ISPITS Institut Supérieur des Professions Infirmières et des Techniques de Santé MEDECINE NUCLEAIRE CH4 LES INTERACTIONS DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018 N BEN RAIS AOUAD

AVEC LA MATIERE CH 4 LES INTERACTIONS DES RAYONNEMENTS IONISANTS Pr N BEN RAIS AOUAD Chef de service de médecine nucléaire Centre hospitalier IBN SINA Directrice UPR de Physique, Biophysique et Médecine Nucléaire Faculté de Médecine et de Pharmacie de Rabat Directrice de l’équipe de recherche en oncologie nucléaire Université Mohammed V Rabat 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Objectifs pédagogiques Distinguer une particule d’un rayonnement électromagnétique; Différencier un rayonnement directement et indirectement ionisant; Expliquer les différents modes d’interaction avec la matière et les conséquences qui en découlent; Identifier les différentes interactions des REM avec la matière et leurs intérêts en médecine et en radioprotection. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

CH 4 INTERACTIONS DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE Introduction I Rayonnements chargés 1- Intéraction des particules chargées lourdes avec la matiére. a-Intéraction avec les électrons b- Conséquences 2- Intéraction des particules chargées légères a-Intéraction avec les noyaux b-Intéraction avec les électrons 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

CH 4 INTERACTIONS DES RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC LA MATIERE II Interaction des photons avec la matière: 1- Généralités 2- Effet global a- Atténuation d’un faisceau  ou X b- Couche de demi atténuation 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

CH 4 INTERACTIONS DES RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC LA MATIERE 3-Phénomènes élémentaires: A-Effet photo –électrique B-Effet Compton C-Effet de création de paire: matérialisation D-Coéfficient d’atténuation total: 1-Coéfficient d’atténuation linéaire 2-Coéfficient d’atténuation massique E-probabilité de l’un des effets en fonction de Z  III Interaction des neutrons avec la matière 1- Généralités 2- Capture radiative Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

CH 4 INTERACTIONS DES RAYONNEMENTS SIONISANTS AVEC LA MATIERE Introduction: Un rayonnement est une émission d’énergie à partir d’une source. On classe les rayonnements en 3 catégories : *Chargés. *Neutres. *Eléctromagnétiques. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Rayonnements Chargés : masse +charge) * Particules chargées légères : β+ (e+) (positon) * Particules chargées lourdes : Protons (P) Particules (α) *Fragments lourds de fission : F1, F2 (ions lourds) Rayonnements neutres :(charge nulle) Neutrons : N (n) Anti-neutrinos : Neutrinos : ν Rayonnements électromagnétiques :Photons ( ni masse , ni charge) : X,  Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

Classification des REM 27/11/2018 PR N BEN RAIS AOUAD

Les rayonnements non ionisants : UV proches du visible. Un rayonnement chargé ou électromagnétique est dit ionisant : s’il est susceptible d’arracher des e- à la matière: pour cela, l’énergie du rayonnement incident doit être supérieure à l’énergie de liaison des électrons. Les rayonnements non ionisants : UV proches du visible. IR et ondes hertziennes. L’interaction du rayonnement avec la matière est un transfert d’énergie du rayonnement incident au milieu traversé (électrons et noyau). 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Cette interaction dépend de : la nature du rayonnement. l’énergie de ce rayonnement. la nature de la matière traversée. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

-Rayonnements non ionisants : -Un rayonnement ionisant peut-être : - Directement ionisant : les particules chargées légères et lourdes: β+, β-, p, d, , ions lourds - Indirectement ionisant : REM : rayonnements électromagnétiques : RX, et R  et les UV énergétiques -Rayonnements non ionisants : - UV proches du visible - Infrarouges et ondes hertziennes….. Les rayonnements ionisants sont, généralement, classés en trois grandes catégories : a) Les rayonnements chargés (PC): sont soit des particules chargées légères (é, e+, ..) soit des particules chargées lourdes (protons, deutons : d+ , particules α ,fragments lourds de fissions, ions lourds,..) b) Les rayonnements neutres : neutrons : n, neutrinos ν, pions П0…. c) Les rayonnements électromagnétiques (EM) : sont les rayons X et γ . Ces rayonnements ionisants peuvent, également, être classés en : Rayonnements directement ionisants : ce sont les particules chargées lourdes et légères (- ,  +, p, d, α et ions lourds) rayonnements indirectement ionisants qui sont les rayonnements E.M (X , γ et UV énergétiques).  / Rayonnements non Ionisants : A l’inverse des rayonnements ionisants, les rayonnements non Ionisants ne sont pas suffisamment énergétiques pour arracher des électrons à la matière. Les rayonnements ultraviolets (UV) proches du visible, les infrarouges (IR) et les ondes Hertziennes, par exemple, sont des rayonnements non ionisants. L’interaction d’un rayonnement avec la matière correspond à un transfert d’énergie du rayonnement incident au milieu traversé, cette interaction dépend de : - la nature de ce rayonnement, - de son énergie, de la nature de la matière traversée. Les é et les positons rapides perdent l’essentiel de leur energie par ionisation de la matière. Les particules non chargées sont indirectement ionisantes car elles mettent en mouvement des particules chargées secondaires lors d’interactions avec le milieu qu’ils traversent Les forces qui interagissent entre particules chargées et matière sont les forces de coulomb, repulsives ou attractives selon la nature des charges en présence 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

I- Rayonnements chargés : Interactions des particules chargées lourdes avec la matière PCL : Ce sont les protons, deutons, , ions lourds Origine: - Désintégrations radioactives - réactions nucléaires Interactions à caractère obligatoire avec: - les électrons +++ - noyaux des atomes 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

a. Interaction avec les électrons : La particule incidente (PI) cède une partie de son énergie cinétique E1 aux électrons du milieu  excitation ou ionisation. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

E1 est l’énergie transférée à l’électron L’atome est alors ionisé. Ionisation : l’électron atomique est arraché de sa couche et reçoit une énergie cinétique: Ec Ec = E1 – El E1 est l’énergie transférée à l’électron L’atome est alors ionisé. Excitation : E1 sert seulement à déplacer l’électron atomique d’une couche profonde vers une couche périphérique: L’atome est excité. Disparité des masses :M(PI)  me- et me-<<M(PI)  la trajectoire de PI est peu modifiée ≈ et reste rectiligne. Interactions multiples à faible transfert. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

TEL = Transfert d’Energie Linéique. S’exprime en KeV/ µm. b. Conséquences :++ La perte d’énergie des particules chargées lourdes par excitation et ionisation s’exprime par quantification de l’énergie transférée: TEL = Transfert d’Energie Linéique. S’exprime en KeV/ µm. DLI : Densité Linéique d’Ionisation : Nombre de paires d’ions par µm. Cette DLI augmente fortement en fin de parcours quand PI pénètre en profondeur et se ralentit. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Les destins possibles des particules dans leur interaction avec la matière X e- Absorption Si l’on prend l’exemple des protons ou des particules alpha, particules électriquement chargées et relativement lourdes, elles vont rapidement perdre leur énergie au fur et à mesure de leur traversée des tissus et elles seront incapables de traverser plus que le millimètre ; l’énergie perdue sert à arracher de nombreux électrons et à créer de nombreux ions ; la figure jointe visualise la densité des ions créés grâce à un dispositif analogue à la classique chambre à brouillard de Wilson ; on remarque que la particule dont on suit la trajectoire par les ions qu’elle sème sur son passage, perd en fait un maximum d’énergie en fin de parcours (vers la droite sur la figure) où la densité d’ionisation est plus importante (pic de Bragg). Les neutrons sont des particules plus difficiles à arrêter, de préférence en utilisant des matériaux légers comme le graphite ; ils sont électriquement neutres mais la densité des ions créés est ponctuellement importante. A l’opposé les rayonnements bêta (électrons émis lors d’une désintégration radioactive) sont des rayonnements assez peu pénétrants, ayant des densités d’ionisation assez modérées. Tandis que les rayonnements gamma ou X (ils ne différent que par leur origine, nucléaire pour les premiers, interaction d’électrons avec la matière pour les X), sont relativement pénétrants mais ont aussi des densités d’ionisation modérées. g n 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Quantification de l’énergie transférée   T.E.L   T.E.L = K q2 n Z/v2 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 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

D.L.I :Densité linéique d’ionisation ou ionisation spécifique ++++ C’est le nombre de paires d’ions créés par la particule incidente par unité de longueur. Unité= (paires d’ions) mm-1   On a : TEL = W.DLI W: énergie nécessaire pour provoquer une ionisation (en biologie: W= 33 eV) Pour des particules différentes, d’énergie cinétique égale; le TEL est d’autant plus élevé pour une particule donnée que: sa charge est plus grande sa vitesse plus faible sa masse plus élevée 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Puis une diminution (3) lorsque, ayant capturé La fin de parcours d’une PCL: marquée par une  DLI due au ralentissement de la particule (2); Puis une diminution (3) lorsque, ayant capturé des é du milieu, elle s’arrête et cesse d’être ionisante; La variation de la DLI le long de la trajectoire d’une particule est représentée par la courbe de Bragg 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Variation de la DLI le long de la trajectoire d’une PCL Avec les particules lourdes ( exemple: protons, alpha) les ionisations sont plus nombreuses en fin de parcours, ce que traduit la courbe de bragg Nombre de paires d’ions par unité de parcours pour un proton et une particule alpha de même vitesse dans l’air Le TEL de particules différentes est, à énergie cinétique égale, d’autant plus élevé pour une particule donnée, que sa charge est plus grande, sa masse plus élevée et donc sa vitesse plus faible. Variation de la DLI le long de la trajectoire d’une PCL 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Applications en radiothérapie ++ -La variation de la DLI le long de la trajectoire d’une PC lourde est mise à profit en radiothérapie: -En sélectionnant l’énergie cinétique des particules (, p; ions lourds.. ) mis en mouvement par un accélérateur, -On peut ajuster la profondeur du pic de Bragg à celle d’une tumeur et ainsi mieux protéger les tissus sains environnants. A enlever eventuellement 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

NB: Interaction des PCL avec les noyaux: Les interactions des particules chargées lourdes avec les noyaux atomiques sont d’une importance secondaire 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

2. Interaction des particules chargées légères avec la matière: e- e- surtout +++ , (e+)… la matière est constituée d’atomes faits d’électrons et de noyaux . a- Interaction des e- avec les noyaux  :+++ e- entre en interaction avec le noyau e-I champ coulombien du noyau Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

Interaction des PCl avec les noyaux atomiques: freinage L’e- incident (éi) entre dans le champ coulombien d’un noyau subit une accélération importante avec déviation et perte d’énergie cinétique. L’énergie perdue par l’éi est rayonnée sous forme électromagnétique. Cette énergie, à l’origine de la production des RX dans les tubes de Coolidge correspondant à un rayonnement X de freinage. Les deux mécanismes ont comme origine commune l’interaction coulombienne entre deux particules chargées, mais ils présentent des particularités liées à la masse très différente de la particule cible en cause Intérêt pratique du freinage: la production des rayons X+++ 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Accélération importante de l’électron avec déviation et perte d’énergie cinétique de l’électron; L’électron rayonne de l’énergie sous forme d’un rayonnement X de freinage, à l’origine de production des rayons X dans le tube de Coolidge+++ (Bremstrahlung) 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

b- Intéraction des e- avec les électrons atomiques : +++ excitation e-I collision e- milieu  ionisation Collision : déviation par répulsion coulombienne → Diffusion de l’e-I avec une perte d’énergie importante : Trajectoire en ligne brisée: 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Interaction des électrons avec les électrons atomiques:collision l’é incident entre en « Collision » avec un e- du milieu entraînant son excitation ou carrément son arrachement de l’atome qui se trouve ainsi ionisé. L’é incident ainsi que l’é secondaire subissent une succession de déviations par répulsion coulombienne (diffusion) avec perte importante d’énergie à chaque interaction. Leurs trajectoires sont dites en lignes brisées. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Exemple :Le TEL des électrons est d’ ≈ 0,25KeV/µm dans l’eau ; La conséquence de ces interactions est l’excitation et l’ionisation des atomes du milieu, avec transfert d’énergie (TEL et DLI). Exemple :Le TEL des électrons est d’ ≈ 0,25KeV/µm dans l’eau ;   Calculer le parcours dans l’eau d’ électrons d’énergie de 5MeV: Le parcours pour des é de 5 MeV est de: 5103 X 10-6/25 x10-2 =50 X 102 X 10-6/25 x10-2 = 2 x10-2 m =2cm 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

II- Interaction des photons avec la matière : RX - R: +++ 1. Généralités : RX - R sont des rayonnements indirectement ionisants. → RX : ont une double origine : * émis par freinage d’un faisceau d’e- accélérés. * émis lors du retour à l’état fondamental d’un atome (Z↑) excité (origine électronique). 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

* émis dans les accélérateurs de particules. → R : * ont une origine nucléaire puisqu’ils sont émis par un noyau qui passe d’une transition d’un état excité → état stable. * émis dans les accélérateurs de particules. *Les rayonnements  ont en général une énergie plus élevée que les rayonnements X. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Mais les RX et R ont le même comportement vis-à-vis de la matière. Ces photons sont différents des particules chargées (m = 0, charge = 0). Leur comportement vis-à-vis la matière est différent de celui des particules chargées. E=h n Cette interaction est aléatoire. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Les photons sont caractérisés par :+++ leur fréquence n 2. Effet global : Les photons sont caractérisés par :+++ leur fréquence n leur longueur d’onde λ = c/n leur énergie : E = h n 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

a.Atténuation d’un faisceau  (X) : 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Devenir possible d’un photon X ou γ après traversée d’une épaisseur dx d’un matériau Après la traversée d’une épaisseur dx d’un matériau un photon peut être complètement absorbé peut être transmis sans aucune interaction avec la matière traversée Il peuvent subir une diffusion sans échange d’energie entre les photons et la matière ou il peut y avoir le transfert d’une partie de l’energie du PI au milieu traversé avec déviation et changement de longueur d’onde et de trajectoire Après la traversé d’un milieu d’épaisseur dx certains photons peuvent être absorbés, d’autre transmis sans aucune interaction avec le milieu traversé et d’autres diffusés avec changement de direction ( pas d’echange d’en entre les photons et la matière) A la differende des pcLes photons x ou gamma sont enlevés du faisceau inciden par une seule interaction absorption ou diffusion 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

N(x) = N(0)e-µx (Faisceau transmis) Le faisceau traverse un écran d’épaisseur x : certains photons vont être absorbés, d’autres diffusés (changement de direction) et les autres transmis. Les photons (X ou ) sont enlevés du faisceau incident par une seule interaction : absorption ou diffusion. N(x) = N(0)e-µx (Faisceau transmis) µ = probabilité d’interagir par unité de longueur, d’un photon avec la matière. N(0) = nombre de photons incidents. N(x) = nombre de photons après traversée de l’écran (x). 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

De même, si I(0) = intensité du rayonnement à l’entrée de l’écran (x), I(x) = I(o) e-µx µ s’appelle également le coefficient d’atténuation linéaire total. µ s’exprime en cm-1. µ est caractéristique de l’énergie du rayonnement et du matériau considéré. De même, la compacité du matériau est importante → ρ : masse volumique (ρ =m/v) 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Unité : µ/ρ: cm-1/g.cm-3 → µ/ρ:cm2 g-1 Le comportement est différent vis-à-vis du même faisceau de photons,d’où la notion du coefficient d’atténuation massique : µ/ρ Unité : µ/ρ: cm-1/g.cm-3 → µ/ρ:cm2 g-1 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

b. Couche de demi atténuation = CDA+++ C’est l’épaisseur de matière traversée qui atténue de moitié l’intensité du rayonnement: I CDA = I0/2 I CDA = I0 e-µ (CDA) = I0/2 2 = eµ (CDA) → Ln 2 = µ (CDA) CDA = Ln 2 /µ = 0.693/µ → cm NB: Une épaisseur de 10 CDA va réduire d ‘un facteur 1000 (1000= 2 10) l ‘intensité du rayonnement . Ex : Pour un faisceau de rayonnement de 1,14MeV, la CDA = 9,8mm pour le plomb. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

- Pour chaque type de rayonnement, on précise l’énergie et la CDA. Applications:  - Le plomb est utilisé en médecine nucléaire , radiologie et radiothérapie pour la protection contre les rayonnements ionisants X et gamma; - On peut utiliser le plomb ou son équivalent en béton ,acier , ou tungstène ; - Pour chaque type de rayonnement, on précise l’énergie et la CDA. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Exemple de CDA en mm pour différents matériaux BETON ACIER PLOMB 131I 49 15 6,5 99mTc 20 4,5 0,3 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

3. Phénomènes élémentaires : ++++ Un faisceau de photons peut interagir avec : * Les électrons : -Diffusion simple -Diffusion(Thomson Rayleigh) -Effet compton +++ -Effet photo-électrique +++. * le noyau : -Matérialisation +++ -Réactions photo nucléaires. Les principales interactions sont :+++ -L’effet photo-électrique. -L’effet compton. -La matérialisation Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

Les destins possibles du photon X ou g dans l ’interaction avec la matière hn hn hn hn e- hn e- hn Si l’on prend l’exemple des protons ou des particules alpha, particules électriquement chargées et relativement lourdes, elles vont rapidement perdre leur énergie au fur et à mesure de leur traversée des tissus et elles seront incapables de traverser plus que le millimètre ; l’énergie perdue sert à arracher de nombreux électrons et à créer de nombreux ions ; la figure jointe visualise la densité des ions créés grâce à un dispositif analogue à la classique chambre à brouillard de Wilson ; on remarque que la particule dont on suit la trajectoire par les ions qu’elle sème sur son passage, perd en fait un maximum d’énergie en fin de parcours (vers la droite sur la figure) où la densité d’ionisation est plus importante (pic de Bragg). Les neutrons sont des particules plus difficiles à arrêter, de préférence en utilisant des matériaux légers comme le graphite ; ils sont électriquement neutres mais la densité des ions créés est ponctuellement importante. A l’opposé les rayonnements bêta (électrons émis lors d’une désintégration radioactive) sont des rayonnements assez peu pénétrants, ayant des densités d’ionisation assez modérées. Tandis que les rayonnements gamma ou X (ils ne différent que par leur origine, nucléaire pour les premiers, interaction d’électrons avec la matière pour les X), sont relativement pénétrants mais ont aussi des densités d’ionisation modérées. hn ’ e+ hn e- 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

A- Effet photo-électrique : +++ * Phénomène primaire : e- lié; Photon disparaît. E=hn El = énergie de liaison 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

L’énergie E = hn du photon sert à : -extraire l’électron de sa couche; -communiquer à l’électron une Ec. *Conditions : - E > El - l’électron est lié (K+++, L++, M+..). * Phénomènes secondaires : Ionisations/ excitations des atomes du milieu; Réorganisation du cortège électronique avec émission de : rayonnement de fluorescence X(Z↑↑); e- Auger. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

* Probabilité d’interaction par effet photo-électrique :µФ++ µФ dépend : - de l’énergie du photon : E - de la cible : Z (écran). µФ = CK ρ Z3 E3 µФ augmente avec Z. µФ diminue avec E. ρ = masse volumique C K = constante caractéristique de la couche K. Effet prépondérant quand Z est grand et /ou Energie faible+++. Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

L’effet Ф prédomine :+++ - jusqu’à une énergie E = 0,5MeV (E ≤ 0, 5MeV). - Z élevé : noyaux lourds. Application : Utilisation du plomb en radio- protection car : - Les énergies utilisées en diagnostic médical sont en général ≤ 0,5MeV; - Le plomb possède un Z très élevé. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

B- Effet Compton : ++ Description : c’est une interaction entre un photon h ט et un électron libre ou lié. L’électron est projeté selon un angle φ et le photon est dévié selon un angle θ (0<θ<П). 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

m0 = masse de l’électron au repos. 0 ≤ φ ≤ 90° 0 ≤ θ ≤ 180° h n h n’ = 1 + h n(1- Cos θ) m0c2 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Ec(e-) = h n - h n’ Ec (e-) = h n - h n 1+ h n(1- Cos θ) m0c2 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

L’électron compton (Ec) +++ Ionisation Excitation L’électron compton (Ec) +++ Ionisation * cas extrêmes : a) choc tangentiel h n =h n’ Ec(e-) = 0 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

b)Rétrodiffusion : 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

*Probabilité d’atténuation par effet Compton: (1MeV)+++ Z µc = K hµ Formule valable si E< 0.5 MeV (Z léger+/-) µc/ρ : Indépendant de Z ↓ Lentement quand E ↑ Effet Compton : Energie grande et / ou Z petit Aux énergies utilisées en médecine (E < 0,5 MeV), l’effet compton existe, mais il reste peu probable lorsque Z est élevé. Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

C- Effet de création de paires = matérialisation : ++ Le mécanisme est possible si :E= hn ≥ 1,022MeV. avec disparition du photon. E -1,022MeV = Ece+ + Ece- 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

-L’e- perd son Ec par excitation/ionisation. * Conséquences : -L’e- perd son Ec par excitation/ionisation. -L’e+ s’annihile en rencontrant un e- libre de la matière. * Probabilité d’interaction par production de paire : µp µp = 0 lorsque E < 1,022 MeV µp  : - croit avec Z. - croit lentement avec hµ. Devient prépondérant lorsque l’énergie devient très grande et supérieure à 1,022 Me V Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

Résumé des interactions des REM avec la matière 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

D- coefficient d’atténuation total : 1. coefficient d’atténuation linéaire: µ (cm-1) = µФ + µc + µp 2. coefficient d’atténuation massique : µ/ρ µ/ρ = µФ/ρ + µc/ρ + µp/ρ La variation de µ/ρ en fonction de Z est moins grande que µ. Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

E. probabilité de l’un des effets en fonction de Z :++ 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

L ’interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière Coefficient d’absorption µ / r Les différents processus engendrent la libération d ’électrons qui créent des ionisations en épuisant leur énergie en traversant les tissus biologiques Total Paire Photoélectrique Compton Energie du photon MeV 27/11/2018 E1 0,5 E2  5 100 Pr N BEN RAIS AOUAD

Les parcours des radiations ionisantes +++ a, protons : très peu pénétrants, densité ions créés +++ b : peu pénétrants, densité ions créés + g et X : pénétrants, densité ions créés + neutrons : pénétrants, densité ions créés ++ DANS L'AIR DANS L'EAU ++ a 5 à 10 cm qq µm b 1 m 1 à qq mm Si l’on prend l’exemple des protons ou des particules alpha, particules électriquement chargées et relativement lourdes, elles vont rapidement perdre leur énergie au fur et à mesure de leur traversée des tissus et elles seront incapables de traverser plus que le millimètre ; l’énergie perdue sert à arracher de nombreux électrons et à créer de nombreux ions ; la figure jointe visualise la densité des ions créés grâce à un dispositif analogue à la classique chambre à brouillard de Wilson ; on remarque que la particule dont on suit la trajectoire par les ions qu’elle sème sur son passage, perd en fait un maximum d’énergie en fin de parcours (vers la droite sur la figure) où la densité d’ionisation est plus importante (pic de Bragg). Les neutrons sont des particules plus difficiles à arrêter, de préférence en utilisant des matériaux légers comme le graphite ; ils sont électriquement neutres mais la densité des ions créés est ponctuellement importante. A l’opposé les rayonnements bêta (électrons émis lors d’une désintégration radioactive) sont des rayonnements assez peu pénétrants, ayant des densités d’ionisation assez modérées. Tandis que les rayonnements gamma ou X (ils ne différent que par leur origine, nucléaire pour les premiers, interaction d’électrons avec la matière pour les X), sont relativement pénétrants mais ont aussi des densités d’ionisation modérées. X g 100 m à 1 km ~ 10 cm n 100 m à 1 km ~ 10 cm Pr N BEN RAIS AOUAD 27/11/2018

III interactions des neutrons avec la matière Le neutron possède une masse pratiquement égale à celle du proton et une charge nulle Ces deux points expliquent les différents types d’interaction que peuvent avoir les neutrons avec la matière. Les interactions se font entre les neutrons et les noyaux On distingue deux types d’interaction: -La réaction de capture radiative Le résultat de cette absorption est soit l’émission d’une particule alpha, d’un proton ou d’un rayon gamma soit la fission en 2 noyaux F1 F2 -Le 2° type d’interaction : la diffusion Les neutrons rapides qui subissent une diffusion après un choc avec le noyau du milieu Le neutron est dévié et cède une partie de son En au noyau Les interactions se font entre les neutrons et les noyaux Les interactions entre les neutrons et les électrons sont négligeables Les neutrons sont des particules non chargées indirectement ionisantes Le neutron possède une masse pratiquement égale à celle du proton et une charge nulle Ces deux points expliquent les différents types d’interaction que peuvent avoir les neutrons avec la matière. On distingue deux types d’interaction: Absorption des neutrons: c’est l’effet des neutrons dits lents. Le neutron lent interagit avec le noyau qui l’absorbe ( le neutron est absorbé par le noyau c’est la capture radiative) Le noyau ainsi formé est instable et retourne à l’état fondamental en émettant un rayon gamma. Cette réaction est très utilisée pour la production des radioéléments artificiels La réaction de capture radiative s’écrit de la façon suivante A X + n A+1 Z 0 z x + Gamma Le résultat de cette absorption est soit l’émission d’une particule alpha, d’un proton ou d’un rayon gamma soit la fission en 2 noyaux F1 F2 Le 2° type d’interaction des neutrons avec la matière c’est la diffusion et ça concerne les neutrons rapides qui subissent une diffusion après un choc avec le noyau du milieu Il se produit un choc élastique entre le neutron et le noyau. Le neutron est dévié et cède une partie de son En au noyau NB: pour arrêter les neutrons on utilise des milieux riches en hydrogène . 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

Absorption des neutrons: c’est l’effet des neutrons dits lents. 1- Absorption des neutrons: c’est l’effet des neutrons dits lents. Le neutron lent interagit avec le noyau qui l’absorbe ( le neutron est absorbé par le noyau c’est la capture radiative) Le noyau ainsi formé est instable et retourne à l’état fondamental en émettant un rayon gamma. 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

2-Interaction avec les noyaux : Diffusion élastique Le neutron entre en collision avec le noyau (A, Z) et lui communique une partie de son énergie cinétique. Le noyau ainsi éjecté est appelé "noyau de recul". Ce noyau de recul est porteur de Z charges positives et il est constitué de A nucléons : c'est donc une particule chargée lourde. Elle produira dans la matière les mêmes types d'interactions vues auparavant, c.a.d des excitations et des ionisations. Les neutrons sont donc indirectement ionisants 27/11/2018 Pr N BEN RAIS AOUAD

CONCLUSION a : b : g, X : n : A noter le dépôt important d ’énergie en fin de parcours, responsable d ’une grande hétérogénéité de la distribution des doses absorbées Les figures schématisent les densités d’ionisation créées par les différents rayonnements. Sur l’exemple repris de la particule lourde chargée, en fin de parcours un accident singulier a donné naissance à un électron secondaire lui-même ionisant, bien que beaucoup moins que la particule lourde comme l’indique leurs traces. Les neutrons sont ponctuellement très ionisants : ils ne sont pas électriquement chargés mais leur choc va faire reculer des noyaux légers qui se comporteront, eux comme les particules lourdes chargées. Les électrons sont de fait assez peu pénétrants et ils ont des densités d’ionisation modérées. Les rayonnements gamma ou X, sont plus pénétrants mais ont aussi un pouvoir ionisant modérés. C’est à partir de ces ionisations que divers les rayonnements ionisants vont exercer leurs effets biologiques particuliers. 27/11/2018 PR N BEN RAIS AO UAD