Détection Des Rayonnements - COURS Pr OUERIAGLI (PDF)

1 Pr. OUERIAGLI  Objectifs du cours: Expliquer le principe de la détection; Connaitre les constituants et les caractéristiques générales un détecteur; Enumérer les différents types de détecteurs; Comprendre leurs mécanismes de fonctionnement; Approcher les...

1 Pr. OUERIAGLI  Objectifs du cours: Expliquer le principe de la détection; Connaitre les constituants et les caractéristiques générales un détecteur; Enumérer les différents types de détecteurs; Comprendre leurs mécanismes de fonctionnement; Approcher les applications des différents détecteurs :  Plan I. INTRODUCTION: II. PRINCIPE DE LA DÉTECTION: III. CONSTITUTION D’UN DÉTECTEUR: IV. CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DÉTECTEURS : V. DÉTECTEURS DES RAYONNEMENTS IONISANTS: VI. CONCLUSION: I. INTRODUCTION: La détection des Rx ionisqnts repose sur l’exploitation des résultats de leurs interactions avec la matière; Un système de détection est constitué d’un milieu détecteur dans lequel l’interaction du rayonnement avec la matière donne lieu à l’apparition d’une information primaire recueillie (signal électrique, signal lumineux, élévation de la température…); Un ensemble de mesure traite le signal en l’amplifiant et en le mettant en forme pour procéder au comptage. I. INTRODUCTION: En médecine nucléaire on se sert de plusieurs détecteurs: Au laboratoire chaud: Activimètre; La gamma caméra; Détecteurs sur personnel (dosimètres); Dosages radio-immunologiques: le compteur gamma… II. PRINCIPE DE DÉTECTION: La détection d’un rayonnement ionisant repose sur la possibilité d’apprécier les interactions de ce rayonnement avec la matière. Un rayonnement, traversant un milieu matériel quelconque, lui cède toute ou une partie de son énergie. Cette énergie cédée produit dans le milieu un « effet ». Le principe de la détection est fondé sur l’apparition 6 et l’observation de cet effet III. CONSTITUTION D’UN DÉTECTEUR Un détecteur est souvent constitué des éléments suivants : Une sonde associée à une alimentation haute tension; Un système d’amplification; Un système de traitement de signal; Un système de visualisation qui fournit une donnée mesurant : un taux de comptage de particules (compteur), l’énergie des particules détectées (spectromètre), la dose absorbée (dosimètre) ou le 7 débit de dose absorbée (débitmètre). III. CONSTITUTION D’UN DÉTECTEUR Une sonde associée à une alimentation haute tension, au niveau de laquelle le rayonnement interagit avec la matière; Un système d’amplification: mise en forme et amplifie le signal transmis par la sonde; Un système de traitement de signal (discriminateur d’amplitude); Un système de visualisation 8 IV.CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES 1. L’efficacité de détection:  Selon que l’on considère comme référence le nombre de rayonnements émis par la source ou le nombre de rayonnements ayant pénétré le détecteur, on parle d’efficacité absolue (rendement) ou d’efficacité extrinsèque. 9 IV.CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES Nombre de particules détectées Efficacité absolue = Nombre de particules émise par la source Nombre de particules détectées Efficacité extrinsèque = Nombre de particules pénétrant le détecteur Le rendement dépend du type de détecteur, de la nature et de l’énergie des rayonnements, de la distance entre la 10 source et le détecteur et de la surface de la source. IV.CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES 2. Le temps mort : Temps minimum nécessaire pour détecter deux particules de façon séparée; Il dépend des caractéristiques du détecteur et de celles de l’électronique associée. Plus le temps mort est court, plus l’appareillage est apte à fonctionner avec des taux de comptage élevés 11 IV.CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES 3. Le mouvement propre: Il correspond au taux de comptage enregistré en l’absence de toute source de rayonnement. Il a pour origine :  Le bruit de fond naturel (radioactivité ambiante, rayonnements cosmiques);  La radioactivité propre des matériaux du détecteur;  Le bruit de l’électronique associé. 12 IV.CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES 4. La résolution en énergie: La résolution en énergie se définie comme la largeur relative à mi-hauteur de la réponse du détecteur, on la nomme Largeur à Mi-Hauteur. Elle caractérise la qualité du détecteur à séparer (résoudre) deux énergies proches. Nombre d’événements Largeur à Mi-Hauteur 13 Énergie III. Les détecteurs: A. Détecteurs à ionisation de gaz: B. Détecteurs à scintillation: C. Détecteurs semi-conducteurs: D. Emulsions photographiques: E. Détecteurs radio-thermo-luminuscents: F. Autres: 14 III. Les détecteurs: A. Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 1. Principe: l'ionisation: Formés d’une enceinte fermée contenant un gaz et deux électrodes (cathode et anode) entre lesquelles on applique une tension (différence de potentiel). 15 Schéma d’un détecteur à gaz III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 2.Régimes de fonctionnement: Le signal exploité est la collection d’électron; Ce « paquet d’électrons » appellé impulsion de charge, Amplitude qui dépend pour une particule donnée de la ddp appliquée entre les électrodes; Etude de l’amplitude de l’impulsion en fonction de la tension = 16 Régimes de fonctionnement : Région 1 :  Régime de recombinaison partielle;  ddp < 100V, les ions se recombinent totalement ou partiellement avant d’atteindre l’électrode, l’amplitude de l’impulsion est nulle ou faible. 17  Aucun détecteur ne fonctionne dans cette région. Région 2 : Régime d’ionisation primaire; 100-300V, la recombinaison est négligeable et tous les électrons sont collectés. Pour une particule donnée, l’amplitude de l’impulsion est constante et indépendante des la ddp, elle dépend de l’énergie 18 de la particule. Exemple: les chambres d’ionisation. Région 3 : 300-1000V, les ions créés par le rayonnement ionisant sont suffisamment accélérés par le champ électrique pour provoquer des ionisations secondaires s’ajoutant à l’ionisation primaire. Le nombre d’électrons collectés, N est proportionnel au nombre d’électrons primaires n: N=k.n (k: coefficient de multiplication gazeux, varie avec la tension appliquée entre les électrodes et peut atteindre des valeurs de 10⁵ à 10⁶, il est indépendant du nombre 19 d’ions primaires). Exemple : Compteurs proportionnels. Région 4 : Régime de semi-proportionnalité; 1000-1100V, k n’est plus indépendant de n; Il n’y’a plus de proportionnalité, aucun détecteur ne fonctionne dans 20 cette région. Région 5 : Régime de Geiger-Muller; A partir de 1100V, chaque ionisation primaire entraîne une avalanche d’ions secondaires et le nombre d’ions collectés devient indépendant du nombre d’ions primaires. Ionisation quasi-totale du gaz de l’enceinte et l’amplitude de l’impulsion est grande mais constante. 21 Exemple: les compteurs Geiger-Muller. Région 5 : Au dessus de 1400 à 1500 V, le détecteur devient instable du fait de décharges permanentes et donc inutilisable. 22 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 3- Caractéristiques et comparaison des Différents détecteurs: 23 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: a- La chambre d’ionisation: a.1.Principe:  Tous les électrons sont collectés, signal constant, indépendant de la tension, dépendant de la nature de la particule. 24 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: a- La chambre d’ionisation: a-2 Constitution:  Une chambre d’ionisation est constituée d’une enceinte contenant de l’air ou un gaz sous pression dans laquelle sont disposées des électrodes entre lesquelles est appliquée une différence de potentiel de 60 à 300 volts.  Une des deux électrodes correspond aux parois de l’enceinte, l’autre est centrale: aiguille ou cylindre. 25 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: a- La chambre d’ionisation: a-3 Exemples de chambres d’ionisation: a-3-1 Babyline: Utilisé en radioprotection; Détection des rayonnements x et γ d’une énergie comprise entre 8keV et 2MeV; Mesure du débit de dose absorbée de 5µGy/h à 100mGy/h; 26 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: a- La chambre d’ionisation: a-3 Exemples de chambres d’ionisation: a-3-1 Babyline: Epaisseur de la paroi de la chambre (7mg/cm²): évaluer le débit de dose au niveau de la couche basale de l’épiderme; Le débit de dose en profondeur et au niveau du cristallin: équipant l’appareil d’un capot en matériau équivalent-tissu d’une épaisseur de 300 mg/cm². 27 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: a- La chambre d’ionisation: a-3 Exemples de chambres d’ionisation: a-3-1 Activimètre: L’activimètre est utilisé pour la mesure de l’activité de sources radioactives liquides de volumes variables contenues dans des flacons ou des seringues. 28  III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: a- La chambre d’ionisation: a-3 Exemples de chambres d’ionisation: a-3-1 Acritivimètre: Un activimètre est constitué des éléments suivants:  Une chambre d’ionisation à puits;  Une alimentation haute tension stabilisé;  Un électromètre pour la mesure de l’intensité du courant d’ionisation;  Un électronique de calcul de l’activité;  Un dispositif d’affichage; 29 III. Les détecteurs: A.Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: b- Les compteurs proportionnels:  Différents types de compteurs proportionnels sont utilisés : compteur cylindrique, compteur étanche ou à circulation de gaz.  Détection des X et γ de faible énergie, des alpha et bêta provenant d’une contamination.  Ils permettent la spectrométrie, grâce à la discrimination en amplitude des impulsions recueillies. 30 III. Les détecteurs: A. Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: c- Les compteurs Geiger-Muller: a.1.Principe:  A partir de 1100-1300 volts, chaque ionisation primaire entraîne des avalanches de d’ions multipliés en chaîne.  L’amplitude de l’impulsion est grande mais reste la même pour une ddp donnée.  Le signal est indépendant de l’énergie de la particule.  Le compteur G-M ne permet que de compter le passage d’un certain nombre de particules par unité de temps (dénombrement) 31 sans en connaître la nature et l’énergie. III. Les détecteurs: A. Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: c- Les compteurs Geiger-Muller: a.2 Constitution: Il est schématiquement constitué d’une coque métallique ou en verre (cathode) et un fil central (anode) porté à une haute tension positive (entre 1000 et 3000 volts). La coque est remplie d’un gaz rare (argon ou hélium). 32 III. Les détecteurs: A. Détecteurs mettant en jeu l’ionisation de gaz: 4.Applications: c- Les compteurs Geiger-Muller: a.3 Utilisation:  Les compteurs G-M sont adaptés à des mesures d’ambiance comme appareil d’alerte à seuil réglable pour un type particulier de rayonnement ionisant (contrôle des mains ou de la paillasse pour déceler une éventuelle contamination après une manipulation). 33 III. Les détecteurs: B. Détecteurs à scintillation: 1. Principe: Les détecteurs à scintillation: appareils mettant en jeu l’excitation des matériau; Propriété de certaines substances d’émettre de la lumière visible ou des UV lorsqu’elles sont soumises à des radiations ionisantes. Il existe une proportionnalité entre l’énergie déposée dans le scintillateur et l’intensité du signal lumineux. 34 III. Les détecteurs: B. Détecteurs à scintillation: 2. Constitution: Un scintillateur: adapté au type de rayonnement à détecter; Un photomultiplicateur: transforme le signal lumineux en un signal électrique; Une électronique associé: traitement et affichage de l’information Schéma d’un détecteur 35 à scintillation III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 2. Constitution: a- Le cristal scintillateur : a.1. Scintillateurs mineraux inorganiques: Types:  Iodure de sodium (NaI) (utilisé dans les gamma-caméras conventionnels);  Iodure de potassium (KI)  Iodure de césium; Iodure de lithium  Sulfure de Zinc (ZnS). 36 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 2. Constitution: a- Le cristal scintillateur : a.1. Scintillateurs mineraux inorganiques: Avantage : bon pouvoir d’arrêt pour les photons X et γ d’énergie usuelle allant de 80 keV à 400 keV. Inconvénients:  Encapsulage le protégeant de la lumière, la vapeur d’eau et de l’humidité.  Sensibilité aux variations de température. 37 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 2. Constitution: a- Le cristal scintillateur : a.2. Scintillateurs organiques: Scintillateurs plastiques:  Monocristaux d’anthracène, de stilbène et de naphtalène;  Composés organiques fluorescents incorporés dans une matière plastique;  Employés pour la détection β. Scintillateurs liquides:  Dilués dans un solvant approprié; 38  Détection des rayonnements β de faible énergie. III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 2. Constitution: b- Le photomultiplicateur :  Photocathode;  Dynodes;  Anode. c- Electronique associée:  Alimentation haute tension;  Préamplificateur;  Amplificateur; 39  Sélecteur d’amplitude monocanal. III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 3.Fonctionnement d’un détecteur à scintillation: Schéma simplifié de la chaîne de fonctionnement d’un détecteur à scintillation 40 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 3.Fonctionnement d’un détecteur à scintillation: a- Le cristal scintillateur: 41 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 3.Fonctionnement d’un détecteur à scintillation: b- le photomultiplicateur : 42 Schéma d’un photomultiplicateur III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 3.Fonctionnement d’un détecteur à scintillation: b- le photomultiplicateur : Photocathode: Transforme les photons lumineux issus du scintillateur en électrons. Dynodes: Chaque dynode émet 2 à 3 électrons secondaires par électron reçu : il y a donc multiplication du nombre d'électrons primaires émis par la photocathode. Anode: Recueille les électrons provenant de la dernière dynode. Le signal électrique est alors transformé en impulsion de tension, dont l'amplitude est proportionnelle à la quantité d'électricité reçue par l'anode (donc à l'énergie du rayonnement). 43 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4.Fonctionnement d’un détecteur à scintillation: c- Transformation du signal : Préamplificateur (P.A.): Met en forme les impulsions électriques délivrées par le P.M. Amplificateur (A.): Amplifie de façon proportionnelle le courant en provenance du PA. 44 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4.Fonctionnement d’un détecteur à scintillation: d- Mesures et comptages : Spectrométrie: l’amplitude des impulsions est proportionnelle à l’énergie déposée par la particule dans le détecteur. Le rôle du spectromètre est donc de sélectionner les impulsions selon leur amplitude (en imposant des seuils inférieur et supérieur), ce qui revient à sélectionner les rayonnements selon leurs énergies. Compteur: Compte les impulsions, de façon mécanique ou électronique. 45 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: a- Scintigraphe à balayage: Appareil qui illustre les débuts de la médecine nucléaire, il servait pour la scintigraphie thyroïdienne et possédait un compteur qui se déplaçait lentement au-dessus du patient. 46 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: a- Scintigraphe à balayage: Il comprend :  Une sonde à scintillation mobile entourée d’un blindage en plomb;  Un collimateur;  Une électronique de détection.  Un dispositif inscripteur sur papier. 47 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: a- Gamma camera type Anger: Images de distribution du radiotraceur dans l’organisme du patient. Il est constitué d’un ou plusieurs détecteurs ayant la possibilité de s’éloigner ou de s’approcher du patient, de tourner autour de lui. Il permet de faire :  Des images planaires;  Des balayages du corps entier;  Des acquisitions dynamiques;  Des acquisitions tomographiques grâce à sa possibilité d’enregistrer des images tout en tournant autour du patient. 48 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: a- Gamma camera type Anger: La chaîne de détection en scintigraphie est dans l’ordre:  Collimateur qui sélectionne la direction des photons;  Cristal INa activé au Thallium;  Guide de lumière permettant l’éclairage des PM;  PM: détecte l’impulsion lumineuse et la transforme en impulsion électrique;  Amplificateur;  Circuit de positionnement. 49 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: b- Tomographie d’émission mono-photonique ou TEMP: Dérivée de la caméra à scintillation. Elle donne des images de coupe par combinaison des vues élémentaires prises sous différentes incidences par rotation de la tête de détection autour de la région explorée. L’enregistrement des données tomographiques et la reconstruction de l’image sont effectuées par un calculateur selon des algorithmes voisins de ceux utilisés en TDM. La TEMP peut être couplée à un scanner pour le repérage 50 anatomique: TEMP-TDM ou SPECT-CT.  III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: c- Tomographie d’émission par émission de positon ou TEP: Technique permettant l’étude de la distribution de radiotraceurs émetteurs de positrons dans l’organisme. Application combinée des principes de la tomographie d’émission et des principes de détection en coïncidence des émetteurs de positrons. 51 III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: d- les sondes de détection per opératoires: Propriétés: Fonctionnement à température ambiante; Insensible aux perturbations électromagnétiques Adaptation en fonction de l’énergie du radionucléide; Détecteur au contact du foyer fixant; Possibilité de diriger la sonde suivant l’incidence qui fournit le taux de comptage le plus élevé. Exemple d’application: Repérage du ganglion sentinelle lors de la chirurgie des cancers du sein, des mélanomes… 52 Détection des ostéomes ostéoïdes. III. Les détecteurs: B.Détecteurs à scintillation: 4. Applications: e- Compteurs Gammas: Même principe de fonctionnement que les autres détecteurs à scintillation. Compteur à cristal puits, utilisé pour déterminer in vitro l’activité des radioéléments émetteur γ. Comporte:  un cristal à scintillation en forme de puits;  un PM;  une électronique associé. Il est utilisé en dosages radioimmunologiques. 53  III. Les détecteurs: C. Détecteurs semi-conducteur: 1.Constitution: Développement plus récent que les précédents. Leurs qualités et notamment leur bonne résolution en énergie leur ont permis de supplanter les détecteurs à scintillation et à gaz dans de nombreuses applications. Les détecteurs classiquement utilisés sont les détecteurs Silicium-Lithium (Si-Li), Germanium-Lithium (Ge-Li) et 54 Tellure de Cadmium (Te-Cd). Ils sont constitués par l’association de deux semi-conducteurs n et p placés entre deux électrodes et polarisés de façon inverse par l’intermédiaire d’une source de tension continue qui créé un champ électrique au niveau de la jonction p-n. III. Les détecteurs: C. Détecteurs semi-conducteur: 2.Principe: Le phénomène = ionisation. Assimilés à des chambres d’ionisation, mais la chambre ici est solide, faite d’un cristal qui constitue le lieu d’ionisation. Chaque ionisation créée par un rayonnement libère un électron et un ion positif (nommé « trou »). 56 III. Les détecteurs: C. Détecteurs semi-conducteurs: 3.Avantages: Sous l’effet d’un champ électrique généré par une différence de potentiel appliquée entre deux des faces du semi-conducteur, les électrons sont collectés, tout en faisant migrer les trous correspondants de proche en proche, ce qui permet de recueillir une impulsion électrique. Efficacité de détection supérieure à celle des chambres d’ionisation. Une résolution en énergie excellente par rapport aux détecteurs à scintillation. 57 III. Les détecteurs: D. Emulsions photographiques: 1.Principe: En 1896 Henri Becquerel a découvert la radioactivité naturelle en constatant le noircissement de plaques photographiques stockés au voisinage d’un sel d’uranium. L'absorption des rayonnements ionisantes dans l'émulsion photographique (cristaux d’Ag+Br- dans une gélatine) met en mouvement des électrons secondaires qui ionisent et excitent les atomes du milieu. L’opération de développement : augmenter considérablement le nombre des atomes d’argent jusqu’à former des grains métalliques. L’ensemble de ces derniers forme le noircissement de l’émulsion. 58 Cette ionisation provoquera la réduction des ions argent en argent métallique (Ag+ + e- → Ag·). Le développement va ainsi révéler la présence d’agrégats plus gros d’argent métallique responsable de l’image latente.  III. Les détecteurs: D. Emulsions photographiques: 2. Fonctionnement: La densité optique mesure le noircissement de l’émulsion photographique. Elle peut être reliée à la dose absorbée grâce: courbe d’étalonnage réalisée à l’aide de sources radioactives connues, permettant ainsi une mesure quantitative. La sensibilité des émulsions photographiques est élevée pour les faibles énergies, les plaques photographiques permettent de mettre en évidence surtout les photons X et γ. 60 III. Les détecteurs: D. Emulsions photographiques: 3. Applications: Dosimètre photographique: Le dosimètre le plus répandu. Fait d’émulsions photographiques placées dans un boîtier ou un sachet scellé et protégé par des écrans. Après développement, la mesure des densités optiques des émulsions et la comparaison avec les films étalonnés permettent d’obtenir la dose d’exposition externe. 61 III. Les détecteurs: E. Détecteurs radio-thermo-luminescents : Mesure des défauts de structure créés par le passage de radiations ionisantes dans un réseau cristallin. Le chauffage de ce réseau fait disparaitre les défauts créés avec émission de photons lumineux. La quantité de lumière émise par le cristal est proportionnelle à la dose absorbée par celui-ci. Les détecteurs les plus utilisés sont à base de fluorure de lithium (Fli) ou de calcium (F2Ca). Application: dosimètres thermoluminescents: porté au niveau des extrémités. 62 III. Les détecteurs: E. Autres détecteurs : 1.Détecteurs chimiques:  Nouveaux composés dont la quantité est liée à l’énergie absorbée.  Ce sont des détecteurs peu sensibles donc utilisables pour de fortes doses absorbées. 2. Détecteurs solides de traces:  Formés de matériel solide (mica, plastique …). Une fois ce matériel ionisé, les traces latentes seront révélées par un solvant.  Détection des particules chargées lourdes. 3- Méthodes calorimétriques:  Libération d'énergie, donc de chaleur (en faible quantité).  L’absorption d’un faisceau de photon dans un bloc de plomb isolé thermiquement permet la mesure de l’élévation de la température de celui-ci et de calculer la dose absorbée. 63  Application: Étalonnages des dosimètres usuels.  VII. Conclusion: Il existe une grande de variété de détecteurs de rayonnements ionisants conçus pour les applications médicales à visée diagnostique. La connaissance des principes physiques de fonctionnement de ces détecteurs est essentielle pour la réalisation et le perfectionnement d’appareils de plus en plus performants. Un dispositif de détection doit être entretenu, vérifié régulièrement et étalonné. La performance des différents détecteurs utilisés en médecine nucléaire dépend de la régularité des contrôles de qualité. 64 Je vous remercie