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Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2 ème année Médecine Année universitaire.

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1 Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2 ème année Médecine Année universitaire

2 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

3 Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est ionisant sil est susceptible darracher des électrons à la matière. En général, cette énergie > 10eV RI=rayonnement responsable de lionisation Interaction Matière = noyaux positifs et électrons négatifs Rayonnement Directement Ionisants = particules chargées ( fragments de noyaux,, électron, positon) Forces coulombiennes Interactions obligatoires (déterministes) Rayonnements Non Directement Ionisants Interactions aléatoires (stochastiques) Ionisations indirectes par lintermédiaire de particules chargées secondaires mises en mouvement

4 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION CDA ET LIBRE PARCOURS MOYEN INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

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6 x dx N 0 N N–dN dN = - N dx N = N 0 e - x Log N = - x + Log N 0 µ : coefficient (linéique) datténuation, [L-1]

7 1 CDA 2 CDA 3 CDA x N 0 N 0 /2 N 0 /4 N 0 /8 N N 0 N 0 /2 N 0 /4 N 0 /8 x N 1 CDA 2 CDA 3 CDA Log N = - x + Log N 0 N = N 0 e - x CDA: Couche de Demi Atténuation, [L] N(CDA) = = N 0 exp(-µ. CDA) CDA = Ln2/µ La CDA est une donnée expérimentale.

8 /

9 Atténuation des photons

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11 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION CDA ET LIBRE PARCOURS MOYEN INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

12 Interactions élémentaires

13 Différents modes dinteraction des photons X et Y avec la matière Un faisceau de photons, peut interagir avec : Les électrons : par Effet photoélectrique Effet Compton Diffusion simple : Thomson (é libre) ou Rayleigh (é lié) les noyaux : par : production de paire : E élevée > MeV Réaction photonucléaire : (E très élevée qq MeV), Dans tous les cas, lénergie incidente se répartit en une énergie, transmise, transférée et diffusée

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16 Répartition spectrale et spatiale des photoélectrons E faible E élevée

17 En radioprotection : Plomb (z=82) En Imagerie scintigraphique : importance de lutilisation dun cristal à Z élevé pour avoir une bonne image

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19 E = h - h – (w l ) 1/h - 1/h = (1- cos ) / mc² = h /mc²

20 Photons Photons Électrons Incidents diffusés Compton h faible h moyenne h élevée

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22 Variation du / en fonction de h t / h (MeV) / est indépendant de Z diminue légèrement avec E d / /

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26 EPEEC CP EPEEC CP Eau Calcium Plomb

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28 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

29 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 sépares

30 Cest un transfert dénergie du rayonnement incident au milieu traversé ; ceci dépend de : la nature de ce rayonnement son énergie la nature de la matière traversée Ces interactions dépendent de propriétés liées à : la matière : numéro atomique : Z (densité électronique) - La particule : charge Z, masse (m) vitesse (v) En biologie, les interactions avec leau +++

31 Trois aspects : linteraction elle-même : - nature : transfert dénergie mécanisme, - fréquence / probabilité les conséquences sur la particule qui se traduisent par : - son ralentissement - aboutissent à son arrêt les conséquences sur le milieu : lénergie déposée par les particules aboutissant aux effets radiobiologiques Ces 3 aspects Notion : énergie transférée

32 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 E1, trois cas peuvent se rencontrer : - E E1 ionisation - E < E1 excitation - si E est très faible dissipation thermique

33 E E1, ionisation -lélectron est éjecté de son orbite avec une énergie cinétique E – E1, il se produit une ionisation et la création dune paire dions (ion + et électron). - cet électron éjecté peut à son tours créer dautres ionisations secondaires si son énergie est suffisante. - lionisation et suivie dun réarrangement du cortège électronique avec émission de fluorescence X.

34 TLE: Transfert Linéique dEnergie Définition : - Cest lénergie transférée par la Particule chargée par unité de longueur (ionisation et excitation) - TLE = dE / dx, en keV/µm (eau), MeV/cm (air) TLE k (z² / v² ) n Z Avec z : numéro atomique de la particule incidente v : vitesse de la particule incidente Z : numéro atomique du milieu n : nombre datome par unité de volume DLI: Densité Linéique dionisation Cest le nombre de paires dions créés par unité de longueur Soit w : énergie nécassaire pour créer une ionisation! ( w : air = 34 eV, eau = 32 eV) DLI = TLE / w

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36 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

37 de lACCÉLÉRATION DE PARTICULES Les électrons sont émis lors…… des DESEXCITATIONS de lATOME : électrons Auger du NOYAU : électrons de conversion interne des DESINTEGRATIONS - : émission dun électron : (A, Z) = (A, Z+1) : émission dun position : (A,Z)= (A, Z-1)+ + +

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41 PC légères – noyaux +++ e - 1 pénètre dans le champ coulombien noyau accélération +++ de é avec déviation et perte Ec - 1 e - 1 rayonne de lénergie sous forme : RX dans : les tubes de Coolidge les accélérateurs de particules

42 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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44 Par contre le positon va être responsable dune réaction dannihilation : - Lorsque son énergie cinétique est proche de zéro, le position interagit avec un électron, les deux particules disparaissent en donnant naissance à lémission de 2 photons gamma de 511 keV, émis à 180° lun de lautre. Réaction dannihilation Annihilation des positons = interaction fondamentale permettant de réaliser un type particulier de scintigraphie : la tomographie démission de positons.

45 -Les trajectoires des particules sont des lignes brisées (particules légères : changement important de direction à chaque interaction). Trajectoire des électrons -Dans leau la longueur totale de la trajectoire est approchée par la formule : Longueur (cm) = énergie initiale (Mev)/2 - Dans un milieu de masse volumique la trajectoire est approchée par formule : Longueur (cm) = énergie initiale (Mev)/2, ( en g cm -3 )

46 - La distance séparant le point dentrée de la particule et son point terminal (< trajectoire) sappèle « profondeur de pénétration moyenne » ou parcours moyen R.

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49 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION CDA ET LIBRE PARCOURS MOYEN INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

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51 C- Interaction des particules lourdes ( ++ ) avec la matière Le TEL et la DLI de ces particules sont importants : Pour une énergie cinétique égale, leur vitesse est faible (TEL = Kq 2 n Z/v 2 ) Courbe de Bragg dans lair = évolution de lionisation spécifique en fonction du parcours

52 Les trajectoires sont quasi rectilignes (les particules sont peu déviées en raison de leur masse importe) Dans lair le parcours moyen R est approchée par la formule : R(cm) = 0.31 E 3/2 E= énergie cinétique en MeV Dans un matériaux de masse volumique mat on a : R mat = R air air/ mat, où est en g cm -3

53 INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE COEFFICIENT DATTENUATION CDA ET LIBRE PARCOURS MOYEN INTERACTIONS ELEMENTAIRES INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE CAS GENERAL INTERACTIONS DES ELECTRONS INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

54 Neutrons « rapides » : E> 1000 eV Diffusion élastique : cest-à-dire que lénergie cinétique perdue par le neutron se retrouve sous forme dénergie cinétique dans le noyau heurté, appelé noyau recul et qui, lui, va produire des ionisation.

55 Neutrons lents : E < 1000 eV Leur énergie est dissipée : - par capture radiative, - par capture non radiative. Dans ce cas, le noyau excité se stabilise par émission de particules ( ou ) ou fission nucléaire.

56 En résumé, les neutrons nont pas daction ionisante directe puisquils ninteragissent pas en chassant les e -. En revanche, ils provoquent des ionisations: - par les noyaux de recul qui, eux, sont chargés (noyaux légers au regard de la classification de Mendeleiev) et qui sont projetés lors de chocs élastiques et qui sont la raison de la grande DLI des neutrons (car ce sont des particules lourdes au regard de leffet ionisant). - par les photons émis lors des captures radiatives (voir plus loin). En outre, les neutrons rapides finissent toujours par devenir des neutrons lents.

57 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX TUBE DE COOLIDGE SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

58 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX TUBE DE COOLIDGE SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

59 Réactions Nucléaires bombardement dun faisceau de noyaux stables par des neutrons ou des particules chargées dans des réacteurs Nucléaires. Exp: 99 Mo, 131 I Accélération de particules Accélération de particules chargée dans des accélérateurs circulaires ou linéaires (cyclotron ou synchrotron) Exp: 201 Tl, 123 I, Produits de fission de lUranium ou du plutonium Produits de générateurs 99 Mo/ 99m Tc 68 Ge/ 68 Ga

60 Fission induite

61 Les réactions nucléaires

62 Exemple de réaction nucléaire

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65 99 Ru

66 99 Mo 99m Tc 99 Mo 99m Tc = 4, s -1 ; T 1 = 66h dN/dt (99Mo) = - 1 N1(t) 99 Tc dN/dt (99mTc) = dN/dt (99mTc) = + 1 N1(t) … + 1 N1(t)- 2 N2(t)

67 1 = 0,01h -1 2 = 0,11h -1 A2(t) A1(0) x 1 x (e- 1t – 0) Si t >> T 2 A2 (t) A1 (t) 99 Mo 99m Tc 99 Tc donc : 2 >> 1

68 A 99 Mo Elution 99m Tc 24h48h72h96h t 99m Tc A(Mo) = 400mCi A(99mTc) 400mCi Dans le générateur Dans un flacon F A(99mTc) = 400mCi A(99mTc) = 400/2 72/66 = 187mCi Dans le flacon F A( 99m Tc) = 400/2 72/6 = 0.09mCi

69 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS TUBE DE COOLIDGE SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

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71 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS TUBE DE COOLIDGE SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

72 Courant cathodique ou de haute tension Dans un tube sous vide En chauffant un filament par effet JOULE (W=RI 2 t). Il y a libération des électrons par effet thermo-ionique En appliquant une HauteTension entre cathode et anode, Les électrons sont accélérés Haute Tension Accélératrice Ils percutent (interagissent) l'anode Le courant haute tension : Son intensité est de l'ordre de 3 à 5 mA pour la radioscopie et 10 à 1000 mA pour la radiographie

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74 Rayonnements de fluorescence ou caractéristiques Interactions avec les électrons avec un électron d'une couche profonde le réarrangement électronique émission de rayonnement de fluorescence avec des photons d'énergie relativement élevée. Avec un électron des couches périphériques le réarrangement électronique ne provoquera que l'émission de photons peu énergétiques qui seront absorbés par la matière environnante avec émission de chaleur.

75 Rayonnement de freinage A proximité du noyau accélération centripète intense Rayonnement de freinage E dépend de la distance électron-noyau : 0 : passage à grande distance l'énergie des électrons incidents E 0 emportée par les photons h max =eU = E 0 Les photons de faible énergie sont beaucoup plus nombreux Ce rayonnement de freinage ne survient que dans la proportion de 1 pour 100 à 1 pour 1000 par rapport au rayonnement de fluorescence

76 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE TUBE DE COOLIDGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

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78 Variation du flux des RX en fonction de U, I et Z et donc de I I 2 > I 1 I2I2 I1I1 I U2U2 U1U1 U 2 > U 1

79 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE TUBE DE COOLIDGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

80 Rendement démission de RX de freinage Puissance émise Puissance absorbée Rendement

81 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE TUBE DE COOLIDGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

82 Tube de Coolidge

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84 PHOTON ENERGY IN KeV. TUNGSTEN W TUNGSTEN K SERIES RADIATION INTENSITY TUNGSTEN L SERIES TIN K SERIES

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86 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE TUBE DE COOLIDGE CIBLE ET EMISSION DES RX FILTRATION DU FAISCEAU DES RX AUTRES TUBES A RX

87 Cible et émission des RX Flux dé. Cible cylindrique Indicatrice pour les basses énergies (<500 KeV) Indicatrice pour les basses énergies Indicatrice pour les hautes énergies (>1 MeV) (>1 MeV) Axe de symétrie Cible Sujet Anode électrons Sujet

88 Rayons primaires Surface à irradier DiaphragmeDiffuséPrimaires Cache Pb

89 La conductivité thermique du tungstène permet de diffuser la chaleur dissipée par le faisceau de- (température de fusion de °C). Lanode peut être enchâssée dans un bloc de cuivre qui réalisera un bon écoulement de la chaleur. Un autre dispositif consiste à faire tourner lanode afin de présenter au faisceau de - une surface différente à chaque instant. Ce qui a pour effet de distribuer les échanges de chaleur sur une surface plus grande, donc avec un plus grand volume déchange, pour une surface de section du faisceau de - constante.

90 Foyer thermique Foyer optique Foyer électronique Les différents foyers danode Tube à anode tournante Si 1 tour 3/4 Anode Tournante

91 Les foyers radiologiques Le foyer est la surface de formation du rayonnement X. On décrit trois types de foyers qui correspondent à des aspects différents de la zone émissive de rayonnement X. - Foyer électronique : zone de collision du faisceau d'électrons avec la cible de tungstène. - Foyer optique ou géométrique : surface apparente d'émission du rayonnement utilisé, vu du récepteur. - Foyer thermique : zone sur laquelle le faisceau électronique se répartit en réalité sur l'anode tournante et qui est échauffée. Foyer optique ou géométrique Foyer électronique Piste thermique représentation des différents foyers d'une anode tournante

92 Les différents foyers dune anode fixe Foyer optique et foyer thermique Foyers Radiologique

93 SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES EN MEDECINE PRODUCTION DES RADIOISOTOPES PRODUCTION DES RX ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS SPECTRE DU FAISCEAU DE RX RENDEMENT DEMISSION DE RX DE FREINAGE TUBE DE COOLIDGE CIBLE ET EMISSION DES RX AUTRES TUBES A RX

94 Accélérateur linéaire Des RX de hautes énergies radiothérapie externe accélération Protection du champ électrique pour éviter le freinage ddp HF e-e-e-e-

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