Interaction des rayonnements avec la matière- 1 Particules chargées Jour 2 – Leçon 1

Objectif Comprendre les interaction suivantes des particules chargées: Mécanismes de transfert de l’énergie Gammes d’énergies Courbe de Bragg Pouvoir d’arrêt Blindage

Mécanismes de transfert d’énergie Le transfert d'énergie de particules radioactives à d'autres matériaux dépend: du type et de l’énergie du rayonnement De la nature milieu absorbant Le rayonnement peut interagir aussi bien avec le noyau d’un atome qu’avec les électrons du cortège électronique Les résultats de l’interaction est l’excitation et l’ionisation des atomes absorbants  

Interactions des Particules Lorsqu’une particule interagit avec un atome d’un absorbant, il peut: Interagir par collision (avec les électrons) Interagir par freinage (avec le noyau) Une forte collision entre deux particules de même masse entraine le transfert d’une grande quantité d'énergie à la matière

Pouvoir d’arrêt La quantité d'énergie déposée sera la somme des énergies déposées par collision et par freinage Le pouvoir d’arrêt est la somme des énergies déposées par collision et par freinage les interactions avec les électrons atomiques sont prédominantes, elles s’accompagnent chaque fois d’un transfert d’énergie. La probabilité d’interaction avec le noyau est faible, il faut que l’énergie de la particule incidente soit suffisante.

Pouvoir d’arrêt Le pouvoir d’arrêt est fonction de la charge de la particule, de l'énergie de la particule, et du matériau avec lequel les particules chargées interagissent

Pouvoir d’arrêt Le pouvoir d’arrêt s’exprime en MeV/cm La quantité d’énergie déposée par cm du milieu traversé par la particule C’est la somme des énergies déposées par collision et par freinage. S = = + dE dx Tot dEs dEh

Pouvoir d’arrêt Massique Souvent, le pouvoir d’arrêt est divisé par la densité du matériau,  C’est ce qu’on appelle ″le pouvoir d’arrêt massique″ La dimension du pouvoir d’arrêt massique est: MeV – cm2 g

Pouvoir d’arrêt Le pouvoir d’arrêt massique est utiliser pour déterminer l’énergie perdue par unité de masse: D =  en MeV/g, où  = fluence de particules, le nombre de particules tapant un objet pendant un intervalle de temps spécifié dE dx

Pouvoir d’arrêt Pour la conversion en unité de dose nous procédons de la manière suivant: D =  MeV/g = (1.6 x 10-10) Gy dE dx dE dx Derivation of D = MeV/g = 10 6 X J x 1.6 X 10 -19 x 10 3 / 10 3 g = 1.6 x 10 -10 J/kg = 1.6 x 10 -10 Gy 1ev = J x 1.6 X 10 -19 1 gy = J/kg 1ev = 1.6 X 10 -19 J

Courbe de Bragg – Alpha Particle Alpha Courbe de Bragg représente l’évolution de la perte d’énergie (ionisation spécifique) le long de la trajectoire de la particule chargée Une courbe typique de Bragg est représentée sur ce graphique pour une particule alpha de plusieurs MeV d'énergie initiale The plot of specifc energy loss (which can be related to specifc ionization) along the track of a charged particle is called a Bragg Curve. A typical Bragg curve is depicted in this graphic for an alpha particle of several MeV of initial energy. As the energy falls, the specific energy loss increases according to the Bethe-Bloch formula. As the energy falls below a threshold, however, an electron will attach to the alpha, dramatically lowering the specific energy loss. The energy deposition of the electron increases more slowly with penetration depth due to the fact that its direction is changed so much more drastically. In fact, there is virtually no increase in energy deposited near the end of the track and the Bragg peak for electrons is not observed. Actually, a similar increase in ionization density is seen at the end of an electron track; however, the peak occurs when the electron energy has been reduced to less than about 1 keV, and it accounts for only a small fraction of its total energy. Therefore it seems that for electrons and their tortuous paths the energy deposition is spread in the transverse direction as it progresses forward in the initial direction, until the last 1 keV which is deposited pretty much along a straight line in the forward direction. Particle Alpha La courbe de perte d'énergie – la particule alpha ne perd pas la même quantité d’énergie durant tout son parcours. Elle est beaucoupplus ionisante vers la fin de sa trajectoire

Courbe de Bragg –Beta Trajectoire de Béta Le dépôt d'énergie de l'électron augmente plus lentement avec la profondeur de pénétration à cause du changement de direction et une trajectoire très sinueuse Comme la masse de la particule bêta est la même que celle des électrons orbitaux, ils subissent plusieurs collisions ... La trajectoire sinueuse The plot of specifc energy loss (which can be related to specifc ionization) along the track of a charged particle is called a Bragg Curve. A typical Bragg curve is depicted in this graphic for an alpha particle of several MeV of initial energy. As the energy falls, the specific energy loss increases according to the Bethe-Bloch formula. As the energy falls below a threshold, however, an electron will attach to the alpha, dramatically lowering the specific energy loss. The energy deposition of the electron increases more slowly with penetration depth due to the fact that its direction is changed so much more drastically. In fact, there is virtually no increase in energy deposited near the end of the track and the Bragg peak for electrons is not observed. Actually, a similar increase in ionization density is seen at the end of an electron track; however, the peak occurs when the electron energy has been reduced to less than about 1 keV, and it accounts for only a small fraction of its total energy. Therefore it seems that for electrons and their tortuous paths the energy deposition is spread in the transverse direction as it progresses forward in the initial direction, until the last 1 keV which is deposited pretty much along a straight line in the forward direction. Trajectoire de Béta Courbe de la perte d’énergie– virtuellement, pas de perte d’énergie à la fin de la trjectoire .

Parcours – Particules Béta Dépend de l’énergie de la particule béta et de la densité du milieu absorbeur L’Énergie des particules bêta diminue à mesure que la densité du milieu traversé augmente Les analyses expérimentales montrent que la capacité d'absorber des particules bêta: Dépend de la densité d’électrons (électrons par cm 2) sur la trajectoire du rayon bêta Moindre pour le numéro atomique de l'absorbeur

Parcours – en fonction de l’énergie Atténuation des particules béta En Interposant des écrans d‘un absorbeur entre une source bêta et détecteur: Le nombre de particules béta Diminue rapidement au début plus lentement à mesure que l'épaisseur de l’absorbeur augmente S’arrêtent complétement après une certaaine épaisseur de l’absorbeur Le parcours de la particule béta – c’est l’épaisseur du milieu absorbeur qui arrête toutes les particules

Parcours – Particules Béta La densité aérienne est liée à la densité de l'absorbeur td g/cm2 = ρ (densité de l’absorbeur) g/cm3 X tl (épaisseur de l’absorbeur) cm Les écrans de protection pour les particules béta sont formés de matériaux de faible Z

Parcours – Particules Béta Calculer la densité surfacique pour une épaisseur de 1cm d’aluminium. Note: (Densité de Al = 2.7g/cm3)

Parcours – Particules Béta Calculer la densité surfacique pour une épaisseur de 1cm d’aluminium. td g/cm2 = ρ g/cm3 X tl cm td = 2.7g/cm2 Un graphique de l'énergie bêta en fonction de l’épaisseur, de densité est utile pour le blindage et l'identification de la source bêta

Parcours – Particules Alpha Les particules Alpha sont moins pénétrantes que les autres types de rayonnements Les particules Alpha sont mono-énergétiques. Par conséquent, le nombre de particules alpha ne se réduit pas jusqu'à élimination totale par une épaisseur particulière de l'absorbeur. L’épaisseur qui arrête toutes les particules alpha est le parcours de la particule dans le matériau. Les particules les plus énergétiques traversent quelques cm dans l’air, et quelques µm dans les tissus.

Transfert Linéique de l’Energie TLE: est la quantité d’énergie transférée au milieu cible par la particule incidente par unité de longueur de la trajectoire. LET = keV/µm dE = est l'énergie moyenne communiquée par le rayonnement de l'énergie spécifique en parcourant une distance de dx. dE dx

Transfert Linéique de l’Energie L’ionisation spécifique est le nombre de paires d'ions formées par unité de distance parcourue par la particule. Ce concept est très utile en radioprotection. L’ionisation spécifique est très élevée pour les particules bêta de faible énergie et diminue à mesure que l'énergie augmente. L’ionisation spécifique est très élevée pour les particules alpha. En traversant l’air ou les tissus, les particules alpha perdent en moyenne 35 eV par paire d’ion crée . La charge électrique élevée et la faible vitesse signifient des dizaines de milliers de paires d'ions par cm d'air se sont crées.

Blindage Since heavy charged particles have a high specific ionization, they have minimal penetration ability. Alpha particles with energies of about 5 MeV (typical for common alpha emitting radionulcides) cannot penetrate the dead layer of the skin which is 0.007 cm2/g.

Dose Absorbée C’est l’énergie déposée par unité de masse de la matière L’unité de la dose absorbée est Gray (Gy) (1 Gray = 1 joule/kg) Pour calculer la dose due aux particules chargées, nous devons déterminer la quantité d'énergie déposée par gramme de matière

Le pouvoir d’arrêt Equivalent aux Tissus pour les Electrons Energie (MeV) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Pouvoir d’arrêt massique, S/ (MeV.cm2)/g 4.2 2.8 2.4 2.2 2.0 1.9 1.8 These values are approximate and are from the Attix text and are applicable for electrons (beta particles). Note that the stopping power is greater for lower energy and decreases with increasing energy. This is because lower energy electrons travel slower and so impart more energy, so they have a higher stopping power and result in a greater dose.

Exemple Calculer la dose délivrée par une contamination de 37 000 Bq du 32P, déposée sur une surface de 1cm2 de la peau d’un individu pendant 1 heure D =  (1.6 x 10-10) Gy 32P émet des particules béta de 0.690 MeV (énergie moyenne). On suppose que 50% (1/2) des particules déposées interagissent avec la peau dE dx The conversion constant in this equation, 1.6E(-10) comes from: (S/ in MeV-cm2/g)(1.6E-6 erg/MeV)(1 joule/1E7 erg)(1000 g/kg)(1 Gy/joule/kg)

Pouvoir d’arrêt -Exemple  = (½)(37.000 Bq)(1 dés./s/Bq)(1 h)(3600 s/h) = 6.67 x 107 dés. 32P émet des particules béta d’une énergie moyenne de 0.690 MeV Pour le plastique équivalent aux tissus, et une particule bêta d’une énergie de 0.690 MeV, le pouvoir d’arrêt massique est de 1.96 MeV.cm2/g The value of ½ indicates that half of the particulate radiation is assumed to interact with the skin, while the other half is emitted from the surface of the skin, but does not interact with the skin. Since beta radiation has a distribution of energies, the average beta energy is used. Remind the students that for beta radiation, the average energy = 1/3 of the maximum energy. The stopping power value was obtained from the appendix E in Attix text. In this case the time was assumed to be one hour. In actual dose reconstruction events the time may not be know, or may be known approximately, if at all. Under these cases, a dose rate may be established or a unit time such as a hour may be useful in terms of understanding the magnitude of the dose.

Pouvoir d’arrêt -Exemple dE dx D =  MeV.cm2/g D = 6.67 x 107 X 1.96 X1.6 x 10-10 J/kg D = 0.021 Gy

Where to Get More Information Cember, H., Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4th Edition, McGraw-Hill, New York (2009) International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002)