Dosimétrie des rayonnements

La courbe de Bragg est typique des particules chargées lourdes et décrit la perte d’énergie des rayonnements ionisants pendant le voyage à travers la matière. Pour cette courbe est typique le pic de Bragg , qui est le résultat de la   dépendance 1 / v ²  de la puissance d’arrêt . Ce pic se produit parce que la section efficace d’interaction augmente immédiatement avant que la particule ne s’arrête. Pour la majeure partie de la piste, la charge reste inchangée et la perte d’énergie spécifique augmente en fonction du 1 / v ² . Vers la fin de la piste, la charge peut être réduite grâce à la capture d’électrons et la courbe peut tomber.

La courbe de Bragg diffère également quelque peu en raison de l’ effet de décalage . Pour un matériau donné, la gamme sera presque la même pour toutes les particules du même type avec la même énergie initiale. Parce que les détails des interactions microscopiques subies par une particule spécifique varient de manière aléatoire, une petite variation dans la plage peut être observée. Cette variation est appelée étalement et elle est causée par la nature statistique du processus de perte d’énergie qui consiste en un grand nombre de collisions individuelles.

Ce phénomène, décrit par la courbe de Bragg, est exploité en thérapie par particules du cancer, car cela permet de concentrer l’énergie d’arrêt sur la tumeur tout en minimisant l’effet sur les tissus sains environnants.

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . Le pouvoir d’arrêt linéaire du matériau est défini comme le rapport de la perte d’énergie différentielle pour la particule dans le matériau à la longueur de trajet différentielle correspondante :

, où T est l’énergie cinétique de la particule chargée, n _ion est le nombre de paires électron-ion formées par unité de longueur de trajet, et I désigne l’énergie moyenne nécessaire pour ioniser un atome dans le milieu. Pour les particules chargées, S augmente à mesure que la vitesse des particules diminue . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. La formule non relativiste a été trouvée par Hans Bethe en 1930. La version relativiste (voir ci-dessous) a également été trouvée par Hans Bethe en 1932.

Dans cette expression, m est la masse au repos de l’électron, β est égal à v / c, ce qui exprime la vitesse de la particule par rapport à la vitesse de la lumière, γ est le facteur de Lorentz de la particule, Q est égal à sa charge, Z est le numéro atomique du milieu et n est la densité des atomes dans le volume. Pour les particules non relativistes (les particules chargées lourdes sont pour la plupart non relativistes), dT / dx dépend de 1 / v ² . Cela s’explique par le temps plus long que passe la particule chargée dans le champ négatif de l’électron, lorsque la vitesse est faible.

Le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes. Par exemple, la plage d’une particule alpha de 5 MeV est d’environ seulement 0,002 cm en alliage d’aluminium. La plupart des particules alpha peuvent être arrêtées par une feuille de papier ordinaire ou un tissu vivant. Par conséquent, le blindage des particules alpha ne pose pas de problème difficile, mais d’un autre côté, les nucléides radioactifs alpha peuvent entraîner de graves risques pour la santé lorsqu’ils sont ingérés ou inhalés (contamination interne).

Spécificités des fragments de fission

La fission fragmente trois deux caractéristiques clés (quelque peu différentes des particules alpha ou des protons), qui influencent leur perte d’énergie lors de son voyage à travers la matière.

• Énergie initiale élevée. Il en résulte une charge efficace importante.
• Grande charge efficace. Les fragments de fission commencent par un manque d’électrons, donc leur perte spécifique est supérieure à la perte spécifique d’alpha, par exemple.
•  Prise d’électrons immédiate. Entraîne des changements de (-dE / dx) pendant le voyage.

Ces caractéristiques entraînent une diminution continue de la charge efficace portée par le fragment de fission à mesure que le fragment s’immobilise et une diminution continue de -dE / dx. La diminution résultante de -dE / dx (du capteur d’électrons) est plus grande que l’augmentation qui accompagne une réduction de vitesse. La plage d’un fragment de fission typique peut être environ la moitié de celle d’une particule alpha de 5 MeV.

Les particules alpha sont des noyaux énergétiques d’hélium . La production de particules alpha est appelée désintégration alpha. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les particules alpha sont relativement grandes et portent une double charge positive. Ils ne sont pas très pénétrants et un morceau de papier peut les arrêter. Ils ne parcourent que quelques centimètres mais déposent toutes leurs énergies le long de leurs courts trajets. Dans les réacteurs nucléaires, ils sont produits par exemple dans le combustible (désintégration alpha des noyaux lourds). Les particules alpha sont généralement émises par tous les radioactifs lourds noyaux présents dans la nature (uranium, thorium ou radium), ainsi que les éléments transuraniens (neptunium, plutonium ou américium). Des particules alpha particulièrement énergétiques (à l’exception des noyaux d’hélium accélérés artificiellement) sont produites dans un processus nucléaire, connu sous le nom de fission ternaire . Dans ce processus, le noyau d’uranium est divisé en trois particules chargées (fragments de fission) au lieu des deux normales. Le plus petit des fragments de fission est probablement (probabilité de 90%) étant une particule alpha extra énergétique.

Interaction des particules alpha avec la matière

Étant donné que l’interaction électromagnétique s’étend sur une certaine distance, il n’est pas nécessaire qu’une particule alpha fasse une collision directe avec un atome. Ils peuvent transférer de l’énergie simplement en passant à proximité . Les particules alpha interagissent avec la matière principalement par les forces de coulomb entre leur charge positive et la charge négative des électrons des orbitales atomiques. En général, les particules alpha (comme les autres particules chargées) transfèrent l’énergie principalement par:

• Excitation.  La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
• Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque les particules chargées ont suffisamment d’énergie pour retirer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

La création de paires nécessite de l’énergie, qui est perdue de l’énergie cinétique de la particule alpha, ce qui entraîne sa décélération . Les ions positifs et les électrons libres créés par le passage de la particule alpha se réuniront alors, libérant de l’énergie sous forme de chaleur(par exemple énergie vibratoire ou énergie de rotation des atomes). Il existe des différences considérables dans les modes de perte d’énergie et de diffusion entre le passage de particules chargées légères telles que les positrons et les électrons et les particules chargées lourdes telles que les fragments de fission, les particules alpha et les muons. La plupart de ces différences sont basées sur les différentes dynamiques du processus de collision. En général, lorsqu’une particule lourde entre en collision avec une particule beaucoup plus légère (électrons dans les orbitales atomiques), les lois de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement prédisent que seule une petite fraction de l’énergie de la particule massive peut être transférée vers la particule la moins massive. La quantité réelle d’énergie transférée dépend de la distance à laquelle les particules chargées traversent l’atome et elle dépend également des restrictions de quantification des niveaux d’énergie.

Voir aussi: Interaction des particules lourdes chargées avec la matière

Puissance d’arrêt – Formule Bethe

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . Le pouvoir d’arrêt linéaire du matériau est défini comme le rapport de la perte d’énergie différentielle pour la particule dans le matériau à la longueur de trajet différentielle correspondante :

, où T est l’énergie cinétique de la particule chargée, n _ion est le nombre de paires électron-ion formées par unité de longueur de trajet, et I désigne l’énergie moyenne nécessaire pour ioniser un atome dans le milieu. Pour les particules chargées, S augmente à mesure que la vitesse des particules diminue . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe . La formule non relativiste a été trouvée par Hans Bethe en 1930. La version relativiste (voir ci-dessous) a également été trouvée par Hans Bethe en 1932.

Dans cette expression, m est la masse au repos de l’électron, β est égal à v / c, ce qui exprime la vitesse de la particule par rapport à la vitesse de la lumière, γ est le facteur de Lorentz de la particule, Q est égal à sa charge, Z est le numéro atomique du milieu et n est la densité des atomes dans le volume. Pour les particules non relativistes (les particules chargées lourdes sont pour la plupart non relativistes), dT / dx dépend de 1 / v ² . Cela s’explique par le temps plus long que passe la particule chargée dans le champ négatif de l’électron, lorsque la vitesse est faible.

Le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes. Par exemple, la plage d’une particule alpha de 5 MeV est d’environ seulement 0,002 cm en alliage d’aluminium. La plupart des particules alpha peuvent être arrêtées par une feuille de papier ordinaire ou un tissu vivant. Par conséquent, le blindage des particules alpha ne pose pas de problème difficile, mais d’un autre côté, les nucléides radioactifs alpha peuvent entraîner de graves risques pour la santé lorsqu’ils sont ingérés ou inhalés (contamination interne).

Courbe de Bragg

La courbe de Bragg est typique pour les particules alpha et pour d’autres particules chargées lourdes et décrit la perte d’énergie des rayonnements ionisants pendant le voyage à travers la matière. Pour cette courbe est typique le pic de Bragg , qui est le résultat de la   dépendance 1 / v ²  de la puissance d’arrêt. Ce pic se produit parce que la section efficace d’interaction augmente immédiatement avant que la particule ne s’arrête. Pour la majeure partie de la piste, la charge reste inchangée et la perte d’énergie spécifique augmente en fonction du 1 / v ² . Vers la fin de la piste, la charge peut être réduite grâce à la capture d’électrons et la courbe peut tomber.

La courbe de Bragg diffère également quelque peu en raison de l’ effet de décalage . Pour un matériau donné, la gamme sera presque la même pour toutes les particules du même type avec la même énergie initiale. Parce que les détails des interactions microscopiques subies par une particule spécifique varient de façon aléatoire, une petite variation dans la plage peut être observée. Cette variation est appelée étalement et elle est causée par la nature statistique du processus de perte d’énergie qui consiste en un grand nombre de collisions individuelles.

Ce phénomène, décrit par la courbe de Bragg, est exploité en thérapie par particules du cancer, car cela permet de concentrer l’énergie d’arrêt sur la tumeur tout en minimisant l’effet sur les tissus sains environnants.

En radioprotection, la dose engagée est une quantité de dose qui mesure le risque sanitaire stochastique dû à un apport de matières radioactives dans le corps humain. La dose engagée porte le symbole E (t) , où t est le temps d’intégration en années suivant la prise. L’unité SI de E ( t ) est le sievert (Sv) ou rem (homme équivalent roentgen) est encore couramment utilisé ( 1 Sv = 100 rem ). L’unité de sievert a été nommée d’après le scientifique suédois Rolf Sievert, qui a effectué une grande partie des premiers travaux sur la dosimétrie en radiothérapie.

La dose engagée permet de déterminer les conséquences biologiques de l’irradiation causée par des matières radioactives, c’est-à-dire à l’intérieur de notre corps. Une dose engagée de 1 Sv provenant d’une source interne représente le même risque effectif que la même quantité de dose efficace de 1 Sv appliquée uniformément à l’ensemble du corps à partir d’une source externe.

Par exemple, supposons un apport de tritium radioactif . Pour le tritium, l’apport limite annuel (ALI) est de 1 x 10 ⁹ Bq. Si vous absorbez 1 x 10 ⁹ Bq de tritium, vous recevrez une dose pour tout le corps de 20 mSv. Notez que la demi-vie biologique est d’ environ 10 jours, tandis que la demi-vie radioactive est d’environ 12 ans. Au lieu d’années, il faut quelques mois pour que le tritium soit assez bien éliminé. La dose efficace engagée , E (t), est donc de 20 mSv. Cela ne dépend pas si une personne entreprend cette activité en peu de temps ou en longtemps. Dans tous les cas, cette personne reçoit la même dose pour tout le corps de 20 mSv.

La CIPR définit deux quantités de dose pour la dose individuelle engagée.

Dose efficace engagée

Selon la CIPR, la dose efficace engagée, E (t) est définie comme:

«La somme des produits des doses équivalentes d’organes ou de tissus engagés et des facteurs de pondération tissulaire appropriés (w _T ), où t est le temps d’intégration en années suivant la prise. La période d’engagement est censée être de 50 ans pour les adultes et de 70 ans pour les enfants. »

Dose équivalente engagée

Selon la CIPR, la dose équivalente engagée, H _T (t) est définie comme:

« L’intégrale de temps du débit de dose équivalent dans un tissu ou un organe particulier qui sera reçue par un individu après l’apport de matières radioactives dans le corps par une personne de référence, où t est le temps d’intégration en années. »

Référence spéciale: CIPR, 2007. Les recommandations de 2007 de la Commission internationale de protection radiologique. Publication 103 de la CIPR. Ann. ICRP 37 (2-4).

Prise de dose interne

Si la source de rayonnement est à l’intérieur de notre corps, nous disons que c’est une exposition interne. L’apport de matières radioactives peut se produire par diverses voies telles que l’ingestion de contamination radioactive dans les aliments ou les liquides, l’inhalation de gaz radioactifs ou la peau intacte ou blessée. La plupart des radionucléides vous donneront beaucoup plus de dose de rayonnement s’ils peuvent en quelque sorte pénétrer dans votre corps, qu’ils ne le feraient s’ils restaient à l’extérieur.

Mais lorsqu’un composé radioactif pénètre dans le corps, l’activité diminue avec le temps, en raison à la fois de la décroissance radioactive et de la clairance biologique . La diminution varie d’un composé radioactif à l’autre. A cet effet, la demi-vie biologique est définie en radioprotection.

La demi-vie biologique est le temps mis pour que la quantité d’un élément particulier dans le corps diminue jusqu’à la moitié de sa valeur initiale en raison de l’élimination par les seuls processus biologiques, lorsque le taux d’élimination est à peu près exponentiel. La demi-vie biologique dépend de la vitesse à laquelle le corps utilise normalement un composé particulier d’un élément. Les isotopes radioactifs qui ont été ingérés ou absorbés par d’autres voies seront progressivement éliminés du corps par les intestins, les reins, la respiration et la transpiration. Cela signifie qu’une substance radioactive peut être expulsée avant d’avoir pu se décomposer.

En conséquence, la demi-vie biologique influence de manière significative la demi-vie efficace et la dose globale de contamination interne. Si un composé radioactif à demi-vie radioactive (t _1/2 ) est éliminé du corps avec une demi-vie biologique t _b , la demi-vie effective (t _e ) est donnée par l’expression:

Comme on peut le voir, les mécanismes biologiques diminuent toujours la dose globale de contamination interne. De plus, si t _1/2 est grand par rapport à t _b , la demi-vie effective est approximativement la même que t _b .

Par exemple, le tritium a une demi-vie biologique d’environ 10 jours, tandis que la demi-vie radioactive est d’environ 12 ans. En revanche, les radionucléides à demi-vie radioactive très courte ont également une demi-vie efficace très courte. Ces radionucléides délivreront, à toutes fins pratiques, la dose totale de rayonnement dans les premiers jours ou semaines suivant la prise.

Pour le tritium, l’apport limite annuel (ALI) est de 1 x 10 ⁹ Bq. Si vous absorbez 1 x 10 ⁹ Bq de tritium, vous recevrez une dose de 20 mSv pour tout le corps. La dose efficace engagée , E (t), est donc de 20 mSv. Cela ne dépend pas si une personne entreprend cette quantité d’activité dans un court laps de temps ou dans une longue période. Dans tous les cas, cette personne reçoit la même dose pour tout le corps de 20 mSv.