Interactions Rayonnements - Matière

Interactions Rayonnements - Matière Pr. Laurent Dusseau 05/12/2009 Équipe «Électronique et Rayonnements» Institut d Électronique du Sud (IES) Cours M2 1

Objectifs du cours Pouvoir citer et décrire les phénomènes d interaction rayonnement matière Particules chargées lourdes Électrons Photons Neutrons Pouvoir définir les grandeurs utilisées en interaction rayonnement matière Cours M2 2

Plan Généralitésé Interactions des particules chargées avec la matière Interactions des particules chargées lourdes (proton, alpha, ion) Interactions des électrons avec la matière Interactions des photons avec la matière Types d interactions Faisceau de photons dans la matière Interactions des neutrons avec la matière Types d interactions Pénétration des neutrons dans la matière Cours M2 3

Introduction Généralités Les effets d une irradiation dépendent des ionisations et excitations des atomes le long des trajectoires des particules ionisantes Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est ionisant s il est susceptible d arracher des électrons à la matière Condition : E(rayonnement) > E b E b : 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 1 ev = 1,6 10-19 J Cours M2 4

Introduction Généralités Rayonnement Non ionisanti * Ionisant Indirectement ionisant Particule non chargées (photons, n) Directement ionisant Particules Chargées (e -, p, α...) Interaction Particules chargées Ionisation Excitation Chaleur Modifications chimiques et physico chimique Cours M2 5

Interactions des particules chargées avec la matière Généralités Interaction : transfert d énergie du rayonnement incident au milieu traversé Électrons atomiques Noyaux Dépendance : nature et énergie rayonnement, matière Trois aspects sont à considérer : Interaction elle-même : mécanisme Conséquences sur la particule : ralentissement aboutissant à son arrêt Conséquences sur le milieu : énergie déposée Aboutissement aux effets des radiations Interactions 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 arrêt Les interactions aboutissent à un transfert d énergie de la particule aux électrons atomiques et (dans une moindre mesure) aux noyaux de la matière L énergie perdue par unité de longueur parcourue est défini i par le pouvoir d arrêt S S = de dl Pouvoir d arrêt linéaire : S [J.m -1 ] ou [MeV.cm -1 ] Pouvoir d arrêt massique : S/ρ [J.m².kg -1 ] ou [MeV.cm 2.g -1 ] Pouvoir d arrêt massique de l électron, proton, alpha dans l eau en fonction de l énergie Cours M2 7

Interactions des particules chargées avec la matière Transfert d énergie linéique (TEL) Lorsqu on 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 énergie dénergie 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 (I s ) 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 / W W : énergie nécessaire moyenne pour créer une paire d ions - Perte d énergie augmente avec la profondeur - Plus v diminue => plus de/dx augmente - Neutralisation et arrêt de la particule à la fin α (E=7,69 MeV) dans l air Rq : Applications en radiothérapie, radioprotection Cours M2 9

Interactions des particules chargées avec la matière Parcours (range) Particules chargées perdent leur énergie progressivement en pénétrant dans la matière et finissent par êtres arrêtées Notion de parcours : distance au-delà de laquelle des particules sont totalement t t absorbées bé par la matière R = R 0 dx = E 0 0 de dx 1 de Parcours de quelques particules dans l eau Cours M2 10

Interactions des particules chargées avec la matière Interactions avec électrons du milieu Interaction coulombienne où la particule chargée cède son énergie au milieu Ionisation o : éjection d un électron du cortège électronique Excitation : transfert d un électron sur une couche électronique différente Particule ralenti progressivement avant de s arrêter lorsque l épaisseur du milieu sera suffisante Perte d énergie par collision i Caractérisée par le pouvoir d arrêt par collision Cours M2 11

Interactions des particules chargées avec la matière Interactions avec noyaux du milieu Particule interagit avec champ coulombien du noyau Particule a proximité du noyau peut subir une accélération ou décélération Changement de vitesse se traduit par une émission électromagnétique (rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung) donc une perte d énergie Intensité rayonnement de freinage proportionnelle à (Z milieu ²/M particule ²) Perte d énergie radiative Caractérisée par le pouvoir d arrêt par radiation Direction d émission du bremsstrahlung tend 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 particules Différents mécanismes d interactions Le pouvoir d arrêt comporte différente composantes S ( total) ρ = S coll ρ + S rad ρ + S nucl ρ = 1. ρ de dx coll + 1. ρ de dx rad + 1. ρ de dx nucl Pouvoir d arrêt électronique (ou de collision) dû aux collisions avec les électrons atomiques Pouvoir d arrêt radiatif provenant des émissions de rayonnement de freinage Pouvoir d arrêt nucléaire dû aux collisions élastiques coulombienne dans lesquelles l énergie est transférée aux atomes Cours M2 13

Interactions des particules chargées avec la matière Cas des particules chargées lourdes Perte d énergie par choc coulombien avec les électrons atomiques est le phénomène prépondérant Pouvoir d arrêt Provient presque exclusivement de la composante coulombienne Uniquement à faible énergie que composante nucléaire non négligeable Existence d une trajectoire rectiligne Perte d énergie par choc sur les électrons Perte d énergie faible à chaque choc Particule ne subit qu une faible déviation Cours M2 14

Interactions des particules chargées avec la matière Cas des électrons Phénomène prédominant Jusqu à énergie moyenne (< 10 MeV dans Pb) : interactions avec les électrons atomiques sont prédominantes Énergie importante (> 10 MeV dans Pb) : rayonnement de freinage prédomine Pouvoir d arrêt Trajectoire Srad S coll T.Z 700 Lors d une collision, le changement de trajectoire est important dans le cas des électrons Trajectoire brisée avec possibilité de rétrodiffusion Cours M2 15

Interactions des particules chargées avec la matière Effet Cerenkov Émission de lumière tout au long de la trajectoire d une particule Condition : il faut que la vitesse (v) de la particule soit supérieure à la vitesse (c) de la lumière dans le milieu considéré (n indice de réfraction) c v > n Radiation Cerenkov provenant de l'intérieur du Observé pour les électrons cœur du réacteur nucléaire Triga Cours M2 16

Interactions des photons avec la matière Rayonnements électromagnétiques Rayons X : origine i électronique Rayonnement de freinage (rayons X continus) Transitions entre les couches électroniques (retour à l état létat fondamental) Rayons γ : origine nucléaire Transitions nucléaires (radioactivité) Photons d annihilation (combinaison positon avec électron) Rx et Rγ : même comportement vis à vis de la matière Quelque soit l origine : E = hν = (hc)/λ Interaction de type aléatoire (non obligatoire) Cours M2 17

Interactions des photons avec la matière 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 E 0 0 0 < E < E 0 E 0 Lieu d interaction Diffusion Élastique Diffusion Inélastique Absorption Electrons Thomson - Rayleigh Compton Photoélectrique Noyau - - Photonucléaire Champ électromagnétique - - Création de paires Cours M2 18

Interactions des photons avec la matière Diffusion élastique Diffusion Thomson Photon absorbé par un électron atomique (a) Mise en oscillation forcée de l électron (b) Réémission d un photon (même E, direction ) (c) Diffusion Rayleigh ou cohérente Photon interagit avec tous les électrons de l atome (a) Oscillations en phase (b) Émission d un dun photon (c) Cours M2 19

Interactions des photons avec la matière Probabilité de la diffusion élastique Concerné : photon faible énergie (lumière, Rx mous) Coefficient massique d atténuation (σ R /ρ) varie σ R /ρ α 1/(hν)² σ R /ρ α Z 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 photons Contribution seulement de quelques % au coefficient d atténuation total Cours M2 20

Interactions des photons avec la matière Effet Photo-électrique Phénomène Photon cède son énergie à un électron lié (absorption) (a) Électron (photoélectron) éjecté hors de l atome avec énergie cinétique T T = hν - E b (E b énergie de liaision) (b) Réorganisation de l atome Émission de rayons X de fluorescence (Rx caractéristiques) (a) Émission électron Auger (b) Cours M2 21

Interactions des photons avec la matière Probabilité de l effet Photo-électrique Réaction à seuil :hν E b Coefficient massique d atténuation (τ/ρ) varie τ/ρ α 1/(hν) 3 τ/ρ α Z 3 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 photon Plus hν grande, plus grande sera la probabilité que le photoélectron soit émis dans la même direction que le photon Cours M2 22

Interactions des photons avec la matière Effet Compton (Diffusion incohérente) Phénomène Photon incident entre en collision avec un électron peu lié (couche superficielle) (a) Électron recule avec énergie cinétique : T= hν hν - E b Photon diffusé avec une énergie hν < hν (b) Cours M2 23

Interactions des photons avec la matière Probabilité de l effet Compton Coefficient massique d atténuation (σ c /ρ) varie σ c /ρ α 1/(hν) (diminue avec l énergie) σ c /ρ α indépendant Z (dépend de la densité électronique) Effet de l énergie du photon incident La direction du photon diffusé dépend de son énergie Émission vers l avant E photon diffusé ~ E photon incident Émission vers l arrière (rétrodiffusion) E photon diffusé est minimale Électron toujours éjecté vers l avant (0<φ<90 ) Cours M2 24

Interactions des photons avec la matière Création de paires (matérialisation) Phénomène Matérialisation d une paire électron positon Disparition du photon au voisinage du noyau Excédent d énergie du photon incident est distribué en énergie cinétique pour l électron et le positon (A) hν = T e- + T e+ 2m e c² Positon rapidement freiné (ionisation + excitation) Annihilation positon avec électron du milieu Émission de 2 photons de 511 kev (B) Cours M2 25

Interactions des photons avec la matière Probabilité de la création de paires Réaction à seuil : hν 2m e c² e Coefficient massique d atténuation (κ/ρ) varie κ/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 de l énergie Cours M2 26

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) Émission i d un ou plusieurs nucléons (ex : (γ, n), (γ, p) ) ) (b) Noyau se retrouve dans un état excité (il sont donc généralement radioactifs) Émission photon gamma pour revenir à l état fondamental Cours M2 27

Interactions des photons avec la matière Importance relative des interactions Coefficient d atténuation linéique : µ Représente la probabilité d interaction / unité de longueur [cm -1 ] Dépend : 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 des coefficients liés à chaque interaction μ = τ + σ R + σ c + κ [cm -1 ] μ/ρ = τ/ρ + σ R /ρ + σ c /ρ + κ/ρ [cm².g -1 ] Coefficient massique d atténuation pour le plomb dans une gamme d énergie photon entre 10-2 et 100 MeV Cours M2 28

Interactions des photons avec la matière Relations avec les sections efficaces Section efficace : σ, d une entité cible pour une interaction 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 φ P σ = [cm²] Barn : 1 b = 10-28 m² Soit σ la section efficace totale d atténuation µ est la section efficace macroscopique d atténuation φ µ = n.σ n le nombre de cible élémentaire par unité de volume de la cible n = ρ. N A a N a : Nombre d Avogradod A : nombre de masse de la cible ρ : masse volumique de la cible Cours M2 29

Interactions des photons avec la matière Prédominance des interactions Ex : photon 100 kev - dans du plomb (Z = 82) : effet photoélectrique prédominant - dans des matériaux ET (Z = 7,5) : effet Compton prédominant Cours M2 30

Interactions des photons avec la matière Loi d atténuation exponentielle Son devenir? Milieu (absorbant) Diffusion Source Faisceau de photons - Étroit - Monoénergétique - Collimaté N dx N - dn Détecteur Cible - Plane -Mince Atténuation du faisceau par la cible mince (dn photons produisent des interactions dans la cible) dn(x) = - µn(x) µ.n(x).dx Atténuation des photons est exponentielle N ( x ) = N (0). e ( µx ) Cours M2 31

Interactions des neutrons avec la matière Interactions des neutrons Réactions peuvent être élastique ou non élastique Élastique : conservation de l énergie totale du système (neutron+ noyau) Non élastique : énergie totale du système non conservée Rq : réaction inélastique = réaction non élastique dans laquelle le noyau cible n est pas modifié Différents types d interactions Diffusion Élastique (n, n) Inélastique (n, n ) Prépondérante dans le domaine rapide (conservation du neutron) Absorption Capture (n, γ) (n, α) (n, p) Fission (n, fission) Prépondérante dans le domaine thermique (disparition iti du neutron) Cours M2 32

Interactions des neutrons avec la matière Généralités sur les neutrons Particule neutre : non sensible à l action d un champ électrique Interaction ti avec les noyaux et les particules => production de particules secondaires chargées => production des ionisations dans le milieu par choc Interaction dépend Noyau cible (nombre de nucléons dans la cible) Énergie du neutron σ varient avec l énergie => classification des neutrons en fonction de leur énergie Catégorie Énergie Neutrons E lents ou thermiques n < 0,5 ev Neutrons intermédiaires ou 05 0,5 ev < E épithermiques n < 10 kev Neutrons E >10keV rapides n Cours M2 33

Interactions des neutrons avec la matière Réactions de diffusion Diffusion élastique (n, n) Neutron arrivant sur un noyau est diffusé Conservation de la nature de la particule et de l énergie cinétique du neutron Réaction sans seuil Perte d énergie dépend de la masse du noyau Diffusion inélastique (n, n ) n) (n, n γ) Neutron incident est absorbé par la noyau Formation d un noyau composé puis émission d un neutron Retour au niveau fondamental en émettant un ou plusieurs photons Réaction à seuil Cours M2 34

Interactions des neutrons avec la matière Réactions de capture Capture radiative (n, γ) Absorption du neutron => formation d un noyau composé Désexcitation par émission γ (nouveau noyau est un isotope) Réaction importante à basse énergie, σ varie en (1/v neutron ) Réactions sans seuil Transmutations (n, α) (n, p) Neutron est absorbé par le noyau Réaction à seuil Désexcitation par émission d une particule chargé (modification noyau cible) Rq : Proton ou α émis peut permettre la détection des neutrons Réactions (n, 2n) Noyau produit est un isotope du noyau cible (moins riche en n : N/Z) Émission de 2 neutrons. Rq : noyau peut devenir instable => émetteur β + Cours M2 35

Interactions des neutrons avec la matière Réactions de fission (induite) Les réactions de fissions sont généralement induites par des neutrons sur certains noyaux lourds Absorption du neutron provoque une excitation de tous les nucléons le noyau se déforme et se scinde en 2 fragments de fission 2 ou 3 neutrons sont émis simultanément et instantanément à la fission On parle de neutrons prompts de fission (neutrons rapides) S accompagne d un dégagement de chaleur (d énergie) Rq : les neutrons obtenus peuvent induire à leur tour de nouvelles fissions (réaction en chaîne). Elle est contrôler dans les réacteurs nucléaires. La réaction peut devenir explosive, c est cest le cas de la bombe atomique (bombe A). Cours M2 36

Interactions des neutrons avec la matière Pénétration dans la matière Comme les photons, les neutrons ne sont pas directement ionisants i => Production de particules chargées secondaires Quantités définit it dans le cas des photons restent t valables dans celui des neutrons Loi d atténuation exponentielle ( N ( x ) = N. e Notion de libre parcours moyen λ = ( 1/ µ ) Coefficient caractéristique (µ/ρ) µ. x ) Dépôt d énergie se déroule en deux étapes Transfert une partie de l énergie aux particules chargées Dépôt d énergie, par ionisation et excitation,des particules chargées Cours M2 37