A1. Nature des rayonnements - sfrnet.org · 2011. 6. 8. · α β− γ p X n β+ Artificiels...

α β− γ

Artificiels

Naturels

A1. Nature des rayonnements

Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 03/02/2011 – balduyck.s@chu-toulouse.fr

élér

onde radio

µ-onde

PhotonCorpuscules

Vallée de stabilitéNombre de neutrons U

Z trop élevé : émission α

Excès de neutrons :

Origine des rayonnements alpha, beta, gamma

Nombre de protons

Excès de protons : émission β+, CE

Excès de neutrons :émission β−

CE = capture électronique

DésintégrationNombre de neutrons

Raαααα

αααα : 2 protons et 2 neutrons

ββββ−−−−

ββββ−−−− : 1 : 1 : 1 : 1 électron

ββββ++++ : 1 : 1 : 1 : 1 positon

Rnαααα

Poαααα

Nombre de protons

ββββ++++

Les rayonnements alpha et beta

Les rayonnements α et β sont issus des désintégrations nucléaires de noyaux instables.

Ces désintégrations sont presque toujours suivies, après un temps très variable, d’une désexcitation.

variable, d’une désexcitation.� Le noyau fils Y se désexcite en émettant un photon, appelé photon γ.

Le noyau fils Y peut être lui-même instable et se désintégrer à son tour (filiation radioactive).

Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie à la matière qu’il rencontre.Nous allons donc insister sur les principales interactions :

Rayonnement matériel, cas du β• Avec le noyau

A2. Interaction des rayonnements ionisants avec la matière

• Avec le cortège électronique

Rayonnement lumineux• Effet photoélectrique• Effet Compton

Les explications seront très schématiques.

Ionisationalpha vs matière

Interaction du rayonnement alpha avec la matière

La particule α est massive et fortement chargée (2+), elle va très fortement interagir avec les couches électroniques de la matière qu’elle traverse.

En cédant peu à peu son énergie cinétique, elle est ralentie.

A chaque fois, l’énergie cédée va permettre une ionisation.

Le noyau étant entouré par les couches électroniques, la probabilité d’interaction α-noyau est très faible.

Ionisationbeta vs matière

Excitation

Fluorescence X

Désexcitation

X de freinage

Interaction du rayonnement beta avec la matière

3 cas de figures possibles :Perte de l’énergie cinétique de l’électron incident sans interaction notable (chaleur),Interaction avec le noyau et rayonnement X de freinage.

Interaction avec le noyau et rayonnement X de freinage.Interaction avec les électrons des atomes (Compton et ionisation), raies caractéristiques.

0 50 100 150Energie (keV)

nsité

Cas particulier du β+ : l’annihilation

Photon vs matière

Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 03/02/2011 – balduyck.s@chu-toulouse.frCas le + probable photon-atome : rien !

DiffusionCompton

Effet Compton

Le photon est dévié, cédant de l’énergie à l’électron.

Exemple de la diffusion Compton

Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 03/02/2011 – balduyck.s@chu-toulouse.fr (d’après projet MARTIR)

IonisationEffet photoélectrique

Toute l’énergie du photon devient énergie cinétique de l’électron.

La probabilité de l’interaction varie avec l’énergie du photon.

Probabilité (%) Imagerie médicale AccélérateursMédicaux

Détecteurs

Energie du photon (keV)

1 10 100 1 000 10 000 100 000

Photoélectrique Diffusion Compton Production de paire

Exemple d’utilisation de la diffusion Compton et de l’effet photoélectrique

Matrice enSilicium Amorphe

Lignes de Contactsur 3 CotésContacts Principaux

et Electronique de Lecture

Le capteur plan

Substrat de Verre

Scintillateur(Iodure de Césium)

En résumé, le photon et la matière

Interaction avec le noyau de l’atome traversé : Pas d’effet notable en radiologie,Réaction (X,n) en radiothérapie 25 MeV.

Interaction avec l’électron : En fonction de l’énergie cédée par le photon.L’effet de production de paire est un cas particulier

L’effet de production de paire est un cas particulier négligeable dans le domaine médical. Il correspond à la conversion de l’énergie en matière (E=mc²), ici la création d’un électron et d’un positon. Il faut que E>1022 keV.L’effet Compton est le plus prépondérant dans le milieu médical.

Pénétration dans la matièreTransfert d’énergie linéique

αααα :

ββββ :

Libre parcours moyen

photon :

proton :

En résumé :

Quelque soit le rayonnement, l’interaction dépend de l’énergie cédée à l’électron du cortège

Si l’énergie est insuffisante, désexcitation par émission d’un photon X / UV / visible.

émission d’un photon X / UV / visible.Si l’énergie est suffisante, ionisation de l’atome.

D’où la définition du rayonnement ionisant. Pour l’eau >13,6 eV.

A3. Comparaison des activités et expositions naturelles et artificielles

Irradiation naturelle (2,4 mSv/an) Irradiation artificielle (1,3 mSv/an)

11 %0,5 %

A4. Exposition : grandeurs et unités

Grandeurs dosimétriques

tissu (ou organe) T organisme

énergie transmise

dose absorbée DT

effet biologique(organe)

dose équivalente HT

×dose efficace E

air fluence Φ particules / m2

effet biologique(individu)

source activité At becquerel ( Bq ) ou mA s-1

J. kg-1 gray ( Gy )

HT = DT × wR

sievert ( Sv )

E = Σ (DT × wR × wT)

J. kg-1

DT = dE /dm E = Σ (HT × wT)

wR : facteur de pondération radiologique, tient compte de la nature du rayonnement

wT : facteur de pondération tissulaire, tient compte de la radiosensibilité propre de chaque tissu ou organe

Grandeurs mesurables. Grandeurs réglementaires.Grandeurs rationnelles.

A dose absorbée égale , la probabilité d’apparition d’effets aléatoires varie :� selon la distribution des ionisations dans le tissu ,� Donc de la nature et de l’énergie du rayonnement, p ar exemple son

transfert linéique d’énergie (TLE).

Facteur de pondération pour les rayonnements

Pour intégrer ce paramètre, on va pondérer la dose absorbée par un facteur lié à la nature du rayonnement aussi bien p our un champ de rayonnement externe que pour un radionucléide incor poré.

C’est le facteur de pondération pour les rayonnements, wR.

Type et domaine d’énergie wR

Photons, toutes énergies 1

Électrons, toutes énergies 1

Neutrons, énergie < 10 keV 5

CIPR 60

Facteur de pondération selon le rayonnement

Neutrons, énergie < 10 keV10 keV à 100 keV

> 100 keV à 2 MeV2 MeV à 20 MeV

> 20 MeV

51020105

Protons, énergie > 2 MeV 5

Alpha, toutes énergies 20

0,01 Peau0,01 Cerveau0,01 Glandes salivaires0,01 Surfaces osseuses0,04 Thyroïde0,12 Poumon0,12 Seins0,04 Oesophage

Facteur de pondération tissulaire

0,04 Oesophage0,12 Estomac0,04 Foie0,12 Côlon0,04 Vessie0,08 Gonades0,12 Moelle osseuse rouge0,12 moy tissu restant(muscle, cœur, rein, surrénales, vés. biliaire, pancréas, grêle, thymus, rate, utérus/prostate muq buccale, gg lymph.)

ΣΣΣΣ = 1

A nombre d’ionisations égal, avec le même rayonneme nt, les tissus n’ont pas la même radiosensibilité.

On a donc besoin d’une nouvelle grandeur, dérivée d e la dose équivalente , pour quantifier les effets stochastiques à l’échelle de l’individu, ensemble de tissus différe nts.

Le facteur par lequel la dose équivalente est pondé rée est appelé :

Facteur de pondération tissulaire

appelé :facteur de pondération pour les tissus, wT.

Ce facteur représente la contribution d’un tissu au détriment total encouru par l’individu.Cette contribution est la probabilité relative des effets pour chaque tissu, si tout le corps est exposé de manièr e homogène.

Dose fictive, qui serait administrée de manière homogène au corps entier.

Elle mesure la probabilité d’effets stochastiques, (les effets déterministes sont mesurés en Gy)

Une dose efficace correspond toujours à une estimation corps-entier : des doses efficaces égales indique la même probabilité d’effets stochastiques.

Exemple : le facteur de pondération tissulaire des poumons est estimé à 0,12. Une

Dose efficace

Exemple : le facteur de pondération tissulaire des poumons est estimé à 0,12. Une exposition uniquement des poumons de 100 mSv équivaut à la même probabilité d’apparition de détriments qu’une exposition du corps entier de :

12 mSv (= 100 x 0,12)

Il y a dose et dose. Exemple.

Activité :Fluence au côlon :

Dose absorbée à l’abdomen :Dose équivalente à l’abdomen

Contribution de l’abdomen à la dose efficace:Dose efficace :

96 / surface5 (au +)

5 * 1 = 55 * 0,12 = 0,65 * 0,12 + 1 * 0,05 = 0, 65

unités arbitraires

Les unités en résumé :

Le terme de dose peut exprimer 3 concepts :l’énergie déposée dans le milieu (dose absorbée),la façon dont le tissu est irradié (dose équivalente),le risque à long terme pour l’individu (dose efficace).

On ne sait mesurer que la dose absorbée.

On ne sait mesurer que la dose absorbée.Les doses ‘en sievert’ (= équivalente ou efficace) sont estimées en choisissant des facteurs de pondération grossiers et en faisant des calculs.Les limitations réglementaires de l’exposition sont données en terme de dose efficace.Les expositions du patient à l’issue d’un examen est donnée en dose absorbée.

Facteur de conversion PDL -> dose efficace

Dose efficace/PDL mSv/(mGy.cm)

<1an 1 an 5 ans 10 ans adulte

Tête 0.011 0.0067 0.004 0.0032 0.0021

Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 03/02/2011 – balduyck.s@chu-toulouse.fr N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72

Tête 0.011 0.0067 0.004 0.0032 0.0021

Tête+Cou 0.013 0.0085 0.0057 0.0042 0.0031

Cou 0.041 0.029 0.026 0.012 0.012

Thorax 0.094 0.062 0.043 0.029 0.014

Abdo & Pelvis

0.118 0.072 0.048 0.032 0.015

Tronc 0.106 0.067 0.046 0.032 0.015

Jambes 0.008

Valeurs des NRD en TDM adulte

Type d’examenCTDIvol(mGy)

PDL (mGy.cm)Dose efficace

E (mSv)

Tête 58 1050 318 cm

Du mGy vers le mSv

Tête 58 1050 3

Thorax 20 500 7

Abdo 25 650 10

Pelvis 25 450 7

CONCLUSION

La radioprotection utilise de nombreux termes très précis.

Pour les mesures et les calculs, elle repose beaucoup sur la physique des rayonnements.

Les modèles de rayonnement, les unités utilisées ne sont

Les modèles de rayonnement, les unités utilisées ne sont donc que des outils, manipulés avec plus ou moins de bonheur.

Ils ne doivent pas escamoter le bon sens et la connaissance du terrain, mais venir en complément.

balduyck.s@chu-toulouse.fr

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