La dosimétrie par résonance paramagnétique électronique (alanine)

La radiation ionisante génère un grand nombre d’électrons non appariés (c.-à.d., qui n’est pas accompagné d’un électron de spin opposé), qui en temps normal, diffusent rapidement. La concentration de ces électrons est proportionnelle à l’énergie déposée localement (la dose). Dans certains matériaux où la diffusion est limitée (les os, l’émail des dents), la concentration d’électrons non appariés reste enregistrée pour de longues périodes. En fait, la dosimétrie par résonance paramagnétique électronique (EPR) a une longue utilisation dans les études rétrospectives d’accidents de surexposition au rayonnement car la dose enregistrée dans l’émail des dents peut être lue plusieurs années après l’incident (le centre des radicaux est extrêmement stable ∼ 107 _ans)13 _{[59]. Les principes du signal EPR sont} analogues au signal NMR en imagerie par résonance magnétique. Lorsque le matériau est placé dans un champ magnétique, les électrons non appariés s’alignent au champ et ne peuvent occuper que deux niveaux d’énergie reliés à leurs moments magnétiques ms = ± 1/2. La différence entre ces niveaux d’énergie peut être modifiée selon l’intensité du champ magnétique (∼ 350 mT) de sorte que lors de l’application d’une micro-onde de bande X (9.75 GHz), les électrons du niveau inférieur puissent subir une transition au niveau supérieur en absorbant cette énergie. Un spectre d’absorption [59] est obtenu en variant le champ magnétique autour de la fréquence de résonance (un pic). La largeur des

12_{Une tension positive peut aussi être appliquée au contact métallique.}

13_{La dosimétrie EPR a plusieurs applications incluant la reconstruction de dose lors d’incidents, l’irra-} diation de la nourriture, la datation archéologique et la radiothérapie.

pics (peak-to-peak linewidth) ∆H de la dérivée première de ce spectre est proportionnelle à la concentration des radicaux et donc à la dose absorbée [60].

Depuis quelques années, la dosimétrie EPR avec des pastilles d’alanine est utilisée comme dosimètre en radiothérapie par des chercheurs et des laboratoires standards. Les pas- tilles d’alanine sont composées d’un mélange de 90% de poudre polycristalline d’alanine (C3H7NO2) et de 10% de cire de paraffine. Ce mélange a une très bonne équivalence à l’eau grâce à sa composition et sa densité de 1.12 g/cm3_{. De plus, la réponse de sa lecture} est indépendante de l’énergie du faisceau et du débit de dose en plus d’avoir une bonne résolution [61]. Récemment, plusieurs chercheurs ont utilisé cette équivalence à l’eau pour extraire des facteurs de correction pour différents détecteurs en conditions non standard [61–67]. Cependant, la dosimétrie EPR par l’alanine a plusieurs inconvénients qui font en sorte que son utilisation en clinique reste limitée [68]. En effet, l’équipement de lecture est très dispendieux et les procédures peuvent être compliquées en plus d’être demandantes en temps.

2.5.4 Les scintillateurs

Bien que les détecteurs à scintillation plastique (PSD) soient un sujet de recherche actif depuis plusieurs années, ce n’est que très récemment qu’un modèle a été commercialisé pour la radiothérapie (Exradin W1, Standard Imaging). La fibre scintillante est formée à 97% de polystyrène et d’un fluorescent organique. À la température de la pièce (kBT = 0.025 eV), les électrons sont dans l’état fondamental S0 (ground state) [69]. Lorsqu’une particule ionisante interagit avec le scintillateur, l’énergie absorbée sert à exciter les électrons au niveau S1 avant de retourner à l’état fondamental en émettant de la lumière fluorescente qui est captée par une fibre optique qui la conduit à un photodétecteur ce qui donne un signal proportionnel à la dose absorbée. Ce processus est extrêmement rapide 10−9s [69]. L’énergie de transition entre les états S1 et S0 est ∼ 3-4 eV ce qui donne une couleur bleu- violet au scintillateur. Il est aussi possible qu’un électron dans l’état singlet S1 passe à un état triplet T1 (spins parallèle) avant de retourner à l’état fondamental. Cette transition donne l’effet de phosphorescence qui est un processus beaucoup plus lent et n’est pas utilisé par les PSD. La lumière Cerenkov est un problème majeur pour les détecteurs

à scintillation. Cette lumière est produite lorsque les électrons traversant les plastiques diélectriques de la tige ont une vitesse supérieure à la lumière dans ce milieu14_{. Pour les} PSD, les électrons ayant une énergie supérieure à 145-180 keV émettent cette lumière qui a un spectre centré sur le violet [69]. L’émission de la lumière Cerenkov est de 20 à 100 fois inférieure à la fluorescence mais devient importante considérant la quantité de plastique exposée [69]. Il existe plusieurs méthodes pour enlever la lumière Cerenkov. La technique chromatique est celle qui donne présentement les meilleurs résultats. Deux filtres de longueur d’onde sont utilisés pour obtenir deux mesures de la lumière collectée. Il est ensuite possible de découpler le signal provenant de la scintillation et de la lumière Cerenkov à l’aide de deux constantes (A et B) qui sont déterminées par une méthode d’étalonnage qui requiert des mesures dans deux conditions de champ différentes (largeur, dose, profondeur etc...)[70].

Le détecteur à scintillation plastique a une équivalence à l’eau inégalée par les autres détecteurs disponibles. La densité du polystyrène fluorescent est de 1.05 g/cm3 et la densité de la fibre optique en PMMA est de 1.18 g/cm3 _{ce qui est très proche de l’eau. Pour cette} raison, le détecteur à scintillation est approprié pour extraire des facteurs de correction pour différents détecteurs en condition non standard [71]. De plus, ce détecteur a une très bonne indépendance à l’énergie du faisceau, au débit de dose et à la directionnalité du faisceau [51]. Le signal est assez sensible pour que le détecteur soit construit avec une excellente résolution ∼ 1 mm ce qui en fait un détecteur idéal pour les mesures dans les petits champs. Son plus grand désavantage reste un étalonnage élaboré pour enlever la lumière Cerenkov.