Interaction des rayonnements ionisants avec la matière

Les effets des rayonnements ionisants sur les êtres vivants résultent d’un transfert d’ énergie, ou interaction, entre les rayonnements et la matière. Si les résultats de ce transfert d’ énergie sont relativement stéréotypés, l’intensité des effets dépend de la nature du rayonnement. En effet, selon que ce rayonnement est électromagnétique ou corpusculaire, chargé ou neutre, la quantité d’ énergie transférée par unité élémentaire de volume sera différente et les conséquences biologiques seront d’autant plus importantes que ce transfert d’ énergie sera plus concentré. Le mode de transfert d’ énergie varie selon la nature du rayonnement et du milieu. Il en résulte toujours une atténuation du faisceau incident. Nous verrons successivement les mécanismes qui entrent en jeu pour les différents rayonnements ionisants, puis les effets sur le milieu.

Mécanismes d’atténuation en fonction du rayonnement

Rayonnement électromagnétique

Les photons X ou γ qui rencontrent un milieu matériel peuvent être absorbés, être diffusés ou créer, après matérialisation et dématérialisation, un rayonnement photonique naissant dans le milieu lui-même. Seule la fraction du rayonnement qui n’interagit pas avec le milieu peut être captée par un détecteur (fig. 2-1 ).

Figure 2-1 Interactions des rayonnements électromagnétiques avec un milieu biologique : les rayons X et γ peuvent être absorbés, diffusés ou inchangés par la traversée du milieu.
Dans le premier cas, ils sont absorbés par effet photoélectrique, sans ionisation, avec dissipation de l’ énergie par un rayonnement électromagnétique de plus grande longueur d’onde.
Dans le deuxième cas, ils sont diffusés lors d’une collision, par effet Compton, avec perte d’ énergie. L’ énergie perdue, transférée à un électron, est absorbée sur place par collision électronique selon le même schéma que sur la figure 2-2. Dans le troisième cas, ils traversent le milieu sans subir d’interaction. C’est le rayonnement transmis, direct, porteur de l’image virtuelle en radiologie. Enfin, pour les RX ou les Rγ d’ énergie supérieure à 1,02 MeV, se produit le phénomène de matérialisation. L’impact du rayonnement dans le milieu crée une paire d’ électrons de signe opposé. L’ électron négatif interagit dans le milieu selon le modèle de la figure 2-2, le positon, après dissipation de son énergie cinétique par collisions, s’annihile en rencontrant un électron négatif du milieu. Il résulte de cette annihilation l’ émission de deux photons de 510 keV, de direction opposée, qui peuvent, à leur tour, interagir avec le milieu ou sortir du milieu sans interaction. Ce phénomène d’annihilation d’un positon avec émission de photons opposés est à la base de la tomographie à émissions de positons mais ceux-ci proviennent dans ce cas d’un radionucléide émetteur β + (fluor 18). Notez l’ échelle centimétrique du champ des interactions des rayonnements électromagnétiques.

Effet photoélectrique

Un photon cède toute son énergie à un électron d’une couche profonde de l’atome et disparaît. L’ énergie communiquée à l’ électron mobilisé est dissipée dans le milieu. Le remplacement de l’ électron éjecté par un électron d’une couche plus périphérique, puis, en cascade, de chaque électron ainsi récupéré par une couche plus interne, dissipe de l’ énergie sous forme d’un rayonnement de fluorescence (fig. 2-1, premier cas). Il n’y a donc pas de photon X diffusé. La probabilité de cet effet est proportionnelle au cube du numéro atomique des éléments du milieu et inversement proportionnelle au cube de l’ énergie du rayonnement incident :

Effet Ph- é l. # Z 3 . E − 3

Cet effet sera donc prépondérant pour les RX et Rγ d’ énergie faible et moyenne dans les milieux lourds (efficacité du plomb pour protéger des RX en diagnostic par exemple). Dans les milieux biologiques, aux énergies du radiodiagnostic, cet effet intervient presque exclusivement dans l’os et les calcifications. Il explique pourquoi, en radiologie osseuse et en mammographie, on doit utiliser de faibles tensions d’ émission des RX.

Effet Compton

Un photon cède une partie de son énergie à un électron, l’ énergie restante étant emportée par un photon diffusé (fig. 2-1, deuxième cas). Ce photon diffusé peut être émis dans n’importe quelle direction à partir du point de collision. L’ énergie cinétique fournie à l’ électron lui permet de quitter son orbite mais elle s’ épuise rapidement dans le milieu. Cette énergie est donc absorbée au voisinage du point où a eu lieu la collision (voir fig. 2-3). Le rapport de l’ énergie ainsi absorbée à l’ énergie emportée par le photon diffusé est d’autant plus important que l’ énergie du photon incident est plus grande. À 50 keV, énergie moyenne du faisceau pour de nombreux actes de radiodiagnostic, ce rapport est de 1/10°, 10 % seulement de l’ énergie de chaque collision étant absorbée au voisinage de celle-ci, tandis qu’ à 1,25 MeV (cobalthérapie), le rapport est voisin de 1, la moitié de l’ énergie étant communiquée à l’ électron puis absorbée, l’autre moitié étant diffusée. La probabilité de l’effet Compton est inversement proportionnelle à l’ énergie du rayonnement incident :

Effet Compton # 1 /E

Matérialisation

Pour des énergies du photon incident supérieures à 1,02 MeV, il peut se produire, au voisinage du noyau, une création de matière, sous forme d’une paire d’ électrons de signes opposés, dont la masse individuelle représente l’ équivalent énergétique de 510 keV (fig. 2-1, quatrième cas). L’excédent d’ énergie du photon, au-dessus de 1,02 MeV, est partagé en énergie cinétique entre les 2 électrons. L’ énergie cinétique de l’ électron négatif est absorbée au voisinage du point de collision, ainsi que l’ énergie cinétique du positon mais, en fin de parcours, ce dernier s’annihile avec un électron négatif du milieu, en émettant deux photons de 510 keV, de direction opposée. La matérialisation n’existe qu’au-delà de 1 MeV, c’est-à-dire uniquement pour les énergies de radiothérapie, où cet effet augmente proportionnellement à l’ énergie et au numéro atomique du milieu.

Importance relative de ces différents effets

La probabilité de l’effet Compton dépend peu du milieu, elle est inversement proportionnelle à l’ énergie du rayonnement incident. La probabilité de l’effet photoélectrique est très dépendante du numéro atomique et diminue très rapidement avec l’ énergie du rayonnement incident. Aux énergies du radiodiagnostic, l’effet Compton prédomine dans tous les tissus sauf pour l’os à des tensions inférieures à 100 kV où le calcium (Z = 20) rend prédominante l’absorption par effet photoélectrique. Pour des tensions d’ émission plus élevées, l’effet Compton redevient prédominant, d’où l’intérêt d’utiliser des hautes tensions (120 à 140 kV) pour le cliché thoracique, ce qui « efface » les structures osseuses. La prédominance de l’effet Compton en diagnostic implique que l’essentiel de l’atténuation du faisceau primaire se fait avec émission de rayonnement diffusé.

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