Radioprotection (A 2020-2021) PDF

Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018...

Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Radioprotection [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Détecteur Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 1 1 1e année Radioprotection [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Physique nucléaire Interactions : Radiation-matière Détecteur 6h Dosimétrie 2 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 2 2 [email protected] 1 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Détecteur Caractéristiques [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA]  La résolution en énergie  L'efficacité de la détection  Le temps mort  Mode de fonctionnement Influence de l’environnement Détecteur solide  Détecteur à scintillations  Film dosimétrique Détecteur liquide Détecteur gazeux  Chambre d’ionisation Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 3 3 Appareils de mesure. [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Un détecteur. Rappel: Interactions des rayonnements RX avec la matière. Caractéristiques générales des détecteurs. Unités de la radioprotection. Film. Détecteur à Scintillation NaI, BGO. Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 4 4 [email protected] 2 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Un détecteur Un ensemble de détection permet de convertir l'énergie "invisible" des rayonnements ionisants en signal mesurable. Un ensemble de détection repose en général sur la collection des paires électrons-ions créées par le passage de la particule ionisante incidente. Les détecteurs ne peuvent pas « analyser tous les rayonnements ionisants. Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 5 5 Modélisation d'un détecteur et de sa chaîne de détection. [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Institut national des sciences et techniques nucléaires - Saclay (France), Unité d’Enseignement Physique et Etude des Matériaux DETECTION DES RAYONNEMENTS, J.-C. Bodineau Un ensemble de détection permet de convertir l'énergie "invisible" des rayonnements ionisants en signal mesurable. Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 6 6 [email protected] 3 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 PHENOMENES PHYSIQUES MIS EN JEU LORS DE LA DETECTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS. [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] DETECTION DES RAYONNEMENTS, J.-C. Bodineau Institut national des sciences et techniques nucléaires - Saclay (France), Unité d’Enseignement Physique et Etude des Matériaux Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 7 7 Détecteur Caractéristiques [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA]  La résolution en énergie  L'efficacité de la détection  Le temps mort  Mode de fonctionnement Influence de l’environnement Détecteur solide  Détecteur à scintillations  Film dosimétrique Détecteur liquide Détecteur gazeux  Chambre d’ionisation Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 8 8 [email protected] 4 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Caractéristiques générales des détecteurs [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] La résolution en énergie. L'efficacité de la détection. Le temps mort. Mode de fonctionnement. Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 9 9 Résolution d’un détecteur. [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Largeur à Mi-Hauteur Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p90 Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 10 10 [email protected] 5 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Résolution d’un détecteur. NaI R=8% [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Germanium R = 0,15 % Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p90 Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p422 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 11 11 6°) Résolution en énergie. [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] ∆N ∆E ∆E E E ∆E R= X 100 (%) E N.B.: FWHM (« Full Width at Half Maximum) Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 12 12 [email protected] 6 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 ∆N ∆E « Mauvaise » [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] résolution E ∆N ∆E « Bonne » résolution E Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 13 13 L’efficacité de détection. Soit une source émettant N0 particules /seconde [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Aléatoire. Isotrope. S 1°) Angle solide. Angle solide : d ω déf.= S d² Unité: 1 STERADIAN Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 14 14 [email protected] 7 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 N.B.: Espace total: Smax = 4πd² Smax 4π d² donc ωmax = = = 4π stér. d² d² [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] S Dét. ω= S d² d Nombre Nd de particules touchant le détecteur/seconde: Nd ω ω = Nd = N0 Avril 2021 N 0 4π [email protected] RP / Detecteur 4π 15 15 2°) Efficience de détection. ? [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] ? Milieu actif ! Soit Nv le nombre de particules « vues »/seconde déf. Nv Efficience ε= (0 < ε < 1) Nd εω Nv = ε Nd = N0 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 4π 16 16 [email protected] 8 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] L'efficacité de la détection Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p95 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 17 17 Le temps mort = le temps fini requis par le détecteur pour analyser un événement [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Nicole T Ranger, the AAPM/RSNA Physics Tutorial for Residents, Imaging & Therapeutic Techonology, « Radiation Detectors in nuclear medicine, RSNA, vol 19 Number 2481-502, 1999 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 18 18 [email protected] 9 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Le temps mort Caractéristiques opérationnelles d’une caméra à scintillations [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] En quelques ps à quelques ns: le dépôt d’énergie L'information délivrée par le détecteur met en général beaucoup plus de temps à survenir, de quelques ns (semi-conducteurs) à quelques ms (gaz). indépendante du taux de comptage augmente avec le taux de comptage Nicole T Ranger, the AAPM/RSNA Physics Tutorial for Residents, Imaging & Therapeutic Techonology, « Radiation Detectors in nuclear medicine, RSNA, vol 19 Number 2481-502, 1999 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 19 19 3°) Temps mort. τm [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Signal Signal Signal Soit NS le nombre de signaux reçus /seconde  TEMPS MORT par seconde = NS τm TEMPS ACTIF par seconde = 1 - NS τm N S temps actif 1 - N S τ m Alors = = N v temps total 1 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 20 20 [email protected] 10 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 NS = ( 1 - N S τ m ) Nv [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] εω NS = ( 1 - NS τ m ) N0 4π Donc, pour retrouver N0 au départ de NS, on corrige pour l ’angle solide, l ’efficience et le temps mort: 4π NS N0 = ε ω 1 - NS τ m Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 21 21 Le temps de résolution de type "fixe« ou non paralysable: pendant la durée t le détecteur n'est pas affecté par toute [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] interaction consécutive à celle qui engendre la formation du signal. Le détecteur a donc une réponse en fonction du taux d'informations qui tend vers une saturation. On peut chiffrer le taux moyen d'informations recueillies, m, en fonction du taux moyen d'interactions dans le détecteur, n, par: Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 22 22 [email protected] 11 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Le temps de résolution de type "reconductible" (ou cumulatif): la durée d'occupation t du détecteur est reconduite de t, ce [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] dernier restant sensible à toute interaction consécutive à celle qui vient d'engendrer la formation du signal. Le détecteur a donc une réponse en fonction du taux d'informations qui passe par un maximum puis tend à s'annuler; le détecteur est dit "paralysable", un même taux d'informations peut correspondre à deux taux d'interactions distincts. Le taux moyen d'informations recueillies, m, en fonction du taux moyen d'interactions dans le détecteur, n, est: (il n'y a pas d'expression réciproque pour: n = f(m), ce qui constitue une limite à l'utilisation de ce modèle). Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 23 23 Mode de fonctionnement [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Fonctionnement en courant: on mesure directement le courant mis en circulation dans le circuit détecteur. On recueille ainsi une information moyenne sur une série de signaux pendant une fraction de seconde. Cela permet de minimiser les fluctuations mais on perd l'information véhiculée par chaque signal. Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p81 Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 24 24 [email protected] 12 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Fonctionnement en impulsions: on traite chaque signal Mode de individuellement en mesurant les variations de tension aux bornes d'une résistance de charge R associée à une capacité C qui caractérise à la fois le détecteur lui-même et fonctionnement ses circuits associés (câbles, préamplificateur, etc). Si on [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] modélise l'arrivée d'un signal de charge totale Q et de durée Tc (impulsion de courant) en provenance du détecteur comme indiqué sur la figure 3.6, deux scénarios extrêmes sont possibles: - la constante de temps RC est très faible devant Tc: le circuit de mesure est très rapide et transmet l'impulsion initiale au facteur R près. Ce mode de fonctionnement, intéressant à haut débit de signaux, est difficile à mettre en oeuvre car la mesure du maximum de tension de chaque signal est délicate et la sensibilité aux fluctuations de signaux est faible. - la constante de temps RC est grande devant Tc: la charge Q s'écoule très peu à travers R et reste momentanément intégrée dans C, jusqu'à un maximum Vmax = Q/C atteint au bout de Tc, les charges s'évacuant finalement en e-t/RC. Le temps de Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p81 montée de l'impulsion ne dépend que du détecteur, alors que son temps de descente ne dépend que de RC. Ce mode de fonctionnement est celui qui sera en général adopté pour les applications de spectrométrie car le passage par le maximum de tension est facile à mesurer, et est proportionnel à Qa, elle- même proportionnelle à l'énergie cédée par le rayonnement ionisant dans le milieu détecteur. Il peut s'avérer impraticable à haut taux de signaux à cause du temps de décroissance engendré par la grande valeur de RC qui favorise l'apparition d'empilement d'impulsions. Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 25 25 La constante de temps RC [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] En pratique on recherche une constante de temps RC qui soit le meilleur compromis possible entre une spectrométrie très précise et la mesure de taux d'interactions suffisamment élevés. Le choix du mode de fonctionnement dépend de la mesure à effectuer: soit on cherche à remonter à chaque interaction, soit on souhaite simplement obtenir un niveau moyen d'irradiation du détecteur. Réf: Radiation detection and measurement, Glenn F. Fnoll., p82 Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 26 26 [email protected] 13 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 4°) Bruit de fond. ≡ Signaux reçus en l ’absence de source ( + variations sur ce même thème!!) [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Origines: +) Cosmiques +) Radioactivité naturelle +) Rayonnement diffusé +) Défauts des détecteurs (Exemple: électrons thermiques dans les PM) +) etc... SI POSSIBLE : SOUSTRAIRE! SINON : EVALUER  RAPPORT S/B !! (Signal-bruit) Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 27 27 5°) Statistique de comptage. Activité d ’une source = Phénomène ALEATOIRE! [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] (FLUCTUATIONS!) Nombre de « quantas » dans un faisceau : idem Nombre de « quantas » détectés par seconde : idem Etc..  Loi statistique NORMALE : σN = N N± N N.B.: Soustraction d ’un bruit de fond NB : N' = ( N - N B ) ± N + NB Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 28 28 [email protected] 14 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Autres paramètres et caractéristiques Plusieurs autres paramètres sont importants pour caractériser la qualité d'un détecteur et l'adéquation de son choix à la situation de mesure. Il s'agit de: - la réponse géométrique: l'angle d'incidence des rayonnements, s'il n'est pas appelé à être constant (cas des mesures de terrain), ne doit avoir que peu d'influence sur la [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] réponse du détecteur; on cherchera en pratique à avoir des détecteurs aussi isotropes que possible. - la stabilité de la réponse et de l'information dans le temps: un détecteur doit avoir une réponse qui ne varie que très peu dans le temps. Pour les détecteurs, tels que les dosimètres, qui enregistrent une somme globale d'informations élémentaires, il est essentiel que cette information ne se perde pas progressivement (phénomène de "fading"). - l'équivalence au milieu dans lequel on souhaiterait véritablement faire la mesure: en dosimétrie ou en radioprotection on utilise des détecteurs constitués de matériaux dont la composition est proche de celle des tissus vivants. - la transparence à son propre signal qui est notamment importante pour les scintillateurs qui peuvent être soit peu transparents à leur propre lumière, soit perturbés par l'ajout de substances en leur sein (scintillation liquide: phénomène de "quenching"). Plus généralement, un détecteur et sa chaîne de mesure associée, doivent avoir les mêmes qualités que celles recherchées pour tout type de capteur physique: fidélité, justesse, rapidité, bon rapport signal/bruit, insensibilité aux conditions extérieures (température, humidité, lumière, champs électromagnétiques,.), etc. Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 29 29 Détecteur Caractéristiques [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA]  La résolution en énergie  L'efficacité de la détection  Le temps mort  Mode de fonctionnement Influence de l’environnement Détecteur solide  Détecteur à scintillations  Film dosimétrique Détecteur liquide Détecteur gazeux  Chambre d’ionisation Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 30 30 [email protected] 15 [email protected] 32 31 [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Avril 2021 Avril 2021 Radioprotection / Table des matières 1 TIM [email protected] [email protected] RP / Detecteur RP / Detecteur Spectrométrie Spectrométrie 32 31 16 04/02/2018 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Spectrométrie Effet photoélectrique Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 33 33 Spectrométrie [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Effet Compton Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 34 34 [email protected] 17 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Spectrométrie Effet photoélectrique et Effet Compton combiné [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 35 35 Spectrométrie Facteur de spectrométrie [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 36 36 [email protected] 18 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Spectrométrie Aspect particulier Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur 37 37 Spectrométrie Pic d’échappement [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Avril 2007 Sept 2021 [email protected] RP / Detecteur 38 38 [email protected] 19 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 Influence de la taille du détecteur [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] D S Avril 2007 Sept 2021 [email protected] RP / Detecteur 39 39 Influence de l’environnement [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Avril 2007 Sept 2021 [email protected] RP / Detecteur 40 40 [email protected] 20 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 IX) Détection des particules [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Evénementielle +) Compteur Détection (activité) +) Spectre Globale +) Dosimètre Avril 2021 [email protected] RP / Detecteur +) Image 41 41 Détecteur Caractéristiques [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA]  La résolution en énergie  L'efficacité de la détection  Le temps mort  Mode de fonctionnement Influence de l’environnement Détecteur solide  Détecteur à scintillations  Film dosimétrique Détecteur liquide Détecteur gazeux  Chambre d’ionisation Avril 2021 Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 42 42 [email protected] 21 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 γ caméra de Anger: principe général [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Oscilloscope C XY E B D Spectrométrie A Réseau de PM Guide de lumière Cristal Collimateur γ Avril 2021 Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 43 43 Détecteur [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] à scintillations Sept Avril 2007 2021 [email protected] RP / Detecteur 44 44 [email protected] 22 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 γ caméra de Anger: [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Choix Génération Localisation Absorption direction signal position Caméra γ Colli NaI Réseau de Réseau de Anger PM résistances Avril 2021 Sept 2007 [email protected] RP / Detecteur 45 45 Le cristal [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Sept Avril 2007 2021 [email protected] RP / Detecteur 46 46 [email protected] 23 Radioprotection / Table des matières 1 TIM 04/02/2018 [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Le scintillateur NaI (Tl) Sept Avril 2007 2021 [email protected] RP / Detecteur 47 47 Le scintillateur NaI (Tl) [20-21] Radioprotection et effets biologiques des radiations ionisantes 1 [120_PA15PATI1B08TIA] Sept Avril 2007 2021