Bibliographie & annexes
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En anglais
Auteur(s)
-
Christian BOURGEOIS : Institut de physique nucléaire d’Orsay - Université Paris VII-Denis-Diderot
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Lire l’articleINTRODUCTION
Cet article a pour objet de faire le point sur les interactions particules-matière afin de permettre au lecteur d’aborder, par la suite, l’étude des différentes techniques de détection de rayonnements d’énergie supérieure à une dizaine de keV, tels ceux rencontrés en physique nucléaire ou en physique des particules. On a, dans ce cas, affaire la plupart du temps à des rayonnements ionisants qui vont transmettre leur énergie aux électrons du milieu ralentisseur : on parlera de pouvoir d’arrêt (perte d’énergie par unité de longueur du milieu traversé) électronique. À plus basse énergie, domaine non abordé par la suite, le ralentissement des particules se fait par collisions élastiques avec les atomes du milieu : on parlera de pouvoir d’arrêt nucléaire (cf. figure).
On est amené à distinguer ici différentes classes d’interaction, suivant que l’on considère des rayonnements chargés ou neutres, des particules lourdes ou légères.
Dans le cas de particules chargées, la perte d’énergie s’opère par transferts discrets d’énergie aux électrons du milieu (ionisation) et, pour des particules légères (essentiellement électrons), par émission d’un rayonnement de freinage (bremsstralung) lors de l’accélération subie au voisinage d’un noyau.
Dans le cas de rayonnements neutres (gamma, neutrons...), il y a d’abord transfert de tout ou partie de l’énergie à une particule chargée du milieu (électrons, noyaux), puis détection de la particule chargée.
Les processus évoqués ci-dessus sont des processus discrets de transfert d’énergie. Il existe des processus macroscopiques d’interaction d’une particule chargée dans un milieu donné. Dans ce cas, la perte d’énergie de la particule est négligeable, mais un signal est émis par le milieu indiquant le passage de la particule. Il s’agit de l’effet Cherenkov, pour des particules chargées relativistes, et des radiations de transition au passage d’une particule chargée entre deux milieux de propriétés diélectriques différentes.
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Interaction des électrons
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1. Interaction des particules chargées
Dans le cas de particules chargées lourdes, c’est-à-dire à partir du proton, de masse M très grande devant la masse de l’électron me (M /me = 1 837), et pour des énergies cinétiques supérieures à 1 MeV, on observe un ralentissement des particules sans déviation (sauf le cas très improbable de rencontre avec un noyau du milieu, ce qui a quand même permis à Ernest Rutherford de prouver l’existence du noyau atomique !). On en conclut que la particule perd progressivement son énergie en la transférant aux électrons du milieu. Ce transfert d’énergie peut se faire par excitation ou par ionisation des atomes du milieu.
1.1 Transfert maximal d’énergie : électrons δ
Dans certains cas, la quantité d’énergie transférée à l’électron, T, est très supérieure au potentiel d’ionisation I (T > 100 eV). Cet électron va avoir un parcours plus important dans le milieu et être responsable d’ionisations secondaires le long de son parcours. Ces électrons énergétiques sont appelés électrons δ : ils donnent lieu à la chevelure entourant la trace d’une particule chargée dans une émulsion, par exemple. Environ deux tiers de l’énergie transférée au milieu se retrouve sous forme d’énergie cinétique des électrons δ.
Le transfert d’énergie qu’une particule de charge ze, de masse M et de vitesse relative β = v / c peut effectuer sur un électron émis à un angle θ est :
T = 2 me c2 β 2cos2 θLa section efficace différentielle de production des électrons δ par unité de longueur de la trajectoire de la particule incidente, dans un milieu avec NZ électrons par unité de volume (avec N densité atomique et Z numéro atomique) s’écrit :
La notion de section efficace fut introduite par E. Rutherford : le nombre d’événements d N d’un phénomène donné est relié au nombre de particules incidentes N...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FERNOW (R.C.) - Introduction to experimental particle physics. - Cambridge University Press (1986) (exemple d’ouvrage parmi d’autres).
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(2) - Nouvelles du Ganil - no 44 (1993).
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(3) - HINE (G.J.), BROWNELL (G.L.) - Radiation dosimetry. - Academic Press (1956).
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(4) - KNOLL (G.F.) - Radiation detection and measurement. - John Wiley & Sons (1978).
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(5) - BAZZACCO (D.) et al. GASP - * - Workshop on large gamma-ray detector arrays, Chalk-River (1992).
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(6) - YPSILANTIS (T.), SEGUINOT (J.) - * - Nucl. Inst. and Meth. A343 (1994) 30 (exemple d’ouvrage parmi d’autres).
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(7) - GIOMATARIS...
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