선형 에너지 전달

Linear energy transfer
이온화 복사(알파 입자) 트랙이 있는 확산 구름 챔버로, 물방울 문자열로 가시화

선량측정에서 선형 에너지 전달(LET)은 단위 거리당 통과된 물질에 이온화 입자가 전달하는 에너지의 양을 의미한다. 물질에 대한 방사선의 작용을 기술한다.

그것은 물질을 통해 이동하는 전하를 띤 이온화 입자에 작용하는 지각력과 동일하다.[1] 정의상 LET는 양수량이다. LET는 방사선의 성질과 통과된 물질에 의존한다.

높은 LET는 방사선을 더 빨리 감쇠시켜 일반적으로 차폐가 더 효과적이고 깊은 침투가 방지된다. 반면에, 퇴적된 에너지의 높은 농도는 입자 선로 근처의 미세한 구조물에 더 심각한 손상을 일으킬 수 있다. 생물학적 세포와 마이크로 전자공학에서와 같이 미세한 결함이 더 큰 규모의 고장을 일으킬 수 있는 경우, LET는 방사선 손상이 흡수된 선량에 불균형한 이유를 설명하는데 도움이 된다. 선량측정은 방사선 가중인자를 이용하여 이러한 영향을 고려하려고 시도한다.

선형 에너지 전달은 둘 다 지각력이 같기 때문에 정지 전력과 밀접한 관련이 있다. 제한되지 않은 선형 에너지 전달은 아래에서 설명하는 바와 같이 선형 전자 정지 전력과 동일하다. 그러나 정지전력과 LET 개념은 총 정지전력이 핵 정지전원 구성요소를 가지며,[2] 이 구성요소는 전자적 변동을 일으키지 않는다는 점에서 다르다. 그러므로 핵 정지 동력은 LET에 포함되어 있지 않다.

LET의 적절한 SI 단위는 뉴턴이지만, 일반적으로 마이크로미터당 킬로전자볼트(keV/μm) 또는 센티미터당 메게글렉트론볼트(MeV/cm) 단위로 표현된다. 의학 물리학자들과 방사선 생물학자들이 보통 선형 에너지 전달에 대해 말하는 반면, 대부분의 비의료 물리학자들은 동력 중단에 대해 이야기한다.

제한 및 제한되지 않은 LET

일차 전하 입자에 의한 이온화 과정 중에 생성되는 이차 전자는 에너지가 스스로 이온화 할 수 있을 정도로 충분히 크면 일반적으로 델타 광선이라고 불린다.[3] 많은 연구는 1차 입자 트랙 근처에서 전달되는 에너지에 초점을 맞추고 따라서 특정 값 Δ보다 큰 에너지와 델타 광선을 생성하는 상호작용을 배제한다.[1] 이 에너지 한계는 에너지가 클수록 더 큰 범위를 의미하기 때문에 일차 입자 트랙에서 멀리 에너지를 운반하는 이차 전자를 배제하기 위한 것이다. 이 근사치는 이차 방사선의 방향 분포와 델타 광선의 비선형 경로를 무시하지만 분석 평가를 단순화한다.[4]

수학적 용어로 제한된 선형 에너지 전달은 다음을 통해 정의된다.

여기서 d 은(는) Δ보다 큰 운동 에너지를 가진 2차 전자를 모두 하고 d 거리를 횡단하는 동안 전자 충돌로 인해 충전된 입자의 에너지 손실이다 만일 Δ가 무한대로 기울어진다면, 더 큰 에너지를 가진 전자는 없으며, 선형 에너지 전달은 선형 전자 정지 전력과 동일한 무제한 선형 에너지 전달이 된다.[1] 여기서, "인피니티"라는 용어의 사용은 문자 그대로 받아들여지지 않고, 그것은 단지 어떤 에너지 전달도, 아무리 크더라도 배제되지 않는다는 것을 의미한다.

방사선 유형에 적용

방사능에 대한 그의 조사 동안, 어니스트 러더포드는 방사능 붕괴 동안 발생하는 세 가지 유형의 방출에 대해 알파선, 베타선, 감마선이라는 용어를 만들었다.

알파 입자 및 기타 양의 이온

공중에서 5.49MeV 알파 입자의 브래그 곡선. 이 방사선은 라돈(222Rn)의 부패에 의해 생성되며, 범위는 4.14 cm이다. 정지 전력(LET와 본질적으로 동일함)은 경로 길이 대 여기에 표시되며, 그 최고점은 "Bragg peak"

선형 에너지 전달은 단핵 이온, 즉 양성자, 알파 입자 및 HZE 이온이라고 하는 무거운 핵에 대해 우주 광선 또는 입자 가속기에 의해 생성되는 것이 가장 잘 정의된다. 이러한 입자들은 비교적 직선적인 트랙 주변의 좁은 직경 내에서 빈번한 직접 이온화를 유발하여 연속 감속에 근사치를 이룬다. 그들이 속도를 줄이자, 변화하는 입자 단면은 LET를 수정하여 일반적으로 흡수기와 열 평형, 즉 범위가 끝나기 직전에 Bragg 피크로 증가시킨다. 평형 상태에서 입사 입자는 본질적으로 정지하거나 흡수되며, 이때 LET는 정의되지 않는다.

LET는 입자 궤도에 따라 다르기 때문에, 평균값은 종종 스프레드를 나타내기 위해 사용된다. 트랙 길이에 의해 가중되거나 흡수 선량에 의해 가중된 평균은 문헌에 존재하며, 후자는 선량측정에서 더 흔하다. 이러한 평균은 LET가 높은 중입자의 경우 크게 분리되지 않지만 아래에서 설명하는 다른 유형의 방사선에서 차이가 더 중요해진다.[4]

베타 입자

핵 붕괴에서 생성된 전자를 베타 입자라고 부른다. 원자에 비해 질량이 낮기 때문에 핵(쿨롬 또는 러더포드 산란)에 의해 강하게 산란되는데, 이는 무거운 입자보다 훨씬 더 그러하다. 따라서 베타 입자 트랙은 비뚤어져 있다. 원자를 이온화하면서 2차 전자(델타 광선)를 생산하는 것 외에, 브렘스스트라흘룽 광자도 생산한다. 베타 방사선의 최대 범위는 입자 경로를 따라 측정되는 범위보다 작은 실험적으로[5] 정의할 수 있다.

감마선

감마선은 광자인데, 이 광자의 흡수는 LET로 설명할 수 없다. 감마 양자(감마 양자)가 물질을 통과할 때 단일 공정(광전 효과, 콤프턴 효과 또는 쌍 생성)에 흡수되거나 그 경로에 변동이 없을 수 있다. (컴프턴 효과의 경우에만 낮은 에너지 진행의 또 다른 감마 양자). 따라서 감마선 흡수는 지수 법칙에 따른다(감마선 참조). 흡수는 흡수 계수 또는 반값 두께로 설명된다.

따라서 LET는 광자에 적용할 때 의미가 없다. 그러나 많은 저자들은 어쨌든 "감마 LET"에 대해 말하는데,[6] 여기서 그들은 실제로 2차 전자의 LET, 즉 감마선에 의해 생성된 주로 콤프턴 전자를 언급하고 있다.[7] 2차 전자는 1차 광자보다 훨씬 더 많은 원자를 이온화할 것이다. 이 감마 LET는 빔의 감쇠율과는 거의 관계가 없지만 흡수기에서 발생하는 미세한 결함과 어느 정도 상관관계가 있을 수 있다. 단항 감마선이라도 전자의 스펙트럼을 생성하며, 위에서 설명한 것처럼 각 이차 전자는 속도가 느려질수록 가변 LET를 갖게 된다. 그러므로 "감마 LET"는 평균이다.

충전되지 않은 1차 입자에서 2차 입자로의 에너지 전달은 질량 에너지 전달 계수를 사용하여 설명할 수도 있다.[1]

생물학적 효과

ICRP는 품질 계수를 LET에 기초한 RBE의 일반화된 근사치로 권고하는데 사용되었다.

많은 연구가 선형 에너지 전달과 방사선의 상대적 생물학적 효과(RBE)를 연관시키려 시도했지만 일관되지 않았다. 생물학적 물질의 성격과 효과를 정의하기 위한 엔드포인트의 선택에 따라 관계가 크게 달라진다. 이러한 스펙트럼이 일정하게 유지되더라도 동일한 LET를 공유하는 방사선 스펙트럼의 RBE는 크게 다르다.[4]

이러한 변화에도 불구하고, 몇몇 전체적인 추세는 흔히 볼 수 있다. RBE는 일반적으로 10 keV/µm 미만의 LET에 대해 LET와 독립적이므로, 일반적으로 낮은 LET는 RBE가 단일성으로 설정된 기준 조건으로 선택된다. 10 keV/µm 이상에서 일부 시스템은 LET 증가와 함께 RBE 감소를 보이는 반면, 다른 시스템은 감소하기 전에 초기 증가를 피크까지 보여준다. 포유류 세포는 보통 약 100 keV/µm에서 최고 RBE를 경험한다.[4] 이것들은 매우 대략적인 숫자들이다. 예를 들어, 한 실험 세트가 30 keV/µm에서 피크를 발견했다.

국제 방사선방호위원회(ICRP)는 선량측정에 사용하기 위해 RBE-LET 관계의 단순화된 모델을 제안했다. 그들은 방사선 품질 계수를 물에서 선량 평균이 제한되지 않은 LET의 함수로 정의했고, 매우 불확실하지만 일반적으로 보수적인 RBE 근사치로 의도했다. 다양한 모델의 반복이 오른쪽 그래프에 표시된다. 1966년 모델은 ICRP 26의 방사선 방호에 대한 1977년 권고안에 통합되었다. 이 모델은 1991년 ICRP 60의 권고안에서 입자 형식에 묶이고 LET와 독립된 방사선 가중인자에 의해 대체되었다. ICRP 60은 품질 인자 함수를 개정하고 방사선 가중인자가 할당되지 않은 비정상적인 방사선 유형과 함께 사용하도록 유보했다.[8]

응용 프로그램 필드

생물학적 또는 생물학적 설정에서 전리방사선의 선량계를 설명하기 위해 사용될 때 LET(선형 정지 전력과 같은)는 대개 keV/µm 단위로 표현된다.

우주 응용에서, 전자 소자는 회로의 상태를 변화시킬 수 있는 정력적인 전자, 양성자 또는 더 무거운 이온의 통과에 의해 교란되어 "단일 사건 효과"[9]를 발생시킬 수 있다. 방사선의 영향은 LET(여기서는 정지 전력과 동의어로 간주되며, 일반적으로 질량 정지 전력에 사용되는 단위인 재료의 MeV·cm²/mg 단위로 표현된다)에 의해 설명된다(해당 물질은 일반적으로 MOS 기기의 경우 Si이다). 측정 단위는 입자에 의해 손실된 에너지를 단위 경로 길이(MeV/cm)당 재료에 대한 조합으로 재료의 밀도(mg/cm³)[10]로 나눈 값이다.

그러나 지구상의 우주 광선으로 인한 전자 소자의 "연성 오류"는 주로 물질과 직접 상호작용하지 않고 따라서 LET로 설명할 수 없는 중성자 때문이다. 오히려 시간당 cm당2 중성자 단위로 그 효과를 측정한다. 소프트 오차를 참조한다.

참조

  1. ^ a b c d International Commission on Radiation Units and Measurements (October 2011). Seltzer, Stephen M. (ed.). "Report 85: Fundamental Quantities and Units for Ionizing Radiation". Journal of the International Commission on Radiation Units and Measurements (Revised ed.). 11 (1): 1–31. doi:10.1093/jicru/ndr012. PMID 24174259. ICRU report 85a.
  2. ^ Smith, Roger (1997). Atomic & ion collisions in solids and at surfaces: theory, simulation and applications. Cambridge, UK: Cambridge University Press.
  3. ^ 2012년 12월 22일 검색된 브리태니커 백과사전의 "델타 레이"
  4. ^ a b c d International Commission on Radiation Units and Measurements (1970). Linear Energy Transfer. Washington D.C. doi:10.1093/jicru/os9.1.Report16. ISBN 978-0913394090. ICRU report 16.
  5. ^ G. Knop과 W. Paul: K가 편집한 알파- 베타-와 감마선 분광기에서의 전자 상호작용. 1966년 암스테르담 노스홀랜드 지반
  6. ^ ICRP(국제방사선방호위원회) 간행물 103, ICRP 37(2-4)(2007) : "(116) 광자, 전자, 뮤온은 LET 값이 10 keV/microm 이하인 방사선이다."
  7. ^ Chabot, George. "Radiation Basics — Radiation Quantities and Units". Ask the Experts FAQ. Health Physics Society. Retrieved 12 December 2012. When the term "stopping power" is used in reference to photons, as seems to be the case for the example you give, it is not really being used for the photons themselves, but for the electrons set free by the photon interactions.
  8. ^ Sinclair, Dr. W. K.; et al. (January 2003). "Relative biological effectiveness (RBE), quality factor (Q) and radiation weighting factor (Wr)". Annals of the ICRP. 33 (4). ISBN 978-0-08-044311-9. ICRP Publication 92.
  9. ^ V. 자지크와 P. Tieeberger, "전자장치의 단일 사건 이상 시험 중 헤비 이온 선형 에너지 전달 측정", IEEE 원자력 과학 46, 페이지 59-69, (1999)
  10. ^ NASA의 방사선 효과와 분석 홈 페이지