Interaction photon-électron avec la matière

Classification des rayonnements  

Rayonnement directement ionisant (particule chargée) Ils comprennent les particules chargées légères (les électrons), et les particules chargées lourdes (les protons, les particules α, et les ions lourdes) qui déposent l’énergie au milieu par une seule étape, par le processus d’interaction coulombienne entre la particule incidente et les électrons orbitales. [1]  Rayonnement indirectement ionisant Ils comprennent les neutrons et les rayonnements électromagnétiques (photons X, et γ) qui déposent l’énergie au milieu par deux étapes [1] : – Au premier temps une particule chargée est libérée dans le milieu absorbant (le photon libère un électron ou une paire électron/positon, et le neutron libère un proton ou un noyau de recule). – Dans la deuxième étape les particules libérées déposent l’énergie au milieu absorbant par des interactions colombiennes avec les électrons orbitaux des atomes. 

La section efficace d’interaction 

La section efficace représente la probabilité qu’une particule ayant des caractéristiques données (type, d’énergie, vecteur directeur) subisse une interaction donnée sur un atome (ou une molécule) donnée. On peut distinguer les sections efficaces atomiques ou électroniques selon que l’interaction considérée soit vu par rapport à un atome cible dans sa globalité et électron par électron. La section efficace peut être exprime en barns qu’est une unité de surface : 1barn=10−24𝑐𝑚2 [2] Les interactions du rayonnement avec la matière ne se font pas toutes de la même façon. Chaque interaction se fait avec une certaine probabilité bien déterminée. Ces probabilités sont connues en termes S et d’une épaisseur dx, contenant N atomes par unité de volume (concentration d’atomes), placée dans un faisceau de particules mono-directionnel et uniforme d’intensité I qui tombe sur toute la surface de la cible. L’intensité I est par définition le nombre de particules que traverse l’unité de surface par unité de temps. On montre que le nombre d’interaction par unité de temps (ou le taux d’interaction) au sein de la cible est proportionnel à l’intensité I du faisceau incident, à la concentration des atomes N et l’épaisseur de la cible. Ces observations peuvent être résumées dans la relation suivent : le taux D’interaction 𝑅 = 𝜎.𝐼𝑁𝑆𝑑𝑥 Ou 𝜎 :la section efficace. 𝜎 = 𝑡𝑎𝑢𝑥 𝑑′𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐼.𝑁𝑆𝑑𝑥 (I.1) 

Interaction électron-matière

 Une particule chargée pénétrante dans un milieu, interagit par la force coulombienne, avec les noyaux ou les électrons orbitaux des atomes cibles. Quel que soit le mécanisme d’interaction entre les particules chargées et la matière, il y a transfert progressif d’énergie et ralentissement des particules incidente. 

Interaction élastique 

Lors d’une interaction élastique, l’électron primaire interagit avec un noyau des atomes du matériau. Il ne perd pas, ou peu d’énergie mais il subit une diffusion élastique, c’est -à- dire que sa direction est modifiée, sans perte d’énergie. La section efficace d’interaction est, pour une interaction donnée, la portion d’électrons subissant ce type d’interaction dans le matériau. Pour l’interaction élastique, elle est de [4] : 𝜎é𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 = Z 2 E2 (I.2) 

Interaction inélastique

 Lors d’une interaction inélastique, l’électron primaire interagit avec les électrons des atomes du matériau. Celui-ci transfère alors une grande partie de son énergie. Plus le transfert est important, plus l’angle de diffusion est important. Cette interaction à une section efficace : 𝜎𝑖𝑛é𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 = Z E2 (I.3) Chapitre 𝜤 Interaction photon-électron avec la matière..

Excitation d’un électron

 L’électron acquière une énergie suffisante pour aller dans une orbitale plus haute en énergie. Pour revenir à sa position d’origine, l’électron émet un photon, le plus souvent un photon X. L’énergie de ce photon ne prend alors que des valeurs précises, caractéristiques de l’élément des atomes du matériau. 

Lonisation

Lorsqu’un électron est éjecté de son cortège, l’atome est sous forme ionisée. Pour revenir à son état normal, un électron peut récupérer sa place par émission d’un photon X. L’atome peut aussi récupérer son état en éjectant un électron peu lié, appelé électron Auger

Freinage électrostatique

C’est une interaction inélastique d’un électron incident au voisinage d’un noyau atomique. L’électron, dévié par le champ électrique du noyau, subit une décélération dont la perte d’énergie est restituée sous forme de rayonnement X. Fraction de l’énergie de l’électron émise sous forme de rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) augmente avec l’énergie de l’électron. Elle est d’autant plus grand que le numéro atomique du milieu absorbeur est élevé (variation en Z).