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Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – X p n Artificiels Naturels Accélérateurs US RF UV IR onde radio.

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1 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – X p n Artificiels Naturels Accélérateurs US RF UV IR onde radio µ-onde Photon Corpuscules eV A1. Nature des rayonnements

2 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Vallée de stabilité Nombre de protons Nombre de neutrons C O Ne Pb Z trop élevé : émission Excès de protons : émission CE Excès de neutrons : émission CE = capture électronique Origine des rayonnements alpha, beta, gamma

3 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Désintégration Nombre de protons Nombre de neutrons C O Ne Pb Ra : 2 protons et 2 neutrons électron positon F Mo Rn Po

4 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – 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, dune 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).

5 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Principalement, le rayonnement interagit en cèdant son énergie à la matière quil 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

6 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Ionisation alpha vs matière

7 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – 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 quelle traverse. En cédant peu à peu son énergie cinétique, elle est ralentie. A chaque fois, lénergie cédée va permettre une ionisation. Le noyau étant entouré par les couches électroniques, la probabilité dinteraction -noyau est très faible.

8 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Ionisation beta vs matière

9 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Excitation

10 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Fluorescence X Désexcitation

11 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – X de freinage

12 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Interaction du rayonnement beta avec la matière 3 cas de figures possibles : Perte de lénergie cinétique de lélectron 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 Energie (keV) Intensité relative

13 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Cas particulier du + : lannihilation

14 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Cas le + probable photon-atome : rien ! Photon vs matière

15 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Diffusion Compton Le photon est dévié, cédant de lénergie à lélectron. Effet Compton

16 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Exemple de la diffusion Compton (daprès projet MARTIR)

17 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Ionisation Toute lénergie du photon devient énergie cinétique de lélectron. Effet photoélectrique

18 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – La probabilité de linteraction varie avec lénergie du photon. Energie du photon (keV) Probabilité (%) Photoélectrique Diffusion Compton Production de paire Imagerie médicale Accélérateurs Médicaux Détecteurs

19 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Exemple dutilisation de la diffusion Compton et de leffet photoélectrique

20 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– Substrat de Verre Matrice en Silicium Amorphe Lignes de Contact sur 3 Cotés Contacts Principaux et Electronique de Lecture Scintillateur (Iodure de Césium) Le capteur plan

21 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – En résumé, le photon et la matière Interaction avec le noyau de latome traversé : Pas deffet notable en radiologie, Réaction (X,n) en radiothérapie 25 MeV. Interaction avec lélectron : En fonction de lénergie cédée par le photon. Leffet de production de paire est un cas particulier négligeable dans le domaine médical. Il correspond à la conversion de lénergie en matière (E=mc²), ici la création dun électron et dun positon. Il faut que E>1022 keV. Leffet Compton est prépondérant dans le milieu médical.

22 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Pénétration dans la matière Transfert dénergie linéique : : photon : proton : Libre parcours moyen

23 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – En résumé : Quelque soit le rayonnement, linteraction dépend de lénergie cédée à lélectron du cortège Si lénergie est insuffisante, désexcitation par émission dun photon X / UV / visible. Si lénergie est suffisante, ionisation de latome. Doù la définition du rayonnement ionisant. Pour leau >13,6 eV.

24 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – A3. Comparaison des activités et expositions naturelles et artificielles Irradiation naturelle (2,4 mSv/an)Irradiation artificielle (1,3 mSv/an) 11 % 37 % 13 % 7 % 31 % 0,5 % cosmique radon tellurique alimentation rejets atmosphériques imagerie médicale tube cathodique

25 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– A4. Exposition : grandeurs et unités

26 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Grandeurs dosimétriques tissu (ou organe) Torganisme énergie transmise dose absorbée D T J. kg -1 gray ( Gy ) effet biologique (organe) dose équivalente H T H T = D T w R sievert ( Sv ) dose efficace E E = ( D T w R w T ) J. kg -1 air fluence particules / m 2 effet biologique (individu) source activité A t becquerel ( Bq ) ou mA s -1 D T = dE /dm E = ( H T w T ) w R : facteur de pondération radiologique, tient compte de la nature du rayonnement w T : facteur de pondération tissulaire, tient compte de la radiosensibilité propre de chaque tissu ou organe Grandeurs mesurables.Grandeurs réglementaires.Grandeurs rationnelles.

27 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– A dose absorbée égale, la probabilité dapparition deffets aléatoires varie : selon la distribution des ionisations dans le tissu, Donc de la nature et de lénergie du rayonnement, par exemple son transfert linéique dénergie (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. Cest le facteur de pondération pour les rayonnements, w R. Facteur de pondération pour les rayonnements

28 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– Type et domaine dénergiewRwR Photons, toutes énergies1 Électrons, toutes énergies1 Neutrons, énergie < 10 keV 10 keV à 100 keV >100 keV à 2 MeV 2 MeV à 20 MeV >20 MeV Protons, énergie > 2 MeV5 Alpha, toutes énergies20 CIPR 60 Facteur de pondération selon le rayonnement

29 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– 0,01Peau 0,01Cerveau 0,01Glandes salivaires 0,01Surfaces osseuses 0,04Thyroïde 0,12Poumon 0,12Seins 0,04Oesophage 0,12Estomac 0,04Foie 0,12Côlon 0,04Vessie 0,08Gonades 0,12Moelle osseuse rouge 0,12moy tissu restant (muscle, cœur, rein, surrénales, vés. biliaire, pancréas, grêle, thymus, rate, utérus/prostate muq buccale, gg lymph.) = 1 Facteur de pondération tissulaire

30 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– A nombre dionisations égal, avec le même rayonnement, les tissus nont pas la même radiosensibilité. On a donc besoin dune nouvelle grandeur, dérivée de la dose équivalente, pour quantifier les effets stochastiques à léchelle de lindividu, ensemble de tissus différents. Le facteur par lequel la dose équivalente est pondérée est appelé : facteur de pondération pour les tissus, w T. Ce facteur représente la contribution dun tissu au détriment total encouru par lindividu. Cette contribution est la probabilité relative des effets pour chaque tissu, si tout le corps est exposé de manière homogène. Facteur de pondération tissulaire

31 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Dose fictive, qui serait administrée de manière homogène au corps entier. Elle mesure la probabilité deffets 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 deffets 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 dapparition de détriments quune exposition du corps entier de : 12 mSv (= 100 x 0,12) Dose efficace

32 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– Activité : Fluence au côlon : Dose absorbée à labdomen : Dose équivalente à labdomen Contribution de labdomen à la dose efficace: Dose efficace : 9 6 / surface 5 (au +) 5 * 1 = 5 5 * 0,12 = 0,6 5 * 0, * 0,05 = 0, 65 unités arbitraires Il y a dose et dose. Exemple.

33 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Les unités en résumé : Le terme de dose peut exprimer 3 concepts : lénergie déposée dans le milieu (dose absorbée), la façon dont le tissu est irradié (dose équivalente), le risque à long terme pour lindividu (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 lexposition sont données en terme de dose efficace. Les expositions du patient à lissue dun examen est donnée en dose absorbée.

34 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF– N Hidajat et al, Berlin, BJR vol 72 Facteur de conversion PDL -> dose efficace Dose efficace/PDL mSv/(mGy.cm) <1an1 an5 ans10 ansadulte Tête Tête+Cou Cou Thorax Abdo & Pelvis Tronc Jambes0.008

35 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – Valeurs des NRD en TDM adulte Type dexamen CTDIvol (mGy) PDL (mGy.cm) Dose efficace E (mSv) Tête Thorax Abdo Pelvis cm 25 cm Du mGy vers le mSv

36 Unité de Radiophysique et Radioprotection S. Balduyck – CERF – 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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