Linearni gubitak energije. Značajke međudjelovanja ionizirajućeg zračenja s materijom

1. Linearni faktor prigušenja m je omjer očekivane vrijednosti dionice dN/N neizravno ionizirajuće čestice koje su doživjele interakciju tijekom prolaska elementarnog puta dl

Mjerna jedinica m je 1/m, 1/cm.

2. Faktor prigušenja mase m m je omjer linearnog koeficijenta prigušenja m i gustoće tvari r kroz koju prolazi neizravno ionizirajuće zračenje:

Mjerna jedinica - m 2 / kg, cm 2 / g.

3. Ispod kilometraža Za nabijene čestice misli se na ekstrapolirani raspon, a raspon g-kvanta je recipročna vrijednost linearnog koeficijenta slabljenja u tvari.

4. Linearni koeficijent prijenosa snage m tr je omjer udjela energije d e/e neizravnog ionizirajućeg zračenja, koje se tijekom prolaska elementarnog puta pretvara u kinetičku energiju nabijenih čestica. dl u materiji, na duljinu ovog puta:

m tr = . (2.3)

Jedinica m tr– 1/m, 1/cm.

Koeficijent prijenosa masene snage m tr, m odnosi se na linearni koeficijent prijenosa energije m tr

m tr, m = . (2.4)

Jedinica m tr, m- m 2 / kg, cm 2 / g.

5. Linearni koeficijent apsorpcije energije m hr je umnožak linearnog koeficijenta prijenosa energije m tr na razliku između jedinice i djelića energije g sekundarno nabijene čestice koje prelaze u kočno zračenje u određenoj tvari:

m hr= m tr×(1 - g). (2.5)

Jedinica m hr– 1/m, 1/cm.

Koeficijent apsorpcije masene energije m hr, m je povezan s linearnim koeficijentom apsorpcije energije m hr kroz gustoću medija r u kojem se zračenje širi:

m hr, m= m hr/r. (2.6)

Jedinica m hr, m- m 2 / kg, cm 2 / g.

Za radionuklidne izvore fotonskog zračenja
(e £ 3 MeV) u zraku g£ 0,01, dakle, s dovoljnom točnošću za primijenjene probleme, možemo pretpostaviti .

Za fotonsko zračenje koeficijenti prijenosa i apsorpcije energije dobivaju se zbrajanjem koeficijenata međudjelovanja uslijed fotoapsorpcije, nekoherentnog raspršenja na slabo vezanim elektronima i apsorpcije tijekom stvaranja parova elektron-pozitron.

6. Za kemijske spojeve ili složene kemikalije, koeficijenti prijenosa mase i apsorpcije energije fotona dobivaju se zbrajanjem:

m m = , (2.7)

gdje je m m, i- faktor mase ja-ta komponenta s masenim udjelom w i; = 1.

7. Međudjelovanje neutrona s materijom je složenije od fotona, a ne ovisi samo o kemijskom sastavu, već i o izotopu, t.j. od pojedinih nuklida koji čine tvar. Priručnici daju potpune mikroskopske presjeke međudjelovanja kao funkcije energije s(e). Makroskopski presjek danog nuklearnog procesa S, 1/cm, povezan je s mikroskopskim presjekom s, cm 2 izrazom

gdje je e energija neutrona; N A je Avogadrov broj; M, r su maseni broj i gustoća elementa s kojim neutron stupa u interakciju.

8. Karakteristika međudjelovanja nabijenih čestica s materijom je energija zračenja e koja se prenosi na tvar u međudjelovanjima koja dovode do ionizacije i ekscitacije atoma i molekula. Omjer prosječne vrijednosti energije koju je nabijena čestica izgubila zbog sudara na elementarnom putu dl, na duljinu ovog puta je količina ukupni linearni prijenos energije L:

Gubici energije zbog kočnog zračenja nisu uključeni u formulu (2.9). Kratica LET se koristi za označavanje punog linearnog prijenosa snage. Jedinica za LET je J/m. Posebna jedinica je kiloelektronvolt po mikrometru (keV/µm) vode.

9. Srednji uh energija prenesena na cilj. Energija prenesena zračenjem na ograničeni volumen materije jednaka je razlici između ukupne kinetičke energije svih nabijenih i nenabijenih čestica i kvanta koji ulaze u promatrani volumen i ukupne kinetičke energije svih nabijenih i nenabijenih čestica i kvanta koji napuštaju ovaj volumen.

; vrijednost gubitaka ionizacijske energije po jedinici puta u tvari. LET se definira kao omjer ukupne energije dE, koje čestica prenosi na tvar zbog sudara na putu dl, na duljinu ovog puta: L= dE / dl. Za nenabijene čestice LET se ne primjenjuje, već se koriste LET vrijednosti njihovih sekundarnih nabijenih čestica formiranih u materiji. Mjereno u eV/nm. LET vrijednosti variraju od 0.2 za fotone visoke energije do 104 eV/nm za fragmente fisije urana.

Koncept se široko koristi u radiobiologiji pri procjeni radiobioloških učinaka različitih vrsta zračenja.

vidi također

• Relativna biološka učinkovitost ionizirajućeg zračenja

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

Pogledajte što je "linearni prijenos energije" u drugim rječnicima:

- (LET), energija koju prenosi ionizirajuća čestica na Wu u danom susjedstvu svoje putanje po jedinici. duljina putanje: Ldeltt=(d?cp/dl)deltt, gdje je dl put, prošli naboj. h tsey in in ve, d? cp usp. energija koju osoba gubi u udarima, u kojima ... ... Fizička enciklopedija

linearni prijenos snage- 4.5 linearni prijenos snage [LET] ; LΔ: Omjer energije dE koju nabijena čestica lokalno prenosi na medij zbog sudara na elementarnoj stazi dl, prema duljini te staze Izvor ...

linearni prijenos snage- ilginė elektringųjų dalelių energijes perdava statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Jonizuojančiosios elektringosios dalelės, tam tikroje vietoje nueinančios elementarųjį atstumą, medžiagai perduota energija, padalyta iš to… … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

linearni prijenos snage- ilginė energijos perdava statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. linearni prijenos energije vok. Energieabgabe je Längeneinheit, f rus. linearni prijenos energije, f pranc. transfert d'énergie lineique, m … Fizikos terminų žodynas

- (LET) prosječna energija koju apsorbira medij na mjestu prolaska nabijene čestice po jedinici njezina puta; koristi se za uzimanje u obzir razlika u biološkom učinku različitih vrsta ionizirajućeg zračenja ... Veliki medicinski rječnik

Pogledajte Ionizirajuće zračenje... Kemijska enciklopedija

Linearni prijenos snage (LET)- 5. Linearni prijenos energije (LET) Prema GOST 15484 Izvor ... Rječnik-priručnik pojmova normativne i tehničke dokumentacije

linearni- 98 linearni [nelinearni] električni krug Električni krug u kojem su električni naponi i električne struje ili/i električne struje i veze magnetskog toka ili/i električni naboji i električni naponi međusobno povezani… … Rječnik-priručnik pojmova normativne i tehničke dokumentacije

GOST 25645.218-90: Radijacijska sigurnost posade svemirskih letjelica u svemirskom letu. Ovisnost faktora kvalitete kozmičkog zračenja o linearnoj energiji- Terminologija GOST 25645.218 90: Sigurnost zračenja posade svemirskih letjelica u svemirskom letu. Ovisnost faktora kvalitete kozmičkog zračenja o linearnoj energiji izvorni dokument: 7. Dozni spektar linearne transmisije ... ... Rječnik-priručnik pojmova normativne i tehničke dokumentacije

LET- linearni prijenos energije linearni gubici energije (pl) linearni gubici energije … Rječnik kratica ruskog jezika

Linearni prijenos energije (LET) nabijenih čestica u apsorbirajućoj tvari (ili L) je omjer prosječne energije dE prenesene na apsorbirajuću tvar od strane pokretne nabijene čestice zbog sudara kada se pomiče za udaljenost dl do ove udaljenosti:

L = dE/dl. (2.4)

Pojam LET je usko povezan sa snagom zaustavljanja S. Glavna razlika je u tome što je LET povezan s energijom prenesenom na apsorbent, dok

kako S karakterizira svojstvo apsorbirajuće tvari, pokazujući koliko učinkovito nabijena čestica gubi energiju u tvari, tj. koliko učinkovito apsorber uzima energiju od nabijene čestice.

LET je važan u zaštiti od zračenja, jer se koristi za izračunavanje faktora kvalitete određenog polja zračenja.

LET, kao i zaustavna snaga S, mjeri se u keV/µm.

MEĐUSOBNO DJELOVANJE TEŠKIH NABIJETIH ČESTICA S MATERIJOM

Međudjelovanje nabijenih čestica dijelimo na elastično i neelastično.

Elastične interakcije su takve interakcije u kojima zbroj kinetičkih energija čestica koje međusobno djeluju prije i poslije interakcije ostaje nepromijenjen. Takav proces je elastično raspršenje.

U neelastičnoj interakciji dio kinetičke energije nabijene čestice prenosi se na nastale čestice ili fotone; drugi dio kinetičke energije prenosi se na atom ili jezgru radi njihove ekscitacije ili preraspodjele. Takve interakcije uključuju neelastično raspršenje, ionizaciju i ekscitaciju atoma te stvaranje kočnog zračenja.

Razmotrimo interakciju teških nabijenih čestica s materijom na primjeru α-čestica. α-čestica je jezgra atoma helija, ima dvostruki pozitivni naboj i četiri jedinice mase. Masa α-čestice je 4,002777 a.m.u. Raspadu uglavnom prolaze radionuklidi teških elemenata. Energija α-čestica (E α) koju emitiraju prirodni i umjetni radionuklidi kreće se od 4,0 do 9,0 MeV. Dakle, za 239 Pu E α = 5,15 MeV, za 210 Po - 5,3 MeV, za 226 Ra - 4,777 MeV. Brzina kretanja α-čestica je oko 10 9 cm/sek.

Pri prolasku kroz tvar energija α-čestice uglavnom se troši na ionizaciju i pobuđivanje atoma apsorbirajućeg medija (ionizacijski gubici), što se pri E α > 0,1 MeV može izraziti formulom:

gdje je E α kinetička energija α-čestice; e je naboj elektrona; z je naboj α-čestice;

Z je serijski broj apsorbera; n je broj atoma u 1 cm 3 tvari; B - koeficijent kočenja; m o - masa mirovanja elektrona; V je brzina čestice.

Jedno od najkarakterističnijih svojstava α-čestica je da imaju određeni raspon. Prosječni domet R a monoenergetskih α-čestica obično se izračunava empirijskim formulama. Na zraku u normalnim uvjetima

(2.6)

gdje je R α - kilometraža, cm; - kinetička energija α-čestica, MeV;

n je bezdimenzionalni koeficijent utvrđen empirijski.

Za α-čestice koje emitiraju prirodni α-emiteri (1< Е α <9МэВ), а = 0,318, n = 1,5. Для α-частиц с более высокими энергиями (Е α = ≤200 МэВ) а = 0,148, n = 1,8.

Dakle, α-čestice s energijom E α \u003d 5 MeV pređu udaljenost od 3,52 cm u zraku, a s energijom E α \u003d 30 MeV - 68 cm.

Duljina puta α-čestice u drugim medijima može se odrediti Braggovom formulom:

(2.7)

ili prema Glessenovoj formuli:

(2.8)

gdje je E α energija α-čestice, MeV; A je atomska težina; Z - serijski broj;

ρ je gustoća apsorbirajuće tvari, g/cm 3 .

Do kraja ciklusa, energija α-čestice se toliko smanjuje da više nije sposobna proizvesti ionizaciju i, nakon što je na sebe vezala dva elektrona, pretvara se u atom helija. Ukupna ionizacija za α-čestice iznosi nekoliko stotina tisuća parova iona. Na primjer, α-čestica energije 7 MeV, prema (2.1), nastaje

par iona.

Što je veća energija α-čestice, to je veći njezin domet i nastaje više parova iona.

Linearna gustoća ionizacije također ovisi o energiji α-čestice, ali je ovisnost obrnuta – što je manja energija čestice, a time i brzina, veća je vjerojatnost njezine interakcije s orbitalnim elektronima. Linearna gustoća ionizacije zraka α-česticom, na primjer, za 210 Po (E α = 5,3 MeV, linearni raspon R = 3,87 cm, energija stvaranja para iona ε = 33,85 eV/par) određena je formulom (2.2)

ionskih parova/cm.

Specifična ionizacija doseže najveću vrijednost na kraju ciklusa.

Linearna gustoća ionizacije zraka duž putanje α-čestice prikazana je na sl. 2.4. Sa slike je vidljivo da je linearna gustoća ionizacije neravnomjerno raspoređena, raste prema kraju puta, a zatim naglo pada na nulu. Na primjer, α-čestica energije 4,8 MeV u zraku na početku puta stvara 2 10 4 para iona / cm, a na kraju puta 6 10 4 para iona / cm. Povećanje gustoće ionizacije na kraju puta, nakon čega slijedi oštro smanjenje do nule, objašnjava se činjenicom da α-čestica, doživljavajući usporavanje, gubi brzinu dok se kreće u tvari; posljedično se povećava vrijeme njegova prolaska kroz atom na kraju puta i, sukladno tome, vjerojatnost prijenosa energije na elektron dovoljne da ga izvuče iz atoma. Kada postaje brzina α-čestice

usporediva s brzinom gibanja atoma tvari, tada α-čestica uhvati i zadrži prvo jedan pa drugi elektron i pretvori se u atom helija – prestaje ionizacija.

Riža. 2.4. Linearna gustoća ionizacije zraka duž putanje α-čestice.

α-Čestice iste energije (monoenergetske) u apsorberu prijeđu gotovo jednaku udaljenost, tj. broj α-čestica gotovo duž cijele staze trčanja stalno i naglo pada na nulu na kraju trčanja. Spektar raspodjele dometa monoenergetskih α-čestica prikazan je na slici 2.5. Diferenciranjem integralne krivulje može se dobiti krivulja distribucije raspona α-čestica oko prosječne vrijednosti R 0 - prosječnog raspona α-čestica.

Raspon α-čestica je praktički pravocrtan zbog njihove velike mase, što sprječava da α-čestica skrene s pravocrtnog puta pod djelovanjem električnih sila atoma. Unatoč visokim energijama α-čestica, njihova prodorna moć i domet su izuzetno mali, npr. u zraku 4 10 cm, au mekim tkivima čovjeka, u tekućim i krutim tvarima bit će nekoliko mikrona.

Riža. 2.5. Spektar raspodjele dometa monoenergetskih α-čestica: 1 - integral; 2 - diferencijal.

Maksimalni domet α-čestica u zraku se pri promjeni energije od 1 do 10 MeV mijenja od 0,52 do 10,5 cm i pri E α = 5 MeV iznosi 3,52 cm, a u biološkom tkivu mijenja se od 7,2 10 -1 do 1,2 10 -2 cm, pri E α = 5 MeV R max = 4,4 10 -3 cm.

MEĐUSOBNO DJELOVANJE SVJETLOSTI NABIJENIH ČESTICA S TVARI

Razmotrimo interakciju lakih nabijenih čestica s materijom na primjeru β-čestica. β-čestice su tok elektrona ili pozitrona. Elektron i pozitron

imaju istu masu i isti naboj, ali se razlikuju po predznaku naboja. Masa elektrona je 0,000549 a.m.u. Za razliku od α-čestica, β-čestice imaju kontinuirani energetski spektar.

Ovisno o energiji β-čestica razlikujemo meko i tvrdo β-zračenje. β-čestice s energijama do nekoliko desetaka keV nazivamo mekim β-zračenjem, a one s velikom energijom tvrdim β-zračenjem.

Proces prolaska β-čestica kroz tvar je kompliciraniji od procesa prolaska α-čestica. Energija se troši na gubitke ionizacijom i zračenjem, na raspršenje β-čestica. Nuklearne reakcije odvijaju se samo pri visokim (više od 20 MeV) energijama elektrona.

Ionizacijski gubici β-čestica, kao i α-čestica, povezani su s ionizacijom i ekscitacijom atoma apsorbera, ali je vjerojatnost interakcije između β-čestica i tvari manja nego kod α-čestica, budući da β-čestice imaju dvostruko veći naboj i višestruko manju masu (7000 puta) u usporedbi s α-česticama. Tijekom ionizacije, β-čestice izbacuju orbitalne elektrone, što može proizvesti dodatnu (sekundarnu) ionizaciju. Ukupna ionizacija je zbroj primarne i sekundarne ionizacije. β-čestica stvara nekoliko stotina parova iona po 1 µm svoje staze u tvari. Usporeni elektron će ostati slobodan ili će biti zarobljen od strane atoma i završiti u vezanom stanju, dok će pozitron anihilirati.

Ionizacijski gubici ovise o broju elektrona u atomima apsorbera. Broj elektrona u 1 cm 3 tvari može se izračunati iz relacije

n = ρ Ν Α (Ζ/A) = 6,023 10 23 ρ (Ζ/A), (2.9)

gdje je Ν Α Avogadrov broj; A je atomska težina; ρ je gustoća apsorbera; Z je atomski broj apsorberskog elementa.

Stoga gubici ionizacije (dE/dx) ion ≈ ρ·Z/A.

Kako se Z mijenja, omjer Z/A se mijenja od 0,5 za lake tvari do 0,4 za olovo, tj. za različite elemente Z/A odnos varira neznatno (s izuzetkom vodika, za koji je Z/A = 1), što nam omogućuje da ovaj omjer smatramo približno konstantnim. Stoga, izražavanje izmjerene debljine apsorbirajućeg sloja ne u centimetrima, već u jedinicama ρ cm, tj. u g/cm 2 , možemo zaključiti da će količina apsorpcije β-zračenja određene energije biti približno jednaka za sve tvari.

β-Čestice koje lete u blizini jezgre atoma apsorbera usporavaju se u polju jezgre i mijenjaju smjer svog gibanja. Smanjenje energije kao rezultat usporavanja elektrona u polju jezgre apsorbera (gubici zračenjem) povezan s emisijom kočnog zračenja.

Za β-čestice visoke energije (nekoliko MeV), omjer gubitaka zračenjem i gubicima ionizacije određen je izrazom

n \u003d (dE / dx) rad / (dE / dx) ion \u003d E β m ax Z / 800, (2.10)

gdje je E β m ah maksimalna energija za kontinuirani spektar β-čestica ili početna energija monoenergetskih elektrona;

Z je atomski broj elementa u kojem dolazi do usporavanja elektrona.

Pri određenoj energiji β-čestica gubici zračenjem su razmjerni gubicima ionizacije. Ova energija se naziva kritična. Kada su radijacijski i ionizacijski gubici jednaki, kritična energija (E 0 , MeV) određena je izrazom

E 0 = 800/Z. (2.11)

Na primjer, za olovo (Z = 82) kritična energija je E 0 = 800/82 ≈ 10 MeV.

Budući da je masa β-čestica mala, karakterizira ih učinak raspršenja. Raspršenje β-čestica događa se tijekom sudara s orbitalnim elektronima atoma tvari apsorbera. Tijekom raspršenja energija β-čestice gubi se u velikim dijelovima, u nekim slučajevima i do polovice. Raspršenje ovisi o energiji β-čestica i o prirodi tvari apsorbera: sa smanjenjem energije β-čestica i povećanjem atomskog broja tvari apsorbera, raspršenje se povećava.

Kao rezultat raspršenja u apsorberu, put β-čestica nije pravocrtan kao kod α-čestica, a prava duljina puta u apsorberu može biti 1,5 - 4 puta veća od njihovog dometa. Sloj tvari jednak duljini puta β-čestica s maksimalnom energijom potpuno će usporiti β-čestice koje emitira određeni radionuklid.

Apsorpcija β-čestica s kontinuiranim spektrom odvija se prema eksponencijalnom zakonu. To se objašnjava činjenicom da β-čestice različitih energija potpuno apsorbiraju različiti slojevi apsorbera:

φ = φ 0 exp(- μd), (2.12)

gdje je φ ο početna gustoća toka β-čestica; φ je gustoća toka β-čestica nakon prolaska kroz apsorber debljine d; μ-linearni koeficijent slabljenja koji pokazuje udio β-čestica apsorbiranih po jedinici debljine apsorbera.

Riža. 2.6. Graf ovisnosti maksimalnog dometa β-čestica o njihovoj maksimalnoj energiji.

Jedno od najkarakterističnijih svojstava β-čestica, kao i α-čestica, jest da imaju određeni domet u apsorbirajućoj tvari, a u zaštiti od zračenja najčešće se koriste raspoloživi relativno pouzdani i dostatni podaci kako za maksimalnu energiju E β tako i za maksimalni domet R β . Graf ovisnosti maksimalnog dometa β-čestica o njihovoj maksimalnoj energiji za nekoliko elemenata prikazan je na sl. 2.6.

Aluminij se najčešće koristi kao zaštitni materijal protiv β-čestica. Empirijske formule i tablice ovisnosti maksimalnog dometa β-čestica R β (kao i za α-čestice) o njihovoj maksimalnoj energiji dosta su cjelovito dane u referentnoj literaturi.

Maksimalni domet β-čestice u zraku s promjenom energije od 1 do 10 MeV mijenja se od 292 do 3350 cm, au biološkom tkivu - od 0,335 do 4,3 cm, pri E β = 5 MeV, R β u zraku iznosi 1,7 10 3 cm, au biološkom tkivu - 2,11 cm.

MEĐUSOBNO DJELOVANJE GAMA ZRAČENJA SA TVARI

Fotonsko zračenje odnosi se na elektromagnetsko neizravno ionizirajuće zračenje i uključuje X-zrake i γ-zračenje.

Podrijetlo X-zraka i γ-zračenja je različito, ali im je priroda ista: sa stajališta klasične fizike - elektromagnetsko zračenje (valovi), a kvantno - tok fotona (kvanti), t.j. čestice. Dvojnu prirodu fotonskog zračenja treba shvatiti na način da u nekim pojavama ovo zračenje pokazuje valna svojstva (refleksija, lom, difrakcija, interferencija), u drugima - svojstva čestica koje se nazivaju γ-kvanti (fotoelektrični efekt, nuklearne reakcije).

Unatoč različitom podrijetlu, u interakciji s materijom, rendgensko i γ-zračenje, s istom energijom, pokazuju ista svojstva. Mehanizam interakcije fotona s materijom potpuno je drugačiji od interakcije nabijenih čestica. Nabijene čestice prolazeći kroz apsorbirajuću tvar predaju joj dio ili cijelu svoju energiju, dok se pri prolasku kroz fotonsko zračenje govori o vjerojatnosti njegove interakcije s apsorbirajućom tvari, a vjerojatnost interakcije eksponencijalno raste s povećanjem debljine apsorbera.

Značajka γ-kvanta pri prolasku kroz tvar je da se relativno rijetko sudaraju s elektronima i jezgrama, ali u sudaru, u pravilu, oštro odstupaju od svoje staze, tj. praktički ispasti iz grede. Druga značajka razlikovanja γ-kvanta je da imaju nultu masu mirovanja i stoga ne mogu imati brzinu različitu od brzine svjetlosti, što znači da γ-kvanti u mediju ne mogu usporiti. Oni su ili apsorbirani ili raspršeni, uglavnom pod velikim kutovima.

Za γ-kvante ne postoje koncepti dometa, maksimalnog dometa, gubitka energije po jedinici duljine. Tijekom prolaska snopa γ-kvanta kroz apsorbirajuću tvar, njihova energija se ne mijenja, ali kao rezultat sudara, intenzitet snopa postupno slabi.

Metode za procjenu i predviđanje opasnosti od zračenja na svemirskim letjelicama temelje se na istraživanjima mehanizama nastanka učinaka zračenja u krutim tvarima i biološkim objektima, koja se provode u laboratorijskim uvjetima na simulatorima ionizirajućeg zračenja (akceleratorima, radioizotopnim instalacijama). Ova dugotrajna istraživanja omogućila su razvoj modela i utvrđivanje općih obrazaca pojave učinaka zračenja u konstrukcijskim materijalima i proizvodima svemirske tehnologije, kao i općenito rješavanje problema radijacijske sigurnosti astronauta u svemirskim letovima s ljudskom posadom. Učinci zračenja javljaju se u dvije faze. U 1. fazi brzog protoka (< ~ 1 нс) происходит передача кинетической энергии от налетающих частиц электронам и ядрам вещества. Выделяют образование эффектов двух типов: ионизационных эффектов и первичных структурных нарушений (смещенных атомов). На 2-ой стадии возбужденная система из электронов и атомов приходит в новое равновесное состояние. Процессы релаксации обоих подсистем взаимосвязаны, а время их протекания зависит от температуры, распределения электрических полей и других свойств вещества.

Linearni prijenos snage (LET)

Vrijednost LET, L, kvantitativno karakterizira temeljni uzrok nastanka učinaka zračenja - prijenos energije s čestice na tvar. Razmotrimo LET, idući do stvaranja ionizacijskih učinaka i strukturnih oštećenja. U procjenama učinaka zračenja koji proizlaze iz udara nabijenih čestica u svemiru, LET vrijednosti se izjednačavaju sa specifičnim gubitkom energije, dE/dx, što je prosječna energija koju čestica gubi po jedinici svog puta.

• LET je glavna fizikalna veličina koja kvantitativno karakterizira energetski doprinos jedne čestice stvaranju učinka zračenja,
• LET, L je prosječna energija koju tvar može primiti od upadne nabijene čestice po jedinici svog puta
• Mjerne jedinice LET - MeV / cm ili MeV / (g / cm 2)

Gubitak energije nabijenih čestica

Specifični gubitak energije nabijenih čestica dE/dx = (dE/dx) e + (dE/dx) n definirani su u nuklearnoj fizici za sudare čestica s elektronima tvari (ionizacijski gubici, označeni indeksom “e”) i s jezgrama tvari (atomsko-nuklearni gubici, označeni indeksom “n”). Vrijednosti ovih veličina ovisno o energiji nabijenih čestica poznate su za mnoge tvari ( Ziegler J.F., et al., 1995).

Na primjer, slike pokazuju vrijednosti (dE/dx)e(pune krivulje) i (dE/dx)n(isprekidane krivulje) u siliciju "Si", ovisno o energiji protona (jezgre vodika "H") (crvene krivulje), jezgre željeza "Fe" (zelene krivulje) i elektrona "e" (ljubičaste krivulje). Uzima se u obzir da pri visokim energijama protona (>~30 MeV) dodatni doprinos njihovim atomsko-nuklearnim gubicima energije dolazi od nuklearnih reakcija.
Važno je naglasiti da za visokoenergetske nabijene čestice koje su prisutne u svemiru, (dE/dx)e >> (dE/dx)n.

Klasifikacija

• Učinci apsorbirane doze pojavljuju se kao rezultat zbrajanja energije koju mnoge čestice predaju osjetljivom volumenu materije
• Nasumični pojedinačni efekti nastaju kada se energija prenosi s jedne čestice na osjetljivi volumen materije

Suvremena klasifikacija učinaka zračenja uzima u obzir da ulazak čestica iz općeg toka korpuskularnog zračenja u osjetljivi volumen(volumen koji određuje funkcionalna svojstva materijala ili uređaja) ozračenog objekta diskretno. Nasumični pojedinačni efekti (RSE) nastaju u objektima koji sadrže osjetljive volumene mikronske veličine, a trenutno se manifestiraju pod utjecajem visokoenergetskog kozmičkog zračenja na suvremenim vrstama elektroničkih uređaja u čvrstom stanju (mikrokrugovi, CCD, optokapleri, itd.).

Apsorbirana doza

Apsorbirana doza D je kvantitativna mjera veličine učinka zračenja, ako se ono javlja kao posljedica ulaska mnogih čestica u osjetljivi volumen materije. Apsorbirana doza je integralni pokazatelj koji karakterizira promjenu svojstava materijala ili uređaja koja se dogodila tijekom leta svemirske letjelice od njezina lansiranja.

Prema definiciji: Apsorbirana doza D je energija prenesena od zračenja na elementarni volumen tvari jedinične mase

D = ΔE/Δm [J/kg ili Gray (100 rad)]

Kada je izložen protoku čestica F s energijom E 0 = const

Kada je izložen protoku čestica F i (E) različitih vrsta i različitih energija

Gdje je LET spektar toka svih čestica.

Vrijednost apsorbirane doze uzima u obzir ukupnu energiju prenesenu s čestice na elektrone i jezgre elementarnog volumena. Međutim, ako se učinak zračenja objašnjava ili ionizacijom ili strukturnim poremećajima, tada se u izračunima koriste vrijednosti specifičnih gubitaka energije, bilo u elektroničkim ili nuklearnim sudarima. U tim se slučajevima govori o ionizacijska ili neionizacijska doza(u stranoj literaturi “total ionizing dose (TID)” i “non ionizing elastic loss (NIEL)”).

Primjer učinka doze ionizacije

Neravnotežni nositelji naboja koji nastaju tijekom zračenja MOS strukture mijenjaju postojeće naboje u volumenu oksida i na međupovršini oksid-poluvodič. Prvi učinak dovodi do smanjenja (zelena krivulja), a drugi, počevši od određene vrijednosti doze ionizacije, do povećanja (plava krivulja) napona praga n-kanalnog MOSFET-a. Kao rezultat toga, natjecanje između dvaju učinaka objašnjava nemonotonu ovisnost napona praga n-kanalnog MOSFET-a o dozi ionizacije (crvena krivulja).

Primjer učinka neionizacijske doze

Fotostruja ja koju generiraju solarne ćelije ovisi o vijeku trajanja sporednih nositelja naboja u osnovnom poluvodičkom materijalu (silicij, galijev arsenid) ćelije. Kada je izložen visokoenergetskom zračenju, smanjuje se zbog smanjenja vijeka trajanja manjinskih nositelja, što se objašnjava stvaranjem strukturnih poremećaja (defekata zračenja).
Doista, ovo smanjenje (i, posljedično, nakupljanje grešaka zračenja) dobro korelira s povećanjem neionizacijske doze D n bez obzira na vrstu zračenja (elektroni, protoni) i njegovu energiju.

Ekvivalent doze

Izračun apsorbirane doze pretpostavlja da je oslobođena energija iz mnoštva čestica ravnomjerno raspoređena u elementarnom volumenu. Samo se u tom slučaju apsorbirana doza može smatrati kvantitativnom mjerom učinka zračenja, neovisno o energiji i vrsti zračenja.
Ovaj uvjet nije zadovoljen pod djelovanjem protona i teških nabijenih čestica, kada se oslobođena energija koncentrira lokalno u stazama tih čestica. U ovom slučaju, korištenje vrijednosti apsorbirane doze za procjenu učinka zračenja zahtijeva pojašnjenje.

Dakle, u radiobiologiji (i radijacijskoj sigurnosti letova s ​​ljudskom posadom) za ove svrhe, faktor kvalitete w(L) radijacija, koji ovisi o linearnom prijenosu energije (LET) čestice, koji kvantitativno karakterizira energetski doprinos jedne čestice stvaranju učinka zračenja, ali ne uzima u obzir veličinu staze čestice i, posljedično, gustoću raspodjele prenesene energije u ovoj stazi. .
U radiobiologiji je uobičajeno koristiti kvantitet ekvivalentna doza.

H [Sievert (100 rem)] = ∫ w(L) L F(L)dL

Pojedinačni nasumični efekti

Pojedinačni slučajni učinci (SSE) nastaju zbog kršenja svojstava osjetljivog volumena kada jedna čestica prolazi kroz njega. Nastaju kada su ioni (teške nabijene čestice) ozračeni osjetljivim volumenima mikronske veličine. Na primjer, u modernim mikroelektroničkim uređajima SSE nastaju zbog stvaranja neravnotežnih nositelja naboja kao rezultat ionizacije.
Uvjet nastanka: energija ∆E koju čestica prenosi na osjetljivi volumen mora biti iznad granične vrijednosti E c , koja karakterizira funkcionalno svojstvo tog volumena.

Na slajdu su prikazana dva mehanizma nastanka SSE pod utjecajem čestica kozmičkog zračenja: izravno iz iona koji čine kozmičko zračenje (izravni mehanizam), te iz sekundarnih iona nastalih kao posljedica nuklearnih sudara protona kozmičkog zračenja s jezgrama tvari (nuklearni mehanizam).

OSE je stohastička pojava i vjerojatnost njezine pojave karakterizira tzv. OSE presjek. U općem slučaju, ova veličina σ i ( E,θ ) ovisi o vrsti čestica, njihovoj energiji i smjeru gibanja iona u osjetljivom volumenu.
Modeli izravnog mehanizma nastanka OSE-a razmatraju OSE-presjek σ i (L,θ) kao funkciju LET-a iona, bez obzira na njihov tip, što omogućuje postojanje jedne ovisnosti OSE-presjeka (umjesto mnogih) za procjenu učestalosti poremećaja od ionskih tokova kozmičkih zraka, uključujući ione različitih tipova.
Važno je napomenuti da, za razliku od apsorbirane doze, SSE frekvencija karakterizira svojstvo materijala ili uređaja u određenoj vremenskoj točki, sinkronizirano s utjecajnim protokom čestica. Međutim, frekvencija OSE također se izračunava za dugi vremenski interval, ali se tada za izračun koristi gustoća toka čestica u prosjeku za ovaj interval.
Kvantitativna mjera pojave SSE pod utjecajem toka čestica je OSE učestalost.

Kada je izložena gustoći toka čestica F (1/cm 2 s) s energijom E 0 = const i kutom upada
θ 0 = konst

ν = σ(E 0 ,θ 0) F

Kada su izloženi gustoći izotropnog toka čestica F i (E) (1/cm 2 cmeV) različitih vrsta i različitih energija

ν = ∑ i ∫∫∫ σ i (E,Ω)F i (E)dEdΩ

ili korištenjem prikaza modela za izravni mehanizam nastanka OSE-a

ν = ∫∫∫ σ ion (L,Ω)F i (L)dLdΩ

gdje je F(L) diferencijalni LET spektar gustoće toka čestica

Za određivanje apsolutnih vrijednosti poprečnih presjeka OSE i vrste ovisnosti σ p (E) i σ ion (L), koriste se protonski i teški ionski akceleratori.
Vrijednosti presjeka OSE σ ion (L) u odnosu na HSP rastu s povećanjem LET od određene vrijednosti praga L c i teže konstantnoj vrijednosti σ sat, koja ovisi o veličini osjetljivog volumena mikroobjekta. Sličan porast vrijednosti presjeka OSE σ p (E) opaža se ovisno o energiji protona, međutim, u ovom slučaju vrijednost praga E c ovisi o efektivnom pragu nuklearnih reakcija, a vrijednost σ sat ovisi ne samo o veličini osjetljivog volumena, već i o presjeku za stvaranje zaostalih jezgri u tvari mikroobjekta.
Trenutno su takve ovisnosti dobivene za mnoge memorijske čipove koji su se koristili i koriste u opremi svemirskih letjelica, jer su oni najosjetljivija komponenta moderne elektronike u smislu pojave OSE-a.

Primjeri presjeka OSC za memorijske čipove pri normalnom upadnom kutu ovisno o efektivnom LET (lijeva slika) i energiji protona (desna slika).

zaključke

• Trenutno se proučava utjecaj učinaka zračenja na svojstva mnogih materijala i proizvoda svemirske tehnologije.
• Učinci zračenja u proizvodima svemirske tehnologije dijele se na učinke apsorbirane doze (EDE) i pojedinačne slučajne učinke (SSE).
  • Kvantitativna mjera opasnosti od zračenja od EPD-a je izračunata vrijednost apsorbirane doze (ionizacijske i neionizacijske).
  • Izračunata učestalost pojedinačnih slučajnih učinaka služi kao kvantitativna mjera opasnosti od zračenja od ESE.
• Opasnost od zračenja za proizvode svemirske tehnologije u svemirskoj letjelici ovisi o:
  • pojedinačna svojstva materijala i uređaja, koja su karakterizirana veličinom linearnog prijenosa energije ili presjekom pojedinačnih slučajnih učinaka i odražavaju njihovu otpornost na zračenje (osjetljivost),
  • djelujuće radijacijsko okruženje, koje je karakterizirano diferencijalnim energetskim spektrom toka F(E) ili gustoćom toka F(E) čestica i odražava uvjete zračenja na svemirskoj letjelici.

Da bi se odredili uvjeti zračenja na svemirskoj letjelici, potrebno je uzeti u obzir različita polja zračenja koja u svemiru stvaraju različiti izvori i uključuju struje nabijenih čestica različitih vrsta s različitim energetskim spektrom.
Štoviše, oblik ovih spektara i tokova čestica mijenjaju se ovisno o putanji leta svemirske letjelice i mogu se mijenjati tijekom leta letjelice. Sve ove promjene imaju značajan utjecaj na razinu opasnosti od zračenja, što treba uzeti u obzir kako bi se osigurala operativnost opreme svemirske letjelice.
Sljedeći odjeljak bit će posvećen raspravi o općim obrascima promjena u uvjetima zračenja i karakteristikama opasnosti od zračenja u svemiru iu orbitama leta svemirskih letjelica.

Linearni prijenos energije (LET) je fizikalna karakteristika kvalitete ionizirajućeg zračenja, jednaka omjeru ukupne energije prenesene: tvari nabijenom česticom zbog sudara na putu, prema duljini tog atuti.[ ...]

Minimalna vrijednost K= 1 i odgovara slučaju linearnog prijenosa energije. Za ostale slučajeve vrijednost ovog koeficijenta preporučuje Međunarodna komisija za zaštitu od zračenja (ICRP) i prikazana je u tablici. 10.2 (maksimalna vrijednost K= 20).[ ...]

Postoje dva razloga zašto je gornja linearna teorija zapravo neprikladna za vrlo točan izračun učinka uragana. Jedna od njih je da je utjecaj samog uragana toliko jak da je nemoguće zanemariti nelinearne članove u jednadžbama. Drugi razlog je velika uloga toplinskih učinaka. Učinak prijenosa topline posebno je važan jer (vidi) uragani zapravo održavaju svoje postojanje na račun energije koju crpe iz dostupne topline oceana. Istodobno, uragan ne samo da uzima toplinu iz oceana, već je i redistribuira zbog miješanja, koje djeluje istovremeno s učincima advekcije. Svi ovi učinci utječu na izopiknu distribuciju prikazanu na Sl. 9.9.[ ...]

Karakteristične značajke kvadrupolnog masenog filtra uključuju linearnu ljestvicu prelaska spektra mase, visok koeficijent prijenosa iona od izvora do detektora i malu ovisnost razlučivosti o početnom širenju energije iona.[...]

Apsorbirana doza i linearni prijenos energije (LET) među najvažnijim su pokazateljima učinka zračenja na materiju.[ ...]

Grafičkim prikazom jednadžbe (IV.105) u logaritamskim koordinatama za predložene procese prijenosa energije dobivamo linearnu ovisnost indeksa svojstava molekule o dozi zračenja.[ ...]

S obzirom na nedostatak eksperimentalnih sredstava za provjeru takve pretpostavke, hipotezu o ulozi tangencijalne sile u prijenosu energije na valove držao je niz autora do našeg vremena. U međuvremenu, može se pokazati da je količina energije koju valovi primaju kroz ovaj kanal zanemariva u usporedbi s onom koju stvarno dobivaju od vjetra. S obzirom na gibanje čestica površinske vode duž njihove orbite, treba zaključiti da bi u gornjoj polovici orbite tangencijalna sila trebala pridonijeti povećanju linearne brzine čestica; ali s druge strane, u donjoj polovici orbite, sila tangencijalnog trenja zraka o površinu vode trebala bi usporiti orbitalno gibanje čestica, jer je ovdje usmjerena u smjeru suprotnom od linearne brzine čestica.[ ...]

Biološka sinteza proteina je složen, višefazni ili višefazni proces. Osim RNK, u sintezi proteina sudjeluju brojni enzimi. U prvoj fazi aktiviraju se aminokiseline koje se zatim spajaju u peptidne lance. Drugi korak je transport aktiviranih aminokiselina do ribosoma. Treći korak je redoslijed i kombinacija započetih aminokiselina i njihov raspored u traženom slijedu na messenger RNA, nakon čega slijedi zatvaranje peptidnih veza. Četvrti korak je formiranje trodimenzionalne strukture karakteristične za određeni protein iz linearne molekule. Povećana reaktivnost, aktivacija aminokiselina povećava mogućnost njihove međusobne interakcije; taj se proces odvija interakcijom aminokiselina s adenozin trifosfornom kiselinom (ATP). U tom slučaju energija jedne makroergičke veze ATP-a prenosi se na aminokiselinu koja prelazi na višu energetsku razinu. Reakcija aktivacije aminokiselina odvija se uz sudjelovanje enzima aminoacil-RNA sintetaze. Za aktiviranje različitih aminokiselina potrebni su različiti enzimi, sintetaze. Slijed aminokiselina tijekom sinteze provode kodoni (fragmenti lanca DNA).