Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes

Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2ème année Médecine Année universitaire 2012-2013

INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE • INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE • COEFFICIENT D’ATTENUATION  • INTERACTIONS ELEMENTAIRES • INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE • CAS GENERAL • INTERACTIONS DES ELECTRONS • INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES • INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

RI=rayonnement responsable de l’ionisation Interaction Matière = noyaux positifs et électrons négatifs • Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est ionisant • s’il est susceptible d’arracher des électrons à la matière. • En général, cette énergie >10eV • Rayonnement Directement Ionisants = particules chargées (fragments de noyaux, ,électron, positon) • Forces coulombiennes • Interactions obligatoires (déterministes) • Rayonnements Non Directement Ionisants • Interactions aléatoires (stochastiques) • Ionisations indirectes par l’intermédiaire de particules chargées secondaires mises en mouvement

INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS AVEC LA MATIERE • INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE • COEFFICIENT D’ATTENUATION  • CDA ET LIBRE PARCOURS MOYEN • INTERACTIONS ELEMENTAIRES • INTERACTION DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE • CAS GENERAL • INTERACTIONS DES ELECTRONS • INTERACTIONS DES PARTICULES LOURDES • INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE

x dx N0 N N–dN dN = -  N dx N = N0 e-x Log N = -x + Log N0 µ : coefficient (linéique) d’atténuation, [L-1]

N x 1CDA 2CDA 3CDA N0 N0/2 N0/4 N0/8 N0 N0/2 N0/4 N0/8 x N 1CDA 2CDA 3CDA Log N = -x + Log N0 N = N0 e-x CDA: Couche de Demi Atténuation,[L] N(CDA) = = N0 exp(-µ . CDA)  CDA = Ln2/µ  La CDA est une donnée expérimentale.

  /

Atténuation des photons

Interactions élémentaires

Différents modes d’interaction des photons X et Y avec la matière • Un faisceau de photons, peut interagir avec : • Les électrons : par • Effet photoélectrique • Effet Compton • Diffusion simple : Thomson (é libre) ou Rayleigh (é lié) • les noyaux : par : • production de paire : E élevée > 1.022 MeV • Réaction photonucléaire : (E très élevée qq MeV), • Dans tous les cas, l’énergie incidente se répartit en une énergie, transmise, transférée et diffusée

E faible E élevée Répartition spectrale et spatiale des photoélectrons

En radioprotection : Plomb (z=82) En Imagerie scintigraphique : importance de l’utilisation d’un cristal à Z élevé pour avoir une bonne image

E = h - h’ – (wl) 1/h’ - 1/h = (1- cos) / mc²  = h/mc²

h faible h moyenne h élevée Photons Photons Électrons Incidents diffusés Compton

/ d/ t/ h (MeV) Variation du / en fonction de h /  est indépendant de Z  diminue légèrement avec E

EPEEC CP Eau Calcium Plomb EPEECCP EPE ECCP

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’ / x2 Avec : q et q’ = les charges des particules, x = la distance qui les sépares

C’est un transfert d’énergie du rayonnement incident au milieu traversé ; ceci dépend de : • la nature de ce rayonnement • son énergie • la nature de la matière traversée • Ces interactions dépendent de propriétés liées à : • La particule : • charge Z, • masse (m) • vitesse (v) • la matière : numéro atomique : Z • (densité électronique) • En biologie, les interactions avec l’eau +++

Trois aspects : • l’interaction elle-même : • - nature : transfert d’énergie +++ • - mécanisme, • - fréquence / probabilité • les conséquences sur la particule qui se traduisent par : • - son ralentissement • - aboutissent à son arrêt • les conséquences sur le milieu : l’énergie déposée par les particules aboutissant aux effets radiobiologiques • Ces 3 aspects Notion : énergie transférée

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 E1, trois cas peuvent se rencontrer : - E  E1  ionisation - E < E1  excitation - si E est très faible  dissipation thermique

E  E1,  ionisation • l’électron est éjecté de son orbite avec une énergie cinétique E – E1, il se produit une ionisation et la création d’une paire d’ions (ion + et électron). • cet électron éjecté peut à son tours créer d’autres ionisations secondaires si son énergie est suffisante. • l’ionisation et suivie d’un réarrangement du cortège électronique avec émission de fluorescence X.

TLE: Transfert Linéique d’Energie Définition : - C’est l’énergie transférée par la Particule chargée par unité de longueur (ionisation et excitation) - TLE = dE / dx , en keV/µm (eau) , MeV/cm (air) TLE  k (z² / v² ) n Z Avec z : numéro atomique de la particule incidente v : vitesse de la particule incidente Z : numéro atomique du milieu n : nombre d’atome par unité de volume DLI: Densité Linéique d’ionisation C’est le nombre de paires d’ions créés par unité de longueur Soit w : énergie nécassaire pour créer une ionisation! ( w : air = 34 eV, eau = 32 eV) DLI = TLE / w

Les électrons • sont émis lors…… • des DESEXCITATIONS • de l’ATOME : électrons Auger • du NOYAU : électrons de conversion interne des • DESINTEGRATIONS • - : émission d’un électron : (A, Z) = (A, Z+1)+- + • + : émission d’un position : (A,Z)= (A, Z-1)+ + +  del’ACCÉLÉRATION DE PARTICULES

PC légères – noyaux +++ • e-1 pénètre dans le champ coulombien noyau • accélération +++ de é avec déviation et perte Ec-1 • e-1 rayonne de l’énergie sous forme : RX dans : • les tubes de Coolidge • les accélérateurs de particules

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.

Par contre le positon va être responsable d’une réaction d’annihilation : - Lorsque son énergie cinétique est proche de zéro, le position interagit avec un électron, les deux particules disparaissent en donnant naissance à l’émission de 2 photons gamma de 511 keV, émis à 180° l’un de l’autre. Réaction d’annihilation Annihilation des positons = interaction fondamentale permettant de réaliser un type particulier de scintigraphie : la tomographie d’émission de positons.

Les trajectoires des particules sont des lignes brisées (particules légères : changement important de direction à chaque interaction). • Trajectoire des électrons • Dans l’eau 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 formule : • Longueur (cm) = énergie initiale (Mev)/2, ( en g cm-3)

- La distance séparant le point d’entrée de la particule et son point terminal (< trajectoire) s’appèle « profondeur de pénétration moyenne » ou parcours moyen R.

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