En dosimetría , la transferencia de energía lineal (LET) es la cantidad de energía que una partícula ionizante transfiere al material recorrido por unidad de distancia. Describe la acción de la radiación sobre la materia.
Es idéntica a la fuerza retardante que actúa sobre una partícula ionizante cargada que viaja a través de la materia. [1] Por definición, LET es una cantidad positiva. LET depende de la naturaleza de la radiación, así como del material atravesado.
Una LET alta ralentizará la radiación más rápidamente, lo que generalmente hace que el blindaje sea más efectivo y evita la penetración profunda. Por otro lado, la mayor concentración de energía depositada puede causar daños más graves a cualquier estructura microscópica cercana a la trayectoria de la partícula. Si un defecto microscópico puede causar un fallo a mayor escala, como es el caso de las células biológicas y la microelectrónica , la 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 analiza 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, [2] y este componente no causa excitaciones electrónicas. Por lo tanto, la potencia de frenado nuclear no está contenida en LET.
La unidad SI adecuada para la transferencia de energía lineal es el newton , pero normalmente 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 potencia de frenado .
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. [3] Muchos estudios se centran en la energía transferida en la proximidad de la trayectoria de la partícula primaria y, por lo tanto, excluyen las interacciones que producen rayos delta con energías mayores que un cierto valor Δ. [1] Este límite de energía pretende excluir los electrones secundarios que transportan energía lejos de la trayectoria de la partícula primaria, ya que una energía mayor implica un rango mayor . Esta aproximación descuida la distribución direccional de la radiación secundaria y la trayectoria no lineal de los rayos delta, pero simplifica la evaluación analítica. [4]
En términos matemáticos, la transferencia de energía lineal restringida se define por
donde es la pérdida de energía de la partícula cargada debido a las colisiones electrónicas mientras recorre una distancia , excluyendo todos los electrones secundarios con energías cinéticas mayores que Δ. Si Δ tiende hacia el infinito, entonces no hay electrones con energía mayor, 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 . [1] Aquí, el uso del término "infinito" no debe tomarse literalmente; simplemente significa que no se excluye ninguna transferencia de energía, por grande que sea.
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 ocurren durante la desintegración radiactiva .
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 una desaceleración continua. A medida que disminuyen la velocidad, la sección transversal cambiante de la partícula modifica su LET, generalmente incrementándola hasta un pico de Bragg justo antes de alcanzar 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 la LET no está definida.
Dado que la LET varía a lo largo de la trayectoria de la partícula, a menudo se utiliza un valor promedio para representar la dispersión. En la literatura existen promedios ponderados por la longitud de la trayectoria o por la dosis absorbida, siendo estos últimos los más comunes en dosimetría. Estos promedios no están muy separados en el caso de partículas pesadas con una LET alta, pero la diferencia se vuelve más importante en el otro tipo de radiaciones que se analizan a continuación. [4]
A menudo se pasa por alto en el caso de las partículas alfa el núcleo de retroceso del emisor alfa, que tiene una energía de ionización significativa de aproximadamente el 5 % de la partícula alfa, pero debido a su alta carga eléctrica y gran masa, tiene un alcance ultracorto de solo unos pocos angstroms . Esto puede distorsionar significativamente los resultados si se examina la eficacia biológica relativa de la partícula alfa en el citoplasma, mientras se ignora la contribución del núcleo de retroceso, cuyo progenitor alfa, al ser uno de los numerosos metales pesados , suele estar adherido a material cromático como los cromosomas .
Los electrones producidos en la desintegración nuclear se denominan partículas beta . Debido a su baja masa en relación con los átomos, son fuertemente dispersados por los núcleos ( dispersión de Coulomb o Rutherford ), mucho más que las partículas más pesadas. Por lo tanto, las trayectorias de las partículas beta son torcidas. Además de producir electrones secundarios (rayos delta) mientras ionizan los átomos, también producen fotones de bremsstrahlung . Se puede definir experimentalmente un rango máximo de radiación beta [5] que es menor que el rango que se mediría a lo largo de la trayectoria de la partícula.
Los rayos gamma son fotones, cuya absorción no puede describirse mediante LET. Cuando un cuanto gamma atraviesa la materia, puede ser absorbido en un único proceso ( efecto fotoeléctrico , efecto Compton o producción de pares ), o bien continuar inalterado en su camino. (Sólo en el caso del efecto Compton procede otro cuanto gamma de menor energía). La absorción de rayos gamma obedece, por tanto, a una ley exponencial (véase Rayos gamma ); la absorción se describe mediante el coeficiente de absorción o mediante el espesor de valor medio .
Por lo tanto, la LET no tiene ningún significado cuando se aplica a los fotones. Sin embargo, muchos autores hablan de "LET gamma" de todos modos, [6] donde en realidad se refieren a la LET de los electrones secundarios , es decir, principalmente electrones Compton, producidos por la radiación gamma. [7] Los electrones secundarios ionizarán muchos más átomos que el fotón primario. Esta LET gamma 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 haz gamma monoenergético producirá un espectro de electrones, y cada electrón secundario tendrá una LET variable a medida que se desacelera, como se discutió anteriormente. La "LET gamma" es, por lo tanto, un promedio.
La transferencia de energía de una partícula primaria sin carga a partículas secundarias cargadas también se puede describir utilizando el coeficiente de transferencia de energía de masa . [1]
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 dependiendo de la naturaleza del material biológico y la elección del punto final para definir la efectividad. Incluso cuando estos se mantienen constantes, diferentes espectros de radiación que comparten la misma LET tienen RBE significativamente diferentes. [4]
A pesar de estas variaciones, es común observar algunas tendencias generales. La RBE es generalmente independiente de la LET para cualquier LET menor a 10 keV/μm, por lo que normalmente se elige una LET baja como condición de referencia donde la RBE se establece en la unidad. Por encima de 10 keV/μm, algunos sistemas muestran una disminución en la RBE con el aumento de la LET, mientras que otros muestran un aumento inicial hasta un pico antes de disminuir. Las células de mamíferos generalmente experimentan un RBE pico para LET de alrededor de 100 keV/μm. [4] 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 como una función de la LET sin restricciones promediada por dosis en el agua, y lo concibieron como 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 la LET. La ICRP 60 revisó la función del factor de calidad y la reservó para su uso con tipos de radiación inusuales que no tenían factores de ponderación de la radiación asignados a ellos. [8]
Cuando se utiliza para describir la dosimetría de la radiación ionizante en el ámbito biológico o biomédico, el LET (al igual que el poder de frenado lineal ) generalmente se expresa en unidades de k eV / μm .
En aplicaciones espaciales , los dispositivos electrónicos pueden verse perturbados por el paso de electrones, protones o iones más pesados energéticos que pueden alterar el estado de un circuito , produciendo " efectos de evento único ". [9] El efecto de la radiación se describe mediante el LET (que aquí se toma como sinónimo de poder de frenado), expresado típicamente en unidades de MeV·cm 2 /mg de material, las unidades utilizadas para el poder de frenado de 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/cm 3 ). [10]
Los "errores blandos" de los dispositivos electrónicos debidos a los rayos cósmicos en la Tierra se deben, sin embargo, en su mayoría a neutrones que no interactúan directamente con el material y cuyo paso, por tanto, no se puede describir mediante LET. Su efecto se mide más bien en términos de neutrones por cm2 por hora, véase Error blando .
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )Cuando se utiliza el término "poder de frenado" en referencia a los fotones, como parece ser el caso del ejemplo que usted da, en realidad no se utiliza para los fotones en sí, sino para los electrones liberados por las interacciones de los fotones.