Interaction photon-matière et grandeurs dosimétriques

Interaction photon-matière et grandeurs dosimétriques

Introduction 

Les interactions photon-matière sont des mécanismes d’interactions différentes qui dépendent de l’énergie du photon et du lieu d’interaction. Le mot photon appelé aussi rayonnement (onde) électromagnétique qui peut être soit d’origine électronique (rayons X), soit d’origine nucléaire (rayon γ). Ces deux types de rayonnements ont le même comportement vis-à-vis de la matière. Ils possèdent une masse nulle et une énergie proportionnelle à leur fréquence ʋ. Quel que soit l’origine du rayonnement, l’énergie E=h ʋ = hc/ λ (I.1) Lorsque les photons X ou γ traversent la matière, ils s’atténuent à la suite de déférentes interactions (excitations, ionisations) avec les atomes de la matière traversée [1]. Ces différentes interactions donnent naissance à plusieurs types d’événements comme : diffusion, absorption, création de paires, et suivant l’énergie comme : diffusion Thomson qui est une diffusion d’un photon X de faible énergie par un électron libre qui n’est pas lié, diffusion Rayleigh qui est une diffusion élastique qui se produit sans changement d’énergie. 

Nature et origine des rayons X

 Les rayons X, tout comme les ondes radio ou la lumière visible, sont des rayonnements électromagnétiques. Ils ont une longueur d’onde plus courte située entre 10−11m et 10−8 𝑚 et donc une fréquence comprise entre 1016Hz et 1019Hz. Ils peuvent être produits par deux processus spécifiques :  Par des changements d’orbites d’électrons des couches électroniques. Ces transitions entre niveaux libèrent des photons X de grande énergie. L’excitation induisant la transition peut être provoquée par des rayons X ou bien par un bombardement d’électrons .  Par accélération d’électrons, c’est-à-dire freinage ou changement de trajectoire forcée. 

Spectre des rayons X

L’étude spectrale du rayonnement X émis montre qu’il est formé de la superposition d’un spectre continu et d’un spectre de raies. Ces deux composantes correspondent à deux mécanismes d’émission bien distincts.  Interaction des électrons accélérés avec les noyaux de la cible (spectre continu ou spectre de bremsstrahlung).  Ionisation des couches profondes des atomes de la cible (spectre de raies). 

Spectre continu

Lorsque le faisceau d’électrons incident arrive sur la cible, il s’approche du noyau d’un atome qui le dévie du fait de sa charge positive qui l’attire [2]. L’électron est donc ralenti. L’énergie de freinage est dégagée sous forme d’un photon X ou de chaleur si l’énergie est faible (égale à la perte d’énergie cinétique de l’électron incident). L’électron continue sa course sur une autre trajectoire ayant été dévié par le freinage jusqu’à l’atome suivant où il produira un autre photon X.

Spectre de raies

L’électron incident expulse un électron atomique. De ce fait, il se produit alors un réarrangement électronique, un électron d’une autre couche (K, L, M, N…), voir un électron libre, prenant sa place. Durant ce réarrangement un photon X d’énergie caractéristique de la transition est émis. Souvent le réarrangement se fait avec plusieurs électrons donc plusieurs raies X sont donc émises. 

Les interactions entre les photons et la matière

Effet photoélectrique

L’effet photoélectrique est l’absorption complète d’un photon d’énergie E=hʋ par un atome suivi de l’émission d’un électron atomique appelé photoélectron. γ+ atome =𝑎𝑡𝑜𝑚+ + é L’énergie du photoélectron émis est égale a 𝐸é=h ʋ -𝐸𝐿où 𝐸𝑖est l’énergie de liaison de l’électron à l’atome du milieu. EL varie selon le numéro atomique Z de l’atome 

Effet Compton

C’est la diffusion inélastique d’un photon sur un électron peu lié du milieu traversé. Le photon incident d’énergie ℎʋ est diffusé selon un angle Ø avec une énergie ℎʋ ′ , une partie de l’énergie est cédée à l’électron supposé non lié et qui recule selon un angle [3]. Les lois de conservation de l’énergie totale et de l’impulsion permettent d’obtenir la relation donnant l’énergie du photon diffusé en fonction de l’énergie du photon incident et de l’angle de diffusion Ø .

La création de paires 𝒆 −𝒆 +

La création de paires appelée aussi matérialisation peut survenir lorsqu’un photon d’énergie suffisamment élevée passe au voisinage du champ électromagnétique d’un noyau [3]. Le photon disparait et donne naissance à l’un positon et un électron (négaton). L’énergie nécessaire pour obtenir la matérialisation de cette paire est égale à 1.022 MeV. La production de paires est le phénomène d’absorption pure. La probabilité augmente avec l’énergie du photon éjecté et est proportionnelle au numéro atomique Z du matériau .

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