Qu’est-ce que l’interaction des particules lourdes chargées avec la matière – Définition

Les particules chargées lourdes sont toutes des ions énergétiques ayant une masse d’une unité de masse atomique ou plus. La connaissance de leur interaction avec la matière doit être bien connue. Dosimétrie des rayonnements

Les particules chargées lourdes sont tous des ions énergétiques ayant une masse d’une unité de masse atomique ou plus, tels que des protons, des particules alpha (noyaux d’hélium) ou des fragments de fission . En particulier, la connaissance de l’ interaction des fragments de fission et des particules alpha doit être bien connue dans l’ingénierie des réacteurs nucléaires.

Description des particules alpha

Particule alpha - interaction avec la matièreLes particules alpha sont des noyaux énergétiques d’hélium . La production de particules alpha est appelée désintégration alpha. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les particules alpha sont relativement grandes et portent une double charge positive. Ils ne sont pas très pénétrants et un morceau de papier peut les arrêter. Ils ne parcourent que quelques centimètres mais déposent toutes leurs énergies le long de leurs courts trajets. Dans les réacteurs nucléaires, ils sont produits par exemple dans le combustible (désintégration alpha des noyaux lourds). Les particules alpha sont généralement émises par tous les  noyaux radioactifs lourds présents dans la nature ( uranium, thorium ou radium), ainsi que les éléments transuraniens (neptunium, plutonium ou américium). Des particules alpha particulièrement énergétiques (à l’exception des noyaux d’hélium accélérés artificiellement) sont produites dans un processus nucléaire, connu sous le nom de fission ternaire . Dans ce processus, le noyau d’uranium est divisé en trois particules chargées (fragments de fission) au lieu des deux normales. Le plus petit des fragments de fission est probablement (probabilité de 90%) étant une particule alpha extra énergétique.

Rendements de fragments de fission
Rendement des fragments de fission pour différents noyaux. Les masses de fragments les plus probables se situent autour de la masse 95 (Krypton) et 137 (Baryum).

Description des fragments de fission

Les fragments de fission nucléaire  sont les fragments laissés après une fission d’ un noyau . En règle générale, lorsque le noyau d’ uranium 235 subit une fission, le noyau se divise en deux noyaux plus petits , avec quelques neutrons et une libération d’énergie sous forme de chaleur ( énergie cinétique de ces fragments de fission ) et de rayons gamma. La moyenne de la masse des fragments est d’environ 118, mais très peu de fragments proches de cette moyenne sont trouvés. Il est beaucoup plus probable de se diviser en fragments inégaux, et les masses de fragments les plus probables sont autour de la masse 95 (Krypton) et 137 (Baryum).

La plupart de ces fragments de fission sont très instables (radioactifs) et subissent d’autres désintégrations radioactives pour se stabiliser . Les fragments de fission interagissent fortement avec les atomes ou les molécules environnantes se déplaçant à grande vitesse, ce qui provoque leur ionisation.

Énergie issue de la fission de l'uranium
Énergie issue de la fission de l’uranium

La majeure partie de l’énergie libérée par une fission (~ 160MeV du total ~ 200MeV) apparaît sous forme d’énergie cinétique des fragments de fission.

Nature de l’interaction des particules chargées avec la matière

Étant donné que l’interaction électromagnétique s’étend sur une certaine distance, il n’est pas nécessaire que la particule chargée légère ou lourde fasse une collision directe avec un atome. Ils peuvent transférer de l’énergie simplement en passant à proximité . Les particules lourdes chargées , telles que les fragments de fission ou les particules alpha interagissent avec la matière principalement par le biais de forces coulombiennes entre leur charge positive et la charge négative des électrons des orbitales atomiques. D’autre part, l’énergie interne d’un atome est quantifiée , donc seule une certaine quantité d’énergie peut être transférée. En général, les particules chargées transfèrent l’énergie principalement par:

  • Excitation.  La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
  • Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque les particules chargées ont suffisamment d’énergie pour retirer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.
Fragments de fission
Fragments de fission après fission d’un noyau. Les fragments de fission interagissent fortement avec les atomes ou molécules environnants se déplaçant à grande vitesse, ce qui les amène à s’ioniser.

La création de paires nécessite de l’énergie, qui est perdue de l’énergie cinétique de la particule chargée, ce qui la fait décélérer . Les ions positifs et les électrons libres créés par le passage de la particule chargée se réuniront alors, libérant de l’énergie sous forme de chaleur (par exemple l’énergie vibratoire ou l’énergie de rotation des atomes). C’est le principe selon lequel les fragments de fission chauffent le combustible dans le cœur du réacteur. Il existe des différences considérables dans les modes de perte d’énergie et de diffusion entre le passage des particules chargées légères telles que les positrons et les électrons et les particules chargées lourdes telles que les fragments de fission, les particules alpha et les muons. La plupart de ces différences sont basées sur la dynamique différente du processus de collision. En général, lorsqu’une particule lourde entre en collision avec une particule beaucoup plus légère (électrons dans les orbitales atomiques), les lois de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement prédisent que seule une petite fraction de l’énergie de la particule massive peut être transférée vers la particule la moins massive. La quantité réelle d’énergie transférée dépend de la distance à laquelle les particules chargées traversent l’atome et elle dépend également des restrictions de quantification des niveaux d’énergie.

La distance requise pour amener la particule au repos est appelée sa portée. La gamme de fragments de fission dans les solides ne s’élève qu’à quelques microns , et donc la majeure partie de l’énergie de fission est convertie en chaleur très proche du point de fission. Dans le cas des gaz, la portée augmente à quelques centimètres en fonction des paramètres du gaz (densité, type de gaz, etc.) La trajectoire des particules lourdes chargées n’est pas très affectée, car elles interagissent avec les électrons atomiques légers. D’autres particules chargées, telles que les particules alpha, se comportent de manière similaire à une exception près – pour les particules chargées plus légères, les plages sont un peu plus longues.

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 de la perte d’énergie différentielle pour la particule dans le matériau à la longueur de trajet différentiel correspondante :stopping_power_formula

, où T est l’énergie cinétique de la particule chargée, n ion est le nombre de paires électron-ion formées par unité de longueur de trajet, et I désigne 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.

stopping_power_formula_2

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.

Le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes. Par exemple, la plage d’une particule alpha de 5 MeV est d’environ seulement 0,002 cm en alliage d’aluminium. La plupart des particules alpha peuvent être arrêtées par une feuille de papier ordinaire ou un tissu vivant. Par conséquent, le blindage des particules alpha ne pose pas de problème difficile, mais d’un autre côté, les nucléides radioactifs alpha peuvent entraîner de graves risques pour la santé lorsqu’ils sont ingérés ou inhalés (contamination interne).

Spécificités des fragments de fission

La fission fragmente trois deux caractéristiques clés (quelque peu différentes des particules alpha ou des protons), qui influencent leur perte d’énergie lors de son voyage à travers la matière.

  • Énergie initiale élevée. Il en résulte une charge efficace importante.
  • Grande charge efficace. Les fragments de fission commencent par un manque d’électrons, donc leur perte spécifique est supérieure à la perte spécifique d’alpha, par exemple.
  •  Prise d’électrons immédiate. Entraîne des changements de (-dE / dx) pendant le voyage.

Ces caractéristiques entraînent une diminution continue de la charge efficace portée par le fragment de fission lorsque le fragment s’immobilise et une diminution continue de -dE / dx. La diminution résultante de -dE / dx (du capteur d’électrons) est plus importante que l’augmentation qui accompagne une réduction de vitesse. La plage d’un fragment de fission typique peut être environ la moitié de celle d’une particule alpha de 5 MeV.

Courbe de Bragg

Courbe de Bragg
La courbe de Bragg est typique des particules chargées lourdes et trace la perte d’énergie pendant son voyage à travers la matière.
Source: wikipedia.org

La courbe de Bragg est typique des particules chargées lourdes et décrit la perte d’énergie des rayonnements ionisants pendant le voyage à travers la matière. Pour cette courbe est typique le pic de Bragg , qui est le résultat de la   dépendance 1 / v 2  de la puissance d’arrêt. Ce pic se produit parce que la section efficace d’interaction augmente immédiatement avant que la particule ne s’arrête. Pour la majeure partie de la piste, la charge reste inchangée et la perte d’énergie spécifique augmente en fonction du 1 / v 2 . Vers la fin de la piste, la charge peut être réduite grâce à la capture d’électrons et la courbe peut tomber.

La courbe de Bragg diffère également quelque peu en raison de l’ effet de décalage . Pour un matériau donné, la gamme sera presque la même pour toutes les particules du même type avec la même énergie initiale. Parce que les détails des interactions microscopiques subies par une particule spécifique varient de façon aléatoire, une petite variation dans la plage peut être observée. Cette variation est appelée étalement et elle est causée par la nature statistique du processus de perte d’énergie qui consiste en un grand nombre de collisions individuelles.

Ce phénomène, décrit par la courbe de Bragg, est exploité en thérapie par particules du cancer, car cela permet de concentrer l’énergie d’arrêt sur la tumeur tout en minimisant l’effet sur les tissus sains environnants.

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