En dosimetría , la transferencia lineal de energía (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 retardadora 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.
Un LET alto ralentizará la radiación más rápidamente, lo que generalmente hará que el blindaje sea más efectivo y evitará una penetración profunda. Por otro lado, la mayor concentración de energía depositada puede causar daños más graves a cualquier estructura microscópica cercana al rastro 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 retardadora. 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 poder de frenado y LET son diferentes en el sentido de que el poder de frenado total tiene el componente de poder de frenado nuclear, [2] y este componente no causa excitaciones electrónicas. Por lo tanto, el poder de frenado nuclear no está incluido en el LET.
La unidad SI apropiada para LET 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 las proximidades de la trayectoria de partículas primarias 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 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. [4]
En términos matemáticos, la transferencia de energía lineal restringida se define por
¿Dónde está la pérdida de energía de la partícula cargada debido a 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 mayor energía y la transferencia de energía lineal se convierte en una transferencia de energía lineal sin restricciones que es idéntica al poder de parada electrónico 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 se producen durante la desintegración radiactiva .
La transferencia de energía lineal se define mejor para los iones monoenergéticos, es decir , protones , partículas alfa y los núcleos más pesados llamados iones HZE que se encuentran en los rayos cósmicos o son producidos por aceleradores de partículas . Estas partículas provocan frecuentes ionizaciones directas dentro de un diámetro estrecho alrededor de una pista relativamente recta, acercándose así a una desaceleración continua. A medida que disminuyen la velocidad, la sección transversal cambiante de las partículas modifica su LET, generalmente incrementándolo hasta un pico de Bragg justo antes de alcanzar el equilibrio térmico con el absorbente, 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 trayectoria de las partículas, a menudo se utiliza un valor promedio para representar la dispersión. En la literatura se encuentran promedios ponderados por la longitud del trayecto o ponderados por la dosis absorbida, 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 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 sólo unos pocos Angstroms . Esto puede sesgar significativamente los resultados si se examina la eficacia biológica relativa de la partícula alfa en el citoplasma, mientras se ignora la contribución del núcleo en retroceso, cuyo padre 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 llaman partículas beta . Debido a su baja masa en relación con los átomos, los núcleos las dispersan fuertemente ( dispersión de Coulomb o Rutherford ), mucho más que las partículas más pesadas. Por tanto, las trayectorias de las partículas beta están torcidas. Además de producir electrones secundarios (rayos delta) al ionizar 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 solo proceso ( efecto fotoeléctrico , efecto Compton o producción de pares ), o continuar su camino sin cambios. (Sólo en el caso del efecto Compton se produce 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 valor medio del espesor .
Por lo tanto, LET no tiene significado cuando se aplica a fotones. Sin embargo, muchos autores hablan de "LET gamma" [6] , cuando en realidad se refieren al LET de los electrones secundarios , es decir, principalmente los electrones Compton, producidos por la radiación gamma. [7] 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 absorbente. Incluso un haz gamma monoenergético producirá un espectro de electrones, y cada electrón secundario tendrá un LET variable a medida que se desacelere, como se analizó anteriormente. La "gamma LET" es, por tanto, una media.
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 másica . [1]
Muchos estudios han intentado relacionar la transferencia lineal de energía con la efectividad biológica relativa (EBR) 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 estos se mantienen constantes, diferentes espectros de radiación que comparten el mismo 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 inferior a 10 keV/μm, por lo que normalmente se elige una LET baja como condición de referencia cuando la RBE se establece en la unidad. Por encima de 10 keV/μm, algunos sistemas muestran una disminución de la RBE al aumentar la 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. [4] Estos son números muy aproximados; por ejemplo, una serie 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 uso en dosimetría . Definieron un factor de calidad de la radiación como una función de la dosis promedio de LET sin restricciones en el agua, y lo plantearon como una aproximación muy 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 a los que no se les asignaron factores de ponderación de radiación. [8]
Cuando se utiliza para describir la dosimetría de la radiación ionizante en el entorno biológico o biomédico, el LET (como 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 energéticos, protones o iones más pesados 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 considera sinónimo de poder de frenado), expresado típicamente en unidades de MeV·cm 2 /mg de material, las unidades utilizadas para el poder de frenado en masa (el material en La pregunta 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]
Sin embargo , los "errores leves" de los dispositivos electrónicos debidos a los rayos cósmicos en la Tierra se deben principalmente a neutrones que no interactúan directamente con el material y cuyo paso, por tanto, no puede describirse mediante LET. Más bien, se mide su efecto en términos de neutrones por cm 2 por hora, consulte Error suave .
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )Cuando el término "poder de frenado" se usa en referencia a fotones, como parece ser el caso en el ejemplo que usted da, en realidad no se usa para los fotones en sí, sino para los electrones liberados por las interacciones de los fotones.