نقل الطاقة الخطي

في علم قياس الجرعات الإشعاعية ، يُعرف معدل نقل الطاقة الخطي (LET) بأنه كمية الطاقة التي ينقلها جسيم مؤين إلى المادة التي يقطعها لكل وحدة مسافة. وهو يصف تأثير الإشعاع على المادة.

وهي تُطابق قوة الكبح المؤثرة على جسيم مؤين مشحون يتحرك عبر المادة. ^{[ 1 ]} وبحسب التعريف، فإنّ معدل نقل الطاقة الخطي (LET) كمية موجبة. ويعتمد معدل نقل الطاقة الخطي على طبيعة الإشعاع وعلى المادة التي يخترقها.

يؤدي ارتفاع معدل نقل الطاقة الخطي (LET) إلى إبطاء الإشعاع بسرعة أكبر، مما يجعل الحماية أكثر فعالية بشكل عام ويمنع الاختراق العميق. من ناحية أخرى، يمكن أن يتسبب التركيز العالي للطاقة المترسبة في أضرار جسيمة لأي بنى مجهرية قريبة من مسار الجسيم. إذا كان عيب مجهري قادرًا على إحداث خلل واسع النطاق، كما هو الحال في الخلايا البيولوجية والإلكترونيات الدقيقة ، فإن معدل نقل الطاقة الخطي (LET) يساعد في تفسير سبب كون الضرر الإشعاعي في بعض الأحيان غير متناسب مع الجرعة الممتصة . تحاول قياسات الجرعات مراعاة هذا التأثير باستخدام عوامل ترجيح الإشعاع .

يرتبط نقل الطاقة الخطي ارتباطًا وثيقًا بقدرة الإيقاف ، إذ يتساوى كلاهما في قوة الكبح. ويتطابق نقل الطاقة الخطي غير المقيد مع قدرة الإيقاف الإلكترونية الخطية، كما سيتم توضيحه لاحقًا. إلا أن مفهومي قدرة الإيقاف ونقل الطاقة الخطي يختلفان في أن قدرة الإيقاف الكلية تتضمن مُركِّب قدرة الإيقاف النووية، ^{[ 2 ]} وهذا المُركِّب لا يُسبِّب إثارات إلكترونية. لذا، فإن قدرة الإيقاف النووية غير مُدرجة في نقل الطاقة الخطي.

الوحدة المناسبة في النظام الدولي للوحدات (SI) لنقل الطاقة الخطي (LET) هي النيوتن ، ولكن يُعبَّر عنها عادةً بوحدات كيلو إلكترون فولت لكل ميكرومتر (keV/ μm ) أو ميغا إلكترون فولت لكل سنتيمتر (MeV/cm). بينما يتحدث الفيزيائيون الطبيون وعلماء الأحياء الإشعاعية عادةً عن نقل الطاقة الخطي ، يتحدث معظم الفيزيائيين غير الطبيين عن قدرة الإيقاف .

تُسمى الإلكترونات الثانوية الناتجة أثناء عملية التأين بواسطة الجسيم المشحون الأولي اصطلاحًا بأشعة دلتا ، إذا كانت طاقتها كبيرة بما يكفي لتأين نفسها. ^{[ 3 ]} تركز العديد من الدراسات على الطاقة المنقولة في محيط مسار الجسيم الأولي، وبالتالي تستبعد التفاعلات التي تُنتج أشعة دلتا بطاقات أكبر من قيمة معينة Δ. ^{[ 1 ]} يهدف هذا الحد الطاقي إلى استبعاد الإلكترونات الثانوية التي تحمل طاقة بعيدة عن مسار الجسيم الأولي، لأن الطاقة الأكبر تعني مدىً أكبر . يتجاهل هذا التقريب التوزيع الاتجاهي للإشعاع الثانوي والمسار غير الخطي لأشعة دلتا، ولكنه يُبسط التقييم التحليلي. ^{[ 4 ]}

رياضياً، يُعرَّف نقل الطاقة الخطي المقيد بما يلي:

${\displaystyle L_{\Delta }={\frac {{\text{d}}E_{\Delta }}{{\text{d}}x}},}$

أين${\displaystyle {\text{d}}E_{\Delta }}$يمثل فقدان الطاقة للجسيم المشحون نتيجة التصادمات الإلكترونية أثناء قطعه مسافة معينة.${\displaystyle {{\text{d}}x}}$باستثناء جميع الإلكترونات الثانوية ذات الطاقات الحركية الأكبر من Δ. إذا اقتربت Δ من اللانهاية، فلن توجد إلكترونات ذات طاقة أكبر، ويصبح انتقال الطاقة الخطي انتقالًا خطيًا غير مقيد للطاقة ، وهو مطابق لقدرة الإيقاف الإلكترونية الخطية . ^{[ 1 ]} هنا، لا يُقصد بمصطلح "اللانهاية" المعنى الحرفي؛ بل يعني ببساطة أنه لا يتم استبعاد أي انتقال للطاقة، مهما بلغت قيمته.

خلال تحقيقاته في النشاط الإشعاعي، صاغ إرنست رذرفورد مصطلحات أشعة ألفا وأشعة بيتا وأشعة جاما للأنواع الثلاثة من الانبعاثات التي تحدث أثناء التحلل الإشعاعي .

جسيمات ألفا وأيونات موجبة أخرى

يُعرَّف انتقال الطاقة الخطي على أفضل وجه للأيونات أحادية الطاقة، أي البروتونات وجسيمات ألفا والنوى الأثقل المعروفة بأيونات HZE الموجودة في الأشعة الكونية أو الناتجة عن مسرعات الجسيمات . تُسبب هذه الجسيمات تأينات مباشرة متكررة ضمن قطر ضيق حول مسار مستقيم نسبيًا، مما يُقارب التباطؤ المستمر. ومع تباطؤها، يُعدِّل المقطع العرضي المتغير للجسيم انتقال الطاقة الخطي، ويزيده عمومًا إلى ذروة براغ قبل الوصول إلى التوازن الحراري مع الجسم الممتص، أي قبل نهاية المدى . عند التوازن، يتوقف الجسيم الساقط تقريبًا أو يُمتص، وعند هذه النقطة يصبح انتقال الطاقة الخطي غير مُعرَّف.

نظرًا لتغير معدل نقل الطاقة الخطي (LET) على طول مسار الجسيم، يُستخدم غالبًا متوسط ​​القيمة لتمثيل هذا التباين. وتوجد في المراجع متوسطات مُرجّحة بطول المسار أو مُرجّحة بالجرعة الممتصة، مع شيوع استخدام الأخيرة في قياس الجرعات. لا يوجد تباين كبير بين هذه المتوسطات بالنسبة للجسيمات الثقيلة ذات معدل نقل الطاقة الخطي العالي، لكن هذا التباين يصبح أكثر أهمية في أنواع الإشعاعات الأخرى التي سيتم تناولها لاحقًا. ^{[ 4 ]}

غالباً ما يتم إغفال نواة الارتداد لمصدر جسيمات ألفا، والتي تمتلك طاقة تأين كبيرة تبلغ حوالي 5% من طاقة تأين جسيم ألفا، ولكن نظراً لشحنتها الكهربائية العالية وكتلتها الكبيرة، فإن مداها قصير للغاية، لا يتجاوز بضعة أنغسترومات . قد يؤدي هذا إلى تحريف النتائج بشكل كبير عند دراسة الفعالية البيولوجية النسبية لجسيم ألفا في السيتوبلازم، مع تجاهل مساهمة نواة الارتداد، والتي عادةً ما تكون أحد المعادن الثقيلة العديدة التي تُنتج جسيم ألفا ، وترتبط بمواد ملونة مثل الكروموسومات .

سعت العديد من الدراسات إلى ربط نقل الطاقة الخطي بالفعالية البيولوجية النسبية للإشعاع، إلا أن النتائج كانت متباينة. وتختلف هذه العلاقة اختلافًا كبيرًا تبعًا لطبيعة المادة البيولوجية، واختيار نقطة النهاية لتحديد الفعالية. وحتى عند تثبيت هذه العوامل، فإن أطياف الإشعاع المختلفة التي تشترك في نفس معدل نقل الطاقة الخطي لها فعالية بيولوجية نسبية مختلفة بشكل ملحوظ. ^{[ 4 ]}

على الرغم من هذه الاختلافات، تُلاحظ بعض الاتجاهات العامة الشائعة. عادةً ما يكون معامل الفعالية البيولوجية النسبية (RBE) مستقلاً عن معدل نقل الطاقة الخطي (LET) لأي قيمة LET أقل من 10 كيلو إلكترون فولت/ميكرومتر، لذا يُختار عادةً معدل LET منخفض كحالة مرجعية حيث يُضبط معامل RBE على الوحدة. عند تجاوز 10 كيلو إلكترون فولت/ميكرومتر، تُظهر بعض الأنظمة انخفاضًا في معامل RBE مع زيادة LET، بينما تُظهر أنظمة أخرى ارتفاعًا أوليًا يصل إلى ذروة قبل أن يبدأ بالانخفاض. عادةً ما تشهد خلايا الثدييات ذروة في معامل RBE عند قيم LET تقارب 100 كيلو إلكترون فولت/ميكرومتر. ^{[ 4 ]} هذه أرقام تقريبية للغاية؛ فعلى سبيل المثال، وجدت إحدى التجارب ذروة عند 30 كيلو إلكترون فولت/ميكرومتر.

اقترحت اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع ( ICRP ) نموذجًا مبسطًا لعلاقات الفعالية البيولوجية النسبية (RBE) ونقل الطاقة الخطي (LET) لاستخدامه في قياس الجرعات . عرّفت اللجنة عامل جودة الإشعاع كدالة لنقل الطاقة الخطي غير المقيد في الماء، محسوبًا على أساس متوسط ​​الجرعة، واعتبرته تقريبًا غير دقيق إلى حد كبير، ولكنه متحفظ عمومًا، للفعالية البيولوجية النسبية. يوضح الرسم البياني على اليمين نسخًا مختلفة من نموذجها. دُمج نموذج عام 1966 في توصياتها لعام 1977 بشأن الحماية من الإشعاع في ICRP 26. استُبدل هذا النموذج إلى حد كبير في توصيات ICRP 60 لعام 1991 بعوامل ترجيح إشعاعية مرتبطة بنوع الجسيم ومستقلة عن نقل الطاقة الخطي. نقّحت ICRP 60 دالة عامل الجودة وخصصتها للاستخدام مع أنواع الإشعاع غير المعتادة التي لم تُخصص لها عوامل ترجيح إشعاعية. ^{[ 8 ]}

عند استخدامها لوصف قياس جرعات الإشعاع المؤين في البيئة البيولوجية أو الطبية الحيوية، يتم التعبير عن LET (مثل القدرة الخطية على الإيقاف ) عادةً بوحدات k eV / μm .

في التطبيقات الفضائية ، قد تتعرض الأجهزة الإلكترونية للتشويش نتيجة مرور الإلكترونات أو البروتونات أو الأيونات الأثقل ذات الطاقة العالية، مما قد يُغير حالة الدائرة الكهربائية ، مُحدثًا ما يُعرف بـ " تأثيرات الحدث الفردي ". ^{[ 9 ]} يُوصف تأثير الإشعاع بمعدل نقل الطاقة الخطي (LET) (والذي يُعتبر هنا مرادفًا لقدرة الإيقاف)، ويُعبر عنه عادةً بوحدة MeV·cm² ^/ mg من المادة، وهي الوحدات المستخدمة لقياس قدرة الإيقاف الكتلية (المادة المعنية عادةً ما تكون السيليكون في أجهزة MOS). تنشأ وحدات القياس من خلال دمج الطاقة المفقودة من الجسيم إلى المادة لكل وحدة طول مسار (MeV/cm) مقسومة على كثافة المادة (mg/cm³ ⁾ . ^{[ 10 ]}

تُعزى "الأخطاء العابرة" في الأجهزة الإلكترونية الناتجة عن الأشعة الكونية على الأرض في الغالب إلى النيوترونات التي لا تتفاعل مباشرةً مع المادة، وبالتالي لا يمكن وصف مرورها باستخدام معامل نقل الطاقة الخطي (LET). بدلاً من ذلك، يُقاس تأثيرها بعدد النيوترونات لكل سنتيمتر ^مربع في الساعة، انظر الخطأ العابر .