Interaction des rayonnements avec la matière- 2 Particules chargées (Particules Béta) Jour 2 – Presentation 2

Objectif Discuter la suite des interactions des particules bêta avec la matière: Mécanismes de transfert de l’énergie Bremsstrahlung Effet Cerenkov Blindage

Ionisation Le rayonnement ionisant éjecte l’électron de son atome Ce ci crée une paire d’ions– un électron (-) et l’atome qui a perdu l’électron (ion +)

Ionisation Les photons font partie aussi des rayonnements ionisants, mais le résultat est le même: une paire d’ion est crée; Cette section est consacrée aux interactions des électrons avec la matière

Electrons Rappelons que contrairement aux photons, les électrons ont une charge (-) et une masse

Electrons Les électrons sont plus légers que les nucléons: neutron et proton dans le noyau

Electrons Modes d’interaction des photons Effet photoélectrique Diffusion Compton Production de paires Le résultat est la production d’électrons. Ce sont des rayonnements ionisants comme les sources des particules béta

Electrons L’interaction des électrons est comparable à celle des autres particules chargées Les électrons les plus énergétiques se déplacent plus vite et créent ainsi une densité d'ionisation faible Les électrons plus énergétiques déposent moins d'énergie, donc une dose plus faible jusqu'à ce qu'ils soient ralentis La dose est la quantité d’énergie déposée par unité de masse du matériau exposé (joules/kg)

Electrons En plus de l'énergie de l'électron, le pouvoir d’arrêt est fonction de la nature du matériau dans lequel l'électron interagit

Bremsstrahlung Quand un électron passe au voisinage du noyau, il est accéléré et change de direction Le résultat est la production d’un photon. Le processus est appelé “Bremsstrahlung” qui signifie le freinage Les photons de Bremsstrahlung ont une distribution d’énergie continue

Bremsstrahlung

Relation empirique La fraction d’énergie de l’électron produisant le rayonnement de freinage suit la relation suivante: F = 3.5 x 10-4 (Z) . (E) Noter que la valeur de “E” est l’énergie maximale des particules béta Les particules bêta qui ont une forte énergie vont transformer une plus grande fraction de cette énergie en photons de freinage (Bremsstrahlung) Remind student that Z is the atomic number, that is, the number of protons in the nucleus. The relationship states that electrons interacting with atoms with a higher atomic number will produce more bremsstrahlung photons. Beta particles that have higher energy will have a greater fraction of bremsstrahlung photons created. Note that the value of “E” in this equation is the maximum energy for beta particles, not the average energy, and is in units of MeV. “F” is simply a fraction and was empirically derived. Caution the student not to try and attempt a dimensional analysis of this relationship. Bremsstrahlung radiation is also called the “radiative yield” stopping power. Because the bremsstrahlung fraction increases with increased atomic number of the shielding material, it is preferable not to shield a beta emitting isotope, particularly one that has a high energy, with a material that has a high atomic number. Note that low energy beta emitting nuclides, such as carbon-14 and tritium (hydrogen-3), are not likely to produce bremsstrahlung due to their low energy beta particles of 0.156 MeV and 0.018 MeV, respectively. Conversely, a higher energy beta emitting nuclide, like phosphorous-32, is very likely to create bremsstrahlung photons due to it’s 1.7 MeV beta particle.

Bremsstrahlung F = 3.5 x 10-4 (Z) . (E) Le Carbone-14, le Phosphore- 32 et le Tritium sont tous des émetteurs Béta, mais un seul qui présente un risque d’irradiation à cause des photons de freinage. De quel radionucléide s’agit-il et pourquoi pensez vous que c’est le cas? Remind student that Z is the atomic number, that is, the number of protons in the nucleus. The relationship states that electrons interacting with atoms with a higher atomic number will produce more bremsstrahlung photons. Beta particles that have higher energy will have a greater fraction of bremsstrahlung photons created. Note that the value of “E” in this equation is the maximum energy for beta particles, not the average energy, and is in units of MeV. “F” is simply a fraction and was empirically derived. Caution the student not to try and attempt a dimensional analysis of this relationship. Bremsstrahlung radiation is also called the “radiative yield” stopping power. Because the bremsstrahlung fraction increases with increased atomic number of the shielding material, it is preferable not to shield a beta emitting isotope, particularly one that has a high energy, with a material that has a high atomic number

Bremsstrahlung Le Carbone-14 et le Tritium ne sont pas susceptibles de produire des rayons de freinage à cause de faible énergie Béta qu’ils émettent (0.156 et 0.018 MeV), respectivement. Inversement, une particule bêta d'énergie plus élevée, comme celle du Phosphore-32, est très susceptible de créer des photons de freinage en raison de son énergie (1,7 MeV) Remind student that Z is the atomic number, that is, the number of protons in the nucleus. The relationship states that electrons interacting with atoms with a higher atomic number will produce more bremsstrahlung photons. Beta particles that have higher energy will have a greater fraction of bremsstrahlung photons created. Note that the value of “E” in this equation is the maximum energy for beta particles, not the average energy, and is in units of MeV. “F” is simply a fraction and was empirically derived. Caution the student not to try and attempt a dimensional analysis of this relationship. Bremsstrahlung radiation is also called the “radiative yield” stopping power. Because the bremsstrahlung fraction increases with increased atomic number of the shielding material, it is preferable not to shield a beta emitting isotope, particularly one that has a high energy, with a material that has a high atomic number

Blindage pour les sources Beta Often plastic is used to shield beta particles to avoid creating bremsstrahlung photons which are more difficult to shield.

Rayonnement de Cerenkov Le rayonnement de Cerenkov est la lumière visible qui est créé lorsque les particules chargées passent à travers un matériau à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière pour ce matériau Le rayonnement de Cerenkov est observable dans les piscines de combustible usé des réacteurs et dans les piscines de stockage des sources d'irradiation de très haute activité.

Rayonnement de Cerenkov Piscine du combustible usé des réacteurs

Rayonnement de Cerenkov Rack des Sources d’Irradiateur

Rayonnement de Cerenkov Bien qu'aucune particule ne peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide (3.0 x 108 m / s), il est possible pour une particule de se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière dans certains milieux telle que l'eau Lorsque la particule bêta se déplace dans l'eau, il a tendance à "polariser" (ou orienter) les molécules d'eau Lorsque la particule Bêta est passée, le milieu se dépolarise avec émission de l’énergie qui lui avait été fournie pour le polariser. From: http://nova.nuc.umr.edu/~ans/cerenkov.html

Rayonnement de Cerenkov Chaque point de la trajectoire se trouve donc émettre un rayonnement électromagnétique L'intensité de la lumière bleue est directement proportionnelle au nombre de fissions qui se produisent et le niveau de puissance du réacteur

Rayonnement de Cerenkov Bien que la plupart des rayonnements de Cherenkov est dans la région des UV, le rayonnement Chernkov est visible à nous avec une teinte bleutée La teinte bleutée persiste pendant un laps de temps après l’arrêt du réacteur Cette propriété peut être utilisée pour inspecter le combustible usé pour voir s’il est réellement le combustible usé ou des dunes utilisées pour masquer un détournement de matière.

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