UE 3A. Aspects fonctionnels et méthodes d étude. Dr Tristan Richard. L1 santé année universitaire 2009/10

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1 UE 3A Organisationdesappareilset appareils et dessystèmes systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d étude Dr Tristan Richard L1 santé année universitaire 2009/10

2 UE 3A : Organisation des appareils et des systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d étude MODULE 1: Etats de la matière et leur caractérisation MODULE 2: Méthodes d'étude en électrophysiologie jusqu'à l'ecg MODULE 3: Les très basses fréquences du spectre électromagnétique MODULE 4:Le domaine de l'optique (prépare en particulier la microscopie en UE2) MODULE 5: Rayons X et gamma Rayonnements particulaires MODULE 6: Utilisations thérapeutiques L1 santé UE 3A Module 5 2

3 Rayons X et gamma Rayonnements particulaires Natures et propriétés des REM Principales caractéristiques des rayonnements α et β Interaction ti avec la matière: effet photo électrique, t diffusions, i matérialisation ti Détection Physique Nucléaires : Généralités La Radioactivité Interactions Rayonnements Matière Réactions Nucléaires Les Rayons EM Les Détecteurs L1 santé UE 3A Module 5 3

4 Interactions Rayonnements Matière radiographie d une main, coll. musée des Arts et Métiers. L1 santé UE 3A Module 5 4

5 Interaction Rayonnements Matière 1. Généralités 2. Interactions des photons X et γ 2.1 Atténuation d un faisceau de photons 2.2 Interactions photons matière 3. Interactions des neutrons 3.1 Neutrons rapides 3.2 Neutrons lents 4. Interactions des particules chargées 4.1Nature de l interaction 4.2 Nature de la particule radiographie d une main, coll. musée des Arts et Métiers. L1 santé UE 3A Module 5 5

6 1. Généralités Interaction rayonnements matière: échange d énergie entre les rayonnements (corpusculaire ou électromagnétique) et les atomes du milieu particules non chargées rayonnements EM neutrons photons X et γ particules chargées légères lourdes électrons α, p, fragments de fission L1 santé UE 3A Module 5 6

7 2. Interaction des photons X et γ 2.1 Atténuation d un faisceau de photons flux de photons (X ou γ) N 0 N + dn matériau N N variation nombre photons dn: 0 x x + dx flux de hυ par unité de épaisseur traversée temps dn = μ dx N coef. linéique d absorption par intégration: N = N μ x 0 e μ N 0 nombre de hυ incidentsid L1 santé UE 3A Module 5 7

8 couche de demi atténuation (CDA ou x 1/2 ): épaisseur nécessaire pour atténuer la moitié du flux de photons incidents N 2 N CDA N = = N0e μ 1 2 μ CDA = e ln(2) CDA = μ coefficient massique d atténuation et masse surfacique de la matière μ dépend état matière (solide,, liquide,,g gaz) ) coefficient massique d atténuation: μ/ρ (ρ masse volumique) masse surfacique de la matière: μ x (en kg.m 2 ou en gcm g.cm 2 ) N = N 0e autre expression de l atténuation: μ ρ atténuation facteur 1024 (#1000): écran épaisseur x = 10xCDA ( ρ x) μ x N = N0e ln(2) CDA = μ N = N 0 e N = ln(2) 2 x N unité m 1 x CDA 0 CDA L1 santé UE 3A Module 5 8

9 représentation graphique N(x) ln(n(x)) N 0 N 0 /2 μ x N( x) = N0e échelle log ln(n 0 ) ln( ( N( ( x )) = μμ x + ln(n( 0 ) pente = μ CDA échelle linéaire x CDA x échelle semi logarithmique ordre de grandeur CDA: 30 kev 100 kev 500 kev air 25 m 35 m 60 m eau (liquide) 2 cm 4 cm 7 cm béton 3 mm 2 cm 4 cm plomb 0,02mm 0,1mm 4 mm L1 santé UE 3A Module 5 9

10 μ dépend de l énergie des photons ln(n(x)) hυ 1 = 30 kev hυ 2 = 500 kev μ 2 hυ 2 > hυ 1 log échelle x μ 1 μ 1 > μ 2 CDA 2 > CDA 1 x(enm) μ dépend du matériau traversé (Z matériau) ln(n(x)) hυ 2 = 500 kev μ 1 Z 2 > Z 1 échelle e log μ 2 eau (Z 1 ) plomb (Z 2 ) x (en cm) μ 2 > μ 1 CDA 1 > CDA L1 santé UE 3A Module 5 10

11 2.2 Interaction photons matière atté énuation du flux de photons diffusion absorption interaction hν électron interaction hν noyau diffusion Thomson Rayleigh diffusion Compton effet photoélectrique matérialisation réaction photonucléaire diffusion induction flou imagerie médicale absorption contraste imagerie médicale absorption par milieu biologique irradiation patient L1 santé UE 3A Module 5 11

12 2.2.1 Diffusion Thomson Rayleigh (diffusion simple) photons de faible énergie (< 45 kev, sinon négligeable) déviation direction photons sans transfert d énergie hυ absorbé par atome atome état excité retour état fondamental émission hυ même énergie direction aléatoire imagerie médicale faible énergie négligeable autres interaction mammographie utilisation hν faible énergie (# 30 kev) diffusion Thomson Rayleigh L1 santé UE 3A Module 5 12

13 2.2.2 Diffusion Compton tissus biologiques: effet prédominant pourénergie > 45keV (radiothérapie) absorption partie énergie E i = hν i incident par électron e éjecté (si hυ i > W K énergie liaison e ) photon diffusé moins énergétique E d = hυ d < E i conservation énergie et quantité de mouvement énergie cinétique électron Ec e : Ec e = E i E d W K relation entre E i et E d : imagerie médicale incident E i diffusé E d cos θ = θ E E mc 2 d i responsable artefacts (fous) en radiobiologie irradiation patient e éjecté Ec e diffusion Compton L1 santé UE 3A Module 5 13

14 2.2.3 Effet photoélectrique transfert de l intégralité de l énergie lénergie du hν incident à un électron du cortège électronique de l atome énergie absorbée disparition photon e éjecté (couche interne) Ec e = hν W K hν incident e éjecté Ec e énergie cinétique électron énergie de liaison K électron éjecté source secondaire rayonnement ionisant réarrangement cortège électronique effet photoélectrique L1 santé UE 3A Module 5 14

15 section efficace par effet photoélectrique (PE) section efficace σ: probabilité d interaction entre un photon incident et un atome nombre d atome par unité de volume σ = n μ application médicale: contraste en radiobiologie et radiotoxicité des rayonnements ionisants relation de Bragg et Pierce matériau demasse volumique ρ et de numéro atomique Z Z μ = C i ρ E 3 3 énergie hν coefficient linéique d absorption μ en cm 2 g L 0,1 eau 0,01 K plomb 0,01 0, variations de μ en fonction de E E hν en MeV effet PE prépondérant milieu dense constante (Z élevé) et photon faible énergie (10 (couche e ionisé) à 50 kev) L1 santé UE 3A Module 5 15

16 2.2.4 Matérialisation voisinage noyau: matérialisation hν incident en 1 positon et 1 électron condition: hν > 2 x 511 kev = 1,022 MeV e + e annihilation K e matérialisation marginal domaine médical L1 santé UE 3A Module 5 16

17 2.2.5 Réaction photonucléaire hν incident (E > 10 MeV) absorbé par noyau noyau état excité retour stabilité désintégration (génération neutron) A A Z Z 1 X hν γ Z X 0n formation isotoperadioactif noyauinitial Carbone Oxygène C + hν γ C 0 n O + hν γ O 0 n L1 santé UE 3A Module 5 17

18 2.2.6 Domaine de prédominance phénomènes prépondérants effet photoélectrique (PE) effet Compton (C) création de paires (CP) coefficient d atténuation linéique μ PE Photoélectrique μ μ = μ PE + μ C + μ CP μ C Compton μ μ CP Matérialisation 1 E 1 10 E E (MeV) (échelle logarithmique) L1 santé UE 3A Module 5 18

19 100 Z (cible) effet photoélectrique création de paires 50 effet Compton 0 0,01 0, E hν en MeV domaines de prédominance en fonction de Z (cible) et de E (hν incident) L1 santé UE 3A Module 5 19

20 3. Interaction des neutrons neutron: charge nulle interaction avec électrons négligeable interaction avec noyau 4 classes de neutrons Neutrons Énergie types d interaction lents ou thermiques intermédiaires E < 0,1 kev 0,1 kev < E < 20 kev E < 10 kev capture rapides 20 kev < E < 10 MeV E > 10 kev diffusion haute énergie E > 10 MeV L1 santé UE 3A Module 5 20

21 3.1 Neutrons rapides Diffusion élastique choc neutron noyau: transfert énergie cinétique neutron vers noyau n diffusé Ec < Ec énergie cinétique de recul du noyau Ec r n incident Ec choc noyau noyau en mouvement potentiellement ionisant ionisations indirectes dangereuses probabilité choc neutron noyau faible neutronsrapides rapides très pénétrants L1 santé UE 3A Module 5 21

22 3.1.2 Diffusion inélastique choc neutron noyau: capture neutron par noyau puis e relâché noyau cible état excité émission photon γ n diffusé 1 A 1 0n Z 0 + A + X n Z X * A Z X * A Z X + h ν γ n incident noyau 1 A 0 n Z 0 1 hν γ + X n + A Z X + hν ν γ photons γ émis ionisant L1 santé UE 3A Module 5 22

23 3.2 Neutrons lents Capture radiative capture neutron par noyau: noyau état excité stabilisation par émission hν γ A A+ 0 1 n + Z Z X 1 X * A + 1 A+ 1 Z Y * Z X + h ν γ n incident 1 n 0 A Z hν γ noyau A+ Z + ν γ + X 1 X h Capture non radiative capture neutron par noyau: stabilisation par émissions β ou fission processus de production radioéléments émetteurs β L1 santé UE 3A Module 5 23

24 4. Interactions des particules chargées interaction avec les électrons interaction i avec le noyau particules «lourdes» (protons, α, fragments de fission) i particules légères (électrons) L1 santé UE 3A Module 5 24

25 4.1 Nature de l interaction Interaction avec le nuage électronique 2 cas: énergie transférée à le l e atome ionisé: source secondaire d ionisation E > W L expulsion e cortège électronique énergie transférée à l e E < W L atome état excité retour état stable par dissipation de l énergie sous forme thermique ou par émission hν peu énergétiques pouvoir d arrêt du milieu: perte d énergie de la particule par unité de longueur de 2 dx z m N E z : charge de la particule m : masse de la particule E : énergie de la particule N : nombre d e du milieu par unité de volume Transfert d Energie Linéique (TEL): énergie transférée par la particule par unité de longueur Densité Linéique d Ionisation (DLI): nombre de paire d ions crées par unité de longueur TEL = DLI x ω énergie moyenne par ionisation L1 santé UE 3A Module 5 25

26 4.1.2 Interaction avec le noyau passage proximité noyau: interactions électrostatiques particules déviées perte énergie cinétique particule incidente émission rayonnement électromagnétique de freinage ou Bremsstrahlung production des rayons X Ep = Ei Ed Ep énergie hν émis Ei énergie particule incidente Ed énergie particule déviée e incident Ei + noyau cas d un électron e dévié Ed < Ec pouvoir d arrêt du milieu: dissipation d énergie par unité de temps de dt z Z m 2 z : charge de la particule Z : charge du noyau m : masse de la particule énergie est d autant plus faible que la particule incidente est lourde L1 santé UE 3A Module 5 26

27 importance des interactions par ionisation et par rayonnement de freinage ZE TEL freinage TEL 800 ion E : énergie de la particule (en MeV) Z : charge du noyau dans l eau (Z = 8): rayonnement 1 MeV (très énergétique) TEL freinage = 1% L1 santé UE 3A Module 5 27

28 4.2 Nature de la particule Particules légères (électrons) pertes d énergie par ionisation ou freinage E < 100 MeV essentiellement par ionisation trajectoires: lignes brisées changements de direction transferts d énergie e incident E I 0 ionisations portée ou longueur de pénétration distance maximale parcourue dans la direction du flux incident dans leau, l eau la longueur de pénétration est donnée par: positons annihilation I L(en cm) E (en MeV) 2 L1 santé UE 3A Module 5 28

29 4.2.1 Particules lourdes (p, α, fragments de fission) interaction avec nuage électronique prépondérante (ionisation) particules massives: interactions faible impact sur trajectoire I 0 ionisations I/I 0 DLI part c incidente E I 1 DLI DLI max courbe de Bragg: 05 0,5 parcours particule perte énergie cinétique vitesse diminue temps d interaction augmente TEL et DLI augmente jusqu à perte énergie cinétique x R variation densité linéique d ionisation parcours moyen R: épaisseur nécessaire pour atténuer de moitié le flux incident id I 0 m z : charge de la particule R 2 m : masse de la particule z ordre de grandeur micromètre (tissus biologiques) L1 santé UE 3A Module 5 29