Chapitre 7: Interactions particules matière

Chapitre 7 interactions radiations - matière 7 - 1
7.1 Types d'interactions
Comment détecter les radiations α β γ p n d … ? Comment s'en protéger?
♦ Pour détecter une radiation, il faut tout d'abord que celle-ci INTERAGISSE dans un milieu
détecteur = matière (sous forme gazeuse, liquide ou solide). Nous considèrerons ce milieu comme
pur, caractérisé par un nombre atomique Z, un nombre de masse A, une masse volumique ρ
@ un nombre d'atomes par unité de volume donné par :
nNA#at/mole g/cm
g/mole #at/cm
milieu Av 33
=⋅⋅
L
N
MO
Q
P=
ρ
♦ Il faut distinguer le type de particules - radiations à détecter et en connaître les propriétés:
charge(ze) et masse m [unité de masse = MeV/c2]; elles peuvent se classer comme suit:
Tableau 7.1 Types d'interactions particules - matière
Particules chargées Particules neutres
lourdes
p+ d+ α++ ionn+ légères e+ e− Neutrons
n Photons
γ (& RX)
Proton m = 938
Deuton m = 1876
Alpha m = 3727
me = 0,511
[MeV/c2]
m = 940 m = 0
Interactions EM:
→ Ionisations
→ Excitations
Interactions EM:
→ ionisations
→ excitations
→ rayt. freinage
Interaction
nucléaire
@ dif. élastique
@ capture
Interaction EM
→ effet photoélectrique
→ diffusion Compton
→ création de paires e+e−
7.2 Particules chargées lourdes
7.2.1 Ionisations et excitations
Lorsqu’une particule p chargée traverse un milieu, elle subit des chocs élastiques et inélastiques au
cours desquels la particule perd une partie de son énergie cinétique (elle ralentit). Lors d'un choc
inélastique, l’interaction la plus probable est une interaction électromagnétique entre la particule et
un électron des atomes ou molécules du milieu traversé : soit une excitation (eq.7.1) ou une
ionisation (eq.7.2) de l'atome ou molécule :
p X X p (7.1)
p X X p+ (7.2)
+
+→
+
+→ +
∗
−
e
(7.1) @ l'atome excité se désexcite en émettant des photons : X – UV – visible − IR.
(7.2) @ production directe de paires ion positif X+ et électron
Chapitre 7 : interactions des radiations avec la matière
Radiations
Matière

Chapitre 7 interactions radiations - matière 7 - 2
7.2.2 Perte d'énergie cinétique par unité de longueur @ ralentissement
♦ Lors d'un choc, une particule (de masse M) perd une partie de son énergie cinétique. La valeur
maximum de l'énergie cédée lors d'un choc avec un électron de masse me vaut :
∆E4
m
M
mME
m
ME
cin e
e
2cin0 ecin0
=+⋅≈⋅⋅
bg 4 (7.3)
par exemple, un proton de 5 MeV peut communiquer au maximum ≈10 keV à un électron.
♦ Globalement (collisions élastiques + inélastiques), on définit la perte d'énergie (sous-entendre
énergie cinétique) par unité de longueur dE/dx, quantité aussi appelée pouvoir de ralentissement1.
La perte dE/dx est proportionnelle à N et Z du milieu (@ pour obtenir un grand dE/dx, pour arrêter
les radiations : utiliser un milieu dense → un solide); |dE/dx| est proportionnelle au carré de la
charge de la particule et décroît en 1/β2 où
β
=
vc = vitesse relative de la particule.
(7.4)
@ Dépendance en fonction de la charge de la particule et de sa VITESSE : sa MASSE n'intervient
pas ! : le graphe dE/dx en fonction de β est identique pour toutes les particules de même charge.
La figure ci-dessous présente une courbe générale de "dE/dx en fonction de l'énergie
cinétique"(ici normalisée en masse au repos). On constate que, après une augmentation, la perte
d'énergie diminue jusqu'à atteindre un minimum (ionisation minimale du milieu) correspondant à
une énergie cinétique valant environ 2 fois la masse au repos de la particule (≈ 2 GeV dans le cas du
proton).
1 Ou encore désigné par le terme TEL : transfert d'énergie linéique. On parle aussi de DLI : densité linéique d'ionisation
qui correspond au nombre d'ionisations produites par unité de longueur.
- dE
dx n,Z - dE dx z
milieu milieu part
2
÷÷,1
2
β

Chapitre 7 interactions radiations - matière 7 - 3
7.2.3 Parcours
Le parcours ("range" en anglais) peut se définir comme la distance parcourue par la particule entre
le point d'entrée dans la matière et le point d'arrêt (E cinétique = 0). Il dépend de l'énergie
cinétique initiale de la particule :
Rdx dx
dE dE dE dx dE f E
E
R
E
== ⋅=
F
HI K=
zzz
−
00
0
0
01
0
bg
(7.5)
Exemple : particule α de 10 MeV : R air = 10 cm (figure de gauche)
R
Al = 0,006 cm
@ on se protége assez facilement des α (fort ralentissement)
La figure de droite compare les parcours de 2 groupes de particules :
♦ {p d t} chargées une fois et {α 3He} chargées 2 fois : on voit que le parcours est plus petit si la
charge de la particule augmente.
♦ dans chaque groupe, on voit que le parcours est d'autant plus petit que la masse de la particule est
grande.

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7.3 Electrons & positrons
Electrons et positrons produisent les mêmes interactions électromagnétiques dans la matière. Ils
perdent leur énergie par ionisation et excitation sensiblement de la même façon que les particules
chargées lourdes, avec cependant 3 différences importantes :
- la perte d'énergie par ionisation doit être traitée de façon spéciale puisque les masses de la
particule incidente et de l'électron-cible sont identiques
- alors que le parcours des particules chargées lourdes peut être décrit par une droite; les
électrons pouvant subir des déviations importantes de leur trajectoire par collisions élastiques,
leur parcours est assimilé à une ligne brisée
- les particules aussi légères que les électrons (et positrons) peuvent perdre une partie de leur
énergie par émission de rayonnement (appelé rayonnement de freinage).
7.3.1 Ionisations et excitations
De même charge en valeur absolue, électrons et protons auront même dE/dx en fonction de β
MAIS en fonction de Emc
cin =
β
af
2
2 : les courbes sont distinctes pour e et p.
@ pour une même valeur de Ecin : mm dE
dx dE dx
ep ep ep
<⇒>⇒ <ββ
dans le cas des électrons, le minimum de la courbe s'obtient pour une énergie cinétique de ≈ 1 MeV
alors qu'il était de 2 GeV pour les protons : cette différence s'explique bien par le rapport des
masses : mp/me = 2000.

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7.3.2 rayonnement de freinage ou "bremsstrahlung"
Toute particule chargée rapide peut perdre une partie de son énergie en interagissant avec le champ
coulombien des noyaux du milieu traversé car elle y est soumise à une accélération et est déviée de
sa trajectoire initiale. Ce phénomène s'accompagne d'émission de photons2 dits photons de freinage
et on parle d'émission d'un rayonnement de freinage (dont le terme allemand "bremsstrahlung" est
souvent employé), ce qui se traduit par une perte d'énergie cinétique pour la particule tel que :
(7.6)
On constate que la masse des particules intervient ici (en 1/m2) > le rayonnement de freinage est
important pour des électrons (ou positrons).
@ comme
dE
dx
dE
dx
m
m
e
p
p
e
2
=F
H
GI
K
J=×310
6 : pas de RF à considérer pour les protons
Exemple dans le plomb, l'énergie perdue par des électrons (ou positrons) par rayonnement de
freinage devient égale à celle perdue par ionisation pour des énergies ≈10 MeV.
NB Lors de l'émission de rayonnement, l'énergie de l'électron (ou positron) est diminuée de l'énergie hν du
photon émis suivant la conservation de l'énergie et sa direction de propagation est modifiée suivant la
conservation de l'impulsion. Ce rayonnement est continu et se situe dans le domaine des rayons X.
7.3.3 Parcours
La notion de parcours est ici plus "floue". En effet, par collisions élastiques avec les atomes du
milieu traversé (diffusion coulombienne), les électrons & positrons sont fortement déviés sans
pratiquement perdre d'énergie @ leur trajectoire est une suite de tronçons, surtout aux faibles
énergies, où les angles de diffusion peuvent devenir extrêmement importants ⇒ leur parcours est
toujours inférieur à la longueur de la trajectoire.
@ on définit un Rmax = parcours maximum que les électrons peuvent avoir.
2 Toute particule chargée soumise à une accélération / décélération émet un rayonnement ou onde électromagnétique .
- dE
dx Z- dE dx zmE
2milieu part
2cin
rf rf
÷÷,,
12