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Interaction des rayonnements avec la matière
Les rayonnements sont constitués, soit de particule (rayonnement alpha, beta, neutrons) soit des ondes électromagnétiques (rayonnement UV, gamma, X).Un rayonnement ionisant est un rayonnement dont l’énergie est suffisante pour ioniser les atomes ou molécules qu’il rencontre sur son chemin, c’est-à-dire pour leur arracher un ou plusieurs électrons. Par suite, nous détaillons brièvement les processus d’ionisations et d’excitations au sein de la matière.
Cas des particules lourdes : les particules alpha
Le rayonnement alpha est constitué d’un noyau d’hélium. Ce rayonnement interagit principalement avec les électrons des atomes cibles, engendrant une ionisation ou une excitation. Les interactions avec les noyaux sont secondaires. Les particules alpha ont une masse de 1800 fois plus importante que celle des électrons. Elles ont une trajectoire rectiligne.
La perte d’énergie lors des chocs avec les électrons est faible et la déviation subie lors des collisions est petite .Le parcours dans l’aire ne dépasse que quelques centimètres. Elle est arrêtée par une simple feuille de papier ou par la peau. Le rayonnement alpha n’affecte l’organisme que dans le cas d’une contamination interne ou cutanée. La densité d’ionisation produite étant très élevée, l’effet biologique des rayons alpha est très important, notamment dans l’ADN car la proximité des effets successifs peut endommager simultanément les deux brins de la cha½̂ne.
Cas des particules légers : les particules chargées
Une particule chargée (électron, proton ou ion) traversant la matière perd son énergie suivant divers processus dont l’importance varie avec les caractéristiques de la particule incidente (charge, masse, énergie) et de la nature du matériau traversé :
· L’ionisation ou excitation électronique qui résultent de l’interaction coulombienne de la particule chargée avec les électrons liés des atomes. Il s’agit du processus dominant dans la perte d’énergie des particules chargées (à l’exception des pertes par rayonnement pour les électrons de haute énergie).
· Le rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) dans lequel la particule chargée soumise à une accélération émet un rayonnement électromagnétique. Négligeable pour les ions, ce processus peut être très important dans la perte d’énergie des électrons traversant des matériaux de charge atomique élevée.
· La diffusion élastique avec un noyau d’atome (interaction de type coulombien ou hadronique).Cette diffusion s’accompagne d’un recul du noyau cible et peut être de type résonante (le noyau absorbe et réémet la particule sans modification de son état interne) ou purement potentielle (sans pénétration dans le noyau).
· La diffusion inélastique avec un noyau atomique (interaction hadronique). Comme pour la diffusion élastique résonante, il ya formation d’un noyau composée suivie d’une réémission du projectile et recul du noyau qui se retrouve dans un état excité. La désexcitation du noyau donne en général une émission gamma.
· La réaction nucléaire dans laquelle la particule cède toute son énergie au noyau qui se fractionne ensuite en plusieurs fragment ou se désexcite en émettant un photon gamma ou un nucléon. Les trois derniers processus (interaction nucléaires) sont extrêmement moins fréquents que les collisions avec les électrons périphériques et ne contribuent pratiquement pas à l’atténuation des flux de particules chargées dans la matière.
Interactions des particules chargées avec la matière et leurs conséquences
Les Particules chargées interagissent de manière prépondérante avec les électrons des atomes constituant le milieu traversée.
*électrons – : Il s’agit d’une particule ¾.
*Protons ({a : Il s’agit des positons -a.
Les trois aspects des interactions des particules chargées avec la matière
· L’interaction elle-même qui est égale à un transfert d’énergie.
Nature.
Mécanisme.
Fréquence et probabilité.
· Conséquences sur la particule qui est égal au ralentissement.
· Conséquences sur le milieu qui est égal aux effets physiques et radiologiques.
Interactions des particules chargées avec les électrons du milieu
· Mécanisme commun à toutes les particules chargées est l’interaction coulombienne.
· La force coulombienne (positive ou négative) qui, pendant le bref passage de la particule au voisinage de l’électron, s’exerce entre les deux charges électriques, communique une impulsion à l’électron, Il y a transfert à l’électron cible d’une énergie ¿ À Á TU ¶U U prélevé sur l’énergie E de la particule incidente.
Conséquences importantes
Deux particules de même énergie mais de masses différentes donc de vitesses différentes ont des pouvoirs de ralentissement différents.
Le pouvoir de ralentissement dépend de la vitesse.
· Il augmente quand la vitesse diminue.
· Donc plus la particule ralentit, plus le pouvoir de ralentissement augmente :
alors les interactions sont beaucoup plus nombreuses en fin de trajectoire.
Conséquence de l’interaction de particules chargées sur le milieu
· Transferts thermiques.
· Excitations.
· Ionisations.
Chaque interaction entraine dans le milieu un effet qui dépend de la valeur de l’énergie transférée par la particule :
· Q très faible: il s’agit d’un transfert thermique.
· Q plus élevé mais inferieur à 13 eV: il s’agit d’une excitation.
· Q élevé : dans ce cas, on ne parle que des ionisations ainsi que des électrons ¼.
D.L.I (densité lineique d’ionisation)
C’est le nombre de paires d’ions créés par la particule incidente par unité de longueur de trajectoire · Si æl est l’énergie moyenne transferée pour chaque ionisation : g1ã ôã3.æl.
Énergie moyenne par ionisation
· Cette répartition est constante tout au long de la trajectoire de la particule. Elle se retrouve le long de la trajectoire des électrons successifs, de sorte qu’au terme de la dégradation des électrons ¼, l’énergie déposée dans le milieu est partagée à peu prés également entre ionisations d’une part, excitations et transferts thermiques d’autre part.
· L’énergie absorbée en moyenne pour chaque ionisation, appelée énergie moyenne par ionisation -æl est donc le double de l’énergie nécessaire à cette ionisation. Cette énergie nécessaire pour créer d’ions dépend essentiellement du milieu traversé.
· Dans l’eau, où une ionisation demande 16eV, on a æl 32 eV (et environ 64 eV dans l’aire).
Problématique initiale
La problématique initiale est de connaitre l’influence de la diffusion du rayonnement X et Gamma dans le support des sources lors d’une mesure d’activité.
Généralement constitué de film polymère comme le plexiglas ou le polyéthylène. Ces supports constituent un site idéal pour la diffusion du rayonnement X et Gamma.Cette diffusion se traduit au niveau des spectres par l’apparition des bosses à des énergies inferieurs à celle du rayonnement initial pouvant gêner le surfaçage des pics et donc la mesure d’activité.
Il s’agit donc dans ce travail de quantifier l’importance de ce phénomène avec quelques exemples pratiques et de dicter une conduite à tenir pour minimiser les problèmes de mesure.
Mise en évidence des phénomènes de diffusion et conséquence sur les spectres
Avant d’aborder l’analyse des problèmes liés à la présence des bosses de diffusion dans les spectres, il convient de faire quelques rappels sur les modes d’interaction du rayonnement avec la matière et de définir les sites où se localisent ces diffusions.
L’interaction ÷øùúûûüýüûþ⁄ýøþè÷ü
Généralement, lorsqu’on parle d’interaction rayonnement⁄matière, trois phénomènes sont à prendre en compte et dépendent de l’énergie initiale mise en jeu. Il s’agit de l’absorption photoélectrique, de la diffusion Compton et en fin de la création de paire si l’énergie de départ est suffisante (supérieur à deux fois 511Kev)
Les processus d’interaction øýýø⁄ýøþè÷ü
Les photons Gamma, particules neutres, ne peuvent être détectés que s’ils interagissent avec la matière d’un détecteur en cédant toute ou une partie de leur énergie à un ou plusieurs électrons du milieu. Le type d’interaction dépend du matériau traversé et de l’énergie du photon incident. Il peut se produire trois processus d’interactions dont l’occurrence est régie par des lois statistiques :
Effet photoélectrique : absorption totale du photon Gamma
Lors de l’Effet photoélectrique, le photon Gamma initial disparait. Un électron est éjecté d’une des couches électroniques de l’atome. Cet électron est souvent éjecté depuis la couche k de l’atome, la plus profonde. Il emporte une énergie cinétique 1¹ qui est égale à l’énergie du photon incident Ò1ºÓ diminuée de l’énergie de liaison de l’électron sur sa couche-1à .
L’atome se retrouve ionisée et le réarrangement électronique instantané provoque soit un rayonnement X de fluorescence caractéristique de l’atome (qui est généralement absorbé dans le Ge), soit rarement, une émission d’un électron Auger.
Etat initial : un photon Q d’énergie 1º.
Etat final : un électron d’énergie cinétique 1D 1º n 1à (III.1).
Un photon X d’énergie 1à.
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Table des matières
Chapitre I : Etude de statistique de Fermi-Dirac
I.1.Les électrons dans les métaux
I.2.Le gaz électronique, à la température de 0k
I.3.Comportement à la température ordinaire
I.3.1.Position du niveau de Fermi
I.3.2.Chaleur spécifique des électrons de conduction
Chapitre II :La detection des particules chargées
II.1.L’ionisation du milieu
II.2.Interaction des rayonnements avec la matière
II.2.1.Interaction des particules avec la matière
II.2.1.1.Cas des particules lourdes : les particules alpha
II.2.1.2.Cas des particules légers : les particules chargées
II.3.Interactions des particules chargées avec la matière et leurs conséquences
II.3.1.Les trois aspects des interactions des particules chargées avec la matière
II.3.2.Interactions des particules chargées avec les électrons du milieu .
II.3.3.Conséquence sur la particule : ralentissement
II.3.4.Conséquence de l’interaction de particules chargées sur le milieu
II.3.5.Interaction des électrons
II.3.6.Parcours des électrons dans la matière
II.4. Rayonnement de freinage ( bremsstrahlung )
II .5..L’effet cherenkov
II.6.Le rayonnement de transition
II.7.T.E.L (transfert linéique d’énergie)
II.8.D.L.I (densité lineique d’ionisation)
II.9.Énergie moyenne par ionisation
Chapitre III : Analyse des problèmes de diffusion du rayonnement Gamma dans les supports de source
III.1.Problématique initiale
III.2.Mise en évidence des phénomènes de diffusion et conséquence sur les spectres .
III.2.1.L’interaction rayonnement matière
III.2.2. Les processus d’interaction gamma/matière
III.2.3.Effet photoélectrique
III.2.4.Effet Compton
III.2.5.Démonstration de la formule Compton
III.3.Effet de Création de paire
III.4.Comparaison de ces trois interactions
III.5.L’effet Rayleigh
III.6.Coefficient d’atténuation et libre parcours moyen
III.7.Interaction des électrons avec la matière
III.7.1.Processus d’ionisation
III.7.3.La diffusion coulombienne multiple
III.7.4.Annihilation
III.8.Influence de l’environnement de l’expérience
III.9.Considérations métrologiques
Chapitre IV : Mesure absolue et relatives
IV.1.Effets de la géométrie
IV.2.L’effet entre la source et le détecteur
IV.3.Angle solide
IV.4. Angle solide pour une source ponctuelle isotropique et un Détecteur cylindrique
IV.5.Effet de source
IV.5.1. l’auto-absorption
IV.5.2.Facteur de réflexion
IV.6. Effet du détecteur
IV.6.1.Absorption et réflexion dues à la fenêtre
IV.6.2.Efficacité du détecteur
IV.6.3. Détermination de
IV.6.4. Relation entre le taux de comptage r et la puissance P
Chapitre V : Résultats et interprétations
V.1.Simulation numérique de l’Angle solide
V.2.Simulation numérique de l’efficacité
V.2.1.Simulation numérique de l’efficacité d’un photon incident parallèle
V.2.2.Simulation numerique de l’éfficacité d’une source ponctuelle mono énergetique 43
Conclusion
Référence bibliographique
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