La dosimétrie. Rôle fondamental en radioprotection, radiothérapie et en situations accidentelles. Dr Michelle Dabadie - Université de Bordeaux

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1 La dosimétrie La dosimétrie a pour but de mesurer la quantité d énergie déposée dans un matériau ou un tissu vivant lors d une exposition à des rayonnements ionisants. Indispensable pour prévoir les effets biologiques. Rôle fondamental en radioprotection, radiothérapie et en situations accidentelles. 1

2 La dosimétrie I. Les différents modes d exposition II. III. IV. Principales grandeurs dosimétriques Dosimétrie externe Dosimétrie interne V. Mesure des doses de rayonnements Les dosimètres 2

3 I - Les différents modes d exposition Exposition externe A distance de la source Globale: corps entier Partielle: un ou plusieurs organes ou tissus Au contact de la source: Contamination externe Exposition interne : Incorporation de radionucléides Contamination interne 3

4 II - Principales grandeurs dosimétriques Dose absorbée D (grays) Définie très localement. Utilisée pour décrire les effets déterministes. Dose équivalente H (sieverts) Utilisée pour évaluer le risque d effets aléatoires des rayonnements pour un tissu. Dose efficace (sieverts) Utilisée pour évaluer le risque d effets aléatoires des rayonnements pour l organisme entier. 4

5 III - Dosimétrie externe Mesure de la dose absorbée D Rayonnements particulaires directement ionisants : Particules a, électrons Rayonnements indirectement ionisants: Rayons X et g neutrons 5

6 1 - Rayonnements particulaires directement ionisants Particules chargées Les interactions: Interaction par collision avec les électrons de la matière ionisations des atomes. La densité d ionisations fonction de l énergie transférée Interaction par freinage avec le champ coulombien du noyau Cas des particules légères de haute énergie (e -, b - ) dans des milieux à Z élevé. 6

7 Interaction particule chargée- électron du milieu Transfert d énergie (Q): 2 z TLE K 2 v nz z = charge de la particule ionisante v = vitesse de la particule incidente n = nombre d atomes de la cible/unité de volume Z = numéro atomique de la cible A une distance donnée, le transfert est d autant plus grand que la vitesse est faible. La densité d énergie déposée est maximale sur la fin de leur parcours. Le transfert croît avec la charge de la particule. ex: Q est 4 fois plus élevé pour un a que pour un proton de même énergie. 7

8 Particules chargées légères e -, b - Le transfert d énergie est d autant plus grand que la vitesse est faible distance Les électrons ont une trajectoire très sinueuse 8

9 Parcours et trajectoire des électrons incidents parcours faisceau d électrons portée Le parcours Longueur réelle de la trajectoire de l électron La portée Profondeur maximale atteinte par les électrons dans un milieu considéré 9

10 Parcours et portée des électrons Le parcours Parcours moyen p de E TLE m dx p La portée p E TLE Profondeur maximale atteinte par les électrons dans un milieu considéré Formule empirique de la portée (Katz et Penfold): n 0,412 E R avec n = 1,265 0,0954 ln E R = portée en cm E = énergie des électrons en MeV = masse volumique du matériau en g.cm -3 m 10

11 Exemple : électrons ayant une énergie de 1,7 MeV Portée n = 1,265-0,0954 ln 1,7 = 1,214 Dans l air ( = 1, g.cm -3 ) R air = 0,412 x 1,7 1,214 / 1, = 604 cm Dans l eau ( = 1 g.cm -3 ) R eau = 0,412 x 1,7 1,214 / 1 = 0,78 cm Parcours dans l eau: TLE = 1,75 MeV.cm -1 Parcours p = E / TLE = 1,7 / 1,75 = 0,97 cm 11

12 Particules chargées lourdes: rayonnements a Trajectoire rectiligne et très courte portée = parcours Radionucléide 232 Th 210 Po 218 Po 212 Po E a (MeV) 4,2 5,3 6 8,8 R (cm) dans l air 2,6 3,8 4,6 8,6 R (mm) dans l eau Dans l air : R 0,32.E 3/2 E en MeV et R en cm 12

13 2 - Rayonnements indirectement ionisants a) Les rayons X et g Atténuation dans la matière d un flux de photons: = 0 e -mx 13

14 L énergie absorbée E a responsable des effets biologiques est l énergie cédée à la matière par les électrons secondaires le long de leur trajectoire hn diffusé hn P électron secondaire E a E (hn) Transfert d énergie Absorption d énergie par la matière E a = E tr dans les conditions d équilibre électronique le kerma (kinetic energy released in material) detr K dm Le kerma se rapporte au milieu (kerma dans l air, kerma dans l eau,.) 14

15 Photons X et g Energie absorbée et Energie diffusée dans les tissus en exposition externe 15

16 E a et E d lors des 3 effets - Effet photoélectrique hn E c (e - ) + (hn) F E a hn - Effet Compton hn E c (e - ) + hn absorbé diffusé - Effet de matérialisation hn E c (e - ) + E c (e + ) + 2 x 0,511 MeV absorbé 2 photons diffusé 16

17 2 - Rayonnements indirectement ionisants b) Particules non chargées: les neutrons La dosimétrie des neutrons est difficile en raison de la diversité de leurs interactions selon leur énergie et selon le milieu. Les neutrons interagissent avec les noyaux: diffusion élastique protons de recul (H) inélastique capture Rn (n, g) : capture radiative Rn (n, p) ou Rn (n, a) Fission nucléaire 17

18 III - Dosimétrie interne Pas de mesure directe calcul de la dose engagée Organes cibles critiques : Iode thyroïde Durée de l irradiation : T e = période effective T 1 e T 1 T 1 ph bio Dose reçue par un organe fonction de T e, de l activité, de la nature et l énergie des rayonnements émis 18

19 IV- Mesure des doses de rayonnements Permet d apprécier le dommage Les Dosimètres Surveillance de l exposition externe Dosimètres passifs Dosimètres actifs Calcul de la dose engagée En cas de contamination interne Ensemble des doses au tissus jusqu à leur élimination complète 19

20 Dosimètres passifs Lecture différée Film dosimètre (photographique) Détecteur à luminescence stimulée Dosimètre thermoluminescent (TLD) Dosimètre à luminescence par stimulation optique (OSL) Dosimétrie individuelle 20

21 Film dosimètre Dosimétrie individuelle Rayonnements détectés: b E > 100 kev RX, Rg E > 20 kev 21

22 Les détecteurs à luminescence retardée bande de conduction bande interdite e - DE + DE e - émission lumineuse irradiation bande de valence excitation lecture luminescence Lecture par : - chauffage thermoluminescent (TLD) - impulsion IR stimulation optique (OSL) 22

23 Dosimètre thermoluminescent (TLD) Luminescence stimulée optiquement (OSL) Le plus utilisé: LiF Bague dosimètre Rayonnements détectés: b, RX, Rg E > 20 kev Rayonnements détectés: b E > 150 kev RX, Rg E > 5 kev 23

24 Dosimètres actifs Lecture directe de la dose reçue Dosimètre à gaz : chambre d ionisation dosimètre d ambiance Dosimètre à semi-conducteurs dosimètre individuelle opérationnelle Détecteur à scintillation 24

25 Détecteurs à gaz L amplitude du signal dépend de l énergie du rayonnement absorbée. Rayonnements détectés: b, RX, Rg chambre d ionisation E X,g > quelques kev 25

26 dosimètre d ambiance dosimètre à la sortie d un tube de RX 26

27 Les dosimètres à semi-conducteurs semi-conducteur élément détecteur + mémoire morte Système de lecture + Télétransmission Dosimétrie opérationnelle 27

28 Dosimétrie opérationnelle dosimétrie individuelle 28