Transferencia de energía lineal - Linear energy transfer

Cámara de niebla de difusión con pistas de radiación ionizante (partículas alfa) que se hacen visibles como cadenas de gotas

En dosimetría , la transferencia de energía lineal (LET) es la cantidad de energía que una partícula ionizante transfiere al material atravesado por unidad de distancia. Describe la acción de la radiación en la materia.

Es idéntica a la fuerza retardadora que actúa sobre una partícula ionizante cargada que viaja a través de la materia. Por definición, LET es una cantidad positiva. LET depende de la naturaleza de la radiación y del material atravesado.

Un LET alto atenuará la radiación más rápidamente, generalmente haciendo que el blindaje sea más efectivo y previniendo la penetración profunda. Por otro lado, la mayor concentración de energía depositada puede causar un daño más severo a cualquier estructura microscópica cerca de la pista de partículas. Si un defecto microscópico puede causar fallas a mayor escala, como es el caso de las células biológicas y la microelectrónica , el LET ayuda a explicar por qué el daño por radiación a veces es desproporcionado con respecto a la dosis absorbida . La dosimetría intenta tener en cuenta este efecto con factores de ponderación de la radiación .

La transferencia de energía lineal está estrechamente relacionada con la potencia de frenado , ya que ambas son iguales a la fuerza de retardo. La transferencia de energía lineal sin restricciones es idéntica a la potencia de frenado electrónica lineal, como se describe a continuación. Pero los conceptos de potencia de frenado y LET son diferentes en el sentido de que la potencia de frenado total tiene el componente de potencia de frenado nuclear, y este componente no causa excitaciones electrónicas. Por lo tanto, la energía de frenado nuclear no está contenida en LET.

La unidad SI apropiada para LET es el newton , pero generalmente se expresa en unidades de kiloelectronvoltios por micrómetro (keV / μm) o megaelectronvoltios por centímetro (MeV / cm). Mientras que los físicos médicos y los radiobiólogos suelen hablar de transferencia de energía lineal , la mayoría de los físicos no médicos hablan de la energía de frenado .

LET restringido y no restringido

Los electrones secundarios producidos durante el proceso de ionización por la partícula cargada primaria se denominan convencionalmente rayos delta , si su energía es lo suficientemente grande como para que ellos mismos puedan ionizarse. Muchos estudios se centran en la energía transferida en las proximidades de la pista de partículas primarias y, por lo tanto, excluyen las interacciones que producen rayos delta con energías superiores a un cierto valor Δ. Este límite de energía está destinado a excluir los electrones secundarios que transportan energía lejos de la pista de partículas primarias, ya que una energía mayor implica un rango mayor . Esta aproximación ignora la distribución direccional de la radiación secundaria y la trayectoria no lineal de los rayos delta, pero simplifica la evaluación analítica.

En términos matemáticos, la transferencia de energía lineal restringida se define por

${\ Displaystyle L _ {\ Delta} = {\ frac {{\ text {d}} E _ {\ Delta}} {{\ text {d}} x}},}$

donde es la pérdida de energía de la partícula cargada debido a colisiones electrónicas mientras atraviesa una distancia , excluyendo todos los electrones secundarios con energías cinéticas mayores que Δ. Si Δ tiende hacia el infinito, entonces no hay electrones con mayor energía, y la transferencia de energía lineal se convierte en la transferencia de energía lineal sin restricciones que es idéntica a la potencia de frenado electrónica lineal . Aquí, el uso del término "infinito" no debe tomarse literalmente; simplemente significa que no se excluyen las transferencias de energía, por grandes que sean. ${\ Displaystyle {\ text {d}} E _ {\ Delta}}$${\ Displaystyle {{\ text {d}} x}}$

Aplicación a tipos de radiación

Durante sus investigaciones sobre la radiactividad, Ernest Rutherford acuñó los términos rayos alfa , rayos beta y rayos gamma para los tres tipos de emisiones que se producen durante la desintegración radiactiva .

Partículas alfa y otros iones positivos

Curva de Bragg de partículas alfa de 5,49 MeV en el aire. Esta radiación es producida por la desintegración del radón ( ²²² Rn); su alcance es de 4,14 cm. La potencia de frenado (que es esencialmente idéntica a LET) se representa aquí frente a la longitud de la ruta; su pico es el "pico Bragg"

La transferencia de energía lineal se define mejor para iones monoenergéticos, es decir, protones , partículas alfa y los núcleos más pesados ​​llamados iones HZE que se encuentran en los rayos cósmicos o producidos por aceleradores de partículas . Estas partículas causan ionizaciones directas frecuentes dentro de un diámetro estrecho alrededor de una pista relativamente recta, aproximándose así a la desaceleración continua. A medida que disminuyen la velocidad, la sección transversal de las partículas cambiantes modifica su LET, generalmente incrementándolo a un pico de Bragg justo antes de lograr el equilibrio térmico con el absorbedor, es decir, antes del final del rango . En el equilibrio, la partícula incidente esencialmente se detiene o es absorbida, momento en el que LET no está definido.

Dado que el LET varía a lo largo de la pista de partículas, a menudo se usa un valor promedio para representar la dispersión. Los promedios ponderados por la longitud de la pista o ponderados por la dosis absorbida están presentes en la literatura, siendo este último más común en dosimetría. Estos promedios no están muy separados para partículas pesadas con LET alto, pero la diferencia se vuelve más importante en el otro tipo de radiaciones que se analiza a continuación.

Partículas beta

Los electrones producidos en la desintegración nuclear se denominan partículas beta . Debido a su baja masa en relación con los átomos, están fuertemente dispersos por núcleos ( dispersión de Coulomb o Rutherford ), mucho más que las partículas más pesadas. Por tanto, las pistas de partículas beta están torcidas. Además de producir electrones secundarios (rayos delta) mientras ionizan átomos, también producen fotones bremsstrahlung . Se puede definir experimentalmente un rango máximo de radiación beta que sea más pequeño que el rango que se mediría a lo largo de la trayectoria de las partículas.

Rayos gamma

Los rayos gamma son fotones, cuya absorción no puede ser descrita por LET. Cuando un cuanto gamma atraviesa la materia, puede ser absorbido en un solo proceso ( efecto fotoeléctrico , efecto Compton o producción de pares ), o continúa sin cambios en su camino. (Solo en el caso del efecto Compton, procede otro cuanto gamma de menor energía). Por tanto, la absorción de rayos gamma obedece a una ley exponencial (ver Rayos Gamma ); la absorción se describe por el coeficiente de absorción o por el espesor medio .

Por lo tanto, LET no tiene ningún significado cuando se aplica a fotones. Sin embargo, muchos autores hablan de "gamma LET" de todos modos, donde en realidad se refieren a la LET de los electrones secundarios , es decir, principalmente electrones Compton, producidos por la radiación gamma. Los electrones secundarios ionizarán muchos más átomos que el fotón primario. Esta gamma LET tiene poca relación con la tasa de atenuación del haz, pero puede tener alguna correlación con los defectos microscópicos producidos en el absorbedor. Incluso un rayo gamma monoenergético producirá un espectro de electrones, y cada electrón secundario tendrá un LET variable a medida que se desacelera, como se discutió anteriormente. La "gamma LET" es, por tanto, un promedio.

La transferencia de energía de una partícula primaria no cargada a partículas secundarias cargadas también se puede describir usando el coeficiente de transferencia de energía de masa .

Efectos biologicos

La ICRP solía recomendar factores de calidad como una aproximación generalizada de RBE basada en LET.

Muchos estudios han intentado relacionar la transferencia de energía lineal con la efectividad biológica relativa (RBE) de la radiación, con resultados inconsistentes. La relación varía ampliamente según la naturaleza del material biológico y la elección del criterio de valoración para definir la eficacia. Incluso cuando se mantienen constantes, los diferentes espectros de radiación que comparten el mismo LET tienen RBE significativamente diferentes.

A pesar de estas variaciones, es común observar algunas tendencias generales. El RBE es generalmente independiente de LET para cualquier LET menor a 10 keV / µm, por lo que normalmente se elige un LET bajo como condición de referencia donde RBE se establece en la unidad. Por encima de 10 keV / µm, algunos sistemas muestran una disminución en la RBE con el aumento de LET, mientras que otros muestran un aumento inicial hasta un pico antes de disminuir. Las células de mamíferos suelen experimentar un RBE máximo para LET de alrededor de 100 keV / µm. Estos son números muy aproximados; por ejemplo, un conjunto de experimentos encontró un pico a 30 keV / µm.

La Comisión Internacional de Protección Radiológica ( ICRP ) propuso un modelo simplificado de relaciones RBE-LET para su uso en dosimetría . Definieron un factor de calidad de la radiación en función de la LET no restringida promediada en el agua y lo consideraron una aproximación altamente incierta, pero generalmente conservadora, de la RBE. En el gráfico de la derecha se muestran diferentes iteraciones de su modelo. El modelo de 1966 se integró en sus recomendaciones de 1977 para la protección radiológica en la ICRP 26. Este modelo fue reemplazado en gran medida en las recomendaciones de 1991 de la ICRP 60 por factores de ponderación de la radiación que estaban vinculados al tipo de partícula e independientes de LET. La ICRP 60 revisó la función del factor de calidad y la reservó para su uso con tipos de radiación inusuales a los que no se les asignaron factores de ponderación de radiación.

Campos de aplicación

Cuando se utiliza para describir la dosimetría de la radiación ionizante en el entorno biológico o biomédico, la LET (como la potencia de frenado lineal ) se suele expresar en unidades de k eV / µm .

En las aplicaciones espaciales , los dispositivos electrónicos pueden verse perturbados por el paso de electrones energéticos, protones o iones más pesados ​​que pueden alterar el estado de un circuito y producir " efectos de un solo evento ". El efecto de la radiación se describe mediante el LET (que aquí se considera sinónimo de potencia de frenado), normalmente expresado en unidades de MeV · cm² / mg de material, las unidades utilizadas para la potencia de frenado en masa (el material en cuestión suele ser Si para dispositivos MOS). Las unidades de medida surgen de una combinación de la energía perdida por la partícula al material por unidad de longitud de trayectoria (MeV / cm) dividida por la densidad del material (mg / cm³).

Sin embargo, los "errores blandos" de los dispositivos electrónicos debido a los rayos cósmicos en la tierra se deben principalmente a neutrones que no interactúan directamente con el material y cuyo paso, por lo tanto, no puede ser descrito por LET. Más bien, se mide su efecto en términos de neutrones por cm ² por hora, consulte Error suave .

Referencias