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Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF – [email protected]

Xp

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Artificiels

Naturels

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cél

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teu

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US

RF

UV

IR

onde radio

µ-onde

PhotonCorpuscules

1

10-3

10-6

103

106

eV

A1. Nature des rayonnements


Vallée de stabilité

Nombre de protons

Nombre de neutrons

CO

Ne

PbZ trop élevé : émission

Excès de protons : émission CE

Excès de neutrons :émission

CE = capture électronique

Origine des rayonnements alpha, beta, gamma


Désintégration

Nombre de protons

Nombre de neutrons

CO

Ne

Pb

Ra

: 2 protons et 2 neutrons

électron

positon

F

Mo

Rn

Po


Les rayonnements alpha et beta

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

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

Le noyau fils Y se désexcite en émettant un photon, appelé photon .

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

• Avec le noyau• Avec le cortège électronique

Rayonnement lumineux• Effet photoélectrique• Effet Compton

Les explications seront très schématiques.

A2. Interaction des rayonnements ionisants avec la matière


Ionisation alpha vs matière


Interaction du rayonnement alpha avec la matière

La particule 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 -noyau est très faible.


Ionisation beta 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 les électrons des atomes (Compton et ionisation), raies caractéristiques.

0 50 100 150Energie (keV)

Inte

nsité

rel

ativ

e


Cas particulier du + : l’annihilation

Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF – [email protected] le + probable photon-atome : rien !

Photon vs matière


Diffusion Compton

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

Effet Compton


Exemple de la diffusion Compton

(d’après projet MARTIR)


Ionisation

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

Effet photoélectrique


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

Energie du photon (keV)

Probabilité (%)

1 10 100 1 000 10 000 100 000

Photoélectrique Diffusion Compton Production de paire

Imagerie médicale AccélérateursMédicaux

Détecteurs


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

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Substrat de Verre

Matrice enSilicium Amorphe

Lignes de Contactsur 3 CotésContacts Principaux

et Electronique de Lecture

Scintillateur(Iodure de Césium)

Le capteur plan


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 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 prépondérant dans le milieu médical.


Pénétration dans la matièreTransfert d’énergie linéique

:

:

photon :

proton :

Libre parcours moyen


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.

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

11 %

37 %

13 %

7 %

31 %

0,5 %

0,5 %

cosm

iqu

e

rad

on

tellu

riqu

e

alim

en

tatio

n

reje

ts a

tmo

sph

ériq

ue

sim

ag

erie

mé

dic

ale

tub

e c

ath

od

iqu

e


A4. Exposition : grandeurs et unités


Grandeurs dosimétriques

tissu (ou organe) T organisme

énergie transmise

dose absorbée DT

J. kg-1 gray ( Gy )

effet biologique(organe)

dose équivalente HT

HT = DT wR

sievert ( Sv )

dose efficace E

E = (DT wR wT)

J. kg-1

air fluence particules / m2

effet biologique(individu)

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

DT = dE /dm E = (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, par exemple son

transfert linéique d’énergie (TLE).

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

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

Facteur de pondération pour les rayonnements


Type et domaine d’énergie wR

Photons, toutes énergies 1

Électrons, toutes énergies 1

Neutrons, énergie < 10 keV

10 keV à 100 keV

> 100 keV à 2 MeV

2 MeV à 20 MeV

> 20 MeV

5

10

20

10

5

Protons, énergie > 2 MeV 5

Alpha, toutes énergies 20

CIPR 60

Facteur de pondération selon le rayonnement


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

= 1

Facteur de pondération tissulaire


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

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

Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est 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 manière homogène.

Facteur de pondération tissulaire


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 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)

Dose efficace


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

Il y a dose et dose. Exemple.


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.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.

Unité de Radiophysique et RadioprotectionS. Balduyck – CERF– [email protected] N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72

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

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 3

Thorax 20 500 7

Abdo 25 650 10

Pelvis 25 450 7

18 cm

18 cm

25 cm

25 cm

Du mGy vers le mSv


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 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.

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