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Physique appliquée à l’exposition externe : dosimétrie et radioprotection
1.1 Grandeurs dosimétriques
1.1.1 Dose absorbée totale et transfert linéique d’énergie
La dosimétrie biologique va consister dans un premier temps à caractériser
la dose physique déposée dans les tissus humains. Cette démarche revêt
d’emblée une double problématique que nous allons développer : « typologie »
du dépôt d’énergie en fonction du type de rayonnement et dimension du volume de tissu dans lequel est caractérisé ce dépôt.
En première approche, dans un contexte macroscopique, c’est-à-dire pour
un volume V entourant une masse m de matière suffisamment grande (échelle
tissulaire), soumise à un rayonnement ayant déposé une énergie E dans cette
dernière, la dose est définie selon l’expression (1.1).
E
D
m
=
(1.1)
Dans le système international cette grandeur est homogène à des J·kg
–1
mais son unité, le gray (Gy), émane du nom d’un des pères fondateurs de la
dosimétrie (1 Gy = 1 J·kg
–1
). La barre sur la variable D indique que le résultat
de ce calcul résulte d’une moyenne : peu importe la « topologie » de dépôt de
dose. Autrement dit, que la masse m ait été irradiée de façon homogène ou
pas, le résultat final est moyenné sur la masse totale. Cette grandeur macroscopique sera appelée dans la suite de l’ouvrage : « dose déposée totale ». Sans
plus de détails, nous dirons que les dépôts d’énergie sont la résultante des excitations, ionisations et plus généralement de la mise en mouvement de toute
particule chargée secondaire (e.g. électrons pour les photons, noyaux de recul
pour les neutrons). Le nombre total d’ionisations et d’excitations peut être
extrêmement important et peut atteindre de l’ordre de 10
5 pour une dose de
1 Gy dans un volume de la dimension du noyau cellulaire.
Une fois la dose déterminée, la « typologie » de la dose déposée le long de
la trajectoire de la particule incidente s’avère ensuite déterminante puisque la
façon dont l’énergie est déposée influence considérablement la réponse du milieu traversé, en l’espèce les tissus humains. En effet, une des limitations majeures de l’approche conduisant à la dose telle que définie à l’équation (1.1) est
l’absence de prise en compte de la géométrie de dépôt d’énergie dans le volume
cible. En particulier, il est évident que la compréhension de l’action des rayonnements sur la matière biologique requiert des informations à l’échelle de
l’ADN, c’est-à-dire pour des dimensions de cible inférieures au μm.
On a pu constater en effet, qu’à quantité égale d’énergie absorbée, l’effet
produit dépend de la nature de la particule incidente. Pour un certain type de
rayonnement comme les photons, les électrons et les protons de hautes énergies, les localisations des ionisations et des excitations sont séparées dans
l’espace. En revanche, pour les protons de faible énergie, les neutrons et les
ions, les ionisations sont relativement groupées au voisinage proche du passage
de la particule dans les tissus. La figure 1.1 donne une vision schématique de la
Physique appliquée à l’exposition externe : dosimétrie et radioprotection
1.1 Grandeurs dosimétriques
1.1.1 Dose absorbée totale et transfert linéique d’énergie
La dosimétrie biologique va consister dans un premier temps à caractériser
la dose physique déposée dans les tissus humains. Cette démarche revêt
d’emblée une double problématique que nous allons développer : « typologie »
du dépôt d’énergie en fonction du type de rayonnement et dimension du volume de tissu dans lequel est caractérisé ce dépôt.
En première approche, dans un contexte macroscopique, c’est-à-dire pour
un volume V entourant une masse m de matière suffisamment grande (échelle
tissulaire), soumise à un rayonnement ayant déposé une énergie E dans cette
dernière, la dose est définie selon l’expression (1.1).
E
D
m
=
(1.1)
Dans le système international cette grandeur est homogène à des J·kg
–1
mais son unité, le gray (Gy), émane du nom d’un des pères fondateurs de la
dosimétrie (1 Gy = 1 J·kg
–1
). La barre sur la variable D indique que le résultat
de ce calcul résulte d’une moyenne : peu importe la « topologie » de dépôt de
dose. Autrement dit, que la masse m ait été irradiée de façon homogène ou
pas, le résultat final est moyenné sur la masse totale. Cette grandeur macroscopique sera appelée dans la suite de l’ouvrage : « dose déposée totale ». Sans
plus de détails, nous dirons que les dépôts d’énergie sont la résultante des excitations, ionisations et plus généralement de la mise en mouvement de toute
particule chargée secondaire (e.g. électrons pour les photons, noyaux de recul
pour les neutrons). Le nombre total d’ionisations et d’excitations peut être
extrêmement important et peut atteindre de l’ordre de 10
5 pour une dose de
1 Gy dans un volume de la dimension du noyau cellulaire.
Une fois la dose déterminée, la « typologie » de la dose déposée le long de
la trajectoire de la particule incidente s’avère ensuite déterminante puisque la
façon dont l’énergie est déposée influence considérablement la réponse du milieu traversé, en l’espèce les tissus humains. En effet, une des limitations majeures de l’approche conduisant à la dose telle que définie à l’équation (1.1) est
l’absence de prise en compte de la géométrie de dépôt d’énergie dans le volume
cible. En particulier, il est évident que la compréhension de l’action des rayonnements sur la matière biologique requiert des informations à l’échelle de
l’ADN, c’est-à-dire pour des dimensions de cible inférieures au μm.
On a pu constater en effet, qu’à quantité égale d’énergie absorbée, l’effet
produit dépend de la nature de la particule incidente. Pour un certain type de
rayonnement comme les photons, les électrons et les protons de hautes énergies, les localisations des ionisations et des excitations sont séparées dans
l’espace. En revanche, pour les protons de faible énergie, les neutrons et les
ions, les ionisations sont relativement groupées au voisinage proche du passage
de la particule dans les tissus. La figure 1.1 donne une vision schématique de la