Imagerie

Les moyens d’imagerie permettent d’estimer la forme du nuage de particules, sa vitesse moyenne (depuis le moment d’éjection ou entre deux images) et sa masse linéique (c’est-à-dire la répartition de

la masse le long de l’axe d’éjection) si le faisceau éclairant est pénétrant.

La masse linéique peut être associée à la densité en appliquant une hypothèse de forme. Par exemple, on peut admettre que le nuage soit homogène dans chaque plan parallèle à la surface libre ; ou encore supposer que l’éjection soit invariante par rotation autour d’un axe.

Ombroscopie

L’ombroscopie (ou en anglais shadowgraphy) est l’imagerie, par transmission, d’une source lumineuse à travers un nuage de particules. Son principe est schématisé en figure 1.17. Une source lumineuse (laser ou incohérente) est placée au foyer d’un système optique pour assurer un éclairement quasi homogène au niveau du nuage. Une deuxième optique conjugue ce dernier avec la matrice d’une caméra ultra-rapide. Le nombre d’images et le temps d’exposition τpause sont en général limités par la caméra.

Si la taille du pixel n’est pas limitante, la résolution peut être majorée par la diffraction : δoptique = 1,22

λimg

n N (1.3)

Lentille Lentille Objectif Caméra rapide Laser impulsionnel ou source incohérente Choc

Figure 1.17 – Principe de l’ombroscopie. Le laser ou la caméra limite le temps de pose, selon la configuration utilisée.

où n est l’indice du milieu (en général 1 pour de l’air), λimg la longueur d’onde utilisée et N le nombre

d’ouverture de l’optique.

Une deuxième limite de résolution est liée au flou de bougé, engendré par le déplacement des objets : δbougé= V τpause (1.4)

où V est la vitesse de l’objet observé. Le flou de bougé peut être d’avantage réduit en utilisant un laser impulsionnel dont la durée d’exposition limitera le temps de pause (quelques nanosecondes) : dans ce cas, ce flou est de l’ordre de 10 µm (τpause = 5 ns, V = 2 km/s). De plus, l’utilisation d’un laser

monochromatique permet de filtrer le spectre de la lumière et d’éliminer les flux provenant d’autres sources (détonation, réflexion du laser de puissance, . . .).

L’intérêt de cette technique est de visualiser la complexité de l’éjecta lors de l’implication de phénomènes d’endommagement variés. La figure 1.18 montre la multitude de débris, ainsi que la formation d’ondes de choc, suite à la traversée du gaz par les particules. Si ces dernières sont plus grandes que la limite de résolution, leur taille peut être estimée.

(c) (d) ( ) (b) Rz 40 5 ₄ Rz 5 3 2 4 1 Rz 20 Rz 40 5 2 mm

Figure 1.18 – Images d’ombroscopie pour différents usinages d’après Ogorodnikov et collab. (2009). (a), (b), (c) : plomb, (d) acier. Des phénomènes d’écaillage semblent apparaitre (1). Sur l’usinage le plus grossier, il est possible de distinguer les jets ainsi que de grosses particules en tête de nuage (3). Les ondes de choc dans le gaz sont visibles (4 et 5). Les Rz sont indiqués en micromètres (voir annexe B).

Imagerie par Rayons X Mous (RXM) et protonographie

Les RXM (dans la gamme de 80 à 400 keV) et les protons à grandes vitesses (quelques centaines de MeV) sont deux types de flux qui sont progressivement absorbés par les matériaux que nous cherchons

1.3. DIAGNOSTICS 19

à étudier. Cette absorption dépend du matériau et de l’énergie du flux, et croît avec la masse de matière traversée. Les niveaux de gris des images sont ainsi beaucoup plus étalés et correspondent à la masse traversée par le faisceau, contrairement à l’ombroscopie où la lumière est très vite arrêtée par la matière ; la figure 1.19 présente une comparaison de ces 2 techniques. Un « pénétramètre », généralement placé dans le champ objet, permet de mesurer l’absorption du faisceau pour des épaisseurs calibrées de matériaux. (b) ( ) Rz 40 Rz 5 Rz 40 Rz 5 Foil Foil

Figure1.19 – Comparaison d’images de radiographie et d’ombroscopie pour deux usinages différents d’après Ogorodnikov et collab. (2009). (a) : image optique, (b) image radiographique. Le matériau éjectant est du plomb. Le rendu est particulièrement différent, la résolution de l’imagerie X semble plus faible que celle de l’image optique. Les Rz sont indiqués en micromètres (voir annexe B).

Si une hypothèse sur la forme du nuage (homogène selon chaque plan transverse, invariance par rotation, . . .) est formulée, alors il est possible de remonter à la densité locale du nuage, c’est-à-dire à la quantité de matière par unité de volume.

L’originalité de ces systèmes est de fonctionner sans optique : ce type de rayonnement peut être difficilement focalisé. Ainsi, l’imagerie se fait souvent par un point source et le flux traverse le nuage pour atteindre le convertisseur optique (le scintillateur) selon un trajet rectiligne. L’image obtenue sur le scintillateur est alors agrandie par un facteur de grandissement g = d1+d2

d1 . Plusieurs éléments viennent limiter la résolution, notamment la largeur du point source. Sur les systèmes à diode (injection d’une tension importante – quelques centaines de kilovolts – sur une anode), les résolutions spatiales peuvent atteindre environ 1 mm. En utilisant une génération de rayons X par laser, la résolution peut atteindre 200 µm, mais la dose produite est nettement plus faible. Citons, notamment, quelques premières publications du CEA sur l’étude de la micro-éjection à l’aide des RXM : Elias et Chapron (1986), Remiot et collab. (1991). Soulignons que cette deuxième publication présente une utilisation croisée des RXM et de l’ombroscopie, avec un freinage dans des gaz particuliers. Nous réitérons cette volonté de modifier l’atmosphère dans laquelle freinent les particules pour les expériences présentées au chapitre 4.

L’installation pRad du LANL(b) _{est un système d’imagerie protonique 1.20b capable de délivrer de}

multiples impulsions de 200 ps avec une énergie de 800 MeV. Elle a la particularité d’utiliser un flux collimaté de protons et une optique magnétique, conduisant à une résolution d’environ 80 µm. Deux articles illustrent les grandes capacités du dispositif pour qualifier l’écaillage et la micro-éjection de l’étain (Holtkamp et collab., 2004a ; Makaruk et collab., 2007) ; nous présenterons plus loin des images d’éjections d’étain (figures 1.32a et 1.33) extraites de Buttler et collab. (2012b). Le lecteur trouvera davantage d’informations sur cet équipement et plus généralement sur l’accélérateur LANSCE dans les documents King et collab. (1999) ; Lisowski et Schoenberg (2006) ; Ziock et collab. (1998).