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LES INTERACTIONS RAYONNEMENT-MATIÈRE : PRINCIPES FONDAMENTAUX

Les interactions rayonnement-matière concernent tous les phénomènes se produisant lorsqu’un rayonnement traverse un milieu. Le rayonnement peut être chargé ou non (i.e. ions, électrons, photons, neutrons), et avoir une masse au repos ou non. Suite à ces interactions, des modifications de l’état de la particule (énergie, direction, absorption) mais également des atomes et des molécules du matériau-cible (ionisation, excitation, réactions nucléaires…) peuvent survenir. Les mécanismes varient selon la nature du rayonnement et son énergie.

1. Interactions rayonnement-matière

Ces interactions consistent essentiellement en un transfert d’énergie du rayonnement au milieu traversé, aux électrons par collisions inélastiques et aux noyaux du matériau-cible par collisions élastiques. Selon la nature du rayonnement, de son énergie et également de la nature du milieu, les interactions pourront être préférentiellement inélastiques ou élastiques.

1.1. Collisions inélastiques : ionisation et excitation électronique

La particule chargée qui se déplace dans le matériau exerce des forces électromagnétiques sur les électrons et leur transmet son énergie par interaction coulombienne. Suivant l’énergie cinétique de la particule chargée (Ec) par rapport à l’énergie de liaison (W) de l’électron lié à l’atome, l’électron peut être :

    # Si Ec> W, l’électron est éjecté du noyau. C’est le phénomène d’ionisation.

    # Si Ec< W, l’électron reçoit une énergie suffisante pour s’arracher de sa couche électronique et se porter à un niveau énergétique supérieur. L’atome-cible est alors simplement excité.

    # Si Ec<< W, l’énergie de l’électron incident est transférée sous forme d’énergie thermique à l’atome ou à la molécule qui porte l’atome.

 

Phénomène d’excitation et d’ionisation (Source : Wikipedia).

 

1.2. Collisions élastiques : cascade de collisions

Dans le cas des collisions élastiques, l’interaction entre le projectile et la cible entraine un transfert de l’énergie cinétique du projectile à l’atome-cible par effet balistique (conservation de l’énergie et du moment cinétique).

L’interaction s’effectue dans le champ proche du noyau (électrons) ou par choc direct (ions). Ces effets balistiques peuvent entrainer le déplacement des atomes et leur ré-arrangement si l’énergie transférée est supérieure à Ed, énergie cinétique minimum requise pour déplacer un atome de manière irréversible.

 

2. Interactions avec les particules chargées

2.1. Définitions

2.1.1. Pouvoir d’arrêt & Transfert d’énergie

Les interactions aboutissent à un transfert d’énergie de la particule à la matière (électrons et/ou noyaux). Le pouvoir d’arrêt traduit l’énergie moyenne perdue par la particule par unité de longueur parcourue.

Du point de vue du milieu, c’est la notion de Transfert d’Énergie Linéique (TEL) qui est utilisée. Celui-ci correspond à l’énergie moyenne déposée localement dans un milieu par une particule d’énergie spécifiée et qui parcours une distance donnée dans le milieu considéré.

Les rayonnements n’ont pas tous la même efficacité et cèdent plus ou moins d’énergie le long de leur parcours dans le matériau. Les particules ayant un faible TEL sont les électrons et les photons, celles qui ont un fort TEL sont les ions.

2.1.2. Parcours de la particule

Le parcours correspond à la distance réelle parcourue par une particule incidente d’énergie E et au-delà de laquelle toutes les particules sont totalement absorbées par le milieu. Elle peut être évaluée en intégrant l’inverse du TEL.

Par convention, le paramètre le plus utilisé est le parcours projeté p> suivant la direction du faisceau incident. Il peut être notablement différent du parcours réel en raison de la trajectoire plus ou moins rectiligne de la particule.

 

Représentation schématique du ralentissement d’une particule dans un matériau (Trocellier & Trouslard Sciences et Techniques de l’ingénieur P2560).

 

2.2. Cas des électrons

En raison de leur faible masse, les électrons sont plus pénétrants que les autres particules chargées, mais ils suscitent moins d’endommagements en raison d’un TEL plus faible. Ils peuvent céder une grande partie de leur énergie et subissent de nombreuses déviations par collisions (élastiques et inélastiques). Ils ne présentent donc pas de parcours rectiligne dans le matériau-cible.

Pour des électrons de très fortes énergies (plusieurs MeV) et qui, de plus, traversent un milieu dense, c’est-à-dire constitué d’atomes lourds, l’électron incident interagit avec le champ coulombien du noyau. Il peut subir une décélération ou une accélération. Ce changement de trajectoire s’accompagne de l’émission d’un rayonnement X appelé rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung.

2.3. Cas des ions

Les particules massives, c’est à dire à partir du proton, interagissent avec les électrons et les noyaux de la cible, et engendrent de nombreuses ionisations, excitations électroniques et collisions avec les atomes sur un parcours projeté plus court que celui des électrons. La perte d’énergie lors de chocs est faible et continue, le nombre de collisions subies est élevé, à savoir de plusieurs dizaines de milliers. Le déplacement des atomes par collisions, si leur énergie est suffisante, peut générer à son tour des déplacements atomiques, eux-mêmes source de nouvelles collisions. L’endommagement résultant est appelé cascade de collisions dont le projectile incident est simplement la particule qui a initié les premiers déplacements.

 

Illustration de la formation de dégâts d’irradiation dans une cascade de collision (Gibbons72ProceedingsIEE60-1062).

 

Pour des énergies cinétiques suffisante, la déviation subie lors d’une collision est faible, la trajectoire des ions est considérée comme rectiligne et chaque particule est peu à peu freinée. L’énergie cédée le long du parcours est alors très localisée mais la densité d’énergie déposée peut être si considérable qu’elle entraîne la formation d’une zone fortement endommagée nommée trace. De façon simplifiée, une trace peut être décrite comme un cylindre composé d’un cœur où le matériau est fortement désordonné et d’un halo moins endommagé qui s’étend sur un rayon bien plus important.

 

3. Les techniques d’analyses exploitant l’interaction rayonnement- matière

Un grand nombre de techniques analytiques utilisent les interactions rayonnement-matière afin de déterminer la composition d’une échantillon.

 

PNG

Récapitulatif non exhaustif des analyses basées sur le principe d’interactions rayonnement/matière.