Interactions des RI particulaires avec la matière Flashcards
A quoi correspond une interaction ?
A un transfert d’énergie
Que sont les rayonnements ionisants ?
Particules chargées ou non, responsables d’ionisations
Qu’est-ce que la matière ?
Noyaux positifs et électrons négatifs
Que sont les rayonnements directement ionisant ?
=> particules chargées
Caractéristiques associées au rayonnements directement ionisants ?
- forces coulombiennes
- interactions obligatoires
Que sont les rayonnements indirectement ionisant ?
=> particules non chargées : neutrons, X, γ
Caractéristiques associées au rayonnements indirectement ionisants ?
- interactions aléatoires (stochastiques)
- ionisations indirectes par l’intermédiaire de particules secondaires chargées mises en mouvement
Quels sont les différents types de rayonnement ionisants ?
=> Particules chargées
=> Particules non chargées
Quels sont les rayonnements ionisants à particules chargées ?
- Rayonnements α
- Rayonnements β
Caractéristiques des rayonnement β ?
- électrons (β-) et positons (β+)
- énergie très variable (de 0 à plusieurs Mev)
- pouvoir ionisant intermédiaire
- pouvoir de pénétration faible : qq mètres dans l’air, qq mm dans l’eau et les tissus mous,
- stoppés par un obstacle mince (ex: feuille d’alu de qq millièmes à qq mm)
- trajectoire sinueuse (masse légère)
Caractéristiques des rayonnements α ?
- noyau d’hélium (2 neutrons et 2 protons)
- très énergétiques (plusieurs Mev)
- fort pouvoir ionisant
- pouvoir de pénétration très faible : qq cm dans l’air, qq dizaines de mm dans l’eau ou les tissus mous
- stoppés par une feuille de papier
- trajectoire linéaire car masse importante (7000 x plus lourde qu’un électron)
Quels sont les différents rayons ionisants à particules non chargées ?
- Rayonnements électromagnétiques X et γ
- Rayonnements neutroniques (neutrons)
Caractéristiques des rayonnements électromagnétiques X et γ ?
- radiations électromagnétiques d’origine atomique (X) ou nucléaire (γ)
- énergie variable (qq Kev à qq Mev, X souvent < à γ),
- pouvoir ionisant faible
- ionisations indirectes,
- pouvoir de pénétration très important : plusieurs centaines de mètres dans l’air, traversent facilement l’organisme
- stoppés par qq mm de plomb pour les X et
jusqu’à plusieurs cm de plomb pour les γ
Caractéristiques des Rayonnements neutroniques ?
- énergie élevée
- pouvoir ionisant fort mais ionisations indirectes (collisions avec les noyaux)
- pouvoir de pénétration très important : pratiquement pas ralentis par l’air, pénètrent profondément dans l’organisme puis absorption importante par les tissus
mous - traversent les blindages
Intérêt(s) des rayonnements ionisants particulaires ?
Intérêt double : diagnostique et thérapeutique
Intérêt diagnostique des rayonnements ionisants particulaire ?
- Radiographie
- scanner X
- scintigraphie (gamma et TEP)
Intérêt thérapeutique des rayonnements ionisants particulaire ?
-radiothérapie externe
- radiothérapie interne :
o curithérapie sources scellées
o curithérapie métabolique (sources non scellées)
Fonctionnement du scanner ?
Utilisation des rayons X pour réaliser cartographie des coefficients d’atténuation de l’organisme
Fonctionnement de la scintigraphie ?
Utilisation des rayons γ pour étudier une fonction de l’organisme
Fonctionnement de la radiothérapie métabolique ?
Utilisation des rayonnements β-
Que mettent en jeu les interactions des particules chargés avec la matière ?
- Elles mettent en jeu des particules légères (e-, e+) ou lourdes (protons, particules a++)
- Interactions obligatoires, secondaires aux forces coulombiennes : s’exercent entre ces particules chargées et la matière : F= k qq’/x2
Influence de la force secondaire aux forces coulombienne sur la particule cible ?
La particule cible est projetée dans une direction ϕ et acquière une énergie Q prélevée à l’énergie cinétique T de la particule incidente
Influence de la force secondaire aux forces coulombienne sur la particule incidente ?
La particule incidente est déviée d’un angle θ et son énergie résiduelle après interaction est : T - Q
Avec quoi peuvent avoir lieu des interactions ?
- Electrons
- Noyaux
Caractéristiques des interaction particules-électrons ?
=> Collisions :
Entraînent un transfert d’énergie à la matière responsable des effets produits sur le milieu
Caractéristiques des interactions particules-noyaux ?
=> Freinage :
Responsables de la production de rayons X de freinage qui peuvent soit être diffusés soit interagir à leur tour avec la matière
Que produit une interaction avec un électron de l’atome cible ?
- Ionisation
- Excitation
- TEL
- DLI
Que se passe-t-il au niveau énergétique lors d’n interaction avec un électron de l’atome cible ?
L’énergie cédée E par la particule incidente est cédée à un électron
d’énergie de liaison El, trois cas peuvent se rencontrer :
- ∆E ≥ El => ionisation
- ∆E < El => excitation
- si ∆E est très faible => dissipation thermique (énergie de translation, rotation ou vibration des molécules)
Déroulé de l’ionisation d’un atome ?
- l’e- est éjecté de son orbite avec une énergie cinétique ΔE – El : se produit une ionisation et la création d’une paire d’ions
- e- éjecté peut créer d’autres ionisations secondaires si son NRJ est suffisante
- L’ionisation : suivie d’un réarrangement du cortège électronique avec émission de fluorescence X
Qu’est-ce qu’un ionisation ?
Mécanisme fondamental pour les effets biologiques des rayonnements
Que se passe-t-il lors du réarrangement du cortège électronique ?
- Création d’une place vacante
- Comblement par un électron périphérique ou extérieur d’énergie de liaison Elc
Déroulé du réarrangement du cortège électronique ?
1) Emission d’une énergie E= El- Elc :
- diffusée, photon de fluorescence
- transmise à un électron périphérique d’énergie de liaison < (El – Elc), qui est expulsé = Effet Auger
- compétition entre les deux effets (fluorescence et Auger),
* noyaux lourds : fluorescence dominante
* noyaux légers : Auger dominant
2) nouvelle création de vacance électronique, nouveau réarrangement électronique…
Déroulé de l’excitation d’un atome ?
- l’énergie transférée à l’électron est insuffisante pour l’expulser mais peut porter l’électron à un niveau énergétique supérieur : il
y a excitation de l’atome cible puis - retour à l’état fondamental par émission de rayons de fluorescence
Relation entre la fréquence d’ionisation et d’excitation en fonction de la vitesse des particules ionisantes ?
Quand la vitesse est plus faible, l’interaction est plus forte => il y a plus d’ionisations (- d’exitation)
Qu’est-ce que le TEL ?
=> Transfert d’énergie linéique
* La quantité d’énergie transférée au milieu cible par la particule incidente par unité de longueur de trajectoire
* Unité : keV mm-1
Calcul du TEL ?
TEL = Kq²n*Z/v²
Qu’advient il de la particule lors de chaque interaction ?
La particule transfère une partie de son énergie au milieu jusqu’à ce que sa vitesse soit nulle
=> une particule chargée donnée d’énergie donnée peut être totalement arrêtée par un écran de nature et d’épaisseur donnée
En quoi consiste l’interaction avec le noyau Bremsstrahlung ?
Lorsqu’une particule chargée passe à proximité d’un noyau elle est :
* attirée ou repoussée par le noyau
* sa trajectoire est déviée
* ralentissement de cette particule
De quoi est responsable le ralentissement d’une particule lors d’une interaction avec le noyau Bremsstrahlung ?
Responsable d’une diminution de l’énergie cinétique de la particule
=> émise sous la forme d’un rayonnement dit de freinage ou rayonnement de Bremsstrahlung
Caractéristique du spectre d’énergie du rayonnement de freinage ?
Spectre continu : absorption par la cible des photons les moins énergétiques
Que se passe-t-il si la particule passe loin du noyau ?
- Peu déviée,
- Ralentissement faible
- Rayonnement de freinage de faible énergie
Que se passe-t-il si la particule passe très près du noyau ?
- Fortement déviée
- Fortement freinée
- Le photon de freinage a une énergie élevée
Importance des électrons ?
- Interactions entre les électrons et la matière responsables de l’énergie absorbée par la matière (effets biologiques)
- rayonnement primaire (émission β-)
- rayonnement secondaire (aux interactions entres les rayons X et γ avec la matière)
Point commun entre les électrons et les positons ?
- Vitesse de propagation élevée
- Interaction pouvant se rencontrer du même type
- Dans l’eau le TEL est relativement faible pour des énergies supérieures à 1 Mev et augmente fortement si l’énergie diminue
- Les trajectoires des particules sont des lignes brisées
Longueur totale de la trajectoire des électrons/positons dans l’eau ?
Longueur (cm)= énergie initiale (Mev)/2
Longueur totale de la trajectoire des électrons/positons dans un milieu de masse volumique ρ ?
Longueur (cm)= énergie initiale (Mev)/2ρ
=> ρ en g/cm3
Qu’est-ce que la profondeur de pénétration moyenne ?
La distance séparant le point d’entrée de la particule et son point terminal
=> Parcours moyen R
Evolution d’un faisceau mono-énergétique d’électron ?
- La profondeur de pénétration moyenne R est relativement variable
- Un faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante d’écran
Différence importante entre le positon et l’électron ?
Le positon va être responsable d’une réaction
d’annihilation
En quoi consiste la réaction d’annihilation ?
Energie cinétique du positon proche de zéro : le positon interagit avec un électron, les deux particules disparaissent en donnant naissance à l’émission de 2 photons gamma, émis à 180° l’un de l’autre
Définition de l’annihilation des positons ?
Interaction fondamentale permettant de réaliser un type particulier de scintigraphie : la tomographie d’émission de positons
Fonctionnement de la tomographie d’émission de positons ?
=> TEP
- utilisation d’un analogue du sucre marqué au fluor 18
- Captation par les cellules tumorales
Caractéristiques des interaction des particules lourdes avec la matière ?
- TEL et la DLI des particules sont importants :
- Pour une énergie cinétique = , leur vitesse est faible
- Les trajectoires sont quasi rectilignes
Qu’est-ce que la courbe de Bragg ?
=> Dans l’air
Evolution de l’ionisation spécifique en fonction du parcours des particules lourdes
Parcours moyen R des particules lourdes dans l’air ?
R (cm)= 0.31*E^3/2
E = énergie cinétique en MeV
Parcours moyen R des particules lourdes dans un matériau de masse volumique ρ(mat) ?
Rmat = Rair ρair/ρmat
Où ρ est en g/cm^3
Profondeur de pénétration moyenne des particules lourdes ?
=> Sensiblement égale à la trajectoire :
* qq cm dans l’air
* qq dizaines de mm dans les tissus mous
- Elles sont totalement arrêtées par une feuille de papier et la couche cornée
Evolution d’un faisceau mono-énergétique de particules α++ (lourdes) ?
La profondeur de pénétration moyenne R est presque constante, un faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante d’écran
Caractéristiques des interaction des neutrons avec la matière ?
- Se font entre les neutrons et les noyaux, les interactions neutrons-électrons sont négligeables
- La probabilité d’interaction est faible
Quels sont les différents types de neutron interagissant avec la matière ?
- Neutrons rapides
- Neutrons Lent
Caractéristiques des neutrons rapides ?
- Energie cinétique > 1keV
- Choc élastique : le neutron est dévié et cède une partie de son énergie au noyau
- L’énergie cédée au noyau diminue quand le nombre de masse de la cible augmente
- Les neutrons rapides sont très pénétrants
Caractéristiques des neutrons lents ?
- Energie cinétique < 1keV
- Neutron absorbé par le noyau: capture radiative
- Noyau formé est instable et retourne à l’état fondamental en émettant un rayonnement g
=> Cette réaction est très utilisée pour la production de radioéléments artificiels
Ecriture de la réaction de capture radiative ?
(A/Z)X + (1/0)n → (A+1/Z)X + (0/0)γ
Que sont les noyaux de recul ?
Ce sont les noyaux mis en mouvement
Caractéristiques des noyaux de reculs ?
Epuisent leur énergie cinétique par ionisations et excitations avec un TEL et une DLI élevés responsables des effets biologiques des neutrons
