Introduction

Les faisceaux d’électrons pulsés font partie de la catégorie des rayonnements, et plus particulièrement des rayonnements ionisants.

Définition des rayonnements ionisants

Globalement, un rayonnement désigne un processus d’émission ou de transmission d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques ou de particules.

Un rayonnement est ionisant lorsqu’il va modifier les atomes ou les molécules en leur arrachant ou ajoutant des électrons. Ces molécules vont alors être chargées positivement ou négativement [76,77]. Son interaction avec la matière est due à la transmission de tout, ou partie, de son énergie à cette dernière qui subit alors des modifications.

Il existe différents types de rayonnements ionisants :

- Les particules, aussi appelées rayonnements directement ionisants. Elles possèdent une masse au repos. On retrouve les rayonnements de particules chargées légères : globalement désignés par le terme de rayonnement de type bêta (β). Il s’agit des négatons (ou électrons) et des positons constituant respectivement les rayonnements β- _{et β}+_{. Dans le cadre de cette étude, nous utiliserons les rayonnements β}- _[78].

- Les rayonnements électromagnétiques de longueurs d’ondes inférieures à 100 nm, aussi appelés rayonnements indirectement ionisants. Ils sont composés d’un flux de photons. Ces photons n’ont pas de masse. On retrouve :

o les rayons gamma (ɣ) qui correspondent à la désexcitation du noyau de l’atome qui libère de l’énergie. Dans le cadre des applications de stérilisation, c’est l’atome de Cobalt, 60_{Co (}59_{Co, à l’état de repos). Deux photons ɣ sont émis avec}

une énergie de 1,17 MeV et 1,33 MeV.

o les rayons X sont issus d’interaction d’électrons avec la matière. Plus le numéro atomique (Z) de la matière est important, plus le rayonnement X qui en résulte sera intense.

Figure 12 : Classement des rayonnements ionisants.

Par la suite, nous nous intéresserons au comportement des rayonnements β, objet de l’étude.

Interactions des particules chargées avec la matière

Les particules chargées possèdent une masse et, de ce fait, leurs interactions avec la matière qu’elles pénètrent sont très probables.

Lorsque des particules β- _{en mouvement pénètrent un matériau, une partie de leur énergie}

cinétique est perdue en interagissant avec les atomes du milieu traversé. Deux possibilités peuvent alors se présenter :

- une interaction entre les électrons incidents et les électrons du milieu, appelée collision. Il en existe deux types : l’ionisation et l’excitation. Ce sont les plus probables. C’est la quantité d’énergie cinétique transférée à la matière par l’électron incident qui va favoriser un phénomène par rapport à l’autre.

- une interaction entre électrons incidents et un noyau du milieu : il y a alors freinage [78,79].

Le phénomène d’ionisation

Il a lieu dans le cas où l’électron incident transfère une énergie supérieure à l’énergie de liaison de l’électron de la matière. Dans ce cas, ce dernier est éjecté, comme illustré en Figure 13.

Rayonnements ionisants Electromagnétiques avecλ< 100 nm Particules _Légères Lourdes Photonsγ et X Neutrons β (Electrons) Non chargées Chargées α

Figure 13 : Phénomène d’ionisation par une particule chargée, d’après [79].

En général, lors d’une ionisation, l’énergie cédée par l’électron incident est faible en comparaison à son énergie cinétique totale. Par conséquent, de nombreuses interactions peuvent avoir lieu avant que l’énergie cinétique totale de l’électron incident soit insuffisante pour pénétrer plus loin dans la matière.

Le phénomène d’excitation

Il a lieu quand l’électron incident transfère une énergie égale à la différence entre les énergies de liaison de deux couches électroniques de l’atome de la matière. Comme l’illustre la Figure 14, l’électron de la matière qui subit l’interaction va migrer vers une couche électronique moins liée et plus énergétique : il y a excitation de l’atome. L’état excité est instable car le cortège électronique dans son ensemble est alors dans un état énergétique plus important qu’il ne devrait l’être. La lacune créée par le déplacement de l’électron va être comblée par un électron d’une couche de niveau supérieur grâce à un réarrangement du cortège électronique. Cela donne lieu à l’émission d’un photon dont l’énergie dépend de la différence entre les niveaux énergétiques des deux couches en question, c’est-à-dire de l’énergie de transition. Ce processus est appelé désexcitation ou relaxation de l’atome. Si la valeur de l’énergie de transition est modérée, la relaxation engendre l’émission d’un photon de faible énergie (visible ou ultraviolet). Si cette valeur est élevée, la relaxation peut engendrer :

- l’émission d’un photon X, résultant de la réorganisation du cortège électronique qui fait suite à l’ionisation de couches proches du noyau. Il est intéressant de remarquer que cela définit l’une des deux origines du rayonnement X.

- la recapture du photon X, par l’atome lui-même, provoquant l’expulsion d’un électron périphérique. Cet électron est appelé électron Auger (cf. Figure 14).

Dans le cadre de l’excitation d’un atome, l’énergie que cède l’électron incident à l’électron de la matière, comparativement à son énergie cinétique, est moins importante que dans le cas de l’ionisation.

Figure 14 : Phénomène d’excitation et ses conséquences, d’après [78].

Le phénomène de freinage

Plus minoritairement, les électrons qui pénètrent dans un milieu matériel peuvent interagir avec les noyaux atomiques de la matière. Cette interaction est d’autant plus probable que l’énergie de l’électron incident est grande (supérieur à 1 MeV) et que le numéro atomique du noyau de la matière traversée est important. Quand ces conditions sont réunies, un électron passant près d’un noyau peut, sous l’influence du champ électrique (champ coulombien du noyau, d’autant plus fort que le noyau est lourd), lui céder une partie de son énergie et être dévié. Un ralentissement ou un freinage de l’électron en est la conséquence. L’énergie perdue par l’électron est alors émise sous forme de rayonnements X dits de freinage ou Bremsstrahlung. Il s’agit du deuxième phénomène pouvant donner naissance au rayonnement X (cf. Figure 15).

Figure 15 : Phénomène d’émission de rayonnements X de freinage ou Bremsstrahlung, d’après [78].

La compréhension de l’interaction des particules chargées, et notamment des électrons, avec la matière permet de mieux comprendre les différents phénomènes qui apparaissent lorsqu’un faisceau d’électrons arrive à la surface d’un produit : modification des composés chimiques, création d’espèces réactives, énergie déposée dans le produit.