La dosimétrie des rayonnements ionisants

I.4 Dosimétrie des rayonnements ionisants : grandeurs et unités

I.4.1 Dose absorbée et le Gray

La dose absorbée D est une grandeur dosimétrique qui s’applique à tout type de faisceau, la dose au point P est définie comme l’énergie absorbée dEa par la matière dans le volume élémentaire divisée par la masse dm.

𝐃 = 𝐝𝐄𝐚

𝐝𝐦

(1.15)

La dose absorbée garde sa définition initiale mais est désormais exprimée en Gray correspondant à une énergie de 1 joule absorbée dans 1 kilogramme de matière : 1 Gray = 1 joule / kg et 1 Gray = 100 rads.

I.4.2 Débit de dose absorbée

Le débit de dose absorbée, note 𝐷°, est la dose absorbée par unité de temps.

𝐃° = 𝐝𝐃

𝐝𝐭

(1.16)

Dans le système international, le débit de dose absorbée doit se mesurer en gray par seconde (Gy.s-1).

I.4.3 Equivalent de dose et le Sievert

L’équivalent de dose est défini comme le produit de la dose absorbée par le facteur de qualité correspondant au type de rayonnement en cause. Il est exprimé en Sievert (Sv) :

1 Sievert = 1 Gray × Q (1.17)

Q : facteur de qualité Le facteur de qualité4.

RayonnementsQ
Rayons X , γ, électrons et positons1
Neutrons et protons10
Particules α20

Tab 1.1 : Facteurs de qualité des rayonnements. [CIPR]

Enfin la CIPR dans sa publication n° 60, parue en 1991 (ICRP, 1991) a émis des nouvelles recommandations après celles de 1958 et défini deux nouvelles grandeurs dosimétriques de base en radioprotection, la dose équivalente et la dose efficace.

I.4.4 Dose équivalente

La dose équivalente5 HT est la dose absorbée DR à un organe ou un tissu T, pondérée par un facteur lié à la qualité et le type de rayonnement, wR (voir Tab.).

HT = wR . DR (1.18)

Nature et Energie des rayonnementsFacteur de pondération radiologique WR
Photons toutes énergie1
Electrons, muons (toutes énergies)1
Neutrons E<10 keV5
Neutrons 10 keV <E<100 keV10
Neutrons 100 keV <E< 2 MeV20
Neutrons 2 MeV <E< 20 MeV10
Neutrons E>2 MeV5
Protons E>2 MeV5
Particules α, fragment de fissions, noyaux lourds20

Tab 1.2 : Facteurs de pondération radiologique. [CIPR]

I.4.5 Dose efficace

La dose efficace E est égale à la somme des doses équivalentes pondérées par un facteur lié à la sensibilité aux rayonnements des organes ou tissus concernés, wT .

E = ΣT wT ΣR wR DTR (1.19)

Tissu ou organeFacteur de pondération tissulaire WT
Gonades0.20
Moelle osseuse0.12
Colon0.12
Poumon0.12
Estomac0.12
Vessie0.05
Seins0.05
Foie0.05
Œsophage0.05
Thyroïde0.05
Peau0.01
Surface des os0.01
Autres0.05

Tab 1.3 : Facteurs de pondération tissulaire (CIPR 60 et décret du 31 mars 2003)

La somme des wT est égale à 1 de sorte que dans le cas où un individu est soumis à une exposition globale et homogène de son corps, la dose efficace est numériquement égale à la dose équivalente corps entier.

I.4.6 Exposition

Dans un volume d’air où des électrons secondaires sont libérés par des photons6 (X ou γ), l’exposition X est la charge électrique totale de tous les ions de même signe, produits par ces électrons secondaires sur la totalité de leur parcours, rapportée à l’unité de masse de ce volume.

𝐗 = 𝐝𝐐

𝐝𝐦

(1.20)

𝑑𝑄 est exprimée en C (coulomb), dm en kg dans le système international.7

I.4.7 KERMA

Le KERMA (Kinetic Energy Released per unit Mass) K est une grandeur dosimétrique qui ne s’applique qu’aux particules primaires « indirectement » ionisantes.

Le KERMA est défini comme l’énergie 𝑑𝐸𝑡𝑟 transférée par les photons aux électrons secondaires créés dans le volume élémentaire, sur la masse 𝑑𝑚 :

𝐊 = 𝐝𝐄𝐭𝐫

𝐝𝐦 (1.21)

On définit le KERMA de collision 𝐾𝑐𝑜𝑙𝑙 et le KERMA radiatif 𝐾𝑟𝑎𝑑 comme étant la partie du KERMA utilisée par les électrons secondaires lors des collisions et celle utilisée dans le rayonnement de freinage respectivement.

𝑲 = 𝑲𝒄𝒐𝒍𝒍 + 𝑲𝒓𝒂𝒅 (1.22)

I.4.8 Équilibre électronique

L’équilibre électronique est atteint lorsque dans une tranche d’épaisseur, le nombre d’électrons arrachés est équivalent au nombre d’électrons arrêtés progressivement, le flux de photons incidents décroît. Le flux de photons et d’électrons secondaires, passé par un maximum, décroît également.

Le faisceau est maintenant atténué de manière exponentielle, l’atténuation étant liée aux paramètres du faisceau (on peut rappeler que : atténuation = absorption + diffusion). Le dernier constat est que la dose est encore conséquente à une assez grande profondeur dans l’eau.

Sur la figure (1.13), il y a autant d’électrons arrêtés que d’électrons créés au niveau de la quatrième couche, si l’on considère que dans les premières tranches d’épaisseur la probabilité d’interaction est constante et que les électrons secondaires ont un parcours défini.

dosimétrie des rayonnements ionisants - illustration de l’équilibre électronique
Fig 1.13 : illustration de l’équilibre électronique. [13]

La dosimétrie des rayonnements ionisants

I.5 Effets du rayonnement sur le tissu biologique

L’effet biologique des rayonnements ionisants sur les tissus résulte d’une succession d’évènements physiques et de transformations chimiques qui sont initialisés par les phénomènes d’ionisation. Les molécules biologiques peuvent être directement altérées ou détruites par le rayonnement ionisant lorsque leur cortège électronique est directement affecté par celui-ci ou lorsqu’elles interagissent avec les radicaux libres engendrés par la radiolyse d’eau.

Ces radicaux libres engendrés par la radiolyse d’eau sont de puissants oxydant réducteurs capables d’attaquer les molécules du milieu cellulaire tel que l’ADN, or l’altération de l’ADN peut provoquer la mort de la cellule.

Les effets biologiques des radiations résultent principalement des dommages causés sur l’ADN, laquelle est la cible la plus critique dans la cellule.

Lorsqu’un rayonnement ionisant est directement absorbé par les cellules, les effets peuvent se présenter sous l’un des deux chemins : directe ou indirecte.

Effet directe : le rayonnement interagit directement avec une cible critique dans la cellule : molécule ou structure intracellulaire de faible démentions (gènes, chromosome.), les atomes de ces structures ou de ces molécules critiques peuvent s’ioniser ou être excités à partir d’une interaction colombienne, conduisant à un dommage biologique.

Effet indirecte : le rayonnement interagit avec d’autres molécules et atomes (principalement l’eau, compte tenu de la richesse en eau des organismes vivants environ ≈ 77%) de la cellule pour produire des radicaux libres, lesquels peuvent en diffusant créer des dommages sur les cibles critiques à l’intérieur de la cellule. L’interaction du rayonnement avec les électrons des molécules d’eau produit les radicaux libres H+ et OH-, chimiquement très actifs.

Ceux-ci peuvent causer des dommages aux structures critiques de la cellule, notamment sur l’ADN par l’altération des bases qui peut être hydroxylée par le radical OH.

Dans le cas particulier des faisceaux de photons, les deux tiers des dommages biologiques sont produits par effet indirects. Lesquels peuvent se décliner en quatre étapes :

1. Le photon primaire interagit avec un atome de la cellule (par effet photoélectrique, effet Compton, matérialisation) et produit un électron secondaire de haute énergie.

2. L’électron de haute énergie mis en mouvement à travers les tissus produit des radicaux libres dans l’eau.

3. Les radicaux libres formes altèrent les bases puriques (adénine, guanine) Ou pyrimidique (cytosine, thymine) de l’ADN.

4. L’altération des bases de l’ADN entérine des dommages biologiques.[13]

_______________________
4 Q dépend de la nature des rayonnements et de leur transfert linéique d’énergie (TLE) correspondant à l’énergie transférée à la matière irradiée par unité de longueur en keV/µm.
5 La dose équivalente s’exprime en Sievert
6 Remarque : Très longtemps employée de manière courante, l’exposition est généralement remplacée par le Kerma dans l’air. Cependant, certains appareils de radioprotection sont encore gradués en röntgen.
7 L’ancienne unité d’exposition est exprimée en röntgen : 1R = 2,58 × 10–4 C>kg–1. Il faut bien noter que cette notion d’exposition ne caractérise que l’interaction de rayonnements X ou γ dans l’air.


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