1 MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE PM2 – RM1 Bases physiques de lutilisation médicale des rayonnements...

MASTER DE PHYSIQUE MEDICALEMASTER DE PHYSIQUE MEDICALEPM2 – RM1PM2 – RM1

Bases physiques de l’utilisation médicale des rayonnements ionisants

Institut Curie, Centre de Protonthérapie d’Orsay

catherine.nauraye@cpo.curie.net

MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE PM2 – RM1 2006-2007

Structure énergétique de la matière

Quantités physiques et unités Relation masse - énergie Particules fondamentales

Historique Particules élémentaires Particules complexes Quantum et forces d’interaction Photons et rayonnement électromagnétique

MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE PM2 – RM1PM2 – RM1____________________________________________________

Structure énergétique de la matière

Description schématique de l’atome Le noyau Structure électronique de l’atome

Modèle de Rutherford Modèle de Bohr Modèle de Sommerfeld

Energie de liaison

Echanges énergétiques au sein de l’atome

Apport énergétique Ionisation Excitation

Retour à l’état stable Fluorescence Effet Auger

Absorption d’énergie dans le milieu Les molécules Les cristaux

Particules et radiations Rayonnements ionisants

Concept de résonance magnétique

Rayonnement ultrasonore

Structure énergétique de la matièreStructure énergétique de la matière

Grandeurs fondamentalesGrandeurs fondamentales

Grandeurs Unités légales

Unités usuelles

en physique des radiationsLongueur mètre m centimètre

(angström)*Fermi (femto)

10-2 m10-10 m10-15 m

Masse kilogramme kg gramme

u.m.a.

g 10-3 kg

1 / N 10-3 kg

Temps seconde s heure

3600 s

86400 s

Intensité

électrique

ampère A

nombre d’Avogadro N = 6.022.1023 atomes/atome

gramme

Grandeurs physiques dérivéesGrandeurs physiques dérivées

Grandeurs Unités légalesSI

Unités usuelles en physique des radiations

ou anciennes unités *Charge

électriquecoulomb C charge de

l’électrone 1.602. 10-19 C

Energie joule J (erg)*électron volt eV

10-7 J1.602. 10-19 J

Dose absorbée

gray( J.kg-1 )

Gy (rad)* rad 10-2 Gy

Exposition C / kg air (Roentgen)* R 2.58. 10-4 C / kg air

Doseéquivalente

sievert Sv rem 10 mSv

Activité becquerel( d.p.s )

Bq (curie)* Ci 37 GBq

Relation masse – énergieRelation masse – énergie

__________________________

Principe de la relativité

m0 : masse au repos

c = 3.108 m/s célérité de la lumière

Energie de masse (relation d’Einstein) E = m0c2

1 u.m.a = 931.48 MeV

Masse électron au repos = 511 keV (me: 9.1095.10-31 kg )

mc2 = m0c2 + T

Particules fondamentales - HistoriqueParticules fondamentales - Historique

Démocrite (460-370 avant J-C)

Matière : particules insécables (atomes)

John Dalton 1803-8 Théorie atomique de la chimie

Amadeo Avogadro 1811 Les atomes et les lois sur les gaz

Michael Faraday 1833 Les lois de l'électrolyse

Mendeleïev 1872 Tableau périodique des éléments

J.J. Thompson 1897 Découverte des électrons

Ernest Rutherford 1911 Découverte des noyaux

Niels Bohr 1913 Modèle de l’atome

James Chadwick 1932 Découverte du neutron

W.C. Roentgen 1895 Rayons X

Henri Becquerel 1896 Rayons uraniques

Pierre, Marie Curie 1898 Radioactivité

Ernest Rutherford 1899 Rayonnements alpha et beta

Paul Villard 1900 Rayonnement gamma

A. Einstein 1906 Équivalence masse-énergie

Irène, Frédéric Joliot 1934 Radioactivité artificielle

Rayonnements - HistoriqueRayonnements - Historique

Particules élémentairesParticules élémentaires________________________________

particules élémentaires

Fermions

Leptons Quarks

Leptons

Quarks

Gluons

Bosons W Z0

Photons

Leptons Masse(MeV)

Charge Quarks Masse (MeV)

Charge

électron e- 0.511 -1 d 390 -1/3

positron e+ 0.511 +1

neutrino e < 8.10-6 0 u 390 +2/3

muon - 106 -1 s 510 -1/3

neutrino < 0.2 0 c 1600 +2/3

tau - 1784 -1 b 4800 -1/3

neutrino < 30 0 t 174000 +2/3

Particules élémentairesParticules élémentaires

HadronsParticules complexes

Fermions BosonsW + W - Z 0

Baryons Anti-Baryons

Mesons

q q q q q q q q

Particules complexesParticules complexes

__________________________

Quark Masse (MeV)

Charge Durée de vie (s)

Particule

ud 140 +1 2.603.10-8 pion

su 494 -1 1.2371.10-8 K- kaon

uud 938.2796 +1 > 5.1032 ans proton

udd 939.5731 0 925 neutron

Proton : 1.007 uma, 1836 * masse électron

Particules complexesParticules complexes

Particules liées par le quantum échangé

PhotonPhoton : interaction électromagnétique

BosonBoson : interaction faible ( radio. )

GluonGluon : interaction forte ( quarks )

GravitonGraviton : gravitation

Électro-faible

( leptons )

Quantum et forces d’interactionQuantum et forces d’interaction________________

Forces d’interactionForces d’interaction________________

InteractionInteraction ParticuleParticuleéchangéeéchangée

Action Action sursur

PortéePortée IntensitéIntensité

Gravitationnelle Graviton Tout infinie 10-40

Electromagnétique Photon ElectronsQuarks

infinie 1/137

Nucléaire forte Gluon Quarks 10-15 m 1

Nucléaire faible Boson ElectronsNeutrinosQuarks

< 10-18 m 10-5

Photons et onde électromagnétiquePhotons et onde électromagnétique

____________________________________________________

hE h = 6.6256.10-34 J.s Constante de Planck

mch• Dualité onde - corpuscule hcm 2

Relation de Duane et Hunt : )nm(

)eV(E 1240

• Champ électrique ou magnétique xtsin 20

période de vibration

: longueur d’onde de la vibration

Quantum d’énergie de l’onde électromagnétique associée au photon

( De Broglie )

km nmmmm fmpm

eV keV MeV10-6

Rayons

Rayons XThérapie

Diagnostic

Matérialisation e- e+

Energies K

Potentiels d’ionisation

Photons et onde électromagnétiquePhotons et onde électromagnétique

Propriétés des atomesPropriétés des atomes________________________________________

A nucléons ( nombre de masse )

Z protons ( nombre atomique, propriétés chimiques )

A-Z neutrons ( propriétés nucléaires )

Atomes naturels ou artificiels stables ou radioactifs

0155.098.1 A

3/1ArR 0

Stabilité

Nucléides

Ligne de stabilité

Diagramme des nucléidesDiagramme des nucléides____________________________________________________________________________

Masse des noyaux et énergie de liaisonMasse des noyaux et énergie de liaison________________________________________

ZAmmZAZZAE nmL p,,

Liaisons énergétiques Défaut de masse 2cm

ZAMmZAHMZZAE nL ,, 1

ZAM , masse de l’atome neutre

atLe EZmZAmZAM ,,

mp= 938.27 MeV/c2

mn= 939.56 MeV/c2

Mass number A

N = 20 28 50 82 125

Z = 20 28 50 82

0 50 100 150 200 250

Mass number A

00 10 20 30

23MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE PM2 – RM1 2006-2007

Modèles nucléairesModèles nucléaires________________________________________

• Modèle de la goutte liquide : Noyau sphérique

Force nucléaire identique pour chaque nucléon

• Modèle en couches :Chaque nucléon a son énergie propreMoment magnétique et spinEtats d’énergie déterminées par nombre quantique

• Modèle collectif

Atomes MoléculesLiaisons chimiques

Liaisons physiques

Ordre de grandeur des énergies de liaison

Action E. nécessaire

Électrolyse de l’eau (liaison covalente H-OH) 5 eV

Arracher 1 électron au milieu biologique 15 eV

Arracher 1 électron à la couche K du tungstène 70 keV

Séparer les 4 nucléons du noyau de l’Hélium 7 MeV/A

Energies de liaisonEnergies de liaison________________________________________

0Energie de liaison de l’électron :

F = m2r

Orbite circulaire

Structure électronique de l’atomeStructure électronique de l’atome Modèle de RutherfordModèle de Rutherford

________________________________________________________

Quantification des couches orbitaires

bZWW Energie de liaison des électrons

W0 = 13.6 eV électron de l’hydrogène

b : constante d’écran (Mosley)

Structure électronique de l’atomeStructure électronique de l’atome Modèle de BohrModèle de Bohr

________________________________________________________

nr2 Onde associée au mouvement de l’électron

Expression quantique :

Pour une orbite quelconque de rang n

Moment angulaire :

hnmvrM

Structure électronique de l’atomeStructure électronique de l’atome Modèle de BohrModèle de Bohr

________________________________________________________

n : nombre quantique principal

2 111ji nn

ZR : Constante de RydbergR

Quantification des sous-couches :

Nombres quantiques

orbitaire : n ( 1, 2, 3… soient K, L, M…)

azimutal : l ( 0, 1, …, n-1 soient s, p, d, f…)

ellipticité de l’orbite

magnétique : m ( 2l+1 avec )

inclinaison du plan de l’orbite

de spin : +1/2 et -1/2

sens de rotation de l’électron sur lui-même

Structure électronique de l’atomeStructure électronique de l’atomeModèle de Sommerfeld Modèle de Sommerfeld ______________________ ______________________

Nombres quantiques Electrons Niveau

énergétique

Sous-étatn l m spin nombre désignation

1 0 0 ±1/2 2 1s K 1s1/2

2 0 0 ±1/2 2 2s LI 2s1/2

2 1 -1 ±1/2

6 2pLII

2p3/22 1 0 ±1/2

2 1 +1 ±1/2

3 0 0 ±1/2 2 3s MI 3s1/2

3 1 -1 ±1/2

6 3pMII

3p3/23 1 0 ±1/2

3 1 +1 ±1/2

3 2 -2 ±1/2

3 2 -1 ±1/2

3 2 0 ±1/2

3 2 +1 ±1/2

3 2 +2 ±1/2

Constitution électronique des premières couches et sous-couches

Principe d’exclusion de Pauli

un électron = un état électronique donné

2n2 électrons max par couche n

Règle de Hund

occupation max d’orbitales par nombre l

avant appariement en spin opposés

Règle de Klechlowsky

remplissage suivant valeur croissante de n+l

quand égalité, n le plus faible

Energie de liaison des électrons de la couche K : Wk = 13.6 Z2

Exemple: Wk du tungstène (Z:74) = 69.5 keV

Effet d’écran électron périphérique

4d3d4p

Echanges énergétiques au sein de l’atomeEchanges énergétiques au sein de l’atome

Processus d’ionisationProcessus d’ionisation________________________________

E = Wi + T

Processus d’excitationProcessus d’excitation______________________________

E = Wi - Wj

Réactions photochimiques (électrons périphériques)

Retour à l’équilibre : FluorescenceRetour à l’équilibre : Fluorescence

E = Wi

E2 = Wj

E1 = Wi - Wj

Retour à l’état fondamental Transitions en cascade

Configuration stable :

électrons occupant les niveaux d’énergie les plus bas

Combinaisons possibles de Wi – Wj limitées :

règle de sélection: et

avec j = l + spin : moment angulaire total de l’électron

LII ( l=1, j=1/2 ) K ( l=0, j=1/2 ) : raie K2

1l 0ou1j

Rayons charactéristiques

FluorescenceFluorescence________________

E ~ 100 keV

Représentation schématique des niveaux d’énergie et de l’émission des photons de fluorescence X

12.0911.5410.20

2.811.80

0.580.24

59.3167.2369.09 57.97

8.4011.2812.09 8.33

9.69 9.67

Série K

Série L

FluorescenceFluorescence

Atome de tungstène

( anode des tubes à RX )

Distribution spectrale des raies de fluorescence du tungstène

0 0.1 0.5 1 1.5

ASérie LSérie K

Intensité probabilité de transition

FluorescenceFluorescence________________

T = Wi - Wx

T = (Wi - Wj ) - Wx

Retour à l’équilibre : Effet AugerRetour à l’équilibre : Effet Auger

Absorption d’énergie dans les moléculesAbsorption d’énergie dans les molécules________________________________________________

Electrons périphériques

• responsables des propriétés chimiques

• orbites communes à plusieurs atomes

Raies d’absorption et de fluorescence :

détection de chromophores

Liaison de covalence : paire d’e- appariés de spins opposés

Absorption d’énergie Transferts d’énergie Q

collisions entre particules chargées incidentes et électrons du milieu ( énergie de liaison W )

Q > W : ionisation Q - W >> 100 eV : électrons

Q W : excitation (3* ionisation)

Q << W : énergie thermique (nb important)

Energie moyenne par ionisation

Pour l’eau :

Premier potentiel d’ionisation : électron le moins lié

Exemple : ionisation de H2O ( moyenne 16 eV )

H2O.+ + e- : 13.0 eV

HO+ + H. : 17.3 eV

HO. + H+ : 19.2 eV

HO. et H. sont des radicaux libres ->

grande réactivité chimique

Elements

Energie de liaison des différentes couches (eV) 1er potentiel

d’ionisation (eV)

K L M N O…

Tissus 8O

13.6 16.60

283 11.26

531 13.61

2142 135-128 10.95

4038 399-349 50 6.11

RX 74W 69508 12090-10198 2810-1800 580-240 70 7.98

82Pb 88001 15870-13044 3850 890 150 7.42

Film 47Ag

Absorption d’énergie dans les moléculesAbsorption d’énergie dans les molécules

Absorption d’énergie dans les cristauxAbsorption d’énergie dans les cristaux__________________________________________

Bande de conduction

Bande de valence

Bande interdite

Pièges à électrons

Cristal dopéNaI (Tl)

Cristal purNaIEnergies

de liaison

Énergie des photons de fluorescence < bande interdite

domaine du visible

( largeur bande interdite > 3 eV

cristal opaque à l’émission d’ultraviolets )

• Ecrans de radioscopie directe : sulfure de zinc dopé au cadmium

• Ecrans renforçateurs avec terres rares (lanthanides)

• Compteurs à scintillation : NaI (Tl)

• Radiographie numérique par luminescence photostimulée

Absorption d’énergie dans les cristauxAbsorption d’énergie dans les cristaux__________________________________________

Particules et radiationsParticules et radiations

Rayonnements ionisantsRayonnements ionisants__________________________________

indirectement ionisantes

( photons X et , neutrons, )

Particules

directement ionisantes

( électrons, protons )

Les sources de rayonnements ionisantsLes sources de rayonnements ionisants__________________________________________

Les sources radioactives:

Radioactivité alpha :

Isomérisme nucléaire :

Radioactivité - :

Radioactivité + :

AZ HMM

AZ eYX

Les accélérateurs :

Electrons Photons X

Protons Neutrons

Rayonnements indirectement ionisantsRayonnements indirectement ionisants__________________________________________

Rayonnement de freinage : rayons X continus

• Energie max 20 MeV (Médecine)

• collisions inélastiques des électrons

Rayons X caractéristiques : transitions des électrons orbitaux

• Energie de l’ordre de 100 keV

• effet photoélectrique

Rayons : transition nucléaire

Annihilation : e+ , e- 2

• production de paires électron-positron

216028

*6028 NiNi e

6027 NiCo

Ionisations détection des rayonnements

Détection des rayonnements ionisantsDétection des rayonnements ionisants__________________________________________

• Détecteurs à gaz ( chambre d’ionisation)

• Scintillateurs

• Semi-conducteurs

Concept de résonance magnétiqueConcept de résonance magnétique

Relation de Larmor

Imagerie par résonance magnétiqueImagerie par résonance magnétique

Rayonnement ultrasonoreRayonnement ultrasonore______________________________________

Aspect ondulatoire : vibrations mécaniques longitudinales

E : module de Young (élasticité)

u = u0 cos (2t - kx ) avec C = 2k

Impédance acoustique Z=C exprimée en rayl (kg.m-2.s-2)

Echo A

Echo B

Imagerie par échographieImagerie par échographie

RéférencesRéférences______________

• Les rayonnements ionisants: détection,dosimétrie, spectrométrie Daniel Blanc, Masson

• Biophysique des radiations et imagerie médicaleJean Dutreix, Abrégés Masson

• Review of radiation physics oncologyErvin B. Podgorsak, IAEA 2003

• Nuclear physicsJohn Lilley, Wiley 2002

1 MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE PM2 – RM1 Bases physiques de lutilisation médicale des rayonnements...

Documents

Transcript of 1 MASTER DE PHYSIQUE MEDICALE PM2 – RM1 Bases physiques de lutilisation médicale des rayonnements...

Déroulement de la protonthérapie chez les enfants – sans ...

COURS DE MATHEMATIQUES 4 DEUG 2 Analyse ...sylvie.delabriere/PM2/PM2.pdfTour 46 -0 - Boˆıte 186 - 4, place Jussieu - 75252 PARIS CEDEX 05 Tel´ : (33-1)44 27 53 49 - T´elecopie´

1 Construction à Louvain-la-Neuve d’un centre de traitement du cancer par Protonthérapie Proximité avec futur hôpital Unique en Belgique : actuellement,

Davantage de profits – Moins d’énergie - Runtech Systems©e du Sud, au Liban, Maroc et Israël. De même, nous avons réalisé de nombreuses installations de ... , PM2 et PM3

Diagnostic et contrôle dun faisceau en protonthérapie, en vue dune alternance rapide entre salles CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY Ludovic De Marzi 9èmes.

1 Les accélérateurs à champ fixe et gradient alterné FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) et leur application médicale en protonthérapie. Présenté par.

La protonthérapie à l‘Institut Paul Scherrer

PRESENTATION 7 MARS 2016 BENODET FINAL … · Institut Curie –/ Sabine Delacroix Ecole des accélérateurs Bénodet 7 mars 2016. 2 7 mars 2016 SOMMAIRE • La protonthérapie dans

NOTICE INFORMATION PROTONTHÉRAPIE DE HAUTE ÉNERGIE

echosSaint-Luc · 2019. 5. 29. · Q U E S S A I N T-U C PROTONTHÉRAPIE Un premier centre en Belgique. echos ... à la création, dès mon retour à Saint-Luc, du Centre des cardiopathies

Mise à jour des indications de la protonthérapie en oncologie · La note informative est destinée à soutenir la prise de décision dans un contexte où les échéanciers sont

Tam 26Tam - chu-charleroi.be · Tam 26Tam Retour expéditeur : Service Communication Espace Santé Bd Zoé DRION, 1 6000 Charleroi 1 La protonthérapie, bientôt une réalité pour

irsn frm 287 · Résumé Résumé La protonthérapie est une technique avancée de radiothérapie qui permet de délivrer une dose élevée à la tumeur, tout en épargnant au mieux

Site internet du STRMTG - Remontées mécaniques RM1 … · 2009-01-07 · STRMTG GUIDE RM 1 version du 18/12/2007 Page 2 / 116 SOMMAIRE ... 5.1 -Conditions du calcul des pourcentages

PM2-RM1.11 – BA – nov. 2006 GRANDEURS DOSIMETRIQUES APPLIQUES A LA PROTECTION RADIOLOGIQUE Bernard AUBERT Unité d'Expertise en radioprotection Médicale.

Protonthérapie: peut-on réaliser des traitements et de la ... · Protonthérapie: peut-on réaliser des traitements et de la recherche sur une même installation ? Samuel Meyroneinc

Presentation skip rm1

CENTRE DE PROTONTHÉRAPIE Protonthérapie des … protonthérapie... · Le manipulateur met en place les écarteurs de paupière sur l’œil à traiter et amène le robot face à

Guide RM1 - Exploitation et modification des telepheriques.pdf

MASSIFS PRÉFA MBL POUR CANDÉLABRES...MBL MCL MC1 MC114 MC22 MC218 MC2 PM2 PM218 PM3 PM3S PM4 PM4S MC1D MC2D MC6 MCP HAUTEUR DU MAT M A S S I F S réf. Poids Hauteur (mm) Section