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INTERACTIONS RAYONNEMENTS MATIERE Pr.H.Boulahdour Année 2007 1 ère partie

INTERACTIONS RAYONNEMENTS MATIERE

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INTERACTIONS RAYONNEMENTS MATIERE. 1 ère partie. Pr.H.Boulahdour Année 2007. PENETRATION DES RAYONNEMENTS DANS LA MATIERE. Trajectoires des rayonnements déviés sous l’influence des champs électriques intra atomiques ou à l’occasion de collisions avec les particules présentes (e - , noyaux). - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: INTERACTIONS RAYONNEMENTS MATIERE

INTERACTIONS

RAYONNEMENTS

MATIERE

Pr.H.Boulahdour

Année 2007

1ère partie

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PENETRATION DES RAYONNEMENTS DANS LA MATIERE

Trajectoires des rayonnements déviés sous l’influence des champs électriques intra atomiques ou à l’occasion de collisions avec les particules présentes (e-, noyaux).

Interactions successives perte d’énergie : Absorption

Rayonnement

E. De 1 MeV à 10 MeV ( v = 7 000 à 20 000 Km/Sec. Une particule de 2 charges électriques est fortement absorbée. Trajet en ligne droite car particule de masse élevée (A = 4 et M = 7 000 fois plus que M électrons).

A la surface de la peau, l’énergie est absorbée dans les cellules les plus superficielles (couche cornée cellules mortes). Donc radioprotection simple mais si interne, irradiation forte de la cellule mais pas des cellules éloignées.

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Rayonnement

e- ou e+. E. varie de 0 à E max (spectre continu). Ex : 0.018 MeV pour tritium et 6.1 MeV pour fluor.

une seule charge électrique ; moins rapidement absorbé ; pénétration plus profonde. Le parcours moyen d’une fraction de micron à quelques millimètres dans les tissus (dépend de l’énergie).

La trajectoire est sinueuse surtout en fin de parcours.

A la surface de la peau, pénétration jusqu’aux couches profondes de l’épiderme où elle délivre une grande partie de son énergie

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Rayonnement gamma (et X)

Radiations électromagnétiques (vitesse de la lumière dans le vide). Energie sous forme de corpuscule sans charge et de masse négligeable (photons). Emission mono-énergétique (Ei – Ef = h) caractéristique du radioélément émetteur. Ces particules ( et X) non chargées pénètrent facilement le corps humain.

Plusieurs cm de plomb sont nécessaires pour se protéger des rayons .

X Radiodiagnostic ; Médecine Nucléaire

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Neutrons

Charge nulle donc insensibles aux champs électriques dans les atomes. Dépôt d’énergie par collision avec les noyaux.

Les neutrons traversent aisément les métaux les plus lourds mais sont ralentis par les atomes légers (hydrogènes) donc par le corps humain.

Bombe à neutrons

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Ionisations et excitations des atomesIonisation paire d’ions (e- et ion +).Excitation noyau excité, instable

Energie de liaison des atomes de la matièrePour H 13.6 eV

Pour couche K du Ca 4 083 eV

Dans un milieu aqueux : un rayonnement d’énergie 32000 eV produit en moyenne 1000 ionisations donc l’énergie moyenne pour provoquer une ionisation est de 32 eV (énergie moyenne par ionisation).

Ex : une particule de 1 MeV entièrement absorbée produit

Il se produit dans le même temps 100 000 excitations

61030000 ionisations

32

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Les rayonnements

Directement ionisants : ,

Indirectement ionisants : X, , neutrons (interaction primaire ionisations provoquées par la mise en mouvement de particules ; électrons et protons)

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TRANSFERT DE L’ENERGIE AU MILIEU

Interactions successives ralentissement de la particule stabilisation en fin de parcours (E = 0.025 eV).

W partie de l’énergie cédée au milieu.

W entièrement ou partiellement communiquée au milieu.

1. Si W < E liaison de l’e- soit énergie d’excitation soit énergie thermique (ici E entièrement absorbée par la molécule.

2. Si W > E liaison de l’e- ionisation possible, avec

21Ec mv W E liaison

2

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Ec transférée par ionisation, excitation ou transfert thermique

Si W < 100 eV, Ec absorbée au voisinage immédiat de l’interaction (grappes d’ionisation)

Si W > 100 eV, Ec transférée à distance. W dépendant de la distance.

Ces e- éjectés appelés électrons delta forment des grappes d’ionisation en fin de parcours.

Au terme du parcours de l’é- : la moitié de l’Ec est transférée sous forme d’ionisations et l’autre moitié sous forme d’excitations ou transferts thermiques.

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ABSORPTION DE L’ENERGIE PAR LE MILIEU : DISTRIBUTION SPATIALE DE CETTE ENERGIE

Ionisations isolées répartition

Ionisations groupées hétérogène

Dépôts d’énergie

Transfert Linéique d’Energie (TLE)

en KeV par mE

TLE nL

icro

Rayonnement alpha

TLE élevé car porteur de 2 charges et donc fortement ionisant.

Ex : une particule de 5 MeV du Pu 239 a un trajet en ligne droite de 40 µm. Densité d’ionisation élevée dans un cylindre de 40 µm de long et < 1 µm de diamètre

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Rayonnement bêta

TLE faible car faiblement ionisant (une seule charge électrique).

Un e- de 1 MeV a un trajet d’abord rectiligne puis sinueux.

Densité d’ionisation faible sur ce trajet sauf en fin de parcours où grappes d’ionisation

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Rayonnement gamma et X

Directement ionisant

Indirectement ionisant (majorité des ionisations électrons éjectés avec une grande énergie cinétique

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1

1mv2 h E2

Effet Compton

' 21

1h h mv E

2

Matérialisation

h e e

Donc l’essentiel des ionisations est due aux électrons secondaires

Absorption

Effet photo - électrique

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Un photon de 300 KeV éjection d’1 e- par effet Compton avec une Ec de 100 KeV directement une ionisation ≈ 3 000 ionisations sont induites indirectement par l’e- secondaire

Le TLE de l’ordre de grandeur de celui des e-. Radiations faiblement ionisantes.

Neutrons

Indirectement ionisants.

Collisions avec les noyaux 90 % sont des collisions élastiques (pour neutrons rapides de 1 MeV cad 10 Km/sec neutron dévié, Ec communiquée au noyau noyau devient la particule ionisante. Ec perdue est d’autant plus grande que la masse du noyau est faible (Hydrogène). Les particules ionisantes sont le plus souvent des protons (fortement ionisantes).

Le TLE est élevé. Les neutrons peuvent être capturés par les atomes qui deviennent radioactifs

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DOSE ABSORBEE ET DISTRIBUTION SUBMICROSCOPIQUE DE L’ENERGIE

Dose absorbée (Gray, Gy) Distribution microscopique Effet biologique

1 Gy = 1 joule / Kg : Energie moyenne absorbée dans un organe

Limites à l’échelon microscopique

Energie délivrée non pas de façon homogène mais de façon discontinue par paquets de dimensions submicroscopiques et de densités variables.

Exemples

- Un noyau de quelques µm de diamètre dose de 1 Gy

- 2 rayonnements différents de TLE ≠

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Un dose de 1 Gy absorbée dans un noyau de 10-10 g 20 000 ionisations (2 000 affectent la molécule d’ADN) (ADN = 6 10-12 g).

La répartition est ≠ selon le TLE

Au voisinage immédiat de la trajectoire de la particule (TLE élevée) ; densité d’ionisation très élevée.

Ionisations ou excitations très dispersée si TLE faible. Grappes d’ionisations déposées à la partie terminale du trajet des e- (dépôts d’énergie de densité élevée dans des volumes submicroscopiques.

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