Existerait-il une grande efficacité des neutrons à très faibles doses ?
Chapitre 4 :Spectrométrie avec le code de simulation MCNP4C
4.4 Simulation de notre dispositif expérimental à l’aide du code MCNP4C
4.5.2 Influence des flacons de cultures cellulaires
Nous présentons dans ce chapitre les spectres en énergie des neutrons, photons et électrons obtenus à l’interface entre les flacons de cultures avec ou sans casemate d’irradiation. Les spectres présentés expriment la fluence des diverses particules par cm2, celle-ci est normalisée par neutron incident.
4.5.2.1 Spectres en énergie des neutrons
Les deux figures ci-dessous montrent les spectres de neutrons obtenus avec MCNP4C au niveau de l’interface entre les deux flacons (distance à la source 13 cm)
Figure 44 : Spectre en énergie des neutrons au niveau de l’interface entre les flacons
sans casemate
Figure 45 : Spectre en énergie des neutrons au niveau l’interface entre les flacons avec
casemate
Sur les spectres, on retrouve la prédominance du pic à 14 MeV. La figure 44 montre une distribution quasi uniforme des neutrons d’énergie dégradée inférieure à 14 MeV.
Si l’on compare avec la figure 39 donnée dans le paragraphe 4.5.1.1 (voir spectre avec casemate première face), la figure 45 montre une augmentation de la proportion de neutrons de faible énergie (entre l’énergie thermique et environ 8 MeV). Ce spectre est obtenu après le passage des neutrons incidents (14 MeV) à travers le premier flacon de culture. Ce dernier est rempli d’un liquide nourricier dont la composition peut être assimilée à celle de l’eau. Or l’eau est un milieu fortement modérateur pour les neutrons rapides, on comprend donc bien l’effet de ce milieu sur la dégradation en énergie des neutrons.
Quantitativement, la proportion de neutrons d’énergie dégradée est de 20,13%, par contre cette même proportion est de 30,46% en présence de la casemate d’irradiation. Dans le cas ou la cellule est placée sur la première face en présence de casemate cette proportion était de 16,03%. La présence du premier flacon de culture joue donc un rôle important sur la dégradation en énergie des neutrons.
4.5.2.2 Spectres en énergie des photons
Les deux figures ci-dessous montrent les spectres de photons obtenus avec MCNP4C au niveau de l’interface entre les deux flacons (distance à la source 13 cm)
Figure 46 : Spectre en énergie des photons au niveau de l’interface entre les flacons sans
casemate
Figure 47 : Spectre en énergie des photons au niveau l’interface entre les flacons avec
casemate
Le nombre total de photons par rapport au nombre total de neutrons représente une proportion de 4,84% sans casemate et 27,78% avec casemate. Dans le cas précédent (à 10,5 cm de la source) ces proportions respectivement étaient de 2,9% et 20,64%. On constate donc que la présence du flacon augmente légèrement la proportion de photons. Ces derniers proviennent de l’interaction des neutrons avec le milieu de culture cellulaire.
4.5.2.3 Spectres en énergie des électrons
Les deux figures ci-dessous montrent les spectres des électrons obtenus avec MCNP4C au niveau de l’interface entre les deux flacons (distance à la source 13 cm)
Figure 48 : Spectre en énergie des électrons au niveau de l’interface entre les flacons
sans casemate
Figure 49 : Spectre en énergie des électrons au niveau l’interface entre les flacons avec
Ces deux figures montrent une très faible proportion d’électrons dans le flux de neutrons primaire. Quantitativement, le nombre total d’électrons par rapport au nombre total de particules (neutrons, photons et électrons) est de 0,17% sans casemate et de 0,70% avec casemate. Nous pouvons noter une légère augmentation de ces proportions par rapport au premier cas.
Sur le plan qualitatif, nous pouvons résumer les différents résultats obtenus dans ce chapitre dans le tableau 14, les grandeurs représentent les pourcentages de neutrons d’énergie dégradée, de photons et d’électrons par rapport au nombre total de particules :
Sans casemate Avec casemate
Première face Interface Première face Interface Neutrons d’énergie dégradée 6,38 % 20,13 % 16,03 % 30,46 % Photons 2,90 % 4,84 % 20,64 % 27,78 % Electrons 0,11 % 0,17 % 0,42 % 0,70 %
Tableau 14 : Récapitulatif des résultats de spectrométrie obtenus avec MCNP4C Le code de simulation MCNP4C est un puissant outil qui nous a permis de réaliser une spectrométrie neutrons, photons et électrons dans notre casemate d’irradiation, celle-ci aurait été très difficile à réaliser expérimentalement. Cependant, MCNP4C ne donne pas accès aux détails concernant les reculs chargés créés, par exemple, lors de l’interaction des neutrons avec le milieu biologique. Pour cela il nous est donc apparu nécessaire de concevoir notre propre code de simulation, ce dernier permet une étude plus fine des mécanismes physiques se produisant à l’échelle de la cellule.
L’interprétation des résultats expérimentaux obtenus sur les cellules de mélanome est très complexe : elle met en jeu les phénomènes physiques qui se produisent lors de l’interaction des neutrons et du ralentissement des reculs chargés produits par ces interactions ; les électrons produits à la suite de ces processus peuvent alors engendrer une série d’effets biologiques sur les divers composants de la cellule. Il n’est pas possible dans le cadre de ce travail de traiter l’ensemble des phénomènes ; dans un premier temps nous avons simplement simulé d’une part l’interaction des neutrons avec le milieu cellulaire, la production de particules chargées et d’autre part la production d’électrons d’ionisation créés à partir de ces particules chargées. Il est clair que de telles simulations ne sauraient résoudre les divers problèmes radiobiologiques, mais elles constituent un outil précieux pour une meilleure compréhension des phénomènes, pour mieux orienter les axes de recherche, faire le lien avec d’autres travaux expérimentaux ou simulations déjà existants. Les simulations obtenues à l’aide du code MCNP4C nous ont permis de montrer que le flux de neutrons irradiant les cultures cellulaires n’était pas monoénergétique mais comportait une composante de neutrons d’énergie dégradée d’environ 16,03% au niveau de la face d’entrée du premier flacon. Dans le paragraphe suivant, nous décrivons les simulations élaborées au laboratoire. Ces dernières ont dans un premier temps utilisé une source de neutrons monoénergétiques de 14 MeV. Puis, grâce aux résultats fournis par MCNP nous avons ensuite simulé une source de neutrons comportant une composante de neutrons d’énergie dégradée.