INTERACTIONS RAYONS X ET γ AVEC LA MATIERE

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1 INTRACTIONS RAYONS X T γ AVC LA MATIR I. GNRALITS. Faisceau incident : caractérisé par son flux : Φ o Faisceau transmis flux caractérisé par son flux Φ Φ < Φ o : atténuation II. FFT THOMSON. Interaction poton électron libre : diffusion sans cangement de longueur d onde, importante pour les potons peu énergétiques, négligeable pour les potons X ou γ. III. FFT COMPTON. A. Interaction entre un poton et un électron planétaire (peu lié) de l atome. - Interaction appelée collision ; coc élastique : conservation de l énergie et de la quantité de mouvement poton incident = (en kev, en MeV ou en J) poton diffusé = (en kev, en MeV ou en J) cinétique de l e- = ce- (en kev, en Mev ou en J) = ce- soit en J = ce < λ > λ λ = λ - λ = m oc ( - cosθ ) Avec λ et λ en Å λ = λ - λ = 0,024 ( - cosθ ) /5

2 = m - cos θ ( ) oc2 ce- = [ mc ] -cos θ ( ) - λ est indépendant de λ ; l effet Compton sera d autant plus important que λ est petit λ peut être déterminé par la relation de Duane et Hunt λ(å) = (ev) On en déduit λ (Å) = λ(å) 0,024 ( cosθ) puis v par la relation de Duane et Hunt 2400 (ev) = puis ce- = λ On peut aussi calculer = mc - cos θ ( ) puis ce- = Si est en kev m o c 2 = 5 kev, si est en MeV m o c 2 = 0,5 MeV θ varie de 0 (coc tangentiel) à 80 (coc frontal ) ϕ varie alors de π/2 à 0 : l électron de recul est toujours projeté en avant B. Coc frontal. θ = 80 ϕ = 0 λ est alors maximal : λ = 0,048 A λ est maximal et minimal ce- est alors maximale = cmax = 2. mc cmax = mc 2. cmax = 0,5 2. cmax = 2. 5 Si cmax en J v = Si cmax et en MeV Si cmax 880et en kev C. Coc tangentiel. θ = 0 ϕ = π/2 λ = 0 λ = λ = ce- = 0 D. Plus l énergie du poton incidente est grande, plus la fraction transférée à l électron de recul est grande.. Direction des potons diffusés et des électrons de recul. Cas des potons incidents de faible énergie ( < 0 kev) Les potons diffusés sont émis à peu près équitablement dans toutes les directions ; les électrons sont émis vers l avant. Cas des potons incidents de forte énergie ( > MeV) Les potons diffusés et les électrons de recul se regroupent en moyenne autour de la direction du poton incident. 2/5

3 IV. FFT PHOTOLCTRIQU. - L énergie du poton incident est totalement absorbée : anniilation du poton v = ce- l l, énergie de liaison de l électron Souvent l est négligeable ( de l ordre de500 ev pour la couce K des éléments légers des tissus ) par rapport à ce- = v - Accompagnée d émission de potons de fluorescence : spectre de raies - Direction des potoélectrons : Perpendiculaire au poton incident lorsque est faible Dans la même direction du poton incident si est élevé V. FFT D MATRIALISATION : CRATION D UN PAIR D PARTICULS MATRILLS. Se produit lorsque des potons très énergétiques passent à proximité d un noyau : matérialisation du poton sous forme d un électron et d un positon de même masse et d énergies cinétiques c- et c A la fin de son parcours, le positon s anniile avec un électron donnant naissance à deux potons de 0,5 MeV diffusant dans des directions opposées Conservation de l énergie = 2m o c 2 ce- ce L énergie du poton doit être supérieure à,022 MeV (2 m o c 2 ) Pénomène d absorption et de diffusion VI. RACTION NUCLAIR. Ne se produit que pour des potons d énergie très élevée x : réaction (γ,n) ; réaction isotopique A X 0 n Z A X 0 0 γ Z 3/5

4 VII. LOI D ATTNUATION. Faisceau monocromatique,caractérisé par son nombre de potons N (par unité de temps) ou son flux Φ o N = N o e µ.x Φ = Φ o. e µ.x x épaisseur de matière traversée µ est le coefficient d atténuation linéaire en cm -, etc µ = dn Ndx : probabilité d interaction, pour un poton, par unité d épaisseur de matière Couce de demi-atténuation CDA épaisseur qui atténue de moitié le flux Pour x = CDA Φ = Φo 2 d où CDA = Ln2 µ CDA en cm si µ en cm - Remarque : Pour une épaisseur x Φ = Φo k CDA µ dépend de l énergie des potons, de la nature et de l état pysique du matériau traversé. 2 avec k = x Coefficient d atténuation massique µ m = µ ρ en cm2.g - µ m ne dépend que de l énergie des potons et de la nature du matériau µ m = à cm 2 dn N ρdx probabilité d interaction des potons incidents par unité de masse de matière de section droite égale VIII. DOMAIN PRATIQU DS INTRACTIONS SLON L NRGI DS PHOTONS INCIDNTS µ peut s exprimer par µ = σ τ ε - τ coefficient relatif à l atténuation par effet potoélectrique - σ coefficient relatif à l atténuation par effet Compton - ε coefficient relatif à l atténuation par effet de matérialisation Domaine pratique des interactions selon l énergie des potons incidents n abscisses en écelle logaritmique Radiodiagnostic : de 30 à 00 kev Radiotérapie : R.X (tube de Coolidge ) de 50 à 200 kev Rayons γ du 60 Co : = MeV Rayons X émis par un bétatron de 0 à 20 MeV n ordonnées numéro atomique des éléments 4/5

5 La probabilité d interaction par effet potoélectrique diminue lorsque augmente La probabilité d interaction par effet Compton est maximum pour de l ordre de MeV La probabilité d interaction par effet de matérialisation augmente lorsque augmente Pour l eau et milieux légers < 50 kev effet potoélectrique prépondérant 50 kev < < 20 MeV effet Compton prépondérant > 20 MeV effet de matérialisation prépondérant Pour le plomb < 500 kev effet potoélectrique prépondérant 500 kev < < 5 MeV effet Compton prépondérant > 5 MeV effet de matérialisation prépondérant 5/5