Interactions particules chargées matière et dosimétrie

Interaction des particules chargées avec la matière 

Passage des particules chargées dans la matière

 Le processus principal par lequel une particule chargée perd son énergie en passant à travers la matière est l’interaction avec les électrons atomiques par la force de Coulomb. Quand le travail nécessaire pour exciter ces électrons, ce processus peut être regardé comme un processus élastique. Le processus d’interaction avec le noyau atomique lui aussi cause une perte d’énergie des particules chargées mais d’une moindre importance. Cependant, ce processus a une grande importance dans la diffusion de ces particules dans un milieu matériel. L’enlèvement direct des électrons est appelé l’ionisation primaire ; les électrons ainsi produits peuvent aussi produire d’autres ionisations ou une ionisation secondaire. Quand la particule incidente devient incapable d’ioniser davantage ; on dit qu’elle a atteint la fin de son parcours ou son range dans le milieu (Belbachire ,2010). I.2. Interaction des particules chargée légère avec la matière 

Les électrons

 Les électrons sont des particules légères porteuses d’une charge électrique élémentaire, négative pour les négatons et positive pour les positons (Jimonet, 2007). Il existe deux principaux mécanismes de perte d’énergie par les électrons : les pertes ionisantes ou collisionnelles et les pertes radiatives ou bremsstrahlung. Le principal processus de perte d’énergie lorsque les électrons traversent la matière implique des collisions avec d’autres électrons. Comme ils ont la même masse, les pertes d’énergie peuvent être assez importantes et les changements de direction peuvent également être assez importants. Puisque les électrons ne peuvent pas être distingués, on suppose que l’électron qui quitte la collision avec le plus d’énergie est l’électron incident d’origine. Cela signifie que l’échange d’énergie maximal serait la moitié de l’énergie d’origine. De plus, en raison de la faible masse de l’électron, il peut également interagir avec le champ électrique des noyaux et être décéléré si rapidement qu’une partie de son énergie peut être rayonnée. Ceci est appelé bremsstrahlung et est le principal processus responsable de la production de rayons X lorsqu’un faisceau d’électrons frappe une cible (Dance ,2014). Dans le cas d’une interaction électron-électron, Il en existe deux types : l’ionisation et l’excitation, (Figure I.1)

Parcours des rayonnements électroniques 

Les électrons ont une trajectoire très sinueuse : en effet, on observe généralement une déviation lors de chaque mode d’interaction (ionisation, excitation, freinage). Certains peuvent même subir une déviation de 180◦ (phénomène de rétrodiffusion). Pour caractériser la trajectoire d‘électrons ou de rayonnements électroniques, deux grandeurs peuvent être définies, le parcours et la portée (Figure I.2) (Jimonet, 2007).

Les positrons 

Tout ce qui a été écrit précédemment s’applique aussi bien aux négatons qu’aux positons. Une particularité importante apparait cependant dans le cas des positons lorsqu’ils ont perdu la totalité de leur énergie cinétique. Au repos, le positon s’associe à un électron négatif et ces deux particules se dématérialisent. Ce phénomène d’annihilation de la matière s’accompagne de l’émission de deux rayonnements électromagnétiques (Figure I.3). Les lois générales de la conservation de l’énergie et de l’impulsion appliquées à l’annihilation montrent que ces deux rayonnements X d’énergie 511 keV sont émis dans des directions opposées (angle de 180◦ ) (Jimonet ,2007). Tout écran utilise pour absorber des positons (β+) devient donc une source secondaire de rayonnements X monoenergetiques (511 keV) dont le nombre est deux fois plus important que celui des positons absorbes. Dans une optique de radioprotection, il conviendra de tenir compte de ce phénomène (Jimonet ,2007).

Interaction des particules chargées lourdes avec la matière

 Dans le cas de particules chargées lourdes, c’est-`a-dire à partir du proton, de masse mp, et pour des énergies cinétiques supérieures au MeV, on observe un ralentissement des particules sans déviation (sauf le cas beaucoup moins probable d’interaction avec un noyau du milieu, ce qui a quand même permis à Ernest Rutherford de prouver l’existence du noyau atomique). On conclut que la particule perd progressivement son énergie en la transférant aux électrons du milieu. Ce transfert d’énergie peut se faire par excitation, lorsqu’il est inférieur au potentiel d’ionisation I, ou ionisation des atomes du milieu (LAFORGE ,2005). Ces interactions ralentissent la pénétration de la particule dans la cible. Ils existent plusieurs modes d’interactions des ions avec la matière (Zahra ,2011) : · Les collisions élastiques (avec les noyaux des atomes de la cible). · Les collisions inélastiques nucléaires (conduisant à la fragmentation des ions). · Les collisions inélastiques électroniques (avec les électrons des atomes de la cible).

La physique de transport des protons

 Les interactions protons-matière sont à la base du potentiel balistique de ces faisceaux, en particulier par leur caractéristique d’ionisation en fin de parcours et par leur faible diffusion. Les protons incidents sont des particules chargées, relativement lourdes par rapport aux électrons (la masse du proton est 1836 fois la masse de l’électron). En fonction de leur énergie (parfois représentée par leur vitesse), ils peuvent interagir par différents mécanismes avec le milieu : collisions inélastiques ou élastiques, avec les noyaux, les électrons et, pour certains processus, avec l’ensemble de l’atome (Mazal ,1996). 

Les interactions inélastiques 

Les interactions inélastiques avec les noyaux provoquent, soit une déflexion importante du proton incident, avec production de rayonnement de freinage, soit une réaction nucléaire. Dans ce dernier cas, des réactions (p, n), (p, d), la production de noyaux instables et d’autres processus conduisent à la disparition du proton incident, à la production de neutrons et de noyaux de recul, ainsi qu’à l’activation du milieu ralentisseur. Ces interactions sont à l’origine des mesures particulières de radioprotection. La proportion des réactions nucléaires lors du passage d’un faisceau de protons dans la matière peut être estimée en mesurant la diminution de la fluence des protons (nombre de particules qui traversent par unité de surface) à différentes profondeurs dans le milieu, avant leur arrêt définitif en fin de parcours (Mazal ,1996). Les interactions inélastiques avec les électrons représentent le processus principal de la perte d’énergie du proton le long de sa trajectoire et provoquent l’excitation ou l’ionisation de l’atome, ainsi qu’une faible déflexion du proton incident. Cependant, l’énergie transférée à chaque interaction est faible (Mazal ,1996). 

Les interactions élastiques 

Les interactions élastiques avec les noyaux provoquent une déviation du proton incident, avec un faible transfert d’énergie vers le noyau cible. Seulement quelques particules subissent des déviations uniques à fort angle de déviation. En revanche, la multiplicité du phénomène de déviation à petits angles le long du parcours du proton est responsable de la diffusion multiple coulombienne (Mazal ,1996). Les trois principaux mécanismes d’interaction des protons avec la matière sont représentés Schématiquement sur la figure (I.4).