chaque extrémité aux conducteurs voulus par l'intermédiaire d'un revêtement conducteur. La méthode de mesure selon l'invention utilise ce genre de cristaux pour comparer l'intensité des rayons X qui atteignent l'un des détecteurs après avoir traversé l'objet à examiner, avec l'intensité des rayons X qui frappent directement l'autre détecteur.
On mesure de façon permanente l'impédance apparente des deux détecteurs en leur appliquant une tension uniforme, en déterminant le courant, qui, de ce fait, y circule, et en commande la transmission et l'application sur la charge 19 des impulsions issues des circuits 18 et 18', et dont l'intensité correspond à l'impédance ainsi mesurée. La charge 19 fonctionne donc en réponse à la différence entre l'impédance des deux détecteurs, cette différence représentant la densité de l'objet, pourvu que l'appareil soit convenablement étalonné, comme il est expliqué en détails ci-après.
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La figure 2 représente les courbes caractéristiques de réponse des détecteurs en fonction de la longueur d'onde des radiations excitatrices. Il est certain que chaque cristal peut avoir ses propres caractéristiques de réponse.,différant de celles d'autres cristaux de même substance.
Toutefois, ce n'est pas à proprement parler la forme de la courbe qui varie, mais plutôt le degré de réponse à tel ou tel niveau d'intensité ou de qualité du rayonnement excitateur. Comme le montre la figure 2, le cristal 16',représenté par la courbe 116', devient sensible à une longueur d'onde Ra, assez inférieure à la longueur d'onde Rb à laquelle le cristal 16, re- présenté par la courbe 116, commence à répondre. Par ailleurs, la réponse du détecteur 16', se stabilise à une valeur beaucoup plus basse que celle du détecteur 16.
Si on utilise, pour faire les mesures, des détecteurs dont les réponses sont identiques, l'indicateur 19 donne toujours la densité exacte de l'objet examiné, quelle que soit la longueur d'onde des rayons issus du tube 11 - pourvu, naturellement, qu'elle soit comprise dans la bande sensible. Mais si on utilise des détecteurs tels que 16 et 16', la charge 19 ne donne la différence exacte entre leurs réponses que lorsque les rayons excitateurs 17 et 17' ont une longueur d'onde Rc- valeur à laquelle se cou- pent les courbes 116 et 116',
Il est impossible, en pratique, d'obtenir deux cristaux d'une identité absolue, les frais qu'entraineraient le triage et la vérification des cristaux étant beaucoup trop élevés.
Cependant on peut régler la sensibilité d'un cristal simplement en faisant varier l'intensité de la tension qu'on lui applique en vue de mesurer son impédance. En pratiquant de la sorte, on peut obtenir une série de courbes de réponse, telle celle représentée en pointillé sur la figure 2, montrant les variations de sensibilité du détecteur 16 sous l'application de tensions différentes.
On remarque qu'une des courbes en pointillé, la courbe 116a., présente une pente et une valeur de stabilisation correspondant à celles de la courbe 116'. Ainsi, par un simple réglage de la tension, la réponse du détecteur 16 peut égaler celle du détecteur 16', dans la mesure indiquée par les courbes 116a et 116'. On peut ainsi régler la réponse d'un détecteur par rapport à celle de l'autre, ou modifier les deux réponses à la fois.
Ainsi qu'il apparait sur la figure 2, les courbes 116a et 116' diffèrent encore en ce qui concerne la valeur de la longueur d'onde à laquelle se fait la réponse. Il faut donc que l'appareil de mesure tienne compte de la distance qui sépare les deux courbes pour qu'elle ne s'ajoute pas à la différence des impédance des impédances marquant la densité de l'objet, et qu'une indication exacte apparaisse sur les dispositifs 19 ou 20.
Le décompte ou la compensation de la différence entre les deux courbes s'effectue aisément par l'emploi d'un coin 21'; que l'on dispose sur le trajet d'un des faisceaux de rayons X, le faisceau 17', sur la figure 1.
En maintenant le coin 21' dans la direction transversale au faisceau 17', on peut régler sa position de façon à ce qu'il présente au passage des rayons une épaisseur plus ou moins grande et fasse varier ainsi l'intensité des radiations qui atteignent le détecteur 16'. Si l'on augmente progressivement l'épaisseur d'écran que doit traverser le faisceau, on décale vers les ondes courtes la courbe de réponse 116'; la réponse du détecteur 16' est fonction de l'épaisseur du coin 21' en ce sens que plus l'épaisseur est grande, plus courte est la longueur d'onde des rayons émis par 11 assurant la réponse voulue; la longueur d'onde en effet est une mesure de pénétration du rayonnement.
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Comme il apparaît sur la figure 3, on obtient une série de cour- bes en mesurant la réponse du détecteur 16', aux rayons de longueurs d'onde diverses émis par le tube 11 et compris dans la bande sensible du cristal, tout en interposant entre ce dernier et la source 11 des coins de différen- tes épaisseurs. Une telle série renferme une courbe 116'a, qui coïncide exactement avec la courbe 116a. On peut donc étalonner les détecteurs 16 et 16' pour que l'indicateur 19 ne marque qu'une déviation à peine percep- tible si l'intensité des rayons X varie de zéro à un maximum.
Pour déterminer de façon permanente l'impédance des détecteurs et commander la charge 19, on peut se servir de tout moyen approprié et notamment des circuits de transformation 18 et 18'; ces circuits comportent des éléments identiques, désignés sur la figure 4 par les mêmes numéros de référence, ceux du circuit 18' portant un '. Dans la description qui va suivre, on ne fera mention des constituants du circuit 18' que s'ils jouent un rôle différent des constituants équivalents du circuit 18.
Ainsi qu'il apparait sur la figure 4, le circuit 18 comporte deux tubes amplificateurs 29 et 30, associés en cascade et fonctionnant en réponse à tout changement prédéterminé de l'impédance du détecteur 16, en vue de commander la charge 19.
Le circuit est alimenté par les conducteurs 31 et 32, le conduc- teur 31 étant porté à un potentiel positif relativement élevé, de l'ordre de 250 volts, le conducteur 32 à un potentiel négatif de 150 volts. Pour faciliter la construction, du. circuit, on prévoit encore un conducteur de retour 33, mis à la masse.
Les tubes amplificateurs 29 et 30 renferment chacun une anode, une cathode, une grille de commande 34, une grille-écran 35 et une grillesuppresseuse 36. La cathode est connectée à la grille d'arrêt, et à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 27 et d'un condensateur 28 montés en parallèle. La grille-écran est reliée d'une part au conducteur 31 par l'intermédiaire d'une résistance de commande de la tension 37, et d'autre part à la masse, par l'intermédiaire d'une diode à gaz 38, qui détermine les tensions de fonctionnement à lui appliquer.
L'anode du tube 29 est connectée au conducteur d'alimentation 31 par l'intermédiaire du primaire d'un transformateur de couplage 39, afin d'appliquer l'énergie de sortie du tube 29 à la grille de commande 34 de l'amplificateur 30. Un coté du détecteur 16 est mis à la masse par l'intermédiaire du condensateur 41, et relié au conducteur 31 par la résistance 40, de préférence ajustable. L'autre côté est connecté à la grille de commande de l'amplificateur 29, par l'intermédiaire de deux condensateurs 42 et 43, de cette façon, le tube 29 fonctionne uniquement en réponse à la compostante alternative du courant mesurant l'impédance, que délivre le détecteur 16.
On peut donc mesurer continuellement l'impédance du détecteur en fonction de l'énergie électrique délivrée à la grille de commande du tube amplificateur 30 par l'intermédiaire du transformateur de couplage 39.
On remarquera que le courant mesurant l'impédance des détecteurs peut renfermer à la fois une composante alternative et une composante continue que communiquent les tensions appliquées aux détecteurs par le conducteur 31; la composante alternative correspond aux variations d'énergie du faisceau de rayons X, produit par un tube qu'alimente une tension alternative. Si la source 11 donne naissance à des rayons d'intensité uniforme, le courant mesurant l'impédance des détecteurs ne renferme évidemment aucune composante alternative et il faut prévoir d'autres dispositifs de transmission que les condensateurs 42, 43, pour appliquer à la grille de commande de l'amplificateur 29 l'énergie qui mesure l'impédance.
Ainsi qu'il est expliqué dans le premier perfectionnement au brevet belge n 506.505, cité plus haut, on peut mesurer rapidement la réponse d'un détecteur en utilisant seulement la composante alternative du
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courant qu'il délivre, la réponse due à la composante continue étant beaucoup plus lente. Il est donc préférable, si l'on désire une réponse instantanée, d'alimenter le tube à rayons X en tension alternative et de n'employer que la composante alternative du courant engendré par les détecteurs pour commander les circuits de transformation 18 et 18' .
Lorsqu'on désire effectuer une plus lente inspection des objets, on peut se servir de la composante continue, soit seule, soit associée à la composante alternative; pour ce faire, on remplace les condensateurs 42 et 43 par un filtre approprié.
Les résistances 44, 45 et 46 servent à relier le circuit détecteur à la masse; la première est associée à un interrupteur à jack 47, normalement fermé; elle est constituée de préférence par un potentiomètre dont l'élément réglable est relié au. condensateur 42. La résistance 45 est connectée d'une part entre les condensateurs 42 et 43, d'autre part, au conducteur 33. La résistance 46 est reliée d'un côté entre le condensateur 43 et la grille de commande du tube 29, et de l'autre côté à la masse.
L'énergie de sortie de l'amplificateur 29 est appliquée à la grille de commande du tube 30 à l'aide d'un dispositif approprié, par exemple du transformateur de couplage 39 dont le secondaire est mis à la masse à l'une de ses extrémités tandis que l'autre extrémité est reliée à la grille de commande de 30, par l'intermédiaire de la résistance 49; un condensateur 50 est disposé entre la masse et l'extrémité de la résistance 49 éloignée de la grille 34. Cette dernière est aussi reliée à la masse par l'intermédiaire d'un tube de commande 51,dont la cathode est connectéeà 34 et l'anode à la masse.
L'énergie de sortie du tube amplificateur 30 est appliquée aux indicateurs 19 et 20 par l'intermédiaire d'un tube à couplage cathodique 52 et de relais électroniques. L'anode et la grille de commande de 30 sont reliées ensemble par l'intermédiaire du condensateur 53; l'anode de 30 et la grille de commande de 52 sont réunies au moyen du condensateur 54 et du circuit de commande de la forme d'onde 55.
Le circuit 55 comprend une diode conductrice 56 et une résistance 57, montées en parallèle entre la grille du tube 52 et le point de jonction 59. La cathode de 56 est reliée au point 58, réuni lui-même au conducteur de masse 55 par la résistancé 60. Le circuit 55 sert à maintenir la forme exacte de l'onde non-symétrique transmise par les amplificateurs au tube 52.
Le tube à couplage cathodique 52 du circuit 18 et le tube analogue 52' du circuit 18' peuvent être connectés ensemble au dispositif indicateur 19,par l'intermédiaire d'un circuit différentiel, ou connectés séparément au dispositif indicateur 20. Pour ce faire, on prévoit deux triodes 61 et 63 qui commandent l'indicateur 19 et deux triodes semblables 61' et 62' qui commande l'indicateur 20. Les cathodes de 61 et 62 sont reliées ensemble au moyen du potentiomètre 63 dont le curseur est réuni, par la ré- sistance 64, au conducteur 32; ce dernier est joint à la cathode du tube 52 par l'intermédiaire de la résistance 65.
Le dispositif indicateur 19, en série avec la résistance réglable 66, est connecté entre les cathodes des tubes 61 et 62; dans le circuit 18', le dispositif 20 occupe une position identique. Mais les grilles de commande des tubes 61 et 62 sont reliées par le condensateur 67, tandis que les grilles des robes 61' et 62' sont isolées l'une de l'autre. La grille de 62 est mise à la masse par l'intermédiaire du condensateur 68 et de la résistance 69. Ainsi qu'il apparaît sur la figure, la grille de 62' est reliée directement à la masse par la résistance 69', tandis que la grille de 62 est réunies à la masse par la résistance 69 et par un dispositif de commutation 70, décrit ci-après.
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La cathode du tube 52 est réunie par le condensateur 71 au point de jonction 72, ce dernier étant connecté à la masse au moyen de la diode 73. Le point 72 est aussi relié directement à la grille de commande de 61 par la résistance 74, tandis que le point correspondant 72' est relié à la grille de 61' par la résistance 74' et le dispositif de commutation
70. Par ailleurs,la grille de 61 est réunie à la masse par le condensa- teur 75.
Le dispositif de commutation 70 est constitué par un sélecteur bipolaire dont les lames mobiles 76, 76' sont reliées à la masse par l'in- termédiaire, respectivement, des résistances 77 et 77'; cette dernière est représentée par un potentiomètre dont le curseur est réuni à l'extrémité de la résistance 74', éloignée de la grille 61'. Le dispositif 70 comporte aussi deux contacts fixes 78 et 79 que l'on peut connecter alternativement et à volonté au contact mobile 76, et deux autres contacts fixes 78' et 79', que l'on peut connecter alternativement et à volonté au contact mobile 76',- 78 et 78' sont reliés respectivement à 79' et 79-78 et 79' sont réunis au point de jonction 72, 78' et 79, au point 72' et à la grille du tube 62 par l'intermédiaire de la résistance 69.
Lorsqu'on connecte les contacts mobiles 76, 76' aux contacts fixes 78, 78', le point 72 est mis à la masse par l'intermédiaire de la résistance 77, mais la grille de 61' se trouve, par l'intermédiaire du poten- tiomètre 77', du condensateur 71' et du point de jonction 72', reliée au tube 52'. Le circuit commande alors le dispositif 20 en réponse au courant délivré par le détecteur 16'. L'indicateur 19, toutefois, montre la différence entre les réponses des détecteurs 16 et 16'.
Lorsqu'on connecte les contacts mobiles 76, 76' aux contacts fixes 79, 79', le point 72' est mis à la masse par l'intermédiaire de la résistance 77, tandis que le point 72 est mis à la masse par l'intermédiaire du potentiomètre 77'; il est ainsi relié à la grille de 61' et réunit cette dernière au tube 62. Le dispositif20 indique alors la réponse du détecteur 16. Le dispositif 19 indique toujours la différence entre les réponses des deux détecteurs.