Transcript INETRACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS

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
N0
dx
N N–dN
dN = -  N dx

N = N0 e-x
 Log N = -x + Log N0
µ : coefficient (linéique) d’atténuation, [L-1]
N
Log N = -x + Log N0
N = N0 e-x
N0
1CDA 2CDA 3CDA
N0
N0/2
N0/2
N0/4
N0/4
N0/8
x
1CDA 2CDA 3CDA
N0/8
N
CDA: Couche de Demi Atténuation, [L]
N(CDA) = = N0 exp(-µ . CDA) 
 La CDA est une donnée expérimentale.
CDA = Ln2/µ
x


/
Atténuation des photons
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
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
Répartition spectrale et spatiale des photoélectrons
E faible
E élevée


 k.
Z
3
E
3

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
Photons
Incidents
Photons
diffusés
Électrons
Compton
h faible
h moyenne
h élevée
  d  t



d/
/
t/
Variation du / en fonction de h
/
 est indépendant de Z
 diminue légèrement avec E
h (MeV)
Eau
Calcium
Plomb
EPE
EC
EPE
CP
EC
EPE
CP
EC
CP
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
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
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
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)+ + + 
de l’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.
P max
( cm )

0 , 215

E ( MeV )
1 , 66
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
C- Interaction des particules lourdes ( ++) avec la matière
Le TEL et la DLI de ces particules sont importants :
Pour une énergie cinétique égale, leur vitesse est faible (TEL = Kq2 n Z/v2)
Courbe de Bragg dans l’air = évolution de l’ionisation spécifique en fonction
du parcours
Les trajectoires sont quasi rectilignes (les particules sont peu déviées en
raison de leur masse importe)
Dans l’air le parcours moyen R est approchée par la formule :
R(cm) = 0.31 E3/2
E= énergie cinétique en MeV
Dans un matériaux de masse volumique mat on a :
Rmat = Rair air/ mat, où  est en g cm-3
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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
Neutrons « rapides » : E> 1000 eV
Diffusion élastique : c’est-à-dire que l’énergie cinétique perdue par le neutron se
retrouve sous forme d’énergie cinétique dans le noyau heurté, appelé noyau
recul et qui, lui, va produire des ionisation.
Neutrons lents : E < 1000 eV
Leur énergie est dissipée :
- par capture radiative,
1
0
n X 
A
Z
A 1
Z
X 
- par capture non radiative.
Dans ce cas, le noyau excité se stabilise par émission de particules ( ou
) ou fission nucléaire.
En résumé, les neutrons n’ont pas d’action ionisante directe puisqu’ils
n’interagissent pas en chassant les e-. En revanche, ils provoquent des
ionisations:
- par les noyaux de recul qui, eux, sont chargés (noyaux légers au
regard de la classification de Mendeleiev) et qui sont projetés lors de chocs
élastiques et qui sont la raison de la grande DLI des neutrons (car ce sont des
particules lourdes au regard de l’effet ionisant).
- par les photons  émis lors des captures radiatives (voir plus loin).
En outre, les neutrons rapides finissent toujours par devenir des neutrons lents.
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

TUBE DE COOLIDGE

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

TUBE DE COOLIDGE

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
Produits de fission de l’Uranium ou du plutonium
Réactions Nucléaires
bombardement d’un faisceau de noyaux stables par des
neutrons ou des particules chargées dans des réacteurs
Nucléaires.
Exp: 99Mo, 131I
Accélération de particules
Accélération de particules chargée dans des accélérateurs
circulaires ou linéaires (cyclotron ou synchrotron)
Exp: 201Tl, 123I,
Produits de générateurs
99Mo/99mTc
68Ge/68Ga
Fission induite
Les réactions nucléaires
Exemple de réaction nucléaire
99Ru
99Mo
99mTc
99mTc
99mTc
99mTc
99mTc
99mTc
99mTc
99m
99Tc
Tc
99m
99Tc
Tc
99mTc
99mTc
rtain s ato m es ra d io actifs, a p rès a vo ir ém is u ne ra d ia tio n ,
99Mo
99m
-1 d io activ
tra n sm u tent
en 
élém
ents
filia
Tc ra
+ dio
- actifs.
 =4,2
10tio-6nsra
; T e=.


dN/dt (99Mo)
=
X1
- 
 1 N1(t)
 X2
l’insta nt t :
1
 
dN/dt
     (99mTc)
X 3 
66h
= + 1 N1(t) …
dN 1
λ t
1


λ
.N
(t)

N
(t)

N
(0
).e
1
1
1
1
dN/dt d(99mTc)
= + 1 N1(t) - 2 N2(t)
t
λ
λ1
dN 2
λ t
N ( tλ) 1.NN1 (t)( 0-) λ 2 .N 2 (t)e  e 
N 2 (t)  N 1 ( 0 )
e 1 
dt
λ 2  λ1
λ λ
1
2
 λ1t

λ2t
1
2

1
A 2 (t) = N 2 (t). 2 = A 1 ( 0 )
1
λ2
λ 2  λ1
e
 λ1t
e
 λ2t

99Mo
C ertain s ato m es 99m
ra dTc
io actifs, a p rès a vo ir 99m
ém is u ne ra d ia tio n ,
Tc
se tra n sm u tent en élém ents ra dio actifs.  filia tio n ra d io activ e .
99mTc
 99m
 Tc
A l’insta nt t :

E xp .
99
A 2 (t) = N 2 (t). 2 = A 1 ( 0 )
M o (T 1 = 6 6 h ) /
1 =
Si t >> T2
 
      X 2 99m
 Tc
    X 3 
99mTc
99mTc
dN
 λ 1t
1


λ
.N
(t)

N
(t)

N
(0
).e
99m
99Tc
1
1
1
1
Tc
99m
99Tc
dt
Tc
99mTc
99mTc
λ1
dN 2
N 2 (t)  N 1 ( 0 )
  λ 1 .N 1 (t) - λ 2 .N 2 (t ) 
dt
λ 2  λ1
X1
0,01h-1
99m
λ2
λ 2  λ1
T c (T 2 = 6 h )
2 = 0,11h-1
e
 λ1t
e
 λ2t
donc : 2 >> 1
A2(t)  A1(0) x 1 x (e-1t – 0)
A2 (t)  A1 (t)

A
99Mo
Elution 99mTc
Elution 99mTc
99mTc
Elution 99mTc Elution 99mTc
24h
48h
72h
96h
t
A(99mTc) = 400/2 72/66 = 187mCi
Dans le générateur
A(Mo) = 400mCi
A(99mTc)  400mCi
Dans un flacon F A(99mTc) = 400mCi
Dans le flacon F A(99mTc) = 400/272/6 = 0.09mCi
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

TUBE DE COOLIDGE

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

TUBE DE COOLIDGE

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
Courant cathodique
ou de haute tension

Dans un tube sous vide

En chauffant un filament par effet JOULE
(W=RI2t).  Il y a libération des électrons
par effet thermo-ionique

En appliquant une HauteTension entre
cathode et anode,

Les électrons sont accélérés 
Haute Tension Accélératrice

Ils percutent (interagissent) l'anode

Le courant haute tension : Son
intensité est de l'ordre de 3 à 5 mA
pour la radioscopie et 10 à 1000 mA
pour la radiographie
Rayonnements de fluorescence
ou caractéristiques

Interactions avec les électrons


avec un électron d'une couche profonde  le réarrangement
électronique  émission de rayonnement de fluorescence avec
des photons d'énergie relativement élevée.
Avec un électron des couches périphériques  le réarrangement
électronique ne provoquera que l'émission de photons peu
énergétiques qui seront absorbés par la matière environnante
avec émission de chaleur.
Rayonnement de freinage

A proximité du noyau  accélération centripète
intense  Rayonnement de freinage

E dépend de la distance électron-noyau :
 0 : passage à grande distance
 l'énergie des électrons incidents E0
emportée par les photons hmax =eU = E0
 Les photons de faible énergie sont
beaucoup plus nombreux
 Ce rayonnement de freinage ne survient que
dans la proportion de 1 pour 100 à 1 pour 1000
par rapport au rayonnement de fluorescence
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

TUBE DE COOLIDGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
Variation du flux des RX en fonction de U, I et Z
I2 > I1
U2 > U1
I2
U2
U1
I1
I
et donc de I
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

TUBE DE COOLIDGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
Rendement d’émission
de RX de freinage
Puissance absorbée
Puissance émise
Rendement
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

TUBE DE COOLIDGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
Tube de Coolidge
TIN K SERIES
TUNGSTEN L SERIES
RADIATION INTENSITY
TUNGSTEN
K SERIES
TUNGSTEN
W
PHOTON ENERGY IN KeV.
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

TUBE DE COOLIDGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

FILTRATION DU FAISCEAU DES RX

AUTRES TUBES A RX
Cible et émission des RX
Indicatrice pour les
basses énergies
Indicatrice pour les
(<500 KeV)
hautes énergies
(>1 MeV)
Flux d’é.
Axe de
symétrie
Cible
cylindrique
Indicatrice pour les
basses énergies
Anode
électrons
Cible
Sujet
Sujet
Rayons
primaires
Surface à
irradier
Diaphragme
Diffusé
Primaires
Cache Pb
La conductivité thermique du tungstène permet de diffuser la chaleur dissipée par le
faisceau d’e- (température de fusion de 3 422 °C).
L’anode peut être enchâssée dans un bloc de cuivre qui réalisera un bon écoulement
de la chaleur.
Un autre dispositif consiste à faire tourner l’anode afin de présenter au faisceau d’eune surface différente à chaque instant.
Ce qui a pour effet de distribuer les échanges de chaleur sur une surface plus
grande, donc avec un plus grand volume d’échange, pour une surface de section
du faisceau d’e- constante.
Anode Tournante
Foyer
thermique
Si 1 tour 3/4
Foyer
optique
Foyer
électronique
Les différents foyers d’anode
Tube à anode tournante





Les foyers radiologiques
Le foyer est la surface de formation du rayonnement X. On décrit trois types
de foyers qui correspondent à des aspects différents de la zone émissive de
rayonnement X.
- Foyer électronique : zone de collision du faisceau d'électrons avec la cible
de tungstène.
- Foyer optique ou géométrique : surface apparente d'émission du
rayonnement utilisé, vu du récepteur.
- Foyer thermique : zone sur laquelle le faisceau électronique se répartit en
réalité sur l'anode tournante et qui est échauffée.
Foyer optique ou
géométrique
Foyer
électronique
Piste
thermique
représentation des différents foyers d'une anode tournante
Foyers Radiologique
Les différents foyers d’une anode fixe
Foyer optique et foyer thermique
SOURCE DES RADIATIONS IONISANTES UTILISEES
EN MEDECINE

PRODUCTION DES RADIOISOTOPES

PRODUCTION DES RX

ACCÉLÉRATION DES ÉLECTRONS

SPECTRE DU FAISCEAU DE RX

RENDEMENT D’EMISSION DE RX DE FREINAGE

TUBE DE COOLIDGE

CIBLE ET EMISSION DES RX

AUTRES TUBES A RX
Accélérateur linéaire
ddp HF
e-
accélération
Protection du champ
électrique pour éviter le
freinage
Des RX de hautes énergies radiothérapie externe