FICHE RP CHAP 3

Interaction : Interactions directement ionisante : Particules chargées (BETA,ALPHA,PROTON) Le transport de l'énergie de la radiation vers la matière nécessite que les particules non chargées interagissent pour libérer une particule chargée. C'...

Interaction : Interactions directement ionisante : Particules chargées (BETA,ALPHA,PROTON) Le transport de l'énergie de la radiation vers la matière nécessite que les particules non chargées interagissent pour libérer une particule chargée. C'est cette particule chargée qui pourra ensuite générer de la chaleur ou provoquer des modifications chimiques dans la matière. Bien que ce processus soit souvent simplifié, en réalité, il implique des boucles complexes et des interactions multiples avant d'aboutir à un dépôt de chaleur ou à une transformation chimique. 1 Il y a plusieurs transfert d'énergie possible ; - Effet thermique. - Excitations. - Ionisations. Tout ça avec soit ; ° Les électrons : - Choc “frontal” (rare). - Choc “à distance”. °Les noyaux : - Choc “frontal” (rare). - Choc “à distance”. - Rayonnement de freinage (RX)0. Transfert d'énergie avec les électrons du milieu : Lors du passage d'une particule chargée à proximité d'un électron, une interaction coulombienne se produit. Cette force (attractive ou répulsive) transmet une impulsion à l'électron cible. Pendant cette interaction, une partie de l'énergie de la particule incidente, notée, est transférée à l'électron cible sous forme d'énergie. 2 On peut savoir grâce à la courbe des atomes quelle est l'énergie de la particule. On parle ici d'irradiation externe : Une activité alpha absorbée (ingestion, respiration..) = problème autre... et sérieux !! Irradiation interne : 1°) Un noyau instable se fixe dans l'organisme. 2°) La particule est émise. 3°) Tout au long de son parcours, donc in situ, elle provoque des dégâts, selon son TEL (Transfert d'Énergie Linéique). Exemple "alpha": Attaque externe : protection aisée. Attaque interne : "Toxicité" élevée, en général. 3 Pouvoir de ralentissement : S = Delta E/Delta x - A vitesse égale, toutes les particules portant une seule charge, ont le même pouvoir de ralentissement. - 2 particules de même énergie mais de masses et donc de vitesses différentes ont des pouvoirs de ralentissements différents. TEL : Quantité d'énergie transférée au milieu par la particule incidente par unité de longueur de trajectoire (en keV “NU”m-1). Pour une particule de vitesse faible par rapport à celle de la lumière : TEL = k q2 / v²nZ avec - q la charge - v la vitesse - Z le numéro atomique - n le nombre d'atome / unité de volume Le bêta vient du noyau mais une fois qu'il sort du noyau, on ne sait plus le distinguer des électrons car la machine ne sait pas faire la différence entre les 2. Cependant, les électrons viennent quant à eux du nuage électronique. La particule Vx change de direction donc elle émet une certaine radiation donc une certaine énergie. L’eau a un poids atomique avec quelques neutrons donc les neutrons réagissent très bien avec l'eau. Donc, il faut des atomes tout petits, léger comme l'eau pour pouvoir se protéger des neutrons. 4 Interactions directement ionisants (photons, n) > 13,4 eV : Neutrons : Photons : E1 = -13,4 eV 5 Il y a plusieurs atténuation du aux interactions des rayonnements RX avec la matière : L’effet photoélectrique. Moins l'énergie est importante, plus il y aura beaucoup d'effet photoélectrique. Lors de l'effet photoélectrique, un photon d'énergie transfère toute son énergie à un électron atomique. Ce photon est alors absorbé, et l'électron, appelé photoélectron, est éjecté de l'atome avec une énergie cinétique T. Cette énergie cinétique correspond à l'énergie du photon incident hv diminuée de l'énergie de liaison E, nécessaire pour libérer l'électron du noyau. La conservation de l'énergie s'exprime par : L'énergie de recul de l'atome est négligeable en raison de sa masse bien supérieure à celle de l'électron. Cependant, pour respecter la conservation de la quantité de mouvement, l'électron doit être initialement lié à l'atome. Détection/Protection : Des matériaux à numéro atomique élevé (Z) sont utilisés pour maximiser l'effet photoélectrique. 6 Pour qu'un effet photoélectrique se produise, l'énergie du photon incident (hv) doit être supérieure ou égale à l'énergie de liaison (E) de l'électron concerné. La probabilité d'interaction est maximale lorsque hv est égal à E. Si l'énergie hv augmente, cette probabilité diminue proportionnellement à (hv)-3. Un photon de faible énergie interagit uniquement avec les électrons des couches périphériques, moins fortement liés. En revanche, des photons d'énergie plus élevée peuvent interagir avec les électrons des couches internes. Cette transition ne se fait pas de manière continue : la probabilité d'interaction augmente brusquement lorsque hv atteint une valeur proche de l'énergie de liaison (E) d'une couche électronique donnée. Pour les électrons de la couche la plus profonde (K), plus de 80 % des interactions se produisent avec eux lorsque ces électrons deviennent accessibles. La relation entre l'énergie de liaison de la couche K et le numéro atomique (Z) montre qu’un matériau comme le gadolinium (Z = 64) est bien adapté pour absorber ces photons, d'où son utilisation dans les écrans renforçateurs. Effet du numéro atomique : La probabilité de l'effet photoélectrique augmente fortement avec le numéro atomique (Z), suivant une variation proportionnelle à Z4. C'est pourquoi des matériaux à haut Z, comme le plomb, sont utilisés pour absorber efficacement les photons, notamment ceux de basse énergie. Direction d'émission du photoélectron : La direction d'émission du photoélectron dépend de l'énergie du photon incident. Plus cette énergie est élevée, plus le photoélectron est émis dans la direction du photon. Par exemple, des photoélectrons de 20 keV sont majoritairement émis à un angle de 70°, tandis que ceux de 500 keV ont une probabilité maximale d'émission à 25°. Rayonnement caractéristique : Lorsqu'un photoélectron est éjecté, une vacance se crée dans une couche électronique. Cette vacance peut être comblée par un électron provenant d'une couche supérieure, libérant un photon appelé rayon X de fluorescence. L'énergie de ce rayonnement dépend des énergies de liaison de l'atome, d'où son nom de rayonnement caractéristique. La probabilité d'émission de ce rayonnement augmente avec le numéro atomique (Z). Pour les matériaux à faible Z, ce phénomène est rare et produit surtout un rayonnement de basse énergie, rapidement absorbé dans la matière. Électrons Auger : Dans certains cas, l'énergie libérée lors de la transition électronique ne se traduit pas par un rayonnement, mais par l'éjection d'un autre électron, appelé électron Auger. Cela provoque une ionisation supplémentaire. Ce phénomène peut se produire lors de transitions vers des couches électroniques profondes. 7 Importance de l'effet photoélectrique en radiodiagnostic : L'effet photoélectrique joue un rôle essentiel dans le contraste des images radiographiques, car il est fortement influencé par le numéro atomique (Z). Cela amplifie les différences de transmission des rayons X à travers des tissus de compositions variées. De plus, des matériaux comme le gadolinium (Z = 64) et le lanthane (Z = 57) sont utilisés dans les écrans de radiographie en raison de leur capacité à absorber efficacement les rayons X grâce à cet effet, particulièrement adapté à la gamme d'énergie utilisée en radiodiagnostic. La diffusion de Compton. Effet Compton : L'effet Compton, ou diffusion incohérente, se produit lorsqu'un photon d'énergie entre en collision avec un électron libre. Une partie de l'énergie du photon est transférée à l'électron, qui recule, tandis que le reste est émis sous la forme d'un photon diffusé. Un photon peut subir plusieurs diffusions Compton successives, perdant progressivement de l'énergie, mais il est généralement absorbé via un effet photoélectrique avant d'atteindre une énergie inférieure à 10 keV. Lors d'une interaction Compton, l'énergie du photon incident est partagée entre le photon diffusé et l'électron éjecté. Plus l'énergie du photon incident est élevée, plus la probabilité que le photon diffusé soit émis vers l'avant est grande. 8 Dans l'effet Photoélectrique et dans l'effet Compton et bien on conserve toute l'énergie et dans l'effet Photoélectrique et bien toute l'énergie va dans électron. Et dans l'effet Compton et bien une partie de l'énergie va dans les électrons et le reste va partout tout en restant un rayon X. La production de paires. 9  Dia 46 : !examen! On voit un graphique qui représente la réponse du coefficient d'atténuation des RX en fonction de l'énergie de ces rayons. Sur l'axe des x, on a de l'énergie. Sur l'axe des y, on a le coefficient d'atténuation (= sa valeur et en même temps comment le RX s'atténue). On voit que pour les faibles énergies (à gauche) que l'élément principal, c'est le fait que l'on voit qu'il y a surtout une atténuation des faisceaux des RX via l'effet photoélectrique. Au centre du graphique, pour les énergies moyennes de RX, il y a surtout un effet Compton. Côté droit du graphique, pour les très fortes énergies, par exemple : la radiothérapie, il y a la production de paire. La courbe totale du graphique représente l'atténuation d'un faisceau qui compose de l'effet photoélectrique, l'effet Compton et la production de paire. Dia 47 : !examen! Le graphique va nous expliquer pourquoi c'est utile et indispensable de mettre un tablier plombé et il va nous dire pourquoi est-ce qu'un patient vous irradie. S'il nous demande d'expliquer à l'examen faut mettre : Ce qu'on dit en premier ; 10 On est en présence de 2 graphiques ; - Le premier à gauche : qu'est-ce qui se passe quand un rayon X rentre dans du plomb. - Le deuxième à droite : qu'est-ce qui se passe quand un même rayon X rentre dans de l'eau = patient car on est composé de 80 90 % d'eau. La deuxième chose que l'on dit ; On a un graphique qui représente le coefficient d'atténuation en fonction de l'énergie du rayonnement X donc sur l'axe X, j'ai l'énergie des RX sur l'axe des Y j'ai le coefficient d'atténuation (=comment est-ce qu'il est interagit). Sur le graphique de gauche, on voit que : Pour les faibles énergies de rayons X, par exemple : mammographie et radio petits osseux. Et bien le coefficient le plus prédominant c'est l'effet photoélectrique. Pour les moyennes énergies par exemple : médecine nucléaire, il y a l'effet compton, c'est le petit Sigma. Pour les plus hautes énergies, on voit que c'est la création de pairs qui prend la main sur l'interaction. Sur le deuxième graphique dans l'eau, on a exactement la même chose. On a l'effet photoélectrique pour les faibles énergies, on a le canton pour les moyennes énergies la création de pair pour les hautes énergies. C'est le même genre de graphique mais au final la courbe noir en gras est quand même fortement différente. C'est à dire que dans le plomb, on a une très bonne atténuation pour les faibles d'énergie puis il y a un petit creux ici et puis après ça remonte donc ça veut dire que pour les faibles énergies de rayons X, le plomb est super efficace mais pour les hautes, le plomb est moins efficace. Par contre, dans l'eau donc dans notre patient, on remarque que la partie sur l'effet photoélectrique n'est pas beaucoup présente contrairement à cette même partie dans le plomb où elle est très très présente et grande. Cependant, contrairement au plomb où il n'y a pratiquement rien, l'effet Compton est très présent dans l'eau. Et puis après il y a de nouveau la création de paires. Mais c'est super qu'il n'y ai pas beaucoup d'effet Compton dans le plomb. L'effet Compton : est le fait qu'on ai un RX initial puis on a un atome avec son noyau et ses électrons qui gravitent autour, il y a interaction avec les électrons qui partent, on a donc des RX diffuser qui ont changés de direction. Mais dans le plomb, il n'y a presque pas le phénomène d'effet compton, heureusement car sinon ça voudrait dire que si je mets un tablier de plomb pour me protéger et que si dans le plomb il y avait beaucoup d'effet Compton et bien en voulant me protéger, en faite mon tablier de plomb va envoyer pleins de rayons X qui vont aller dans tous les sens et donc qui vont revenir sur moi telle un red flag par l'arrière. Donc heureusement qu'il n'y en a quasiment pas. 11 Mais par contre dans l'autre sens, dans notre patient, il y a beaucoup d'effet Compton. Mais on sait que l'effet Compton est fonction de la quantité de matière qu'on rencontre. Donc, plus notre patient est corpulent, plus il va nous envoyer à la figure pleins de RX diffusés et inversement. Donc en pratique, c'est l'épaisseur du patient. Si vous avez un patient qui a une épaisseur de 15 cm, on aura une certaine quantité d'effet Compton si le patient fait 35 cm d'épaisseur, on aura une autre quantité d'effet Compton, donc c'est vraiment la quantité de d'atomes que le faisceau rencontre. Donc là, il faut bien faire cette distinction. En effet, c'est les mêmes phénomènes de chaque côté mais les proportions sont différentes, tout simplement parce que d'une part on touche des atomes de plomb qui sont très lourd car ils ont beaucoup d'électrons autour qui gravitent, et de l'autre côté, on touche des atomes d'eau qui sont des atomes relativement léger où il y a beaucoup plus d'effet Compton. En résumé, en radiologie on va rencontrer beaucoup d'effet photoélectrique, un petit peu d'effet Compton et pas de création de paire. Par contre, en médecine nucléaire proportionnellement, il y aura plus de RX diffuser. Et puis en radiothérapie, il y aura encore plus de diffuser mais aussi surtout de la création de paires. Dia 48 : !examen! Donc avec ces coefficients d'atténuation mu on peut y associer et certaines intensité de faisceau et une intensité qui fait croître exponentiellement. Ce coefficient mu mais c'est l'addition des coefficients de l'effet photoélectrique, de l'effet Compton et de la création de paire. 12  Rayonnement atomique. 13 Loi d’absorption : Dia 57 : !examen! Il existe d'autres origines de rayonnement. Il y a ce qu'on appelle un réarrangement électronique des électrons c'est quand les électrons changent de couches électroniques et bien il y a de nouveau une conservation d'énergie. Si les électrons se rapprochent du noyau, il gagne en énergie mais ça veut dire qu'il y a de l'énergie en trop et donc là en s'échappant de l'atome, il y a une émission. Chaque fois il y a un électron qui voyage de la vers la, il émet chaque fois un spectre caractéristiques donc ça veut dire qu'un tube à RX pour le fonctionnement on sait qu'on a des électrons et ceux-ci se fracassent la tête 14 sur la cible et on a donc une émission de rayon X. Cependant, en fonction du type de cible on va avoir des caractéristiques de RX différentes, parce que là on voit qu'il y a de pics, c'est ce qu'on appelle des raies d'absorption différentes en fonction de la caractéristique de la cible donc en fonction de l'épaisseur de la couche d'électrons, pour les couches K,L,M,N qui ont différentes épaisseur de couches. Si on modifie le spectre c'est comme si on fait une analogie, on vous donne un autre pinceau, est-ce que vous allez peindre votre tableau avec un pinceau carré un pinceau cylindrique avec un gros pinceau avec un petit pinceau, c'est ça la caractéristique de cette cible et donc c'est si le cible on n'en parle pas souvent mais elle est super importante pour savoir c'est quoi le RX que vous allez avoir alors quand vous êtes devant une table de radiologie, mais vous savez pas changer ça vous l'avez comme elle est, ça dépend vraiment de quelle machine a acheté l'hôpital. Dia 58 : Ia : donne la dose absorbée par le patient, nous, tablier de plomb. Io : donne la dose initiale et qui passe à travers du patient comme si de rien était. Id : donne la dose qui a été diffusée. It : donne la dose absorbée après avoir traversé la matière. 15  Dia 60 : Le nu dépend de l'effet photoélectrique, l'effet Compton et la production de paire, il va être fonction de l'énergie du RX, donc le nu ne va pas être le même en scanner, radiologie,... 16 La couche de demi-atténuation (CDA) : correspond à l'épaisseur d'une matière nécessaire pour réduire de moitié l'intensité d'un faisceau de rayonnement. C'est un concept analogue à la demi-vie en radioactivité, mais appliqué à l'atténuation du rayonnement en fonction de l'épaisseur d'un matériau. 17 18 Plus le tablier de plomb ou derrière du plomb est gros plus on est protéger, mais attention qu'il y a toujours quelque chose qui passe, c'est très petit mais ça passe. Plus le matériel est gros, plus la CDA est petite. CDA = 0,1mm C'EST PAS BON ! Il faut dire CDA = 0,1 mm de plomb à 50 kV => CDA = 0,15 mm Pb à 50 kV 19