4.2 Grandeurs dosimétriques
4.2.1 Grandeurs dosimétriques primaires
Les grandeurs dosimétriques primaires sont la fluence φ, la dose absorbée D et le kerma
CHAPITRE 4. DES INTERACTIONS PHYSIQUES AUX GRANDEURS DE RADIOPROTECTION
Figure 4.8 – Liens entre les grandeurs dosimétriques primaires, grandeurs de protection et grandeurs opérationnelles
grandeurs de protection et opérationnelles.
Les grandeurs dosimétriques primaires, ou grandeurs physiques primaires, sont direc-tement mesurables et donnent accès à l’énergie déposée par unité de masse par un rayon-nement ionisant à la matière traversée sans prise en compte des paramètres biologiques. Il s’agit des grandeurs privilégiées en métrologie des rayonnements ionisants pour établir les références nationales et réaliser des comparaisons inter-laboratoires [26].
4.2.1.1 Dose absorbée
Lorsque le volume d’étude est macroscopique6, la dose absorbée est définie comme le rapport de l’énergie déposée moyenne Edeppar les particules chargées primaires ou secon-daires mises en mouvement par unité de masse de matière traversée. L’expression de la dose absorbée est donnée par l’équation4.12[24] et est exprimée en grays (Gy ou J·kg−1). Celle-ci est moyennée sur le volume d’étude et ne dépend pas du caractère homogène ou non de l’irradiation. D = dEdep dm = 1 ρ ·dEdVdep (4.12) Avec :
D dose absorbée macroscopique
Edep énergie déposée moyenne par un rayonnement ionisant
ρ masse volumique du milieu traversé
m, V masse et volume du milieu traversé
6. En microdosimétrie, les interactions étant stochastiques, la dose absorbée possède une autre défini-tion.
CHAPITRE 4. DES INTERACTIONS PHYSIQUES AUX GRANDEURS DE RADIOPROTECTION
Les dépôts d’énergie pris en compte dans le calcul de la dose absorbée proviennent des excitations et ionisations provoquées par les particules chargées primaires ou secondaires mises en mouvement. Il est donc possible de relier la dose absorbée macroscopique D avec le pouvoir d’arrêt électronique (S/ρ)e, défini à l’équation 4.3, et la fluence particulaire φ selon l’équation4.13 pour les particules chargées.
D = φ · S ρ e (4.13)
4.2.1.2 kerma : Kinetic Energy Released per MAss unit
Les rayonnements indirectement ionisants mettent en mouvement des particules char-gées secondaires : des électrons dans le cas des rayons X et γ7 et des noyaux de recul dans le cas des neutrons. L’énergie déposée par un rayonnement indirectement ionisant résulte donc du dépôt d’énergie de ces particules chargées secondaires. Les interactions respon-sables de la création des particules chargées secondaires étant stochastiques, au même titre que la direction prise par celles-ci, il est difficile d’avoir directement accès à l’énergie dépo-sée Edepet donc à la dose absorbée D dans le cas des rayonnements indirectement ionisants. L’énergie transférée moyenne Etr évoquée dans la sous-partie 4.1.2.1 permet de cal-culer la somme des énergies cinétiques initiales des particules chargées secondaires aux points d’interaction dans le volume étudié.
Il est alors possible de définir le kerma, exprimé en grays, comme le rapport de l’énergie moyenne transmise par un champ de rayonnements indirectement ionisants aux particules chargées secondaires mises en mouvement par unité de masse de matière traversée (équa-tion 4.14 [24]). Le kerma peut être déterminé dans tous les milieux mais est cependant privilégié dans les milieux gazeux, notamment l’air.
K = Kc+ Kr = dEtr dm = 1 ρ ·dEdVtr (4.14) Avec : K kerma total
Kc fraction du kerma liée aux collisions
Kr fraction du kerma liée aux rayons X de freinage produits par les parti-cules chargées secondaires mises en mouvement
Etr énergie moyenne transmise par un rayonnement indirectement ionisant aux particules chargées secondaires du milieu
ρ masse volumique du milieu traversé
m, V masse et volume du milieu traversé
CHAPITRE 4. DES INTERACTIONS PHYSIQUES AUX GRANDEURS DE RADIOPROTECTION
L’énergie acquise par les particules chargées secondaires mises en mouvement peut soit engendrer des ionisations et excitations dans le milieu (kerma de collision Kc), soit pro-duire des rayons X de freinage (kerma de rayonnements Kr). Le kerma total K est donc la somme des kerma de collision Kc et de rayonnements Kr.
La différence entre la dose absorbée D et le kerma K est illustrée par la figure 4.9. Dans cet exemple, il est considéré un flux de rayonnements γ interagissant dans un volume sensible modélisé par le disque gris. L’énergie déposée vaut Edep = (E′
1− EXf) + E′ 2 +
E3′−+ E3′++ E4′ + E5′ + E6′, tandis que l’énergie transmise vaut Etr = E1+ E2 + E3. Il apparaît ainsi que Edep6= Etr et, par conséquent, D 6= K.
Figure 4.9 – Interactions de rayonnements γ (en rouge) dans un volume sensible (en gris) mettant en mouvement des électrons secondaires (en bleu)
Toutefois lorsque l’énergie, le nombre et la direction des particules chargées sont homo-gènes dans le volume sensible8, il s’établit l’équilibre électronique et il vient Edep ≈ Etr, donc K ≈ D [27].
Le kerma est une grandeur facilement et systématiquement mesurable pour les par-ticules neutres contrairement à la dose absorbée. Il s’agit donc de la grandeur primaire privilégiée pour la détermination d’une référence dosimétrique dans le cadre de la métrolo-gie des rayonnements X et γ, lorsque les conditions de l’équilibre électronique s’appliquent.
8. Lorsque la somme des énergies des particles chargées entrantes et sortantes du volume sensible sont égales :PEin=PEout.
CHAPITRE 4. DES INTERACTIONS PHYSIQUES AUX GRANDEURS DE RADIOPROTECTION
4.2.1.3 Fluence φ
Les grandeurs dosimétriques primaires définies ci-dessus sont toutes fonction de la quantité de rayonnements ionisants entrant dans le volume sensible considéré. La fluence particulaire φ(E) permet de dénombrer les particules d’énergie E par unité de surface pré-sentes dans un volume d’étude. Dans le cas d’un volume sphérique de section s, la valeur de la fluence est donnée par l’équation4.15 [24].
φ(E) = dN (E)
ds (4.15)
Avec :
φ(E) fluence particulaire (à l’énergie E) en un point
N (E) nombre de particules (d’énergie E) présentes dans le volume sensible
s section du volume sensible
Il est alors possible de définir la dose absorbée D et le kerma total K en fonction de la fluence particulaire selon les équations 4.16 [24]. Les facteurs dφ(E) et kφ(E) sont des coefficients de conversion fournis par la CIPR [21].
D =P E dφ(E)· φ(E) =P E µen ρ E· E· φ(E) K =P E kφ(E)· φ(E) =P E µtr ρ E· E· φ(E) (4.16)