Interactions Des Ri Avec La Matiere

CH 4

INTERACTIONS DES

RAYONNEMENTS IONISANTS

Pr N BEN RAIS AOUAD 1

RAYONNEMENTS IONISANTS

AVEC LA MATIERE

Introduction

I Rayonnements chargs

1- Intraction des particules charges lourdes

avec la matire.

a-Intraction avec les lectrons

CH 4 INTERACTIONS DES

RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA

MATIERE


a-Intraction avec les lectrons

b- Consquences

2- Intraction des particules charges lgres

avec la matire.

a-Intraction avec les noyaux

b-Intraction avec les lectrons


RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC

LA MATIERE

II Interaction des photons avec la matire:

1- Gnralits


2- Effet global

a- Attnuation dun faisceau ou X

b- Couche de demi attnuation


RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC

LA MATIERE

3-Phnomnes lmentaires:

A-Effet photo lectrique

B-Effet Compton

C-Effet de cration de paire: matrialisation


C-Effet de cration de paire: matrialisation

D-Cofficient dattnuation total:

1-Cofficient dattnuation linaire

2-Cofficient dattnuation massique

E-probabilit de lun des effets en fonction de Z


RAYONNEMENTS SIONISANTS

AVEC LA MATIERE

Introduction:

Un rayonnement est une mission dnergie

partir dune source.


partir dune source.

On classe les rayonnements en 3 catgories :

*Chargs.

*Neutres.

*Elctromagntiques.

Rayonnements Chargs :

* Particules charges lgres :

- (e-)

+ (e+) (positon)

* Particules charges lourdes :

Protons (P)

Particules ()

*Fragments lourds de fission : F1, F2 (ions lourds)


Rayonnements neutres :

Anti-neutrinos :

Neutrinos :

Neutrons : N

Rayonnements lectromagntiques :

X,

Un rayonnement charg ou lectromagntique est

dit ionisant : sil est susceptible darracher des e-

la matire: pour cela, lnergie du rayonnement

incident doit tre suprieure lnergie de liaison

des lectrons.

Les rayonnements non ionisants :

UV proches du visible.


UV proches du visible.

IR et ondes hertziennes.

Linteraction du rayonnement avec la matire est

un transfert dnergie du rayonnement incident au

milieu travers (lectrons et noyau).

Cette interaction dpend de :

la nature du rayonnement.

lnergie de ce rayonnement.


la nature de la matire traverse.

I- Rayonnements chargs :

1. Interactions des particules charges

lourdes avec la matire :

P , , ions lourds

Interactions caractre obligatoire. Elles se


Interactions caractre obligatoire. Elles se

font principalement avec :

les lectrons +++

les noyaux.

a. Interaction avec les lectrons : La pparticule incidente (PI) cde une partie de son nergie

cintique E1 aux lectrons du milieu excitation ou ionisation.


Ionisation : llectron atomique est arrach de sa couche et reoit une nergie cintique: Ec

Ec = E1 El

E1 est lnergie transfre llectronLatome est alors ionis.

Excitation : E1 sert seulement dplacer llectron atomique dune couche profonde vers


1llectron atomique dune couche profonde vers une couche priphrique.

Latome est excit.

M(PI) me- la trajectoire de PI est peu modifie rectiligne.

Interactions multiples faible transfert.

b. Consquences :

La perte dnergie des particules charges lourdes par excitation et ionisation sexprime par :

TEL = transfert dnergie linique.

Sexprime en KeV/ m.


DLI : densit linique dionisation :

Nombre de paires dions par m.

Cette DLI augmente fortement en fin de parcours quand PI pntre en profondeur et se ralentit.

2. Interaction des particules charges lgres

avec la matire: e-

e- surtout +++ , (e+)

la matire est constitue datomes faits dlectrons

et de noyaux .

a- Interaction des e- avec les noyaux :

e- entre en interaction avec le noyau


e-I champ coulombien du noyau

Acclration importante de llectron avec dviation

et perte dnergie cintique de llectron.

Llectron rayonne de lnergie sous forme dun

rayonnement X de freinage, lorigine de

production des rayons X dans le tube de Coolidge.

(Bremstrahlung)


(Bremstrahlung)

TEL 0,25KeV/m : eau

Pour des lectrons de 5MeV : Parcours = 2cm.

b- Intraction des e- avec les lectrons

atomiques :

excitation

e-I collision e- milieu

ionisation

Collision : dviation par rpulsion coulombienne

Diffusion de le-I avec une perte dnergie

importante : Trajectoire en ligne brise.


I

importante : Trajectoire en ligne brise.

II- Interaction des photons avec la matire :

RX - R

1. Gnralits :

RX - R sont des rayonnements indirectement

ionisants.

RX : ont une double origine :


RX : ont une double origine :

* mis par freinage dun faisceau de-

acclrs.

* mis lors du retour ltat fondamental

dun atome (Z) excit (origine lectronique).

R : * ont une origine nuclaire puisquils

sont mis par un noyau qui passe dune

transition dun tat excit tat stable.

* mis dans les acclrateurs de

particules.


particules.

*Les rayonnements ont en gnral

une nergie plus leve que les

rayonnements X.

Mais les RX et R ont le mme comportement vis--vis de la matire.

Ces photons sont diffrents des particules charges (m = 0, charge = 0).

Leur comportement vis--vis la matire est diffrent de celui des particules charges.


Cette interaction est alatoire.

2. Effet global :

Les photons sont caractriss par :

leur frquence


leur frquence

leur longueur donde = c/

leur nergie : E = h

a.Attnuation dun faisceau (X) :


Le faisceau traverse un cran dpaisseur x : certains photons vont tre absorbs, dautres diffuss (changement de direction) et les autres transmis.

Les photons (X ou ) sont enlevs du faisceau incident par une seule interaction : absorption ou diffusion.


N(x) = N(0)e-x (Faisceau transmis)

= probabilit dinteragir par unit de longueur, dun photon avec la matire.

N(0) = nombre de photons incidents.

N(x) = nombre de photons aprs traverse de lcran (x).

De mme, si I(0) = intensit du rayonnement lentre de lcran (x),

I(x) = I(o) e-x

sappelle galement le coefficient dattnuation linaire total.


sexprime en cm-1.

est caractristique de lnergie du rayonnement et du matriau considr.

De mme, la compacit du matriau est importante : masse volumique ( =m/v)

Le comportement est diffrent vis--vis du mme


Le comportement est diffrent vis--vis du mme

faisceau de photons,do la notion du coefficient

dattnuation massique : /

Unit : /: cm-1/g.cm-3 /:cm2 g-1

b. Couche de demi attnuation = CDA++

Cest lpaisseur de matire traverse qui

attnue de moiti lintensit du rayonnement:

I CDA = I0/2

I CDA = I0 e- (CDA) = I0/2

2 = e (CDA) Ln 2 = (CDA)


CDA = Ln 2 / = 0.693/ cm

Ex : Pour un faisceau de rayonnement de

1,14MeV, la CDA = 9,8mm pour le plomb.

Applications:

- Le plomb est utilis en mdecine

nuclaire , radiologie et radiothrapie pour la

protection contre les rayonnements ionisants.

- Pour chaque type de rayonnement, on


- Pour chaque type de rayonnement, on

prcise lnergie et la CDA

3. Phnomnes lmentaires :

Un faisceau de photons peut interagir avec :

* Les lectrons :

-Diffusion simple (Thomson Rayleigh)

-Effet compton +++

-Effet photo-lectrique +++.

* le noyau :


* le noyau :

-Matrialisation +++

-Ractions photo nuclaires.

Les principales interactions sont :

-Leffet photo-lectrique.

-Leffet compton.

-La matrialisation

A- Effet photo-lectrique : +++

* Phnomne primairePhnomne primaire : e- li.

Photon disparat.


El = nergie de liaison

Lnergie E = h du photon sert :

-extraire llectron de sa couche.

-communiquer llectron une Ec.

*Conditions :

- E > El

- llectron est li (K+++, L++, M+..).

* Phnomnes secondaires :


* Phnomnes secondaires :

Ionisations/ excitations des atomes du milieu.

Rorganisation du cortge lectronique avec mission

de :

rayonnement de fluorescence X(Z)

e- Auger.

* Probabilit dinteraction par effet photo-lectrique :

dpend : - de lnergie du photon : E

- de la cible : Z (cran).

= CK Z3

E3


augmente avec Z.

diminue avec E.

= masse volumique

C K = constante caractristique de la couche K.

Leffet prdomine :

- jusqu une nergie E = 0,5MeV (E 0, 5MeV).

- Z lev : noyaux lourds.

Application : Utilisation du plomb en radio-

protection car :


protection car :

- Les nergies utilises en

diagnostic mdical sont en

gnral 0,5MeV.

- Le plomb possde un Z trs

lev.

B- Effet Compton :

Description : cest une interaction entre un photon

h et un lectron libre ou li.

Llectron est projet selon un angle et le

photon est dvi selon un angle (0

m0 = masse de llectron au repos.

0 90r 0 180r

h


h

h =

1 + h(1- Cos )

m0c2

Ec(e-) = h - h

Ec(e-) = h - h

1+ h(1- Cos )


1+ h(1- Cos )

m0c2

Excitation

Llectron compton (Ec) +++

Ionisation

* cas extrmes :

a) choc tangentiel


a) choc tangentiel

h=h

Ec(e-) = 0

b)Rtrodiffusion :


*Probabilit dattnuation par effet Compton: (1MeV)+++

Z

c = K

h

Formule valable si E< 0.5 MeV (Z lger+/-)


c/ : Indpendant de Z

Lentement quand E

Aux nergies utilises en mdecine (E < 0,5 MeV), leffet compton existe, mais il reste peu probable lorsque Z est lev.

C- Effet de cration de paires = matrialisation :

Le mcanisme est possible si : h 1,022MeV.


avec disparition du photon.

E - 1,022MeV= Ece+ + Ece-

* Consquences :

-Le- perd son Ec par excitation/ionisation.

-Le+ sannihile en rencontrant un e- libre de la

matire.


* Probabilit dinteraction par production de paire : p

p = 0 lorsque E < 1,022 MeV

p : - croit avec Z.

- croit lentement avec h.

D- coefficient dattnuation total :

1. coefficient dattnuation linaire:

(cm-1) = + c + p

2. coefficient dattnuation massique : /


2. coefficient dattnuation massique : /

/ = / + c/ + p/

La variation de / en fonction de Z est moins grande que .

E. probabilit de lun des effets en fonction de Z :


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