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Si la particule passe loin du noyau elle est peu déviée, le ralentissement est faible et le rayonnement de freinage est de faible énergie, si elle passe.

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1 Si la particule passe loin du noyau elle est peu déviée, le ralentissement est faible et le rayonnement de freinage est de faible énergie, si elle passe très près du noyau elle est fortement déviée et freinée et le photon de freinage a une énergie élevée. Le spectre dénergie du rayonnement de freinage est un spectre continu (par opposition au spectre de raie du rayonnement de fluorescence). Spectre du rayonnement de freinage (absorption par la cible des photons les moins énergétiques)

2 B- Interaction des particules légères (électrons, positons) avec la matière Importance fondamentale des électrons : - Les interactions entre les électrons et la matière sont responsables de lénergie absorbée par la matière (effets biologiques) - rayonnement primaire (émission - ), - rayonnement secondaire (aux interactions entres les rayons X et avec la matière),

3 Electrons et positons possèdent des caractéristiques voisines : - vitesse de propagation élevée - interactions pouvant se rencontrer du même type - Dans leau le TEL est relativement faible pour des énergies supérieures à 1 Mev (TEL # 0.25 keV m -1 ) et augmente fortement si lénergie diminue (TEL # 2.5 keV m -1 pour un électron de 10 keV

4 - 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 la formule : Longueur (cm)= énergie initiale (Mev)/2, ( en g cm -3 )

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

6 Evolution d'un faisceau mono-énergétique délectrons : - la profondeur de pénétration moyenne R est relativement variable (changement de direction aléatoire), - un faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante décran.

7 - La valeur maximale P max de cette distance est donnée par la formule : P max (cm) = (0.215/ ).E 1.66 avec: - = masse volumique du milieu (g.cm -3 ) - E = énergie cinétique de la particule (Mev) P max = qq mètres dans lair P max = qq mm dans les tissus mous, pour les énergies les plus courantes, à qq cm pour des énergies très élevées.

8 Par contre le positon va être responsable dune réaction dannihilation : Lorsque son énergie cinétique est proche de zéro, le positon 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

9 Tomographie démission de positons: - utilisation dun analogue du sucre marqué au fluor 18 ( 18 F-FDG) - Captation par les cellules tumorales TEP au 18 F-FDG Scintigraphie osseuse

10 Examens couplés scanner et TEP

11 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 = K q 2 n Z/v 2 ) Courbe de Bragg dans lair= évolution de lionisation spécifique en fonction du parcours

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

13 La profondeur de pénétration moyenne est sensiblement égale à la trajectoire qq cm dans lair qq dizaines de m dans les tissus mous Elles sont totalement arrêtées par une feuille de papier et la couche cornée Evolution d'un faisceau mono-énergétique de particules ++ : la profondeur de pénétration moyenne R est presque constante, un faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante décran.

14 Deuxième partie: Interaction des particules neutres avec la matière: - rayonnements électromagnétiques ( X, ) - neutrons

15 Rayonnements électromagnétiques (X, ) Atténuation Coefficients datténuation Couche de demi- atténuation Interactions élémentaires - effet photo-électrique - diffusion Campton - création de paire - diffusion de Thomson-Rayleyh - réaction photo-nucléaire Importance relative des interactions élémentaires Neutrons

16 Rayonnements électromagnétiques (X, ) A- Atténuation 1- Atténuation dans le vide : Divergence dans lespace dun faisceau de photons émis par une source ponctuelle Loi géométrique : I = I 0 / d 2 I 0 = intensité du faisceau à une distance unité prise comme référence I = intensité du faisceau à une distance « d » de la source

17 2- Atténuation dans la matière : Atténuation dun faisceau étroit de photons par interactions= - phénomène aléatoire - disparition progressive du nombre de photons - secondaire aux interactions élémentaires entre les photons et les électrons (et plus rarement entre les photons et les noyaux) - Soit le photon traverse la matière sans interagir - Soit il est totalement absorbé par la matière - Soit il cède une partie de son énergie et ressort avec une direction différente et une énergie plus faible = diffusion

18 Applications directes de latténuation des rayons X dans la matière Radiographies Scanner X => Renseignements anatomiques

19 B- Coefficients datténuation 1- Coefficient datténuation linéaire N 0 = nombre total de photons mono-énergétiques arrivant sur lécran X = épaisseur décran en cm N (x) = N 0 e - x = coefficient datténuation linéaire, unité= cm -1 il dépend : - de la nature du milieu - de la nature (énergie) des photons = probabilité dinteraction par unité de longueur Libre parcours moyen R R = 1/ en cm Décroissance Radioactive: activité dune source au temps t : A (t) = A 0 e - t = constante radioactive

20 2- Coefficient massique datténuation En fait, dépend de la nature et de létat physique du matériau => définition dun coefficient massique datténuation prenant en compte ce paramètre :, en cm g = coefficient linéaire d'atténuation = masse volumique du matériau traversé On a alors : N (x) = N 0 e –( x où x a une dimension de masse surfacique (g/cm 2 )

21 Cas d'un matériau complexe ou d'un faisceau poly-énergétique - matériau constitué dun mélange de corps simples (Z 1, Z 2,…, Z n ) présents en proportions définies par des fractions massiques a 1,a 2,…,a n, le coefficient datténuation massique de ce matériau est : a i i où i représente le coefficient datténuation massique dun élément simple -faisceau poly-énergétique: E 1,E 2,…,E n de proportions connues associés à des coefficients linéaires datténuation 1 2 … n connus, on a alors: x N i,0 e - i x

22 C- Couche de demi atténuation ou CDA Définition : la CDA est lépaisseur que doit avoir un écran pour que le nombre de photons transmis soit divisé par 2 N (CDA) = N 0 e - CDA = ½ N 0 => e - CDA = ½ => - CDA = ln ½ => CDA = (ln2)/ Valeurs de CDA, R et pour certains matériaux Décroissance radioactive: Période T dun radioélément = durée pour laquelle A (T) = A 0 /2 : T = (ln2)/ A(t) = A0 e -(ln t/T

23 D- Interactions élémentaires Les interactions se produisent le plus souvent entre les photons et les électrons : - le photon transmet toute son énergie à un électron et disparaît = effet photo-électrique - le photon incident transmet une partie de son énergie à un électron et donne naissance à un photon diffusé (énergie inférieure, direction différente) = diffusion Campton =>lélectron perd son énergie dans le milieu par ionisations et excitations - le photon est dévié, sans perdre dénergie, par un électron = diffusion de Thomson-Rayleigh Les interactions se produisent plus rarement entre les photons et les noyaux : - création de paire - réaction photo nucléaire Effet photo-électrique et diffusion Campton = les 2 interactions élémentaires les plus importantes dans le domaine médical

24 1- Effet photo-électrique Interaction photon/électron Le photon incident cède toute son énergie à un électron du milieu qui est expulsé et disparaît Leffet photo-électrique nest possible que si lénergie du photon incident (h ) est supérieure à lénergie de liaison « El » de lélectron Lélectron est éjecté avec une énergie cinétique Ec Ec = h - El, puis perd toute son énergie dans le milieu par ionisations et excitations


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