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Sur la détermination absolue de la dose locale d’un
rayonnement X issu d’une source étendue
A. Rogozinski
To cite this version:
SUR
LADÉTERMINATION
ABSOLUE DELA DOSE LOCALE D’UN
RAYONNEMENT
X ISSU D’UNE SOURCEÉTENDUE
Par A. ROGOZINSKI.
Laboratoire de
Physique
Médicale de la Faculté de Médecine deParis,
Prof. A. Strohl.Sommaire. 2014 I. On rappelle brièvement le principe sur lequel est basée la détermination absolue de la
dose, ainsi que la définition analitique : 1° de la « dose locale » Q =
dq/dv,
se traduisant par la dérivée, parrapport au volume v, de la charge q recueillie dans la chambre d’ionisation, et 2° de la « dose locale par sec » I
= di/dv,
où i est l’intensité du courant d’ionisation. Lorsque q et i sont exprimés enU. E. S. C, G. S., Q et I s’expriment respectivement en unités « r » intern. et « r » par sec.
II. On établit les formules qui donnent I dans le cas d’une source ponctuelle. Elles sont valables pour des rayonnements de longueur d’onde relativement grande et pour des faisceaux de grande ouverture. On
détermine, en particulier, l’erreur relative commise en négligeant l’effet de grande ouverture.
III. On discute la manière de définir, en un
point
donné de l’espace, l’intensité d’une radiation issue d’une source étendue. On analyse les deux cas, où l’intensité est définie par la puissance du rayon-nement1° traversant une unité de surface en ce point
(dP/d03C3),
ce qui correspond à la notion d’éclairement, et 2° absorbée par unité de volume en cepoint (-dP/dv),
quantité identique, au facteur Va (potentiel d’ionisation de l’air) près, à la dose locale par sec.IV. On examine enfin les difficultés que l’on rencontre dans le dosage absolu d’un tel rayonnement et on indique les conditions précises dans lesquelles il faut se placer pour effectuer correctement ce dosage.
Les résultats obtenus
s’appliquent,
en particulier, à des rayonnements relativement absorbables.I.
Introduction.
Le
dosage
absolu d’unrayonnement
Xprovenant
d’une source étendue constitue un
problème
dont lasolution
rigoureuse comporte
encore de nombreusesdifficultés. On
sait,
eneffet,
que la détermination absolue de la dose revient essentiellement à la mesuredes deux
grandeurs qui
sont : 1° le courant d’ionisation et2° le volume
d’air,
où il apris
naissance(1 ).
Or,
s’il est relativement aisé de mesurer avecpréci-sion le courant
d’ionisation,
il n’en est pas de même du volume que l’on déduit de laconfiguration géométrique
du
système
formé par la source, le D.E.(diaphragme
d’entrée de la chambre
d’ionisation)
et l’E.M.(électrode
demesure).
Laplus grande
erreur résulte ainsi de l’in-certitude sur le volume enquestion,
et cette incertitudeaugmente
avec les dimensions de la source,généra-lement mal définie. D’autre
part,
les conditions (1) Adoptée par le Congrès International de Radiologie de Stockolm en 1928, l’unité de dose « r » fut définie de la manière suivante :« L’unité internationale du rayonnement X est représentée par la quantité de ce rayonnement qui, tous les électrons secondaires étant utilisés et l’effet de paroi éliminé dans la chambre d’ionisation, produit, dans un volume de 1 em3 d’air
atmosphérique à O9C et sous une pression de ’76 cm de Hg, une
ionisation telle qu’une charge d’une unité électrostatique est
mesurée lorsque le courant d’ionisation est saturé ».
deviennent encore
plus
défavorables,
lorsqu’il s’agit
de rayons mous, car la chambre d’ionisation doit alors êtreplacée
à faible distance de la source. A cette diffi-culté s’enajoute
une autre : la distributionhétéro-gène,
avec des zones dediscontinuité,
durayonnement
qui
traverse le volume à mesurer. C’est l’effet depénombre.
On sait que dans la
pratique
on tourne la difficultéque
présente
la détermination duvolume,
enayant
recours au raisonnement suivant : A l’intérieur de la chambre
d’ionisation,
l’énergie
durayonnement qui
traverse une sectionquelconque, parallèle
auplan
duD.E.,
estégale
àl’énergie qui
traverse ceD.E.,
si tou-tefois lerayonnement
se propage sanspertes
sensibles. Parconséquent,
l’intensité du courant d’ionisationpro-portionnelle à
lapuissance
durayonnement
estégale
au
produit
de ladose,
rapportée
à l’unité detemps,
auniveau du D.E. par le volume du
cylindre
droit, ayant
pour hauteur la
longueur
de l’E.M. et pour base lasur-face du D.E.
Ce raisonnement est suffisamment
rigoureux
dans lecas des rayons
pénétrants,
où la distancequi sépare
la chambre d’ionisation de la source est relativementgrande
parrapport
aux dimensions de celle-ci et où les surfaces d’intensitéégale
sont sensiblement desplans,
mais il cesse de l’être pour une radiationplus.
absorbable. En
effet,
d’unepart,
larépartition
des169
intensités dans
chaque
section n’estplus
uniforme,et,
d’autre
part,
l’énergie
totalequi
traverse en unité detemps
les sections successives n’a pas la même valeur,puisque
lerayonnement
s’affaiblit lelong
de sontrajet.
L’application
pure etsimple
du raisonnement quenous venons
d’exposer
conduit ainsi à des erreursqui
augmentent
rapidement
avec lalongueur
d’onde durayonnement
incident. Onpeut,
certes,
recourir à descorrections,
mais ces corrections elles mêmes sont engénéral
considérablement affectées par l’incertitude concernant lesgrandeurs
qui
caractérisent la source(étendue,
distribution desbrillances,
etc.)
et lacom-position spectrale
du faisceau des rayons X ainsi que les valeurs des coefficientsd’absorption.
Dès
lors,
la meilleure solution duproblème
consiste à éliminer ou, dumoins,
à réduire ces erreursexpéri-mentalement,
c’est-à-dire à réaliser des conditions telles que les effets des facteurscorrespondants
deviennentnégligeables
ou peuimportants.
Nous verrons par lasuite de
quelle
façon
il estpossible d’y parvenir.
Dans laprésente
étude nous avions surtout en vuedes sources étendues à deux dimensions. Mais le
rai-sonnement suivi
s’applique également
à des sources à une et à trois dimensions. Ce dernier cas seprésente
par
exemple
quand
la source est constituée par unvolume de
matière,
diffusant unrayonnement
X. On trouvera dans l’indexbibliographique
lespubli-cations
principales
concernant les différentspoints
traités au cours de ce travail.Il.
Rappel
des notions. Sourceponctuelle.
-1. Dose locale. -
Rappelons
d’abord enquelques
mots le
principe
surlequel
est basé la détermination ~absolue de la dose.D’après
sadéfinition,
la dose absolue d’unrayonnement
X se mesure par laquantité
d’électricité libérée par ce
rayonnement,
dans uneunité de
volume,
dans des conditions normales de pres-sion et detempérature.
Leproblème
consiste donc à mesurer lacharge
totale recueillie dans un volume d’air bien défini. On nepeut
évidemment songer à délimiter par desparois
un volume connud’air,
carsuivant sa
composition
et sesdimensions,
laparoi
elle-même fournirait un courant d’ionisation et
absorbe-rait une
partie plus
ou moinsimportante
du rayon-nement. Aussi la méthode laplus
rationnelle dudosage
absolu consiste-t-elle àdisposer
sur letrajet
dufais-ceau des rayons X une chambre d’ionisation à
champ
radial ou uniforme biendéfini,
de manière que levolume irradié
auquel correspond
le courant d’ionisa-tionpuisse
se déduire de l’aire du D.E.qui
délimite le faisceau et de lalongueur
de l’E.M.(généralement
munie d’électrodes degarde).
Rappelons également
la définitionanalytique
de ceque nous avons dénommé « dose locale o. Elle est
don-née par
l’expression
c’est-à-dire par la dérivée de la
charge
recueillie q
parrapport
au volume v.Nous nous
servirons,
toutefois,
exclusivement d’uneautre
grandeur :
la « dose locale par sec » définie paroù i
représente
l’intensité du courant d’ionisationQ,
1, q
et i sontexprimés,
lespremiers
en unités « i ointern.,
les seconds en U.E.S.C.G.S.Q
et I sont desfonctions
d*unpoint
donné del’espace.
Comme dans lesapplications pratiques,
lerayon-nement ne varie pas avec le
temps t, Q
et 1 sont liés parla relation
Q
= It2. Source
ponctuelle.
Méthode du faisceau degrande
ouverture. -Lorsque
la source durayonne-ment
peut
être considérée commeponctuelle,
le pro-blème neprésente
aucune difficulté.Nous en donnons ici un aperçu
sommaire,
afin decompléter
l’étudequi
faitl’objet
duprésent
travail. La méthode que nous allons suivre estlégèrement
diffé-rente de celle dont nous nous sommesdéjà
servis dansun travail antérieur
(loc. cit.),
où le résultat obtenu doitcependant
subir unepetite
modification(cos p
au lieu de cos 3/1.p).
Fig. 1. - Schéma d’une chambre d’ionisa ’ion
à électrodes planes et parallèles.
(A,), électrode de mesure de longueur 21, ; (A,), (A2), électrodes
de garde; (A3), électrodes parallèle à l’ensemble (A,~) (A2);
0, source du rayonnement; 0,. centre du diaphragme d’entrée de rayon Rl ; A, centre du volume défini dans le texte; 0A = d = po + 1.
Reportons-nous
à lafigure
1.Admettons que la source 0 rayonne de
l’énergie
uniformément
répartie
dansl’angle
solide,
déterminé par le faisceau de rayons Xpénétrant
dans la chambre d’ionisation. Nous avons montré(loc,
cuit.)
que, I et10
étant les valeurs
respectives
de la dose locale par sec. à des distances p et po de la source et (J. le coefficientd’absorption
durayonnement,
supposé
monochroma-tique,
on a
-d’où,
en vertu de(2),
Faisons
correspondre
10
au centre0,
du D. E. etdésignons
parRi
le rayon de celui-ci. Avec les notations de lafigure
1 on aet
Pour
tl.fi
inférieur à une certaine valeur[v.
inégali-tés (44-°5) J
et pouron
peut
poser avec une bonneapproximation
(1).
Il vient ainsi
Or,
il est facile de prouver, par undéveloppement
en série suivant les
puissances
detg2’fo,
queet
les termes non écrit., étant de
puissance plus
élevée que 4.Négligeons
les termes;4
pour un angle aussi grand que iqo = 20 °)
et
remplaçons
par v lefacteur Tt R12 2/1 qui
représente
le volume du
cylindre
droit de baseégale
à l’aire du D.E. et de hauteurégale
à lalongueur
de(4")
devient alorset finalement
(1) L’intégrale qui figure dans (4’) peut se réduire au
loga-ritlime-intégral dont les tables ont été dressées par Glaisher et
par Akahira (loc. cil.).
Cette
expression
se réduit àlorsque
l’absorption
estnégligeable
Si le
rayonnement
n’est pasmonochromatique;
on.remplacera y.
par la valeur moyenne l1-m que déduira deL’erreur
relative,
commise ennégligeant
l’effetde
grande
ouverture est(v. fig. 2).
1;"g. z.
’
Dans cette
relation,
la valeur maximum quepeut
prendre po,
pourchaque angle
90, est fixée par(5).
III. Source étendue et intensité du rayonne-ment en unpoint
donné del’espace.
-1. Soient(1)
la surface émettrice et(~)
une surfacequelconque
dans
l’espace (fig.
31. Si le milieu danslequel
sepro-pagent
les radiations estabsorbant,
lapuissance
du171
solide d GJ et
qui
parvient
à une section dedam,
située à une distance i- deda,
estoù bt
et N;,représentent respectivement
la brillance etle
coefficient
correspondant
à lalongueur
d’ on de A’
Fig.3.
2. On
peut
caractériser unrayonnements
enpoint
del’espace
de deux manières :10 Par la
puissance
durayonnement qui
passe par unité de surface en cepoint,
c’est-à-direpar la grandeur
d.P ,
=
(V.
fig.
3).
d q
En vertu de
(10),
onobtient, aprés
avoirremplacé
dw
par r2 .
et da cos 0 par r2(Q)
étantl’angle
solide souslequel
on voit dupoint
considéré toute la surface(1).
0!n définira la normale à
(x)
de sorte que cos 0con-serve
toujours
une valeurpocitive.
La
grandeur
J, qui
correspond
à la notion d’écla ire-ment, est couramment utilisée enoptique
des radiationsvisibles,
où l’on fait intervenirgénéralement
dans les mesures dessurfaces
absorbantes oudiffusantes( surfaces
noircies,
cellulesphotoélectriques
ou à couche d’arrêt, écransdiffusants,
etc...)
Mais cequ’il
convient surtoutde
souligner,
c’est que l’intensité dont nous venons de donner la définitiondépend
de l’orientation del’élé-ment
d3
dansl’espace. Aussi
serait-ilindiqué,
afin d’éviter touteéquivoque,
de caractériser lerayonnement
nonplus
parl’intégrale
qui
figure
dans la relation(11),
mais par la valeur maximumqu’elle prend
pour unecertaine orientation déterminée cte d~.
2° Par
contre,
dans le domaine des rayonsX,
où l’on fait t intervenirgénéralement
dans les mesures des voliunes(ionisation),
il estplus
rationnel decaractéri-ser le
rayonnement
en unpoint
donné del’espace
par lagrandeur ( 2013 dp )’
(
c’est-à-dire par lapuis-sance absorbée par unité de volume en ce
point.
Cettegrandeur
nedépend
pas de l’orientation de l’élément dv. Elle est donnée par3. L’intensité du courant d’ionisation (à
saturation)
étant
proportionnelle
à lapuissance
durayonnement,
la dose locale par sec. 1 et D ne diffèrent que par lefacteur
Va,
lepotentiel
d’ionisation del’air,
exprimé
en U.E.S.C.G.S.
[comp.
(2)1.
D ==
Va
1 =1,,, di
(f3)
dv
v1 a donc pour
expression
Supposons
lerayonnement monochromatique.
Soient,
d’autrepart, lo-
une valeurparticulière
deI, en
unpoint
donné del’espace,
f20
la valeurcorrespondante
de Q et ro la valeur queprend r, lorsque
les trois para-mètresqui
fixent lepoint
sont considérés comme des constantes(ra
demeuretoujours
fonction des para-mètres dontdépend
da).
Alors ,et l’intensité du courant d’ionisation
correspondant
àun
yolume:C V)
sera donnée pard’ou
(’ette
jointe à
(15)
clorrrre la valeur de la ’dose locale sec. en del’esl)aee.
Pour un
rayonnement
complexe,
on conserveral’ex-pression
de 1, donnée par(14).
IV. Source étendue et détermination
pratique
de la dose locale. - 1.
Complexité
duproblème.
-Les formules que nous venons d’établirsupposent
que levolume (
F)
est renducomplètement
indépendant
de lasource. Mais il ne l’est
point
dans lesapplications
pra-tiques,
car ildépend
à la fois de 1-’étendue de la sourceet de la distance à
laquelle
ellp estplacée.
En effet cevolume est défini par le D.
E.,
par deuxplans
parallèles
au
plan
de
cediagrammes,
et. passant
pour lesextrémi-tés de l’E.
M.,
et par le faisceau de rayonsqui pénètre
dans la chambre d’ionisation.
pas uniforme
etprésente
même des discontinuités. On ydistingue
desrégions
de «pleine
lumière » et desrégions
de «pénombre.
o Parexemple
lerayonnement
qui
par-vient à un
point
M situé dans(V),
émane de laportion
(1:’), découpée
dans la surfaceémettrice (£)
par le cônequi
a pour sommet lepoint M
etqui s’appuie
sur le bord du D. E.(fig. 4).
Lagrandeur
de(1’)
dépend
essentiel-lement de laposition
dupoint
M,
excepté
les cas où toute la surface(1)
estcomprise
dans lecône,
c’est-à-dire où lepoint
M se trouve en «pleine
lumière ».Fig. 4.
L’intégrale
qui
figure
dans ( I 7)
doit être étendue à laportion
(~’)
et non à la surface entière(~),
sauf naturellementpour le domaine de « pleinelumière
».Par
contre,
l’intégrale
seratoujours
étendue à toute la surface(1).
On ne
peut
pas songer à évaluer12expression
(17)
dans le cas
général,
à moins d’avoir recours à desdé-veloppements
en série extrêmementpénibles. Quand
onenvisage
même un cas desplus simples,
commecelui
d’une sourcemonochromatique
circulaire,
de brillanceuniforme,
c’est-à-direrégie
par loi de Lambert(’),
a
difficulté reste encore
grande,
surtoutlorsqu’il
s’agit
d’unrayonnement
quelque
peu absorbable. Il ne faut d’ailleurs pas oublierqu’en pratique
on nepossède
presque
jamais
des donnéesprécises quelconques
rela-tivement à la source(étendue,
distribution desbril-lances,
loid’émission,
etc.).
2. Conditions
simplificatrices.
- Onarrive.
cepen-dant à unesimplification
considérable,
si l’on réalise les conditionsexpérimentales
suivantes :x)
Le D. E. est constitué par une ouverture. d’aire Ssuffisamment
petite pour
que lagrandeur
1puisse
y être considérée comme constante.~) La
longueur
2fi
de l’E. M. est inférieure à unecertaine valeur
qui
seraprécisée
par la suite[voir 24]
Cela
étant,
soulignons
à nouveau que leproblème
consiste à déterminerI,
la dose locale par sec, en unpoint
donné del’espace
d’où ton voit toute la source(~).
Constatons,
d’autrepart,
que, si la source a desdimensions
grandes
parrapport
à celle du D.E.,
l’intro-duction de ce dernier dans des conditions admisesplus
haut a pour effet deplonger l’espace
( V)
dans une sorte depénombre.
Soient alors 0 et
01 les
points,
où l’axe de la chambre (1) Cette loi ne s’applique certainement pas à unrayonne-ment X issu d’un tube radiogène (voir notamment KULENKAMPFF, loc. cil ).
(que
nousprendrons
pour undes _)
couperespecti-vement
(1)
et(S),
leplan
du D.E.,
et II s un élément desurface infiniment
petit,
situé en unpoint
0B
1 de(S)
(fig. 5).
Fig.5.
Le
rayonnement
d7qui parvient
à travers ds àun élément de volume d v en un
point
Mest,
en
partant
de où d o =cos 0..
ds,
0’,M
Dans cette relation r Pétant le
point
d’inter-section de la droite0’,M
avec(I)
(voir fig. 5).
D’une manière
analogue
à(16)
l’intensité du courant d’ionisation seraOr
dw étant
l’angle
solide souslequel
on vomit l’élé-ment dadupo’nt
0’,.
Ceci entraîneoù
(Q)
estl’angle
solide souslequel
on voit dupoint
0’i
le volume( V).
Cetangle
est d’ailleurségal
à celui(Q’o)
qui
embrasse la source du mêmepoint
0’,.
On auradonc,
enremplaçant d w
par dw et(0)
par(Q’ 0)
D’après
la conditiona),
les doses locales par sech
et1’0’
qui correspondent
respectivement
auxpoints
01
et0’i,
ont la même valeur[,r.
aussi(14)].
173
à
l’intégrale
parrapport
à(Q’o)
dans(19’),
on obtientavec
Il Pst à remarquer que dans cette dernière
opération
compté
àpartir
de01,
est restéconstant,
lepoint
AI évoluant alors dans unplan parallèle
à(S)
et situé àune distance z de celui-ci. Par
conséquent
D’autre
part,
nous avons écritplus
haut que 8,n étaitcompris
entre zéro etl’angle
maximum Il est toutefoisplus
exact de poseroù
l’angle
minimum 6m;n.peut,
enparticulier,
êtreégal
à zéro. Ce dernier cas ne seproduit
que si lecylindre,
défini par le contour du D. E et dont lagéné-ratrice est
parallèle
à l’axe de lachambre,
ne coupe pasla surface
(1).
Le choix dupoint
P devient alors arbitraire.D’ailleurs dans les
applications pratiques
6m
est presquetoujours
vo!sin de zéro._
Il est à remarquer
également
que 0mdépend,
enprincipe,
deds,
c’est-à-direqu’il
peut
avoir une valeur différente selon laposition
de ds. Enappliquant
uneseconde fois la formule de la moyenne à l’étendue de
(S),
on obtiendrait une autre valeur moyennede 0m .
Mais l’aire S du D.E étant
petite,
onpeut
admettre queUn~
estpratiquement indépendant
de d s. Il vient ainsiau lieu de
(? I )
1=
01A
étant la distancequi
sépare
le centre de l’élec-trode de mesure duplan
du D. E.Signalons
encore à cette occasionqu’en
augmentant S
au delà des limites
prévues
dans la conditiona),
on est conduit àremplacer
Io
par une certaine valeur moyennede I dans l’étendue de
(S).
La dernière
intégration
à effectuer donne :Or,
dans ledéveloppement
en sérieon pourra
négliger
le termeen p2
- et afortiori
les termes suivants --pourvu que
est un nombre
petit
parrapport
à 1 et donné d’avance. Il en résulte que lalongueur
2/1
de l’E M doit avoir une valeurPosons pour fixer les
idées, ~r,
=0,01.
On obtientainsi, [condition
~)]
-Inversement,
si l’on se donne apriori
2/1,
on pourranégliger
les termes enquestion
pourvu queEn ce
qui
concernel’intégrale,
elleprend
alors la formesimple
On obtient ainsi
finalement,
après
avoirremplacé
par v leproduit 2/1
S[V.
aussi(2.9)]
Lorsque
l’absorption
durayonnement
estnégligeable,
on
retrouve,
quel
que soitam.
la formule bien connue(Behnken;
Dauvillier,
Laborde etSaget;
Gaertner;
etc. loc.cit.).
3.
Remarques. -
A. Pour unrayonnement
hétéro--.-L
chromatique
onremplacera
e cos 6 mpar
où
désigne
un coefficientd’absorption
moyen dans deux domaines :spectral
etspatial;
car une direction d’émission ou un cône élémentaire dw étantdonnés,
lerayonnement
y est caractérisé enchaque
point
par uncoefficient
d’absorption
moyen; d’autrepart,
on obtient(1) Nous aurons l’occasion de revenir sur cette relation dans
en
général
une valeur moyenne différente de cecoeffi-cient moyen,
lorsqu’on
fait t intervenir l’ensemble de directions défini par les conditions duproblème,
B. Dans un très
grand
nombre de casexpérimentaux,
les dimensions de la source et les lois d’émission sont
telles que cos am est voisin de l’unité. L’erreur relative
commise,
en substituant dans(26)
p.1 à
, e~t tOn pourra
négliger
cette erreur, pouvu que, 1~1 étantun nombre
petit
parrapport
à 1 et donné ac’est-à-dire
ou encore
Ces
inégalités
sont àrapprocher
desinégalités
(2£-25).
Enrésumant,
onpeut
dire que la substitutionopérée
entraîne une erreur d’autant
plus négligeable
que 0,,,est
plus
voisin dezéro,
et que lerayonnement
estplus
pénétrant.
Mais neperdons
pas de vue en mêmetemps
que la
précision
qu’il
estpossible
d’atteindre dans ledosage
des rayons X est relativementfaible (v.
p. ex.hüstner loc.
cit.)
et que cette erreur est bien souventcomprise
dans les limites des erreursexpérimentales.
Notons enfin
qu’en
négligeant
lesexpressions
et
on introduit dans l’estimation due
Io
deux erreursqui
secompensent
dans une certaine mesure, car dans un cas on commet une erreur parexcès,
tandis que dans l’autre pardéfaut. Il
serait mêmepossible,
dans certains cas, de choisir lesgrandeurs
de tellefaçon
que l’erreur résultante soit nulle.Ces restrictions étant
établies,
(26)
devientsimple-ment.
pour un
rayonnement
monochromatique,
etpour un
rayonnement
complexe
w.
(27)].
Manuscrit reçu le 2 février 1935.
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