WikiDer > Линейная передача энергии

Linear energy transfer
Распространение камера тумана со следами ионизирующего излучения (альфа-частицы), которые становятся видимыми в виде цепочек капель

В дозиметрия, линейная передача энергии (ЛПЭ) - это количество энергии, которое ионизирующая частица передает материалу, пройденному на единицу расстояния. Он описывает действие радиация в материю.

Он идентичен замедляющему сила действуя по обвинению ионизирующий частица, движущаяся 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 защиту более эффективной 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 биологические клетки и микроэлектроника, LET помогает объяснить, почему радиационное повреждение иногда несоразмерно поглощенная доза. Дозиметрия попытки учесть этот эффект с помощью весовые коэффициенты излучения.

Линейная передача энергии тесно связана с останавливающая сила, так как оба 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 общая тормозная сила имеет компонент ядерной тормозной способности,[2] и этот компонент не вызывает электронных возбуждений. Следовательно, ядерная останавливающая сила не содержится в LET.

Подходящей единицей СИ для LET является ньютон, но чаще всего выражается в единицах килоэлектронвольт на микрометр (кэВ / мкм) или мегаэлектронвольты на сантиметр (МэВ / см). В то время как медицинские физики и радиобиологи обычно говорят о линейная передача энергии, большинство немедицинских физиков говорят о останавливающая сила.

Ограниченная и неограниченная LET

Вторичные электроны, образующиеся в процессе ионизация первичной заряженной частицей условно называются дельта-лучи, если их энергия достаточно велика, чтобы они сами могли ионизировать.[3] Многие исследования сосредотачиваются 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 чем больше энергия, тем больше ассортимент. 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

куда это потеря энергии заряженной частицы из-за электронных столкновений при прохождении расстояния , 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 неограниченная линейная передача энергии который идентичен линейному электронному останавливающая сила.[1] Здесь термин «бесконечность» не следует понимать буквально; это просто означает, что передача энергии, даже большой, не исключена.

Применение к видам излучения

Во время своих исследований радиоактивности, Эрнест Резерфорд придумал термины альфа-лучи, бета-лучи и гамма излучение для трех типов выбросов, которые происходят во время радиоактивный распад.

Альфа-частицы и другие положительные ионы

Кривая Брэгга 5,49 МэВ альфа-частицы в воздухе. Это излучение возникает в результате распада радон (222Rn); его диапазон составляет 4,14 см. Тормозная способность (которая по существу идентична ЛПЭ) показана здесь в зависимости от длины пути; его вершина - «пик Брэгга».

Линейный перенос энергии лучше всего определяется для моноэнергетических ионов, т.е. протоны, альфа-частицы, а более тяжелые ядра называются Ионы HZE нашел в космические лучи или произведено ускорители частиц. Эти частицы вызывают частую прямую ионизацию в узком диаметре вокруг относительно прямой дорожки, что приближается к непрерывному замедлению. Когда они замедляются, изменение поперечное сечение частицы изменяет их LET, обычно увеличивая его до Пик Брэгга непосредственно перед достижением теплового равновесия с поглотителем, т. е. до окончания ассортимент. 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 различаются широко для тяжелых частиц с высокой ЛПЭ, но разница становится более существенной для другого типа излучения, обсуждаемого ниже.[4]

Бета-частицы

Электроны, образующиеся при ядерном распаде, называются бета-частицы. Из-за своей малой массы по сравнению с атомами они сильно рассеиваются на ядрах (кулоновских или Резерфордское рассеяние), гораздо больше, чем более тяжелые частицы. Поэтому следы бета-частиц искривлены. Помимо производства вторичные электроны (дельта-лучи) при ионизации атомов они также производят тормозное излучение фотоны. Максимальный диапазон бета-излучения можно определить экспериментально.[5] что меньше, чем диапазон, который можно было бы измерить на пути частицы.

Гамма лучи

Гамма лучи - фотоны, поглощение которых не может быть описано ЛПЭ. Когда гамма квант проходит через материю, она может быть поглощена за один процесс (фотоэлектрический эффект, Эффект Комптона или парное производство), либо он продолжает свой путь без изменений. (Только в случае эффекта Комптона происходит еще один гамма-квант меньшей энергии). Следовательно, поглощение гамма-излучения подчиняется экспоненциальный закон (см. Гамма лучи); поглощение описывается коэффициентом поглощения или половинная толщина.

Следовательно, LET не имеет значения в применении к фотонам. Однако многие авторы все равно говорят о «гамма LET»,[6] где они на самом деле относятся к LET вторичные электроны, т. е. в основном комптоновские электроны, образованные гамма-излучением.[7] В вторичные электроны ионизирует гораздо больше атомов, чем первичный фотон. Эта гамма-ЛПЭ имеет мало отношения к скорости ослабления луча, но может иметь некоторую корреляцию с микроскопическими дефектами, возникающими в поглотителе. Следует отметить, что даже моноэнергетический гамма-пучок 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 коэффициент массообмена.[1]

Биологические эффекты

В МКРЗ раньше рекомендовал факторы качества как обобщенное приближение ОБЭ на основе ЛПЭ.

Многие исследования пытались связать линейную передачу энергии с относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излучения с противоречивыми результатами. 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 увеличение 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 дозиметрия. Они определили фактор качества излучения в зависимости от усредненной по дозе неограниченной ЛПЭ в воде, и предполагал, что это весьма неопределенное, но в целом консервативное приближение ОБЭ. Различные итерации их модели показаны на графике справа. Модель 1966 г. была интегрирована в их рекомендации 1977 г. по радиационной защите в МКРЗ 26. Эта модель была в значительной степени заменена в рекомендациях МКРЗ 60 1991 г. весовые коэффициенты излучения которые были привязаны к типу частицы и не зависели от ЛПЭ. ICRP 60 пересмотрела функцию фактора качества и зарезервировала ее для использования с необычными типами излучения, которым не присвоены весовые коэффициенты излучения.[8]

Области применения

Когда используется для описания дозиметрия ионизирующего излучения в биологических или биомедицинских условиях, ЛПЭ (например, линейная тормозная способность) обычно выражается в единицах kэВ/мкм.

В Космос Приложения, электронные устройства могут быть нарушены прохождением энергичных электронов, протонов или более тяжелых ионов, которые могут изменить состояние схема, производство "эффекты одиночного события".[9] Эффект излучения описывается ЛПЭ (которая здесь используется как синоним тормозной способности), обычно выражается в единицах МэВ · см² / мг материала, единицах, используемых для измерения тормозной способности массы (рассматриваемым материалом обычно является Si для устройств MOS). Единицы измерения возникают из комбинации энергии, теряемой частицей в материале на единицу длины пути (МэВ / см), деленной на плотность материала (мг / см³).[10]

«Мягкие ошибки» электронных устройств из-за космические лучи на Земле, однако, в основном из-за нейтроны которые не взаимодействуют напрямую с материалом и прохождение которых, следовательно, не может быть описано LET. Скорее, их эффект измеряется в количестве нейтронов на см2 в час, см. Мягкая ошибка.

Рекомендации

  1. ^ а б 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 ред.). 11 (1): 1–31. Дои:10.1093 / jicru / ndr012. PMID 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. ^ "Delta ray" в британской энциклопедии онлайн, получено 22 декабря 2012 г.
  4. ^ а б c d Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (1970). Линейная передача энергии. Вашингтон, округ Колумбия. Дои:10.1093 / jicru / os9.1.Report16. ISBN 978-0913394090. Отчет ICRU 16.
  5. ^ Г. Кноп и У. Пол: Взаимодействие электронов в Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия под редакцией К. Зигбана, Северная Голландия, Амстердам, 1966 г.
  6. ^ ICRP (Международная комиссия по радиационной защите), публикация 103, ICRP 37 (2-4) (2007): «(116) Фотоны, электроны и мюоны - это излучения со значениями ЛПЭ менее 10 кэВ / микрометр».
  7. ^ Шабо, Джордж. «Основы излучения - Величины и единицы излучения». Задайте вопросы экспертам. Общество физиков здоровья. Получено 12 декабря 2012. 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.
  8. ^ Sinclair, Dr. W. K .; 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.
  9. ^ В. Зайич и П. Тибергер, "Измерения линейной передачи энергии тяжелых ионов во время испытаний электронных устройств в результате сбоя в одном событии", IEEE Transactions on Nuclear Science 46, стр. 59-69, (1999)
  10. ^ Радиационные эффекты и анализ Домашняя страница НАСА