I) Radiations ionisantes

Cours de radioprotection – Fondation PRORAME – 2014 - RÉSUMÉS - SCOPIE - 02.14
I) Radiations ionisantes
Le but de cette première leçon est de rappeler quelques notions de base, telles que la
constitution de la matière et la notion d'énergie. Les mécanismes d'émission de radiations par
l'atome ou le noyau, seront brièvement abordés. Suivra une description de l'onde
électromagnétique, de ses propriétés et de ses diverses "formes" dont le rayonnement X. Les
diverses sources de radiations (naturelles et artificielles) seront aussi décrites. Quelques
notions de base de la description des radiations clôtureront ce chapitre, à savoir la manière de
quantifier le rayonnement, la notion de spectre énergétique et la variation de l'intensité du
rayonnement en fonction de la distance à la source.
1. Constitution de la matière et notions d'énergie (rappel)
Quelles sont les particules qui composent la matière et comment sont-elles organisées ?
La matière est composée d'électrons, de protons et de neutrons. Les électrons forment le
nuage électronique. Les protons et les neutrons forment le noyau de l'atome
Quelles sont leur masse, leur charge, leur dimension ?
Les masses du proton et du neutron sont à peu près égales ; elles sont 1800 fois plus grandes
que celle de l'électron. La charge du proton est positive et celle de l'électron est négative ; cette
charge est appelée charge élémentaire : "e". La dimension du noyau est de l'ordre du
femtomètre (= 10-15) et celle de l'atome du dixième de nanomètre (= 10-10).
Comment nomme-t-on les atomes ?
Les atomes sont nommés selon le nombre de protons contenus dans leur noyau. Ce nombre
est appelé le "numéro atomique". Le symbole du numéro atomique est "Z".
Le nombre de protons et de neutrons contenus dans le noyau est appelé le "nombre de masse".
Le symbole du nombre de masse est "A".
On désigne un atome en donnant son nom et son nombre de masse (exemple : 6 protons =
carbone ; 13C ; carbone -13 (contenu du noyau : 6 protons et 7 neutrons)).
Qu'est-ce que l'énergie et quelles sont ses unités ?
L'unité de l'énergie dans le système international est le joule (J) ; on utilise en radiologie
l'électronvolt (eV) : 1 eV = 1,6.10-19 J ; c'est l'énergie acquise par un électron soumis à une
différence de potentiel de 1 V.
Quelles sont les différentes formes d'énergie ?
Il existe de nombreuses formes d'énergie : mécanique, électrique, cinétique, potentielle,
thermique, de masse (E = mc2).
Qu'est-ce que l'énergie de liaison et combien vaut-elle pour les électrons dans l'atome et
pour les nucléons dans le noyau ?
L'énergie de liaison dépend de la force qui lie les particules entre elles. Elle est de l'ordre de:
• 10 eV pour un électron de valence (électrons de la couche externe de l'atome),
• de 10 MeV pour un nucléon (protons et neutrons).
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Il faut des énergies très importantes (de l'ordre du méga-électron.volt - 1'000'000 eV ou MeV ou
106 eV) pour modifier la structure d'un noyau (et le rendre par exemple radioactif). En revanche,
une énergie de seulement 10 eV est suffisante pour arracher un électron qui se trouve à la
périphérie du cortège électronique.
2. Désexcitation, désintégration et radiations ionisantes
Comment le cortège électronique se débarrasse-t-il d'un surplus d'énergie ? (passage
d'un niveau d'énergie élevé - "état excité" - au niveau d'énergie le plus bas possible -
"état fondamental")
Les électrons éliminent leur surplus d'énergie en émettant des ondes électromagnétiques
(photons X - encore appelés rayons X, ou photons lumineux).
On notera que lorsque qu'il manque un électron sur une couche profonde du cortège
électronique l'atome se trouve dans un état excite.
Qu'est-ce qu'une radiation ionisante ?
Les radiations sont dites ionisantes lorsqu'elles sont capables, lors de leur passage à travers la
matière, d'arracher un électron à un atome (ionisation).
Ceci peut se faire en une seule étape (on parle alors de radiations directement ionisantes) ou
nécessiter deux étapes (on parle alors de radiations non directement ionisantes). Les particules
chargées sont directement ionisantes alors que les rayons X sont des radiations non
directement ionisantes. Ils mettent des électrons en mouvement dans la matière et ce sont ces
électrons qui déposent l'énergie dans le milieu.
3. Description de l'onde électromagnétique et notion de spectre
Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique et comment se comporte-t-elle ?
L'onde électromagnétique est une oscillation d'un champ électrique et magnétique. Sa masse et
sa charge sont nulles. L'onde électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière et
transporte de l'énergie.
Quelles relations existe-t-il entre la longueur d'onde, la fréquence et l'énergie transportée
par l'onde électromagnétique ?
La vitesse de l'onde électromagnétique dans le vide ("c") est constante et vaut 300'000 km/s. Il
existe une relation simple entre l'énergie (E), la fréquence (ν) et longueur d'onde (λ) d'une onde
électromagnétique.
Quels sont les différents domaines des ondes électromagnétiques ?
Les ondes électromagnétiques sont classées en trois domaines:
Les ondes radio : elles sont de faible fréquence et comprennent les différentes ondes radio et
les ondes millimétriques. Ce sont des radiations non ionisantes. Elles sont utilisées par exemple
en imagerie par résonance magnétique (énergie < 0,01 eV).
Les ondes optiques : leur longueur d'onde est située dans le domaine du micromètre ; elles
comprennent les infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet. Ce sont aussi des
radiations non ionisantes dans le domaine de l'infrarouge ou du visible, mais elles peuvent être
ionisantes dans le domaine des UV (énergie comprise entre 0,01 et 10 eV)
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Les radiations ionisantes : leur énergie est bien supérieure à 10 eV ; elles comprennent les
rayons X et sont, sans aucun doute, ionisantes.
Comment tient-on compte du fait que, dans le rayonnement, les radiations n'ont pas
toutes la même énergie ?
La distribution de l'énergie des rayons X constitue ce que l'on appelle le "spectre énergétique".
Ce spectre peut être discret (par exemple un faisceau où tous les rayons X ont la même
énergie) ou continu.
4. Sources de radiations ionisantes
Quelles sont les sources naturelles de radiations ionisantes ?
On distingue, parmi les sources naturelles de radiations, le rayonnement cosmique et le
rayonnement terrestre.
Quelles sont les sources artificielles de radiations ionisantes ?
On distingue, parmi les sources artificielles de radiations, les tubes à rayons X, les
accélérateurs, les réacteurs et les sources radioactives.
5. Quantité de radiations
Comment quantifier un champ de radiations (ou définir la quantité de rayonnement en un
point) ?
La quantité de rayonnement en un point est caractérisée par la fluence (par exemple le nombre
de rayons X par unité de surface ; m-2).
6. Loi du carré de la distance
Comment le rayonnement diminue-t-il quand on s'éloigne d'une source ?
Dans le cas d'une source ponctuelle, le rayonnement diminue avec le carré de la distance à la
source. Ainsi, si on double sa distance par rapport à une source, le rayonnement diminue d'un
facteur 4.
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II) Interaction de la radiation avec la matière et dosimétrie
Le but de cette deuxième leçon est de décrire comment les radiations interagissent avec la
matière. Les interactions dépendent fondamentalement si la particule est chargée ou non.
Pour ce cours, on se limitera à décrire les interactions des électrons et des rayons X avec la
matière. Ces chapitres permettent de comprendre comment on peut produire des rayons X et
aussi comment l'énergie est déposée dans le tissu lors d'un examen radiologique.
1. Mécanismes d'interactions
Comment un faisceau d'électrons (rayonnement directement ionisant) interagit-il avec la
matière et quel est le résultat de ces interactions sur le trajet des électrons dans la
matière ?
L'interaction des électrons dans la matière est caractérisée par beaucoup de petites interactions
avec les atomes du milieu que traverse le faisceau d'électrons. Ceci conduit à un freinage
continu des électrons avec un parcours fini dans la matière.
Comment les rayons X (rayonnement non directement ionisant) interagissent-ils avec la
matière et quel est le résultat de ces interactions dans la matière?
L'interaction des rayons X est caractérisée par de longs parcours sans interaction, par des
modifications majeures d'énergie et de direction lors des interactions qui sont aléatoires. Ceci
conduit à une atténuation exponentielle.
2. Interaction d'un faisceau d’électrons avec la matière
Concrètement que fait un faisceau d'électrons lorsqu'il traverse la matière ?
La perte d'énergie d'un faisceau d'électrons dans la matière produit des phénomènes
d'excitations et d'ionisations. Du rayonnement de fluorescence peut être produit à la suite du
mécanisme d'ionisation.
Lorsque le faisceau d'électrons interagit avec un matériau de numéro atomique (Z) élevé, il y a
aussi production de rayonnement de freinage. C'est ce mécanisme qui est utilisé pour produire
des rayons X en radiologie.
Comment l'énergie est-elle déposée ?
Les électrons sont freinés dans la matière de manière continue puis finalement arrêtés.
Dans le tube à rayons X le freinage des électrons sera associé à un chauffage important des
éléments du tube à rayons X, et bien sûr, à la production de rayons X. Ces rayons X vont
ensuite intéragir dans le patient en ionisant le tissu (mise en mouvement des électrons des
atomes du tissu). Le parcours de ces électrons sera très court (de l'ordre du dixième de mm).
3. Action des rayons X sur la matière
Comment les rayons X sont-ils atténués dans la matière ?
Pour décrire l'atténuation des rayons X on utilise le coefficient d'atténuation linéique, μ (cm-1) ;
qui correspond à la fraction du rayonnement qui subit une interaction par unité d'épaisseur de
matière traversée. Plus ce coefficient est élevé plus l'atténuation est rapide.
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Quels sont les mécanismes principaux d'interaction des rayons X avec la matière ?
Aux énergies du radiodiagnostic, les mécanismes d'interaction des rayons X sont les suivants :
• l'effet photoélectrique : absorption du photon par un électron atomique.
• la diffusion Compton : diffusion inélastique du photon par un électron atomique.
• la diffusion Thompson-Rayleigh : diffusion élastique du photon.
4. Action des rayons X en radiodiagnostic
Comment varie la probabilité de l'effet photoélectrique avec le numéro atomique du
milieu et avec l'énergie de la radiation ?
L'effet photoélectrique correspond à l'absorption d'un rayon X avec transfert de son énergie à
un électron situé sur une couche profonde du cortège électronique d'un atome. Il est important
pour les matériaux de numéro atomique (Z) élevé et pour les basses énergies. C'est le
mécanisme prépondérant des rayons X dans le tissu osseux.
Comment varie la probabilité de la diffusion Compton avec le numéro atomique du milieu
et avec l'énergie de la radiation ?
L'effet Compton est une diffusion inélastique d'un rayon X sur un électron du cortège
électronique d'un atome. Cet effet est relativement indépendant du numéro atomique (Z) du
matériau et de l'énergie du rayon X incident pour les énergies utilisées en radiologie. C'est le
mécanisme prépondérant des rayons X avec le tissu mou.
Comment varie la probabilité de la diffusion de Thompson-Rayleigh avec le numéro
atomique du milieu et avec l'énergie de la radiation ?
La diffusion Thompson-Rayleigh est une diffusion élastique d'un rayon X incident. Elle est
importante pour les matériaux de haut numéro atomique (Z) et pour les basses énergies des
rayons X. Elle ne joue toutefois jamais un rôle prépondérant en radiologie. Il n'y a pas de dépôt
d'énergie au sein du tissu puisque c'est un mécanisme de diffusion élastique.
5. Atténuation du rayonnement X
Quel est le résultat global des interactions sur le faisceau de rayons X ?
L'atténuation des rayons X est exponentielle. La transmission est égale à e-μx.
La couche de demi-atténuation (CDA) est inversement proportionnelle à μ (CDA = ln 2 / μ)
Comment varie le coefficient d'atténuation avec l'énergie de la radiation, le numéro
atomique et la densité du matériau ?
Le coefficient d'atténuation (μ), qui prend en compte l'ensemble des interactions, dépend de
l'énergie (E) des rayons X, du numéro atomique (Z) et de la densité (ρ) du milieu : μ(E, Z, ρ). Il
est élevé aux basses énergies et pour les matériaux de Z élevé.
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