Fluence

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Fluence
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Exposition de longue durée d'échantillons dans un réacteur de recherche, pour mesurer l'effet de la fluence.

Dimension L-2
Nature Grandeur scalaire intensive
Symbole usuel
Expressions
image illustrant la physique
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En physique, la fluence décrit l'intensité avec laquelle un matériau a été historiquement traversé par un flux de particules, ou par un flux de rayonnement ionisant. Il correspond à l'intégration par rapport au temps du flux radiatif ayant traversé un volume élémentaire, exprimé en nombre de particules[1]. L’unité est le m-2 (nombre de particules par mètre carré).

La fluence énergétique est également utilisée pour décrire l’énergie délivrée par unité d’aire[2], dans ce cas l’unité sera le J/m-2. Cette grandeur est considérée comme une unité fondamentale de la dosimétrie. Dans ce cas, elle est aussi utilisée dans certaines applications de la médecine ou orthodontie (Épilation laser… ).

Dans le domaine médical et du langage on parle aussi de « fluence verbale »[3] ou de « fluence de lecture », qui expriment la capacité à lire ou à parler de manière fluide, sans gêne aucune.

Irradiation d'un matériau[modifier | modifier le code]

Lorsqu'un matériau est soumis à un flux neutronique, la probabilité qu'il y ait une interaction entre le flux et ce matériau dépend de quatre grandeurs physiques, dont le produit donne la probabilité d'interaction par unité de volume et par unité de temps (en m-3⋅s-1) :

  • Côté matériau, la probabilité est proportionnelle à la densité atomique (nombre d'atomes par unité de volume, en m-3), et à la section efficace de ces atomes pour l'interaction considérée (en m2). Le produit de ces deux grandeurs (en m-1) caractérise la capacité du matériau à intercepter le flux, c'est ce qui gouverne son facteur d'atténuation pour une épaisseur donnée.
  • Côté flux, la probabilité d'une interaction est proportionnelle à la densité du nuage neutronique (en m-3) et à la vitesse moyenne des particules (en m⋅s-1). Par définition, ces deux grandeurs ont pour produit le flux neutronique, lequel caractérise donc l'intensité de l’environnement radiatif dans lequel est plongé le matériau à un instant donné.

Par définition, la fluence est l'intégration du flux neutronique par rapport au temps. Cette grandeur physique caractérise donc la capacité de l'environnement nucléaire à provoquer des interactions pendant l'exposition correspondante - par exemple, du début à la fin d'une irradiation dans un réacteur de recherche, ou sur la durée de vie d'un réacteur pour déterminer la résistance de sa cuve. Il s'agit donc d'une quantité qui dépend de l'historique de l'irradiation au point considérée, historique pris à la fois dans le temps et dans l'espace.

Il faut souligner ici que même si le « flux neutronique » s'exprime en m-2⋅s-1, comme le ferait une densité de flux exprimée en « événements par mètre carré et par seconde », ni le flux neutronique ni la fluence ne sont des flux au sens de l'intégrale de surface d'un hypothétique champ vectoriel, traduisant le nombre de passage de particules à travers une surface élémentaire de référence. La différence entre le flux d'un champ vectoriel traversant une surface élémentaire en un point et un flux neutronique est claire si l'on considère qu'un flux, au sens physique du terme, aura par construction une distribution angulaire suivant l'orientation de la surface élémentaire , alors qu'un flux neutronique, étant défini sur un volume, est par nature essentiellement scalaire, donc nécessairement isotrope. De ce point de vue, un « flux neutronique » n'est donc certainement pas un « flux », mais la vitesse de variation d'une fluence.

La fluence n'est pas limitée aux flux neutroniques ou au rayonnement beta, qui sont portés par des particules, mais peut être de même définie pour tous les flux énergétiques entraînés par une onde électromagnétique, et en particulier le rayonnement gamma, à partir du moment où des particules sont susceptibles d'interagir avec de la matière : c'est également le cas des photons, quelle qu'en soit l'énergie. La même définition s'applique, la différence étant que dans le cas de photons, la vitesse des particules est égale à la vitesse de la lumière dans le milieu considéré.

Contrôle de la fluence[modifier | modifier le code]

La fluence (du faisceau d'un accélérateur linéaire de particule par exemple) peut être contrôlée en amont via le contrôle de la source d'émission de particule ou de rayonnement ; ou plus en aval, par des modulateurs/absorbeurs, ou par l'action de champs via un collimateur multilames par exemple[4]. Le contrôle précis de la fluence est notamment important pour les appareils de radiothérapie où la dose délivrée doit être optimisée en fonction de l'objectif thérapeutique et de la forme et nature biologique de la tumeur à traiter.

En physique des réacteurs nucléaires[modifier | modifier le code]

Dans ce domaine, la fluence est l'intégrale calendaire du flux neutronique.

Elle s'exprime usuellement en neutrons/cm2.

Par exemple la fluence en neutrons rapides d'énergie supérieure à 1 MeV (vitesse supérieure à 13 830 km/s) reçue par la paroi de la cuve d'un réacteur en fin de vie peut atteindre 6 x 1019 neutrons/cm2 (soit une mole par mètre carré).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. ICRU 33 : Radiation Quantities and Units, avril 1980 (www.icru.org)
  2. Grandeurs dosimétriques, physique pour la médecine
  3. AM Ramier, H Hécaen (1970), Rôle respectif des atteintes frontales et de la latéralisation lésionnelle dans les déficits de la “fluence verbale” ; Revue neurologique
  4. Galvin, J. M., Chen, X. G., & Smith, R. M. (1993). Combining multileaf fields to modulate fluence distributions. International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics, 27(3), 697-705 (résumé)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Bolton, J. R., & Linden, K. G. (2003). Standardization of methods for fluence (UV dose) determination in bench-scale UV experiments. Journal of Environmental Engineering, 129(3), 209-215.
  • Feynman, J., Spitale, G., Wang, J., & Gabriel, S. (1993). Interplanetary proton fluence model: JPL 1991. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-ALL SERIES-, 98, 13-281.
  • Van der Westhuizen, A. J., Eloff, J. N., & Kruger, G. H. J. (1986). Effect of temperature and light (fluence rate) on the composition of the toxin of the cyanobacterium Microcystis aeruginosa (UV-006). Archiv für Hydrobiologie, 108(2), 145-154.