Interactions des rayonnements directement ionisants

I.2 Interactions des rayonnements directement ionisants

Une particule chargée pénètre dans un milieu, interagit par la force coulombienne avec les noyaux ou les électrons des orbitales atomiques.

Quel que soit le mécanisme d’interaction entre les particules chargées et la matière, il y a un transfert progressif de l’énergie s’accompagne avec le ralentissement des particules incidentes.

I.2.1 Caractéristiques de l’interaction

1. Pouvoir d’arrêt

Le pouvoir d’arrêt est la perte moyenne d’énergie de la particule chargée par distance parcourue, est donné par les relations [9] suivantes :

𝑺𝒕𝒐𝒕 = 𝑺𝒄𝒐𝒍𝒍 + 𝑺𝒇𝒓𝒆𝒊𝒏 (1.1)

𝑺𝒄𝒐𝒍𝒍 : le pouvoir d’arrêt par collision, est définit comme la perte d’énergie cinétique de la particule chargée par le processus de collision avec les électrons atomique le long de son parcours.

𝑺𝒄𝒐𝒍𝒍 = ∆𝑬𝒄𝒊𝒏

(1.2)

∆𝑬𝒄𝒊𝒏 : L’énergie cinétique perdue lors de collision avec les électrons atomiques.

𝑺𝒇𝒓𝒆𝒊𝒏

= ∆𝑬𝒇𝒓𝒆𝒊𝒏

∆𝒙

(1.3)

𝑺𝒇𝒓𝒆𝒊𝒏 : le pouvoir d’arrêt par freinage, est défini comme la perte d’énergie par processus de freinage ou de radiation le long de son parcours.

∆𝑬𝒇𝒓𝒆𝒊𝒏 : l’énergie cinétique perdue lors de l’émission par freinage.

∆𝒙: la longueur du parcours de la particule incidente dans la matière.

2. Transfert d’énergie linéaire (TEL)

Le transfert d’énergie linéaire est la quantité d’énergie transférée au milieu cible par la particule incidente, par le processus de collision, par unité de longueur de parcours. Exprimée par la relation 1.4[11] .

𝑻𝑬𝑳 = 𝑺𝒄𝒐𝒍𝒍 (1.4)

3. Densité linéique d’ionisation (DLI)

La densité linéique d’ionisation est définie comme le nombre d’ionisations produites par une particule incidente par unité de longueur de trajectoire, exprimée par la relation 1.5[11] en (paire d’ions. µ m-1).

𝑫𝑳𝑰 = 𝑻𝑬𝑳

𝑾𝒊

𝑾𝒊 : est l’énergie moyenne transférée pour chaque ionisation.

(1.5)

4. Parcours

Les électrons ont une trajectoire très sinueuse due aux nombreuses déviations lors de chaque mode d’interaction (ionisation, excitation et freinage). Certains peuvent même subir des phénomènes de rétrodiffusion qui sont caractérisées par des déviations de 180°.

Pour caractériser la trajectoire des électrons, deux grandeurs peuvent être définies sont représentés dans la figure (1.2) :

– Le parcours : la longueur réelle de la trajectoire de l’électrons.

– La portée : représente la profondeur maximale atteinte un électron.

rayonnements directement ionisants - Représentation de la trajectoire d’un faisceau d’électrons
Fig 1.2 : Représentation de la trajectoire d’un faisceau d’électrons. [7]

Interactions des rayonnements directement ionisants

I.2.2 Particules chargées légères

Les électrons sont des particules légères porteuses d’une charge électrique élémentaire négative, interagissent avec le milieu soit par collision électron-électron qui comprennent l’excitation et l’ionisation, ou avec le noyau par émission d’un rayonnement de freinage.

Phénomènes d’ionisation et d’excitation

1. Phénomène d’ionisation :

L’énergie transférée par l’électron incident est supérieure à l’énergie de liaison de l’électron atomique, ce dernier est donc expulsé de l’atome. Lors d’une ionisation, l’énergie cédée par l’électron incident est généralement faible par rapport à son énergie cinétique totale.

Ce qui permet de déduire qu’il faudra un grand nombre d’interactions avant que l’électron n’ait épuise toute son énergie cinétique et qu’il s’arrête dans la matière.

Illustration du phénomène d’ionisation
Fig 1.3 : Illustration du phénomène d’ionisation. [8]

2. Phénomène d’excitation

L’énergie cédée à l’électron est inférieure à l’énergie d’ionisation, ce dernier est bousculé, passant à une couche moins liée (plus externe). Le cortège électronique est alors dit excité.

En effet l’état énergétique du cortège électronique est plus important (le surplus d’énergie est égal à la différence d’énergie de liaison entre le niveau initial et le niveau final, c’est également l’énergie qui a été cédée à l’électron), d’où la lacune créée provoque un réarrangement du cortège, le surplus d’énergie étant réémis sous forme soit :

• De photons dont l’énergie égale à la différence d’énergie de liaison entre les couches qui varie de l’ultraviolet au rayons X.

• D’électrons Auger.

Ce qui est illustré dans la figure (1.4).

illustration du phénomène d’excitation
Fig 1.4 : illustration du phénomène d’excitation. [7]

Rayonnement de freinage

Les électrons incidents peuvent interagir avec les noyaux des atomes de la substance traversée. Ils subissent l’influence du champ coulombien du noyau, ils sont alors déviés et cèdent une partie de leur énergie au noyau.

Cela se manifeste par un ralentissement ou freinage d’où l’énergie perdue est émise sous la forme de rayonnements X, dits de freinage ou Bremsstrahlung.

Ce phénomène n’est important que dans le cas d’électrons d’énergie supérieure à 1 MeV traversant un milieu d’atomes lourds de numéro atomique Z élève. [8]

Annihilation

rayonnements directement ionisants - illustration du phénomène de freinage
Fig 1.5 : illustration du phénomène de freinage. [8]

L’interaction d’un positon dans la matière commence par une phase de ralentissement très rapide à l’ordre 3 à 6 ps (picosecondes) au cours de laquelle, il perd son énergie par les mêmes processus que l’électron et se comporte de façon similaire.

Lorsque son énergie cinétique est à l’ordre de 10-2 eV, le positon continue sa pénétration dans la matière par une phase de diffusion, au cours de laquelle il passe la plupart du temps dans les régions interatomiques où il est repoussé par le potentiel positif des noyaux. En fin de sa diffusion et au bout de quelques picosecondes, il s’annihile avec un électron libre du milieu or la paire électron positon disparaît.

Une énergie correspondante à 2mélectonC² l’équivalence de 1,022MeV apparaît sous forme de deux photons émis dans des directions opposées et emportant chacun une énergie de 0.511MeV, ce qui est illustré dans la figure (1.6). [8]

illustration du phénomène d’annihilation
Fig 1.6 : illustration du phénomène d’annihilation. [7]

Interactions des rayonnements directement ionisants

I.2.3 Particules chargées lourdes

Les processus de ralentissement des particules lourdes (particules α, ions) dans la matière s’effectuent par ionisation ou par excitation.

Elles ont une trajectoire pratiquement rectiligne et très courte puisque leur charge électrique et leur masse plus élevées que celles des électrons rendent la probabilité d’interaction avec les noyaux atomiques par le processus de freinage est très faible.

L’ordre de grandeur du parcours des particules α dans l’air est de quelques centimètres et dans les tissus mous sera très petit de l’ordre de quelques dizaines de micromètres.

Il sera donc aise de se protéger de ce type de rayonnement dans le cas d’une exposition externe par une simple feuille de papier, qui est suffisante pour arrêter ces particules avec des énergies voisines de 6 MeV.

Mais ce type de rayonnement sera particulièrement nocif lorsqu’il atteindra directement les tissus vivants. [8]

Comparaison entre les interactions les électrons et les particules α dans la matière
Fig 1.7 : Comparaison entre les interactions les électrons et les particules α dans la matière. [7]

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