ISO 13304-1:2013

Radiological protection - Minimum criteria for electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy for retrospective dosimetry of ionizing radiation - Part 1: General principles

The primary purpose of ISO 13304-1:2013 is to provide minimum acceptable criteria required to establish procedure of retrospective dosimetry by electron paramagnetic resonance spectroscopy and to report the results. The second purpose is to facilitate the comparison of measurements related to absorbed dose estimation obtained in different laboratories. ISO 13304-1:2013 covers the determination of absorbed dose in the measured material. It does not cover the calculation of dose to organs or to the body. It covers measurements in both biological and inanimate samples, and specifically: based on inanimate environmental materials, usually made at X-band microwave frequencies (8 GHz to 12 GHz); in vitro tooth enamel using concentrated enamel in a sample tube, usually employing X-band frequency, but higher frequencies are also being considered; in vivo tooth dosimetry, currently using L-band (1 GHz to 2 GHz), but higher frequencies are also being considered; in vitro nail dosimetry using nail clippings measured principally at X-band, but higher frequencies are also being considered; in vivo nail dosimetry with the measurements made at X-band on the intact finger or toe; in vitro measurements of bone, usually employing X-band frequency, but higher frequencies are also being considered. For the biological samples, the in vitro measurements are carried out in samples after their removal from the person and under laboratory conditions, whereas the measurements in vivo may take place under field conditions. NOTE The dose referred to in ISO 13304-1:2013 is the absorbed dose of ionizing radiation in the measured materials.

Radioprotection — Critères minimaux pour la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE) pour la dosimétrie rétrospective des rayonnements ionisants — Partie 1: Principes généraux

Le but principal de l'ISO 13304-1:2013 est de fournir un ensemble de critères minimaux acceptables requis pour établir une procédure de dosimétrie rétrospective par spectroscopie par résonance paramagnétique électronique et pour rendre compte des résultats. Le but secondaire de l'ISO 13304-1:2013 vise à faciliter la comparaison entre laboratoire des mesurages et de l'estimation de la dose absorbée. L'ISO 13304-1:2013 couvre la détermination de la dose absorbée dans le matériau mesuré. Elle ne couvre pas le calcul de la dose délivrée aux organes ou à l'organisme entier. Elle ne concerne que les mesurages effectuées sur des échantillons biologiques et des échantillons inertes, et plus particulièrement: a) les mesurages de matériaux environnementaux inertes, généralement réalisés des fréquences micro-ondes de la bande X (8 GHz à 12 GHz); b) les mesurages in vitro de prélèvement d'émail dentaire, placé dans un tube porte-échantillon, et mesuré en général en bande X, mais l'utilisation de fréquences micro-ondes plus élevées peut être également considérée; c) les mesurages in vivo de dents, réalisés actuellement en bande L (1 GHz à 2 GHz), mais des fréquences micro-ondes plus élevées sont également envisagées; d) les mesurages in vitro de prélèvements d'ongles effectués principalement dans la bande X, mais des fréquences micro-ondes plus élevées sont également à l'étude; e) les mesurages in vivo des ongles, effectués en bande X sur les ongles des doigts ou des orteils; f) les mesurages in vitro de tissus osseux, réalisés en général en bande X mais l'utilisation de fréquences micro-ondes plus élevées est également étudiée. En ce qui concerne les échantillons biologiques, les mesurages in vitro sont effectués sur des échantillons prélevés sur la personne et dans des conditions de laboratoire, tandis que les systèmes de mesure in vivo, réalisés sur les individus peuvent être déplacés au plus près des victimes.

General Information

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 14-Jul-2013
• Withdrawal Date: 14-Jul-2013
• ICS: 13.280 - Radiation protection
• ICS: 17.240 - Radiation measurements
• Technical Committee: ISO/TC 85/SC 2 - Radiological protection
• Drafting Committee: ISO/TC 85/SC 2/WG 18 - Biological and physical retrospective dosimetry
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Start Date: 20-Jul-2020
• Completion Date: 13-Dec-2025

Relations

• Revised: ISO 13304-1:2020 - Radiological protection - Minimum criteria for electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy for retrospective dosimetry of ionizing radiation - Part 1: General principles
• Effective Date: 23-Apr-2020

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13304-1
First edition
2013-07-01
Radiological protection — Minimum
criteria for electron paramagnetic
resonance (EPR) spectroscopy for
retrospective dosimetry of ionizing
radiation —
Part 1:
General principles
Radioprotection — Critères minimaux pour la spectroscopie par
résonance paramagnétique électronique (RPE) pour la dosimétrie
rétrospective des rayonnements ionisants —
Partie 1: Principes généraux
Reference number
©
ISO 2013
© ISO 2013
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Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions . 1
3 Confidentiality and ethical considerations . 2
4 Laboratory safety requirements . 2
4.1 Magnetic field . 2
4.2 Electromagnetic frequency . 3
4.3 Biohazards from samples . 3
5 Collection/selection and identification of samples . 3
6 Transportation and storage of samples . 3
7 Preparation of samples. 4
8 Apparatus . 5
8.1 Principles of EPR spectroscopy . 5
8.2 Requirements for EPR spectrometers . 5
8.3 Requirements for the resonator . 5
8.4 Measurements of the background signals . 6
8.5 Spectrometer stability and monitoring/control of environmental conditions . 6
8.6 Baseline drift . 6
9 Measurements of the samples . 7
9.1 General principles . 7
9.2 Choice and optimization of the measurement parameters . 7
9.3 Sample positioning and loading . 9
9.4 Microwave bridge tuning . 9
9.5 Use of standard samples as field markers and amplitude monitors . 9
9.6 Monitoring reproducibility .10
9.7 Procedure to measure anisotropic samples .10
9.8 Coding of spectra and samples .10
10 Determination of the absorbed dose in the samples .10
10.1 Determination of the radiation-induced signal intensity .10
10.2 Conversion of the EPR signal into an estimate of absorbed dose .11
11 Measurement uncertainty .11
12 Investigation of dose that has been questioned .12
13 Quality assurance (QA) and quality control (QC) .13
14 Minimum documentation requirements .14
Bibliography .15
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2. www.iso.org/directives
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constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 85, Nuclear energy, nuclear technologies, and
radiological protection, Subcommittee SC 2, Radiological protection.
ISO 13304 consists of the following parts, under the general title Radiological protection — Minimum criteria
for electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy for retrospective dosimetry of ionizing radiation:
— Part 1: General principles
iv © ISO 2013 – All rights reserved

Introduction
Electron paramagnetic resonance (EPR) has become an important approach for retrospective dosimetry
in any situation where dosimetric information is potentially incomplete or unknown for an individual.
It is now applied widely for retrospective evaluation of doses that were delivered at considerable times
in the past (e.g. EPR dosimetry is one of the methods of choice for retrospective evaluation of doses to
the involved populations from the atomic weapon exposures in Japan and after the Chernobyl accident)
and has received attention for use for triage after an incident in which large numbers of people have
potentially been exposed to clinically significant levels of radiation. Various materials may be analysed
by EPR to provide information on dose. Thus, EPR is a versatile tool for retrospective dosimetry,
pertinent as well for acute exposures (past or recent, whole or partial body) and prolonged exposures.
Doses estimated with EPR were mainly used to correlate the biological effect of ionizing radiation to
received dose, to validate other techniques or methodologies, to manage casualties, or for forensic
expertise for judicial authorities. It uses mainly biological tissues of the person as the dosimeter and
also can use materials from personal objects as well as those located in the immediate environment.
EPR dosimetry is based on the fundamental properties of ionizing radiation: the generation of unpaired
electron species (often but not exclusively free radicals) proportional to absorbed dose. The technique
of EPR specifically and sensitively detects the amount of unpaired electrons that have sufficient stability
to be observed after their generation; while the amount of the detectable unpaired electrons is usually
directly proportional to the amount that was generated, these species can react, and therefore, the
relationship between the intensity of the EPR signal and the radiation dose needs to be established for
each type of use. The most extensive use of the technique has been with calcified tissue, especially with
[15]
enamel from teeth. An IAEA technical report was published on the use for tooth enamel. To extend
the possibility of EPR retrospective dosimetry, new materials possibly suitable for EPR dosimetry are
regularly studied and associated protocols established. This International Standard is aimed to make
this technique more widely available, more easily applicable and useful for dosimetry. Specifically, this
International Standard proposes a methodological frame and recommendations to set up, validate, and
apply protocols from samples collection to dose reporting.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13304-1:2013(E)
Radiological protection — Minimum criteria for electron
paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy for
retrospective dosimetry of ionizing radiation —
Part 1:
General principles
1 Scope
The primary purpose of this International Standard is to provide minimum acceptable criteria required
to establish procedure of retrospective dosimetry by electron paramagnetic resonance spectroscopy
and to report the results.
The second purpose is to facilitate the comparison of measurements related to absorbed dose estimation
obtained in different laboratories.
This International Standard covers the determination of absorbed dose in the measured material. It
does not cover the calculation of dose to organs or to the body. It covers measurements in both biological
and inanimate samples, and specifically:
a) based on inanimate environmental materials, usually made at X-band microwave frequencies
(8 GHz to 12 GHz);
b) in vitro tooth enamel using concentrated enamel in a sample tube, usually employing X-band
frequency, but higher frequencies are also being considered;
c) in vivo tooth dosimetry, currently using L-band (1 GHz to 2 GHz), but higher frequencies are also
being considered;
d) in vitro nail dosimetry using nail clippings measured principally at X-band, but higher frequencies
are also being considered;
e) in vivo nail dosimetry with the measurements made at X-band on the intact finger or toe;
f) in vitro measurements of bone, usually employing X-band frequency, but higher frequencies are also
being considered.
For the biological samples, the in vitro measurements are carried out in samples after their removal
from the person and under laboratory conditions, whereas the measurements in vivo may take place
under field conditions.
NOTE The dose referred to in this International Standard is the absorbed dose of ionizing radiation in the
measured materials.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
retrospective dosimetry (including early or emergency response)
dosimetry, usually at the level of the individual, carried out after an exposure using methods other than
the conventional radiation dosimeters
2.2
electron paramagnetic resonance (EPR)
electron spin resonance (ESR)
magnetic resonance technique which is similar to nuclear magnetic resonance (NMR) but based on the
net spin of unpaired electrons, such as free radicals and electron defects centers in matrices
Note 1 to entry: The terms EPR and ESR are essentially equivalent and are widely used. The term electron
magnetic resonance (EMR) also sometimes is used because it is analogous to nuclear magnetic resonance (NMR).
2.3
radical/paramagnetic centre
species with unpaired electron(s)
Note 1 to entry: Paired electrons have the same quantum state except for opposite spins; unpaired electrons
do not have a “partner” with the opposite spin. When the unpaired spin is on a molecule, it is usually termed a
radical; when the unpaired electron is in a matrix, it often is termed a paramagnetic centre.
2.4
in vivo measurement
measurement carried out within the living system, such as measurements of paramagnetic centres in
teeth within the mouth
2.5
in vitro measurement
measurement carried out on materials outside the organism
Note 1 to entry: The term ex vivo also has been used in the literature for sample measured in vitro but irradiated
within the organism.
2.6
quality assurance
planned and systematic actions necessary to provide adequate confidence that a process, measurement,
or service satisfies given requirements for quality
2.7
quality control
planned and systematic actions intended to verify that systems and components conform with
predetermined requirements
3 Confidentiality and ethical considerations
All individual identifying information of persons who provided samples should not be attached to the
information on the samples and kept only in a secured place. The corresponding samples should be
identified by codes with indication only of parameters that are useful for scientific purposes and for
making decisions. Data linking the code to the person can be kept if they are done so in a secure manner,
with access limited to the persons in charge of the data.
Where appropriate, permission for obtaining and measuring the samples should be obtained under the
rules of the jurisdiction where the samples are obtained.
4 Laboratory safety requirements
4.1 Magnetic field
With conventional spectrometers, the magnetic field (for signals with g-factor near 2,0, typically 350 mT
for X-band and 1 200 mT for Q-band) is restricted to the region between the poles of the magnets, and
therefore, there is no associated biological hazard (can affect watches or credit cards if brought very
close to the gap).
2 © ISO 2013 – All rights reserved

The open nature of some in vivo EPR spectrometers (for signals with g-factor near 2,0, 40 mT for L-band)
combined with large gaps between the poles has the potential to project the 0,5 mT line beyond the
confines of the room. This line needs to be determined and appropriate shielding placed for areas that
exceed this limit and that are accessed by the general public. The establishment of the 0,5 mT limit
is based on concerns about potential effects on pacemakers, which are the only significant source of
biohazards from the magnetic fields that are employed with EPR. The conventional limit is 0,5 mT
(which is very conservative) and surveys should be made to confirm that this field is not exceeded where
a person with a pacemaker could be positioned.
Effects of modulation fields on tissues or tooth restorations are not a significant hazard.
4.2 Electromagnetic frequency
4.2.1 in vitro measurement
The configurations used for in vitro measurements have no hazard for exposure of operators, as
the spectrometer usually fully constrains the microwave to the sample with no significant amount
distributed outside of the resonator.
4.2.2 in vivo measurement
Measurements in vivo have the potential hazard of local heating. The operative safety limit is that
established for NMR in terms of permissible rates of energy absorption. In practice, this is a potential
hazard only at high incident microwave power levels—typically > 1 W, which is at least a factor of 3
greater than that in existing instruments.
4.3 Biohazards from samples
Biological samples measured in vitro should be handled in conformance to the rules of the jurisdiction
for routine practice for handling biological samples.
Measurements of teeth in vivo should follow the routines practiced for ordinary dentistry in regard to
potential contamination from subjects to operators or other subjects.
5 Collection/selection and identification of samples
All samples should be collected in as uniform manner as possible and the circumstances of the collection
noted, although this may not always be able to be controlled by the measuring laboratory. If prior
coordination between the collecting and the measuring laboratories is possible, requirements about the
sample collection, selection (of donors, location, or materials) and storage (sample holder, integrity of
the sample and of the container, temperature, light, UV) should be given. If information about samples
is available, keep record of them (this information can be about the location of the sample, origin or
history of the sample, information about donor, etc.). All samples should have a unique identifying code
associated with them.
6 Transportation and storage of samples
If sample collection is made in a place other than the measuring laboratory, then samples should
be transported and stored under specified environmental conditions. These conditions should be
coordinated between the collecting and the measuring laboratories. Conditions of transportation and
storage of the sample may affect the integrity of the sample and also modify the quantity of paramagnetic
species or the nature of the paramagnetic species in the samples. Environmental parameters such
as light and other types of radiations (UV, X-rays, gamma), temperature, humidity, oxygen, sample
conditionings in water or disinfectant solution, for example, contamination (e.g. dust), may significantly
affect the nature and quantity of paramagnetic species in the samples. Therefore, specific attention
should be taken as to the conditions of transportation and storage to avoid or limit as much as possible
the influence of environmental parameters on the samples.
If possible, the influence of these parameters on the radiation-induced signal line shape and intensity
should be investigated to establish the optimum conditions for transportation or storage and to avoid
unnecessary precautions. When samples are known to be sensitive to one or several environmental
conditions or the influence of these parameters or samples is not known, it is highly recommended that
precautions are taken so as to avoid conditions that could affect the samples.
Transportation conditions, including dates, ways of transportation, and mode of control of transportation
conditions, should be recorded. Appropriate sample packaging should always be used to prevent sample
physical damage.
Procedures to avoid X-ray exposure of the sample during airport controls should be implemented. The
dose at the X-ray hand luggage control is of the order of the microgray, so it can be considered negligible
for some applications. If not, when the sample is transported in hand luggage, then authorization for
X-ray exemption should be obtained in advance in order to avoid hindrance at the airport security
controls. X-ray dose to the hold luggage can be higher. For shipping, appropriate labelling (including a
note that the package contains radiation-sensitive dosimeters and, therefore, should not be irradiated)
should be used. When this is not possible, unirradiated identical control samples or dosimeters should
be placed in the package.
After the samples are received, they should be stored under stable conditions and the temperature and
humidity should be monitored and recorded. Exposure to light should always be avoided.
7 Preparation of samples
Sample preparation should be performed according to an established and explicit protocol.
For in vitro and ex vivo measurements, sample preparation is usually needed to accomplish several goals,
including: achieving a sample size that fits in the measurement tube; reducing anisotropy; ensuring
disinfection; eliminating paramagnetic impurities from the sample; drying the sample; and stabilizing
the EPR signals.
When required, preparation of the sample can be done by grinding, crushing, cutting, drilling, or
other mechanical treatments. During these operations, sample overheating should be avoided using
water irrigation or other cooling systems. Metal contamination of the sample can be avoided by using
hard alloy tools.
As needed, sterilization, cleaning, deproteination, and/or delipidation are performed using chemical
agents. Thermal treatment (annealing, freezing) can be used to accelerate or slow down recombination
of the radicals. Samples with significant amounts of moisture can be dried before the EPR measurements
to improve signal-to-noise ratio.
The setup of a protocol for sample preparation shall include the evaluation of the effect of the protocol
on the EPR signals (lineshape and intensity) on the dose estimation, including whether it can induce EPR
signals. When employing the additive dose method (see 10.2.1), it is very desirable to use protocols that
do not affect the radiation sensitivity.
The protocol should be described in details in documents, including: the duration of treatment, quality of
reagents, and the instrumentation used and its performance. All samples should be prepared following
the same protocol. Samples used for calibration have to be treated according to the same protocol as the
samples to be measured.
Any modification to the protocol should be noted and the influence of each modification evaluated (e.g.
power or frequency of ultrasonic bath, reagent quality).
All details of the procedures for each sample shall be recorded in a log of the history of the sample.
For measurements in vivo, there are no requirements for preparation of the samples. Depending on the site
that is measured, there may be a need to minimize moisture (especially when making measurements in vivo
in teeth) or to carry out some cleaning procedures (e.g. removing obvious particulate matter from nails).
Because of the limited ability to control environmental conditions fully when making measurements in
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vivo, it is highly desirable to always utilize a standard sample that is in place and with a known relationship
to the sample volume so that factors that affect the measurements (especially factors that affect the quality
factor of the resonator) can be detected and accounted for in the processing of the data.
8 Apparatus
8.1 Principles of EPR spectroscopy
EPR is a technique that specifically and sensitively detects unpaired electrons. It is based on the resonant
absorption of electromagnetic energy for transitions between electron spin states. A static magnetic
field is applied that induces net absorption from transitions between spin states if there is a vacant level
to which the spin can flip. In a magnetic field, the different spin states result in different energy levels,
with the difference in the energy being proportional to the magnetic field. A transition between these
two levels can be induced by an appropriate electromagnetic field.
Currently, continuous wave (CW) EPR spectroscopy is usually used for EPR dosimetry. In an EPR
CW spectrometer, the resonance frequency is applied to a resonant structure and absorption of the
electromagnetic waves by a sample in the resonator is detected. Typically, the resonant condition is
reached by continuously changing the main magnetic field, while a fixed frequency is applied to the
resonator. As a result, an EPR spectrum of absorption versus magnetic field intensity is obtained. Other
methods of EPR signal detection such as pulsed EPR, fast scan EPR spectroscopy, etc. are potentially
available, but to date, these have not been shown to be more effective for dosimetry application than
CW EPR. So, considerations on EPR dosimetry in this International Standard are restricted to CW EPR,
although most of the guidelines would be applicable to other types of EPR spectroscopy.
To improve the signal-to-noise ratio, modern EPR CW spectrometers employ high-frequency magnetic
field modulation in combination with phase-sensitive detection. As a result, the original spectral line
is produced not in the form of an absorption curve, but in the form of its first derivative. In modern
spectrometers, the EPR signal is recorded in digital form using a dedicated computer. In most
spectrometers, the computer also is used to control operation of the spectrometer, e.g. for setting
measurement parameters, tuning the resonator, acquiring the signal, saving the recorded spectrum to
disk, and preliminary spectra processing (such as digital filtering, baseline correction, etc.).
Depending on the magnetic field intensity and, respectively, the resonance frequency, the following
band frequencies are commonly used for EPR dosimetry.
— X-band usually is used for EPR in vitro dosimetry because of a good compromise between sensitivity,
sample size, and sensitivity to the presence of water.
— L-band is used mainly for in vivo tooth dosimetry because of the relatively low amount of non-
resonant absorption of the microwaves due to the presence of water in biological tissues. Q-band
is mainly used in research connected with investigation of spectroscopic properties of materials
suitable for EPR dosimetry and has potential for being utilized for in vitro dosimetry. An advantage
of Q-band is that only a small sample mass is required for measurements and spectral components
can be better resolved in comparison with lower frequencies. On the other hand, such spectrometers
are not widely available, often are more complex to use, and may have a lower signal-to-noise ratio.
8.2 Requirements for EPR spectrometers
As EPR dosimetry often deals with small sample masses and low intensity signals, the sensitivity and
stability of the instruments are critical. Sensitivity and stability may be optimized by proper choice of
instrumental factors (such as selection of resonator, its tuning, and minimization of the microphonic
effects) and selection of the measurement parameters.
8.3 Requirements for the resonator
There are a number of different available designs in resonators, and therefore, it is important to choose
the one that is optimal for the particular type of materials used for dosimetry. Critical aspects include
the sensitivity for the particular type of material, the available microwave power, and the potential for
placing the sample accurately in the most sensitive region of the resonator. It is essential to systematically
monitor the sensitivity and the accuracy of the various settings, including the modulation amplitude.
While theoretical considerations should be used to decide on the approximate optimal settings, the
final tests should be actual measurements with each pertinent parameter empirically confirmed by
measurements in which the parameter (e.g. the modulation amplitude) is varied to find the setting that
gives the maximum signal-to-noise ratio.
8.4 Measurements of the background signals
EPR signals may be originated by other paramagnetic species in the resonator and also measurement
tube for in vitro analysis. Therefore, it is essential that measurements of empty resonator and empty
measurement tube be made under the same conditions as for samples used for dosimetry. The background
signal measured without sample tube may be used to ensure that the background is indeed due to only
the resonator.
The following types of the background signal of the resonator and baseline variation may be observed,
and if the type is identified, then one can more readily take proper actions to minimize its effect.
If a stable background signal is observed, then the resonator or the sample tube may be contaminated.
Carefully cleaning of the resonator or the tube may diminish the effects of this type of background signal.
In the case where the background signal varies with repositioning or reinserting the sample and does
not have a consistent nature as expected with a paramagnetic contaminant, this is likely to be due to
“microphonics”. This can occur with both low frequency (e.g. L-band) and X-band. Dosimetry often
requires that the system be pushed to the limits of sensitivity, which makes the system susceptible to
microphonic noise. This appears to be due to mechanical effects, especially from modulation fields, but
is far from being fully understood. These effects sometimes can be minimized by careful attention to all
possible sources of vibrations and rigidity in the physical components and careful electrical grounding
of all components.
8.5 Spectrometer stability and monitoring/control of environmental conditions
The spectrometer should be allowed to reach a stable operating temperature in regard to both ambient
conditions and the EPR spectrometer’s cooling water. For maximum stability under demanding
operating conditions such as any combination of high microwave power, high magnetic field modulation
amplitude, and variable temperature work, it is important to allow the system to equilibrate under the
same conditions as the experiment that is to be performed. One hour is usually adequate to achieve
temperature equilibrium.
It is necessary to maintain a controlled environment for the best spectrometer performance. Air flowing
through the spectrometer, especially the cavity, may induce temperature fluctuations or microphonics
from sample vibration. Large fluctuations in the ambient temperature may degrade performance by
reducing the frequency stability of the cavity. Very humid environments may cause water condensation.
Condensation inside the cavity may be reduced by maintaining a constant purging stream of dry nitrogen
gas. Note that excessive gas flow rates may generate microphonic noise through sample vibration.
Noise pick-up from electromagnetic fields may be encountered in some environments. It may be possible
to reduce such noise by shielding or perhaps by turning the noise source off if it is identified to be
generated by equipment near the spectrometer.
8.6 Baseline drift
Baseline drift is connected with stability of operation of the spectrometer. Baseline drift should be
minimized by optimization of operational conditions. Correction of the baseline drift effects on the
spectrum may be performed immediately after measurements with the use of the basic software of the
spectrometer, or it may be corrected during subsequent spectra processing of the radiation-induced
signal with the use of special software.
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Linear baseline drift: The use of very high modulation amplitudes can produce large eddy currents
in the sidewalls of the resonator. These currents can interact with the magnetic field to produce a
torque on the resonator and create a resonant frequency shift. A linear-field-dependent or modulation-
amplitude-dependent baseline is indicative of such an effect. This phenomenon should not be observed
if the resonator end plates are properly fitted and torqued.
Slowly and randomly varying baseline: The use of high microwave power or large modulation fields can
heat the resonator and the sample. The ensuing thermal drifts in the coupling of the resonator, as well
as the frequency of the resonator, can result in a fluctuating offset in the signal. Allow the turned cavity
and sample to come to thermal equilibrium before performing the final tuning of the cavity. Once the
resonator is equilibrated and properly tuned under equilibrium conditions, one can start acquiring a
spectrum. Avoid air drafts around the resonator, as they can randomly change the temperature of the
cavity and sample and hence the baseline of the spectrum.
9 Measurements of the samples
9.1 General principles
The goal is to measure the intensity of the radiation-induced signals with uncertainties sufficient to
meet desirable dose uncertainties. This requires appropriate conditions for acquisition of the spectra
by selection of optimal measurement parameters. In some materials, signals may be present other than
those induced by radiation, which requires that the measurement procedure should be optimized to
allow for minimizing the potential perturbation from such signals.
9.2 Choice and optimization of the measurement parameters
9.2.1 General
There are three groups of parameters for making measurements with an EPR spectrometer: microwave-
related parameters, magnetic field parameters, and signal detection parameters. The aim of this
subclause is to provide a basis for proper selection of parameters necessary to record an EPR spectrum
of radiation-induced signal from radiation-induced radicals as well as the overlapping signals. Depending
on spectrometer type, some of the measurement parameters may not be available.
9.2.2 Microwave-related parameters
9.2.2.1 Microwave frequency. It refers to the resonant frequency of the loaded microwave resonator.
It is dependent on the operation band of the spectrometer, type of resonator, and properties of the
inserted sample.
9.2.2.2 Microwave power. The EPR signal intensity increases as the square root of the microwave
power in the absence of saturation effects. Several microwave power levels should be tried to find the
optimal microwave power. Varying the microwave power produces effects on all EPR signals. Influence
of microwave power on the baseline drift is described in 8.6. The microwave power should be properly
selected in order to achieve the highest ratio of “radiation-induced signal/signals from other sources”.
9.2.3 Magnetic field parameters
9.2.3.1 Magnetic field at resonance. The value of magnetic field at resonance is determined by the
microwave frequency. The centre of the magnetic field sweep is approximately 350 mT for a frequency
of 9,8 GHz and an EPR signal with g-factor near 2,0 (main line of the radiation-induced signal). It is about
40 mT for L-band and 1 200 mT for Q-band.
9.2.3.2 Magnetic field sweep width. Magnetic field sweep width is determined by the type of dosimetric
material and sometimes also by the desire to record a standard sample (see 9.5). For example, if a marker
sample of MnO is recorded simultaneously with spectrum of the sample at X-band, a typical value of
10 mT is used to record central part of the spectrum near g-factor equal 2,0 together with lines 3 and 4
of the standard.
9.2.3.3 Magnetic field sweep time. EPR signals are recorded with minimal distortion if the sweep time
through the signal’s peak-to-peak line width is at least 10 times longer than the receiver time constant
of the signal channel receiver low-pass filter (principles of selection for this parameter are described
below, in 9.2.4.2).
NOTE For undistorted recording of the radiation-induced EPR signal of tooth enamel in X-band (which has
approximately 0,4 mT in width), the sweep time should be set up to 125 and 250 times longer than the time constant
for a 5 mT and 10 mT sweep width, respectively. Typical sweep times are in the range between 20 s and 80 s.
9.2.4 Signal channel parameters
9.2.4.1 Receiver gain. It is convenient to have sufficient receiver gain in order to readily visualize the
signal. With excessive receiver gain, the signal is clipped.
9.2.4.2 Time constant of receiver. The time constant filter reduces random (white) noise. If the scan
is too fast for the chosen setting, the signal is distorted and reduced. The use of a time constant, such
that the time needed to scan through an EPR signal is about 10 times greater than the length of the time
constant, avoids such distortion.
9.2.4.3 Spectrum resolution. Spectrum resolution is determined by the number of channels used by
the signal channel analog-to-digital converter (ADC) for spectral acquisition. It should be selected to
have enough number of data points to resolve spectral features important for analysis. Typically, to
provide a resolution of 0,01 mT and 0,005 mT for sweep width of 10 mT and 5 mT, respectively, 1 024
channels are used.
9.2.4.4 Conversion time. It is the duration of acquisition for each channel. This parameter is chosen in
accordance with selected sweep time, which is defined as a product of the number of channels used in
spectrum acquisition (spectrum resolution) and the conversion time of each channel.
9.2.4.5 Modulation frequency. The frequency of the magnetic field modulation should be set as high as
possible to achieve the best signal-to-noise ratio. Usually, the upper limit is set to prevent broadening of
very narrow EPR signals at high modulation frequency. In practice, most commercial EPR spectrometers
operate with 50 kHz or 100 kHz modulation frequency. For these values of modulation frequency, EPR
lines shall be broader than about 0,002 mT or 0,004 mT, respectively.
9.2.4.6 Modulation amplitude. Field modulation amplitude should not exceed the width of the EPR
signal. The use of the higher values is not practical because it leads to broadening of the radiation-
induced signal and reduction of signal resolution.
9.2.4.7 Sweep time and number of signal accumulations. In a perfectly stable laboratory environment
and spectrometer, signal averaging and acquiring a spectrum with a long sweep (scan) time and a long
time constant are equivalent. Unfortunately, such perfect stability is impossible to attain whether in the
laboratory or, in the case of in vivo tooth dosimetry, in the field. Slow variations in conditions result in
baseline drifts. A common cause of such variations is room temperature changes or air drafts around
the cavity. For a long sweep time, the variation causes broad features in the spectrum. If the EPR signal
is accumulated with a sweep time short compared to the variation time, these baseline features could
be averaged out. The baseline drift causes only a direct current offset in each of the scanned spectra.
Improvement in baseline stability may be achieved through the use of short sweep times with signal
averaging when the laboratory environments are not stable. Alternatively, with the presence of a suitable
marker in each sweep (see 9.5), some of the drifts can be corrected by suitable software. Fluctuations
in the stability of the magnetic field and microwave frequency are usually compensated by built-in field-
frequency lock device in modern spectrometers.
9.2.5 Signal-to-noise ratio enhancement. EPR signal accumulation with averaging produces a
signal-to-noise ratio enhancement by square root of the number of accumulations. However, a large
number of scans coupled with long sweep times can be a disadvantage because of temporal fluctuations
8 © ISO 2013 – All rights reserved

in spectrometer sensitivity, including the instability of electronic devices, microwave cavity quality
factor, and power output.
9.3 Sample positioning and loading
Reproducible positioning of the sample in the resonator is perhaps the most crucial factor for obtaining
reproducible and comparable results, and therefore, this aspect needs to be thoroughly documented
and the method for achieving it shall be quite robust.
For X-band measurements, the microwave resonator is characterized by a so-called working volume,
within which the distribution of microwave field and modulation amplitude are essentially homogeneous.
The sample shall be positioned within the working volume, but this does not guarantee a linear dependence
between the sample mass and the EPR signal intensity because the sensitivity varies within the working
volume. If the sample occupies a significant fraction of the working volume, there is unlikely to be a linear
relation between sample mass and the signal intensity and an empirical nonlinear dependence between
the EPR intensity and sample mass should be used for normalization. Note that even with the same mass,
the sample volume can be out of the linear range if the inner diameters of the sample tubes vary. In this
case, it is necessary to have a calibration relationship established for each sample tube. Before using
linear mass normalization, it is necessary to determine by measurements the range of masses for the
particular type of resonator and for the sample tubes being used, within which the linear dependence of
EPR signal intensity versus sample mass is valid. Frequently, the sample tube placement is fixed in the
resonator on a special pedestal in order to improve reproducibility of the EPR measurements. In this
case, with a smaller sample, a further deviation from linear dependence between EPR intensity and mass
occurs because the centre of the sample does not coincide with the centre of the resonator.
The equivalent of s
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 13304-1
Première édition
2013-07-01
Radioprotection — Critères minimaux
pour la spectroscopie par résonance
paramagnétique électronique (RPE)
pour la dosimétrie rétrospective des
rayonnements ionisants —
Partie 1:
Principes généraux
Radiological protection — Minimum criteria for electron
paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy for retrospective
dosimetry of ionizing radiation —
Part 1: General principles
Numéro de référence
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Termes et définitions . 1
3 Confidentialité et considérations déontologiques . 2
4 Exigences de sécurité relatives aux laboratoires. 3
4.1 Champ magnétique . 3
4.2 Fréquence électromagnétique . 3
4.3 Risques biologiques pour les échantillons . 3
5 Prélèvement/choix et identification des échantillons . 3
6 Transport et stockage des échantillons . 4
7 Préparation des échantillons . 4
8 Appareillage . 5
8.1 Principes de la spectroscopie RPE . 5
8.2 Exigences relatives aux spectromètres RPE . 6
8.3 Exigences relatives au résonateur . 6
8.4 Mesurages des signaux non issus des échantillons . 6
8.5 Stabilité du spectromètre et surveillance/contrôle des conditions environnementales . 7
8.6 Dérive de la ligne de base . 7
9 Mesurages des échantillons . 8
9.1 Principes généraux . 8
9.2 Choix et optimisation des paramètres de mesure . 8
9.3 Positionnement et chargement de l’échantillon .10
9.4 Réglage du spectromètre.10
9.5 Utilisation d’échantillons de référence comme marqueurs de champ et
contrôleurs d’amplitude .11
9.6 Reproductibilité du contrôle .11
9.7 Procédure de mesure des échantillons anisotropes .11
9.8 Codage des spectres et des échantillons .11
10 Détermination de la dose absorbée dans les échantillons .11
10.1 Détermination de l’intensité du signal radio-induit .11
10.2 Conversion du signal RPE en une estimation de dose absorbée .12
11 Incertitude de mesure .13
12 Examen d’une dose suspecte.13
13 Assurance qualité et contrôle de la qualité (AQ et CQ) .14
14 Exigences minimales concernant la documentation .16
Bibliographie .17
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.
org/directives.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,
www.iso.org/patents.
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 85, Énergie nucléaire, technologies
nucléaires et radioprotection, sous-comité SC 2, Radioprotection.
L’ISO 13304 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Radioprotection — Critères
minimaux pour la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE) pour la dosimétrie
rétrospective des rayonnements ionisants:
— Partie 1: Principes généraux
iv © ISO 2013 – Tous droits réservés

Introduction
La résonance paramagnétique électronique (RPE) est une technique couramment utilisée en dosimétrie
rétrospective lorsque les informations dosimétriques concernant un individu sont potentiellement
incomplètes ou inconnues. Elle est largement utilisée pour l’évaluation rétrospective des doses délivrées
à des moments précis dans le passé (par exemple, la dosimétrie RPE est l’une des méthodes de choix pour
l’évaluation rétrospective des doses délivrées aux populations exposées à l’arme atomique au Japon et
aux personnes exposées suite à l’accident de Tchernobyl) et elle est également envisagée comme méthode
de tri de population lors d’accident impliquant un grand nombre de personnes potentiellement exposées
à des niveaux de rayonnement cliniquement significatifs. Divers types de matériaux peuvent être
analysés par la technique RPE pour estimer la dose absorbée dans ces matériaux. Ainsi, la spectroscopie
RPE est un outil polyvalent pour la dosimétrie rétrospective, qui est aussi bien mis en œuvre pour les
expositions aiguës (passées ou récentes, d’une partie ou de l’ensemble du corps) que pour les expositions
de longue durée. Les doses estimées avec la méthode RPE ont principalement ont été utilisées pour
établir une corrélation entre les effets biologiques des rayonnements ionisants et la dose reçue, pour
valider d’autres techniques ou méthodologies, pour la gestion des victimes d’accident d’irradiation ou
assurer l’expertise médico-légale dans le cadre de procédures judiciaires. Les tissus biologiques humains
sont les principaux matériaux utilisés pour la dosimétrie rétrospective par RPE mais des matériaux
provenant d’objets personnels ainsi que des objets situés dans l’environnement immédiat des personnes
exposées peuvent être également utilisés. Le principe de la dosimétrie RPE est basée sur les propriétés
fondamentales des rayonnements ionisants: la production d’espèces comportant des électrons non
appariés (souvent, mais non exclusivement, des radicaux libres) en quantité proportionnelle à la dose
absorbée. La spectroscopie RPE permet de détecter de manière spécifique et sensible les quantités
d’espèces comportant des électrons non appariés suffisamment stables pour pouvoir être observés
après leur création; bien que la quantité d’électrons non appariés détectés soit en général directement
proportionnelle à la quantité générée, ces espèces peuvent réagir, d’où la nécessité d’établir, pour chaque
type d’utilisation, la relation entre l’intensité du signal RPE et la dose de rayonnement. Cette technique a
été le plus souvent appliquée sur des tissus calcifiés, notamment l’émail dentaire. Un Rapport technique
de l’AIEA portant sur l’estimation des doses à partir de la mesure de l’émail dentaire a été publié en
[15]
2002. Pour étendre le champ d’application de la spectroscopie RPE dans le domaine de la dosimétrie
rétrospective, de nouveaux matériaux potentiellement utilisables sont régulièrement étudiés et des
protocoles associés établis. Le but de la présente norme est de faciliter la diffusion de cette technique,
de la rendre plus facilement applicable et plus utile pour la dosimétrie. Spécifiquement, la présente
Norme internationale propose un cadre méthodologique et des recommandations pour établir, valider
et appliquer des protocoles allant du prélèvement des échantillons jusqu’à la consignation des doses.
NORME INTERNATIONALE ISO 13304-1:2013(F)
Radioprotection — Critères minimaux pour la spectroscopie
par résonance paramagnétique électronique (RPE) pour la
dosimétrie rétrospective des rayonnements ionisants —
Partie 1:
Principes généraux
1 Domaine d’application
Le but principal de la présente Norme internationale est de fournir un ensemble de critères minimaux
acceptables requis pour établir une procédure de dosimétrie rétrospective par spectroscopie par
résonance paramagnétique électronique et pour rendre compte des résultats.
Le but secondaire de la présente Norme internationale vise à faciliter la comparaison entre laboratoire
des mesurages et de l’estimation de la dose absorbée.
La présente Norme internationale couvre la détermination de la dose absorbée dans le matériau mesuré.
Elle ne couvre pas le calcul de la dose délivrée aux organes ou à l’organisme entier. Elle ne concerne
que les mesurages effectuées sur des échantillons biologiques et des échantillons inertes, et plus
particulièrement:
a) les mesurages de matériaux environnementaux inertes, généralement réalisés des fréquences
micro-ondes de la bande X (8 GHz à 12 GHz);
b) les mesurages in vitro de prélèvement d’émail dentaire, placé dans un tube porte-échantillon, et
mesuré en général en bande X, mais l’utilisation de fréquences micro-ondes plus élevées peut être
également considérée;
c) les mesurages in vivo de dents, réalisés actuellement en bande L (1 GHz à 2 GHz), mais des fréquences
micro-ondes plus élevées sont également envisagées;
d) les mesurages in vitro de prélèvements d’ongles effectués principalement dans la bande X, mais des
fréquences micro-ondes plus élevées sont également à l’étude;
e) les mesurages in vivo des ongles, effectués en bande X sur les ongles des doigts ou des orteils;
f) les mesurages in vitro de tissus osseux, réalisés en général en bande X mais l’utilisation de fréquences
micro-ondes plus élevées est également étudiée.
En ce qui concerne les échantillons biologiques, les mesurages in vitro sont effectués sur des échantillons
prélevés sur la personne et dans des conditions de laboratoire, tandis que les systèmes de mesure in
vivo, réalisés sur les individus peuvent être déplacés au plus près des victimes.
NOTE La dose mentionnée dans la présente Norme internationale, est la dose absorbée de rayonnement
ionisant dans les matériaux mesurés.
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1
dosimétrie rétrospective (inclus les situations d’urgence)
dosimétrie, effectuée après une exposition aux rayonnements ionisants en utilisant des méthodes et
des matériaux autres que les méthodes classiques de surveillance dosimétrique pour estimer une dose
reçue par un individu
2.2
RPE (résonance paramagnétique électronique)
RSE (résonance de spin électronique)
technique de résonance magnétique qui est similaire à la résonance magnétique nucléaire (RMN), mais
fondée sur la résonance des spin électroniques non appariés, tel que par exemple ceux présents dans les
radicaux libres ou ceux liés à une vacance ou une substitution d’atomes dans un réseau cristallin
Note 1 à l’article: Le terme de RPE est maintenant le plus communément utilisé. Le terme RSE est de moins en
moins employé. Le terme résonance magnétique électronique (RME), plus récent, est parfois employé car il est
analogue au terme RMN (résonance magnétique nucléaire).
2.3
centre paramagnétique
espèce contenant un (des) électron(s) non apparié(s)
Note 1 à l’article: Les électrons appariés ont le même état quantique, mais des spins orientés de manière opposée;
les électrons non appariés n’ont pas de «partenaire» avec un spin électronique opposé. Lorsque le spin non apparié
se trouve sur une molécule, il est habituellement désigné par «radical»; lorsque l’électron non apparié se trouve
dans une matrice, il est souvent désigné par «défaut paramagnétique».
2.4
mesurage in vivo
mesurage réalisé sur un système vivant comme, par exemple, des mesurages de centres paramagnétiques
présents dans l’émail dentaire mesurés directement dans la cavité buccale
2.5
mesurage in vitro
mesurage de prélèvements biologiques réalisé à l’extérieur de l’organisme
Note 1 à l’article: Le terme ex vivo a également été utilisé dans la littérature pour des échantillons prélevés et
analysés in vitro, mais irradiés à l’intérieur de l’organisme.
2.6
assurance qualité
toutes les actions planifiées et systématiques nécessaires pour attester qu’un processus, un mesurage
ou un service satisfait aux exigences de qualité
2.7
contrôle de la qualité
actions planifiées et systématiques destinées à vérifier que les systèmes et les composants sont
conformes aux exigences prédéterminées
3 Confidentialité et considérations déontologiques
Aucune information permettant d’identifier un donneur d’échantillons ne doit être jointe aux
informations figurant sur les échantillons. Ces informations doivent être sécurisées. Il convient
d’identifier les échantillons correspondants par des codes avec seulement une indication des paramètres
ayant un intérêt scientifique et être utile pour mener l’analyse. La conservation des données reliant le
code à l’identité de la personne est autorisée à condition qu’elle soit sécurisée, avec un accès limité aux
personnes en charge des données.
Le cas échéant, il convient que la permission pour l’acquisition et le mesurage des échantillons soit
obtenue conformément à la législation du lieu d’obtention des échantillons.
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4 Exigences de sécurité relatives aux laboratoires
4.1 Champ magnétique
Avec les spectromètres conventionnels, le champ magnétique (pour les signaux avec un facteur g proche
de 2,0, typiquement 350 mT en bande X, et 1 200 mT en bande Q) est confiné dans l’espace entre les
pôles des aimants, l’entrefer, il n’y a donc a priori aucun risque biologique associé lors de l’utilisation
(Toutefois, les montres ou les cartes à lecture magnétique sont endommagées lorsque placées dans et à
proximité de l’entrefer).
L’absence de confinement du champ magnétique de certains spectromètres RPE in vivo (pour les
signaux avec un facteur g proche de 2,0, 40 mT en bande L) associée aux espacements importants entre
les pôles peut potentiellement induire des champs supérieurs à la limite admise de 0,5 mT au-delà du
périmètre du local du spectromètre. Il convient de s’assurer que cette limite n’est pas dépassée pour
les zones accessibles au grand public et en cas de dépassement un blindage approprié doit être installé.
L’établissement de la limite à 0,5 mT est fondé sur les effets potentiels sur les pacemakers qui sont
l’unique source significative de risques engendrés par les champs magnétiques utilisés avec la RPE. La
limite conventionnelle est fixée à 0,5 mT (qui est une valeur très conservative) et il convient que des
contrôles soient effectués pour confirmer que cette limite n’est pas dépassée si une personne équipée
d’un pacemaker est susceptible de se trouver à proximité.
Pour les mesurages in vivo, les effets des champs magnétiques sur les tissus ou des restaurations
dentaires ne constituent pas un risque significatif.
4.2 Fréquence électromagnétique
4.2.1 Mesurage in vitro
Les configurations utilisées pour les mesurages in vitro ne présentent pas de risque connu concernant
l’exposition des opérateurs puisque les micro-ondes sont concentrées sur l’échantillon sans qu’une
quantité notable ne soit émise à l’extérieur du résonateur.
4.2.2 Mesurage in vivo
Les mesurages in vivo présentent le risque potentiel d’un échauffement local. La limite de sécurité fonctionnelle
est celle établie pour la RMN concernant les taux admissibles d’absorption d’énergie. Dans la pratique, il n’y a
de risque potentiel qu’à des niveaux élevés de puissance hyperfréquence incidente — habituellement > 1 W,
ce qui représente au moins un facteur trois fois supérieur à celui des instruments existants.
4.3 Risques biologiques pour les échantillons
Il convient que les échantillons d’origine biologique mesurés in vitro soient traités conformément aux
règles normalement applicables pour la manipulation des échantillons biologiques.
Il convient que les mesurages effectués sur des dents in vivo soient conformes aux règles normalement
applicables chez les professionnels en dentaire eu égard à la contamination potentielle des opérateurs
ou autres personnes par les sujets examinés.
5 Prélèvement/choix et identification des échantillons
Il convient que les échantillons soient prélevés d’une manière aussi uniforme que possible et que les
conditions de prélèvement soient consignées, bien que le laboratoire de mesure ne soit pas toujours en
mesure de le contrôler. Si une coordination préalable est possible entre les laboratoires en charge des
prélèvements et ceux réalisant les mesurages, il convient que les exigences concernant les prélèvements,
les règles de sélection (des donneurs, du lieu ou des matériaux) et la conservation (porte-échantillon,
intégrité de l’échantillon et du récipient, température, lumière, rayonnement ultraviolet) soient
spécifiées. Si des informations concernant les échantillons sont disponibles, il convient de les conserver
(il peut s’agir d’informations concernant l’emplacement, l’origine ou l’historique de l’échantillon, ou
d’informations concernant le donneur, etc.). Il convient qu’un code d’identification unique soit associé à
chacun des échantillons.
6 Transport et stockage des échantillons
Si le prélèvement des échantillons a lieu dans un endroit autre que le laboratoire de mesure, alors, il
convient que ces échantillons soient transportés et conservés dans des conditions environnementales
spécifiées. Il convient que ces conditions soient convenues entre les laboratoires en charge du prélèvement
et ceux en charge du mesurage. Les conditions de transport et de conservation de l’échantillon peuvent
altérer l’intégrité de l’échantillon et modifier la quantité ou la nature des espèces paramagnétiques dans
les échantillons. Les paramètres environnementaux, tels que la lumière et autres types de rayonnements
(UV, rayons X, gamma, etc.), la température, l’humidité, la teneur en oxygène, le conditionnement des
échantillons dans l’eau ou dans une solution désinfectante par exemple, ou encore la contamination
(par exemple poussière), peuvent altérer considérablement la nature et la quantité des espèces
paramagnétiques dans les échantillons. En conséquence, il convient de prêter une attention particulière
aux conditions de transport et de conservation afin d’éviter ou de limiter autant que possible l’influence
des paramètres environnementaux sur les échantillons.
Si possible, il convient d’étudier l’influence de ces paramètres sur la forme et l’intensité de la raie du signal
induit par les rayonnements ionisants afin de déterminer les conditions optimales pour le transport ou
la conservation et d’éviter les précautions inutiles. Si les échantillons sont réputés sensibles à une ou
plusieurs conditions environnementales, ou si l’influence de ces paramètres sur les échantillons n’est
pas connue, il est vivement recommandé que des précautions soient prises pour éviter les conditions
susceptibles d’affecter les échantillons.
Il convient que les conditions de transport, y compris les dates, les moyens de transport et le mode de
contrôle des conditions de transport soient consignées. Il convient que des emballages pour échantillons
soient toujours utilisés afin de protéger les échantillons contre toute détérioration physique.
Il convient que des procédures soient mises en œuvre pour éviter l’exposition des échantillons aux
rayons X lors des contrôles aux aéroports. La dose, au niveau du contrôle par rayons X des bagages à main,
étant de l’ordre du microgray, elle peut être considérée comme négligeable pour certaines applications.
Sinon, lorsque l’échantillon est transporté dans un bagage à main, il convient d’obtenir par avance une
autorisation dispensant le bagage du contrôle par rayons X afin d’éviter les soucis lors des contrôles de
sécurité dans les aéroports. Le bagage porté peut être soumis à une dose plus élevée de rayons X. Pour
l’expédition, il convient d’utiliser un étiquetage approprié (comprenant une note indiquant que le colis
contient des dosimètres sensibles aux rayonnements et qu’il convient de ne pas l’irradier). Si cela n’est
pas possible, il convient de placer des échantillons ou des dosimètres témoins identiques non irradiés
dans le colis.
Une fois les échantillons réceptionnés, il convient de les conserver dans des conditions stables et de
surveiller et de consigner la température et l’humidité. Il convient de toujours éviter l’exposition des
échantillons à la lumière.
7 Préparation des échantillons
Il convient que la préparation des échantillons soit effectuée selon un protocole établi et explicite.
Pour les mesurages in vitro et ex vivo, la préparation des échantillons est habituellement requise pour
atteindre plusieurs objectifs, parmi lesquels: l’obtention d’une taille d’échantillon adaptée au tube de
mesure, la réduction de l’anisotropie, la désinfection, l’élimination des impuretés paramagnétiques
contenues dans l’échantillon, le séchage de l’échantillon et la stabilisation des signaux RPE.
Si nécessaire, la préparation de l’échantillon peut être effectuée par broyage, concassage, découpage,
perçage ou autres traitements mécaniques. Durant ces opérations, il convient d’éviter de surchauffer
l’échantillon en utilisant un dispositif d’aspersion d’eau ou d’autres systèmes de refroidissement. La
contamination de l’échantillon par des métaux peut être évitée en utilisant des outils en alliages durs.
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Selon les besoins, la stérilisation, le nettoyage, la déprotéinisation et/ou le dégraissage sont effectués
à l’aide d’agents chimiques. Il est possible de procéder à un traitement thermique (recuit, congélation)
pour accélérer ou ralentir la recombinaison des radicaux. Les échantillons présentant des taux
d’humidité élevés peuvent être séchés avant d’être soumis aux mesurages RPE afin d’améliorer le
rapport signal/bruit.
La mise en place d’un protocole de préparation des échantillons doit inclure l’évaluation de l’effet du
protocole sur les signaux RPE (forme de raie et intensité) et sur l’estimation de la dose, y compris
un possible effet induit sur les signaux RPE. Lors de l’utilisation de laméthode des doses additives
(voir 10.2.1), il est vivement recommandé d’utiliser des protocoles qui n’affectent pas la sensibilité aux
rayonnements.
Il convient que le protocole soit décrit en détail dans les documents et qu’il indique les éléments suivants:
la durée de traitement, la qualité des réactifs ainsi que l’instrumentation utilisée et ses performances.
Il convient que tous les échantillons soient préparés selon le même protocole. Les échantillons utilisés
pour l’étalonnage doivent être traités selon le même protocole que les échantillons à mesurer.
Il convient que toute modification du protocole soit consignée et que l’influence de chaque modification
soit évaluée (par exemple puissance ou fréquence du bain à ultrasons, qualité des réactifs).
Tous les détails des procédures relatives à chaque échantillon doivent être enregistrés dans un registre
répertoriant l’historique de l’échantillon.
Pour les mesurages in vivo, il n’existe aucune exigence concernant la préparation des échantillons. Selon
le site mesuré, il est possible qu’il soit nécessaire de réduire le taux d’humidité (notamment lors de
mesurages effectués in vivo sur des dents) ou pour exécuter certaines opérations de nettoyage (par
exemple, élimination de matière particulaire évidente sur et/ou sous les ongles). En raison de la capacité
limitée de contrôle des conditions environnantes lors des mesurages in vivo, il est vivement recommandé
de toujours utiliser un échantillon de référence qui ayant une relation connue avec les facteurs qui
affectent les mesurages (notamment les facteurs qui affectent le facteur qualité du résonateur) puissent
être détectés et pris en compte lors du traitement des données.
8 Appareillage
8.1 Principes de la spectroscopie RPE
La résonance paramagnétique électronique (RPE) est une technique qui détecte de manière spécifique
et sensible les électrons non appariés. Elle est fondée sur l’absorption résonante d’une énergie
[23]
électromagnétique correspondant à celle entre les états de spins électroniques. L’application
d’un champ magnétique statique permet d’induire une absorption nette par les transitions entre
les états de spins s’il y a un niveau vacant que le spin peut occuper. Dans un champ magnétique, les
différents états de spins donnent lieu à des niveaux d’énergie différents, la différence d’énergie étant
proportionnelle au champ magnétique. Une transition entre ces deux niveaux peut être induite par un
champ électromagnétique approprié.
La spectroscopie RPE à ondes continues est habituellement utilisée pour la dosimétrie par RPE. Dans un
spectromètre RPE à ondes continues, la fréquence de résonance est appliquée à une structure résonante
et l’absorption des ondes électromagnétiques par un échantillon dans le résonateur est détectée. En
général, la condition de résonance est atteinte grâce à la variation continue du champ magnétique
principal, tandis qu’une fréquence fixe est appliquée au résonateur. En conséquence, on obtient un spectre
d’absorption RPE en fonction de l’intensité du champ magnétique. D’autres méthodes de détection de
signaux par RPE, telles que la spectroscopie RPE pulsée, la spectroscopie RPE à balayage rapide, etc.
sont potentiellement disponibles, mais jusqu’à présent, il n’a pas été démontré que ces méthodes étaient
plus efficaces pour l’application en dosimétrie que la technique RPE à ondes continues. Ainsi, dans la
présente Norme internationale, les considérations sur la dosimétrie RPE se limitent à la spectroscopie
RPE à ondes continues, bien que la plupart des lignes directrices soient applicables à d’autres types de
spectroscopie RPE.
Pour améliorer le rapport signal/bruit, les spectromètres RPE à ondes continues actuels utilisent une
modulation de champ magnétique à haute fréquence associée à une détection de phase sensible. En
conséquence, la raie spectrale initiale est produite non pas sous la forme d’une courbe d’absorption, mais
sous la forme de sa première dérivée. Dans les spectromètres modernes, le signal RPE est enregistré sous
forme numérique à l’aide d’un ordinateur dédié. Dans la plupart des spectromètres, l’ordinateur permet
également de contrôler le fonctionnement du spectromètre, par exemple pour fixer les paramètres de
mesure, régler le résonateur, acquérir le signal, sauvegarder le spectre enregistré sur le disque dur et
traiter les données préliminaires (tel que filtrage numérique, correction de ligne de base, etc.).
Selon l’intensité du champ magnétique et, respectivement, la fréquence de résonance, les fréquences
suivantes sont couramment utilisées pour la dosimétrie par RPE.
— La bande X est habituellement utilisée pour la dosimétrie par RPE in vitro car elle constitue
un bon compromis entre sensibilité, taille d’échantillon et sensibilité à la présence d’eau dans
l’échantillon mesuré.
— La bande L est principalement utilisée pour la dosimétrie in vivo de l’émail dentaire en raison du taux
relativement faible de l’absorption non résonante des hyperfréquences, dû à la présence d’eau dans
les tissus biologiques. La bande Q est principalement utilisée dans le cadre de l’étude des propriétés
spectroscopiques des matériaux appropriés pour la dosimétrie RPE et elle peut potentiellement être
utilisée pour la dosimétrie in vitro. L’avantage de la bande Q réside dans le fait que les mesurages
nécessitent seulement une petite masse d’échantillon et que les composantes spectrales peuvent
être résolues par rapport à des fréquences plus faibles. Par contre, l’usage de tels spectromètres
n’est pas étendu car leur utilisation est souvent plus complexe et ils peuvent présenter un rapport
signal/bruit plus faible.
8.2 Exigences relatives aux spectromètres RPE
Étant donné que pour les applications de dosimétrie, les échantillons mesurés sont souvent de petites
masses et les signaux RPE de faible intensité, la sensibilité et la stabilité des instruments constituent
des paramètres critiques. La sensibilité et la stabilité peuvent être améliorées par un choix approprié
des facteurs instrumentaux (par exemple, choix et accord du résonateur et réduction des effets
microphoniques) et la sélection des paramètres de mesure.
8.3 Exigences relatives au résonateur
Sachant qu’il existe différents types de résonateurs disponibles, il est important de choisir celui qui
convient le mieux pour le type particulier de matériaux utilisés pour la dosimétrie. Les aspects critiques
comprennent la sensibilité pour le type particulier de matériau, la puissance hyperfréquence disponible
et la possibilité de placer l’échantillon de manière précise dans la région la plus sensible du résonateur.
Il est indispensable de contrôler systématiquement la sensibilité et l’exactitude des divers réglages, y
compris l’amplitude de modulation. Bien qu’il convienne de passer par des considérations théoriques
pour décider des réglages optimaux approximatifs, il convient également de réaliser des essais finaux
permettant de confirmer de façon empirique chaque paramètre pertinent par des mesurages réels au
cours desquels on fait varier le paramètre (par exemple l’amplitude de modulation) pour déterminer le
réglage qui donne le rapport signal/bruit maximal.
8.4 Mesurages des signaux non issus des échantillons
Les signaux RPE peuvent être générés par des centres paramagnétiques présents dans le résonateur
ainsi que dans le tube de mesure lors d’une analyse in vitro. Par conséquent, il est indispensable que les
mesurages du résonateur vide et du tube de mesure vide soient réalisés dans les mêmes conditions que
pour les échantillons utilisés pour la dosimétrie. Le signal de fond mesuré sans tube porte-échantillon
peut être utilisé pour s’assurer que le bruit de fond est en réalité uniquement dû au résonateur.
Les types suivants de signaux parasites ou d’effet sur la ligne de base des spectres peuvent être observés;
si le type est identifié, il est plus facile d’entreprendre les actions nécessaires pour minimiser cet effet.
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Si un signal parasite stable est observé, cela signifie qu’il est possible que le résonateur ou le tube porte-
échantillon soit contaminé. Un nettoyage soigneux du résonateur ou du tube porte-échantillon peut
réduire l’intensité du signal parasite.
Si les signaux varient en fonction du repositionnement ou de la réintroduction de l’échantillon et que ce
type de signal ne correspond pas à celui d’un contaminant paramagnétique prévu, cela est probablement
dû à des effets de «microphonie». Cela peut aussi bien se produire avec une basse fréquence (par exemple
en bande L) qu’en bande X. La dosimétrie exige souvent que le système soit poussé jusqu’aux limites de
sensibilité, ce qui pour effet de le rendre sensible au bruit microphonique. Il semble que cela soit dû aux
effets mécaniques, notamment ceux issus des champs de modulation, mais le problème est loin d’être
totalement compris. Ces effets peuvent parfois être minimisés en prêtant une attention particulière aux
sources possibles de vibrations et à la rigidité des composants physiques et en assurant une mise à la
terre soigneuse de tous les composants.
8.5 Stabilité du spectromètre et surveillance/contrôle des conditions environnementales
Il convient de laisser le spectromètre atteindre une température de fonctionnement stable vis-à-vis
des conditions ambiantes et des caractéristiques du système de refroidissement du spectromètre RPE.
Pour assurer une stabilité maximale dans des conditions de fonctionnement rigoureuses, comme par
exemple toute combinaison de puissance hyperfréquence élevée, d’amplitude élevée de modulation de
champ magnétique et de température variable, il est important de laisser le système s’équilibrer dans
les mêmes conditions que celles de l’expérience devant être réalisée. Un délai de 1 h permet en général
d’atteindre l’équilibre thermique.
Il est nécessaire de maintenir un environnement contrôlé pour garantir les meilleures performances
du spectromètre. L’air s’écoulant à travers le spectromètre, notamment à travers la cavité, peut induire
des variations de température ou un phénomène de microphonie dû aux vibrations de l’échantillon.
D’importantes variations de la température ambiante peuvent dégrader les performances en réduisant la
stabilité de fréquence de la cavité. Des environnements très humides peuvent entraîner une condensation
d’eau. La condensation à l’intérieur de la cavité peut être réduite en maintenant un courant de purge
d’azote sec. Il convient de noter que des débits excessifs de gaz peuvent générer un bruit microphonique
par le biais de vibrations de l’échantillon.
Un bruit provenant de champs électromagnétiques peut être rencontré dans certains environnements.
Il est possible de réduire un tel bruit par un blindage ou peut-être par l’arrêt de la source de bruit s’il est
établi que ce bruit provient d’équipements situés à proximité du spectromètre.
8.6 Dérive de la ligne de base
La dérive de la ligne de base est liée à la stabilité de fonctionnement du spectromètre. Il convient que la
dérive de la ligne de base soit réduite au minimum par l’optimisation des conditions de fonctionnement.
La correction des effets de la dérive de la ligne de base sur le spectre peut être effectuée immédiatement
après les mesurages à l’aide du logiciel d’analyse fourni avec le spectromètre, ou ultérieurement pendant
le l’analyse des composantes radio-induites de spectres d’échantillons irradiés à l’aide d’un logiciel spécial.
Dérive linéaire de la ligne de base: l’utilisation d’amplitudes de modulation très élevées peut engendrer
d’importants courants de Foucault dans les parois latérales du résonateur. Ces courants peuvent interagir
avec le champ magnétique pour produire un couple sur le résonateur et entraîner un déplacement de la
fréquence de résonance. Une ligne de base linéaire dépendante du champ ou dépendante de l’amplitude
de modulation est révélatrice d’un tel effet. Ce phénomène ne doit normalement pas être observé si les
plaques d’extrémité du résonateur sont correctement montées et couplées.
Variation lente et aléatoire de la ligne de base: l’utilisation d’une puissance hyperfréquence élevée ou
de champs de modulation importants peut entraîner un échauffement du résonateur et de l’échantillon.
Les dérives thermiques produites dans le couplage du résonateur, ainsi que dans la fréquence du
résonateur, peuvent donner lieu à un décalage fluctuant dans le signal. Il convient de laisser le résonateur
et l’échantillon retourner à l’équilibre thermique avant de procéder à l’accord final de la cavité. Une
fois le résonateur équilibré et correctement accordé dans les conditions d’équilibre, il est possible de
commencer l’acquisition d’un spectre. Eviter les courants d’air autour du résonateur car ils peuvent faire
varier de façon aléatoire la température de la cavité et de l’échantillon et, par conséquent, la ligne de
base du spectre.
9 Mesurages des échantillons
9.1 Principes généraux
L’objectif est de déterminer l’intensité des signaux induits par les rayonnements ionisants avec des
incertitudes suffisantes pour atteindre les niveaux d’incertitude souhaités sur la dose. Cela requiert des
conditions appropriées pour l’acquisition des spectres par le choix de paramètres de mesure optimaux.
Dans certains matériaux, il peut y avoir des signaux autres que ceux induits par les rayonnements
ionisants; pour limiter l’éventuelle perturbation causée par de tels signaux, il convient d’optimiser la
procédure de mesure.
9.2 Choix et optimisation des paramètres de mesure
9.2.1 Généralités
Il existe trois groupes de paramètres pour effectuer des mesurages avec un spectromètre RPE: les
paramètres liés fréquences micro-ondes, les paramètres de champ magnétique et les paramètres
de détection des signaux. Le but du présent paragraphe est de fournir une base pour déterminer les
paramètres optimaux pour l’enregistrement des composantes radio-induites d’un spectre RPE ainsi que
celles qui peuvent s’y superposées. Selon le type de spectromètre utilisé, certains paramètres de mesure
peuvent ne pas être modifiables.
9.2.2 Paramètres liés aux hyperfréquences
9.2.2.1 Fréquence micro-onde. Elle se rapporte à la fréquence de résonance du résonateur. Elle dépend
de la bande de fonctionnement du spectromètre, du type de résonateur ainsi que des propriétés de
l’échantillon introduit.
9.2.2.2 Puissance de la micro-onde. L’intensité du signal RPE augmente en même temps que la
racine carrée de la puissance hyperfréquence en l’absence d’effets de saturation. Il convient d’essayer
plusieurs niveaux de puissance hyperfréquence pour trouver la puissance hyperfréquence optimale.
La variation de la puissance hyperfréquence produit des effets sur tous les signaux RPE. L’influence de
la puissance hyperfréquence sur la dérive de la ligne de base est décrite en 8.6. Il convient de choisir
correctement la puissance de la micro-onde afin d’obtenir le rapport le plus élevé de «signal induit par
le rayonnement/signaux provenant d’autres sources»
9.2.3 Paramètres de champ magnétique
9.2.3.1 Champ magnétique à la fréquence de résonance. La valeur du champ magnétique à la
fréquence de résonance est déterminée par la fréquence de la micro-onde utilisée. Le centre de la largeur
du balayage du champ magnétique est d’environ 350 mT pour une fréquence de 9,8 GHz et un signal RPE
avec un facteur g proche de 2,0 (valeur de g proche de la plupart des valeurs de g des composantes radio-
induites observées). Elle est d’environ 40 mT pour la bande L et d’environ 1 200 mT pour la bande Q.
9.2.3.2 Largeur de balayage du champ magnétique. La largeur de balayage du champ magnétique est
fonction de la largeur des signaux étudiés et de leurs facteurs g et également de l’utilisat
...