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

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

Introduction Interaction = transfert d’énergie RI = particules chargées ou non responsables d’ionisations 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 l’intermédiaire de particules secondaires chargées mises en mouvement

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

Rayonnements électromagnétiques X et  : - radiations électromagnétiques d’origine 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 l’air, traversent facilement l’organisme, stoppés par qq mm de plomb pour les X et jusqu’à 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 l’air, pénètrent profondément dans l’organisme puis absorption importante par les tissus mous, traversent les blindages. Différents types de RI : particules non chargées:

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)

Scanner= utilisation des rayons X pour réaliser cartographie des coefficients d’atténuation de l’organisme Scintigraphie: utilisation des rayons  pour étudier une fonction de l’organisme

Radiothérapie métabolique : utilisation des rayonnements  - Lipiodol marqué à l’iode 131 (  de 365 kev,  - de 606 kev) 9 mois plus tard

Première partie: Interactions des particules chargées avec la matière.

A- Généralités 1- Elles mettent en jeu des particules légères (e -, e + ) ou lourdes (protons, particules  + + ), 2- Interactions obligatoires, secondaires aux forces coulombiennes qui s’exercent 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

F F= k qq’/x 2 Sous l’influence de cette force qui varie en intensité et direction au cours de l’interaction : - la particule cible est projetée dans une direction  et acquière une énergie Q prélevée à l’énergie cinétique T de la particule incidente - la particule incidente est déviée d’un angle  et son énergie résiduelle après interaction est : T - Q

3- Les interactions peuvent avoir lieu soit avec les électrons soit avec les noyaux : - Interactions particules-électrons = collisions: elles entraînent un transfert d’énergie 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

4- Interaction avec un électron de l’atome cible : ionisation, excitation, TEL, DLI. L’énergie cédée  E par la particule incidente est cédée à un électron d’énergie de liaison El, trois cas peuvent se rencontrer : -  E  El => ionisation -  E excitation - si  E est très faible => dissipation thermique

Si  E  El, => ionisation : - l’électron est éjecté de son orbite avec une énergie cinétique  E – El, il se produit une ionisation et la création d’une paire d’ions (ion+ et électron). - Cet électron éjecté peut à son tour créer d’autres ionisations secondaires si son énergie est suffisante. - L’ionisation est suivie d’un réarrangement du cortège électronique avec émission de fluorescence X. ionisation Ionisation = mécanisme fondamental pour les effets biologiques des rayonnements Particule chargée incidente

Réarrangement du cortège électronique : - Création d’une place vacante - Comblement par un électron périphérique ou extérieur d’énergie de liaison Elc => 1) émission d’une énergie E= El- Elc : - diffusée, photon de fluorescence - transmise à un électron périphérique d’énergie 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…

Exemple : Pour ioniser une molécule d’eau il faut une énergie minimale (  E) de 16 eV, et pour une ionisation il y a 3 excitations représentant une énergie d’également 16 eV. L’énergie globale transférée à la matière pour une ionisation est donc de 32 eV.

Si  E excitation : - l’énergie transférée à l’électron est insuffisante pour l’expulser mais peut porter l’électron à un niveau énergétique supérieur (changement d’orbite) : il y a excitation de l’atome cible puis - retour à l’état 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

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, l’interaction est plus forte => il y a plus d’ionisations Répartition entre ionisations et excitations

Quantification de l’énergie transférée : notion de TEL et DLI Transfert d’énergie linéique ou TEL Le TEL est la quantité d’énergie 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 d’atomes de la cible par unité de volume - Z = numéro atomique de la cible - v = la vitesse de la particule incidente

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

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

5- Interaction avec le noyau- Bremsstrahlung Lorsqu’une particule chargée passe à proximité d’un 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 d’une diminution de l’énergie cinétique de la particule qui est émise sous la forme d’un rayonnement dit de freinage ou rayonnement de Bremsstrahlung.