Линейная передача энергии

В дозиметрии . линейная передача энергии (ЛПЭ) — это количество энергии, которую ионизирующая частица передает материалу, пройденному на единицу расстояния Он описывает действие излучения на вещество.

Она идентична тормозящей силе , действующей на заряженную ионизирующую частицу, движущуюся через вещество. ^[1] По определению, LET — положительная величина. ЛЭП зависит от природы излучения, а также от пройденного материала.

Высокая ЛПЭ быстрее замедлит излучение, что в целом сделает экранирование более эффективным и предотвратит глубокое проникновение. С другой стороны, более высокая концентрация выделенной энергии может привести к более серьезному повреждению любых микроскопических структур вблизи трека частицы. Если микроскопический дефект может вызвать более масштабный отказ, как в случае с биологическими клетками и микроэлектроникой , ЛПЭ помогает объяснить, почему радиационные повреждения иногда непропорциональны поглощенной дозе . Дозиметрия пытается учесть этот эффект с помощью весовых коэффициентов радиации .

Линейная передача энергии тесно связана с тормозной способностью , поскольку обе они равны тормозной силе. Неограниченная линейная передача энергии идентична линейной электронной тормозной способности, как описано ниже. Но концепции тормозной способности и ЛПЭ различаются в том отношении, что общая тормозная способность включает в себя компонент ядерной тормозной способности. ^[2] и этот компонент не вызывает электронных возбуждений. Следовательно, останавливающая способность ядерного оружия не содержится в LET.

Подходящей единицей СИ для LET является ньютон , но чаще всего он выражается в килоэлектронвольтах на микрометр (кэВ/мкм) или мегаэлектронвольтах на сантиметр (МэВ/см). В то время как медицинские физики и радиобиологи обычно говорят о линейной передаче энергии , большинство немедицинских физиков говорят об останавливающей силе .

Ограниченная и неограниченная аренда

Вторичные электроны, образующиеся в процессе ионизации первичной заряженной частицей, условно называются дельта-лучами , если их энергия достаточно велика, чтобы они сами могли ионизироваться. ^[3] Многие исследования сосредоточены на энергии, передаваемой вблизи трека первичной частицы, и поэтому исключают взаимодействия, которые производят дельта-лучи с энергиями, превышающими определенное значение Δ. ^[1] Этот предел энергии предназначен для исключения вторичных электронов, которые несут энергию далеко от трека первичной частицы, поскольку большая энергия подразумевает больший диапазон . Это приближение не учитывает направленное распределение вторичного излучения и нелинейный путь дельта-лучей, но упрощает аналитическую оценку. ^[4]

В математических терминах ограниченная линейная передача энергии определяется выражением

L_{\Delta }={\frac {{\text{d}}E_{\Delta }}{{\text{d}}x}},

где ${\text{d}}E_{\Delta }$ это потеря энергии заряженной частицы из-за электронных столкновений при прохождении расстояния ${{\text{d}}x}$ , исключая все вторичные электроны с кинетической энергией больше Δ. Если Δ стремится к бесконечности, то нет электронов с большей энергией, и линейная передача энергии становится неограниченной линейной передачей энергии , которая идентична линейной электронной тормозной способности . ^[1] Здесь использование термина «бесконечность» не следует понимать буквально; это просто означает, что никакие передачи энергии, какими бы большими они ни были, не исключены.

Применение к типам излучения

Во время своих исследований радиоактивности Эрнест Резерфорд ввел термины «альфа-лучи» , «бета-лучи» и «гамма-лучи» для трех типов излучений, возникающих во время радиоактивного распада .

Альфа-частицы и другие положительные ионы

Линейную передачу энергии лучше всего определить для моноэнергетических ионов, то есть протонов , альфа-частиц и более тяжелых ядер, называемых ионами HZE , обнаруженными в космических лучах или производимыми ускорителями частиц . Эти частицы вызывают частую прямую ионизацию в узком диаметре вокруг относительно прямой траектории, что приближает к непрерывному замедлению. По мере замедления изменяющееся поперечное сечение частиц изменяет их ЛПЭ, обычно увеличивая ее до пика Брэгга непосредственно перед достижением теплового равновесия с поглотителем, т. е. перед концом диапазона . В состоянии равновесия падающая частица по существу останавливается или поглощается, и в этот момент LET не определена.

Поскольку ЛПЭ варьируется по треку частицы, для представления разброса часто используется среднее значение. В литературе представлены средние значения, взвешенные по длине трека или по поглощенной дозе, причем последнее чаще встречается в дозиметрии. Эти средние значения не сильно различаются для тяжелых частиц с высокой ЛПЭ, но разница становится более важной в другом типе излучений, обсуждаемом ниже. ^[4]

Для альфа-частиц часто упускают из виду ядро отдачи альфа-излучателя, которое имеет значительную энергию ионизации, составляющую примерно 5% от энергии альфа-частицы, но из-за своего высокого электрического заряда и большой массы имеет сверхкороткую дальность действия, составляющую всего несколько единиц энергии. Ангстремы . Это может существенно исказить результаты, если исследовать относительную биологическую эффективность альфа-частицы в цитоплазме, игнорируя при этом вклад ядра отдачи, альфа-родитель которого, являющийся одним из многочисленных тяжелых металлов , обычно прилипает к хроматическому материалу, такому как хромосомы .

Бета-частицы

Электроны, образующиеся при ядерном распаде, называются бета-частицами . Из-за своей малой массы по сравнению с атомами они сильно рассеиваются ядрами (кулоновское или резерфордовское рассеяние ), гораздо сильнее, чем более тяжелые частицы. Поэтому треки бета-частиц искривлены. Помимо образования вторичных электронов (дельта-лучей) при ионизации атомов, они также производят тормозные фотоны. Максимальный диапазон бета-излучения можно определить экспериментально. ^[5] что меньше диапазона, который можно было бы измерить вдоль пути частицы.

Гамма-лучи

Гамма-лучи — это фотоны, поглощение которых не может быть описано с помощью ЛПЭ. Когда гамма- квант проходит через вещество, он может быть поглощен в ходе одного процесса ( фотоэлектрический эффект , эффект Комптона или образование пар ) или продолжать свой путь без изменений. (Только в случае эффекта Комптона протекает еще один гамма-квант меньшей энергии). Поэтому поглощение гамма-лучей подчиняется экспоненциальному закону (см. Гамма-лучи ); поглощение описывается коэффициентом поглощения или толщиной половинного значения .

Таким образом, LET не имеет смысла применительно к фотонам. Однако многие авторы все равно говорят о «гамма-ЛЭП». ^[6] где на самом деле они имеют в виду ЛПЭ вторичных электронов , т. е. в основном комптоновских электронов, создаваемых гамма-излучением. ^[7] Вторичные электроны ионизируют гораздо больше атомов, чем первичный фотон. Эта гамма-ЛПЭ мало связана со скоростью затухания луча, но может иметь некоторую корреляцию с микроскопическими дефектами, возникающими в поглотителе. Даже моноэнергетический гамма-луч будет производить спектр электронов, и каждый вторичный электрон будет иметь переменную ЛПЭ по мере его замедления, как обсуждалось выше. Таким образом, «гамма-ЛПЭ» является средним значением.

Перенос энергии от незаряженной первичной частицы к заряженным вторичным частицам также можно описать с помощью коэффициента массовой передачи энергии . ^[1]

Биологические эффекты

Многие исследования пытались связать линейную передачу энергии с относительной биологической эффективностью (ОБЭ) радиации, но результаты оказались противоречивыми. Соотношение широко варьируется в зависимости от природы биологического материала и выбора конечной точки для определения эффективности. Даже если они остаются постоянными, разные спектры излучения с одной и той же ЛПЭ имеют значительно разные ОБЭ. ^[4]

Несмотря на эти различия, обычно наблюдаются некоторые общие тенденции. ОБЭ обычно не зависит от ЛПЭ при любой ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм, поэтому в качестве эталонного условия обычно выбирается низкая ЛПЭ, при которой ОБЭ устанавливается равным единице. Выше 10 кэВ/мкм некоторые системы демонстрируют снижение ОБЭ с увеличением ЛПЭ, в то время как другие демонстрируют первоначальное увеличение до пика, а затем снижение. Клетки млекопитающих обычно испытывают пик ОБЭ для ЛПЭ около 100 кэВ/мкм. ^[4] Это очень приблизительные цифры; например, в одной серии экспериментов был обнаружен пик при 30 кэВ/мкм.

Международная комиссия по радиационной защите ( ICRP ) предложила упрощенную модель отношений RBE-LET для использования в дозиметрии . Они определили коэффициент качества радиации как функцию неограниченной ЛПЭ в воде, усредненной по дозе, и рассматривали его как весьма неопределенную, но в целом консервативную аппроксимацию ОБЭ. Различные итерации их модели показаны на графике справа. Модель 1966 года была интегрирована в рекомендации 1977 года по радиационной защите в ICRP 26. Эта модель была в значительной степени заменена в рекомендациях ICRP 60 1991 года весовыми коэффициентами радиации , которые были привязаны к типу частиц и не зависели от ЛПЭ. МКРЗ 60 пересмотрела функцию коэффициента качества и зарезервировала ее для использования с необычными типами излучений, которым не были присвоены весовые коэффициенты излучения. ^[8]

Области применения

При использовании для описания дозиметрии ионизирующего излучения в биологических или биомедицинских условиях ЛПЭ (как и линейная тормозная способность ) обычно выражается в единицах кэВ / мкм .

В космических приложениях , электронные устройства могут быть нарушены прохождением энергичных электронов, протонов или более тяжелых ионов, которые могут изменить состояние цепи вызывая « эффекты единичных событий ». ^[9] Эффект излучения описывается ЛПЭ (которая здесь рассматривается как синоним тормозной способности), обычно выражаемой в единицах МэВ·см. ²/мг материала, единицы, используемые для массовой останавливающей способности (для МОП-устройств обычно речь идет о Si). Единицы измерения представляют собой комбинацию энергии, теряемой частицей материалу на единицу длины пути (МэВ/см), деленной на плотность материала (мг/см). ³). ^[10]

«мягкие ошибки» электронных устройств из-за космических лучей Однако на Земле в основном происходят из-за нейтронов , которые не взаимодействуют напрямую с материалом и поэтому прохождение которых не может быть описано с помощью ЛПЭ. Скорее, их эффект измеряется в количестве нейтронов на см. ² в час, см. Программная ошибка .

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (октябрь 2011 г.). Зельцер, Стивен М. (ред.). «Отчет 85: Основные величины и единицы ионизирующего излучения». Журнал Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям . 11 (1) (пересмотренная ред.): 1–31. дои : 10.1093/jicru/ndr012 . ПМИД 24174259 . Отчет ICRU 85a.
^ Смит, Роджер (1997). Столкновения атомов и ионов в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
^ "Дельта-луч" в Британской энциклопедии онлайн, получено 22 декабря 2012 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (1970). Линейная передача энергии . Вашингтон, округ Колумбия , номер документа : 10.1093/jicru/os9.1.Report16 . ISBN 978-0913394090 . Отчет ICRU 16. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Г. Кноп и В. Пол: Взаимодействие электронов в альфа-бета- и гамма-спектроскопии под редакцией К. Зигбана, Северная Голландия, Амстердам, 1966.
^ Публикация 103 ICRP (Международной комиссии по радиационной защите), ICRP 37 (2-4) (2007): «(116) Фотоны, электроны и мюоны представляют собой излучения со значениями ЛПЭ менее 10 кэВ/микром».
^ Шабо, Джордж. «Основы радиации. Величины и единицы радиации» . Задайте вопрос экспертам . Часто задаваемые вопросы . Общество физики здоровья . Проверено 12 декабря 2012 г. Когда термин «тормозящая способность» используется по отношению к фотонам, как это, по-видимому, имеет место в приведенном вами примере, на самом деле он используется не для самих фотонов, а для электронов, освобождаемых в результате взаимодействия фотонов.
^ Синклер, доктор В.К.; и др. (январь 2003 г.). «Относительная биологическая эффективность (ОБЭ), коэффициент качества (Q) и весовой коэффициент радиации (Wr)» . Анналы МКРЗ . 33 (4). ISBN 978-0-08-044311-9 . Публикация МКРЗ 92.
^ В. Зайич и П. Тибергер, «Измерения линейной передачи энергии тяжелых ионов во время однособытийного испытания электронных устройств», IEEE Transactions on Nuclear Science 46, стр. 59-69, (1999)
^ Домашняя страница НАСА по радиационным эффектам и анализу

[ICRU85a-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (октябрь 2011 г.). Зельцер, Стивен М. (ред.). «Отчет 85: Основные величины и единицы ионизирующего излучения». Журнал Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям . 11 (1) (пересмотренная ред.): 1–31. дои : 10.1093/jicru/ndr012 . ПМИД 24174259 . Отчет ICRU 85a.

[2] Смит, Роджер (1997). Столкновения атомов и ионов в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.

[3] "Дельта-луч" в Британской энциклопедии онлайн, получено 22 декабря 2012 г.

[icru16-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (1970). Линейная передача энергии . Вашингтон, округ Колумбия , номер документа : 10.1093/jicru/os9.1.Report16 . ISBN 978-0913394090 . Отчет ICRU 16. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[5] Г. Кноп и В. Пол: Взаимодействие электронов в альфа-бета- и гамма-спектроскопии под редакцией К. Зигбана, Северная Голландия, Амстердам, 1966.

[6] Публикация 103 ICRP (Международной комиссии по радиационной защите), ICRP 37 (2-4) (2007): «(116) Фотоны, электроны и мюоны представляют собой излучения со значениями ЛПЭ менее 10 кэВ/микром».

[7] Шабо, Джордж. «Основы радиации. Величины и единицы радиации» . Задайте вопрос экспертам . Часто задаваемые вопросы . Общество физики здоровья . Проверено 12 декабря 2012 г. Когда термин «тормозящая способность» используется по отношению к фотонам, как это, по-видимому, имеет место в приведенном вами примере, на самом деле он используется не для самих фотонов, а для электронов, освобождаемых в результате взаимодействия фотонов.

[icrp92-8] Синклер, доктор В.К.; и др. (январь 2003 г.). «Относительная биологическая эффективность (ОБЭ), коэффициент качества (Q) и весовой коэффициент радиации (Wr)» . Анналы МКРЗ . 33 (4). ISBN 978-0-08-044311-9 . Публикация МКРЗ 92.

[9] В. Зайич и П. Тибергер, «Измерения линейной передачи энергии тяжелых ионов во время однособытийного испытания электронных устройств», IEEE Transactions on Nuclear Science 46, стр. 59-69, (1999)

[10] Домашняя страница НАСА по радиационным эффектам и анализу

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]