Décharges électriques dans les gaz

Décharges électriques dans les gaz

En 1838, le chimiste et physicien britannique Faraday s’intéresse aux décharges électriques dans les gaz raréfiés grâce au dispositif suivant : une anode et une cathode sont placées en vis-à-vis dans un tube en verre, la cathode est mise sous tension et si celle-ci est assez élevée, cela déclenche une étincelle entre les deux électrodes . Si on diminue la pression du gaz dans l’ampoule, on constate que l’apparence de l’étincelle se change en une émanation violette. Faraday pense alors avoir découvert un quatrième état de la matière qu’il nomme « matière radiante ».

Cette expérience fut reprise tout au long du dix-neuvième siècle en variant de nombreux paramètres (nature du gaz, forme du tube, pression dans l’ampoule…) mais la nature du phénomène observé restait incomprise. Les progrès techniques dans la conception des ampoules à vide et des pompes à vide permettent au physicien allemand Plücker d’observer que le vide poussé (pression de l’ordre de 100 Pa) rend le tube très résistant au passage du courant : la haute tension ne provoque plus qu’une fluorescence verte sur certaines parois du tube en verre et en particulier en face de la cathode. En 1869, son élève Hittorf prouve que cette lueur est due à l’arrivée sur le verre de rayons qui se propagent en ligne droite depuis la cathode. Pour cela il dispose une croix métallique face à la cathode et observe l’ombre de cette croix sur la paroi du tube opposée à la cathode . Ces rayons seront nommés « rayons cathodiques ». Il montre également que les rayons cathodiques peuvent être déviés par un aimant.

Par la suite, le chimiste et physicien Crookes perfectionnera encore le dispositif en créant les tubes qui portent son nom. Au sein d’un tube de Crookes, la pression résiduelle est comprise entre 1 et 100 Pa et la cathode est concave pour concentrer le rayonnement. Ce sont ces tubes qui permettront au physicien anglais Thompson d’élucider la nature du rayonnement cathodique en découvrant l’électron en 1897 et à l’allemand Röntgen de découvrir les rayons X.

La découverte des rayons X

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen alors âgé de 50 ans étudie le rayonnement cathodique avec des tubes de Crookes. Il s’intéresse plus précisément à la pénétration des rayons dans le verre. Il a déjà été constaté à l’époque que les rayons cathodiques peuvent franchir la paroi du tube et pénétrer de quelques centimètres dans l’air.

Dans la soirée du 8 novembre, au cours de ses travaux préliminaires, il décide de recouvrir le tube d’un cache en carton noir. Il constate alors qu’un écran recouvert d’une couche de platinocyanure de baryum placé fortuitement en face du tube devient fluorescent lors de la décharge. Or il sait qu’à cette distance, la fluorescence ne peut pas être due aux rayons cathodiques. Il éloigne encore l’écran et constate que la fluorescence persiste malgré l’augmentation de la couche d’air à traverser. Puis il intercale des objets entre l’ampoule et l’écran : une feuille de papier, une feuille d’aluminium, du bois, du verre et même un livre de mille pages. À chaque fois la fluorescence persiste. Il en conclut qu’il vient de découvrir un rayonnement distinct de celui émis par la cathode, très pénétrant puisqu’il est capable de traverser la matière. Ces rayons étant inconnus jusqu’alors, il les nomme « X » du nom de l’inconnue en mathématiques. Il consacre les dernières semaines de 1895 à manipuler en solitaire et parvient à attribuer les caractéristiques suivantes aux rayons X :
• Ils sont faiblement absorbés par la matière. Mais cette absorption augmente avec la masse atomique des atomes absorbants : une fine couche de plomb suffit à stopper le rayonnement produit avec ses sources de rayons X.
• Ils sont diffusés par la matière. C’est l’origine du rayonnement de fluorescence.
• Ils impressionnent une plaque photographique.
• Ils déchargent les corps chargés électriquement.

Dans sa première communication faite à la Société Physico-Médicale de Würzburg « Sur un nouveau type de rayon » il remarque que « si l’on met la main entre l’appareil à décharges et l’écran, on voit l’ombre plus sombre des os de la main dans la silhouette un peu moins sombre de celle-ci ». Röntgen décrit la première image radiographique. Il réalise également le premier cliché radiographique le 22 décembre 1895 en intercalant la main de son épouse entre le tube de Crookes et une plaque photographique . Les parties les plus denses et épaisses sont les plus sombres sur la plaque : on distingue une bague sur le majeur.

Röntgen se verra attribuer le premier Prix Nobel de physique en 1901 en récompense « des services extraordinaires rendus possibles par sa découverte des rayons remarquables qui portent son nom » .

Production des rayons X : mécanisme physique à l’origine des rayons

Caractéristiques des rayons X

Les rayons X ou photons X, sont une forme de rayonnement électromagnétique, au même titre que la lumière visible, l’ultra-violet ou encore l’infra-rouge. Un photon est un grain d’énergie sans support matériel, de masse nulle au repos. Une onde électromagnétique est due à la fois à un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaires oscillants en phase. Elle se propage dans le vide à la vitesse de la lumière (c = 299 792 458 m/s).

On appelle rayons X les ondes électromagnétiques dont les fréquences sont comprises entre 1016 Hz et 1020 Hz. Les longueurs d’ondes sont de l’ordre de 10-8 à 10-12 m, et les énergies des photons X sont comprises entre 40 et 4×105 eV (1 eV correspond à 1,6×10-19 Joules). Ces énergies sont de l’ordre de grandeur des énergies de liaison des électrons des couches internes des atomes (de l’ordre du keV). Le domaine des rayons X se situe entre l’ultra-violet et les rayons gamma. Les rayons gamma ou encore photon gamma, sont également des rayonnements électromagnétiques. Les RX et les RG ont les mêmes propriétés, et peuvent être identiques s’ils possèdent la même énergie. La principale différence entre ces deux photons est leur origine. Les RX ont une origine extranucléaire avec un spectre de raies ou un spectre continu ; alors que les photons gamma ont une origine nucléaire avec un spectre de raies.

Production des rayons X

Les rayons X sont produits dans des tubes à rayons X également appelés tubes de Coolidge ou tubes à cathode chaude (figure 3). Le principe est le suivant :
• Production des électrons par effet thermoélectronique dans le filament (cathode)
• Accélération des électrons par un champ électrique
• Production des rayons X par interraction des électrons sur une cible (anode en métal, tungstène le plus souvent) .

Deux paramètres sont variables dans un générateur, la quantité de rayons X obtenus et la qualité de ces rayons. On joue dessus en modulant le voltage et ou l’intensité:
• L’intensité traversant le tube (milliampère) détermine le flux de RX, c’est à dire le facteur de quantité de radiations émises
• La tension aux bornes du tube (kilovoltage) détermine la pénétration des RX, qui est le facteur de qualité de ces radiations.

Les rayons X sont émis par la cible selon deux mécanismes :
• le freinage des électrons par les atomes de la cible crée un rayonnement continu (rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung) dont une partie dans le domaine des rayons X ;
• les électrons accélérés ont une énergie suffisante pour exciter ou ioniser certains des atomes de la cible, en perturbant leurs couches électroniques internes. Ces atomes excités ou ionisés émettent des rayons X en retournant à leur état fondamental (rayonnement de fluorescence).

Une faible proportion, 1% environ de l’énergie cinétique cédée par les électrons est rayonnée sous forme de rayons X, les 99 % restants sont convertis en énergie thermique.

Intéraction des rayons X avec la matière

Lors de la propagation à travers un milieu matériel, les rayons X peuvent être déviés par les atomes du milieu (diffusion) ou bien absorbés. C’est ce dernier phénomène qui est mis en jeu dans les applications médicales de la radiographie. Dans la représentation corpusculaire, un photon entre en collision avec les électrons liés aux atomes du milieu matériel traversé (électrons des couches internes). Si l’énergie E du photon incident est suffisante (supérieure à l’énergie de liaison W de l’électron), il peut arracher un électron du cortège atomique, ce qui s’appelle l’ ionisation. L’atome se retrouve dans un état instable et perd sa neutralité, il devient un ion. L’électron arraché, appelé « photo-électron », est éjecté avec l’énergie cinétique Ecin = E-W. Les photo-électrons transfèrent ensuite leur énergie cinétique au milieu en provoquant des ionisations ou excitations le long de leurs trajectoires. Si l’énergie E du photon incident n’est pas suffisante pour arracher l’électron (E<Wi), il peut déplacer cet électron vers une couche plus périphérique. C’est l’excitation, l’atome se retrouve dans un état excité, état instable mais conserve sa neutralité. Dans les deux cas, excitation ou ionisation, l’atome est instable. La nature n’aimant pas cet état d’instabilité, deux phénomènes existent pour recouvrer la stabilité : la fluorescence et l’effet Auger.

Dans la fluorescence, l’atome excité ou ionisé retrouve son état de repos en libérant très rapidement l’énergie restante sous-forme d’un photon. Le photon libéré est moins énergétique que le photon incident. D’après la loi de Planck, la longueur d’onde (couleur) est inversement proportionnelle à l’énergie. Le photon émis a ainsi une plus grande longueur d’onde que le photon incident. Les rayons X de fluorescence ont un spectre de raies, caractéristique du matériau. Dans l’effet Auger, un autre électron d’une couche supérieure descend pour occuper la place vacante et ce processus de désexcitation s’accompagne de l’émission d’un photon. Cette transition électronique produit alors soit un photon X, en l’occurrence lié à la fluorescence X soit l’émission d’un autre électron de l’atome ayant absorbé ce photon X. C’est précisément cet électron que l’on appelle un électron Auger. L’absorption d’un rayonnement X par un milieu dépend fortement de la nature des atomes traversés: pour une fréquence donnée, on constate que l’absorption est d’autant plus probable que le nombre atomique Z des atomes du matériau traversé est élevé. On constate également qu’un rayonnement de grande énergie (courte longueur d’onde) sera moins absorbé, donc plus pénétrant qu’un rayonnement de plus faible énergie. Les rayons X les plus pénétrants sont appelés rayons « durs » (longueurs d’ondes inférieures au nanomètre).

Premières utilisations en imagerie médicale

Les rayons X suscitent immédiatement un vif intérêt au sein du public : les premières radiographies font le tour du monde par voie de presse et il ne faut pas longtemps pour que la radioscopie (observation sans prise de cliché) et la radiographie deviennent des attractions de foire. Le corps médical saisit très vite l’intérêt offert par cette technique d’imagerie. Le dentiste allemand Walkhoof présente la première radiographie dentaire deux semaines seulement après la communication de Röntgen à la Société Physico-Médicale de Würzburg Le temps de pause est très long, 25 minutes, et la qualité du cliché ne permet pas le diagnostic, mais les perspectives ouvertes sont importantes.

L’usage des rayons X pour réaliser des images médicales se répand dans le monde entier dès 1896. En 1897, la France se dote du premier laboratoire de radiologie grâce au docteur Béclère qui met en place, à ses frais, une installation radioscopique dans son service de médecine générale à l’hôpital Tenon. Une radioscopie du thorax des patients permet le dépistage systématique de la tuberculose . Il instaure également des cours de radiologie médicale, persuadé que cette technique va devenir indispensable à la pratique médicale. Ses efforts lui valent dans un premier temps d’être méprisé par ses collègues médecins qui lui reprochent de « déshonorer le corps médical en devenant photographe » avant d’être reconnu comme le pionnier de la diffusion de cette technique.

Les premiers manipulateurs opèrent sans protection, ils sont constamment soumis au bombardement des rayons X. Leurs mains sont en première ligne : elles maintiennent l’écran ou la plaque photographique et ne sont pas protégées. Le premier effet du rayonnement est la radiodermite : une brûlure grave qui apparaît après un temps d’incubation. Un nombre croissant de praticiens présente des cancers. Le premier cas de cancer radio induit a été décrit en 1901, soit seulement 6 ans après la découverte des rayons X. Un premier patient décède en 1904 d’un excès de dose suite à une prise en charge médicale.

En une quinzaine d’année, les amputations des doigts et de la main et les décès parmi les praticiens se sont généralisées. Le corps médical prend alors conscience de la nocivité des rayons X sur les tissus humains. Les effets en sont cumulatifs, il faut donc prendre des mesures de protection, c’est la naissance de la radioprotection. Les appareils commencent à être conçus pour permettre une manipulation à distance et le praticien est abrité derrière une vitre plombée pour minimiser l’exposition aux rayons. C’est également le moment de la naissance des sociétés savantes de radioprotection. Pendant la première guerre mondiale, Marie Curie est à l’origine de la création d’un service de radiologie aux armées dont elle prend la direction. Elle fera équiper des camions d’appareils radiologiques, surnommés les « petites Curie » qui permettront de monter au front pour traiter les blessés non-rapatriables à l’arrière. Plus d’un million d’examens radiologiques seront réalisés pendant la guerre évitant ainsi les complications et sauvant sans doute la vie de milliers d’hommes.

Table des matières

INTRODUCTION
I. Etat des connaissances
A. Présentation des rayons
1. Découverte des rayons X
a) Préambule : décharges électriques dans les gaz
b) La découverte des rayons X
2. Production des rayons X : mécanisme physique à l’origine des rayons
a) Caractéristiques des rayons X
b) Production des rayons X
c) Intéraction des rayons X avec la matière
3. Premières utilisations en imagerie médicale
4. Effet sur la santé des rayonnements ionisants
a) Introduction
b) Les effets déterministes
c) Les effets stochastiques
d) L’exposition aux rayonnements ionisants
e) Les sources d’exposition
B. Introduction à la radioprotection
1. Principe de radioprotection
a) Les organismes scientifiques et acteurs internationaux à l’origine de la radioprotection
b) Les acteurs nationaux
c) Les grands principes de radioprotection
2. Organisation de la radioprotection
a) Au niveau d’un établissement de santé
b) Au CHU de Rouen
c) Organisation de la formation en matière de radioprotection
d) Rôle du médecin du travail
3. Etat des lieux au niveau national de la radioprotection aux blocs opératoires
4. Réglementation
a) Introduction
b) Catégorisation des travailleurs et valeurs limites d’exposition professionnelles
c) Elaboration des zones de travail
C. Rayonnements aux blocs opératoires
1. Pourquoi une utilisation des rayonnements dans les blocs opératoires ?
2. Fonctionnement de l’amplificateur de brillance
3. Revue de littérature à propos du port des dosimètres dans les blocs opératoires à travers le monde
4. Quelques études et effets des rayonnements sur la santé des travailleurs exposés et sur les personnels médicaux
D. Surveillance médicale et protection des agents
1. Modalité du suivi médical des travailleurs exposés
2. Exposition externe : surveillance dosimétrique
a) Dosimétrie passive poitrine
b) Dosimétrie opérationnelle
c) Modalités d’accès aux données de la surveillance dosimétrique individuelle
3. Exposition interne
4. Equipements de protection
a) Equipements de protection individuelle
b) Equipements de protection collective
5. Dose reçue par le personnel médical
II. Etude
A. Introduction
1. Choix des blocs inclus dans l’étude
2. Présentation de l’effectif
3. Dose reçue par les agents des trois blocs opératoires cibles en 2018 et 2019
a) Année 2018
b) Année 2019
B. Problématique
C. Matériel et méthode
D. Résultats
1. Audit de radioprotection des blocs opératoires – janvier 2020
a) Audit du bloc pédiatrique : le 6 janvier 2020 à 9h00
(1) Tableau des dosimètres passifs
(2) Informations réglementaires à la radioprotection
(3) Les dosimètres passifs
(4) Dosimétrie opérationnelle
(5) Radioprotection le jour de l’audit
(6) Circuit du dosimètre
(7) Pictogrammes de radioprotection
(8) Équipements de protection individuelle
(9) Équipements de protection collective
(10) Circuit femme enceinte
(11) Conclusion de l’audit du bloc pédiatrie
b) Audit du bloc urologie-digestif : le 9 janvier 2020 à 8h00
(1) Tableau des dosimètres passifs
(2) Informations réglementaires à la radioprotection
(3) Les dosimètres passifs
(4) Dosimétrie opérationnelle
(5) Radioprotection le jour de l’audit
(6) Circuit du dosimètre
(7) Pictogramme de radioprotection
(8) Équipements de protection individuelle
(9) Équipements de protection collective
(10) Circuit femme enceinte
(11) Conclusion de l’audit au bloc urologie – digestif
c) Audit du bloc orthopédique : le 22 janvier à 14h00
(1) Tableau des dosimètres passifs
(2) Informations réglementaires à la radioprotection
(3) Les dosimètres passifs
(4) Dosimétrie opérationnelle
(5) Radioprotection le jour de l’audit
(6) Circuit du dosimètre
(7) Pictogramme de radioprotection
(8) Équipements de protection individuelle
(9) Équipements de protection collective
(10) Circuit femme enceinte
(11) Conclusion audit au bloc orthopédique
d) Entretien des EPI
2. Résultats des visites opératoires
3. Résultats des questionnaires
a) Taux de participation
b) Présentation des résultats
III. Discussion
A. Conclusion générale des audits
B. Discussion des visites opératoires
1. Port des EPI
2. Port des dosimètres
C. Interprétation de l’enquête par questionnaire
1. Discussion des résultats des questionnaires
D. Conclusion et ouverture
CONCLUSION

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