В дозиметрии , линейная передача энергии (ЛПЭ) представляет собой количество энергии , которое передает ионизирующие частицы к материалу , пройденные на единицу расстояния. Он описывает действие излучения на материю.
Она идентична тормозящей силе, действующей на заряженную ионизирующую частицу, движущуюся через вещество. [1] По определению LET - положительная величина. ЛПЭ зависит от природы излучения, а также от пройденного материала.
Высокая ЛПЭ будет быстрее ослаблять излучение, в целом делая экранирование более эффективным и предотвращая глубокое проникновение. С другой стороны, более высокая концентрация вложенной энергии может вызвать более серьезное повреждение любых микроскопических структур вблизи трека частицы. Если микроскопический дефект может вызвать крупномасштабный отказ, как в случае с биологическими клетками и микроэлектроникой , LET помогает объяснить, почему радиационное повреждение иногда непропорционально поглощенной дозе . Дозиметрия пытается учесть этот эффект с помощью весовых коэффициентов излучения .
Линейная передача энергии тесно связана с тормозной способностью , поскольку обе равны тормозящей силе. Неограниченная линейная передача энергии идентична линейной тормозной способности электроники, как обсуждается ниже. Но концепции тормозной способности и ЛПЭ различаются в том отношении, что полная тормозная способность имеет ядерную составляющую тормозной способности [2], и эта составляющая не вызывает электронных возбуждений. Следовательно, ядерная останавливающая сила не содержится в LET.
Подходящей единицей СИ для ЛПЭ является ньютон , но чаще всего она выражается в единицах килоэлектронвольт 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 физиков немедицинского профиля говорят о тормозящей способности .
Ограниченное и неограниченное ПИСЬМО [ править ]
Вторичные электроны, образующиеся в процессе ионизации первичной заряженной частицей, принято называть дельта-лучами , если их энергия достаточно велика, чтобы они сами могли ионизировать. [3] Многие исследования сосредоточены на энергии, передаваемой вблизи трека первичной частицы, и поэтому исключают взаимодействия, которые создают дельта-лучи с энергией, превышающей определенное значение Δ. [1] Этот предел энергии предназначен для исключения вторичных электронов, которые переносят энергию далеко от трека первичной частицы, поскольку большая энергия подразумевает больший диапазон. Это приближение не учитывает направленное распределение вторичного излучения и нелинейную траекторию дельта-лучей, но упрощает аналитическую оценку. [4]
С математической точки зрения, ограниченная линейная передача энергии определяется как
где - потеря энергии заряженной частицы из-за электронных столкновений при прохождении расстояния , исключая все вторичные электроны с кинетической энергией больше, чем 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 термин «бесконечность» не следует понимать буквально; это просто означает, что никакая передача энергии, какой бы большой она ни была, не исключена.
Приложение к типам излучения [ править ]
Во время своих исследований радиоактивности Эрнест Резерфорд ввел термины альфа-лучи , бета-лучи и гамма-лучи для трех типов излучения, которые происходят во время радиоактивного распада .
Альфа-частицы и другие положительные ионы [ править ]
Линейная передача энергии лучше всего определяется для моноэнергетических ионов, то есть протонов , альфа-частиц и более тяжелых ядер, называемых ионами HZE, обнаруживаемых в космических лучах или производимых ускорителями частиц . Эти частицы вызывают частую прямую ионизацию в узком диаметре вокруг относительно прямой дорожки, что приближается к непрерывному замедлению. По мере замедления изменение поперечного сечения 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 ЛПЭ не определена.
Поскольку LET изменяется по треку частицы, для представления разброса часто используется среднее значение. В литературе представлены средние значения, взвешенные по длине трека или по поглощенной дозе, причем последние более распространены в дозиметрии. Эти средние значения не сильно различаются для тяжелых частиц с высокой ЛПЭ, но разница становится более важной для другого типа излучения, обсуждаемого ниже. [4]
Бета-частицы [ править ]
Электроны, образующиеся при ядерном распаде, называются бета-частицами . Из-за их малой массы по сравнению с атомами они сильно рассеиваются ядрами (кулоновское или резерфордовское рассеяние ) в гораздо большей степени, чем более тяжелые частицы. Следовательно, следы бета-частиц искривлены. Помимо производства вторичных электронов (дельта-лучей) при ионизации атомов, они также производят фотоны тормозного излучения . Максимальный диапазон бета-излучения может быть определен экспериментально [5], который меньше, чем диапазон, который может быть измерен вдоль пути частицы.
Гамма-лучи [ править ]
Гамма-лучи - это фотоны, поглощение которых не может быть описано ЛПЭ. Когда гамма- квант проходит через вещество, он может быть поглощен в единственном процессе ( фотоэлектрический эффект , эффект Комптона или образование пар ) или же продолжает свой путь без изменений. (Только в случае эффекта Комптона происходит еще один гамма-квант меньшей энергии). Следовательно, поглощение гамма-лучей подчиняется экспоненциальному закону (см. Гамма-лучи ); поглощение описывается коэффициентом поглощения или половинной толщиной .
Следовательно, LET не имеет значения в применении к фотонам. Однако многие авторы все равно говорят о «гамма-ЛПЭ» [6], где на самом деле имеют в виду ЛПЭ вторичных электронов , т. Е. В основном комптоновских электронов, создаваемых гамма-излучением. [7] В вторичные электроны будут ионизовать гораздо больше , чем атомов первичного фотона. Эта гамма-ЛПЭ мало связана со степенью ослабления луча, но может иметь некоторую корреляцию с микроскопическими дефектами, возникающими в поглотителе. Следует отметить, что даже моноэнергетический гамма-луч будет производить спектр электронов, и каждый вторичный электрон будет иметь переменную ЛПЭ при замедлении, как обсуждалось выше. Таким образом, «гамма-ЛПЭ» является средней.
Передача энергии от незаряженной первичной частицы к заряженным вторичным частицам также может быть описана с помощью коэффициента массопереноса энергии . [1]
Биологические эффекты [ править ]
Во многих исследованиях предпринимались попытки связать линейный перенос энергии с относительной биологической эффективностью (ОБЭ) излучения, но результаты были противоречивыми. Взаимосвязь широко варьируется в зависимости от природы биологического материала и выбора конечной точки для определения эффективности. Даже когда они поддерживаются постоянными, разные спектры излучения, которые имеют одну и ту же ЛПЭ, имеют существенно различающиеся ОБЭ. [4]
Несмотря на эти вариации, часто наблюдаются некоторые общие тенденции. RBE обычно не зависит от LET для любой LET менее 10 кэВ / мкм, поэтому низкая LET обычно выбирается в качестве эталонного условия, когда RBE устанавливается равным единице. Выше 10 кэВ / мкм некоторые системы показывают снижение ОБЭ с увеличением ЛПЭ, в то время как другие показывают первоначальное повышение до пика перед снижением. Клетки млекопитающих обычно испытывают пик ОБЭ для ЛПЭ около 100 кэВ / мкм. [4] Это очень приблизительные цифры; например, одна серия экспериментов обнаружила пик при 30 кэВ / мкм.
Международная комиссия по радиационной защите ( МКРЗ ) предложила упрощенную модель отношений RBE-LET для использования в дозиметрии . Они определили добротность излучения как функцию усредненной по дозе неограниченной ЛПЭ в воде и рассматривали его как весьма неопределенное, но в целом консервативное приближение ОБЭ. Различные версии их модели показаны на графике справа. Модель 1966 года была интегрирована в их рекомендации 1977 года по радиационной защите в МКРЗ 26. Эта модель была в значительной степени заменена в рекомендациях МКРЗ 60 1991 года весовыми коэффициентами радиации.которые были привязаны к типу частицы и не зависели от ЛПЭ. ICRP 60 пересмотрела функцию коэффициента качества и зарезервировала ее для использования с необычными типами излучения, которым не присвоены весовые коэффициенты излучения. [8]
Поля приложения [ править ]
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 применениях , электронные устройства могут быть нарушены при прохождении энергичных электронов, протонов или более тяжелых ионов , которые могут изменить состояние в цепи , производя « одиночные эффекты событий ». [9] Эффект излучения описывается ЛПЭ (которая здесь используется как синоним тормозной способности), обычно выражается в единицах МэВ · см² / мг материала, единицах измерения массы тормозной способности (рассматриваемого материала обычно Si для устройств MOS). Единицы измерения складываются из комбинации энергии, теряемой частицей в материале на единицу длины пути (МэВ / см), деленной на плотность материала (мг / см³). [10]
Однако "мягкие ошибки" электронных устройств из-за космических лучей на Земле в основном связаны с нейтронами, которые не взаимодействуют напрямую с материалом и прохождение которых, следовательно, не может быть описано ЛПЭ. Скорее, их эффект измеряется в количестве нейтронов на см 2 в час, см. « Мягкая ошибка» .
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d 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 (пересмотренная редакция). 11 (1): 1–31. DOI : 10.1093 / jicru / ndr012 . PMID 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.
- ^ "Delta ray" в британской энциклопедии онлайн, получено 22 декабря 2012 г.
- ^ a b c d Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (1970). Линейная передача энергии . Вашингтон, округ Колумбия, doi : 10.1093 / jicru / os9.1.Report16 . ISBN 978-0913394090. Отчет ICRU 16.
- ^ Г. Кноп и У. Пол: Взаимодействие электронов в альфа-бета- и гамма-спектроскопии под редакцией К. Зигбана, Северная Голландия, Амстердам, 1966 г.
- ^ ICRP (Международная комиссия по радиационной защите) публикация 103, ICRP 37 (2-4) (2007): «(116) Фотоны, электроны и мюоны - это излучения со значениями LET менее 10 кэВ / микрометр».
- ^ Шабо, Джордж. «Основы излучения - Величины и единицы излучения» . Задайте вопрос экспертам в FAQ . Общество физиков здоровья . Проверено 12 декабря 2012 года .
Когда термин «тормозящая способность» используется по отношению к фотонам, как, кажется, имеет место в приведенном вами примере, на самом деле он используется не для самих фотонов, а для электронов, освобождаемых взаимодействием фотонов.
- ^ Синклер, доктор В.К.; и другие. (Январь 2003 г.). «Относительная биологическая эффективность (ОБЭ), добротность (Q) и весовой коэффициент радиации (Wr)» . Летопись 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 одиночных испытаний электронных устройств", IEEE Transactions по ядерной науке 46, стр. 59-69, (1999)
- ^ Домашняя страница «Радиационные эффекты и анализ» НАСА
