Physique appliquée à l’exposition externe: Dosimétrie et radioprotection

479 Pages·2013·8.74 MB·French

by  Rodolphe Antoni

Physique appliquée à l’exposition externe
Dosimétrie et radioprotection
Springer
Paris
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Rodolphe Antoni, Laurent Bourgois

Physique appliquée à l’exposition externe
Dosimétrie et radioprotection
Rodolphe Antoni
CEA, DEN, CAD
13108 Saint-Paul-lez-Durance, France

Laurent Bourgois
CEA, DAM, DIF
91297 Arpajon, France

ISBN : 978-2-8178-0310-4 Springer Paris Berlin Heidelberg New York

© Springer-Verlag France, Paris, 2013

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Maquette de couverture : Jean-François de Montmarché
Composition et mise en page : MZ Éditions, Le Mans
Photo : F. Vigouroux/CEA
Sommaire
Avant-propos ............................................................................................... xiii
1 Grandeurs et unités fondamentales
de la dosimétrie externe........................................................................... 1
1.1 Grandeurs dosimétriques .................................................................... 2
1.1.1 Dose absorbée totale et transfert linéique d’énergie ................. 2
1.1.2 Grandeurs fondamentales de la microdosimétrie
et définition de la dose absorbée ................................................ 5
1.1.3 Calcul du kerma pour les rayonnements indirectement
ionisants ...................................................................................... 11
1.2 Dommages biologiques et efficacité biologique relative
(EBR) .................................................................................................... 14
1.2.1 Radiolésions sur l’ADN de la cellule ........................................ 14
1.2.2 Taux de mort cellulaire et EBR ............................................... 15
1.3 Grandeurs radiométriques ................................................................ 19
1.3.1 Caractérisation d’un champ de rayonnement ......................... 19
1.3.2 Énergie radiante, flux de particules et émission
d’une source ................................................................................ 20
1.3.3 Application au spectre d’émission de neutron
d’une source de 252Cf .................................................................. 23
1.3.4 Représentation des données relatives à une distribution
en énergie dans un tableau........................................................ 24
1.3.5 Représentation graphique d’une distribution
en énergie .................................................................................... 25
1.3.6 Définition de la fluence et intérêt pour la dosimétrie
et la radioprotection .................................................................. 27
1.3.7 Calcul de la fluence induite par une source ponctuelle
isotrope........................................................................................ 31
1.3.8 Calcul de la fluence induite par une source
non ponctuelle ............................................................................ 33
vi Physique appliquée à l’exposition externe : dosimétrie et radioprotection
CI 1.1 Distribution en fréquence et en dose pour le calcul des spectres
microdosimétriques .................................................................................. 35
CI 1.2 Calcul de la fluence d’un disque ............................................................. 40
Références ........................................................................................................... 42

2 Interaction des rayonnements ionisants dans les tissus :
évaluation du kerma et de la dose absorbée ............................. 43
2.1 Cas des électrons et des particules lourdes chargées (PLC) .... 43
2.1.1 Caractéristiques physiques des électrons et PLC
lors du transport dans la matière ............................................. 44
2.1.2 Pouvoir d’arrêt massique des particules chargées ................... 49
2.1.3 Calcul de la dose absorbée pour les électrons
dans les tissus ............................................................................. 51
2.1.4 Calcul de la dose dans les tissus pour les particules β ........... 57
2.1.5 Calcul de la dose dans les tissus pour les PLC ....................... 60
2.1.6 Mesure de la dose absorbée pour les électrons
et les rayonnements β ................................................................ 62
2.2 Cas des photons .................................................................................. 65
2.2.1 L’effet photoélectrique ............................................................... 66
2.2.2 L’effet Compton ......................................................................... 67
2.2.3 L’effet de création de paire ....................................................... 73
2.2.4 Section efficace macroscopique et transmission
des photons dans les tissus ........................................................ 74
2.2.5 Calcul du kerma pour les photons............................................ 77
2.2.6 Relation entre la dose absorbée et le kerma
pour les photons ......................................................................... 82
2.2.7 Évolution du kerma et de la dose absorbée au passage
d’un milieu léger à un autre ...................................................... 85
2.2.8 Mesure du kerma dans l’air et de la dose absorbée
dans les tissus pour les photons ................................................ 89
2.3 Interaction des neutrons avec la matière et calcul
du kerma de première collision........................................................ 99
2.3.1 Collision élastique (n,n) ........................................................... 100
2.3.2 Diffusion inélastique (n,n') ...................................................... 102
2.3.3 Capture radiative (n,γ) ..................................................... 103
2.3.4 Captures de type (n,p) et (n,α) .............................................. 104
2.3.5 Sections efficaces microscopiques dans les constituants
chimiques des tissus humains .................................................. 105
2.3.6 Calcul du kerma de première collision ................................... 106
2.3.7 Calcul du kerma de multi-collision et dose absorbée
moyenne .................................................................................... 110
2.3.8 Mesure de la fluence et des spectres de neutrons ................. 114
Sommaire vii
CI 2.1 Particules chargées – transfert d’énergie à l’électron
de l’atome cible .............................................................................. 123
CI 2.2 Calcul de la dose absorbée dans un milieu pour les électrons ........ 124
CI 2.3 Concept de section efficace microscopique et macroscopique ........... 126
CI 2.4 Expression de l’énergie du photon diffusé en fonction
de l’énergie incidente .......................................................................... 128
CI 2.5 Expression de la section efficace différentielle en énergie
de Klein et Nishina et de la section efficace Compton ...................... 129
CI 2.6 Calcul du kerma dans un milieu pour les photons ............................ 130
CI 2.7 Démonstration de la relation de Bragg-Gray .................................... 132
CI 2.8 Démonstration de la relation de cavité large ................................. 134
CI 2.9 Calcul de l’énergie transférée au noyau de recul dans le cas
d’une diffusion inélastique sur le 12C .................................................. 136
CI 2.10 Pourquoi un seuil en énergie pour une réaction
à chaleur positive (Q > 0) ? .............................................................. 137
CI 2.11 Méthode de mesure des facteurs de kerma selon la méthode
du rapport n°63 de l’ICRU ................................................................ 138
CI 2.12 Formules de Bethe-Block pour les PLC et Rohrlish-Carlson
pour les électrons ................................................................................ 140
Références ....................................................................................................... 146

3 Grandeurs de protections, grandeurs opérationnelles
et étalonnage ............................................................................................... 149
3.1 Effets stochastiques .......................................................................... 150
3.2 Effets déterministes .......................................................................... 150
3.3 Les grandeurs de protections ......................................................... 151
3.3.1 La dose absorbée à l’organe .................................................... 151
3.3.2 Facteur de pondération pour le rayonnement w
R
et dose équivalente dans un organe ou un tissu .................... 151
3.3.3 Facteur de pondération pour les tissus, la dose efficace ......... 153
3.3.4 Quantification des risques pour les effets stochastiques ....... 155
3.3.5 Limites recommandées pour l’exposition radiologique ......... 155
3.3.6 Calcul des grandeurs de protection ........................................ 157
3.4 Calcul de dose absorbée pour évaluation des risques
déterministes ...................................................................................... 168
3.4.1 Quantification des risques pour les effets déterministes ....... 168
3.4.2 Effets déterministes pour une irradiation aiguë
de l’organisme ........................................................................... 169
3.4.3 Effets déterministes pour une irradiation aiguë
sur des organes et tissus particuliers ...................................... 169
3.4.4 Calcul de la dose absorbée dans le cas
d’une contamination au 18F..................................................... 170
viii Physique appliquée à l’exposition externe : dosimétrie et radioprotection
3.4.5 Calcul de la dose absorbée dans le cas d’un faisceau
de protons ................................................................................. 171
3.4.6 Calcul de la dose absorbée au moyen d’un modèle
complexe : fantôme voxélisé .................................................... 172
3.5 Les grandeurs opérationnelles ........................................................ 174
3.5.1 Facteur de qualité et définition de l’équivalent de dose....... 175
3.5.2 Notion de champ expansé et unidirectionnel ........................ 177
3.5.3 Grandeurs opérationnelles pour la surveillance en zone ......... 177
3.5.4 Grandeurs opérationnelles pour la surveillance
individuelle ............................................................................... 181
3.5.5 Différence entre rayonnements fortement et faiblement
pénétrants en terme de dosimétrie opérationnelle ................... 186
3.5.6 Facteur de conversion « grandeur physique
de référence – équivalent de dose » ........................................ 187
3.5.7 Facteurs de conversion pour les électrons ............................. 195
3.6 Comparaison entre grandeurs opérationnelles
et grandeurs de protection ............................................................. 198
3.7 Étalonnage des appareils de radioprotection ............................. 202
3.7.1 Définition des champs de référence ........................................ 202
3.7.2 Étalonnage des dosimètres de transfert
dans les laboratoires primaires................................................ 203
3.7.3 Opération de raccordement et passage à la grandeur
opérationnelle dans un laboratoire secondaire ...................... 205
3.7.4 Étalonnage au moyen d’une source étalon
dans un laboratoire secondaire ............................................... 208
3.7.5 Réponse des dosimètres d’ambiance et individuel
en énergie R(E), angulaire R(Ω) et en débit ......................... 209
3.7.6 Spectres réalistes de neutrons pour l’étalonnage................... 221
3.8 Grandeurs opérationnelles pour les limites du zonage
de radioprotection ............................................................................. 224
3.9 L’évolution possible des grandeurs de protection ..................... 225
Références ......................................................................................................... 230
Annexes ............................................................................................................ 233

4 Évaluation des sources de l’exposition externe .................. 239
4.1 Cas des photons pour des raies discrètes .............................. 239
4.2 Cas des neutrons .................................................................. 242
4.2.1 Réactions nucléaires .............................................................. 242
4.2.2 Cas des neutrons issus de la fusion ............................... 244
4.2.3 Cas des sources (α,n) .................................................... 246
4.2.4 Cas des sources (γ,n) .................................................... 249
Sommaire ix
4.3 Cas de la fission .................................................................... 251
4.3.1 Terme source issu des réactions de fission promptes .... 251
4.3.2 Terme source issu des produits de fission ................... 255
4.4 Terme source neutrons des combustibles
en refroidissement ................................................................ 259
4.5 Cas des photons issus de réactions neutroniques ............ 262
4.5.1 Cas des photons produits par captures radiatives ........ 262
4.5.2 Cas des photons émis lors des diffusions inélastiques
des neutrons .................................................................. 262
4.6 Cas des électrons – effet de cathode froide ...................... 265
4.7 Cas des rayonnements issus du freinage des électrons ... 266
4.7.1 Généralités .................................................................... 266
4.7.2 Cas des générateurs de rayons X .................................. 273
4.7.3 Cas des accélérateurs d’électrons .................................. 277
4.7.4 Équivalent de dose dû aux photoneutrons ................... 280
4.8 Cas des neutrons produits par des accélérateurs d’ions ....... 287
4.8.1 Taux de production des neutrons par des ions légers ... 287
4.8.2 Cas particulier des accélérateurs de deutons :
effet de deutérisation .................................................... 289
4.8.3 Spectres des neutrons provoqués par des ions légers .... 291
4.8.4 Équivalent de dose neutrons autour des accélérateurs
d’ions légers à faible énergie ......................................... 292
4.8.5 Équivalent de dose neutrons autour des accélérateurs
de protons de haute énergie .......................................... 292
4.9 Terme source lié aux produits d’activation ...................... 294
4.9.1 Radionucléides formés par activation ........................... 294
4.9.2 Calcul de l’activité issue d’une réaction donnée ........... 295
4.9.3 Problèmes de radioprotection liés à l’activation ........... 297
4.10 Émission de rayonnements par des machines
« exotiques » ......................................................................... 297
4.10.1 Klystrons ...................................................................... 298
4.10.2 Laser ultra haute intensité ........................................... 299
CI 4.1 Démonstration de l’équation (4.8) ..................................................... 302
Références ......................................................................................................... 303
Annexes ............................................................................................................ 307

5 Principes généraux de protection contre l’exposition
externe .......................................................................................................... 313
5.1 Définitions ......................................................................................... 314
x Physique appliquée à l’exposition externe : dosimétrie et radioprotection
5.2 Principes de protection ....................................................... 315
5.2.1 Décroissance d’une source et réduction du temps
d’exposition ............................................................................. 315
5.2.2 Variation du débit de dose avec la distance ................. 316
5.3 Protection par des écrans : cas des particules α et β ..... 317
5.3.1 Cas des particules α ..................................................... 317
5.3.2 Cas des particules β ...................................................... 318
5.4 Protection par des écrans : cas des photons .............................. 319
5.4.1 Calcul du mur primaire : cas des faisceaux étroits
ou canalisés ................................................................... 319
5.4.2 Calcul du mur primaire : cas des faisceaux larges ........ 321
5.4.3 Calcul d’un mur secondaire .......................................... 338
5.4.4 Calcul de chicane .......................................................... 344
5.4.5 Effet de ciel dû aux photons ......................................... 348
5.5 Protection par des écrans : cas des neutrons ................... 349
5.5.1 Atténuation des neutrons – épaisseurs dixièmes .......... 349
5.5.2 Courbes de transmission pour les neutrons .................. 351
5.5.3 Calcul d’une chicane pour les neutrons ........................ 354
5.5.4 Effet de ciel dû aux neutrons ....................................... 357
5.6 Protections radiologiques autour des accélérateurs
d’électrons ............................................................................. 358
5.7 Protections radiologiques autour des accélérateurs
d’ions ...................................................................................... 361
5.7.1 Accélérateurs d’ions de basse énergie ........................... 361
5.7.2 Accélérateurs d’ions de haute énergie ........................... 362
5.8 Sureté des accélérateurs et des irradiateurs
– cas des zones intermittentes ............................................ 362
5.9 Conception des protections pour éviter les fuites
de rayonnements .................................................................. 364
5.10 Contrôle des blindages ........................................................ 367
5.11 Production de gaz toxiques : ozone, oxyde d’azote,
dioxyde d’azote ..................................................................... 367
5.11.1 Cas d’un faisceau d’électrons dans l’air ........................ 368
5.11.2 Cas d’un faisceau de photons ....................................... 370
5.12 Codes de calcul dédiés aux calculs de protections
radiologiques ......................................................................... 371
5.12.1 Codes d’atténuation en ligne droite .............................. 371
5.12.2 Autres codes de calcul .................................................. 374
Références ......................................................................................................... 375
Annexes ............................................................................................................ 377