dose et dosimétrie

La dosimétrie étudie les problèmes de rayonnements ionisants reçus (en particulier par les êtres vivants)

 

Les questions de dosimétrie expriment des mesures d'énergies (ou notions assimilées) Cela n'a rien à voir avec les questions de (radio)activité, qui n'expriment que des nombres ou fréquences d'apparition de particules ionisantes

Le terme DOSE s'utilise normalement pour qualifier une énergie, mais on trouve parfois ce terme "dose" accolé avec des adjectifs qui changent sa vraie définition >>> par exemple

-une dose équivalente est une énergie massique

-une dose d'exposition est une charge (électrique) massique, etc 

TYPES de RAYONS IONISANTS en DOSIMETRIE

Les rayonnements directement ionisants sont ceux formés par des particules possèdant une charge électrique, telles les leptons (e- , β- , μ , tau) les antileptons (e+, β+) les baryons p (protons) les mésons (pi et eta) les noyaux alpha 

Les rayons indirectement ionisants sont ceux issus de particules non électriquement chargés, mais qui provoquent l'apparition d'ions dans la matière qu'ils pénètrent: ce sont les baryons Σ, les mésons ° , les photons durs (ultra-violets, les X, les gamma) 

Les rayons dits secondaires  sont ceux qui provoquent des ionisations après avoir été eux-mêmes réfléchis ou déviés

 

On utilise 8 grandeurs d’étude pour questions dosimétriques

1.L’ÉNERGIE de DOSE est l'énergie qui affecte une masse irradiée. 

on la nomme dose (en abrégé) ou mieux  dose énergétique ou énergie ionisante et c'est l’énergie à laquelle un corps est soumis sous un rayonnement déterminé (dimension de la dose -une énergie- L2.M.T-2)

L'unité de Dose énergétique est le Sievert-kilogramme(Sv-kg) qui équivaut à 1 Joule

Cas particulier pour les rayons genre U.V. ou lumière intense : dose photothérapique avec comme unité le Finsen-seconde (soit 3.10-5 J)

Le Finsen est en effet une unité de puissance (vaut 10-6Watts) et on considère qu'à cette valeur, un patient la reçoit pendant 30 secondes, sous forme de rayon U.V. de longueur d’onde = 2,97.10-7m.

On la dénomme dose intégrale dans le cas où toute la masse totale d’un corps est soumise au rayonnement et elle s'exprime alors en Gray-kg (qui ≈ toujours à 1 Joule) 

2.L’ÉNERGIE LINÉIQUE (de DOSE)

est une énergie (dose) par unité de longueur (dimension L.M.T-2) qu’on nomme

aussi T.L.E , ou  pouvoir d’arrêt , ou densité linéique d'ionisation (D.L.I.)

et l’unité est alors le Sv-kg/m (équivalant à 1 J/m)

3.L'ÉNERGIE SURFACIQUE de DOSE

est l’énergie irradiante absorbée par la surface d’un corps

et on la nomme exposition dosimétrique :   elle est exprimée en Sv-kg/m² qui vaut 1 J/m²  Dimensions : M.T-2       Symbole W’é >> énergie qui affecte une surface irradiée  

L'énergie surfacique solaire ionisante est peu faible ( peu de rayonnements ionisants)

Exemple à Marseille, en hiver, réception de 5.000 J/m² (et en été 20.000 J/m²) mais moins de 1 % sont ionisants

 4.L’ÉNERGIE MASSIQUE de DOSE

C'est l'énergie (dose) ionisante affectant la masse d'un corps

Dimensions  L2.T-2         Symbole q’d          Unité d’usage: le Gray (Gy)

1 Gray(Gy) est l'énergie de rayonnement absorbée par une matière quelconque

Il vaut 1 J/kg (et c'est l'unité S.I+)

1 Rad (ancienne unité utilisée pour les rayons X) valait 10-2 J/kg (soit 10-2 Gray)

Relation entre dose massique et activité nucléaire

q’= faν / n   où q’d(Gy)= dose massique (énergie massique)

fa(rayons/s)= activité nucléaire d’un corps ionisant, qui émet n particules (genres béta et gamma ) et (ν n) (m²/s)= viscosité particulaire

On donne plusieurs noms à cette énergie massique de dose >>>

 -soit dose massique absorbée (q’d) quand il s’agit de l’énergie cinétique libérée par des particules directement ionisantes

q’= Er / m       avec q’d(Gy)= dose absorbée (part du rayonnement reçu), Er(J)= énergie du rayonnement irradiant et m(kg)= masse de la substance irradiée

q’= Ec/ ρ'.V     avec Ec(J)= énergie cinétique transférée sous forme d’irradiation, ρ‘(kg/m3)= masse volumique, V(m3)= volume du corps irradié

q’d= fp.S.f / n     avec q’d(Gy)= dose (reçue) provenant de n particules, fd(Bq)= activité nucléaire et S.f (m²-s-1)= surface fréquentielle du corps

q’d= fa. ν / n        q’d(Gy)= dose absorbée, fa(rayons/s)= activité nucléaire de n particules ionisantes (genres β et gamma ), (ν / n) (m²/s)= viscosité particulaire

-soit kerma (sigle U.S) (q’k ) quand il s’agit de l’énergie cinétique libérée par des particules indirectement ionisantes comme les rayons X et gamma

-soit énergie massique spécifique quand elle est affectée d'un coefficient correcteur 

La dimension est toujours  L2.T-2  Le symbole >> q’é  L'unité d’usage est le Sievert(Sv) 

En outre, cette énergie massique spécifique est surnommée :

  --dose équivalente quand le coeff. correcteur est un coefficient d'efficacité du rayonnement ionisant  yd1, c'est à dire exprimant la qualité des rayons  

et alors q’é = q’d x ce coeff.d'efficacité yd1

dont les valeurs  vont de 1 (rayons X, gamma, électrons, muons), puis 5 (neutrons lents, protons) et jusqu'à 12 à 20 (neutrons rapides, rayons alpha, ions lourds)

L'unité de cette dose équivalente est le Sievert(Sv), qui vaut yd1.J/kg (ou yd1 Gray)

et le rem (ancienne unité d’équivalent de dose) qui valait yd1.10-2 Sv

En dosimétrie, l'énergie ionisante comparée à la masse à laquelle elle est appliquée est nommée dose d'efficacité biologique relative (dose E.B.R) ou dose efficace, quand le récepteur est un être vivant

On a alors affecté à la dose un coefficient d’efficacité biologique (yd2), qui est fonction de la résistance différenciée des êtres vivants envers les radiations et qui tient aussi compte de l'endroit où l'énergie ionisante arrive sur le corps .On a alors  q’é = q’d.yd2

où q’é(Sv)= équivalent de dose, q’d(Gy)= dose reçue et yd2 = coefficient d’efficacité biologique.

Unité le Sievert (Sv)(qui est un % de J/kg)

Ce coefficient (yd2 , numérique) vaut environ (0,2 à 1) pour les mammifères)--(0,07 à 1) pour les reptiles & poissons)--(0,02 à 2) pour les plantes--(0,001 à 0,1)pour les insectes--(< 0,01) pour les virus-- et (# 0,1) pour les humains, mais il est évolutif car on affine tous les jours la différence d'incidence ionisante en fonction des différentes parties du corps ainsi que de l'âge des personnes (# 0,1 pour la moelle osseuse et 0,04 pour les viscères)

5.LA PUISSANCE DOSIMÉTRIQUE

Equation de dimensions structurelles : L2.M.T-3   Unité utilisée : millijoule par an (# 10-9 Watt)

P = fp.E    >>> la puissance dosimétrique P est égale au produit de la radioactivité fp par l'énergie E 

6.LA PUISSANCE SURFACIQUE DOSIMÉTRIQUE

Il s'agit d'une puissance reçue sur une surface  

Dimensions structurelles : M.T-3       Unité utilisée : W/m²

On l'utilise surtout pour des rayons ultraviolets (λ de 280 à 400 nm).On la nomme :

puissance de réception  par exemple réception de puissance depuis le soleil sur un satellite interplanétaire : 5 à 7.103 W/m²

puissance de désinfection c'est alors une puissance surfacique nécessaire pour nettoyer une zone chargée de bactéries.

Le pourcentage de bactéries éliminées est une fonction exponentielle de la dose d'ultraviolets appliquée.Cette dose, pour prétendre éliminer au moins 95 % des microbes, doit être comprise entre 20 et 120 J/m²

7.LA PUISSANCE MASSIQUE DOSIMÉTRIQUE 

C'est une puissance ionisante reçue par une masse

Equation de dimensions structurelles : L2.T-3         Symbole p’é

Unité d’usage : le Sievert par seconde (Sv/s), qui est le débit d’équivalent de dose supporté par 1 corps soumis à une puissance ionisante de 1 Watt. pour chaque kg de sa masse

Autres unités utilisées : le Sv/h vaut # 10-5 Sv/s,  le mSv/heure vaut # 10-8 Sv/s,  le Sv/an qui vaut # 10-7 Sv/s,  le mSv/an qui vaut # 10-10 Sv/s

Cette puissance massique est dénommée débit d'équivalent de dose (p’è)

p’é= Pr/ m   ou   p’é= q’é/ t   ou   p’é= q'd.yd/ t

avec p’é(Sv/s)= débit d’équivalent de dose supporté par un corps de masse m(kg),

Pr(W)= puissance (rayonnante) agissant sur le corps, t (s)= durée,q’é(Sv)= équivalent

de dose, q’d(Gy)= dose reçue et yd = coefficient biologique (sans dimension)

Cette puissance massique est aussi dénommée D.A.S.(débit d'absorption spécifique) --

ou SAR aux USA-- quand il s'agit d'un corps vivant.

DAS = σ'.E² / ρ'     où σ' (S/m) est la conductivité électrique, E(V/m) le champ électrique inducteur et ρ' (kg /m3) la densité volumique du corps

8.LA DOSE d'EXPOSITION ÉLECTRIQUE

est le total des charges électriques d'un rayonnement ionisant bloquées par une masse d’air. Equation de dimensions structurelles : M-1.T.I        Symbole t’       

Unité S.I.+ : Coulomb par kilogramme d’air (C/kg)

(l’ancienne unité le Roentgen, valait 2,58.10-4 C/kg)

t’ = / m       et   t’ = Eé / m.U

avec t’(C/kg)= dose d’exposition, Q(C)= somme des charges des ions de même signe produits dans la masse d’air m(kg) alors que tous les électrons et positrons sont bloqués dans cet air, Eé(Sv-kg)= dose énergétique et U(V)= potentiel électrique ambiant 

LA RADIOACTIVITÉ

est l'ensemble des phénomènes recouvrant les émissions de particules par un corps.

Elle peut être naturelle ou provoquée.

Diverses grandeurs sont utilisées pour son étude : Voir chapître spécial

DOSIMETRIE ET SANTÉ

Voir chapître spécial