Cela a été rendu possible par le développement de méthodes de contrôle de qualité sans contact utilisant la radioactivité, ce qui permet aux fabricants d'inspecter leurs produits sans jamais avoir besoin d'un instrument pour les toucher physiquement. Cet article donne un aperçu des différentes techniques de mesure disponibles, de la physique et de l'équipement utilisés pour le contrôle radioactif de l'épaisseur, ainsi qu'un résumé des processus industriels dans lesquels cette technique est utilisée.
Méthodes de contrôle de l'épaisseur
Lorsque tu dois mesurer l'épaisseur d'un objet, un outil tel qu'une règle peut être utilisé avec une résolution d'environ 1 mm - cependant, essayer de mesurer à l'œil avec plus de précision que cela n'est pas fiable.
Pour mesurer des dimensions plus petites, le micromètre (semblable à un pied à coulisse) a été inventé. Il utilise un pas de vis précis pour mesurer de petites distances avec une résolution d'environ 0,01 mm, et les versions numériques ou mécaniques sont relativement bon marché.
Les micromètres sont encore largement utilisés dans la fabrication de faibles volumes où les processus sont effectués à la main. Cependant, pour la production de masse, prendre des mesures manuelles répétées à l'aide d'un micromètre n'est pas pratique, car cela créerait un goulot d'étranglement important sur la chaîne de production et réduirait sa vitesse.
Micromètre utilisé pour les mesures manuelles.
Pour effectuer des mesures précises sur une chaîne de production, on peut utiliser une machine à mesurer les coordonnées (MMT) robotisée. Celles-ci utilisent une sonde pour mesurer la géométrie 3D d'une pièce fabriquée et peuvent être automatisées pour effectuer l'inspection beaucoup plus rapidement et avec plus de précision qu'un opérateur humain. L'inspection robotisée par CMM est utilisée dans la production en grande quantité de pièces à géométrie complexe, telles que les composants d'un moteur de voiture.
Cependant, les matériaux fins tels que le papier n'ont qu'une seule mesure importante à contrôler : leur épaisseur. L'utilisation d'un micromètre pour cette mesure est trop lente et pourrait facilement endommager le matériau, tandis qu'un système CMM est inutilement complexe et pourrait encore ralentir la cadence de production. Pour résoudre ce problème, des instruments spécialisés de contrôle de l'épaisseur basés sur la radioactivité ont été mis au point pour fournir une méthode rapide et sans contact de mesure de l'épaisseur des matériaux en feuilles minces.
Contrôle de l'épaisseur à l'aide d'isotopes radioactifs
Alpha(α), bêta(β) et gamma(γ) sont les principaux types de rayonnement, chacun ayant un pouvoir de pénétration différent à travers les matériaux. Les trois types de rayonnement sont des particules de rayonnement, l'alpha étant le plus lourd et le plus ionisant et le gamma étant le plus léger et le moins ionisant.
Veille à ne pas confondre les rayonnements électromagnétiques avec les rayonnements radioactifs. Alors que la radioactivité ou le rayonnement radioactif est un processus au cours duquel certains éléments (éléments radioactifs) libèrent des radiations, le rayonnement électromagnétique est l'énergie ou les particules énergétiques émises par les sources électromagnétiques.
Le rayonnement alpha (α), un noyau d'hélium, est généralement bloqué par une feuille de papier et ne parcourra que quelques centimètres dans l'air.
Le rayonnement bêta, un électron qui se déplace rapidement, peut traverser une feuille de papier mais sera généralement bloqué par une fine plaque de métal.
Le rayonnement gamma, un photon à haute énergie, est la plus petite particule et a le pouvoir de pénétration le plus élevé ; il ne peut être bloqué que par une plaque métallique épaisse d'un matériau comme le plomb ou le fer.
Surveillance de l'épaisseur : Atténuation du rayonnement
Lorsque le rayonnement nucléaire est "bloqué" par un matériau, il a été atténué à un niveau tel qu'il n'est plus détecté. Une seule particule de rayonnement peut être absorbée par un matériau ou le traverser, la probabilité qu'elle soit absorbée étant d'autant plus grande que la taille des particules augmente et que le matériau est plus épais.
Le matériau peut soit diffuser, soit absorber les particules de rayonnement, et une particule plus grosse ou un matériau plus épais augmente la probabilité que cela se produise lorsque la particule traverse le matériau. Cependant, comme une source de rayonnement émet de nombreuses particules, certaines peuvent être absorbées par le matériau tandis qu'une partie peut passer à travers.
Si 25 % de la quantité initiale de rayonnement traverse le matériau, il a été atténué de 75 %. Pour un matériau et un type de rayonnement donnés, l'atténuation causée par le matériau est proportionnelle à son épaisseur.
Lorsque l'épaisseur d'un matériau augmente, la proportion de l'intensité initiale du rayonnement qui le traverse diminue. Cela est dû au fait que le matériau plus épais augmente la probabilité qu'une particule de rayonnement soit atténuée (absorbée/diffusée) par l'objet - StudySmarter Originals.
La relation entre l'épaisseur du matériau et la quantité d'atténuation du rayonnement peut être utilisée pour fournir une mesure sans contact. En connaissant l'intensité initiale du faisceau de rayonnement et en mesurant l'intensité du faisceau après qu'il a traversé le matériau, il est possible de calculer la quantité d'atténuation et l'épaisseur correspondante du matériau.
La quantité d'une épaisseur donnée du matériau qui atténuera un faisceau de rayonnement dépend de son coefficient d'atténuation. Il s'agit d'une propriété du matériau qui décrit la proportion de rayonnement qui est diffusée ou absorbée par unité d'épaisseur lorsqu'elle traverse le matériau. Le coefficient d'atténuation μ est utilisé dans l'équation suivante pour trouver l'intensité du faisceau transmis.
Où :
est l'intensité du faisceau de rayonnement transmis
est l'intensité initiale du faisceau
est le coefficient d'atténuation linéaire
est l'épaisseur du matériau ou la distance parcourue
Comme l'intensité du faisceau de rayonnement peut être mesurée en continu, cette technique peut permettre d'inspecter des matériaux minces en temps réel, au fur et à mesure de leur fabrication sur une chaîne de production ininterrompue.
Radioisotopes utilisés pour le contrôle de l'épaisseur
Le rayonnement bêta est le plus souvent utilisé pour les applications de contrôle de l'épaisseur, car il a le pouvoir de pénétration le plus approprié ; le rayonnement alpha serait bloqué même par une fine feuille de papier, tandis que le rayonnement gamma traverserait la plupart des matériaux minces - bien que le rayonnement gamma soit parfois utilisé pour les matériaux en tôle plus épais.
Une source radioactive ayant une longue demi-vie est idéale pour cette application, car cela signifie que le taux d'activité sera constant pendant une longue période. C'est utile car cela signifie que la source radioactive ne devra pas être changée souvent et que le niveau d'activité sera presque constant chaque jour.
La demi-vie d 'un isotope radioactif décrit la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d'un échantillon donné se désintègre. Le taux de désintégration est décrit de cette façon parce qu'il diminue avec le temps - lorsque le nombre de noyaux non désintégrés diminue, le taux de désintégration diminue également.
Instrument de contrôle de l'épaisseur
L'instrument nécessaire pour effectuer le contrôle radioactif de l'épaisseur est parfois appelé jauge radioactive.
Lorsqu'elle est mise en œuvre dans le processus de fabrication d'un matériau en feuille mince comme le papier ou la feuille d'aluminium, la jauge radioactive est généralement utilisée à la fois pour surveiller et contrôler l'épaisseur du produit. Ces produits sont généralement fabriqués à l'aide de rouleaux qui transforment le matériau en feuille par compression et étirement.
Schéma d'un instrument radioactif de contrôle de l'épaisseur (jauge radioactive) incorporé dans un système de production à rouleaux. - StudySmarter Originals
Après avoir traversé un ensemble de rouleaux, le matériau en feuille passe sous une source radioactive d'intensité connue.
Un détecteur situé de l'autre côté du matériau mesure l'intensité du rayonnement qui traverse la feuille et transmet ces données à un processeur informatique.
Le processeur calcule l'épaisseur du matériau en fonction de l'intensité initiale connue du rayonnement, de l'intensité mesurée du rayonnement qui a traversé la feuille et des propriétés d'atténuation du matériau de la feuille.
L'épaisseur calculée est comparée à l'épaisseur cible. Si le matériau est trop épais ou trop fin, l'ordinateur ajuste la force exercée sur les rouleaux pour corriger l'erreur.
Exemples de contrôle de l'épaisseur
L'application la plus évidente des jauges radioactives est le contrôle de l'épaisseur des matériaux en feuille pendant leur fabrication. Selon le matériau produit, elles utilisent des émetteurs bêta ou gamma en fonction du pouvoir de pénétration nécessaire. Cependant, la technologie a également trouvé plusieurs autres utilisations dans des applications similaires d'inspection sans contact. En voici quelques exemples.
Applications de contrôle de l'épaisseur
Production de papier (Beta)
Production de feuilles d'aluminium (Beta)
Production de feuilles et de plaques de métal (Gamma)
Contrôle de l'épaisseur : Autres applications industrielles
Contrôle du niveau de liquide - détection du remplissage d'un récipient jusqu'à un certain niveau (Gamma)
Quantités/compositions de matières premières circulant sur une bande transporteuse (Gamma)
Analyse de la distribution de la densité des matériaux à l'intérieur d'un conteneur fermé (Gamma)
Radioisotopes couramment utilisés pour les applications de mesure
Krypton-85. Émetteur bêta avec une demi-vie de 10,8 ans.
Césium-137. Émetteur bêta avec une demi-vie de 30,17 ans.
Américium-241. Principalement un émetteur alpha, avec un sous-produit de rayonnement gamma et une demi-vie de 432,2 ans. Utilisé comme émetteur gamma dans les applications de jauge radioactive, car la particule alpha est bloquée par quelques centimètres d'air.
Cobalt-60. Émetteur bêta avec une demi-vie de 5,3 ans, se désintégrant en Nickel-60 qui émet des rayons gamma.
Contrôle de l'épaisseur - Principaux enseignements
- Les matériaux en feuilles minces nécessitent une méthode d'inspection sans contact pour contrôler leur épaisseur pendant la production.
- Une jauge radioactive peut être utilisée pour contrôler l'épaisseur des matériaux en feuille en temps réel, au fur et à mesure de leur fabrication.
- La jauge radioactive fonctionne en mesurant la proportion de l'intensité initiale du rayonnement qui traverse le matériau en feuille, et utilise la quantité d'atténuation pour calculer l'épaisseur du matériau.
- L'épaisseur calculée est comparée à l'épaisseur cible, et la force exercée sur les rouleaux est automatiquement ajustée pour corriger toute erreur.
- Les jauges radioactives sont également utilisées pour d'autres applications industrielles sans contact, telles que la surveillance du niveau des fluides, la mesure des quantités de matériaux se déplaçant sur une bande transporteuse et l'analyse de la distribution de la densité à l'intérieur de conteneurs fermés.
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