A1. Nature des rayonnements - sfrnet.org · 2011. 6. 8. · α β− γ p X n β+ Artificiels...
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α β− γ
Xp
n
β+
Artificiels
Naturels
UV103
106
eV
A1. Nature des rayonnements
Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 03/02/2011 – [email protected]
Acc
élér
ateu
rs
US
RF
IR
onde radio
µ-onde
PhotonCorpuscules
1
10-3
10-6
Vallée de stabilitéNombre de neutrons U
Z trop élevé : émission α
Excès de neutrons :
Origine des rayonnements alpha, beta, gamma
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Nombre de protons
CO
Ne
Excès de protons : émission β+, CE
Excès de neutrons :émission β−
CE = capture électronique
DésintégrationNombre de neutrons
Pb
Raαααα
αααα : 2 protons et 2 neutrons
ββββ−−−−
ββββ−−−− : 1 : 1 : 1 : 1 électron
ββββ++++ : 1 : 1 : 1 : 1 positon
Mo
Rnαααα
Poαααα
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Nombre de protons
CO
Ne
ββββ++++
F
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.
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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
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• Avec le cortège électronique
Rayonnement lumineux• Effet photoélectrique• Effet Compton
Les explications seront très schématiques.
Ionisationalpha vs matière
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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.
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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
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Excitation
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Fluorescence X
Désexcitation
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β
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.
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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)
Inte
nsité
rela
tive
Cas particulier du β+ : l’annihilation
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β+
Photon vs matière
Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF 03/02/2011 – [email protected] le + probable photon-atome : rien !
DiffusionCompton
Effet Compton
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Le photon est dévié, cédant de l’énergie à l’électron.
Exemple de la diffusion Compton
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IonisationEffet photoélectrique
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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
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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
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Matrice enSilicium Amorphe
Lignes de Contactsur 3 CotésContacts Principaux
et Electronique de Lecture
Le capteur plan
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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
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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
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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.
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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 %
cosm
ique
reje
tsat
mos
phér
ique
s
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37 %
13 %
7 %
31 %
0,5 %
rado
n
tellu
rique
alim
enta
tion
imag
erie
méd
ical
etu
beca
thod
ique
A4. Exposition : grandeurs et unités
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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
Σ (
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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 – [email protected] 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
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Tête 58 1050 3
Thorax 20 500 7
Abdo 25 650 10
Pelvis 25 450 7
cm
18 cm
25 cm
25 cm
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
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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.