Utilisation de la radiographie pour l'examen des couches d'accroissement

Utilisation de la radiographie pour l'examen des couches d'accroissement

Par Oscar Lenz

Institut suisse de recherches forestières

TABLE DES MATIÈRES

page

Introduction 125

1. Méthode courante de préparation des barrettes de sondage . 125

2. Stockage des barrettes de sondage 126

3. Radiographie des barrettes de sondage 126

4. Analyse de la méthode radiographique 127

a) Netteté de l'image 127

b) Déformation linéaire . 128

c) Influence de la rétractabilité radiale du bois 129

d) Influence du fil du bois . 130

e) Influence de la situation de la barrette de sondage . 130 5. Mesure de la largeur des cernes annuels et de la texture à l'aide de la mé-

thode radiographique 131

Zusammenfassung - Riassunto - Summary 133

Index bibliographique . 134

Introduction

Le sondage des arbres à l'aide de la tarière suédoise prend une importance croissante en foresterie, aussi bien dans les travaux d'aménagement et d'estimation que dans des investigations de nature diverse. Les barrettes extraites des arbres-types (photographie 1) sont surtout prélevées pour l'examen de la croissance ( grandeur et régularité de l' acrois- sement, proportion de bois de printemps et d'été). Une observation directe des cernes annuels est souvent difficile sur la barrette brute, à cause de la rugosité de sa surface (photographie 3). Généralement, les bois feuillus hétérogènes ( chêne, frêne, orme, châ- taigner, robinier) font exception à cette règle, la limite de l'accroissement étant nette- ment marquée chez eux.

I. Méthode courante de préparation des barrettes de sond~ge

Pour permettre une mesure précise de la largeur des cernes, il est nécessaire de pré- parer la barrette en la lissant sur un côté à l'aide d'un rasoir, éventuellement au moyen d'un microtome (photographie 5). Un polissage de la barrette avec du papier de verre

n'est pas indiqué, car les pores se bouchent de sciure, et les différences de structure de- viennent indistinctes. Afin de mieux faire ressortir les limites du cerne et du bois d'été, on peut humecter la barrette lissée avec un liquide ( eau, huile ou •un colorant dilué, par exemplP. rle la safranine). La lecture des cernes s'effectue à l'aide d'un instrument d'op- tique à faible grossissement, équipé d'un micromètre {loupe binoculaire, stéréo-micros- cope) . Cette méthode de préparation et de mesure des barrettes de sondage est la plus répandue; elle est longue, déli'cate et fatigante.

Afin d'accélérer l'opération, la maison suédoise Addo construisit un appareil qui facilite énormément l'enregistrement des résultats et qui se compose en principe d'un microscope à faible grossissement avec platine mobile, dont les déplacements sont en- registrés par une machine à additionner, accouplée au microscope.

Pour des études spéciales de structure, on peut établir des coupes minces des barrettes, à l'aide d'un microtome, selon les procédés en usage en microscopie. L'observation a lieu au microscope, éventuellement par projection. Inutile d'ajouter que cette dernière mé- thode est particulièrement délicate et qu'elle ne peut en aucun cas être appliquée en grand.

2. Stockage des barrettes de sondage

Une des principales difficultés rencontrées dans les travaux de sondage à la tarière réside dans le stockage des barrettes. Leur nombre peut atteindre des milliers suivant l'étendue de la région à inventorier. Par exemple, près de 12 000 sondages furent entre- pris lors de l'enquête sur le capital forestier du Parc national suisse, d'une superficie de 5000 ha. On peut bien conserver les barrettes dans de petits sachets, mais très rapide- ment elles s'endommagent, se perdent, se cassent, et l'accumulation de ces sachets devient très vite encombrante.

L'Institut suisse de recherches forestières n'a pas été épargné par ces deux difficultés majeures, à savoir: le stockage des barrettes et leur préparation pour la mesure des cernes.

C'est pourquoi nous avons très vite cherché à résoudre ces problèmes. La meilleure solu- tion nous semble être celle apportée par les rayons X 1 .

3. Radiographie des barrettes de sondage

L'utilisation des rayons X pour l'examen d'éprouvettes de bois est employée depuis longtemps déjà par les technologues ( l, 2, 3, 4,), spécialement dans le domaine de la résistance des matériaux ( décèlement de défauts cachés) et de la protection des bois ( degré de pénétration des substances antiseptiques). Les pièces examinées doivent être_ cependant de faibles dimensions.

1 Nous tenons à remercier ici le Laboratoire fédéral d'essais des matériaux (MM. Staffelbach et Leuzinger) et la maison Priag S. A. (M. Zurflüh), à Zurich, qui mirent leurs installations à notre disposition, en procédant aux radiographies, et qui nous donnèrent maint conseil. Ces remercie- ments s'adressent aussi à notre collègue A. Weidmann, ingénieur forestier à l'Institut de recher- ches forestières, pour sa collaboration dévouée.

Les barrettes de sondage n'ayant que 4 mm de diamètre, soit d'épaisseur, les condi- tions de réussite pour l'examen à l'aide des rayons X sont très favorables, comme on peut en juger d'après les photographies 4, et 6. Les rayons utilisés doivent être mous, c'est à dire de faible voltage ( de 20 à 70 k V) . De petites installations, adéquates et d'un prix abordable, sont fabriquées par diverses maisons, pour des besoins médicaux sur- tout (photographie 2). Vu la petitesse des barrettes, il est possible d'en radiographier plusieurs simultanément et cela sans aucune préparation préalable. Par une disposition judicieuse des barrettes, éventuellement sur un carton spécialement aménagé, de format 24 x 30 cm par exemple, il est permis d'en relever un très grand nombre (70 à 80 bar- rettes) en une fois.

La désignation des barrettes et des films peut se faire sur l'objet, par des lettres ou chiffres mobiles en plomb, ou à l'aide d'une écriture au minium. Le matériel étant homogène ( de même nature et même épaisseur), l'intensité des rayons, les temps d'expo- sition et de développement peuvent être de grandeur quasi constante. Le développement des films peut être exécuté en série, ce qui permet un travail rapide. Un classement des films est très aisé et ceux-ci occupent en outre peu de place.

Lors de travaux d'aménagement de grande envergure par la méthode du sondage, il est ainsi possible de radiographier les barrettes et de classer les radiographies au fur et à mesure, par exemple journellement ou hebdomadairement.

4. Analyse de la méthode radiographique

a) Netteté de l'image

Pour être précise, la méthode radiographique doit fournir des images nettes, non défor- mées. La première de ces conditions est bien remplie, si l'on examine les photographies 4 et 6. II n'en saurait être autrement, l'éloignement de la source des rayons à l'objet étant d'au moins 50 à 100 cm avec les appareils en question. D'autre part, les barrettes reposent directement sur l'emballage contenant le film photographique, de sorte la dis- tance moyenne du milieu de la barrette à la couche photographique n'est que de 3 mm au maximum. Le procédé de radiographie appliqué ici est donc un p r o c é d é d e contact. La figure 1 donne les relations suivantes (5,6) :

F= 1 mm² t= 3 mm

Ug t t

d = 50 cm Ug = 0,006 mm F d Ug= F · d

75 cm 0,004 mm

100 cm 0,003 mm

Le flou est très faible, le rapport ~ devient négligeable et ceci d'autant plus que la source des rayons est éloignée de l'objet.

Fig.1 Netteté de l'image

F F = Source des rayons

d = Distance de la source à l'objet

t = Distance de l'objet à la couche photographique ug = Flou de l'image

d a = Objet ou portion d'objet

a

t u.g ug

S

d Barrette de sondage / Carton

t [:~~~ Enveloppe en papier

\ Couche photographique

Fig.2 Déformation llnéaire

a) F Source des rayons b) _F

d d

A;,----=;;.;....---",<'---=+--=.Objet

a

t t

A'

F"

b} Déformation linéaire

Il se produit une. déformation linéaire pour les rayons s'écartant de la perpendicu- laire reliant la source des rayons au plan de l'image (fig. 2a). Rappelons que la propa- gation des rayons X est rectiligne, c'est à dire qu'ils ne sont pas déviés par les corps qu'ils traversent, mais qu'ils subissent seulement une absorption variable suivant la structure de la substance traversée. De ce fait AB devient A' B', BC devient B' C' et ainsi de suite.

Si AB = BC = CD = DE, on aura par symétrie A' B' = B' C' = C' D' = D' E', c'est à dire que le facteur d'allongement est partout le même sur le plan de l'image. Mais il sera d'autant plus grand que la source des rayons est rapprochée de l'objet et la couche photographique éloignée de cet objet.

Cet allongement peut se calculer, mais pour simplifier nous ne considérons que ce qui se passe en direction radiale, où il est maximum ( fig. 2b) :

mm

Op

(J5

a d

a d

1 2

tg a 6 tg a

6 ô ^{a• t}

d

Fig. 3

avec t = 3 mm d = 500 mm ô = 6 ¾o d = 750 mm ô = 4 ¾o d = 1000 mm ô = 3 °/oo

1 1 1 1 1

- ---- --

---,

3 4 5 6 7

Longueur de la barrette 8 9

1

10cm

Déformation linéaire en fonction de l'éloignement de la source des rayons X

Cet allongement est relativement très faible, il n'atteint plus de ¹/s de mm que lors- qu'on mesure en une fois des longueurs de barrettes dépassant 3 à 7 cm, la source des rayons étant respectivement éloignée de 50 à 100 cm (fig. 3).

c) Influence de la rétractabilité radiale du bois

La déformation linéaire traitée sous la lettre b) n'est rien comparée à celle due au phénomène de retrait et de gonflement du bois. Le retrait des états vert à sec à l'air

(12

%

Rétractabilité radiale des états vert à sec à l'air (12 °/o) exprimée en pom·-cent de la dimension anhydre. D'après Kühne/Vodoz (7) Tableau 1 Essence

Epicéa Sapin

Mélèze (Duramen) Mélèze (Duramen) Mélèze (Duramen) Hêtre

Chêne

Densité anhydre moyenne

g/cm3

0,40 0,40 0,40 0,50 0,65 0,65 0,65

Rétractahilité radiale des états vert à sec à l'air

•/oo 24 26 23 18 27 32 31

Il est si important qu'il est absolument indispensable d'en tenir compte dans les tra- vaux. Le mieux serait de mesurer les barrettes à l'état vert ou sec à l'air ( 12 % d'humi- dité par rapport au poids anhydre), état obtenu après conditionnement dans une chambre climatisée.

d) Influence du fil du bois

Un autre défaut, qui exerce son action sur la netteté de l'image, se produit lorsque le fil du bois n'est pas perpendiculaire à la couche photographique. Plus la fibre est oblique par rapport à la pellicule, plus l'image est floue, surtout à la limite du cerne ( voir photographie 4, barrette 8). Il est donc d'une rigoureuse nécessité d'introduire la sonde dans l'arbre perpendiculairement au fil du bois. Des changements dans la direc- tion du bois (forme paraboloïdale ou néloïdale prononcée du tronc, fibre torse ou contre- fil) peuvent aussi jouer un rôle important dans la netteté de la photographie.

e) Influence de la situation de la barrette de sondage

Les barrettes ne doivent pas être trop éloignées du pied de la perpendiculaire allant de la source des rayons au plan photographique. Ceci pour éviter que les rayons ne tra- versent trop obliquement les barrettes, et que l'image devienne floue. Cetle source d'erreur est aisément corrigeable en radiographiant séparément les T"-ngées de barrettes (fig. 4).

Fig. 4,

Source des rayons

Ecran en plomb

'ZZZLZZZZZ72?Z/77;:

Rangées de barrettes Rangée de barrettes

Mode opératoire pour radiographier individuellement les rangées de barrettes

Plrni la source des rayons sera éloignée des barrettes (par exemple 100 cm), moins ce défaut se fera sentir.

De cette analyse, il ressort que la méthode radiographique par contact donne des résultats très précis. Les sources d'erreur les plus graves sont imputables à la nature du bois ( retrait, fibre inclinée) ou à un prélèvement mal orienté, c'est-à-dire non perpendicu- laire au fil du bois. Un éloignement suffisant (70 à 100 cm) de la source des rayons est cependant nécessaire pour augmenter la précision de la méthode.

5. Mesm·e de la largeur des cernes annuels et de la texture

• à l'aide de la méthode radiographique

Pour les besoins de cette étude, nous avons radiographié des barrettes provenant des essences forestières indigènes suivantes:

Bois résineux Epicéa (Picea excelsa, Link) Sapin (Abies alba, Mill)

Pin sylvestre (Pinus silvestris, L) Pin Weymouth (Pinus strobus, L) Douglas (Pseudotsuga Douglasii, Carr) Hétérogènes

Chêne ( Quercus sp)

Bois feuillus

Frêne (Fraxinus excelsior, L) Orme ( Ulmus sp)

Homogènes Hêtre (Fagus silvatica, L) Erable (Acer sp)

Tilleul ( Tilia sp)

Cerisier (Pruniis avium, L) Aulne (Alnus sp)

Les limites des couches annuelles sont, sauf chez l'aulne, assez marquées sur les radio- graphies pour permettre une mesure précise (photographies 4 et 6). Malheureusement, les radiographies perdent beaucoup de leur netteté à la suite des divers procédés de reproduction ( copie, clichage et impression), de sorte que les copies sont très inférieures aux radiographies originales.

L'opération de mensuration des cernes s'effectue directement sur le film, à l'aide d'une règle graduée ou d'un micromètre monté dans une loupe; le film étant éclairé depuis dessous. Pour des études spéciales, les mesures peuvent se faire au moyen d'un micro- photomètre, qui transpose en courbe la largeur des cernes.

Une certaine difficulté de lecture surgit avec les bois à couches annuelles très serrées (mélèze ou épicéa d'altitude élevée). Mais cet inconvénient se produit aussi avec toutes les autres méthodes, même celle des coupes minces, où il est souvent impossible de discer- ner au microscope la limite du cerne, les bois de printemps et d'été n'ayant respective- ment que 2 à 3 rangées de cellules de largeur.

Dès le début nous avons été frappé par la remarquable différenciation marquée par les rayons X entre le bois de printemps et d'été. Rappelons qu'il est aisé de distinguer la limite entre ces deux bois chez les feuillus hétérogènes ( chêne, frêne, orme, châtaignier, robinier) et chez certains conifères (mélèze, pin sylvestre et de montagne, douglas). Par contre, cette détermination est délicate chez l'épicéa, le sapin, l'arole, le pin Weymouth, le passage se faisant le plus souvent progressivement sur une distance assez étendue, et chez les feuillus homogènes, où l'anatomie des deux bois est à peu près la même.

Ainsi que le montre la photographie 7, la différenciation de la texture avec les rayons X coïncide avec celle que l'on obtient en photographiant les coupes minces pour les mêmes barrettes. Les légers écarts dans la largeur des cernes, entre les radiographies et les

. coupes minces, sont dûs à l'agrandissement photographique de ces dernières.

Cette analyse montre clairement que les rayons X peuvent être utilisés pour déterminer la texture d'un bois. Néanmoins, pour des mesures «exactes» de la limite entre le bois de printemps et d'été chez les essences à passage progressif, il faudra recourir à d'autres méthodes. Par exemple à la méthode micrométrique de von Pechmann (8) ou à celle de Mayer-Wegelin (9), basée sur la mesure de la microdureté du cerne.

Zusammenfassung Riassunto Summary

Die Rontgenphotographie als Hilfsmittel der Jahrringanalyse

Die vorgelegte Mitteilung untersucht die Anwendungsmoglichkeiten der Rontgenphoto- graphie bei der ]ahrringanalyse von Holz und speziell von Bohrkemen (= Bohrspiinen).

Eine Analyse der rontgenphotographischen Methode ergibt, da/3 sehr genaue Ergeb- nisse erzielt werden unter der Bedingung, da/3 die Strahlungsquelle genügend weit vom Objekt entfemt ist (70-100 cm) und da/J dieses der photographischen Platte direkt auf- liegt. Die groBten Fehler sind dann nur noch durch die Eigenschaften des Holzes Schwindung, schiefer Faserverlauf) verursacht, oder dadurch, da/3 die Bohrkeme schlecht orientiert, da/3 heiBt nicht senkrecht zur Faserrichtung aufgenommen wurden.

Die rontgenphotographische Methode kann ebenfalls benutzt werden bei Texturunter- suchungen des Holzes, da der Unterschied von Früh- und Spatholz ebenso gut ausge- pragt ist, wie bei Mikroschnitten.

La radiografia quale metodo ausiliario di analisi degli anelli di accrescimento del legn o

Il presente studio e~amina le possibilità d'impiego dei raggi X per fotografare gli anelli di accrescimento del legno, specialmente nelle stanghette di sondaggio.

L'analisi del metodo radiografico indica che questo metodo è molto preciso quando la sorgente dei raggi X è tenuta abbastanza discosta dall'oggetto (70-100 cm), il quale a sua volta deve poggiare direttamente sulla lastra fotografica. ln questo casa i maggiori errori sono inerenti alla natura del legno ( ritiro, fibra inclinata) oppure sono dovuti a un prelevamento male orientato delle stanghette di sondaggio, ossia non perpendicolare all' asse del legno.

Il metodo radiografico puo parimenti essere utilizzato per l' analisi della tessitura del legno, in quanta la di/ ferenziazi'.one dei tessuti primaverili ed estivi è analoga a quella ottenuta con il metodo microtomico.

The application of radiography to analize annual rings of timber

The present paper deals with the possibilities of applying radiography for analyzing annual rings of timber and especially of bored cores.

An analysis of the methods used in radiography shows that very exact results are obtained provided that the source of the X-rays is placed at a su/ ficient distance (70 to 100 cm) /rom the abject and that this is in direct contact with the photographie plate.

Then the most important errors wiU be caused only by the properties of the wood ( shrink- age, crooked direction of the fibres) or by taking cores not at a right angle to the grain.

The method of radiography can also be used to investigate the texture of timber, since the di/ ference between spring-wood and swnmer-wood ist just as well pronounced as in micro-cuts.

Index bibliographique

1. W o r s chi t z, F.: «Angaben zur riintgenographischen Qualitiitsprüfung der Hiilzer.» Central- blatt f. d. gesamte Forstwesen - Bd. 57 - 1931 / Bd. 58 - 1932 / Bd. 61 - 1935.

2. Lo k s chi m, F. L.: «über die Anwendung von Riintgenstrahlen bei der Untersuchung der Holz- triinkung.» Lesochim - Prom. 2 - Nr. 7 - 1939.

3. F i s h e r , R. C., T as k e r , H. C.: «The detection of wood-boring insects by means of X-rays.»

Ann. appl. Bio!. - Vol. 27 - Nr. 1- 1940.

4. P e t e r , O.: «Prüfung der Sublimateindringung bei der Holzimpriignierung mit Riintgenstrahlen und künstlich-radioaktivem Quecksilber.» Holz ais Roh-und Werkstoff - 11. Jg. - Nr. 2 - 1950.

5. CI a r k e, G. L.: «Applied X Rays.» Fourth Edition - London - 1955.

6. Rang, O., Sc h u Ize, K. J.: «Riintgenmikroskopie.» Neue Zürcher Zeitung - 2.10.1957 - Nr. 2793 (110).

7. Kühne, H., Vodoz, J.: «Untersuchungen über das Schwinden und Quellen einiger schwei- zerischer Hiilzer.» Eidg. Materialprüfungs- und Versuchsanstalt Zürich - Bericht Nr. 179 - 1951.

8. von Pech man n, H.: «Untersuchungen über Gebirgsfichtenholz.» Forstwissenschaftl. Central- blatt - 73. Jg. - 1954.

9. Mayer-Wegelin, H.: «Der Hiirtetaster.» Allgemeine Forst-und Jagdzeitung- 122.Jg. - Nr. 1 - 1950.

Photographie 1 Extraction d'une barrette à l'aide d'une sonde suédoise

Photographie 2 Appareil à rayons X Marque «Hofmann»

Type Combix I

Priag S. A., Zurich

Photographie 3

1. Orme

2. Sapin

3. Aulne

4. Mélèze

5. Hêtre

' . '

· -- ^{... -_,_..,., ____}

^{.- ...:}

7. Frêne

8. Chêne

9. Pin sylvestre

10. Cerisier

11. Erable

12. Pin Weymouth

13. Tilleul

14. Douglas

Barrettes brutes de sondage de diverses essences - 1 :1,2

Photographie 4

1. Orme

2. Sapin

3. Aulne

\\\IUI\\ \1 \

u ^11ft Il

8. Chêne

IJI IIIIIU IIJ t

11. Erable

12. Pin Weymouth

13. Tilleul

14. Douglas

Radiographie des barrettes de sondage de la page ci-contre - Laboratoire fédéral d'essais

Photographie 5

1. Orme

3. Aulne

4. Mélèze

5. Hêtre

6. Epicéa

7. Frêne

9. Pin sylvestre

11. Erable

12. Pin Weymouth

14. Douglas

Barrettes de sondage lissées au moyen d'un microtome - 1 :1

Photographie 6

Aulne Chêne

Epicéa Hêtre

Frêne

Radiographie de barettes de diverses essences - Priag S. A., Zu;ich - 50 k V - 30 mA - 70 cm - 3 sec. - I : I

Photographie 7

\\ ^\

Sapin Frêne

Pin sylvestre Orme

Mélèze Erable

Epicéa Hêtre

Douglas Aulne

Radiographie (en haut) et coupe mince (en bas) de quelques barrettes de sondage montrant