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Dosimétrie des photons de haute énergie

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par Marwa AISSANI et Imene YAHOUNI
Université Abou Bekr Belkaid - Master2 2011
  

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Chapitre I

Interaction rayonnements matière, grandeurs

et unités dosimétriques des rayonnements

I.1. Rappel sur les rayonnements ionisants : I.1.1. Introduction :

L'homme est exposé aux rayonnements depuis son apparition sur terre. Il est exposé à la lumière visible provenant du Soleil, laquelle s'accompagne de rayonnements invisibles connus sous le nom de rayonnements ultraviolets et infrarouges. Ces rayonnements sont des ondes électromagnétiques comm

les rayons X et les rayons gamma [1].

En médecine et en biologie, les rayonnements ionisants rencontrés sont principalement

Constitués soit par des particules matérielles chargées (électrons, protons, deut ions...) ou neutres (neutrons), soit par des photons (essentiellement les rayons x et ã) [2].

I.1.2. Définition et classification :

On appelle rayonnement ou radiation le processus d'émission ou de transmission d'énergie sous la forme d'ondes électromagnétiques ou de particules [3].

0 ,Rayonnement ionisant : Un rayonnement est dit ionisant quand il est susc

d'arracher des électrons à la matière.

0 ,Rayonnement non-ionisant : l'énergie est insuffisante pour ioniser l'atome [4].

Tout particules ou photons dont l'énergie est supérieure à l'énergie de liaison des électrons les moins liés des atomes constituant la matière vivante ERI=12.4 eV [1].

Un rayonnement ionisant est un transport d'énergie sous la forme de particules ou d'ondes électromagnétiques d'une longueur d'ondes inférieure ou égale à 100 nanomètres, soit d'une fréquence supérieure ou égale à 3 ×1015 hertz, pouvant produire des ions directement ou indirectement.

Ces définitions réglementaires, assez ardue de prime abord, laisse transparaitre deux termes

importants :

'une façon bien

caractéristique [3]. :

On peut classer les rayonnements selon leur façon de produire des ionisations dans la matière en utilisant leur propre pouvoir d'ionisation :

Figure 1.1. Classification des rayonnements

> Radiations directement ionisantes : comme les électrons, particules á, positrons, protons, deutons...

> Radiations indirectement ionisantes : comme les neutrons, rayons X, rayons ã.


· Les particules ou rayonnements particulaires
: qui ont une masse au repos. L'énergie totale de ces particules est donnée par la relation d'Einstein :

E (1.1)

Ou est la masse et c la vitesse de la lumière (3.108 ms.-1) [1].

* 1 p p 1 eu 1 (noyaux de deutérium)

Cette énergie totale peut elle-même être décomposée de la façon suivante :

E = mc2= T + +moc2 (1.2)

Ou T est l'énergie cinétique de la particule et noc2 l'énergie équivalent a la masse au repos de cette même particule [3].


· les rayonnements électromagnétiques
: qui sont constitues par un flux de photons et donc n'ont pas de masse.

On emploie parfois à leur égard le terme << énergie qui se déplace >>. Cette énergie est donnée par la relation :

E = hv = h (1.3)

Ou h est la constante de Planck (6,6.10-34 J.s) et ~ la fréquence du rayonnement (en s-1) égale au rapport entre c et la longueur d'onde a du rayonnement (en m) [1].

Selon la définition précédente, un rayonnement non ionisant aura une énergie insuffisante pour ioniser la matière.

D'après la figure 1.1, on s'aperçoit que ce type de rayonnement est constitue essentiellement de rayonnements électromagnétiques de longueur d'onde supérieure a 100 nm.

Par opposition, un rayonnement ionisant aura une énergie insuffisante pour ioniser la matière et une longueur d'onde inférieure à 100 nm.

Les rayons ã et X entrent dans cette catégorie. L'équivalent en énergie de la valeur de longueur d'onde 100 nm est égal a 12,4 eV.

Pour en savoir plus on peut connaitre l'énergie minimale en électron-volt susceptible de provoquer l'ionisation de la matière, il suffit d'appliquer la formule :

Longueur d'onde correspondante (100nm). Application numérique :

E = hc = 6 6 10- 34 x 3.

, . 1

100.

-9 = 1, 9 8.10- 18J (1.4)

Soit en électronvolt :

1' 9 8.10- 18J

E = = 12,4 e V (1.5)

1,6. 10- 19

I .2. Interactions des particules avec la matière :

Les rayonnements rencontrés en médecine et en biologie sont constitués, soit par des particules matérielles, chargées (électrons, positons, deutons et alphas), ou neutres (neutrons), soit par des photons (rayonnement y et X). Les électrons, positons et particules alpha sont des produits de désintégration des sources radioactives.

Les accélérateurs de particules produisent également des protons, des deutons et des alphas de grande vitesse, ainsi que des électrons accélérés. Ces particules traversent la matière cèdent leur énergie cinétique par suite de collisions (excitation et ionisation) avec les atomes de la matière.

Les particules sous-atomiques impliquées dans la physique des noyaux et des particules sont trop petites pour être observées visuellement. La détection de ces particules est basée plutôt sur leurs interactions avec la matière, où, en général une partie de l'énergie d'une particule est déposée, signalant sa présence [5].

L'énergie en excès contenue dans le noyau des isotopes radioactifs, était libérée sous la forme de rayonnements ionisants, d'énergies et de natures différentes.

La nature de ces Rayonnements dépend à la fois de la quantité d'énergie en excès contenue dans le noyau Instable et de la structure de ce dernier (noyaux, lourds de fort numéro atomique Z, noyau avec un excès de protons ou un excès de neutrons).

Ces rayonnements pourvus d'énergie vont interagir avec les structures constitutives de la matière c'est-a-dire essentiellement les électrons et les noyaux des atomes. En interagissant, le rayonnement va céder tout ou une partie de cette énergie à la matière.

En contrepartie, cette dernière subit des modifications du fait de cette interaction [3].

Notre objectif est de décrire le comportement des rayonnements ionisants après leur formation suite à une désintégration ou une désexcitation d'un noyau radioactif [3] :

On peut citer trois tirées de l'importance de cette étude :

> L'interaction entre un rayonnement et la matière se traduit par un transfert d'énergie.

> Une interaction est nécessaire pour détecter un rayonnement, d'où l'importance de cette notion en imagerie diagnostique.

> De mrme, un transfert d'énergie est la première étape de l'action biologique des rayonnements.

Nous étudierons successivement le cas des particules chargées, des photons, puis des neutrons [1].

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