Physique appliquée à l'exposition externe Dosimétrie et radioprotection
Cet ouvrage fait la synthèse de nombreuses années d'expériences en dosimétrie et techniques de protection contre l'exposition externe, aussi bien dans le domaine industriel que médical. Il rappelle les concepts physiques de base puis propose un certain nombre d'outils d'évaluation des nuisances radiologiques, et les moyens de s'en prémunir, en détaillant notamment les [...] [lire le résumé du livre]
Quel est le sujet du livre "Physique appliquée à l'exposition externe"
Cet ouvrage fait la synthèse de nombreuses années d'expériences en dosimétrie et techniques de protection contre l'exposition externe, aussi bien dans le domaine industriel que médical.
Il rappelle les concepts physiques de base puis propose un certain nombre d'outils d'évaluation des nuisances radiologiques, et les moyens de s'en prémunir, en détaillant notamment les techniques de calcul pour des blindages appropriés.
Le premier chapitre traite de la définition des grandeurs radiométriques et dosimétriques fondamentales. Il permet d'aborder au chapitre 2 la question de l'interaction rayonnement-matière sous un angle dédié au dépôt de la dose dans les tissus biologiques. Le troisième chapitre définit quant à lui les grandeurs de protection et les grandeurs opérationnelles liées à la radioprotection. Dans les deux chapitres suivants, l'accent a été mis sur la définition des risques et contre-mesures associées (i.e. protections biologiques) inhérents aux sources de rayonnements (photons, neutrons, particules chargées) produits gardes installations usuelles- radionucléides, générateurs X, accélérateurs (électrons, ions) - ou en développement (laser de puissance, accélérateurs...) pour un domaine d'énergies que l'on peut qualifier de moyennes (de 0 à 200 MeV).
Enfin, un chapitre en fin d'ouvrage est entièrement consacré aux codes de calculs de transport de particules exploitant la méthode Monte-Carlo. L'ouvrage est illustré par un grand nombre d'exemples avec applications numériques permettant de mieux appréhender les concepts abordés.
Dédié aux professionnels de la radioprotection, de la dosimétrie et de la mesure nucléaire, cet ouvrage permet également de compléter le cursus des étudiants de niveau technicien à ingénieur.
Auteurs :
Les auteurs sont des professionnels ayant acquis 10 et 20 ans d'expérience au CEA dans différents domaines de la radioprotection : accélérateurs, générateurs X, sources scellées, dosimétrie, calcul Monte Carlo, etc. Ils enseignent également la dosimétrie et les techniques de protection contre l'exposition externe, au Brevet de Technicien Supérieur en Radioprotection de Cadarache et au Master 2 de radioprotection de Grenoble.
Sommaire et contenu du livre "Physique appliquée à l'exposition externe - Dosimétrie et radioprotection"
1
2 2
5
Sommaire
Avant-propos xiii
1 Grandeurs et unités fondamentales
de la dosimétrie externe
1.1 Grandeurs dosimétriques
1.1.1 Dose absorbée totale et transfert linéique d'énergie
1.1.2 Grandeurs fondamentales de la microdosimétrie
et définition de la dose absorbée
1.1.3 Calcul du kerma pour les rayonnements indirectement
ionisants Il
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 1~
1.3.2 Énergie radiante, flux de particules et émission
d'une source 2C
1.3.3 Application au spectre d'émission de neutron
d'une source de 252Cf.. 22
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 21:
1.3.6 Définition de la fluence et intérêt pour la dosimétrie
et la radioprotection 2'i
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 32
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 ~ 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 ~ 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,y) 103
2.3.4
Captures de type (n,p) et (n,a) 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
Cl 2.1 Particules chargées -transfert d'énergie à l'électron
de l'atome cible 123
CI 2.4 Expression de l'énergie du photon diffusé en fonction
CI 2.5 Expression de la section efficace différentielle en énergie
CI 2.9 Calcul de l'énergie transférée au noyau de recul dans le cas
CI 2.10 Pourquoi un seuil en énergie pour une réaction
CI 2.11 Méthode de mesure des facteurs de kerma selon la méthode
CI 2.12 Formules de Bethe-Block pour les PLC et Rohrlish-Carlson
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
de l'énergie incidente 128
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
d'une diffusion inélastique sur le 12C 136
à chaleur positive (Q > 0)? 137
du rapport n063 de l'ICRU 138
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 'UJR
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 '8F 170
viii Physique appliquée à l'exposition externe: dosirnétrie 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(0.) 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 (a,n) 246
4.2.4
Cas des sources (y,n) 249
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
CI4.1
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
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 a et ~ 317
5.3.1
Cas des particules a 317
5.3.2
Cas des particules ~ 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
o Principe de la méthode Monte-Carlo appliquée aux calculs de dosimétrie et de radioprotection
6.1
Principe de la méthode Monte-Carlo appliquée
au transport de particules 387
6.2
Générateur de nombres aléatoires sur un ordinateur 389
6.3
Échantillonnage d'une distribution discrète,
application au choix du type de collision 391
6.4
Échantillonnage d'une distribution continue, application
au calcul de l'énergie d'émission et de la direction
d'une particule diffusée 392
6.4.1
Échantillonnage d'une distribution continue
par une approche multi-groupes 393
6.4.2
Échantillonnage d'une distribution continue
au moyen d'une fonction approchante 395
6.4.3
Échantillonnage d'une distribution continue
par la méthode de l'éjection 397
6.4.4
Échantillonnage d'une distribution continue
par méthode particulière, application à la détermination
de la direction et l'énergie de la particule diffusée 400
6.5
Notion de poids statistique, transport analogique
et implicite 404
6.6
Définition de la géométrie 406
6.7
Émission de la source 408
6.8
Lieu de la collision 413
6.9
Échantillonnage du noyau cible 416
6.10
Échantillonnage sur le transport des particules chargées,
cas particuliers des électrons 417
6.10.1
Distribution de la dispersion en énergie pour le calcul
de la perte d'énergie par collision 419
6.10.2
Production des photons de freinage et détermination
de l'énergie totale « effective)} perdue lors de l'étape ....... 421
6.10.3
Calcul de l'angle « global)} de déviation selon la théorie
de la diffusion multiple 423
6.10.4
Gestion de la dispersion en énergie dans la méthode
de calcul numérique de l'approche par étape 424
6.11
Problématique liée à l'interface entre cellule pour le calcul
de la réponse d'une chambre d'ionisation 426
6.11.1
Réponse et problématique liées à l'utilisation du code
de transport photon-électron EGS4 426
6.11.2
Amélioration de la réponse avec l'utilisation
du code EGSnrc 428
6.12
Estimateurs calculés 429
6.12.1
Estimateur de la f1uence 429
6.12.2
Estimateur kerma pour les rayonnements indirectement
ionisants 436
6.12.3
Estimateur « dose-impulsion}} pour les rayonnements
indirectement ionisants et les particules chargées 438
6.12.4
Estimateur dose pour les particules chargées 439
6.13
Application à un code de calcul de type
Monte-Carlo (MCNPX) 440
6.13.1
Étude de l'effet des deux algorithmes (transport défaut
et ITS) sur le calcul de la dose absorbée dans un fantôme
d'eau, pour des électrons dans MCNP 443
6.13.2
Comparaison des estimateurs kerma et « dose-impulsion }}
pour les photons dans le contexte du calcul
de la dose efficace 445
6.13.3
Profil de la dose pour des protons de 400 MeV
dans un cylindre d'eau, calculé avec le code MCNPX 447
6.14
Résultat de l'estimateur et erreur statistique associée 448
6.14.1
Calcul de l'erreur statistique associée 448
6.14.2
Tests de fiabilité statistique 450
6.14.3
Finalisation du résultat.. 451
6.15
Différents types de codes Monte-Carlo
utilisés en dosimétrie 452
6.16
Niveaux de complexité du modèle dosimétrique 453
6.17
Application des codes Monte-Carlo pour des calculs relatifs
aux dosimètres 454
6.18
Application des codes Monte-Carlo pour des calculs relatifs
à la métrologie 456
CI 6.1 Distribution de la dispersion en énergie de Landau pour le calcul
CI 6.2 Approche de Goudsmit-Saunderson pour la théorie
de l'énergie effective perdue lors d'une étape 459
de la diffusion multiple 461
Références 463
Index 465
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