Calorimètres graphite et eau

La calorimétrie est la meilleure technique pour mesurer la dose absorbée de manière absolue et directe. Elle repose sur la mesure de l’élévation de température d’un élément de volume donné de cet instrument, lors de son exposition à une source de rayonnements. Les calorimètres graphite et eau sont utilisés comme base pour les références de dose absorbée dans l’eau qui est le milieu de référence pour la radiothérapie. En effet l’eau et le graphite sont des milieux proches, de par leur composition ou numéro atomique, des tissus biologiques.

Le LNE-LNHB a développé et construit plusieurs exemplaires de ces deux types d’instruments pour réaliser des mesures de référence dans différents champs de rayonnement (électrons, rayons X de moyenne énergie, photons de haute énergie, neutrons et protons). Ceci pour des débits de dose absorbée dans l’eau supérieurs à 0,5 Gy/min, tels ceux utilisés dans les traitements en radiothérapie.

Calorimétrie eau

Le calorimètre eau est conçu pour opérer à 4 °C, température à laquelle la masse volumique de l’eau est maximale, ceci afin de minimiser les courants de convection à l’intérieur du volume d’eau utilisé pour les mesures. L’intérieur du calorimètre consiste en un fantôme d’eau de radiothérapie de (30 × 30 × 35) cm³.

L’augmentation de température sous irradiation est mesurée par deux sondes de température dont les éléments sensibles sont des thermistances dont la résistance varie en fonction de la température suivant une loi déterminée. Ces sondes sont placées à l’intérieur d’une ampoule cylindrique en quartz remplie avec de l’eau ultra pure saturée en azote. La saturation de l’eau en azote permet d’obtenir un défaut de chaleur de l’eau pratiquement nul, c’est-à-dire que toute l’énergie déposée dans ce volume d’eau par le rayonnement est transformée en chaleur. En effet les rayonnements ionisants sont à l’origine du processus de radiolyse de l’eau qui initie un ensemble complexe de réactions chimiques qui peuvent perturber la mesure.

La température du fantôme d’eau est régulée à 4 °C par une circulation d’air froid à l’intérieur de l’enceinte thermique du calorimètre. La dose absorbée dans l’eau est obtenue directement par le produit de l’élévation de température mesurée et de la capacité thermique massique de l’eau. L’incertitude type relative sur la dose absorbée dans l’eau obtenue par calorimétrie eau est comprise entre 0,5 % et 1 % selon le champ de rayonnement.

Calorimétrie graphite

Le calorimètre graphite est un calorimètre solide constitué de plusieurs corps concentriques, en général trois, (de l’intérieur vers l’extérieur : absorbeur, écran et manteau), insérés dans un bloc du même matériau de référence. L’absorbeur est la partie sensible du détecteur : c’est dans cette pièce que l’on détermine l’élévation de température induite par l’irradiation. Sa masse doit être parfaitement connue, de manière à déduire de l’énergie communiquée la valeur de la dose moyenne absorbée dans cet élément. Plusieurs calorimètres graphites ont été construits avec des absorbeurs de 6 mm à 30 mm de diamètre.

Les différents corps de cet assemblage sont en suspension pour ne pas avoir de contact direct les unes avec les autres, et placés dans une enceinte sous vide pour l’isoler thermiquement.

La mesure de l’élévation de température est effectuée avec des thermistances qui sont insérées dans chacun des constituants du calorimètre. Ces thermistances ont deux usages : les unes sont destinées à la mesure de température, les autres à l’apport de chaleur par effet Joule pour réguler la température du calorimètre et réaliser son étalonnage électrique. En effet en pratique, on s’affranchit de la connaissance de la capacité thermique de l’absorbeur en graphite en procédant à l’étalonnage électrique du dispositif en dissipant par effet Joule dans les thermistances de chauffage une quantité connue de chaleur et en mesurant la lecture correspondante de l’instrument. Ce coefficient d’étalonnage électrique est ensuite utilisé pour déterminer la dose absorbée dans le graphite quand l’instrument est irradié.

Un transfert graphite-eau est nécessaire pour obtenir la dose absorbée dans l’eau à partir de la dose dans le graphite. Il peut être réalisé par dosimétrie chimique de Fricke ou des calculs Monte-Carlo. L’incertitude type relative sur la dose absorbée dans l’eau obtenue par calorimétrie graphite après transfert graphite-eau est comprise entre 0,3 % et 0,4 % selon le champ de rayonnement.

Vidéo : Calorimétrie eau et graphite