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UE 3A
Organisation des appareils et des systèmes :
UE 3A
Organisation des appareils et des systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d’étude
Dr Tristan Richard
L1 santé – année universitaire 2009/10
UE 3A : Organisation des appareils et des systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d’étude
• MODULE 1: Etats de la matière et leur caractérisation
• MODULE 2: Méthodes d'étude en électrophysiologie jusqu'à l'ECGp y g j q
• MODULE 3: Les très basses fréquences du spectre électromagnétique
• MODULE 4:Le domaine de l'optique (prépare en particulier la microscopie en UE2)
• MODULE 5: Rayons X et gamma – Rayonnements particulaires
• MODULE 6: Utilisations thérapeutiques
2L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5
Rayons X et gamma – Rayonnements particulaires
Natures et propriétés des REMPrincipales caractéristiques des rayonnements α et βI t ti l tiè ff t h t él t i diff i té i li tiInteraction avec la matière: effet photo‐électrique, diffusions, matérialisationDétection
• Physique Nucléaires : Généralités
• La RadioactivitéLa Radioactivité
• Interactions Rayonnements – Matière
• Réactions NucléairesRéactions Nucléaires
• Les Rayons EM
• Les Détecteurs• Les Détecteurs
3L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5
Interactions Rayonnements MatièreInteractions Rayonnements – Matière
d h d’ ll é d éradiographie d’une main, coll. musée des Arts et Métiers.
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 4
Interaction Rayonnements – Matière
1. Généralités2. Interactions des photons X et γ2. Interactions des photons X et γ2.1 Atténuation d’un faisceau de photons2.2 Interactions photons‐matière3. Interactions des neutrons3.1 Neutrons rapides3.2 Neutrons lents4. Interactions des particules chargées4 1 Nature de l’interaction4.1 Nature de l’interaction4.2 Nature de la particule
d h d’ ll é d éradiographie d’une main, coll. musée des Arts et Métiers.
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 5
1. Généralités
Interaction rayonnements – matière: échange d’énergie entre les rayonnements (corpusculaire ou électromagnétique) et les atomes d ilidu milieu
particules non chargéesrayonnements EM photons X et γ
neutronsneutrons
i l h élégères électrons
particules chargéeslourdes α, p, fragments de fission
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 6
2. Interaction des photons X et γ2.1 Atténuation d’un faisceau de photonsf p
flux de photons (X ou γ)
matériauN0 NN + dN N
0 x x + dx flux de hυ par unité de tempsépaisseur traversée
variation nombre photons dN: dN = – μ dx N
coef linéiquecoef. linéique d’absorption
par intégration: N = N e–μ x N b d h i id t
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 7
par intégration: N = N0e μ N0 nombre de hυ incidents
couche de demi‐atténuation (CDA ou x1/2): épaisseur nécessaire pour atténuer la moitié du flux de photons incidents
2N
N 0= CDAμ−= eN2N
00
μ=
)2ln(CDACDAμ−= e
21
unité m– 1
coefficient massique d’atténuation et masse surfacique de la matière
μ dépend état matière (solide, liquide, gaz)μ p ( , q , g )
coefficient massique d’atténuation: μ/ρ (ρ masse volumique)
masse surfacique de la matière: μ x (en kg m – 2 ou en g cm – 2)masse surfacique de la matière: μ x (en kg.m ou en g.cm )
)(
0exρ
ρμ
−= NN 0eNN
xμ−= eNN 0autre expression de l’atténuation:
)2ln( CDAx
)2ln(0eNN
−=
μ=
)2ln(CDA 0eNN =
CDAN
N x20=
atténuation facteur 1024 (#1000):
écran épaisseur x = 10xCDA
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 8
CDAx2écran épaisseur x = 10xCDA
représentation graphique
N (x)N0
ln(N(x))
ln(N0))Nln())(Nln( 0+μ−= xx
xx μ−= eN)(N 0
N0/2
échelle log
)())(( 0μ
pente = μ
CDA
xCDA
x
échelle linéaire échelle semi‐logarithmique
ordre de grandeur CDA:
échelle linéaire échelle semi‐logarithmique
30 keV 100 keV 500 keV
air 25 m 35 m 60 m
eau (liquide) 2 cm 4 cm 7 cm
béton 3 mm 2 cm 4 cm
plomb 0 02 mm 0 1 mm 4 mm
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 9
plomb 0,02 mm 0,1 mm 4 mm
μ dépend de l’énergie des photons
hυ1 = 30 keVln(N(x))
log
1hυ 2 = 500 keV
μ1
μ2 hυ2 > hυ1
>échelle
x x (en m)
μ1 μ1 > μ2
CDA2 > CDA1
0 50 100 150 200 2500 50 100 150 200 250
x (en m)
μ dépend du matériau traversé (Z matériau)
hυ 2 = 500 keVln(N(x))
Z2 > Z1
μ2 > μ1eau (Z1)
μ1
μ2e log
CDA1 > CDA2plomb (Z2)x (en cm)
échelle
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 10
0 5 10 15 20 25 30 350 5 10 15 20 25 30 35
2.2 Interaction photons – matière
se ph
oton
sdiffusion
diffusion Thomson – Rayleigh
diffusion Comptondu
flux
de diffusion Compton
interactionhν – électron
effet photoélectrique
énua
tion
d
absorptioninteractionhν – noyau
matérialisation
atté hν – noyau
réaction photonucléaire
diffusiondiffusion
induction flou imagerie médicale
absorption
contraste imagerie médicale
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 11
absorption par milieu biologique → irradiation patient
2.2.1 Diffusion Thomson‐Rayleigh (diffusion simple)
photons de faible énergie (< 45 keV, sinon négligeable)
déviation direction photons sans transfert d’énergie
hυ absorbé par atome
atome état excité retour état fondamental
émission hυ même énergie direction aléatoire
diffusion Thomson – Rayleighimagerie médicale
faible énergie négligeable autres interaction
mammographie utilisation hν faible énergie (# 30 keV)
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2.2.2 Diffusion Compton
tissus biologiques: effet prédominant pour énergie > 45 keV (radiothérapie)tissus biologiques: effet prédominant pour énergie > 45 keV (radiothérapie)
absorption partie énergie Ei = hνi incident par électron
e – éjecté (si hυi > WK énergie liaison e –)
photon diffusé moins énergétique Ed = hυd < Ei
conservation énergie et quantité de mouvement
é i i éti él t E Ec = E E W
θ
diffusé Ed
incident Ei
énergie cinétique électron Ece: Ece = Ei – Ed – WK
relation entre Ei et Ed:
111 θ θincident Ei
2mccos1
E1
E1 θ−
=−id
imagerie médicale
responsable artefacts (fous) en radiobiologie
diffusion ComptonL1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 13
e – éjecté Eceirradiation patient
2.2.3 Effet photoélectriquetransfert de l’intégralité de l’énergie du hν incident à un électron du cortège transfert de l intégralité de l énergie du hν incident à un électron du cortège électronique de l’atome
énergie absorbée disparition photon e – éjecté Ece
e – éjecté (couche interne)
e
hν incident
Ece = hν – WKe K
énergie cinétique électron énergie de liaison
électron éjecté source secondaire
K
électron éjecté source secondaire rayonnement ionisant
réarrangement cortège électroniqueeffet photoélectrique
réarrangement cortège électronique
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 14
section efficace par effet photoélectrique (PE)
section efficace σ: probabilité d’interaction entre un photon incident et un atome
σ = n μcoefficient linéique
d’absorption
nombre d’atome par unité de volume
μen cm2g – 1
Lapplication médicale: contraste en radiobiologie et radiotoxicité des rayonnements ionisants
100
10plomb
K
relation de Bragg et Pierce matériau de masse volumique ρ et de numéro
y1
0,1 eau
p
de masse volumique ρ et de numéro atomique Z
3
iCZ
ρ=μénergie hν
Ehν en MeV0,01
0,10,01 1 10 100
variations de μ en fonction de E
3i EC ρ=μ
constante (couche e – ionisé)
effet PE prépondérant milieu dense (Z élevé) et photon faible énergie (10 à 50 keV)
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 15
(couche e ionisé) à 50 keV)
2.2.4 Matérialisationvoisinage noyau: matérialisation hν incident en 1 positon et 1 électronvoisinage noyau: matérialisation hν incident en 1 positon et 1 électron
condition: hν > 2 x 511 keV = 1,022 MeV
annihilatione –e +
e –K
matérialisation
marginal domaine médical
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2.2.5 Réaction photonucléairehν incident (E > 10 MeV) absorbé par noyauhν incident (E 10 MeV) absorbé par noyau
noyau état excité
retour stabilité désintégration (génération neutron)retour stabilité désintégration (génération neutron)
nXhX 10
1AZ
AZ +→ν+ −
γ 0ZZ γ
formation isotope radioactif noyau initialformation isotope radioactif noyau initial
nChC 10
116
126 +→ν+ γCarbone
nOhO 10
158
168 +→ν+ γOxygène
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2.2.6 Domaine de prédominance
hé è é dé tphénomènes prépondérants
effet photoélectrique (PE)effet Compton (C)p ( )création de paires (CP)
coefficient d’atténuation linéiqueq
μ = μ + μ + μμ
μPEPhotoélectrique
μ = μPE + μC + μCP
μCCompton
μCPMatérialisationμ
E1 E2 E (MeV)1 10 100
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 18
( )(échelle logarithmique)
Z (cible)100
création de paireseffet
photoélectrique
50
effet Compton
Ehν en MeV0,10,01 1 10 100
0
domaines de prédominance en fonction de Z (cible) et de E (hν incident)domaines de prédominance en fonction de Z (cible) et de E (hν incident)
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3. Interaction des neutrons
neutron: charge nulle
interaction avec électrons négligeableinteraction avec électrons négligeable
interaction avec noyau
4 classes de neutrons
Neutrons Énergie types d’interaction
lents ou thermiques E < 0,1 keV E < 10 keV captureintermédiaires 0,1 keV < E < 20 keV
E > 10 keV diffusionrapides 20 keV < E < 10 MeV E 10 keV diffusionhaute énergie E > 10 MeV
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 20
3.1 Neutrons rapides3.1.1 Diffusion élastiqueff q
choc neutron – noyau: transfert énergie cinétique neutron vers noyau
n diffusé Ec’ < Ec
énergie cinétique de recul du noyau
n incident Ec
Ecr
recul du noyau
n incident Ecnoyau
choc
noyau en mouvement potentiellement ionisant
ionisations indirectes dangereuses
probabilité choc neutron – noyau faible
neutrons rapides très pénétrants
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 21
neutrons rapides très pénétrants
3.1.2 Diffusion inélastique
choc neutron – noyau: capture neutron par noyau puis e – relâché
noyau cible état excité n diffusé
émission photon γ
hνγn incident
noyaunoyau
*XX AZ
AZ +→+ n n 1
010
ν++→+ hXX AA nn 11
γν+→ hX*X AZ
AZ
γν++→+ hXX ZZ n n 00
photons γ émis ionisant
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3.2 Neutrons lents3.2.1 Capture radiativep
capture neutron par noyau: noyau état excité stabilisation par émission hνγ
hνγn incident
noyau
*XX 1AZ
AZ
+→+ n10 ZZ0
γ++ ν+→ hX*Y 1AZ
1AZ
γ+ ν+→+ hXX 1AZ
AZ n10
γ
3.2.2 Capture non radiative
capture neutron par noyau: stabilisation par émissions β ou fission
processus de production radioéléments émetteurs β –
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 23
p p β
4. Interactions des particules chargées
interaction avec les électrons
i i l
ti l l d ( t f t d fi i )
interaction avec le noyau
particules « lourdes » (protons, α, fragments de fission)
particules légères (électrons)
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 24
4.1 Nature de l’interaction4.1.1 Interaction avec le nuage électroniqueg q
2 cas:
énergie transférée à l’e– E > WL expulsion e – cortège électroniqueénergie transférée à l e E WL expulsion e cortège électroniqueatome ionisé: source secondaire d’ionisation
énergie transférée à l’e– E < WL atome état excitég Lretour état stable par dissipation de l’énergie sous forme thermique ou par émission hν peu énergétiques
i d’ êt d ili t d’é i d l ti l ité d lpouvoir d’arrêt du milieu: perte d’énergie de la particule par unité de longueur
Nm
zdE 2∝−
z : charge de la particule m : masse de la particule
Transfert d’Energie Linéique (TEL): énergie transférée par la particule
NE
zd
∝x E : énergie de la particule
N : nombre d’e – du milieu par unité de volume
g q ( ) g p ppar unité de longueurDensité Linéique d’Ionisation (DLI): nombre de paire d’ions crées par unité de longueur TEL DLI
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unité de longueur TEL = DLI x ω énergie moyenne par ionisation
4.1.2 Interaction avec le noyau
passage proximité noyau: interactions électrostatiques particules déviées
perte énergie cinétique particule incidente
émission rayonnement électromagnétique de freinage ou Bremsstrahlung
production des rayons X
e – déviéEd < Ec+
e – incidentEiEp = Ei – Ed
Ep énergie hν émisnoyau
cas d’un électron
p gEi énergie particule incidenteEd énergie particule déviée
pouvoir d’arrêt du milieu: dissipation d’énergie par unité de temps
2ZzdE ⎞⎛ z : charge de la particule
mZz
dtdE
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∝
z : charge de la particule Z : charge du noyaum : masse de la particule
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 26
énergie est d’autant plus faible que la particule incidente est lourde
importance des interactions par ionisation et par rayonnement de freinage
EZ E : énergie de la particule (en MeV)Z : charge du noyau ionfreinage TELTEL
800EZ
≅
dans l’eau (Z = 8):
rayonnement 1 MeV (très énergétique) TELfreinage = 1%
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 27
4.2 Nature de la particule4.2.1 Particules légères (électrons)g ( )
pertes d’énergie par ionisation ou freinage
E < 100 MeV essentiellement par ionisation
trajectoires: lignes brisées changements de direction transferts d’énergie
I0 Iionisations
e – incidentE
portée ou longueur de pénétration distance maximale parcourue dans la direction du flux incident
E MeV)(endans l’eau la longueur de pénétration
2E
LMeV)(en
cm)(en ≅dans l eau, la longueur de pénétration est donnée par:
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 28
positons annihilation
4.2.1 Particules lourdes (p, α, fragments de fission)interaction avec nuage électronique prépondérante (ionisation)interaction avec nuage électronique prépondérante (ionisation)
particules massives: interactions faible impact sur trajectoire
partc incidente
I0 DLI
DLI
I/I0
1I
ionisations
pE
courbe de Bragg:
DLImax1
0 5ggparcours particule perte énergie cinétique
vitesse diminue – temps d’interaction augmenteTEL et DLI augmente
x
R
0,5
TEL et DLI augmentejusqu’à perte énergie cinétique
parcours moyen R: épaisseur nécessaire pour atténuer de moitié le flux i id I
variation densité linéique d’ionisationR
incident I0
2zm
R ∝ z : charge de la particule m : masse de la particule
L1 santé 2009‐2010 ‐ UE 3A ‐Module 5 29
ordre de grandeur micromètre (tissus biologiques)