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Radioprotection gamma

Un rayonnement pénétrant, difficile à absorber

Atténuation exponentielle des gamma dans l’air
La courbe représente pour 1000 gamma de 1 MeV d’énergie le nombre de gamma qui traversent une certaine épaisseur d’air sans interagir. Tous les 90 m – une distance appelée longueur d’atténuation, le nombre des gamma est divisé par 2. Il est divisé par 4, 8, 16, au bout de 2, 3, 4 fois cette distance. Cette loi de décroissance exponentielle ressemble à la loi de décroissance de l’activité d’un isotope radioactif, l’épaisseur remplaçant le temps et la longueur d’atténuation la période. La valeur de 90 m est propre aux gamma de 1 MeV. Pour des énergies inférieures la décroissance est plus rapide.
© IN2P3 ©

Les rayons gamma sont beaucoup moins dangereux que les rayons alpha et bêta en cas d’ingestion de produits radioactifs. Plus pénétrants que les rayons X, une bonne partie de ces rayons sortiront de la partie du corps incriminée sans y avoir déposé d’énergie.

Par contre, on se préoccupera principalement des gamma dans le cas d’une exposition à une source externe de rayonnements. On cherchera alors à se protéger en blindant la source, en interposant des écrans ou en s’en éloignant. L’exposition décroit comme le carré de la distance à la source : c’est l’effet d’angle solide.

Effet d’angle solide
On se protègera d’une source gamma en s’en éloignant. Les gamma étant émis également dans toutes les directions, la probabilité pour qu’un gamma se dirige vers une cible diminue rapidement avec la distance (d) entre la source et la cible. La portion d’espace, appelée angle solide, sous laquelle est vue cette cible diminue comme l’inverse du carré de la distance. Pour les distances de quelques dizaines de mètres représentées sur la figure (A,B,C), la probabilité pour un gamma d’atteindre une cible de 1 m2 est très petite.
© IN2P3 ©

Le rayonnement est d’autant plus vite atténué par un blindage ou un écran que la matière traversée comprend des atomes lourds dont le noyau possède une charge électrique très élevée. C’est la raison pour laquelle, on utilise pour se protéger dans des laboratoires des briques de plomb. Ce matériau dont les atomes sont particulièrement lourds (A=208) est de surcroît bon marché.

L’intensité du rayonnement qui subsiste après avoir traversé une certaine épaisseur d’écran décroît de la même façon que l’activité d’une source radioactive décroît avec le temps : selon une loi exponentielle définie par une longueur appelée longueur d’atténuation. Quelle que soit l’épaisseur traversée, il subsiste une fraction du rayonnement qui n’a pas interagi. En pratique, le rayonnement est très atténué. Il est divisé par 1000 après dix longueurs d’atténuation.

Modes d’interaction et pouvoir d’arrêt
La figure montre la variation avec l’énergie de la probabilité d’interaction des photons, avec les atomes de carbone (à gauche) ou de plomb (à droite), autrement dit leur pouvoir d’arrêt. Cette probabilité, appelée encore section efficace, variant de plus de six ordres de grandeur entre 100 et 10 millions d’électronvolts (MeV), il a fallu utiliser des échelles logarithmiques. On voit que pour le carbone, l’effet Compton est le mécanisme d’interaction qui prédomine dans le domaine des gamma de la radioactivité allant (de 0,01 à 2 MeV). Des atomes lourds comme le plomb interagissent bien davantage et sont beaucoup plus efficaces pour arrêtent les gamma.
© IN2P3 ©

Atténuation et absorption

Atténuation ne signifie pas absorption. Le rayonnement qui interagit ne disparait pas complètement. Il donne lieu à un rayonnement secondaire, rayons X ou gamma produits par effet Compton ou effet photoélectrique. Ces derniers héritent d’une partie de l’énergie et se propagent à leur tour. Les électrons qui les accompagnent seront quant à eux absorbés après un court parcours, surtout si la matière est dense.

Le phénomène devient complexe. Pour la radioprotection, il convient de considérer l’énergie absorbée plutôt que l’atténuation des rayons primaires. Si l’on ajoute une épaisseur suffisante d’écran le rayonnement secondaire est lui aussi absorbé.

La contrepartie du pouvoir de pénétration est une moindre toxicité. Les rayons gamma n’ionisent pas le milieu traversé mais mettent en mouvement des électrons à l’endroit où ils interagissent et à qui ils transmettent une partie de leur énergie. S’en remettant à ces intermédiaires pour déposer leur énergie, les effets des gamma ne sont pas localisés comme ceux des rayonnements chargés qui sont concentrés le long de trajectoires.

Ceci explique que l’on puisse observer sans danger une source intense de cobalt-60 à travers des verres au plomb épais d’une vingtaine de centimètres ou des assemblages de combustible nucléaire à travers trois mètres d’eau d’une piscine de réacteur.

Exemple de parcours moyens de photons gamma
Caractéristique de leur atténuation dans la matière, le parcours moyen des rayons gamma émis par les fragments de fission dans un réacteur varie de quelques millimètres à 50 centimètres selon les matériaux, l’uranium et l’eau étant les extrêmes comme le montre les deux courbes. La décroissance est très rapide. Trois mètres d’eau suffisent pour protéger le personnel des centrales de l’irradiation gamma des combustibles irradiés.
© Source Clés CEA ©

Dans le cas des diagnostics médicaux, une fraction plus ou moins importante des gamma ressort de l’organisme avant d’avoir interagi : ces gamma ne produisent aucun préjudice et peuvent atteindre un détecteur. C’est la raison pour laquelle les gamma sont recherchés pour des diagnostics médicaux comme les scintigraphies : le radioélément le plus utilisé est le technétium-99m qui n’émet que des gamma. Lors de ces scintigraphies, l’émetteur est interne mais l’irradiation du tissu ou de l’organe examiné est minimale.

SUITE : Atténuation des gamma, Absorption des gamma

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