Interaction rayonnementsmatire 3 Rayons X Gamma IAEA Jour

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 Interaction rayonnements/matière - 3 Rayons X & Gamma IAEA Jour 2 –Presentation 3

Interaction rayonnements/matière - 3 Rayons X & Gamma IAEA Jour 2 –Presentation 3 1

Objectif • Discussion des modes d’interaction des photons avec la matière: • Effet Photoélectrique

Objectif • Discussion des modes d’interaction des photons avec la matière: • Effet Photoélectrique • Diffusion Compton • Production de paires • Apprendre davantage sur: • IAEA • Coefficients d’atténuation linéique et massique Épaisseur moitié 2

Effet Photoélectrique Ø Ø Ø Quand un photon éjecte un électron, le processus est

Effet Photoélectrique Ø Ø Ø Quand un photon éjecte un électron, le processus est appelé “photoélectrique”. Il s'agit d'une interaction photoélectrons plutôt que d'une interaction de particules chargées. Le photon transfère toute son énergie à l’électron au cours d’un seul événement, l’électron éjecté conserve toute l’énergie qui lui a été communiquée à l’exception de l’énergie de liaison Puisqu’un électron a été éjecté, il y a création d’une vacance dans la couche K, lorsque cette vacance est remplie par un autre électron des couches supérieures, il y a émission d’un rayon X caractéristique IAEA 3

Effet Photoélectrique IAEA

Effet Photoélectrique IAEA

Effet Photoélectrique Ephotoélectron = E photon incident – Eénergie de liaison Exemple: IAEA E

Effet Photoélectrique Ephotoélectron = E photon incident – Eénergie de liaison Exemple: IAEA E photon incident = 80 ke. V - E énergie de liaison = 20 ke. V Ephotoélectron = 60 ke. V 5

Effet Photoélectrique Ø L’effet photoélectrique est prédominant pour: Ø Des photons de faibles énergies

Effet Photoélectrique Ø L’effet photoélectrique est prédominant pour: Ø Des photons de faibles énergies : Ø Des matériaux de numéro atomique “Z” élevé La probabilité est proportionnelle à: IAEA Z 4 E 3 6

Diffusion Compton Ø La diffusion Compton se produit lorsque le photon X incident est

Diffusion Compton Ø La diffusion Compton se produit lorsque le photon X incident est dévié de sa trajectoire initiale par interaction avec un électron. Ø L'électron est éjecté de sa position orbitale et le photon X perd une fraction de son énergie en raison de cette interaction, mais il continue à se déplacer à travers le matériau le long d'une trajectoire modifiée. IAEA 7

Diffusion Compton Électron moins lié (Eie) Électron diffusé(Ese) photon incident (Eip) photon diffusé(Esp) IAEA

Diffusion Compton Électron moins lié (Eie) Électron diffusé(Ese) photon incident (Eip) photon diffusé(Esp) IAEA

Diffusion Compton Ø l’échange d’énergie dépend de l'angle de diffusion et non pas de

Diffusion Compton Ø l’échange d’énergie dépend de l'angle de diffusion et non pas de la nature du milieu de diffusion. Ø Etant donné que le photon X diffusé a une énergie dégradée, il a une longueur d'onde plus longue et moins pénétrant que le photon incident. IAEA 9

Création de paires Le photon est transformé en deux particules (énergie en masse) électron

Création de paires Le photon est transformé en deux particules (énergie en masse) électron (-) positron (+) L'énergie au repos d'un électron positif ou négatif est 0, 511 Me. V IAEA

Création de paires Pour créer les deux particules il faut un minimum d’énergie de

Création de paires Pour créer les deux particules il faut un minimum d’énergie de 2 x 0. 511 Me. V = 1. 02 Me. V Si le photon a une énergie exacte de 1. 02 Me. V, toute celle-ci est utilisée pour créer l'énergie de masse au repos deux particules de sorte que les particules restent au repos et se recombinent par la suite. IAEA

Création de paires Un positron ne peut pas exister au repos. Il se combine

Création de paires Un positron ne peut pas exister au repos. Il se combine avec un électron. Les deux particules s’annihilent en se transformant en énergie. IAEA 12

Création de paires • Si le photon incident a une énergie 1. 02 Me.

Création de paires • Si le photon incident a une énergie 1. 02 Me. V, l’excès d’énergie est transformé en énergie cinétique, énergie qui leur permet de se déplacer à une vitesse donnée à partir du point de création. • Ceux-ci subissent ensuite des interactions typiques de particules chargées en perdant de l'énergie lors de chaque interaction. IAEA

Interactions des Photons L'effet de diffusion Compton se produit sur toutes les énergies, mais

Interactions des Photons L'effet de diffusion Compton se produit sur toutes les énergies, mais des pics se trouvent dans la gamme d’énergie moyenne. Probability WATER Photoelectric Combined Compton Pair Production Photon Energy (Me. V) IAEA Bien que l'événement ne ne se produit qu’audessus de 1, 02 Me. V il domine tant que l'énergie des photons augmente. 14

Atténuation & Absorption Quand les photons interagissent avec la matière trois choses peuvent se

Atténuation & Absorption Quand les photons interagissent avec la matière trois choses peuvent se produire. Le photon peut être: Ø Ø Ø IAEA Transmis à travers le milieu non affecté Diffusé dans une direction différente de celle du photon incident Absorbé par le matériau de telle sorte qu'aucun photon ne diffuse 15

Attenuation & Absorption L'atténuation du faisceau de photons peut être considérée comme une combinaison

Attenuation & Absorption L'atténuation du faisceau de photons peut être considérée comme une combinaison de diffusion et d'absorption. Attenuation = Diffusé + Absorbé Si les photons sont diffusés ou absorbés, ils ne vont pas loin dans la direction de la cible visée. IAEA 16

Attenuation & Absorption a Source de radioactive Détecteur b d IAEA c

Attenuation & Absorption a Source de radioactive Détecteur b d IAEA c

Atténuation 90% 100 IAEA 90% 90 81 90% 73 66

Atténuation 90% 100 IAEA 90% 90 81 90% 73 66

Atténuation Exponentielle I = Io e - x Représente le coefficient d’atténuation linéique, son

Atténuation Exponentielle I = Io e - x Représente le coefficient d’atténuation linéique, son unité est cm-1. IAEA 19

Epaisseur moitié Une épaisseur moitié d’un matériau donné ne laisse passer que 50% ou

Epaisseur moitié Une épaisseur moitié d’un matériau donné ne laisse passer que 50% ou ½ du rayonnement incident. Une deuxième épaisseur moitié de ce matériau ne laissera passer que la moitié du rayonnement incident (déjà réduit d’un facteur 2) c’est à dire le quart du rayonnement initial (½ x ½). Si “n” épaisseurs moitiés est utilisée, (½)n du rayonnement initial sera transmis, “n” peut être n’importe quel nombre. IAEA 20

Epaisseur moitié - Exemple L’épaisseur moitié d’un matériau(x 1/2) est 2 cm. Un chercheur

Epaisseur moitié - Exemple L’épaisseur moitié d’un matériau(x 1/2) est 2 cm. Un chercheur a une plaque de ce matériau d’une épaisseur de 7 cm. Quelle est la fraction du rayonnement initial qui va passer à travers cette plaque? IAEA 21

Epaisseur moitié - Exemple On détermine la valeur du nombre n “n” l’épaisseur moitié

Epaisseur moitié - Exemple On détermine la valeur du nombre n “n” l’épaisseur moitié utilisée (n = nombre d’épaisseurs moitié) 7 cm 2 cm = 3. 5 = n (½)n du rayonnement initial est autorisé à passer (½)3. 5 = 0. 0883 (utiliser une calculatrice yx) La solution doit être entre: IAEA (½)3 = 1/8 = 0. 125 et (½)4 = 1/16 = 0. 0625 22

Epaisseur moitié - Exemple L’épaisseur moitié du matériau “A” est 2 cm et l’épaisseur

Epaisseur moitié - Exemple L’épaisseur moitié du matériau “A” est 2 cm et l’épaisseur moitié d’un autre matériau “B” est 5 cm. . Un chercheur a un morceau d'une matière qui est composée de 3 cm de "A" et 4 cm de "B". Quelle fraction du rayonnement initial va passer à travers la pièce? IAEA 23

Epaisseur moitié - Exemple L’épaisseur moitié du matériau “A” est 2 cm et l’épaisseur

Epaisseur moitié - Exemple L’épaisseur moitié du matériau “A” est 2 cm et l’épaisseur moitié du matériau “B” et 5 cm. Un chercheur a un morceau d'une matière qui est composée de 3 cm de "A" et 4 cm de "B". Quelle fraction du rayonnement initial va passer à travers la pièce? “A”: “B”: 3 cm (2 cm/x 1/2) = 1. 5 x 1/2 = n A 4 cm = 0. 8 x 1/2 = n (5 cm/ x 1/2) [(½)1. 5 ]x [(½)0. 8 IAEA 100 ] = 0. 354 x 0. 574 = 0. 203 B 35 35% 20 57% 24

Epaisseur moitié - Exemple L’intensité initiale est 192. On veut la réduire à une

Epaisseur moitié - Exemple L’intensité initiale est 192. On veut la réduire à une intensité de 12. On aura besoin de combien de x 1/2? Vous n’aurez besoin d’aucune information au sujet du matériau. L’épaisseur moitié de n’importe quel matériau laisse passer ½. IAEA 25

Epaisseur moitié - Exemple L’intensité initiale est 192. On veut la réduire à une

Epaisseur moitié - Exemple L’intensité initiale est 192. On veut la réduire à une intensité de 12. On aura besoin de combien de x 1/2? Partant de 192 à 12 ça veut dire que l’intensité initiale est réduite d’un facteur 192/12 = 16. Ou on peut dire que l’intensité finale est 1/16 de l’intensité initiale. De combien d’épaisseur moitiés on aura besoin? (½)n = 1/16 ou 2 n = 16 Celui ci est facile. puisque 24 est 16, nous avons besoin de 4 x 1/2 IAEA 26

Epaisseur moitié - Exemple On donne un matériau spécifique: Pour un rayonnement mono-énergitique ,

Epaisseur moitié - Exemple On donne un matériau spécifique: Pour un rayonnement mono-énergitique , l’épaisseur moitié ne change jamais. Pour un faisceau de rayons x multi-énergies, l’épaisseur moitié (x 1/2) augmente avec l’épaisseur du matériau inséré dans le faisceau IAEA 27

Epaisseur moitié x 1/2 monoénergétique x 1/2 1000 500 250 125 62 E 1

Epaisseur moitié x 1/2 monoénergétique x 1/2 1000 500 250 125 62 E 1 E 1 E 1 polyénergétique* x 1/2 1000 500 300 200 155 E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 * L'énergie effective du faisceau poly-énergétique initiale est la même que l'énergie du faisceau mono-énergétique de dessus IAEA

Coefficients d’Atténuation Il y a deux types de coefficient d’atténuation: Ø Coefficient atténuation linéique

Coefficients d’Atténuation Il y a deux types de coefficient d’atténuation: Ø Coefficient atténuation linéique (CAL) fournit une mesure de la fraction d'atténuation par unité de longueur du matériau traversé Ø Coefficient atténuation massique (CAM) fournit une mesure de la fraction atténuation par unité de masse du matériau traversé IAEA 29

Coefficient d’atténuation linéique (CAL) I = Io e (- x) (½)Io = Io e

Coefficient d’atténuation linéique (CAL) I = Io e (- x) (½)Io = Io e (- x 1/2 ) ½ = e (- x 1/2) ln(½) = ln(e (- x 1/2)) quand x = x 1/2, donc I = (½)Io et x 1/2 sont fonction de l’énergie du photon x et de la nature du matériau qu’il traverse ln(½) = (- x 1/2) ln(2) = ( x 1/2) ln(2) x 1/2 = IAEA = ln 2 x 1/2

Coefficient d’attenuation massique (CAM) La relation entre (CAL) et (CAM) est: CAL = CAM.

Coefficient d’attenuation massique (CAM) La relation entre (CAL) et (CAM) est: CAL = CAM. densité = x 1 = cm 2 x g cm 3 IAEA

Coefficient d’atténuation massique Photon Energy IAEA Material 32

Coefficient d’atténuation massique Photon Energy IAEA Material 32

Equations d’atténuation Pour exprimer l’atténuation du faisceau de photons qui passe à travers un

Equations d’atténuation Pour exprimer l’atténuation du faisceau de photons qui passe à travers un matériau, on peut utiliser l’une des équations ci-dessous: Ø I = Io e (- x) ou quand x = x 1/2 n Ø I = I (½) o IAEA 33

Exemple #1 Le débit de dose est réduit de 300 m. Sv/h à 100

Exemple #1 Le débit de dose est réduit de 300 m. Sv/h à 100 m. Sv/h en utilisant un matériau de 5 cm d’épaisseur. Ce matériau a un coefficient d’atténuation massique de 0. 2 cm 2/g. Quelle est la densité du matériau utilisé? IAEA Utiliser I = Io (½) n ou I = Io e (- x) 34

Solution #1 En utilisant I = Io (½) n (½)n = 100/300 = 1/3

Solution #1 En utilisant I = Io (½) n (½)n = 100/300 = 1/3 ou ln(½)n = ln(1/3)/ln(½) = -1. 0986/-0. 693 = 1. 585 x 1/2 5 cm/1. 585 x 1/2 = 3. 2 cm = x 1/2 CAL = ln(2)/CAL = (µ/ ). = CAM. ln(2) 0. 693 0. 217 cm-1 3. 2 cm x 1/2 3 CAM 0. 2 cm 2/g = = = 1. 09 g/cm IAEA

Exemple #2 Un faisceau de rayons X est évalué en plaçant successivement des épaisseurs

Exemple #2 Un faisceau de rayons X est évalué en plaçant successivement des épaisseurs de l'aluminium dans le trajet du faisceau et en mesurant la quantité de rayonnement transmis. Les résultats sont les suivants: Al (mm) (m. R/hr) 0 350 4 170 1 290 5 150 2 240 6 140 3 200 10 100 Déterminer l’énergie effective des rayons x émis par cette unité. IAEA 36

Solution #2 X 1/2 approximativement 3. 9 mm = 0. 39 cm µ =

Solution #2 X 1/2 approximativement 3. 9 mm = 0. 39 cm µ = ln(2)/X 1/2 = 0. 693/0. 39 cm = 1. 78 cm-1 de l’Alu = 2. 7 g/cm 3 CAM = CAL/ = 1. 78 cm-1/2. 7 g/cm 3 = 0. 66 cm 2/g Regardons sur le tableau le CAM pour l’Alu l’énergie effective se trouve entre 35 et 40 ke. V IAEA 37

Où trouver plus d’information Ø Cember, H. , Johnson, T. E, Introduction to Health

Où trouver plus d’information Ø Cember, H. , Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4 th Edition, Mc. Graw-Hill, New York (2009) Ø International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002) IAEA 38