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Atténuation des gamma

L’atténuation du rayonnement initial

Des trois modes de radioactivité, la radioactivité gamma est la plus pénétrante et celle dont il est le plus difficile de se protéger. On ne peut en théorie l’arrêter complètement mais seulement l’atténuer. Dans la pratique une très forte atténuation équivaut à un arrêt, d’où l’importance de trouver de bons écrans.

Atténuation des gamma
L’atténuation d’un faisceau de gamma est définie comme la fraction des gamma qui émergent d’un écran sans avoir interagi. Sur les 6 gamma représentés (NB : les gamma se comptent en réalité par milliards dans un faisceau), ce sera le cas des gamma A et C. Les gamma B, E et F sont totalement absorbés dans l’écran. Le gamma D est partiellement absorbé. il donne naissance à un gamma (photon Compton) qui sort de l’écran avec une énergie moindre et une direction différente. Ces photons Compton sont a comptabiliser si l’on parle d’absorption.
© IN2P3 ©

A l’atténuation d’un écran, s’ajoute celle due à l’effet purement géométrique d’angle solide dont le pouvoir de protection augmente comme le carré de la distance à la source. Les rayons gamma étant émis également dans toutes les directions et se propageant en ligne droite, la probabilité qu’un rayon gamma touche par exemple une cible de 1 m2 de située à un kilomètre de la source est très petite : 1/12 600 000 (12,6 millions de m2 représentent la surface d’une sphère de 1 km de rayon).

Unn photon gamma qui traverse une tranche d’écran ne dépose pas son énergie au fur et à mesure comme une particule alpha : soit il interagit et disparaît en tant que tel ; soit il n’interagit pas et rien ne se passe. Dans le cas d’un grand nombre de gamma – un faisceau – un certain nombre de gamma émergent indemnes. Le faisceau est atténué.

L’atténuation est d’autant plus rapide que la “probabilité d’interaction” est forte. La capacité à atténuer mesurée par un coefficient d’atténuation proportionnel à cette probabilité appelée section efficace. Ce coefficient d’atténuation joue le rôle de pouvoir d’arrêt que jouait la perte d’énergie par ionisation pour une particule alpha ou un rayon bêta.

Dans le cas simple où tous les gamma qui le composent ont la même énergie et l’écran est homogène, un faisceau sera atténué de la même façon dans chacune des tranches élémentaires traversées. Son intensité décroît avec l’épaisseur comme l’activité d’une source radioactive décroît avec le temps, selon une loi exponentielle. On définit ainsi une “longueur de demi atténuation” qui joue le rôle de la période pour une décroissance radioactive (l’intensité est divisé par 2 au bout de cette longueur).

Cette longueur caractéristique d’atténuation varie beaucoup avec la nature de l’écran et l’énergie du gamma. On évalue souvent cette caractéristique en gramme/cm2 plutôt qu’en cm pour comparer à masse d’écran égale des milieux de densités très différentes, comme le plomb et l’eau.

Atténuation des gamma : eau et plomb
Donnée caractéristique d’un écran gamma, la longueur d’atténuation est l’inverse du coefficient d’atténuation. Plus elle est petite, plus l’atténuation est rapide. Moins d’un millimètre de plomb suffit pour atténuer de moitié un faisceau de gamma d’énergie inférieure à 200 keV, alors qu’il faut 5 cm d’eau pour obtenir le même résultat. Le plomb est moins efficace pour des gamma énergiques de 1 MeV : il faut 1 cm pour atténuer ces gamma de moitié (10 cm dans l’eau). A cette énergie, le rapport des atténuations est voisin de celui des densités : 11,6 pour le plomb et 1 pour l’eau).
© IN2P3 (Sources B.Tamain et K.Gerber) ©

À masse d’absorbeur égale, l’eau est beaucoup plus transparente que le plomb pour les gamma mous, mais les performances se rejoignent vers 1 MeV. Le plomb est particulièrement efficace pour atténuer les rayons X et les gamma de faible énergie, la longueur d’atténuation étant alors inférieure au mm. Par contre pour des gamma de 1 MeV, il faut près d’un cm de plomb pour les atténuer de moitié.

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