Physique appliquée à l exposition externe Dosimétrie et radioprotection

Physique appliquée à l exposition externe Dosimétrie et radioprotection

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Rodolphe Antoni, Laurent Bourgois Physique appliquée à l exposition externe Dosimétrie et radioprotection

Rodolphe Antoni CEA, DEN, CAD 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France Laurent Bourgois CEA, DAM, DIF 91297 Arpajon, France ISBN : 978-2-8178-0310-4 Springer Paris Berlin Heidelberg New York Springer-Verlag France, Paris, 2013 Springer-Verlag France est membre du groupe Springer Science + Business Media Cet ouvrage est soumis au copyright. Tous droits réservés, notamment la reproduction et la représentation la traduction, la réimpression, l exposé, la reproduction des illustrations et des tableaux, la transmission par voie d enregistrement sonore ou visuel, la reproduction par microfilm ou tout autre moyen ainsi que la conservation des banques de données. La loi française sur le copyright du 9 septembre 1965 dans la version en vigueur n autorise une reproduction intégrale ou partielle que dans certains cas, et en principe moyennant le paiement de droits. Toute représentation, reproduction, contrefaçon ou conservation dans une banque de données par quelque procédé que ce soit est sanctionnée par la loi pénale sur le copyright. L utilisation dans cet ouvrage de désignations, dénominations commerciales, marques de fabrique, etc. même sans spécification ne signifie pas que ces termes soient libres de la législation sur les marques de fabrique et la protection des marques et qu ils puissent être utilisés par chacun. La maison d édition décline toute responsabilité quant à l exactitude des indications de dosage et des modes d emploi. Dans chaque cas, il incombe à l usager de vérifier les informations données par comparaison à la littérature existante. Maquette de couverture : Jean-François de Montmarché Composition et mise en page : MZ Éditions, Le Mans Photo : F. Vigouroux/CEA

Sommaire Avant-propos... xiii 1 Grandeurs et unités fondamentales de la dosimétrie externe... 1 1.1 Grandeurs dosimétriques... 2 1.1.1 Dose absorbée totale et transfert linéique d énergie... 2 1.1.2 Grandeurs fondamentales de la microdosimétrie et définition de la dose absorbée... 5 1.1.3 Calcul du kerma pour les rayonnements indirectement ionisants... 11 1.2 Dommages biologiques et efficacité biologique relative (EBR)... 14 1.2.1 Radiolésions sur l ADN de la cellule... 14 1.2.2 Taux de mort cellulaire et EBR... 15 1.3 Grandeurs radiométriques... 19 1.3.1 Caractérisation d un champ de rayonnement... 19 1.3.2 Énergie radiante, flux de particules et émission d une source... 20 1.3.3 Application au spectre d émission de neutron d une source de 252 Cf... 23 1.3.4 Représentation des données relatives à une distribution en énergie dans un tableau... 24 1.3.5 Représentation graphique d une distribution en énergie... 25 1.3.6 Définition de la fluence et intérêt pour la dosimétrie et la radioprotection... 27 1.3.7 Calcul de la fluence induite par une source ponctuelle isotrope... 31 1.3.8 Calcul de la fluence induite par une source non ponctuelle... 33

vi Physique appliquée à l exposition externe : dosimétrie et radioprotection CI 1.1 Distribution en fréquence et en dose pour le calcul des spectres microdosimétriques... 35 CI 1.2 Calcul de la fluence d un disque... 40 Références... 42 2 Interaction des rayonnements ionisants dans les tissus : évaluation du kerma et de la dose absorbée... 43 2.1 Cas des électrons et des particules lourdes chargées (PLC)... 43 2.1.1 Caractéristiques physiques des électrons et PLC lors du transport dans la matière... 44 2.1.2 Pouvoir d arrêt massique des particules chargées... 49 2.1.3 Calcul de la dose absorbée pour les électrons dans les tissus... 51 2.1.4 Calcul de la dose dans les tissus pour les particules β... 57 2.1.5 Calcul de la dose dans les tissus pour les PLC... 60 2.1.6 Mesure de la dose absorbée pour les électrons et les rayonnements β... 62 2.2 Cas des photons... 65 2.2.1 L effet photoélectrique... 66 2.2.2 L effet Compton... 67 2.2.3 L effet de création de paire... 73 2.2.4 Section efficace macroscopique et transmission des photons dans les tissus... 74 2.2.5 Calcul du kerma pour les photons... 77 2.2.6 Relation entre la dose absorbée et le kerma pour les photons... 82 2.2.7 Évolution du kerma et de la dose absorbée au passage d un milieu léger à un autre... 85 2.2.8 Mesure du kerma dans l air et de la dose absorbée dans les tissus pour les photons... 89 2.3 Interaction des neutrons avec la matière et calcul du kerma de première collision... 99 2.3.1 Collision élastique (n,n)... 100 2.3.2 Diffusion inélastique (n,n')... 102 2.3.3 Capture radiative (n,γ)... 103 2.3.4 Captures de type (n,p) et (n,α)... 104 2.3.5 Sections efficaces microscopiques dans les constituants chimiques des tissus humains... 105 2.3.6 Calcul du kerma de première collision... 106 2.3.7 Calcul du kerma de multi-collision et dose absorbée moyenne... 110 2.3.8 Mesure de la fluence et des spectres de neutrons... 114

Sommaire vii CI 2.1 Particules chargées transfert d énergie à l électron de l atome cible... 123 CI 2.2 Calcul de la dose absorbée dans un milieu pour les électrons... 124 CI 2.3 Concept de section efficace microscopique et macroscopique... 126 CI 2.4 Expression de l énergie du photon diffusé en fonction de l énergie incidente... 128 CI 2.5 Expression de la section efficace différentielle en énergie de Klein et Nishina et de la section efficace Compton... 129 CI 2.6 Calcul du kerma dans un milieu pour les photons... 130 CI 2.7 Démonstration de la relation de Bragg-Gray... 132 CI 2.8 Démonstration de la relation de cavité large... 134 CI 2.9 Calcul de l énergie transférée au noyau de recul dans le cas d une diffusion inélastique sur le 12 C... 136 CI 2.10 Pourquoi un seuil en énergie pour une réaction à chaleur positive (Q > 0)?... 137 CI 2.11 Méthode de mesure des facteurs de kerma selon la méthode du rapport n 63 de l ICRU... 138 CI 2.12 Formules de Bethe-Block pour les PLC et Rohrlish-Carlson pour les électrons... 140 Références... 146 3 Grandeurs de protections, grandeurs opérationnelles et étalonnage... 149 3.1 Effets stochastiques... 150 3.2 Effets déterministes... 150 3.3 Les grandeurs de protections... 151 3.3.1 La dose absorbée à l organe... 151 3.3.2 Facteur de pondération pour le rayonnement w R et dose équivalente dans un organe ou un tissu... 151 3.3.3 Facteur de pondération pour les tissus, la dose efficace... 153 3.3.4 Quantification des risques pour les effets stochastiques... 155 3.3.5 Limites recommandées pour l exposition radiologique... 155 3.3.6 Calcul des grandeurs de protection... 157 3.4 Calcul de dose absorbée pour évaluation des risques déterministes... 168 3.4.1 Quantification des risques pour les effets déterministes... 168 3.4.2 Effets déterministes pour une irradiation aiguë de l organisme... 169 3.4.3 Effets déterministes pour une irradiation aiguë sur des organes et tissus particuliers... 169 3.4.4 Calcul de la dose absorbée dans le cas d une contamination au 18 F... 170

viii Physique appliquée à l exposition externe : dosimétrie et radioprotection 3.4.5 Calcul de la dose absorbée dans le cas d un faisceau de protons... 171 3.4.6 Calcul de la dose absorbée au moyen d un modèle complexe : fantôme voxélisé... 172 3.5 Les grandeurs opérationnelles... 174 3.5.1 Facteur de qualité et définition de l équivalent de dose... 175 3.5.2 Notion de champ expansé et unidirectionnel... 177 3.5.3 Grandeurs opérationnelles pour la surveillance en zone... 177 3.5.4 Grandeurs opérationnelles pour la surveillance individuelle... 181 3.5.5 Différence entre rayonnements fortement et faiblement pénétrants en terme de dosimétrie opérationnelle... 186 3.5.6 Facteur de conversion «grandeur physique de référence équivalent de dose»... 187 3.5.7 Facteurs de conversion pour les électrons... 195 3.6 Comparaison entre grandeurs opérationnelles et grandeurs de protection... 198 3.7 Étalonnage des appareils de radioprotection... 202 3.7.1 Définition des champs de référence... 202 3.7.2 Étalonnage des dosimètres de transfert dans les laboratoires primaires... 203 3.7.3 Opération de raccordement et passage à la grandeur opérationnelle dans un laboratoire secondaire... 205 3.7.4 Étalonnage au moyen d une source étalon dans un laboratoire secondaire... 208 3.7.5 Réponse des dosimètres d ambiance et individuel en énergie R(E), angulaire R(Ω) et en débit... 209 3.7.6 Spectres réalistes de neutrons pour l étalonnage... 221 3.8 Grandeurs opérationnelles pour les limites du zonage de radioprotection... 224 3.9 L évolution possible des grandeurs de protection... 225 Références... 230 Annexes... 233 4 Évaluation des sources de l exposition externe... 239 4.1 Cas des photons pour des raies discrètes... 239 4.2 Cas des neutrons... 242 4.2.1 Réactions nucléaires... 242 4.2.2 Cas des neutrons issus de la fusion... 244 4.2.3 Cas des sources (α,n)... 246 4.2.4 Cas des sources (γ,n)... 249

Sommaire ix 4.3 Cas de la fission... 251 4.3.1 Terme source issu des réactions de fission promptes... 251 4.3.2 Terme source issu des produits de fission... 255 4.4 Terme source neutrons des combustibles en refroidissement... 259 4.5 Cas des photons issus de réactions neutroniques... 262 4.5.1 Cas des photons produits par captures radiatives... 262 4.5.2 Cas des photons émis lors des diffusions inélastiques des neutrons... 262 4.6 Cas des électrons effet de cathode froide... 265 4.7 Cas des rayonnements issus du freinage des électrons... 266 4.7.1 Généralités... 266 4.7.2 Cas des générateurs de rayons X... 273 4.7.3 Cas des accélérateurs d électrons... 277 4.7.4 Équivalent de dose dû aux photoneutrons... 280 4.8 Cas des neutrons produits par des accélérateurs d ions... 287 4.8.1 Taux de production des neutrons par des ions légers... 287 4.8.2 Cas particulier des accélérateurs de deutons : effet de deutérisation... 289 4.8.3 Spectres des neutrons provoqués par des ions légers... 291 4.8.4 Équivalent de dose neutrons autour des accélérateurs d ions légers à faible énergie... 292 4.8.5 Équivalent de dose neutrons autour des accélérateurs de protons de haute énergie... 292 4.9 Terme source lié aux produits d activation... 294 4.9.1 Radionucléides formés par activation... 294 4.9.2 Calcul de l activité issue d une réaction donnée... 295 4.9.3 Problèmes de radioprotection liés à l activation... 297 4.10 Émission de rayonnements par des machines «exotiques»... 297 4.10.1 Klystrons... 298 4.10.2 Laser ultra haute intensité... 299 CI 4.1 Démonstration de l équation (4.8)... 302 Références... 303 Annexes... 307 5 Principes généraux de protection contre l exposition externe... 313 5.1 Définitions... 314

x Physique appliquée à l exposition externe : dosimétrie et radioprotection 5.2 Principes de protection... 315 5.2.1 Décroissance d une source et réduction du temps d exposition... 315 5.2.2 Variation du débit de dose avec la distance... 316 5.3 Protection par des écrans : cas des particules α et β... 317 5.3.1 Cas des particules α... 317 5.3.2 Cas des particules β... 318 5.4 Protection par des écrans : cas des photons... 319 5.4.1 Calcul du mur primaire : cas des faisceaux étroits ou canalisés... 319 5.4.2 Calcul du mur primaire : cas des faisceaux larges... 321 5.4.3 Calcul d un mur secondaire... 338 5.4.4 Calcul de chicane... 344 5.4.5 Effet de ciel dû aux photons... 348 5.5 Protection par des écrans : cas des neutrons... 349 5.5.1 Atténuation des neutrons épaisseurs dixièmes... 349 5.5.2 Courbes de transmission pour les neutrons... 351 5.5.3 Calcul d une chicane pour les neutrons... 354 5.5.4 Effet de ciel dû aux neutrons... 357 5.6 Protections radiologiques autour des accélérateurs d électrons... 358 5.7 Protections radiologiques autour des accélérateurs d ions... 361 5.7.1 Accélérateurs d ions de basse énergie... 361 5.7.2 Accélérateurs d ions de haute énergie... 362 5.8 Sureté des accélérateurs et des irradiateurs cas des zones intermittentes... 362 5.9 Conception des protections pour éviter les fuites de rayonnements... 364 5.10 Contrôle des blindages... 367 5.11 Production de gaz toxiques : ozone, oxyde d azote, dioxyde d azote... 367 5.11.1 Cas d un faisceau d électrons dans l air... 368 5.11.2 Cas d un faisceau de photons... 370 5.12 Codes de calcul dédiés aux calculs de protections radiologiques... 371 5.12.1 Codes d atténuation en ligne droite... 371 5.12.2 Autres codes de calcul... 374 Références... 375 Annexes... 377

Sommaire xi 6 Principe de la méthode Monte-Carlo appliquée aux calculs de dosimétrie et de radioprotection... 387 6.1 Principe de la méthode Monte-Carlo appliquée au transport de particules... 387 6.2 Générateur de nombres aléatoires sur un ordinateur... 389 6.3 Échantillonnage d une distribution discrète, application au choix du type de collision... 391 6.4 Échantillonnage d une distribution continue, application au calcul de l énergie d émission et de la direction d une particule diffusée... 392 6.4.1 Échantillonnage d une distribution continue par une approche multi-groupes... 393 6.4.2 Échantillonnage d une distribution continue au moyen d une fonction approchante... 395 6.4.3 Échantillonnage d une distribution continue par la méthode de réjection... 397 6.4.4 Échantillonnage d une distribution continue par méthode particulière, application à la détermination de la direction et l énergie de la particule diffusée... 400 6.5 Notion de poids statistique, transport analogique et implicite... 404 6.6 Définition de la géométrie... 406 6.7 Émission de la source... 408 6.8 Lieu de la collision... 413 6.9 Échantillonnage du noyau cible... 416 6.10 Échantillonnage sur le transport des particules chargées, cas particuliers des électrons... 417 6.10.1 Distribution de la dispersion en énergie pour le calcul de la perte d énergie par collision... 419 6.10.2 Production des photons de freinage et détermination de l énergie totale «effective» perdue lors de l étape... 421 6.10.3 Calcul de l angle «global» de déviation selon la théorie de la diffusion multiple... 423 6.10.4 Gestion de la dispersion en énergie dans la méthode de calcul numérique de l approche par étape... 424 6.11 Problématique liée à l interface entre cellule pour le calcul de la réponse d une chambre d ionisation... 426 6.11.1 Réponse et problématique liées à l utilisation du code de transport photon-électron EGS4... 426 6.11.2 Amélioration de la réponse avec l utilisation du code EGSnrc... 428

xii Physique appliquée à l exposition externe : dosimétrie et radioprotection 6.12 Estimateurs calculés... 429 6.12.1 Estimateur de la fluence... 429 6.12.2 Estimateur kerma pour les rayonnements indirectement ionisants... 436 6.12.3 Estimateur «dose-impulsion» pour les rayonnements indirectement ionisants et les particules chargées... 438 6.12.4 Estimateur dose pour les particules chargées... 439 6.13 Application à un code de calcul de type Monte-Carlo (MCNPX)... 440 6.13.1 Étude de l effet des deux algorithmes (transport défaut et ITS) sur le calcul de la dose absorbée dans un fantôme d eau, pour des électrons dans MCNP... 443 6.13.2 Comparaison des estimateurs kerma et «dose-impulsion» pour les photons dans le contexte du calcul de la dose efficace... 445 6.13.3 Profil de la dose pour des protons de 400 MeV dans un cylindre d eau, calculé avec le code MCNPX... 447 6.14 Résultat de l estimateur et erreur statistique associée... 448 6.14.1 Calcul de l erreur statistique associée... 448 6.14.2 Tests de fiabilité statistique... 450 6.14.3 Finalisation du résultat... 451 6.15 Différents types de codes Monte-Carlo utilisés en dosimétrie... 452 6.16 Niveaux de complexité du modèle dosimétrique... 453 6.17 Application des codes Monte-Carlo pour des calculs relatifs aux dosimètres... 454 6.18 Application des codes Monte-Carlo pour des calculs relatifs à la métrologie... 456 CI 6.1 Distribution de la dispersion en énergie de Landau pour le calcul de l énergie effective perdue lors d une étape... 459 CI 6.2 Approche de Goudsmit-Saunderson pour la théorie de la diffusion multiple... 461 Références... 463 Index... 465

Avant-propos Cet ouvrage a pour ambition de faire la synthèse de nombreuses années d'expériences dans le domaine de la dosimétrie externe et des techniques de protection contre ce type d'expositions, aussi bien dans les domaines industriel, de la recherche et du médical. Il rappelle les concepts physiques de base, aborde une large part de dosimétrie pour enfin proposer un certain nombre d'outils, aux professionnels et étudiants, ingénieurs et techniciens, pour évaluer les nuisances radiologiques, les moyens de s'en prémunir en particulier en calculant les blindages appropriés. Il est fondé, sur la théorie liée à l'interaction des rayonnements ionisants avec la matière, des formules empiriques, des abaques et illustré par de nombreuses applications numériques. En outre, il fait référence en permanence à l'état de l'art et notamment dans le domaine des codes de calcul pour l'exposition externe et d'un certain nombre de projets médicaux et de recherche récents. Par ailleurs, il compile des données dispersées dans de nombreux ouvrages de référence, dont certains sont difficilement disponibles. L'idée a germé chez les auteurs, très impliqués dans le domaine de la radioprotection qui ont constaté un manque en matière d'ouvrages d'usage pratique et suffisamment complet traitant de l'ensemble de la problématique de l'exposition externe aux rayonnements ionisants (photons, neutrons, particules chargées électrons, ions ). Cet ouvrage est dédié aux professionnels de la radioprotection, de la dosimétrie, de la mesure nucléaire mais permet également de compléter le cursus des étudiants de niveau technicien à ingénieur. Les auteurs sont des professionnels ayant acquis 10 et 20 ans d'expérience au CEA dans différents domaines de la radioprotection : accélérateurs, générateurs X, sources scellées, dosimétrie, calcul Monte-Carlo Ils enseignent également la dosimétrie et les techniques de protection contre l'exposition externe au BTS Radioprotection de Cadarache et au master 2 de radioprotection de Grenoble.

xiv Physique appliquée à l exposition externe : dosimétrie et radioprotection Cet ouvrage est articulé autour de deux niveaux de lecture : le premier abordable par l'ensemble des lecteurs pour lequel des concepts de physique élémentaire conduisant à la compréhension des phénomènes liés à l'exposition externe sont étayés par des applications numériques simples ; le second au travers de compléments d'informations (CI), accessibles en fin de chaque chapitre, détaillant des points plus complexes nécessitant le cas échéant des développements mathématiques non triviaux. Ce deuxième niveau de lecture, subsidiaire, reste cependant facultatif et s'adresse aux lecteurs soucieux d'approfondir certains aspects du domaine. Concernant l'agencement du contenu, le premier chapitre traite de la définition des grandeurs radiométriques et dosimétriques fondamentales, permettant d'aborder l'interaction rayonnement matière sous un angle dédié au dépôt de la dose dans les tissus biologiques au travers du second chapitre, pour enfin définir et appliquer les «grandeurs de protection et opérationnelles» liées à la radioprotection au sein d'un troisième chapitre. Un accent particulier a été porté, dans les deux chapitres suivants, quant à la définition des risques et contre-mesures associées (i.e. protections biologiques) inhérents aux sources de rayonnements usuelles : radionucléides, générateurs X, accélérateurs (électrons, ions) mais également pour des dispositifs «exotiques» dont certains sont liés à des domaines en expansion ou d'avenir : laser de puissance, accélérateurs pour un domaine d'énergies que l'on peut qualifier de moyennes (0 à 200 MeV). Un chapitre en fin d'ouvrage est entièrement consacré aux codes de calculs de transport de particules exploitant la méthode Monte-Carlo. Les principes généraux y sont explicités avec une orientation particulière vers l'estimation de grandeurs radiométriques et dosimétriques décrites dans les chapitres antérieurs. Cette partie est là encore jalonnée d'applications numériques permettant d'éclaircir certaines thématiques. Rappelons que les codes de calculs dont les algorithmes exploitent cette méthode, constituent aujourd'hui des outils de référence pour les calculs liés à la dosimétrie, la radioprotection et la radiophysique. Nous tenons à remercier pour leurs différents apports : Nicolas Comte, Laurent Ferreux, Gilles Barouch, Christian Passard, Murielle Nerbusson.