InteractionsRayonnements - Matière

Pr. Laurent Dusseau

Équipe « Électronique et Rayonnements »05/12/2009

Cours M2 1

q p q yInstitut d’Électronique du Sud (IES)

Objectifs du cours

Pouvoir citer et décrire les phénomènes d’interaction rayonnement matière

Particules chargées lourdesÉlectronsPhotonsNeutrons

Pouvoir définir les grandeurs utilisées en interactionPouvoir définir les grandeurs utilisées en interaction rayonnement matière

Cours M2 2

PlanPlan

Gé é litéGénéralités

Interactions des particules chargées avec la matièrete act o s des pa t cu es c a gées a ec a at è eInteractions des particules chargées lourdes (proton, alpha, ion)Interactions des électrons avec la matière

Interactions des photons avec la matièreTypes d’interactionsFaisceau de photons dans la matière

Interactions des neutrons avec la matièreTypes d’interactionsPénétration des neutrons dans la matière

Cours M2 3

GénéralitésIntroduction

GénéralitésLes effets d’une irradiation dépendent des ionisations et excitations des atomes le long des trajectoires des particules ionisantes

Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est ionisants’il est susceptible d’arracher des électrons à la matières’il est susceptible d’arracher des électrons à la matière

C diti E( t) > ECondition : E(rayonnement) > Eb

Eb : Énergie de liaison des électrons considérés (au minimum 10 eV)

Électron-volt (eV) énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1V

Cours M2 4

Électron volt (eV) énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1V1 eV = 1,6 10-19 J

GénéralitésIntroduction

GénéralitésRayonnement

N i i t* I i tNon ionisant Ionisant

Directement ionisantIndirectement ionisant Directement ionisantParticules Chargées (e-, p, α...)

Indirectement ionisantParticule non chargées (photons, n)

Interaction

IonisationExcitation

ChaleurModifications chimiques et Particules chargées

Cours M2 5

Excitation qphysico chimique

GénéralitésInteractions des particules chargées avec la matière

GénéralitésInteraction : transfert d’énergie du rayonnement incident au milieu traversé

Électrons atomiquesNNoyaux

Dépendance : nature et énergie rayonnement, matièreTrois aspects sont à considérerTrois aspects sont à considérer :

Interaction elle-même : mécanismeConséquences sur la particule : ralentissement aboutissant à son arrêtConséquences sur la particule : ralentissement aboutissant à son arrêtConséquences sur le milieu : énergie déposée

Aboutissement aux effets des radiationsInteractions des particules chargées avec la matière sont à caractère obligatoire. Pour les autres elle est aléatoire

Cours M2 6

Interactions des particules chargées avec la matière

Pouvoir d’arrêtLes interactions aboutissent à un transfert d’énergie de la

Pouvoir d arrêt

particule aux électrons atomiques et (dans une moindre mesure) aux noyaux de la matièreL’é i d ité d l t défi iL’énergie perdue par unité de longueur parcourue est défini par le pouvoir d’arrêt S

dE Pouvoir d’arrêt linéaire : S

dldES =

Pouvoir d’arrêt massique : S/ρ1 2 1

[J.m-1] ou [MeV.cm-1]

[J.m².kg-1] ou [MeV.cm2.g-1]

Pouvoir d’arrêt massique de l’électron, proton, alpha dans l’eau

Cours M2 7

en fonction de l’énergie

Interactions des particules chargées avec la matière

Transfert d’énergie linéique (TEL)

Lorsqu’on s’intéresse au milieu absorbant (et non plus à la

Transfert d énergie linéique (TEL)

Lorsqu on s intéresse au milieu absorbant (et non plus à la particule), on utilise le TEL (LET Linear Energy Transfer)

Définition : énergie moyenne déposée localement (ionisation excitation) au milieu absorbant par une particule d’énergieexcitation) au milieu absorbant par une particule d énergie spécifiée qui traverse une distance donnée dans le milieu

LET = dE/dx [J.m-1]Souvent exprimé en keV/µm

Cours M2 8

Interactions des particules chargées avec la matière

Densité Linéique d’Ionisation (DLI)Aussi appelée ionisation spécifique (Is)

Densité Linéique d Ionisation (DLI)

Chaque interaction consomme une même quantité moyenne de l’énergie de la particule => calcul du nombre de paires d’ions créés par unité de longueur

DLI = LET / WW : énergie nécessaire moyenne pourW : énergie nécessaire moyenne pour

créer une paire d’ions

- Perte d’énergie augmente avec la profondeur

α (E=7,69 MeV) dans l’air- Plus v diminue => plus dE/dx augmente- Neutralisation et arrêt de la particule à la fin

Cours M2 9Rq : Applications en radiothérapie, radioprotection

Interactions des particules chargées avec la matière

Parcours (range)Particules chargées perdent leur énergie progressivement en

Parcours (range)

pénétrant dans la matière et finissent par êtres arrêtéesNotion de parcours : distance au-delà de laquelle des

ti l t t t l t b bé l tièparticules sont totalement absorbées par la matière

dEER 10

−

∫∫ ⎟⎞

⎜⎛ dE

dxdEdxR

00∫∫ ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛==

Parcours de quelques particules

Cours M2 10

dans l’eau

Interactions avec électrons du milieuInteractions des particules chargées avec la matière

Interactions avec électrons du milieu

Interaction coulombienne où la particule chargée cède sonInteraction coulombienne où la particule chargée cède son énergie au milieu

Ionisation : éjection d’un électron du cortège électroniqueo sat o éjec o d u é ec o du co ège é ec o queExcitation : transfert d’un électron sur une couche électronique différente

Particule ralenti progressivement avant de ’ ê l l’é i ds’arrêter lorsque l’épaisseur du

milieu sera suffisanteP t d’é i lli iPerte d’énergie par collisionCaractérisée par le pouvoir d’arrêt par collision

Cours M2 11

d arrêt par collision

Interactions avec noyaux du milieuInteractions des particules chargées avec la matière

Interactions avec noyaux du milieuParticule interagit avec champ coulombien du noyau

Particule a proximité du noyau peut subir une accélération ou décélérationChangement de vitesse se traduit par une émission électromagnétiqueChangement de vitesse se traduit par une émission électromagnétique(rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung) donc une perte d’énergieIntensité rayonnement de freinage proportionnelle à (Zmilieu²/Mparticule²)

Perte d’énergie radiativeCaractérisée par le pouvoir p pd’arrêt par radiationDirection d’émission du bremsstrahlungtend à être de plus en plus dans la direction incidente de la particule quand l’énergie de cette dernière augmente

Cours M2 12

Interactions des électrons avec la matière

Ralentissement des particulesDifférents mécanismes d’interactions

Ralentissement des particulesDifférents mécanismes d interactions

Le pouvoir d’arrêt comporte différente composantesp p p

nuclradcolltotal

ddE

ddE

ddESSSS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=++= .1.1.1)(

nuclradcoll dxdxdx ⎠⎝⎠⎝⎠⎝ ρρρρρρρ

Pouvoir d’arrêt électronique (ou de collision) dû aux collisions avec les électrons atomiquesPouvoir d’arrêt radiatif provenant des émissions de rayonnement de freinagede freinagePouvoir d’arrêt nucléaire dû aux collisions élastiques coulombienne dans lesquelles l’énergie est transférée aux atomes

Cours M2 13

Cas des particules chargées lourdesInteractions des particules chargées avec la matière

Cas des particules chargées lourdesPerte d’énergie par choc coulombien avec les électrons atomiques est le phénomène prépondérantPouvoir d’arrêt

Provient presque exclusivement de la composante coulombienneUniquement à faible énergie que composante nucléaire non négligeable

Existence d’une trajectoire rectiligneExistence d’une trajectoire rectilignePerte d’énergie par choc sur les électronsPerte d’énergie faible à chaque chocPerte d énergie faible à chaque chocParticule ne subit qu’une faible déviation

Cours M2 14

Interactions des particules chargées avec la matière

Cas des électronsPhénomène prédominant

Cas des électrons

Jusqu’à énergie moyenne (< 10 MeV dans Pb) : interactions avec les électrons atomiques sont prédominantesÉnergie importante (> 10 MeV dans Pb) : rayonnement de freinageÉnergie importante ( 10 MeV dans Pb) : rayonnement de freinage prédomine

ZTS dPouvoir d’arrêt700

.ZTSS

coll

rad ≈

TrajectoireTrajectoireLors d’une collision, le changement de trajectoire est important dans le cas des électronsTrajectoire brisée avec possibilité de rétrodiffusion

Cours M2 15

rétrodiffusion

Interactions des particules chargées avec la matière

Effet CerenkovÉmission de lumière tout

Effet Cerenkov

au long de la trajectoire d’une particule

Condition : il faut que la vitesse (v) de la particule soit supérieure à(v) de la particule soit supérieure à la vitesse (c) de la lumière dans le milieu considéré (n indice de éf ti )réfraction)

cv >

Observé pour les électrons

nv >

Radiation Cerenkov provenant de l'intérieur du

Cours M2 16

Observé pour les électrons Radiation Cerenkov provenant de l intérieur du cœur du réacteur nucléaire Triga

Rayonnements électromagnétiquesInteractions des photons avec la matière

Rayonnements électromagnétiques

R X i i él t iRayons X : origine électroniqueRayonnement de freinage (rayons X continus)Transitions entre les couches électroniques (retour à l’état fondamental)Transitions entre les couches électroniques (retour à l état fondamental)

Rayons γ : origine nucléaireTransitions nucléaires (radioactivité)Photons d’annihilation (combinaison positon avec électron)

Rx et Rγ : même comportement vis à vis de la matièreQuelque soit l’origine : E = hν = (hc)/λq g ( )

Interaction de type aléatoire (non obligatoire)

Cours M2 17

Interactions photons - matièreInteractions des photons avec la matière

Différents mécanismes d’interaction en fonction de l’énergie du

Interactions photons matière

Différents mécanismes d interaction en fonction de l énergie du photon et du lieu d’interaction

Énergie perdue par un photon d’énergie initiale E0

0 0 < E < E0 E0

Lieu d’interaction Diffusion Élastique Diffusion Inélastique Absorption

Electrons Thomson - Rayleigh Compton Photoélectrique

Noyau - - Photonucléaire

Champ électromagnétique - - Création de paires

Cours M2 18

Diffusion élastiqueInteractions des photons avec la matière

Diffusion élastiqueDiffusion Thomson

Photon absorbé par un électron atomique (a)Mise en oscillation forcée deMise en oscillation forcée de l’électron (b)Réémission d’un photon (même E, direction ≠) (c)

Diffusion Rayleigh ou hécohérentePhoton interagit avec tous l él t d l’ t ( )les électrons de l’atome (a)Oscillations en phase (b)Émission d’un photon (c)

Cours M2 19

Émission d un photon (c)

Probabilité de la diffusion élastiqueInteractions des photons avec la matière

Probabilité de la diffusion élastiqueConcerné : photon faible énergie (lumière, Rx mous)Coefficient massique d’atténuation (σR/ρ) varie

σR/ρ α 1/(hν)²/ ZσR/ρ α Z

Dans les tissus et matériaux équivalents tissus ( Z=7 5)Dans les tissus et matériaux équivalents tissus ( Z=7,5)Importance relative faible de la diffusion élastique par rapport aux autres types d’interactions des photonsContribution seulement de quelques % au coefficient d’atténuation total

Cours M2 20

Effet Photo-électriqueInteractions des photons avec la matière

Effet Photo électriquePhénomène

Photon cède son énergie à un électron lié (absorption) (a)Électron (photoélectron) éjecté hors de l’atome avec énergie cinétique T T = hν - Eb (Eb énergie de liaision) (b)T hν Eb (Eb énergie de liaision) (b)

Réorganisation de l’atomeÉmission de rayons X de fluorescence (Rx caractéristiques) (a)

Cours M2 21Émission électron Auger (b)

Probabilité de l’effet Photo-électriqueInteractions des photons avec la matière

Probabilité de l effet Photo électriqueRéaction à seuil : hν ≥ EbRéaction à seuil : hν ≥ Eb

Coefficient massique d’atténuation (τ/ρ) varieτ/ρ α 1/(hν)3τ/ρ α 1/(hν)τ/ρ α Z3

Rq : raison pour laquelle les matériaux à Z élevé (Pb Z=82) sont utilisés pour absorber les photons

Direction de l’émission du photoélectron varie avec l’énergie du photonPlus hν grande, plus grande sera la probabilité que le photoélectron soit émis dans la même direction que le photon

Cours M2 22

Effet Compton (Diffusion incohérente)Interactions des photons avec la matière

Effet Compton (Diffusion incohérente)

PhénomènePhénomènePhoton incident entre en collision avec un électron peu lié (couche superficielle) (a)Électron recule avec énergie cinétique : T= hν – hν’ - Eb

Photon diffusé avec une énergie hν’ < hν (b)

Cours M2 23

Probabilité de l’effet ComptonInteractions des photons avec la matière

Probabilité de l effet ComptonCoefficient massique d’atténuation (σc/ρ) varie

σc/ρ α 1/(hν) (diminue avec l’énergie)σc/ρ α indépendant Z (dépend de la densité électronique)

Effet de l’énergie du photon incidentLa direction du photon diffusé dépend deLa direction du photon diffusé dépend de son énergie

Émission vers l’avantE photon diffusé ~ E photon incidentÉmission vers l’arrière (rétrodiffusion)E photon diffusé est minimalep

Électron toujours éjecté vers l’avant (0<φ<90°)

Cours M2 24

Création de paires (matérialisation)Interactions des photons avec la matière

Création de paires (matérialisation)Phénomène

Matérialisation d’une paire électron – positon Disparition du photon au voisinage du noyauExcédent d’énergie du photon incident est distribué en énergie cinétiqueExcédent d énergie du photon incident est distribué en énergie cinétique pour l’électron et le positon (A)hν = Te- + Te+ – 2mec²

Positon rapidement freiné (ionisation + excitation)(ionisation + excitation)Annihilation positon avec électron du milieuÉmission de 2 photons de 511 keV (B)

Cours M2 25

Probabilité de la création de pairesInteractions des photons avec la matière

Probabilité de la création de pairesRéaction à seuil : hν ≥ 2mec²e

Coefficient massique d’atténuation (κ/ρ) varieCoefficient massique d atténuation (κ/ρ) varieκ/ρ α hν (augmente avec l’énergie)κ/ρ α Z

Probabilité d’avoir une création de paire électron - positon dans l’aluminium en fonction d l’é ide l’énergie

Cours M2 26

Réaction photonucléaire ou photodésintégration

Interactions des photons avec la matière

Réaction photonucléaire ou photodésintégration

Réaction à seuil : hν ≥ 10 MeV (effet devient significatif)Phénomène

Absorption du photon par le noyau (a)É i i d’ l i lé ( ( ) ( ) ) (b)Émission d’un ou plusieurs nucléons (ex : (γ, n), (γ, p)…) (b)Noyau se retrouve dans un état excité (il sont donc généralement radioactifs)(il sont donc généralement radioactifs)Émission photon gamma pour revenir à l’état fondamental

Cours M2 27

Importance relative des interactionsInteractions des photons avec la matière

Importance relative des interactionsCoefficient d’atténuation linéique : µ

Représente la probabilité d’interaction / unité de longueur [cm-1]Dépend : nature du matériau et énergieDépend : nature du matériau et énergie photon

Pour un photon (E) et un milieu (Z) donnés, le coefficient d’atténuation linéique (et massique) est la somme deslinéique (et massique) est la somme des coefficients liés à chaque interaction

μ = τ + σR + σc + κ [cm-1]1μ/ρ = τ/ρ + σR/ρ + σc/ρ + κ/ρ [cm².g-1]

Coefficient massique d’atténuation pour le plomb dans une gamme d’énergie

Cours M2 28

photon entre 10-2 et 100 MeV

Relations avec les sections efficacesInteractions des photons avec la matière

Section efficace : σ, d’une entité cible pour une interaction d it d ti l h é t l t

Relations avec les sections efficaces

produite par des particules chargées ou non, est le rapport entre la probabilité d’interaction P pour une cible qui est soumise à une fluence de particule φsoumise à une fluence de particule φ

φσ P

= [cm²] Barn : 1 b = 10-28 m²

Soit σ la section efficace totale d’atténuationµ est la section efficace macroscopique d’atténuation

φσ.nµ =

µ est la section efficace macroscopique d atténuationn le nombre de cible élémentaire par unité de volume de la cible

N N b d’A d

ANn a.ρ

=Na : Nombre d’AvogradoA : nombre de masse de la cibleρ : masse volumique de la cible

Cours M2 29

ρ : masse volumique de la cible

Prédominance des interactionsInteractions des photons avec la matière

Prédominance des interactions

Ex : photon 100 keV - dans du plomb (Z = 82) : effet photoélectrique prédominant

Cours M2 30- dans des matériaux ET (Z = 7,5) : effet Compton prédominant

Interactions des photons avec la matière

Loi d’atténuation exponentielleSon devenir ?

Milieu (absorbant)

Diffusion

Loi d atténuation exponentielle

Source

Diffusion

Cible

DétecteurFaisceau de photonsÉtroit Cible

- Plane- Mince

dxN N - dN- Étroit

- Monoénergétique- Collimaté

Atténuation du faisceau par la cible mince (dN photons produisent des interactions dans la cible) dN(x) = µ N(x) dxproduisent des interactions dans la cible) dN(x) = - µ.N(x).dxAtténuation des photons est exponentielle

)()0()( µxNN −

Cours M2 31

)().0()( µxeNxN =

Interactions des neutronsInteractions des neutrons avec la matière

Interactions des neutronsRéactions peuvent être élastique ou non élastique

ÉÉlastique : conservation de l’énergie totale du système (neutron+ noyau)Non élastique : énergie totale du système non conservéeRq : réaction inélastique = réaction non élastique dans laquelle le noyauRq : réaction inélastique = réaction non élastique dans laquelle le noyau cible n’est pas modifié

Différents types d’interactionsÉlastique (n, n) Prépondérante dans le

Diffusionq ( , )

Inélastique (n, n’)domaine rapide

(conservation du neutron)

AbsorptionCapture (n, γ) (n, α) (n, p) Prépondérante dans le

domaine thermique(di iti d t )

Cours M2 32Fission (n, fission) (disparition du neutron)

Généralités sur les neutronsInteractions des neutrons avec la matière

Généralités sur les neutronsParticule neutre : non sensible à l’action d’un champ électriqueI t ti l t l ti l d ti dInteraction avec les noyaux et les particules => production de particules secondaires chargées => production des ionisations dans le milieu par chocpInteraction dépend

Noyau cible (nombre de nucléons dans la cible)É i dÉnergie du neutron

Catégorie ÉnergieNeutrons

σ varient avec l’énergie => Neutrons

lents ou thermiques En< 0,5 eV

Neutrons intermédiaires ou0 5 V E 10 k V

l énergie => classification des neutrons en fonction

épithermiques 0,5 eV < En< 10 keV

Neutrons E > 10 keV

neutrons en fonction de leur énergie

Cours M2 33rapides En> 10 keV

Interactions des neutrons avec la matière

Réactions de diffusionDiffusion élastique (n n)

Réactions de diffusionDiffusion élastique (n, n)

Neutron arrivant sur un noyau est diffuséConservation de la nature de la particule et d l’é i i éti d tde l’énergie cinétique du neutronRéaction sans seuilPerte d’énergie dépend de la masse du noyau

Diffusion inélastique (n n’) (n n’ γ)Diffusion inélastique (n, n ) (n, n γ)Neutron incident est absorbé par la noyauFormation d’un noyau composé puis émission d’ td’un neutronRetour au niveau fondamental en émettant un ou plusieurs photons

Cours M2 34

Réaction à seuil

Interactions des neutrons avec la matière

Réactions de captureCapture radiative (n γ)

Réactions de captureCapture radiative (n, γ)

Absorption du neutron => formation d’un noyau composéDésexcitation par émission γ (nouveau noyau est un isotope)Réaction importante à basse énergie, σ varie en (1/vneutron)Réactions sans seuil

Transmutations (n α) (n p)Transmutations (n, α) (n, p)Neutron est absorbé par le noyauRéaction à seuilDésexcitation par émission d’une particule chargé (modification noyau cible)Rq : Proton ou α émis peut permettre la détection des neutrons

Réactions (n 2n)Réactions (n, 2n)Noyau produit est un isotope du noyau cible (moins riche en n : ↓ N/Z)Émission de 2 neutrons.

Cours M2 35Rq : noyau peut devenir instable => émetteur β+

Réactions de fission (induite)Interactions des neutrons avec la matière

Réactions de fission (induite)Les réactions de fissions sont généralement induites par des g pneutrons sur certains noyaux lourds

Absorption du neutron provoque une excitation de tous les nucléonstous les nucléons

le noyau se déforme et se scinde en 2 fragments de fission2 ou 3 neutrons sont émis simultanément et instantanément à la fission On parle de neutrons prompts

Rq : les neutrons obtenus peuvent induire à leur tour de nouvelles fissions (réaction en chaîne)de fission (neutrons rapides)

S’accompagne d’un dégagement de chaleur (d’énergie)

en chaîne). Elle est contrôler dans les réacteurs nucléaires. La réaction peut devenir explosive c’est

Cours M2 36

La réaction peut devenir explosive, c est le cas de la bombe atomique (bombe A).

Interactions des neutrons avec la matière

Pénétration dans la matièreComme les photons, les neutrons ne sont pas directement i i t P d ti d ti l h é d i

Pénétration dans la matière

ionisants => Production de particules chargées secondaires

Q tité défi it d l d h t t t l bl dQuantités définit dans le cas des photons restent valables dans celui des neutrons

Loi d’atténuation exponentielle ).()( xµeNxN −=Loi d atténuation exponentielleNotion de libre parcours moyenCoefficient caractéristique (µ/ρ)

)/1( µ=λ

)(.)( µeNxN =

q (µ ρ)

Dépôt d’énergie se déroule en deux étapesp g pTransfert une partie de l’énergie aux particules chargéesDépôt d’énergie, par ionisation et excitation,des particules chargées

Cours M2 37