В дозиметрии линейная передача энергии (ЛПЭ) — это количество энергии, которое ионизирующая частица передает материалу, пройденному за единицу расстояния. Она описывает воздействие излучения на вещество.
Она идентична силе торможения , действующей на заряженную ионизирующую частицу, движущуюся через вещество. [1] По определению, ЛПЭ является положительной величиной. ЛПЭ зависит от природы излучения, а также от пройденного материала.
Высокая ЛПЭ будет замедлять излучение быстрее, в целом делая экранирование более эффективным и предотвращая глубокое проникновение. С другой стороны, более высокая концентрация депонированной энергии может вызвать более серьезные повреждения любых микроскопических структур вблизи трека частицы. Если микроскопический дефект может вызвать крупномасштабный отказ, как в случае с биологическими клетками и микроэлектроникой , ЛПЭ 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 электронной тормозной способности, как обсуждается ниже. Но концепции тормозной способности и ЛПЭ отличаются в том отношении, что общая тормозная способность имеет ядерную компоненту тормозной способности, [2] и эта компонента не вызывает электронных возбуждений. Следовательно, ядерная тормозная способность не содержится в ЛПЭ.
Соответствующей единицей СИ для ЛПЭ является ньютон , но чаще всего она выражается в единицах килоэлектронвольт на микрометр (кэВ/мкм) или мегаэлектронвольт на сантиметр (МэВ/см). В то время как медицинские физики и радиобиологи обычно говорят о линейной передаче энергии , большинство физиков, не являющихся медиками, говорят о тормозной способности .
Вторичные электроны, образующиеся в процессе ионизации первичной заряженной частицей, обычно называются дельта-лучами , если их энергия достаточно велика, чтобы они сами могли ионизироваться. [3] Многие исследования фокусируются на энергии, передаваемой вблизи трека первичной частицы, и поэтому исключают взаимодействия, которые производят дельта-лучи с энергией, большей определенного значения 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 пренебрегает направленным распределением вторичного излучения и нелинейным путем дельта-лучей, но упрощает аналитическую оценку. [4]
В математических терминах 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 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 исключаются.
В ходе своих исследований радиоактивности Эрнест Резерфорд ввел термины альфа-лучи , бета-лучи и гамма-лучи для трех типов излучений, возникающих при радиоактивном распаде .
Линейная передача энергии лучше всего определена для моноэнергетических ионов, т. е. протонов , альфа-частиц и более тяжелых ядер, называемых ионами HZE, которые содержатся в космических лучах или производятся ускорителями частиц . Эти частицы вызывают частые прямые ионизации в пределах узкого диаметра вокруг относительно прямой траектории, таким образом приближаясь к непрерывному замедлению. По мере замедления изменяющееся поперечное сечение частицы изменяет ее ЛПЭ, как правило, увеличивая ее до пика Брэгга непосредственно перед достижением теплового равновесия с поглотителем, т. е. перед концом пробега . В состоянии равновесия падающая частица по существу останавливается или поглощается, и в этой точке ЛПЭ не определена.
Поскольку ЛПЭ меняется по треку частицы, для представления разброса часто используется среднее значение. Средние значения, взвешенные по длине трека или взвешенные по поглощенной дозе, представлены в литературе, причем последнее более распространено в дозиметрии. Эти средние значения не сильно разнесены для тяжелых частиц с высокой ЛПЭ, но разница становится более важной в другом типе излучений, обсуждаемом ниже. [4]
Часто для альфа-частиц упускается из виду ядро отдачи альфа-излучателя, которое имеет значительную энергию ионизации, примерно 5% от альфа-частицы, но из-за своего высокого электрического заряда и большой массы имеет сверхкороткий радиус действия, всего несколько ангстрем . Это может значительно исказить результаты, если кто-то изучает относительную биологическую эффективность альфа-частицы в цитоплазме, игнорируя при этом вклад ядра отдачи, который альфа-родитель, будучи одним из многочисленных тяжелых металлов , обычно прилипает к хроматическому материалу, такому как хромосомы .
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 производства вторичных электронов (дельта-лучей) при ионизации атомов, они также производят тормозные фотоны. Максимальный диапазон бета-излучения может быть определен экспериментально [5], и он меньше диапазона, который можно было бы измерить вдоль траектории частицы.
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 он продолжает движение по своему пути без изменений. (Только в случае эффекта Комптона происходит другой гамма-квант с меньшей энергией). Таким образом, поглощение гамма-лучей подчиняется экспоненциальному закону (см. Гамма-лучи ); поглощение описывается коэффициентом поглощения или толщиной половинного значения .
Поэтому ЛПЭ не имеет смысла применительно к фотонам. Однако многие авторы говорят о «гамма ЛПЭ» в любом случае [6] , где они на самом деле имеют в виду ЛПЭ вторичных электронов , т. е. в основном комптоновских электронов, производимых гамма-излучением. [7] Вторичные электроны будут ионизировать гораздо больше атомов, чем первичный фотон. Эта гамма ЛПЭ имеет мало отношения к скорости затухания пучка, но она может иметь некоторую корреляцию с микроскопическими дефектами, производимыми в поглотителе. Даже моноэнергетический гамма-пучок будет производить спектр электронов, и каждый вторичный электрон будет иметь переменную ЛПЭ по мере замедления, как обсуждалось выше. «гамма ЛПЭ» поэтому является средним.
Передачу энергии от незаряженной первичной частицы к заряженным вторичным частицам можно также описать с помощью коэффициента передачи энергии массы . [1]
Многие исследования пытались связать линейную передачу энергии с относительной биологической эффективностью (ОБЭ) излучения, с противоречивыми результатами. Связь сильно варьируется в зависимости от природы биологического материала и выбора конечной точки для определения эффективности. Даже когда они остаются постоянными, различные спектры излучения, которые разделяют одинаковую ЛПЭ, имеют значительно различную ОБЭ. [4]
Несмотря на эти различия, обычно наблюдаются некоторые общие тенденции. ОБЭ, как правило, не зависит от ЛПЭ для любой ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм, поэтому обычно в качестве исходного условия выбирается низкая ЛПЭ, при которой ОБЭ устанавливается на уровне единицы. Выше 10 кэВ/мкм некоторые системы демонстрируют снижение ОБЭ с увеличением ЛПЭ, в то время как другие демонстрируют начальное увеличение до пика перед снижением. Клетки млекопитающих обычно испытывают пик ОБЭ для ЛПЭ около 100 кэВ/мкм. [4] Это очень грубые цифры; например, одна серия экспериментов обнаружила пик при 30 кэВ/мкм.
Международная комиссия по радиационной защите ( МКРЗ ) предложила упрощенную модель соотношений ОБЭ-ЛПЭ для использования в дозиметрии . Они определили фактор качества излучения как функцию усредненной по дозе неограниченной ЛПЭ в воде и рассматривали ее как весьма неопределенное, но в целом консервативное приближение ОБЭ. Различные итерации 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 излучения , которые были привязаны к типу частиц и независимы от ЛПЭ. МКРЗ 60 пересмотрела функцию фактора качества и зарезервировала ее для использования с необычными типами излучения, которым не были назначены весовые коэффициенты излучения. [8]
При описании 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 , производя « эффекты единичного события ». [9] Эффект излучения описывается ЛПЭ (которая здесь рассматривается как синоним тормозной способности), обычно выражаемой в единицах МэВ·см2 / мг материала, единицах, используемых для массовой тормозной способности (материалом, о котором идет речь, обычно является Si для МОП-устройств). Единицы измерения возникают из комбинации энергии, потерянной 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 вызваны нейтронами , которые не взаимодействуют напрямую с материалом и чье прохождение, следовательно, не может быть описано с помощью ЛПЭ. Вместо этого их эффект измеряется в терминах нейтронов на см 2 в час, см. Мягкая ошибка .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )термин «тормозная способность» используется в отношении фотонов, как, по-видимому, в случае приведенного вами примера, он на самом деле используется не для самих фотонов, а для электронов, освобождаемых в результате взаимодействия фотонов.