33 Figure 2.1: Première radiographie connue sous le nom de Hand mit Ringen (main avec

bagues). 1895

Les premières applications de la tomographie étaient médicales (Ambrose, 1977). Le premier système expérimental employait non pas une source de rayons X mais une source de a o e e t ga a. L’a uisitio des do es du ait alo s jou s et le t aite e t des données nécessitait plus de deux heures (Hounsfield, 1980). L’utilisatio d’u e sou e de a o s X a duit e te ps d’a uisitio à heu es. Le p e ie test li i ue a eu lieu e 1971 à Londres (Beckmann, 2006).

La to og aphie pa a o s X a t e plo e uel ues a es plus ta d pou l’i estigatio d’ ha tillo s o i a ts (Reimers et al., 1984). En 1978, plusieurs expériences ont été o duites à Be li , au Bu desa stalt fü Mate ialfo s hu g BAM , pou l’a al se de pi es mécaniques (carters, tuyau de a teu s, to , … . Ces s a e s fo tio aie t à u e énergie atteignant 120 keV.

Aujou d’hui encore, la tomographie reste surtout appliquée au milieu médical. En sciences des matériaux et dans le milieu industriel, elle est en compétition avec les radiographies, souvent suffisantes pour le contrôle de composants (voir figure 2.2). En effet, une radiographie est rapide à interpréter, ne nécessite pas de traitement de données et est eau oup plus apide à a u i ue la to og aphie d’u o jet. Elles sont donc bien plus i t essa tes e te es de oût et de te ps, ’est pou uoi les tests i dust iels outi ie s aux rayons X sont toujours réalisés via des radiographies. Cependant il peut arriver que la adiog aphie d’u ha tillo e suffise pas à d te te les d fauts les plus fi s d’u échantillon ; il est alors nécessaire de recourir à la tomographie.

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Figu e . : U e si ple adiog aphie d’u o jet peut pe ett e de o t ôle u p o d . a Image MEB d’u ha tillo o te a t des TSVs d fe tueu . Radiog aphie asso i e.

“i ette te h i ue ’ tait pas ou a e t e plo e pou la a a t isatio D, ’ tait e out e dû à sa fai le solutio spatiale. D’ o es p og s o t t alis s es de i es années et il est maintenant possible de faire des analyses 3D à haute résolution. On parlera alors de micro-tomographie par rayons X ou bien même de nano-tomographie par rayons X (Landis & Keane, 2010, Withers, 2007). Certains équipements de laboratoire, appelés micro- scanners, sont capables de fournir une solutio de l’o d e de uel ues i o s (Farber et

al., 2003). Les équipements les plus avancés parviennent même à atteindre une résolution

inférieure à 100 nanomètres (Mayo et al., 2005). Les instruments les plus performants au monde restent cependant les synchrotrons. Ces grands instruments sont capables de fournir des faisceaux beaucoup plus brillants que les sources employées en laboratoire. Il a été démontré que ces dispositifs étaient capables de fournir une résolution spatiale inférieure à 20 nanomètres (Vila-Comamala et al., 2012).

Les techniques décrites ci-dessus so t des to og aphies dites d’a so ptio , ’est-à-dire que le contraste des radiographies, utilis es pou la e o st u tio D, d pe d de l’a so ptio des photo s pa l’ ha tillo . Il e iste d’aut es t pes de to og aphie pa a o s X :

 La tomographie par contraste de phase (Mayo et al., 2002, Mayo et al., 2003, Momose et al., 1996, Momose, 2003, Cloetens et al., 1999); ’est u e te h i ue employée lorsque les échantillons sont composés de matériaux de faible numéro ato i ue. L’i te sit des o ds des ha tillo s su les adiog aphies est a ue pa la diffraction de Fresnel. Physiquement, ce contraste est dû à des interférences entre les o des diff a t es pa l’o jet ap s p opagatio , si l’o jet e question est placé à une distance non nulle du détecteur. Le contraste de phase permet alors de souligner le o tou des st u tu es i te es d’u ha tillo peu a so a t. Ce o t aste a pe is l’i estigatio d’ ha tillo s iologi ues et o ga i ues tels que des fragments de bois ou de papier, des insectes ou encore des prélèvements de foie et de reins.

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 La tomographie par fluorescence (Bleuet et al., 2009, Golosio et al., 2003, de Jonge & Vogt, 2010); il s’agit d’u e te h i ue d’i age ie hi i ue. Afi d’a u i u e adiog aphie, le fais eau de a o s X ala e l’ ha tillo : ’est alo s tout u spe t e de fluo es e e ui est a uis e ha ue pi el de l’i age. Les e o st u tio s so t des cartographies hi i ues D de l’ ha tillo . Les te ps d’a al se so t epe da t longs.

 La tomographie par diffraction (Sanchez et al., 2014); tout comme la tomographie pa fluo es e e, le fais eau de a o s X ala e l’ ha tillo ais ’est u li h de diff a tio ui est a uis e ha ue pi el de l’i age. Les e o st u tio s o te ues à partir de ces clichés de diffraction permettent de remonter à la structure

istallog aphi ue de l’o jet ou ie au o t ai tes au sei de l’ ha tillo .

2.1.1. Le synchrotron

Les systèmes de tomographie utilisant le rayonnement synchrotron présentent de nombreux avantages par rapport à des systèmes classiques utilisés en laboratoire. Ces systèmes sont en effet capables de fournir un faisceau monochromatique, cohérent spatialement et un flux très élevé. De plus, ce rayonnement est capable de produire des rayons X sur une large ga e d’ e gie : de oi s d’u keV jus u’à keV. Il pe et do l’a al se e t ois di e sio s de o eu t pes d’ ha tillo s at iau lou ds et l ge s à di e s t pes de résolution. Il est aussi bien possible de faire de la micro-to og aphie d’ ha tillo s paléontologiques tels que des fossiles que de la nano-tomographie très haute résolution - inférieure à 20 nanomètres - de piles à combustible à oxyde solide (Tafforeau et al., 2006, Vila-Comamala et al., 2012). Le a o e e t s h ot o ’est pas seule e t utilis pou alise de l’i age ie, il est gale ent employé pour des études de diffraction, de fluo es e e ou e o e de spe t os opie d’a so ptio .

Ce rayonnement est émis par des électrons, accélérés dans un anneau de stockage. Des dispositifs ai a t s O duleu s, Wiggle s, ai a ts de ou u e, … odifient leur trajectoire et leur vitesse ; les le t o s ette t alo s de l’ e gie sous fo e de photo s ui

o espo d à l’a l atio su ie.

Un rayonnement monochromatique peut être obtenu en sélectionnant dans le faisceau blanc produit par le rayonnement synchrotron une bande très étroite en énergie (0.01%) (Peyrin et al., 1997). Cette sélection est réalisée par diffraction de Bragg sur un cristal parfait de silicium (monochromateur). Pa ailleu s, l’ e gie du fais eau peut t e odifi e ia les onduleurs et les monochromateurs. L’utilisatio d’u fais eau o o h o atique permet de s’aff a hi des a t fa ts de e o st u tio o us sous le o de durcissement de spectre ou bien beam hardening (Vidal et al., 2005) - voir chapitre 5 - générant des halos blancs dans les reconstructions sur les bords des échantillons ou bien des bandes noires entre objets absorbants.

Le rayonnement synchrotron est extrêmement intense : ultimement, son flux en sortie d’o duleu est de l’o d e de 20

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o o h o ati ue utilis e to og aphie est de l’o d e de 13

photons/seconde/mm2 (Bleuet et al., 2010). A titre de comparaison, le flux généré par un tube à rayons X - utilisé dans les micro-scanners - est de l’o d e de 6 photons/seconde/mm2 (Bech et al., 2008). Ces fais eau i te ses pe ette t d’a u i des adiog aphies apide e t : à titre d’e e ple, le te ps d’a uisitio d’u e to og aphie haute solutio d’u ha tillo est d’e i o heu es. Ce flu i po ta t pe et de g e des adiog aphies a e u appo t sig al/ uit le . Il est do possi le de s’aff a hi des a t fa ts de reconstruction liés au bruit des projections.

La oh e e spatiale du fais eau est pa ti uli e e t i po ta te puis u’elle pe et de réaliser de la tomographie par contraste de phase, décrite dans le paragraphe précédent, technique particulièrement effi a e pou l’a al se à haute solutio de at iau l ge s. Le rayonnement synchrotron est utilisé dans de très nombreux domaines : agroalimentaire,

os ti ues, hi ie, t a spo ts, âti e t, e gies, et … La figu e . o t e ue e rayonnement est gale e t utilis e i o le t o i ue pou l’a al se d’i te o e io s (Bertheau et al., 2014).

Figu e . : A al se d’u pilie de ui e pa a o e e t s h ot o Be theau et al., 14). a) Radiographie du pilier de cuivre. b) Coupe sagittale de la reconstruction. c) Représentation

D de l’i te o e io .

Malgré ses nombreux atouts, le rayonnement synchrotron présente toutefois certaines limites. Victime de son succès, le temps de faisceau est difficile à obtenir. De plus, chaque expérience doit être minutieusement préparée : l’alig e e t et la ali atio du fais eau sont compliqués et peuvent nécessiter beaucoup de temps. Enfin, si un échantillon est a al s e to og aphie d’a so ption, le contraste de phase peut être considéré comme un a t fa t. Il est alo s essai e d’effe tue plusieu s to og aphies du e ha tillo à diverses distances objet-détecteur et de traiter ces données afin de supprimer le contraste de phase (Cloetens et al., 2006).

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