Interactions Des Ri Avec La Matiere
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CH 4
INTERACTIONS DES
RAYONNEMENTS IONISANTS
Pr N BEN RAIS AOUAD 1
RAYONNEMENTS IONISANTS
AVEC LA MATIERE
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Introduction
I Rayonnements chargs
1- Intraction des particules charges lourdes
avec la matire.
a-Intraction avec les lectrons
CH 4 INTERACTIONS DES
RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA
MATIERE
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a-Intraction avec les lectrons
b- Consquences
2- Intraction des particules charges lgres
avec la matire.
a-Intraction avec les noyaux
b-Intraction avec les lectrons
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CH 4 INTERACTIONS DES
RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC
LA MATIERE
II Interaction des photons avec la matire:
1- Gnralits
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2- Effet global
a- Attnuation dun faisceau ou X
b- Couche de demi attnuation
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CH 4 INTERACTIONS DES
RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC
LA MATIERE
3-Phnomnes lmentaires:
A-Effet photo lectrique
B-Effet Compton
C-Effet de cration de paire: matrialisation
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C-Effet de cration de paire: matrialisation
D-Cofficient dattnuation total:
1-Cofficient dattnuation linaire
2-Cofficient dattnuation massique
E-probabilit de lun des effets en fonction de Z
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CH 4 INTERACTIONS DES
RAYONNEMENTS SIONISANTS
AVEC LA MATIERE
Introduction:
Un rayonnement est une mission dnergie
partir dune source.
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partir dune source.
On classe les rayonnements en 3 catgories :
*Chargs.
*Neutres.
*Elctromagntiques.
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Rayonnements Chargs :
* Particules charges lgres :
- (e-)
+ (e+) (positon)
* Particules charges lourdes :
Protons (P)
Particules ()
*Fragments lourds de fission : F1, F2 (ions lourds)
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Rayonnements neutres :
Anti-neutrinos :
Neutrinos :
Neutrons : N
Rayonnements lectromagntiques :
X,
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Un rayonnement charg ou lectromagntique est
dit ionisant : sil est susceptible darracher des e-
la matire: pour cela, lnergie du rayonnement
incident doit tre suprieure lnergie de liaison
des lectrons.
Les rayonnements non ionisants :
UV proches du visible.
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UV proches du visible.
IR et ondes hertziennes.
Linteraction du rayonnement avec la matire est
un transfert dnergie du rayonnement incident au
milieu travers (lectrons et noyau).
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Cette interaction dpend de :
la nature du rayonnement.
lnergie de ce rayonnement.
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la nature de la matire traverse.
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I- Rayonnements chargs :
1. Interactions des particules charges
lourdes avec la matire :
P , , ions lourds
Interactions caractre obligatoire. Elles se
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Interactions caractre obligatoire. Elles se
font principalement avec :
les lectrons +++
les noyaux.
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a. Interaction avec les lectrons : La pparticule incidente (PI) cde une partie de son nergie
cintique E1 aux lectrons du milieu excitation ou ionisation.
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Ionisation : llectron atomique est arrach de sa couche et reoit une nergie cintique: Ec
Ec = E1 El
E1 est lnergie transfre llectronLatome est alors ionis.
Excitation : E1 sert seulement dplacer llectron atomique dune couche profonde vers
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1llectron atomique dune couche profonde vers une couche priphrique.
Latome est excit.
M(PI) me- la trajectoire de PI est peu modifie rectiligne.
Interactions multiples faible transfert.
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b. Consquences :
La perte dnergie des particules charges lourdes par excitation et ionisation sexprime par :
TEL = transfert dnergie linique.
Sexprime en KeV/ m.
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DLI : densit linique dionisation :
Nombre de paires dions par m.
Cette DLI augmente fortement en fin de parcours quand PI pntre en profondeur et se ralentit.
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2. Interaction des particules charges lgres
avec la matire: e-
e- surtout +++ , (e+)
la matire est constitue datomes faits dlectrons
et de noyaux .
a- Interaction des e- avec les noyaux :
e- entre en interaction avec le noyau
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e-I champ coulombien du noyau
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Acclration importante de llectron avec dviation
et perte dnergie cintique de llectron.
Llectron rayonne de lnergie sous forme dun
rayonnement X de freinage, lorigine de
production des rayons X dans le tube de Coolidge.
(Bremstrahlung)
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(Bremstrahlung)
TEL 0,25KeV/m : eau
Pour des lectrons de 5MeV : Parcours = 2cm.
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b- Intraction des e- avec les lectrons
atomiques :
excitation
e-I collision e- milieu
ionisation
Collision : dviation par rpulsion coulombienne
Diffusion de le-I avec une perte dnergie
importante : Trajectoire en ligne brise.
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I
importante : Trajectoire en ligne brise.
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II- Interaction des photons avec la matire :
RX - R
1. Gnralits :
RX - R sont des rayonnements indirectement
ionisants.
RX : ont une double origine :
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RX : ont une double origine :
* mis par freinage dun faisceau de-
acclrs.
* mis lors du retour ltat fondamental
dun atome (Z) excit (origine lectronique).
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R : * ont une origine nuclaire puisquils
sont mis par un noyau qui passe dune
transition dun tat excit tat stable.
* mis dans les acclrateurs de
particules.
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particules.
*Les rayonnements ont en gnral
une nergie plus leve que les
rayonnements X.
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Mais les RX et R ont le mme comportement vis--vis de la matire.
Ces photons sont diffrents des particules charges (m = 0, charge = 0).
Leur comportement vis--vis la matire est diffrent de celui des particules charges.
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Cette interaction est alatoire.
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2. Effet global :
Les photons sont caractriss par :
leur frquence
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leur frquence
leur longueur donde = c/
leur nergie : E = h
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a.Attnuation dun faisceau (X) :
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Le faisceau traverse un cran dpaisseur x : certains photons vont tre absorbs, dautres diffuss (changement de direction) et les autres transmis.
Les photons (X ou ) sont enlevs du faisceau incident par une seule interaction : absorption ou diffusion.
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N(x) = N(0)e-x (Faisceau transmis)
= probabilit dinteragir par unit de longueur, dun photon avec la matire.
N(0) = nombre de photons incidents.
N(x) = nombre de photons aprs traverse de lcran (x).
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De mme, si I(0) = intensit du rayonnement lentre de lcran (x),
I(x) = I(o) e-x
sappelle galement le coefficient dattnuation linaire total.
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sexprime en cm-1.
est caractristique de lnergie du rayonnement et du matriau considr.
De mme, la compacit du matriau est importante : masse volumique ( =m/v)
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Le comportement est diffrent vis--vis du mme
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Le comportement est diffrent vis--vis du mme
faisceau de photons,do la notion du coefficient
dattnuation massique : /
Unit : /: cm-1/g.cm-3 /:cm2 g-1
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b. Couche de demi attnuation = CDA++
Cest lpaisseur de matire traverse qui
attnue de moiti lintensit du rayonnement:
I CDA = I0/2
I CDA = I0 e- (CDA) = I0/2
2 = e (CDA) Ln 2 = (CDA)
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CDA = Ln 2 / = 0.693/ cm
Ex : Pour un faisceau de rayonnement de
1,14MeV, la CDA = 9,8mm pour le plomb.
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Applications:
- Le plomb est utilis en mdecine
nuclaire , radiologie et radiothrapie pour la
protection contre les rayonnements ionisants.
- Pour chaque type de rayonnement, on
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- Pour chaque type de rayonnement, on
prcise lnergie et la CDA
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3. Phnomnes lmentaires :
Un faisceau de photons peut interagir avec :
* Les lectrons :
-Diffusion simple (Thomson Rayleigh)
-Effet compton +++
-Effet photo-lectrique +++.
* le noyau :
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* le noyau :
-Matrialisation +++
-Ractions photo nuclaires.
Les principales interactions sont :
-Leffet photo-lectrique.
-Leffet compton.
-La matrialisation
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A- Effet photo-lectrique : +++
* Phnomne primairePhnomne primaire : e- li.
Photon disparat.
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El = nergie de liaison
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Lnergie E = h du photon sert :
-extraire llectron de sa couche.
-communiquer llectron une Ec.
*Conditions :
- E > El
- llectron est li (K+++, L++, M+..).
* Phnomnes secondaires :
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* Phnomnes secondaires :
Ionisations/ excitations des atomes du milieu.
Rorganisation du cortge lectronique avec mission
de :
rayonnement de fluorescence X(Z)
e- Auger.
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* Probabilit dinteraction par effet photo-lectrique :
dpend : - de lnergie du photon : E
- de la cible : Z (cran).
= CK Z3
E3
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augmente avec Z.
diminue avec E.
= masse volumique
C K = constante caractristique de la couche K.
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Leffet prdomine :
- jusqu une nergie E = 0,5MeV (E 0, 5MeV).
- Z lev : noyaux lourds.
Application : Utilisation du plomb en radio-
protection car :
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protection car :
- Les nergies utilises en
diagnostic mdical sont en
gnral 0,5MeV.
- Le plomb possde un Z trs
lev.
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B- Effet Compton :
Description : cest une interaction entre un photon
h et un lectron libre ou li.
Llectron est projet selon un angle et le
photon est dvi selon un angle (0
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m0 = masse de llectron au repos.
0 90r 0 180r
h
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h
h =
1 + h(1- Cos )
m0c2
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Ec(e-) = h - h
Ec(e-) = h - h
1+ h(1- Cos )
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1+ h(1- Cos )
m0c2
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Excitation
Llectron compton (Ec) +++
Ionisation
* cas extrmes :
a) choc tangentiel
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a) choc tangentiel
h=h
Ec(e-) = 0
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b)Rtrodiffusion :
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*Probabilit dattnuation par effet Compton: (1MeV)+++
Z
c = K
h
Formule valable si E< 0.5 MeV (Z lger+/-)
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c/ : Indpendant de Z
Lentement quand E
Aux nergies utilises en mdecine (E < 0,5 MeV), leffet compton existe, mais il reste peu probable lorsque Z est lev.
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C- Effet de cration de paires = matrialisation :
Le mcanisme est possible si : h 1,022MeV.
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avec disparition du photon.
E - 1,022MeV= Ece+ + Ece-
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* Consquences :
-Le- perd son Ec par excitation/ionisation.
-Le+ sannihile en rencontrant un e- libre de la
matire.
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* Probabilit dinteraction par production de paire : p
p = 0 lorsque E < 1,022 MeV
p : - croit avec Z.
- croit lentement avec h.
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D- coefficient dattnuation total :
1. coefficient dattnuation linaire:
(cm-1) = + c + p
2. coefficient dattnuation massique : /
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2. coefficient dattnuation massique : /
/ = / + c/ + p/
La variation de / en fonction de Z est moins grande que .
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E. probabilit de lun des effets en fonction de Z :
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