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Interactions des rayonnements ionisants (RI) avec la matière Pr E. Garin Service de médecine nucléaire Centre Eugène Marquis.

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1 Interactions des rayonnements ionisants (RI) avec la matière Pr E. Garin Service de médecine nucléaire Centre Eugène Marquis

2 Plan du cours Introduction Particules chargées - Généralités - Légères - lourdes Particules neutres - rayonnements électromagnétiques ( X, ) - neutrons

3 Introduction Interaction = transfert dénergie RI = particules chargées ou non responsables dionisations Matière = noyaux positifs et électrons négatifs RI directement ionisants = particules chargées - forces coulombiennes - interactions obligatoires RI indirectement ionisants = particules non chargées : neutrons, X, - interactions aléatoires (stochastiques) - ionisations indirectes par lintermédiaire de particules secondaires chargées mises en mouvement

4 Différents types de RI : particules chargées. Rayonnements : - noyau dhélium (2 neutrons et 2 protons), - très énergétiques (plusieurs Mev), - fort pouvoir ionisant, - pouvoir de pénétration très faible : qq cm dans lair, qq dizaines de m dans leau ou les tissus mous, stoppés par une feuille de papier, trajectoire linéaire car masse importante (7000 x plus lourde quun électron). Rayonnements : - électrons ( - ) et positons ( + ), - énergie très variable (de 0 à plusieurs Mev), - pouvoir ionisant intermédiaire, - pouvoir de pénétration faible : qq mètres dans lair, qq mm dans leau et les tissus mous, stoppés par un obstacle mince (ex: feuille dalu de qq millièmes à qq mm), trajectoire sinueuse (masse légère).

5 Rayonnements électromagnétiques X et : - radiations électromagnétiques dorigine atomique (X) ou nucléaire ( ), - énergie variable (qq Kev à qq Mev, celle des X est souvent < à celle des ), - pouvoir ionisant faible, ionisations indirectes, - pouvoir de pénétration très important : plusieurs centaines de mètres dans lair, traversent facilement lorganisme, stoppés par qq mm de plomb pour les X et jusquà plusieurs cm de plomb pour les. Rayonnements neutroniques (neutrons), - énergie élevée, - pouvoir ionisant fort mais ionisations indirectes (collisions avec les noyaux), - pouvoir de pénétration très important : pratiquement pas ralentis par lair, pénètrent profondément dans lorganisme puis absorption importante par les tissus mous, traversent les blindages. Différents types de RI : particules non chargées:

6 Intérêt double : diagnostique et thérapeutique Diagnostique : - Radiographie - scanner X - scintigraphie (gamma et TEP) Thérapeutique : - radiothérapie externe - radiothérapie interne : o curithérapie sources scellées o curithérapie métabolique (sources non scellées)

7 Scanner= utilisation des rayons X pour réaliser cartographie des coefficients datténuation de lorganisme Scintigraphie: utilisation des rayons pour étudier une fonction de lorganisme

8 Radiothérapie métabolique : utilisation des rayonnements - Lipiodol marqué à liode 131 ( de 365 kev, - de 606 kev) 9 mois plus tard

9 Première partie: Interactions des particules chargées avec la matière.

10 A- Généralités 1- Elles mettent en jeu des particules légères (e -, e + ) ou lourdes (protons, particules + + ), 2- Interactions obligatoires, secondaires aux forces coulombiennes qui sexercent entre ces particules chargées et la matière : F= k qq/x 2 avec : q et q= les charges des particules, x = la distance qui les sépare k = constante de coulomb

11 F F= k qq/x 2 Sous linfluence de cette force qui varie en intensité et direction au cours de linteraction : - la particule cible est projetée dans une direction et acquière une énergie Q prélevée à lénergie cinétique T de la particule incidente - la particule incidente est déviée dun angle et son énergie résiduelle après interaction est : T - Q

12 3- Les interactions peuvent avoir lieu soit avec les électrons soit avec les noyaux : - Interactions particules-électrons = collisions: elles entraînent un transfert dénergie à la matière responsable des effets produits sur le milieu - Interactions particules-noyaux = freinage: elles sont responsables de la production de rayons X de freinage qui peuvent soit être diffusés soit interagire à leur tour avec la matière

13 4- Interaction avec un électron de latome cible : ionisation, excitation, TEL, DLI. Lénergie cédée E par la particule incidente est cédée à un électron dénergie de liaison El, trois cas peuvent se rencontrer : - E El => ionisation - E excitation - si E est très faible => dissipation thermique

14 Si E El, => ionisation : - lélectron est éjecté de son orbite avec une énergie cinétique E – El, il se produit une ionisation et la création dune paire dions (ion+ et électron). - Cet électron éjecté peut à son tour créer dautres ionisations secondaires si son énergie est suffisante. - Lionisation est suivie dun réarrangement du cortège électronique avec émission de fluorescence X. ionisation Ionisation = mécanisme fondamental pour les effets biologiques des rayonnements Particule chargée incidente

15 Réarrangement du cortège électronique : - Création dune place vacante - Comblement par un électron périphérique ou extérieur dénergie de liaison Elc => 1) émission dune énergie E= El- Elc : - diffusée, photon de fluorescence - transmise à un électron périphérique dénergie de liaison < (El – Elc), qui est expulsé = Effet Auger - compétition entre les deux effets (fluorescence et Auger), noyaux lourds : fluorescence dominante noyaux légers (milieux biologiques) : Auger dominant => 2) nouvelle création de vacance électronique, nouveau réarrangement électronique…

16 Exemple : Pour ioniser une molécule deau il faut une énergie minimale ( E) de 16 eV, et pour une ionisation il y a 3 excitations représentant une énergie dégalement 16 eV. Lénergie globale transférée à la matière pour une ionisation est donc de 32 eV.

17 Si E excitation : - lénergie transférée à lélectron est insuffisante pour lexpulser mais peut porter lélectron à un niveau énergétique supérieur (changement dorbite) : il y a excitation de latome cible puis - retour à létat fondamental par émission de rayons de fluorescence excitation - si E est très faible: il y a dissipation thermique (énergie de translation, rotation ou vibration des molécules) Particule chargée incidente

18 Distribution des ionisations et excitations dans l'eau pour 1 électron de 1 MeV et 50 keV A 50 keV la vitesse est plus faible, linteraction est plus forte => il y a plus dionisations Répartition entre ionisations et excitations

19 Quantification de lénergie transférée : notion de TEL et DLI Transfert dénergie linéique ou TEL Le TEL est la quantité dénergie transférée au milieu cible par la particule incidente par unité de longueur de trajectoire. Unité : keV m -1 Pour des particules de vitesse faible devant la lumière on a : TEL = K q 2 n Z/v 2 avec: - k = constante - q = charge de la particule incidente - n = nb datomes de la cible par unité de volume - Z = numéro atomique de la cible - v = la vitesse de la particule incidente

20 A chaque interaction la particule transfère une partie de son énergie au milieu jusquà ce que sa vitesse soit nulle => une particule chargée donnée dénergie donnée peut être totalement arrêtée par un écran de nature et dépaisseur donnée. Le TEL diminue si v augmente (TEL= K q 2 n Z/v 2 )

21 Densité linéique dionisation (DLI) ou ionisation spécifique On appelle DLI le nombre de paires dions créés par la particule incidente par unité de longueur. Unité= (paires dions) m -1 On a : TEL = Wi.DLI où Wi = énergie moyenne transférée pour chaque ionisation

22 5- Interaction avec le noyau- Bremsstrahlung Lorsquune particule chargée passe à proximité dun noyau elle est soit attirée soit repoussée par le noyau, sa trajectoire est déviée et il y a un ralentissement de cette particule. Ce ralentissement est responsable dune diminution de lénergie cinétique de la particule qui est émise sous la forme dun rayonnement dit de freinage ou rayonnement de Bremsstrahlung.


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