Physique pour la médecine

...la théorie!

Radioprotection

Chapitre II: Détection des   particules.

II.E. Paramètres de détection.

 

1)Angle solide.

 

a.Définition.

 

Soit une sphère de rayon R et soit, sur la surface de cette sphère, une calotte sphérique de surface S.


Radioprot IIE 1


Par définition, l'angle solide sous lequel cette calotte est vue depuis le centre est donné par:

 

 Radioprot IIE 7

 

Cette grandeur mesure en fait l'ouverture du cône qui partant du centre de la sphère s'ouvre sur la calotte. Son unité SI est le stéradian, unité qui correspond à une surface S=R². Etant donné que la calotte la plus ouverte qui soit n'est pas autre chose que la sphère complète, dont la surface S=4πR², on en déduit que l'angle solide maximum vaut ω=4πR²/R²=4π stéradians. Il correspond à une ouverture du point central sur tout l'espace qui l'entoure.

 

Radioprot IIE 8 

 

On notera l'analogie avec la définition d'un angle plat défini par un arc de longueur L sur un cercle de rayon R par la formule θ=L/R, dont l'unité est le radian (pour L=R) et dont la valeur maximum θmax=2π radians correspond au périmètre complet de longueur L=2πR.

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Chapitre II: Détection des   particules.

II.D. Autres

 

1)Film photographique.

 

Le film photographique est une émulsion où le milieu est un gel et où la phase dispersée est constituée de microcristaux de bromure d'argent AgBr. L'interaction des photons avec le film affecte certaines liaisons ioniques dans les cristaux. Le développement du film réduit complètement les cristaux atteints, ce qui amplifie considérablement l'information. Le résultat est un noircissement du support aux endroits exposés.

Pour plus d'informations sur ce type de support, on se reportera au §V.A du sujet "radiologie conventionnelle", domaine d'imagerie où le film photographique a joué un rôle de premier plan. Il est aussi à la base d'un modèle de dosimètre parmi les plus simples et les plus répandus, ce qui sera développé au chapitre III ci-dessous.

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Chapitre II: Détection des   particules.

II.C. Semi-Conducteurs.

 

Dans la matière, les électrons liés aux atomes sont dans des états d'énergie basse, de liaison, dont l'ensemble forme ce qu'on appelle la bande de valence. Pour les arracher de ces niveaux il faut leur donner de l'énergie supplémentaire qui les porte vers des niveaux hauts où ils se trouvent libres de se mouvoir au travers du matériau, et par là libres de participer éventuellement à un courant électrique. Ces états hauts forment la bande de conduction.

Un isolant est un milieu solide où la bande de conduction est nettement séparée de la bande de valence par un saut en énergie important, la bande interdite. Les électrons sont tous fortement liés et ne trouvent pas en général suffisamment d'énergie pour passer en conduction, d'où la résistance électrique globale élevée.

Dans les métaux, les bandes de valence et de conduction se chevauchent, ce qui veut dire qu'o y trouve en permanence des électrons libres ou très peu liés, capables en tout cas de répondre sans difficulté à un champ électrique et de former un courant.

Dans les semi-conducteurs, comme le nom l'indique, la situation est intermédiaire entre ce qui se passe dans les isolants et ce qui se passe dans les métaux. Les bandes de conduction et de valence sont séparées comme dans les isolants, mais le saut en énergie qui les sépare est beaucoup plus réduit, de l'ordre de l'électron-volt. A priori tous les électrons sont liés (à très basse température les semi-conducteurs sont de bons isolants) mais il suffit de peu d'énergie pour en faire passer certains en conduction. A température normale, l'agitation thermique à elles seule peut assurer certaines transitions.

Les semi-conducteurs type sont le silicium et le germanium, mais il en existe beaucoup d'autres de formule composée, comme le GaAs ou le GaSe, le CdTe ou le ZnTe.

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Chapitre II: Détection des   particules.

II.B. Scintillation.

 

1)Les scintillateurs

 

Les scintillateurs sont faits de matériaux où l'énergie des particules incidentes provoque l'émission de photons lumineux. Il s'agit d'un phénomène de fluorescence en ce sens que la production de lumière est rapide, par opposition à la phosphorescence où l'émission est plus tardive.

Une particule qui traverse le milieu actif provoque par choc le long de son parcours la transition d'électrons vers des niveaux excités, dont ils redescendent en émettant un photon. Il peut s'agir d'excitation moléculaire (scintillateurs organiques) ou d'excitation d'un réseau cristallin (scintillateurs inorganiques)

 

a.Scintillateurs organiques.

 

L'excitation est de type moléculaire en ce sens que ce sont surtout les électrons de valence qui sont concernés Les matériaux couramment utilisés sont des plastiques scintillateurs de type polymère, l'anthracène, le stilbène, la naphtaline ou le polystyrène. Leur numéro atomique moyen n'étant pas très élevé, ils ne favorisent pas l'effet photoélectrique et dès lors ne conviennent pas vraiment pour la spectrométrie des rayons X ou gammas. Par contre ils sont très bien adaptés à la détection des particules chargées, auxquelles ils sont très sensibles et pour lesquelles leur réponse en fonction de l'énergie est très linéaire.

 

b.Scintillateurs inorganiques.

 

Il s'agit de milieux cristallins transparents, où des électrons de la bande de valence se voient portés vers la bande de conduction. Il apparaît ainsi une paire électron-trou qui peut se déplacer dans le cristal. Des impuretés présentes dans le cristal y créent des niveaux d'énergie dans la bande normalement interdite, entre la bande de valence et la bande de conduction. Ce sont ces impuretés qui provoquent l'émission du photon.

En choisissant des matériaux comprenant des éléments de nombre atomique élevé, on peut en faire d'excellents détecteurs bien adaptés à la spectrométrie des photons durs.

Le NaI(Tl), cristal d'iodure de sodium dopé à 1% de thallium, lequel fournit les centres fluorescents, a été historiquement et de très loin le plus utilisé. Son défaut est qu'il vieillit mal lorsqu'il est exposé à l'air. Il jaunit et perd ainsi en transparence. D'autres milieux lui sont aujourd'hui préférés, en particulier le germanate de bismuth BGO ou le LSO à base de lutétium, cristaux très élevés en densité (7g/cm3 pour le BGO) et donc dotés d'un haut pouvoir d'arrêt.

Le sulfure de zinc ZnS possède une haute efficacité intrinsèque, autrement dit un haut pouvoir de conversion de l'énergie en lumière, mais il n'est pas transparent à ses propres photons. Pour cette raison on ne l'utilise qu'en très fines couches, faites de petits cristaux compactés, qui servent d'écrans d'entrée dans certains systèmes tels que par exemple les amplificateurs de luminance.

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Chapitre II: Détection des   particules.

II.A Ionisation dans un gaz.

 

Soit un volume de gaz muni de deux électrodes, lesquelles sont soumises à une différence de potentiel V. L'élément positif est l'anode, le négatif est la cathode. Lorsqu'une particule passe entre les électrodes elle ionise le gaz sur son trajet, ce qui provoque l'apparition d'électrons libres et d'ions atomiques. Ces charges migrent vers l'électrode de signe opposé et, lorsqu'elles l'atteignent, provoquent une diminution momentanée de potentiel qui va se propager dans le circuit, ce qu'on appelle une impulsion.

 

Radioprot IIA_1 

 

La pression à l'intérieur du volume est un paramètre fixe mais important puisqu'il détermine la quantité de matière active, donc la probabilité d'interaction entre la particule et le gaz, donc l'efficacité du détecteur.

Dans une configuration très fréquente de ce type de détecteur, la forme est cylindrique, avec comme première électrode le cylindre extérieur relié à la terre et comme deuxième électrode un fil central porté au potentiel V. Certains dosimètres ont ainsi la forme d'un stylo, facile à porter, alors que certains compteurs prennent l'aspect d'une sorte de micro à balader là où doit se faire la mesure.

 

Radioprot IIA_2 

 

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