Caractérisation des rayonnements diffusés hors champ d’irradiation

Comme nous le verrons par la suite, la connaissance de la distribution angulaire des rayonnements diffusés, ainsi que de leur énergie, est surtout importante pour définir la géométrie du blindage.

1. Matériel et méthode

La caméra n’étant ni conçue, ni adaptée pour la détection de particules, la distribution angulaire des rayonnements diffusés a été mesurée à l’aide d’une jonction PN en silicium présentant des caractéristiques relativement proches de celles du capteur CCD. En effet, cette jonction possède une surface de 1 cm², à peu près égale à celle du capteur CCD (environ 1.2 cm²), pour une épaisseur de 25 µm.

Afin d’identifier la provenance des particules ionisantes détectées, cette jonction a été disposée à l’intérieur d’un cube de plomb de 10 cm de côté, doté d’un trou (pas de vis) de 1 cm de diamètre, et de 5 cm de long (cf. Figure IV.4.). Cette géométrie permet de limiter l’angle solide vu par le détecteur à 11.5°, et donc de déterminer l’origine spatiale approximative des rayonnements détectés (Figure IV.5).

Figure V.4 : Diode silicium insérée dans un cube de plomb de 10 cm de côté doté d’un unique trou, de 1 cm de diamètre

Figure V.5 : Couverture angulaire du détecteur, comparée aux principaux éléments de

l’accélérateur et de la salle de traitement.

De plus, une vis en nylon (d’environ 5 cm de long) permet de stopper les particules de plus basse énergie afin de ne détecter que les évènements de plus haute énergie. Un jeu de vis en acier (dont les longueurs varient de 1 à 5 cm) permet d’évaluer l’atténuation des rayonnements dans ce matériau, en fonction de l’épaisseur traversée, afin d’en déduire leur énergie moyenne.

2. Origine et quantité des rayonnements

La distribution angulaire des particules diffusées a été établie avec la jonction située à 60 cm (distance approximative à laquelle doit se trouver la caméra) de l’axe d’un faisceau de photons de 15 MV, en champ 10 cm × 10 cm (Figure V.6). Elle a été mesurée avec une vis en nylon de 5 cm de long, arrêtant tous les évènements de faible énergie.

Trois éléments majeurs se dégagent de cette distribution :

- Une grande quantité de particules, allant jusqu’à de très hautes énergies est détectée en provenance de la tête de l’accélérateur, en dépit du blindage dont celle-ci fait l’objet. En effet, l’ensemble des évènements entre 0 et 70° correspond à environ 6000 particules par seconde et par cm².

Figure V.6 : Distribution angulaire et origine des

rayonnements diffusés. La tête de l’accélérateur et le fantôme sont représentés.

- Le fantôme, quant à lui, joue effectivement sont rôle de diffuseur, puisqu’il constitue la 2^ème source de rayonnements (3 000 évènements par seconde et par cm²).

- Enfin, un fond de 135 événements par seconde, par degré et par cm² est observé dans toutes les autres directions. Ces évènements correspondent aux particules les plus énergétiques provenant de la tête de l’accélérateur et du fantôme, et qui n’ont pas été arrêtées par les 5 cm de plomb du cube.

Si cette distribution permet d’identifier les sources de diffusions majeures pour une configuration quelconque de radiothérapie externe, les quantités absolues de particules détectées, quant à elles, dépendent fortement de la nature et de l’énergie du faisceau, de la distance entre le détecteur et l’axe faisceau, ainsi que de la taille du champ d’irradiation.

Les mesures ont montré qu’en faisceau de photons, la quantité de particules diffusées était sensiblement la même à 15 et à 25 MV, et environ deux fois moindre à 8 MV. En faisceau d’électrons, le nombre de particules est beaucoup plus important, mais leur énergie moyenne est relativement faible. Si bien que ce type d’irradiation pose beaucoup moins de problème en terme de blindage. Nous nous attacherons donc, par la suite, au cas des faisceaux de photons de 15 MV, qui constitue la configuration la plus défavorable.

Les mesures ont également permis de vérifier que la quantité de rayonnements diffusés décroît selon une loi inversement proportionnelle au carré de la distance au faisceau, et croît approximativement linéairement avec la surface du champ d’irradiation.

3. Énergie moyenne des rayonnements

Nous venons de mettre en évidence l’origine des différents rayonnements atteignant le détecteur. Néanmoins en raison de la multitude d’interactions que subissent ces rayonnements, leur spectre en énergie est extrêmement complexe, et donc, impossible à établir. Nous allons toutefois faire, ici, une estimation de l’énergie moyenne des rayonnements venant des deux principales sources, à savoir la tête de l’accélérateur et le fantôme.

Pour ce faire, le détecteur a été orienté dans chacune de ces deux directions (tête de l’accélérateur et fantôme), et des vis en acier, de différentes longueurs (1, 3 et 5 cm) ont été

placées devant le détecteur. L’atténuation du nombre de particules suit, dans les deux cas, une loi de décroissance exponentielle (Figure V.7) typique du comportement de photons.

Les rayonnements venant de la tête de l’accélérateur présentent un coefficient d’atténuation de 0.33 cm^-1, correspondant, pour l’acier, à une énergie moyenne de 2 MeV, alors que ceux venant du fantôme possèdent un coefficient d’atténuation de 0.54 cm^-1, correspondant, pour l’acier, à une énergie moyenne d’environ 740 keV.

Il apparaît qu’il s’agit de rayonnement énergétiques, ce qui explique qu’une quantité non négligeable de particules (135 /s) interagissent avec le détecteur, malgré les 5 cm de plomb qui l’entourent (cf. paragraphe précédent), lorsque l’ouverture du détecteur n’est pas orientée vers la tête ou le fantôme. Il faudra donc prévoir un blindage important et gérer les contraintes de masse et de volume qui vont en découler.