Perdita di energia lineare. Caratteristiche dell'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia

1. Fattore di attenuazione lineare m è il rapporto tra il valore atteso dell'azione dN/N particelle ionizzanti indirettamente che hanno sperimentato l'interazione durante il passaggio di un percorso elementare dl

L'unità di misura m è 1/m, 1/cm.

2. Coefficiente di attenuazione di massa M Mè il rapporto tra il coefficiente di attenuazione lineare m e la densità della sostanza r attraverso la quale passa indirettamente la radiazione ionizzante:

Unità di misura - m 2 / kg, cm 2 / g.

3. Sotto chilometraggio Per particelle cariche si intende l'intervallo estrapolato, e l'intervallo di g-quanta è il reciproco del coefficiente di attenuazione lineare nella materia.

4. Coefficiente di trasferimento di potenza lineare M trè il rapporto tra la quota di energia D e/e di radiazione ionizzante indiretta, che viene convertita in energia cinetica di particelle cariche durante il passaggio di un percorso elementare dl in materia, alla lunghezza di questo percorso:

M tr = . (2.3)

Unità m tr– 1/m, 1/cm.

Coefficiente di trasferimento di potenza di massa M tr, mè correlato al coefficiente lineare di trasferimento di energia m tr

M tr, m = . (2.4)

Unità m tr, m- m2/kg, cm2/g.

5. Coefficiente di assorbimento di energia lineare M itè il prodotto del coefficiente lineare di trasferimento di energia m tr alla differenza tra un'unità e una frazione di energia G particelle cariche secondarie, che passano in bremsstrahlung in una data sostanza:

M it= m tr×(1 - G). (2.5)

Unità m it– 1/m, 1/cm.

Coefficiente di assorbimento di energia di massa M it, mè correlato al coefficiente di assorbimento di energia lineare m it per la densità del mezzo r in cui si propaga la radiazione:

M it, m= m it/R. (2.6)

Unità m it, m- m2/kg, cm2/g.

Per sorgenti di radionuclidi di radiazione fotonica
(e £ 3 MeV) in aria G£ 0,01, quindi, con sufficiente accuratezza per i problemi applicati, possiamo assumere .

Per la radiazione fotonica, i coefficienti di trasferimento di energia e di assorbimento si ottengono sommando i coefficienti di interazione dovuti al fotoassorbimento, allo scattering incoerente da parte di elettroni debolmente legati e all'assorbimento durante la formazione di coppie elettrone-positrone.

6. Per composti chimici o sostanze chimiche complesse, i coefficienti di trasferimento di massa e di assorbimento dell'energia dei fotoni si ottengono sommando:

M M = , (2.7)

dove m m, io- fattore di massa io-esimo componente con una frazione di massa w io; = 1.

7. L'interazione dei neutroni con la materia è più complessa di quella dei fotoni e dipende non solo dalla composizione chimica, ma anche dall'isotopico, cioè dai singoli nuclidi che compongono la sostanza. I libri di riferimento forniscono sezioni trasversali microscopiche complete dell'interazione in funzione dell'energia s(e). La sezione d'urto macroscopica di un dato processo nucleare S, 1/cm, è correlata alla sezione d'urto microscopica s, cm 2 dall'espressione

dove e è l'energia del neutrone; N / Aè il numero di Avogadro; M, r sono il numero di massa e la densità dell'elemento con cui il neutrone interagisce.

8. Una caratteristica dell'interazione delle particelle cariche con la materia è l'energia di radiazione e trasferita alla materia nelle interazioni che portano alla ionizzazione e all'eccitazione di atomi e molecole. Il rapporto del valore medio dell'energia persa da una particella carica a causa di collisioni su un percorso elementare dl, alla lunghezza di questo percorso è la quantità trasferimento di energia lineare totale L:

Le perdite di energia dovute a bremsstrahlung non sono incluse nella formula (2.9). L'abbreviazione LET è usata per indicare il trasferimento di potenza lineare completo. L'unità di LET è J/m. L'unità speciale è il chiloelettronvolt per micrometro (keV/µm) di acqua.

9. medio uh energia trasferita al bersaglio. L'energia trasferita per irraggiamento a un volume limitato di materia è uguale alla differenza tra l'energia cinetica totale di tutte le particelle e i quanti carichi e non caricati che entrano nel volume considerato e l'energia cinetica totale di tutte le particelle e i quanti carichi e non caricati che escono da questo volume .

; il valore delle perdite di energia di ionizzazione per percorso unitario nella sostanza. LET è definito come il rapporto tra l'energia totale dE, trasferito alla sostanza dalla particella a causa delle collisioni lungo il percorso dl, alla lunghezza di questo percorso: L= dE / dl. Per le particelle non cariche, non viene applicato il LET, ma vengono utilizzati i valori di LET delle loro particelle cariche secondarie formate nella materia. Misurato in eV/nm. I valori LET variano da 0.2 per fotoni ad alta energia fino a 104 eV/nm per frammenti di fissione di uranio.

Il concetto è ampiamente utilizzato in radiobiologia quando si valutano gli effetti radiobiologici di vari tipi di radiazioni.

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PERMETTERE- trasferimento di energia lineare perdite di energia lineare (pl) perdite di energia lineare … Dizionario delle abbreviazioni della lingua russa

Il trasferimento di energia lineare (LET) di particelle cariche in una sostanza assorbente (o L) è il rapporto dell'energia media dE trasferita alla sostanza assorbente da una particella carica in movimento a causa di collisioni quando la si sposta di una distanza dl a questa distanza:

L = dE/dl. (2.4)

Il termine LET è strettamente correlato al potere frenante S. La differenza principale è che LET è correlato all'energia trasferita all'assorbente, mentre

come S caratterizza la proprietà di una sostanza assorbente, mostrando quanto efficientemente una particella carica perde energia in una sostanza, cioè quanto efficientemente l'assorbitore prende energia da una particella carica.

Il LET è importante nella radioprotezione, poiché viene utilizzato per calcolare il fattore di qualità di un dato campo di radiazioni.

LET, come il potere di arresto S, è misurato in keV/µm.

INTERAZIONE DI PARTICELLE CARICHE PESANTI CON LA MATERIA

L'interazione delle particelle cariche è divisa in elastica e anelastica.

Le interazioni elastiche sono tali interazioni in cui la somma delle energie cinetiche delle particelle interagenti prima e dopo l'interazione rimane invariata. Tale processo è lo scattering elastico.

In un'interazione anelastica, parte dell'energia cinetica di una particella carica viene trasferita alle particelle formate o ai fotoni; l'altra parte dell'energia cinetica viene trasferita all'atomo o al nucleo per la loro eccitazione o riorganizzazione. Tali interazioni includono lo scattering anelastico, la ionizzazione e l'eccitazione degli atomi e la formazione di bremsstrahlung.

Consideriamo l'interazione di particelle cariche pesanti con la materia usando l'esempio delle particelle α. La particella α è il nucleo dell'atomo di elio, ha una doppia carica positiva e quattro unità di massa. La massa della particella α è 4,002777 a.m.u. Il decadimento sta subendo principalmente radionuclidi di elementi pesanti. L'energia delle particelle α (E α) emesse dai radionuclidi naturali e artificiali varia da 4,0 a 9,0 MeV. Quindi, per 239 Pu E α = 5,15 MeV, per 210 Po - 5,3 MeV, per 226 Ra - 4,777 MeV. La velocità di movimento delle particelle α è di circa 10 9 cm/sec.

Quando passa attraverso la materia, l'energia della particella α viene spesa principalmente per la ionizzazione e l'eccitazione degli atomi del mezzo assorbente (perdite di ionizzazione), che a E α > 0,1 MeV può essere espressa dalla formula:

dove E α è l'energia cinetica della particella α; e è la carica dell'elettrone; z è la carica della particella α;

Z è il numero di serie dell'assorbitore; n è il numero di atomi in 1 cm 3 della sostanza; B - coefficiente di frenata; m o - massa a riposo dell'elettrone; V è la velocità della particella.

Una delle proprietà più caratteristiche delle particelle α è che hanno una portata definita. L'intervallo medio R a delle particelle α monoenergetiche viene solitamente calcolato mediante formule empiriche. In aria in condizioni normali

(2.6)

dove R α - chilometraggio, cm; - energia cinetica delle particelle α, MeV;

n è un coefficiente adimensionale stabilito empiricamente.

Per le particelle α emesse da emettitori α naturali (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.

Quindi, le particelle α con energia E α \u003d 5 MeV percorrono una distanza di 3,52 cm nell'aria e con energia E α \u003d 30 MeV - 68 cm.

La lunghezza del percorso di una particella α in altri mezzi può essere determinata dalla formula di Bragg:

(2.7)

o secondo la formula di Glensen:

(2.8)

dove E α è l'energia della particella α, MeV; A è il peso atomico; Z - numero di serie;

ρ è la densità della sostanza assorbente, g/cm 3 .

Alla fine della corsa, l'energia della particella α diminuisce così tanto che non è più in grado di produrre ionizzazione e, avendo attaccato due elettroni a se stessa, si trasforma in un atomo di elio. La ionizzazione totale per le particelle α è di diverse centinaia di migliaia di coppie di ioni. Ad esempio, si forma una particella α con un'energia di 7 MeV, secondo (2.1).

coppia di ioni.

Maggiore è l'energia della particella α, maggiore è la sua portata e più coppie di ioni si formano.

La densità di ionizzazione lineare dipende anche dall'energia della particella α, ma la dipendenza è inversa: minore è l'energia della particella, e quindi la velocità, maggiore è la probabilità della sua interazione con gli elettroni orbitali. La densità lineare della ionizzazione dell'aria da parte di una particella α, ad esempio, per 210 Po (E α = 5,3 MeV, intervallo lineare R = 3,87 cm, energia di formazione di una coppia di ioni ε = 33,85 eV/coppia) è determinata da la formula (2.2)

coppie di ioni/cm.

La ionizzazione specifica raggiunge il suo valore massimo alla fine della corsa.

La densità lineare della ionizzazione dell'aria lungo il percorso della particella α è mostrata in Fig. 2.4. Si può vedere dalla figura che la densità di ionizzazione lineare è distribuita in modo non uniforme, aumenta verso la fine del percorso e poi scende bruscamente a zero. Ad esempio, una particella α con un'energia di 4,8 MeV nell'aria all'inizio del percorso forma 2 10 4 coppie di ioni / cm e alla fine del percorso 6 10 4 coppie di ioni / cm. L'aumento della densità di ionizzazione alla fine del percorso, seguito da una brusca diminuzione a zero, è spiegato dal fatto che la particella α, subendo una decelerazione, perde velocità mentre si muove nella sostanza; di conseguenza, aumenta il tempo del suo passaggio attraverso l'atomo alla fine del percorso e, di conseguenza, la probabilità di trasferire all'elettrone energia sufficiente per estrarlo dall'atomo. Quando diventa la velocità della particella α

paragonabile alla velocità di movimento degli atomi della materia, quindi la particella α cattura e trattiene prima uno e poi il secondo elettrone e si trasforma in un atomo di elio - la ionizzazione si interrompe.

Riso. 2.4. Densità lineare di ionizzazione dell'aria lungo il percorso di una particella α.

Le particelle α con la stessa energia (monoenergetiche) nell'assorbitore percorrono quasi la stessa distanza, cioè il numero di particelle α lungo quasi l'intero percorso della corsa scende costantemente e bruscamente a zero alla fine della corsa. Lo spettro di distribuzione delle particelle α monoenergetiche è mostrato in Fig. 2.5. Differenziando la curva integrale, si può ottenere una curva di distribuzione per gli intervalli delle particelle α attorno al valore medio R 0 - l'intervallo medio delle particelle α.

La gamma delle particelle α è praticamente rettilinea a causa della loro grande massa, che impedisce alla particella α di deviare da un percorso rettilineo sotto l'azione delle forze elettriche dell'atomo. Nonostante le elevate energie delle particelle α, il loro potere di penetrazione e portata sono estremamente ridotti, ad esempio nell'aria 4 10 cm, e nei tessuti molli umani, nelle sostanze liquide e solide sarà di diversi micron.

Riso. 2.5. Spettro di distribuzione della gamma di particelle α monoenergetiche: 1 - integrale; 2 - differenziale.

La portata massima delle particelle α nell'aria quando l'energia cambia da 1 a 10 MeV cambia da 0,52 a 10,5 cm e a E α = 5 MeV è 3,52 cm, e nel tessuto biologico cambia da 7,2 10 -1 a 1,2 10 - 2 cm, a E α = 5 MeV R max = 4.4 10 -3 cm.

INTERAZIONE DI PARTICELLE CARICHE LEGGERE CON LA SOSTANZA

Consideriamo l'interazione delle particelle cariche di luce con la materia usando l'esempio delle particelle β. Le β-particelle sono un flusso di elettroni o positroni. Elettrone e positrone

hanno la stessa massa e la stessa carica, ma differiscono nel segno della carica. La massa di un elettrone è 0,000549 a.m.u. A differenza delle particelle α, le particelle β hanno uno spettro di energia continuo.

A seconda dell'energia delle particelle β, si distinguono le radiazioni β morbide e dure. Le particelle β con energie fino a diverse decine di keV sono chiamate radiazioni β morbide, mentre quelle con energia elevata sono chiamate radiazioni β dure.

Il processo di passaggio delle particelle β attraverso la materia è più complicato del processo di passaggio delle particelle α. L'energia viene spesa per la ionizzazione e le perdite di radiazioni, per la diffusione di particelle β. Le reazioni nucleari procedono solo ad energie degli elettroni elevate (più di 20 MeV).

Le perdite di ionizzazione delle particelle β, così come per le particelle α, sono associate alla ionizzazione e all'eccitazione degli atomi assorbitori, ma la probabilità di interazione delle particelle β con la materia è inferiore rispetto alle particelle α, poiché le particelle β hanno metà della carica e molte volte meno massa (7000 volte) rispetto alle particelle α. Durante la ionizzazione, le particelle β eliminano gli elettroni orbitali, che possono produrre ulteriore ionizzazione (secondaria). La ionizzazione totale è la somma della ionizzazione primaria e secondaria. Una particella β crea diverse centinaia di coppie di ioni per 1 µm del suo percorso nella materia. L'elettrone rallentato rimarrà libero o sarà catturato dall'atomo e finirà in uno stato legato, mentre il positrone si annichilerà.

Le perdite di ionizzazione dipendono dal numero di elettroni negli atomi assorbitori. Il numero di elettroni in 1 cm 3 di una sostanza può essere calcolato dalla relazione

n = ρ Ν Α (Ζ/Α) = 6.023 10 23 ρ (Ζ/Α), (2.9)

dove Ν Α è il numero di Avogadro; A è il peso atomico; ρ è la densità dell'assorbitore; Z è il numero atomico dell'elemento assorbitore.

Pertanto, perdite di ionizzazione (dE/dx) ione ≈ ρ·Z/A.

Al variare di Z, il rapporto Z/A cambia da 0,5 per le sostanze leggere a 0,4 per il piombo, cioè per elementi diversi rapporto Z/A varia in modo non significativo (ad eccezione dell'idrogeno, per il quale Z/A = 1), il che ci consente di considerare questo rapporto approssimativamente costante. Pertanto, esprimendo lo spessore misurato dello strato assorbente non in centimetri, ma in unità di ρ cm, cioè in g/cm 2 , possiamo concludere che la quantità di assorbimento della radiazione β di una data energia sarà approssimativamente la stessa per tutte le sostanze.

Le particelle β che volano vicino al nucleo degli atomi assorbitori vengono decelerate nel campo del nucleo e cambiano la direzione del loro movimento. Diminuzione dell'energia come risultato della decelerazione dell'elettrone nel campo del nucleo dell'assorbitore (perdite per radiazioni) associato all'emissione di bremsstrahlung.

Per particelle β ad alta energia (diversi MeV), il rapporto tra le perdite per radiazione e le perdite per ionizzazione è determinato dall'espressione

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

dove E β m ah è l'energia massima per uno spettro continuo di particelle β o l'energia iniziale di elettroni monoenergetici;

Z è il numero atomico dell'elemento in cui si verifica la decelerazione dell'elettrone.

Ad una certa energia delle particelle β, le perdite per radiazione sono commisurate alle perdite per ionizzazione. Questa energia è chiamata critica. Quando le perdite per radiazione e per ionizzazione sono uguali, l'energia critica (E 0 , MeV) è determinata dall'espressione

E 0 = 800/Z. (2.11)

Ad esempio, per il piombo (Z = 82) l'energia critica è E 0 = 800/82 ≈ 10 MeV.

Poiché la massa delle particelle β è piccola, sono caratterizzate dall'effetto della dispersione. La dispersione delle particelle β si verifica durante le collisioni con gli elettroni orbitali degli atomi della sostanza assorbente. Durante lo scattering, l'energia della particella β viene persa in grandi porzioni, in alcuni casi fino alla metà. Lo scattering dipende dall'energia delle particelle β e dalla natura della sostanza assorbente: con una diminuzione dell'energia delle particelle β e con un aumento del numero atomico della sostanza assorbente, lo scattering aumenta.

Come risultato della dispersione nell'assorbitore, il percorso delle particelle β non è rettilineo, come per le particelle α, e la lunghezza reale del percorso nell'assorbitore può essere 1,5 - 4 volte il loro raggio d'azione. Uno strato di materia uguale alla lunghezza del percorso delle particelle β con la massima energia decelererà completamente le particelle β emesse da un dato radionuclide.

L'assorbimento di particelle β con uno spettro continuo avviene secondo una legge esponenziale. Ciò è spiegato dal fatto che le particelle β di diverse energie sono completamente assorbite da diversi strati dell'assorbitore:

φ = φ 0 exp(- μd), (2.12)

dove φ ο è la densità di flusso iniziale delle particelle β; φ è la densità di flusso delle particelle β dopo il passaggio attraverso un assorbitore di spessore d; Coefficiente di attenuazione lineare μ che indica la proporzione di particelle β assorbite per unità di spessore dell'assorbitore.

Riso. 2.6. Grafico della dipendenza della portata massima delle particelle β dalla loro massima energia.

Una delle proprietà più caratteristiche delle particelle β, così come delle particelle α, è che hanno un certo intervallo nella sostanza assorbente e nella protezione dalle radiazioni, i dati disponibili relativamente affidabili e sufficienti sono spesso utilizzati sia per il massimo energia E β e per la portata massima R β . Un grafico della dipendenza della portata massima delle particelle β dalla loro massima energia per diversi elementi è mostrato in fig. 2.6.

L'alluminio è spesso usato come materiale protettivo contro le particelle β. Le formule empiriche e le tabelle della dipendenza dell'intervallo massimo delle particelle β R β (così come per le particelle α) dalla loro energia massima sono fornite in modo abbastanza completo nella letteratura di riferimento.

La portata massima di una particella β nell'aria cambia da 292 a 3350 cm quando l'energia cambia da 1 a 10 MeV, e da 0,335 a 4,3 cm nel tessuto biologico.A E β = 5 MeV, R β nell'aria è 1,7 10 3 cm, e nel tessuto biologico - 2,11 cm.

INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE GAMMA CON LA SOSTANZA

La radiazione fotonica si riferisce alla radiazione ionizzante indiretta elettromagnetica e comprende i raggi X e le radiazioni γ.

L'origine dei raggi X e delle radiazioni γ è diversa, ma la loro natura è la stessa: dal punto di vista della fisica classica - radiazione elettromagnetica (onde) e quantistica - il flusso di fotoni (quanta), ad es. particelle. La duplice natura della radiazione fotonica dovrebbe essere intesa in modo tale che in alcuni fenomeni questa radiazione esibisca proprietà ondulatorie (riflessione, rifrazione, diffrazione, interferenza), in altri - le proprietà delle particelle chiamate γ-quanta (effetto fotoelettrico, reazioni nucleari) .

Nonostante la diversa origine, quando interagiscono con la materia, i raggi X e le radiazioni γ, avendo la stessa energia, mostrano le stesse proprietà. Il meccanismo di interazione dei fotoni con la materia è completamente diverso dall'interazione delle particelle cariche. Le particelle cariche, passando attraverso una sostanza assorbente, le conferiscono parte o tutta la loro energia, mentre quando passano attraverso la radiazione fotonica, si parla della probabilità della sua interazione con la sostanza assorbente, e la probabilità di interazione aumenta in modo esponenziale con un aumento della spessore dell'assorbitore.

Una caratteristica dei γ-quanti quando passano attraverso una sostanza è che si scontrano relativamente raramente con elettroni e nuclei, ma in caso di collisione, di regola, deviano bruscamente dal loro percorso, ad es. praticamente cadere fuori dal raggio. La seconda caratteristica distintiva dei γ-quanti è che hanno massa a riposo nulla e, quindi, non possono avere una velocità diversa dalla velocità della luce, il che significa che i γ-quanti in un mezzo non possono rallentare. Sono assorbiti o dispersi, per lo più ad ampi angoli.

Per γ-quanti, non ci sono concetti di portata, portata massima, perdita di energia per unità di lunghezza. Durante il passaggio di un raggio di γ-quanti attraverso una sostanza assorbente, la loro energia non cambia, ma a causa delle collisioni l'intensità del raggio si indebolisce gradualmente.

I metodi per valutare e prevedere il rischio di radiazioni sui veicoli spaziali si basano su studi sui meccanismi del verificarsi degli effetti delle radiazioni nei solidi e negli oggetti biologici, che vengono eseguiti in condizioni di laboratorio su simulatori di radiazioni ionizzanti (acceleratori, installazioni di radioisotopi). Questi studi a lungo termine hanno permesso di sviluppare modelli e stabilire i modelli generali del verificarsi degli effetti delle radiazioni nei materiali strutturali e nei prodotti della tecnologia spaziale, nonché di risolvere il problema della sicurezza dalle radiazioni degli astronauti nei voli spaziali con equipaggio in generale. Gli effetti delle radiazioni si verificano in due fasi. Al 1° stadio a flusso rapido (< ~ 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.

Trasferimento di potenza lineare (LET)

Il valore LET, L, caratterizza quantitativamente la causa principale del verificarsi degli effetti della radiazione: il trasferimento di energia da una particella alla materia. Considera LET, andando alla formazione di effetti di ionizzazione e danni strutturali. Nelle stime degli effetti della radiazione derivanti dall'impatto di particelle cariche nello spazio esterno, i valori di LET sono equiparati alla perdita di energia specifica, dE/dx, che è l'energia media che una particella perde per unità del suo percorso.

• LET è la principale grandezza fisica che caratterizza quantitativamente il contributo energetico di una particella alla formazione dell'effetto di radiazione,
• LET, L è l'energia media che una sostanza può ricevere da una particella carica incidente per unità del suo percorso
• Unità di misura del LET - MeV/cm o MeV/(g/cm 2)

Perdita di energia delle particelle cariche

Perdita di energia specifica delle particelle cariche dE/dx = (dE/dx) e + (dE/dx) n sono definiti in fisica nucleare per collisioni di particelle con gli elettroni della materia (perdite di ionizzazione, indicate con l'indice “e”) e con i nuclei della materia (perdite atomico-nucleari, indicate con l'indice “n”). I valori di queste grandezze dipendenti dall'energia delle particelle cariche sono noti per molte sostanze ( Ziegler JF, et al., 1995).

Ad esempio, le figure mostrano i valori (dE/dx)e(curve solide) e (dE/dx)n(curve tratteggiate) nel silicio "Si", a seconda dell'energia dei protoni (nuclei di idrogeno "H") (curve rosse), dei nuclei di ferro "Fe" (curve verdi) e degli elettroni "e" (curve viola). Si tiene conto del fatto che ad alte energie protoniche (>~30 MeV), un ulteriore contributo alle loro perdite di energia atomico-nucleare viene dalle reazioni nucleari.
È importante sottolineare che per le particelle cariche ad alta energia che sono presenti nello spazio esterno, (dE/dx)e >> (dE/dx)n.

Classificazione

• Effetti della dose assorbita appaiono come risultato della sommatoria dell'energia che molte particelle trasferiscono a un volume sensibile di materia
• Effetti singoli casuali sorgono quando l'energia viene trasferita da una particella a un volume sensibile di materia

La moderna classificazione degli effetti delle radiazioni tiene conto dell'ingresso di particelle dal flusso generale di radiazioni corpuscolari volume sensibile(volume che determina le proprietà funzionali del materiale o del dispositivo) dell'oggetto irradiato discretamente. Effetti singoli casuali (RSE) sorgono in oggetti contenenti volumi sensibili di dimensioni micron e attualmente si manifestano sotto l'influenza della radiazione cosmica ad alta energia su tipi moderni di dispositivi elettronici a stato solido (microcircuiti, CCD, optoaccoppiatori, ecc.).

Dose assorbita

Dose assorbita Dè una misura quantitativa dell'entità dell'effetto della radiazione, se si verifica a seguito dell'ingresso di molte particelle in un volume sensibile di materia. La dose assorbita è un indicatore integrale che caratterizza il cambiamento nella proprietà di un materiale o dispositivo che si è verificato durante il volo del veicolo spaziale dal suo lancio.

Per definizione: la dose assorbita D è l'energia trasferita dalla radiazione a un volume elementare di una sostanza di massa unitaria

D = ΔE/Δm [J/kg o Gray (100 rad)]

Quando esposto a un flusso di particelle Ф con energia E 0 = const

Quando esposto a un flusso di particelle Ф i (E) di diversi tipi e diverse energie

Dove è lo spettro LET del flusso di tutte le particelle.

Il valore della dose assorbita tiene conto dell'energia totale trasferita dalla particella sia agli elettroni che ai nuclei del volume elementare. Tuttavia, se l'effetto radiativo è spiegato dalla ionizzazione o dai disturbi strutturali, i calcoli utilizzano i valori delle perdite di energia specifica, rispettivamente, nelle collisioni elettroniche o nucleari. In questi casi si parla di dose di ionizzazione o non ionizzazione(nella letteratura straniera “total ionizing dose (TID)” e “non ionizing elastic loss (NIEL)”).

Un esempio dell'effetto della dose di ionizzazione

I portatori di carica di non equilibrio che sorgono durante l'irradiazione della struttura MOS modificano le cariche esistenti nel volume dell'ossido e all'interfaccia ossido-semiconduttore. Il primo effetto porta ad una diminuzione (curva verde), e il secondo, a partire da un certo valore della dose di ionizzazione, ad un aumento (curva blu) della tensione di soglia del MOSFET a canale n. Di conseguenza, la competizione tra i due effetti spiega la dipendenza non monotona della tensione di soglia del MOSFET a canale n dalla dose di ionizzazione (curva rossa).

Un esempio dell'effetto della dose di non ionizzazione

Fotocorrente IO generato dalle celle solari dipende dalla durata dei portatori di carica minori nel materiale semiconduttore di base (silicio, arseniuro di gallio) della cella. Quando esposto a radiazioni ad alta energia, diminuisce a causa di una diminuzione della durata dei portatori di minoranza, che si spiega con la formazione di disturbi strutturali (difetti di radiazione).
Infatti, questa diminuzione (e, di conseguenza, l'accumulo di difetti di radiazione) correla bene con un aumento della dose di non ionizzazione D n indipendentemente dal tipo di radiazione agente (elettroni, protoni) e dalla sua energia.

Equivalente di dose

Il calcolo della dose assorbita presuppone che l'energia rilasciata da una moltitudine di particelle sia uniformemente distribuita in un volume elementare. Solo in questo caso la dose assorbita può essere considerata una misura quantitativa dell'effetto della radiazione, indipendentemente dall'energia e dal tipo di radiazione.
Questa condizione non è soddisfatta sotto l'azione di protoni e particelle cariche pesanti, quando l'energia liberata è concentrata localmente nelle tracce di queste particelle. In questo caso, l'uso del valore della dose assorbita per stimare l'effetto radiativo richiede chiarimenti.

Quindi in radiobiologia (e nella radioprotezione dei voli con equipaggio) per questi scopi, fattore di qualità w(l) radiazioni, che dipende dal trasferimento lineare di energia (LET) della particella, che caratterizza quantitativamente il contributo energetico di una particella alla formazione dell'effetto radiativo, ma non tiene conto della dimensione della traccia della particella e, di conseguenza, della distribuzione densità dell'energia trasferita in questa traccia .
In radiobiologia è consuetudine usare la quantità dose equivalente.

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

Singoli effetti casuali

Singoli effetti casuali (SSE) sorgono a causa della violazione delle proprietà del volume sensibile quando una particella lo attraversa. Sorgono quando gli ioni (particelle cariche pesanti) vengono irradiati con volumi sensibili di dimensioni micron. Ad esempio, nei moderni dispositivi microelettronici, gli SSE sorgono a causa della formazione di portatori di carica di non equilibrio a seguito della ionizzazione.
Condizione di accadimento: l'energia ∆E trasferita dalla particella al volume sensibile deve essere superiore al valore di soglia E c , che caratterizza la proprietà funzionale di tale volume.

La diapositiva mostra due meccanismi per il verificarsi di SSE sotto l'influenza delle particelle di radiazione cosmica: direttamente dagli ioni che compongono i raggi cosmici (meccanismo diretto) e dagli ioni secondari creati a seguito di collisioni nucleari di protoni di radiazione cosmica con nuclei di materia ( meccanismo nucleare).

L'OSE è un fenomeno stocastico e la probabilità del suo verificarsi è caratterizzata dalla cosiddetta sezione d'urto OSE. Nel caso generale, questa quantità σ i ( E,θ ) dipende dal tipo di particelle, dalla loro energia e dalla direzione del movimento degli ioni nel volume sensibile.
I modelli del meccanismo diretto di origine OSE considerano la sezione d'urto OSE σ i (L,θ) in funzione del LET degli ioni, indipendentemente dal loro tipo, il che rende possibile avere una dipendenza della sezione d'urto OSE (invece di molti) per stimare la frequenza delle perturbazioni dovute ai flussi ionici dei raggi cosmici, inclusi ioni di diverso tipo.
È importante notare che, contrariamente alla dose assorbita, la frequenza SSE caratterizza la proprietà del materiale o del dispositivo in un determinato momento, sincronizzato con il flusso di particelle che lo influenzano. Tuttavia, la frequenza OSE viene calcolata anche per un lungo intervallo di tempo, ma per calcolarla viene utilizzata la densità del flusso di particelle mediata su questo intervallo.
Una misura quantitativa del verificarsi di SSE sotto l'influenza di un flusso di particelle è Frequenza OSE.

Quando esposto a densità di flusso di particelle F (1/cm 2 s) con energia E 0 = cost e angolo di incidenza
θ 0 = cost

ν = σ(E 0 ,θ 0) F

Quando esposto alla densità di un flusso isotropo di particelle F i (E) (1/cm 2 cmeV) di diverso tipo e diversa energia

ν = ∑ io ∫∫∫ σ io (E,Ω)F io (E)dEdΩ

o utilizzando rappresentazioni del modello per il meccanismo diretto del verificarsi dell'OSE

ν = ∫∫∫ σ ione (L,Ω)F i (L)dLdΩ

dove F(L) è lo spettro LET differenziale della densità del flusso di particelle

Per determinare i valori assoluti delle sezioni d'urto OSE e il tipo di dipendenze σ p (E) e σ ion (L), vengono utilizzati acceleratori di protoni e ioni pesanti.
I valori della sezione d'urto OSE σ ion (L) vs. HSP aumentano con l'aumentare del LET da un certo valore di soglia L c e tendono a un valore costante σ sat , che dipende dalla dimensione del volume sensibile del microoggetto. Si osserva un aumento simile dei valori della sezione d'urto OSC σ p (E) a seconda dell'energia del protone, tuttavia, in questo caso, il valore di soglia di E c dipende dalla soglia effettiva delle reazioni nucleari e dal valore di σ sat dipende non solo dalla dimensione del volume sensibile, ma anche dalla sezione d'urto per la formazione dei nuclei residui nella materia di un microoggetto.
Allo stato attuale, tali dipendenze sono state ottenute per molti chip di memoria che sono stati e sono utilizzati nelle apparecchiature dei veicoli spaziali, poiché sono il componente più sensibile dell'elettronica moderna in termini di occorrenza di OSE.

Esempi della sezione d'urto OSC per chip di memoria con un normale angolo di incidenza a seconda del LET effettivo (figura a sinistra) e dell'energia protonica (figura a destra).

conclusioni

• Attualmente è stata studiata l'influenza degli effetti delle radiazioni sulle proprietà di molti materiali e prodotti della tecnologia spaziale.
• Gli effetti delle radiazioni nei prodotti della tecnologia spaziale sono suddivisi in effetti della dose assorbita (EDE) e effetti casuali singoli (SSE).
  • Una misura quantitativa del rischio di radiazioni da EPD è il valore calcolato della dose assorbita (ionizzazione e non ionizzazione).
  • La frequenza calcolata dei singoli effetti casuali serve come misura quantitativa del rischio di radiazioni dall'ESE.
• Il rischio di radiazioni per i prodotti della tecnologia spaziale a bordo del veicolo spaziale dipende da:
  • caratteristiche individuali del materiale e del dispositivo, che sono caratterizzate dall'entità del trasferimento lineare di energia o dalla sezione trasversale di singoli effetti casuali e riflettono la loro resistenza alle radiazioni (sensibilità),
  • l'ambiente di radiazione agente, che è caratterizzato da spettri di energia differenziale del flusso F(E) o densità di flusso F(E) delle particelle e riflette le condizioni di radiazione sul veicolo spaziale.

Per determinare le condizioni di radiazione su un veicolo spaziale, è necessario tenere conto dei vari campi di radiazione che si formano nello spazio esterno da diverse sorgenti e includono flussi di particelle cariche di diverso tipo con diversi spettri energetici.
Inoltre, la forma di questi spettri e dei flussi di particelle cambia a seconda della traiettoria di volo del veicolo spaziale e può cambiare durante il volo del veicolo spaziale. Tutti questi cambiamenti hanno un impatto significativo sul livello di rischio di radiazioni, che dovrebbe essere preso in considerazione per garantire l'operatività delle apparecchiature del veicolo spaziale.
La sezione successiva sarà dedicata a una discussione dei modelli generali dei cambiamenti nelle condizioni di radiazione e nelle caratteristiche del rischio di radiazioni nello spazio esterno e nelle orbite di volo dei veicoli spaziali.

Il trasferimento lineare di energia (LET) è una caratteristica fisica della qualità della radiazione ionizzante, pari al rapporto tra l'energia totale trasferita: alla sostanza da una particella carica a causa degli urti lungo il percorso, alla lunghezza di questo atuti.[ . ..]

Il valore minimo di K= 1 e corrisponde al caso di trasferimento di energia lineare. Per altri casi, il valore di questo coefficiente è raccomandato dalla Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni (ICRP) ed è presentato in Tabella. 10.2 (valore massimo K= 20).[ ...]

Ci sono due ragioni per cui la suddetta teoria lineare è in realtà inadatta per un calcolo altamente accurato dell'effetto uragano. Uno di questi è che l'influenza dell'uragano stesso è così forte che è impossibile trascurare i termini non lineari nelle equazioni. La seconda ragione è il grande ruolo degli effetti termici. L'effetto del trasferimento di calore è particolarmente importante perché (vedi) gli uragani sostengono effettivamente la loro esistenza a spese dell'energia che traggono dal calore disponibile dell'oceano. Allo stesso tempo, l'uragano non solo prende il calore dall'oceano, ma lo ridistribuisce anche grazie alla miscelazione, che agisce contemporaneamente agli effetti dell'avvezione. Tutti questi effetti influenzano la distribuzione isopicnale mostrata in Fig. 9.9.[ ...]

Le caratteristiche distintive di un filtro di massa quadrupolare includono una scala di scansione dello spettro di massa lineare, un elevato coefficiente di trasferimento ionico dalla sorgente al rivelatore e una leggera dipendenza della risoluzione dalla diffusione iniziale dell'energia ionica.[ ...]

La dose assorbita e il trasferimento lineare di energia (LET) sono tra i più importanti indicatori dell'effetto delle radiazioni sulla materia.[ ...]

Con una rappresentazione grafica dell'equazione (IV.105) in coordinate logaritmiche per i processi di trasferimento di energia proposti, si ottiene una dipendenza lineare dell'indice di proprietà molecolare dalla dose di radiazione.[ ...]

In considerazione della mancanza di mezzi sperimentali per verificare tale ipotesi, l'ipotesi del ruolo della forza tangenziale nel trasferimento di energia alle onde è stata sostenuta da numerosi autori fino ai nostri giorni. Intanto si può dimostrare che la quantità di energia ricevuta dalle onde attraverso questo canale è trascurabile rispetto a quella effettivamente ricevuta dal vento. Considerando il moto delle particelle di acqua superficiale lungo le loro orbite, si dovrebbe concludere che nella metà superiore dell'orbita, la forza tangenziale dovrebbe contribuire ad aumentare la velocità lineare delle particelle; ma d'altra parte, nella metà inferiore dell'orbita, la forza di attrito tangenziale dell'aria sulla superficie dell'acqua dovrebbe rallentare il moto orbitale delle particelle, poiché qui è diretta nella direzione opposta alla velocità lineare delle particelle.[ ...]

La sintesi proteica biologica è un processo complesso, multifase o multifase. Oltre all'RNA, numerosi enzimi sono coinvolti nella sintesi proteica. Nella prima fase vengono attivati ​​gli amminoacidi, che poi si combinano in catene peptidiche. Il secondo passo è il trasporto degli amminoacidi attivati ​​ai ribosomi. Il terzo passaggio è l'ordinamento e la combinazione degli amminoacidi iniziati e la loro disposizione nella sequenza richiesta sull'RNA messaggero, seguita dalla chiusura dei legami peptidici. Il quarto passo è la formazione di una struttura tridimensionale caratteristica di una data proteina da una molecola lineare. Aumento della reattività, l'attivazione degli amminoacidi aumenta la possibilità della loro interazione tra loro; questo processo viene effettuato dall'interazione degli amminoacidi con l'acido adenosina trifosforico (ATP). In questo caso, l'energia di un legame macroergico di ATP viene trasferita all'amminoacido, che passa a un livello energetico superiore. La reazione di attivazione dell'amminoacido procede con la partecipazione dell'enzima aminoacil-RNA sintetasi. Diversi enzimi, sintetasi, sono necessari per attivare diversi amminoacidi. La sequenza degli amminoacidi durante la sintesi viene eseguita dai codoni (frammenti della catena del DNA).