Qu’est-ce que la chambre à bulles – Définition

Dans la chambre à bulles, les traces de particules subatomiques se révèlent sous forme de traînées de bulles dans un liquide chauffé juste en dessous de son point d’ébullition, généralement de l’hydrogène liquide. Dosimétrie des rayonnements
Alpha Particle - Cloud Chamber
Particules alpha et électrons (déviés par un champ magnétique) d’une tige de thorium dans une chambre nuageuse.
Source: wikipedia.org

Les chambres à bulles sont des détecteurs de particules, qui sont basés sur un principe similaire à celui des chambres à nuage. Dans la chambre à bulles, les traces de particules subatomiques se révèlent sous forme de traînées de bulles dans un liquide chauffé juste en dessous de son point d’ébullition, généralement de l’hydrogène liquide. Les chambres à bulles peuvent être physiquement plus grandes que les chambres à nuages, et comme elles sont remplies de matériau liquide beaucoup plus dense, elles révèlent les traces de particules beaucoup plus énergétiques. Une particule chargée d’énergie (par exemple, une particule alpha ou bêta) interagit avec le liquide et le liquide entre dans une phase métastable surchauffée. Autour de la piste d’ionisation, le liquide se vaporise, formant des bulles microscopiques. La densité de bulles autour d’une piste est proportionnelle à la perte d’énergie d’une particule.

Il faut souligner que les bulles qui, dans ces appareils, forment des traces se développent sur les ions créés par le passage des particules ionisantes. Ainsi, ce processus d’ionisation doit être analysé. Chaque type de particule interagit de manière différente , donc la connaissance de cette interaction, comment les différentes particules déposent de l’énergie dans la matière et combien d’énergie les particules déposent, est fondamentale pour notre compréhension du problème. Par exemple, des particules chargées de hautes énergies peuvent directement ioniser les atomes. Particules alphasont assez massifs et portent une double charge positive, ils ont donc tendance à parcourir seulement une courte distance et à ne pas pénétrer très loin dans les tissus, voire pas du tout. Cependant, les particules alpha déposeront leur énergie sur un plus petit volume (éventuellement seulement quelques cellules si elles pénètrent dans un corps) et causeront plus de dommages à ces quelques cellules. En conséquence, les particules alpha laissent une trace courte mais significative dans la chambre.

Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Ils sont plus pénétrants que les particules alpha. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha. Par conséquent, les particules bêta laissent une trace plus longue mais moins visible dans la chambre.

Si un champ magnétique est appliqué à travers la chambre à nuages, les particules chargées positivement et négativement se courberont dans des directions opposées, selon la loi de force de Lorentz.

Ionisation et informations sur la piste

Il faut souligner que les gouttes qui forment dans ces appareils des traces se développent sur les ions créés par le passage des particules ionisantes. Ainsi, ce processus d’ionisation doit être analysé. Chaque type de particule interagit de manière différente , donc la connaissance de cette interaction, comment les différentes particules déposent de l’énergie dans la matière et combien d’énergie les particules déposent, est fondamentale pour notre compréhension du problème. Par exemple, des particules chargées de hautes énergies peuvent directement ioniser les atomes. Particules alphasont assez massifs et portent une double charge positive, ils ont donc tendance à parcourir seulement une courte distance et à ne pas pénétrer très loin dans les tissus, voire pas du tout. Cependant, les particules alpha déposeront leur énergie sur un plus petit volume (éventuellement seulement quelques cellules si elles pénètrent dans un corps) et causeront plus de dommages à ces quelques cellules. En conséquence, les particules alpha laissent une trace courte mais significative dans la chambre.

Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Ils sont plus pénétrants que les particules alpha. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha. Par conséquent, les particules bêta laissent une trace plus longue mais moins visible dans la chambre.

Si un champ magnétique est appliqué à travers la chambre à nuages, les particules chargées positivement et négativement se courberont dans des directions opposées, selon la loi de force de Lorentz.

Selon les données expérimentales, l’ionisation spécifique dN / dx dans les chambres nuageuses, définie comme le nombre moyen d’ions produits par unité de longueur par une particule passante, est bien décrite dans une première approximation à la fois pour les électrons et pour les particules plus massives par l’ équation de Bethe .

Puissance d’arrêt – Formule Bethe

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . Le pouvoir d’arrêt linéaire du matériau est défini comme le rapport entre la perte d’énergie différentielle pour la particule à l’intérieur du matériau et la longueur de trajet différentiel correspondante :

, où T est l’énergie cinétique de la particule chargée, nion est le nombre de paires électron-ion formées par unité de longueur de trajet, et I représente l’énergie moyenne nécessaire pour ioniser un atome dans le milieu. Pour les particules chargées, S augmente à mesure que la vitesse des particules diminue . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. La formule non relativiste a été trouvée par Hans Bethe en 1930. La version relativiste (voir ci-dessous) a également été trouvée par Hans Bethe en 1932.

Dans cette expression, m est la masse au repos de l’électron, β est égal à v / c, ce qui exprime la vitesse de la particule par rapport à la vitesse de la lumière, γ est le facteur de Lorentz de la particule, Q est égal à sa charge, Z est le numéro atomique du milieu et n est la densité des atomes dans le volume. Pour les particules non relativistes (les particules chargées lourdes sont pour la plupart non relativistes), dT / dx dépend de 1 / v 2 . Cela s’explique par le temps plus long que passe la particule chargée dans le champ négatif de l’électron, lorsque la vitesse est faible.

La nature de l’interaction d’un rayonnement bêta avec la matière est différente du rayonnement alpha , malgré le fait que les particules bêta soient également des particules chargées. Par rapport aux particules alpha, les particules bêta ont une masse beaucoup plus faible et atteignent principalement des énergies relativistes . Leur masse est égale à la masse des électrons orbitaux avec lesquels ils interagissent et contrairement à la particule alpha, une fraction beaucoup plus importante de son énergie cinétique peut être perdue en une seule interaction. Étant donné que les particules bêta atteignent principalement les énergies relativistes, la formule non relativiste de Bethe  ne peut pas être utilisée. Pour les électrons de haute énergie, une expression similaire a également été dérivée par Bethedécrire la perte d’énergie spécifique due à l’ excitation et à l’ionisation (les «pertes par collision»).

Formule Bethe modifiée pour les particules bêta.
Formule Bethe modifiée pour les particules bêta.

De plus, les particules bêta peuvent interagir via une interaction électron-nucléaire (diffusion élastique des noyaux), ce qui peut modifier considérablement la direction des particules bêta . Par conséquent, leur chemin n’est pas si simple. Les particules bêta suivent un chemin très zigzag à travers le matériau absorbant, ce chemin de particules résultant est plus long que la pénétration linéaire (plage) dans le matériau.

Les particules bêta diffèrent également des autres particules chargées lourdes par la fraction d’énergie perdue par processus radiatif connue sous le nom de bremsstrahlung . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung («rayonnement de freinage») .

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