Interaction Rayonnement Matière

Transcription

1 Interaction Rayonnement Matière Emmanuel vient : Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen Infos sur le cours sur le WEB : Cliquer ensuite sur : vient@lpccaen.in2p3.fr tel: Sciences & techniques UFR de Sciences Physique M1 puis Interaction Rayonnement Matière E.VIENT 1

2 Chapitre I Introduction E.VIENT 2

3 Les rayonnements ionisants Nous allons essentiellement nous intéresser cette année à l interaction entre des rayonnements, que l on rencontre en physique du solide, atomique, nucléaire et physique des particules, et la matière. Ces rayonnements ont potentiellement des énergies comprises entre 10 ev et quelques TeV pour les rayonnements produits sur terre jusqu à quelques centaines de joules (1 J 6, ev) pour ceux de l univers. Ils ont donc potentiellement l énergie nécessaire pour ioniser la matière d où cette dénomination de rayonnement ionisant. E.VIENT 3

4 Pourquoi étudier une telle interaction? Ces rayonnements sont constitués de particules sub-atomiques qui sont extrêmement petites ( de m à m) et rapides (de m/s à m/s). Le processus d interaction avec la matière est le moyen principal pour les étudier expérimentalement. Il va y avoir lors de cette interaction un transfert d énergie entre la particule et la matière. La compréhension de ce processus va permettre de savoir : Comment construire des détecteurs pour ce type de rayonnement. Comment se protéger de ces rayonnements. Comment utiliser leur capacité éventuelle à traverser la matière pour faire de l imagerie de la matière. Comment ils agissent sur la matière vivante. E.VIENT 4

5 Quels sont ces rayonnements? En Physique des particules Photons, électrons, muons, hadrons (quarks souvent sous forme de k,π,p,n,λ ) et neutrinos ν. En Physique nucléaire Alphas, bêtas, fragments de fission, ions lourds, photons γ ou X et neutrons. En Physique atomique et Physique du solide Alphas, électrons, photons visibles, UV, γ ou X et neutrons. Donc des particules soit chargées soit neutres E.VIENT 5

6 Origine naturelle des rayonnements Le rayonnement cosmique origine: le soleil, la galaxie, les autres galaxies nature: protons, alphas, muons, électrons, X, nombre: 240 particules /m 2 /s Le rayonnement émis par les radioéléments naturels nature: alphas, électrons, rayons X, fragments de fission et γ, neutrons nombre: dépend de l activité de la source E.VIENT 6

7 Origine artificielle Les faisceaux réacteurs, accélérateurs de particules, tubes à rayons X, laser X, scanners, tubes cathodiques nature: électrons, protons, alpha, ions lourds, neutrons, rayons X nombre: 1 million à 1 million de milliards de particules/cm 2 /s Le rayonnement émis par les radioéléments artificiels nature: alpha, électrons, photons X et γ, neutrons fragments de fission nombre: dépend de l activité de la source E.VIENT 7

8 La matière Elle peut se présenter dans différents états physiques possibles selon les conditions thermodynamiques imposés ou voulues: «Solide» : cristal, verre, plastique, gel Les atomes ou les molécules sont liés à leurs plus proches voisins. Liquide Les atomes ou les molécules sont liés à des voisins variables. Gaz Les atomes ou les molécules ne sont plus liés entre eux mais interagissent à faible distance E.VIENT 8

9 Cristal La matière Réseau Cristallin Atome Electron De l ordre du centimètre Nucléon De l ordre du l Angström noyau Quark De l ordre du Fermi E.VIENT 9

10 On s attend donc à une éventuelle interaction entre la particule et au moins un atome de la matière. Il va alors y avoir un échange d énergie ou de quantité de mouvement entre ces deux particules Il peut être représenté : Par la «diffusion» d une fonction d onde (en Mécanique quantique). Par un échange de particule vecteur (en physique des particules). Par une variation d énergie potentielle. Par une force et donc une variation de quantité de mouvement. E.VIENT 10

11 On verra que le passage d une particule dans la matière a deux effets principaux qui sont la perte d énergie par la particule et une déflexion éventuelle de sa trajectoire. Les processus qui gouvernent le freinage des particules dans la matière sont complexes. Ils peuvent être simplifiés en considérant quatre processus de base en jeu : Collisions élastiques avec les électrons atomiques de la matière. Collisions inélastiques avec les électrons atomiques de la matière. Collisions élastiques avec les noyaux de la matière. Collisions inélastiques avec les noyaux de la matière. Le processus de collisions inélastiques avec les électrons atomiques est le processus dominant comme une comparaison de sections efficaces géométriques approchées peut le montrer : E.VIENT 11

12 Il va donc y avoir potentiellement des interactions successives entre le rayonnement et plusieurs atomes du milieu traversé (principalement avec les électrons du cortège) Quelles sont les interactions fondamentales en jeu? Interaction électromagnétique Particule chargée Electron atomique : excitation ou ionisation de l atome Noyau : diffusion (élastique ou inélastique), Bremsstrahlung (rayonnement de freinage), production de paires e+/e- Rayonnement cohérent : effet Cerenkov, rayonnement de transition Particule neutre massique: (presque) pas d interaction Photon Electron atomique : diffusion Compton, effet photoélectrique Noyau : production de paires e+/e- E.VIENT 12

13 Quelles sont les interactions fondamentales en jeu? Interaction forte Négligeable sauf entre les hadrons de haute énergie et les noyaux Interaction faible Négligeable la plupart du temps, sauf pour les neutrinos Les particules neutres sont généralement détectées par le biais des particules chargées secondaires créées lors de l interaction avec la matière Généralement, à basse énergie (physique nucléaire), les interactions avec les électrons atomiques sont dominantes, tandis qu à haute énergie (physique des particules), les interactions avec les noyaux sont dominantes. E.VIENT 13

14 Chapitre II Les particules chargées E.VIENT 14

15 1.Les particules lourdes chargées 1.1 Introduction On considère comme particules lourdes chargées ici que des particules de masse m mµ 200 me (ie tout sauf les électrons et positrons) : µ±, π±, α, p, ions lourds..etc Leurs modes d interaction possibles avec la matière 1-Interaction coulombienne avec les électrons du milieu 2-Interaction avec les noyaux du milieu E.VIENT 15

16 Interaction avec les électrons du milieu A basse énergie, une particule lourde perd de l énergie dans la matière lors de collisions avec les électrons atomiques de la cible par échange d un photon : Excitation de l atome Si ħω est suffisamment grand, on peut observer une ionisation Les électrons d ionisation sont parfois assez énergétiques pour ioniser d autres atomes du milieu (électrons δ) Dans certains cas, le photon peut s échapper du milieu au lieu d ioniser l atome (effet Cherenkov et rayonnement de transition). Les collisions nucléaires sont négligeables tant que l énergie n est pas trop élevée E.VIENT 16

17 Interaction avec les électrons du milieu Une particule chargée lourde ayant une énergie de un ou plusieurs MeV perd son énergie principalement par une interaction Coulombienne avec les électrons des cortèges atomiques, qui lui apparaissent comme quasi-libres. Le transfert maximum d énergie ΔE max qui peut se produire lors d une collision élastique frontale (non relativiste) entre la particule de masse M et d énergie cinétique E inc et un électron au repos de masse m e est de : La masse M de la particule étant beaucoup plus grande que celle de l électron, on peut simplifier cette expression : Pour une particule α d'énergie Eα = 5 MeV, ΔE max = 2,7 kev, ce qui est environ 2000 fois inférieur. E.VIENT 17

18 A chaque collision, il y a très peu d énergie transmise et d autant moins que la particule est massique : ΔE max 1/500 E/A La section efficace de collision est très faible (σ cm 2 ) mais le nombre d atomes est très élevé (N A 6, atomes/cm 3 ) Il y a donc un nombre très élevé de collisions L énergie totale est donc rapidement perdue Un proton de 10 MeV perd toute son énergie dans 250 µm de cuivre Un alpha de 10 MeV perd toute son énergie dans 27 µm de cuivre E.VIENT 18

19 Si l énergie laissée ΔE max est plus grande ou égale au seuil d ionisation I 0 d un électron de l atome rencontré, il y a alors ce qu on appelle : une ionisation primaire. Compte tenu des calculs précédents, pour que ce phénomène se produise, il faudra que l énergie de la particule incidente soit au minimum égale à : Dans le cas de l oxygène par exemple, où I 0 = 12,2 ev, l énergie d un proton doit être au minimum de 5,67 kev pour que l ionisation ait lieu. A haute énergie : des ionisations secondaires sont possibles dues à des rayons δ E.VIENT 19

20 Trace principale Electron δ E.VIENT 20

21 Conséquences sur le milieu du dépôt d énergie de la particule Chaque interaction entraîne dans le milieu un effet qui dépend de la valeur ΔE max de l énergie transférée par la particule ΔE max très faibles :Transferts thermiques (30 % de cas) ΔE max plus élevée entre 10 et 100 ev environ : Excitations (30 % des cas) ΔE max élevée supérieur à 100 ev: Ionisation (40 % des cas) Electrons δ (énergie > 100eV) δ Particule ionisante E.VIENT 21

22 Interaction avec les électrons du milieu Trajectoire : Ions, particules lourdes Excitation et ionisation Perte d énergie par collision faible Le nombre d interactions est régi par la statistique, mais il est très grand : les fluctuations relatives sont très petites En pratique, on observe une diminution «continue» de l énergie jusqu à l énergie thermique des atomes du milieu On définit la notion de pouvoir d arrêt linéaire, c est à dire la perte d énergie moyenne par unité de longueur sur le parcours de la particule : E.VIENT 22

23 1.2 Pouvoir d arrêt linéaire : formule de Bethe-Bloch e E E-dE 0 x x+dx Pouvoir d arrêt linéique ou linéaire: Energie moyenne cinétique perdue par unité de longueur de matière traversée On va donc étudier la perte moyenne d énergie cinétique de d une particule chargée lourde ayant traversé une épaisseur infinitésimale dx d un matériau et possédant une énergie cinétique E en entrée. E.VIENT 23

24 Dans un premier temps nous allons considérer l effet de l interaction Coulombienne d une particule de masse M et de charge ze et de vitesse v avec un électron unique situé à un paramètre d impact b. Les électrons sont considérés comme libre et initialement au repos x L impulsion transférée entre t et t+δt est donc Pour des raisons de symétrie avant arrière Nulle en moyenne sur le temps + - E.VIENT 24

25 L énergie transférée à un seul électron pour un paramètre d impact b va donc être donc Pour tenir compte de tous les électrons situés entre b et b+db dans le milieu de densité électronique n e, on considère le cylindre creux de longueur dx de rayon b et d épaisseur db. Le nombre d électron N e dans ce volume va donc être L énergie perdue -de(b) par la particule pour un parcours d une longueur dx dans un matériau de densité électronique N e, les électrons étant situés entre b et b+db est donc E.VIENT 25

26 Pour avoir l énergie perdue pour un parcours dx due à tous les électrons quelque soit le paramètre d impact, il suffit d intégrer sur tous les paramètres d impact On en déduit l expression suivante du pouvoir d arrêt de/dx La densité électronique n e du milieu traversé peut être définie en fonction de sa masse atomique A, de sa charge Z et de sa densité de masse ρ m E.VIENT 26