Les rayonnements particulaires Rappel sur les particules élémentaires Il existe Deux grandes familles de particules élémentaires, la plus grande est celle des Fermions. Cette famille comporte 12 particules élémentaires, et 12 antiparticules leur répondant. Ces 24 particules peuvent être divisées en Deux catégories : Les Quarks, constituants des Hadrons (Nucléons), ce sont 6 Quarks et 6 Antiquarks. Ils possèdent une charge, qui est une fraction de la charge de l électron (En valeur absolue) : - Soit 2/3 de cette charge, ce sont les Quarks Up, Charm et Truth. - Soit 1/3 de cette charge, ce sont les Quarks Down, Strange et Bottom. Les Leptons, ce sont 6 Leptons et 6 Antileptons : - Ils possèdent charge entière «e», ce sont l Électron e -, le Muon µ - et le Tauon τ - (Ces deux derniers sont instables et sont beaucoup plus lourds que l électron). - La désintégration de ces particules entraine la formation de Neutrinos, ν e, ν m et ν t, qui ne possèdent ni charge, ni masse (Approximativement). L interaction de ces Fermions entre eux est à l origine de Bosons, une autre famille de particules. I- Les électrons Ces électrons sont découverts par Thomson, via l expérience du tube de Crooks. Ces particules élémentaires possèdent : Une masse au repos : m 0 = 9.10-31 kg. Une énergie de masse au repos : 511 kev. Une charge au repos : -1,6.10-19 C = -e. Ils sont utilisés en médecine sous Deux formes : Les RE émetteurs β. Les faisceaux d électrons accélérés. A. L émission β Le noyau contient un excès de Neutrons. Remarque : Pour les petits noyaux, la stabilité correspond à une égalité du nombre de neutrons et celui de protons. Pour les gros noyaux (Z>20), la stabilité est assurée par une dominance numérique des neutrons sur les protons, afin de compenser les Interactions coulombiennes entre protons. Les noyaux instables par excès de neutrons (Ou défaut de protons) se stabilise alors en transformant un Neutron en Proton, avec émission d un Électron. Tutorat PACES Amiens 1
Notons que l émission de la particule «électron» est associée à l émission de son antiparticule «Antineutrino», ne possédant ni masse ni charge, et donc quasiment incapable de créer des interactions, et permettant essentiellement de transporter de l énergie : Au niveau atomique, la transformation se note : Avec Q l énergie émise lors de la désintégration, très variable. 1. Mécanisme Dans le cas général, un Quark down va se transformer en Quark up (Formation d un proton), libérant un boson, qui sera immédiatement réabsorbé. Dans le cadre d une désintégration β-, le Boson se désintègre (Très rarement) en un électron et en son antiparticule. 2. Bilan énergétique Cette énergie est émise lors de la transformation sous forme de rayonnement particulaire β-. Elle est égale à l énergie de masse du noyau initial auquel on enlève l énergie de masse du noyau final et celle de l électron. En d autres termes, c est la différence entre l énergie de masse des atomes. De plus, cette émission est souvent accompagnée d une émission γ, le noyau formée étant dans un état excité. 3. Spectre des électrons émis Il y a distribution aléatoire de l énergie entre l électron et l antineutrino (Ce qui explique que l énergie de l électron n est pas quantifiée lors de l émission β-), qui peuvent alors prendre n importe quelle valeur entre 0 et Q β -. Spectre continu et très large (Du kev au MeV). B. Production des RA émetteurs β - Il s agit d enrichir un noyau avec un Neutron : Dans un réacteur nucléaire, on bombarde les cibles avec des faisceaux de Neutrons. Puisqu ils ne possèdent pas de charge, ils peuvent pénétrer le noyau, mais avec une probabilité d interactions faible puisque le noyau est très petit. On augmente alors la probabilité d interaction en donnant au Neutron une longueur d onde associée aux dimensions de l atome, ce qui correspond à une énergie de 0,025 ev ; on parle de Neutrons thermiques. Tutorat PACES Amiens 2
C. Interactions des électrons avec la matière 1. Interactions avec d autres électrons : Énergie de collision L électron β- provoque une collision inélastique, c'est-à-dire avec perte d énergie, avec un électron du milieu avant de voir sa trajectoire déviée. Trois cas sont alors possibles : Si l électron incident cède une énergie très inférieure à l énergie de liaison de l électron du milieu E e - << E l : Il s opère des transferts thermiques. Si cette énergie est légèrement inférieure à l énergie de liaison E e - < E l : Il s opère une excitation sur un niveau énergétique plus haut. Si cette énergie est supérieure à l énergie de liaison E e - > E l : Il s opère une ionisation, avec éjection de l électron du milieu, et toujours une déviation de l électron incident. 2. Avec les noyaux : Énergie de Rayonnement Par analogie avec les RX, il y a formation d un rayonnement de freinage. Le Pouvoir de Ralentissement ou Transfert d Énergie Linéique C est la quantité d énergie transférée au milieu par unité de longueur : La répartition entre les Deux interactions (Électrons et noyaux) n est pas équiprobable : L interaction avec les noyaux augmente avec le numéro atomique et avec l énergie des électrons. Ce phénomène reste néanmoins très mineur face aux interactions de collisions électroniques. Les conséquences et applications de ces interactions Interactions dans les tissus ou avec une cible Dans les tissus mous et l eau, les interactions avec le noyau sont quasi-inexistantes, on retrouve majoritairement des ionisations et des excitations : Effets délétères sur le tissu. La production de RX provient essentiellement d un rayonnement de freinage, donc un Z élevé, donc utilisation du Tungstène. Radioprotection De plus, afin d éviter les RX indésirables formés par le freinage des R β -, la protection s effectue avec du plexiglas (Z faible, et ionisation du plexiglas) et non du plomb. Tutorat PACES Amiens 3
Trajectoire des électrons et portée de la trajectoire En outre, la trajectoire de l électron dans les tissus est très sinueuse, du fait de la déviation constante via les collisions électroniques. La longueur de la trajectoire est alors assez aléatoire, selon les angles de diffusion. On peut tout de même définir la Portée, comme le pouvoir de pénétration maximal d un faisceau d électron : Toute l énergie sera alors déposée sur un trajet court dans les tissus : Intérêt en RT, mais imagerie impossible. D. Utilisation des RE β - 1. Radiothérapie Interne Vectorisée Il s agit de l administration d un RP couplé à un RE β -. C est une source non scellée, administrée généralement par voie générale. Ce RP est très spécifique de sa cible (Notion de «vectorisée»). Les électrons déposent alors toute leur énergie au niveau de la cible, qui s en voit annihiler. Exemple Certains Lymphomes B : Anticorps CD20 + Ytrrium 90. Hyperthyroïdisme et cancers de la Thyroïde : Iode 131, naturellement spécifique de la thyroïde. 2. Études pharmacologiques chez l animal On peut utiliser une imagerie scintigraphique, mais la résolution est très faible avec les REγ. La deuxième possibilité consiste à utiliser un RE β -, en sacrifiant le pauvre animal. Il est alors coupé, et la proximité du RE au détecteur donne des images d une excellente qualité. E. Utilisation des faisceaux d électrons accélérés 1. Radiothérapie externe On utilise l accélérateur d électrons qui sert à produire les RX, mais on retire la cible en Tungstène, ce qui permet de produire des électrons de 4 à 25 MeV. Répartition de la dose Les interactions sont relativement spécifiques de la zone, dépendantes de la portée. Ainsi, les organes qui se trouvent derrière sont préservés (Notons qu il existe un léger rayonnement de freinage après la portée, négligeable). Tutorat PACES Amiens 4
Différence de balistique électron/rx II- Les Positons Ces rayonnements particulaires sont mis en évidence par Anderson. Le positon est un Anti-lepton (Antiparticule du Proton) : Une masse au repos : m 0 = 9.10-31 kg. Une énergie de masse au repos : 511 kev. Une charge au repos : + 1,6.10-19 C = + e. Ils sont utilisés en médecine via les RE β +. A. L émission β + 1. Principe Elle concerne les noyaux en défaut de Neutrons ou en excès de Protons. Le retour à la stabilité passe par la formation d un neutron à partir d un proton : La réaction est à l origine de l expulsion d un positon, avec formation de son antiparticule le Neutrino. 2. Au niveau atomique 3. Bilan énergétique Pour que réaction ait lieu (Q > 0), il faut que l énergie libérée par la désintégration (M x M y ) soit supérieure à 2m e.c², soit deux fois la masse au repos du positon, c'est-à-dire1,02 MeV. 4. Spectre des positons émis C est un spectre continu, semblable au spectre β -, d une énergie légèrement plus intense via le repoussement des charges positives. Tutorat PACES Amiens 5
5. Mode de désintégration concurrent de β + : La Capture électronique Le noyau va capturer un électron (Souvent de la couche K), qui va se combiner avec un proton afin de former un neutron, entrainant la libération d un Neutrino : Il y a ensuite réarrangement électronique et donc photons de fluorescence et émission d électron e-auger. B. Production de RE émetteurs β + Il s agit d enrichir le noyau en Protons, mais cette particule pénètre difficilement le noyau du fait de sa charge : Donnage d une énorme énergie à la particule, via un Cyclotron. Le Cyclotron accélère le proton, à chaque passage entre ses électrodes. Cette tension accélératrice entraine une augmentation de l énergie, mais également une accélération de la vitesse à l origine d une force centrifuge, et donc d une trajectoire en spirale (Fréquence de révolution constante). C. Interactions des positons avec la Matière Tant qu il possède une énergie cinétique, le positon agit tel un électron (Ionisations et excitations). En fin de parcours, le positon rencontre un électron, et il y a dématérialisation de la paire : Émission de Deux photons de 511 kev chacun, et ce dans des directions opposés. D. Utilisation des RE β + Imagerie scintigraphique : Tomoscintigraphie par Emetteurs de Positons TEP Il s agit d administrer un RP marqué d un RE β +, agissant selon le même principe qu un RE β - : Il y aura alors émission de Deux photons issus de la dématérialisation, détectés par une caméra à Positons, possédant des détecteurs en disposition annulaire, afin de capter un maximum de paires. Images en coupes de la distribution du RP. III- Les Protons Ils sont découverts par Rutherford. Le proton possède Quatre caractéristiques principales : Il est constitué de Trois Quarks. Sa masse au repos est m p 1800.m e =1, 672. 10-27 kg. Son énergie de masse au repos E m = 938,3 MeV. Sa charge au repos = + e. Les protons sont utilisés en médecine sous forme de faisceaux de protons accélérés. Tutorat PACES Amiens 6
A. Production des Protons accélérés Rappels sur la Relativité On peut considérer que m m 0 tant que v/c < 0,1. Sinon, la masse devient relativiste. Pour l électron, il devient relativiste pour une énergie de 5 kev. Pour le Proton : Il n est utilisé qu à partir d une énergie cinétique E = 10 MeV Avec m la masse en mouvement et m 0 la masse au repos.. Le Proton devient relativiste. Rappel : Fréquence de révolution : 1. Le Cyclotron Il est possible de déterminer la fréquence de rotation du Proton tant que la masse est constante. Dès que sa vitesse augmente, il devient relativiste et le calcul de la fréquence n est plus possible. Il ne peut donc être accéléré que jusqu à E = 10 MeV dans un cyclotron basique. Afin d obtenir des accélérations supérieures, des appareils plus performants entre en jeu : 2. Le Synchrocyclotron Notons dans un premier temps que comme la vitesse du proton est déjà très proche de celle de la lumière, tout gain d énergie va se traduire par un gain de masse de la particule. Comme la masse augmente, la fréquence de révolution va également diminuer. Il est alors possible de diminuer la Haute Fréquence (Vitesse d inversion de la polarité des électrodes) dans le synchrocyclotron, afin de palier la diminution de fréquence de révolution. Problème : Obtention d un faisceau pulsatile de protons et non continu, ce qui n est pas optimal en RT. 3. Le Cyclotron isochrone La Haute Fréquence est constante, et c est le champ magnétique B qui est modulé, ainsi, la fréquence de révolution est constante, et l inversion de polarisation reste la même. Ainsi, on conserve le flux continu de protons. Problème : Plus la particule sera énergétique, plus le diamètre de la machine devra être grand, le facteur limitant sera alors le poids de la machine. On obtient des Protons de 250 MeV, suffisant pour les RE β + ainsi que pour la plupart des applications médicales. En revanche, il faut plus d énergie pour les expériences de physiques atomiques. 4. Le Synchrotron Il consiste en une variation simultanée de la Haute Fréquence et B, ainsi, le rayon est constant, et la trajectoire est circulaire, et le gain d énergie, potentiellement infini! Tutorat PACES Amiens 7
Le Rayonnement synchrotron Ce n est pas un rayonnement dû aux protons accélérés, il s agit d utiliser le Synchrotron afin d accélérer des électrons. La déviation de leur trajectoire entraîne un rayonnement de freinage tangentiel à la direction de l électron. Ce rayonnement possède des propriétés spectrales particulières. B. Interactions des protons avec la Matière C est une interaction avec les électrons des atomes (Collisions inélastiques), les réactions nucléaires sont rares du fait de la charge du proton. Plusieurs différences sont notables avec les faisceaux d électrons : Les protons n entrainent pas de rayonnement de freinage (Très peu de réactions nucléaires). Du fait de sa masse (1836 fois celle de l électron), le proton n est pas dévié par l attraction du noyau. Enfin, le proton est à l origine d un très grand nombre d interactions de faible énergie aves les électrons. Il en résulte au total une trajectoire rectiligne et courte du proton. Z le numéro atomique et z la charge Pouvoir de Ralentissement TEL L énergie transférée au milieu augmente lorsque la vitesse diminue. En fin de parcours, le nombre d ionisations est maximal, est alors défini le pic de Bragg (Caractéristique des particules lourdes chargées) : C. Utilisation des faisceaux de Protons 1. Radiothérapie externe : La Protonthérapie Il n existe que 36 centres dans le monde, la Protonthérapie est coûteuse. L avantage est que la Précision balistique est maximale : On module la profondeur du pic de Bragg en jouant sur l énergie des Protons. On module la largeur du pic de Bragg en interposant des filtres sur le trajet du faisceau. 2. La Hadronthérapie Il s agit d utiliser des Hadrons différents du proton, comme le noyau de Carbone C 6+. La balistique est encore plus précise, et la cytotoxicité est bien plus élevée. Cela coûte bien plus cher, seulement 6 centres. Tutorat PACES Amiens 8
IV- Les particules α : Noyau d Hélium Elles sont mises en évidence par Rutherford. Les particules α sont des noyaux des noyaux d Hélium. Ils possèdent une masse au repos inférieure à celle de 2 protons et 2 neutrons. Ils possèdent une charge de +2e. De même pour leur énergie de masse, inférieure à (2.m p + 2.m n ). c². La différence de masse entre les particules séparées et le noyau constitué des mêmes particules définit le défaut de masse, équivalent à l énergie de liaisons des nucléons (La fusion des particules libèrent énormément d énergie, c est le principe de la bombe thermonucléaire H). Cette énergie est particulièrement élevée pour les noyaux d Hélium, qui en deviennent très stables En médecine, les particules α sont utilisées sous forme de RE α (La Hadronthérapie aurait pu marcher, mais on est passé directement à l étape noyau de Carbone). A. L émission α 1. Principe Elle n est possible que pour les trop gros noyaux, en excès de protons et de neutrons. Les atomes concernés possèdent systématiquement un Z supérieur à 82. Ils correspondent pour la plupart à des familles radioactives naturelles, comme : 2. Au niveau atomique 3. Bilan énergétique Généralement, la libération d une particule α est accompagnée d une énergie Q α comprise entre 4 et 9 MeV. Notons que la période physique du RE sera d autant plus courte que l énergie de la particule va augmenter, car il faut beaucoup d énergie pour expulser un noyau d Hélium du RE. 4. Spectre des He émis Il n existe pas de Neutrino ou autre. Du fait de la masse non négligeable de l atome d Hélium, une partie de l énergie devient une énergie de recul de la molécule Y. Cette énergie reste très faible, et l énergie de la particule α est en général conservée autour de 98% de l énergie total. Cette énergie quantifiée permet d établir un Spectre d émission de raies : Tutorat PACES Amiens 9
B. Production de RE émetteurs α Elle peut s effectuer dans un cyclotron, ou dans un générateur : A l aide d un générateur, il y a formation d un RE fils de durée de vie courte à partir d un RE père à longue durée de vie. C. Interactions avec la matière Encore une fois du fait de la masse de la particule, les interactions seront essentiellement des Collisions inélastiques avec les électrons, et seulement peu de réactions nucléaires. Les particules α possèdent une trajectoire encore plus rectiligne et plus courte que les protons. Pouvoir de Ralentissement TEL Le transfert d énergie linéique est bien plus élevé pour les particules α que pour les protons, on observe un pic de transfert en fin de parcours, mais pour un parcours bien moindre : D. Utilisation des particules α La Radiothérapie Interne Vectorisée Les particules α possèdent de nombreux avantages sur les RE β - : Le parcours est plus court, l effet est alors plus ciblé. L énergie de la particule α et le transfert d énergie sont bien plus élevés, l effet est alors bien plus intense avec une plus forte cytotoxicité. Mais également des inconvénients : Les RE α sont très peu disponibles. Ils induisent de nombreux problèmes de Radioprotection. Les applications sont alors en cours de développement, notamment contre les métastases osseuses, par le Radium 223, analogue chimique du Calcium (Pas de nécessite de molécule vectrice). Tutorat PACES Amiens 10
Les métiers de l imagerie Le Radiologue : Imagerie par RX (Radioscopie, TDM). Le Radiothérapeute : Radiothérapie externe : Electrons accélérés, Photons X, Proton- et Hadronthérapie, γ-knife. Curiethérapie : RT interne de sources non scellées, Fil d Iridium Iode 125. Le Médecin nucléaire : Imagerie scintigraphique (Emetteurs γ et de positons β + ). RT Interne Vectorisée (Emetteurs β - et α). Dosages Radio-Immunologique RIA (Radio-immuno-assay in English please). La Médecine Nucléaire se base sur des sources non scellées, et nécessite donc une radioprotection accrue. Tutorat PACES Amiens 11