रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण

आयनीकरण विकिरण (अल्फा कण) की पटरियों के साथ प्रसार बादल कक्ष जो बूंदों के तार के रूप में दिखाई देते हैं

मात्रामापी में, लीनियर ऊर्जा स्थानान्तरण (एलईटी) ऊर्जा की वह मात्रा है जो एक आयनीकरण कण प्रति ईकाई दूरी तय की गई पदार्थ में स्थानांतरित करता है। यह पदार्थ में विकिरण की क्रिया का वर्णन करता है।

यह पदार्थ के माध्यम से यात्रा करने वाले आवेशित आयनीकरण विकिरण कण पर कार्य करने वाले मंदक बल के समान है। परिभाषा के अनुसार, एलईटी एक धनात्मक मात्रा है। एलईटी विकिरण की प्रकृति के साथ-साथ ट्रैवर्स की गई पदार्थ पर निर्भर करता है।

एक उच्च एलईटी विकिरण को और अधिक तेज़ी से धीमा कर देगा, सामान्यतः ढाल को और अधिक प्रभावी बना देगा और गहरी पैठ को रोक देगा। दूसरी ओर, जमा ऊर्जा की उच्च सांद्रता कण पथ के पास किसी भी सूक्ष्म संरचना को अधिक गंभीर हानि पहुंचा सकती है। यदि कोई सूक्ष्म दोष बड़े मापदंड पर विफलता का कारण बन सकता है, जैसा कि जैविक कोशिकाओं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में होता है, तो एलईटी यह समझाने में सहायता करता है कि विकिरण क्षति कभी-कभी अवशोषित मात्रा के अनुपात में क्यों होती है। डोसिमेट्री विकिरण भार कारक के साथ इस प्रभाव को कारक बनाने का प्रयास करती है।

रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण, रोकने की शक्ति (कण विकिरण) से निकटता से संबंधित है, क्योंकि दोनों मंदक बल के सामान्य हैं। अप्रतिबंधित रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण रैखिक इलेक्ट्रॉनिक रोक शक्ति के समान है, जैसा कि नीचे चर्चा की गई है। किंतु रोकने की शक्ति और एलईटी की अवधारणाएं इस संबंध में भिन्न हैं कि कुल रोक शक्ति में परमाणु रोकने की शक्ति घटक है, और यह घटक इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना का कारण नहीं बनता है। इसलिए एलईटी में परमाणु रोकने की शक्ति निहित नहीं है।

एलईटी के लिए उपयुक्त एसआई इकाई न्यूटन (ईकाई ) है, किंतु यह सामान्यतः इलेक्ट्रॉन वोल्ट प्रति माइक्रोमीटर (keV/μm) या मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट प्रति सेंटीमीटर (MeV/cm) की इकाइयों में व्यक्त की जाती है। जबकि चिकित्सा भौतिक विज्ञानी और रेडियोबायोलॉजिस्ट सामान्यतः रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण की बात करते हैं, अधिकांश गैर-चिकित्सा भौतिक विज्ञानी शक्ति को रोकने की बात करते हैं।

प्रतिबंधित और अप्रतिबंधित एलईटी

प्राथमिक आवेशित कण द्वारा आयनीकरण की प्रक्रिया के समय उत्पादित द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों को पारंपरिक रूप से डेल्टा किरण कहा जाता है, यदि उनकी ऊर्जा इतनी बड़ी है कि वे स्वयं आयनित हो सकते है। कई अध्ययन प्राथमिक कण पथ के आसपास के क्षेत्र में स्थानांतरित ऊर्जा पर ध्यान केंद्रित करते हैं और इसलिए एक निश्चित मान Δ से बड़ी ऊर्जा के साथ डेल्टा किरणों का उत्पादन करने वाली पारस्परिक क्रिया को बाहर करते हैं। यह ऊर्जा सीमा माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों को बाहर करने के लिए होती है जो प्राथमिक कण पथ से दूर ऊर्जा ले जाती है, क्योंकि एक बड़ी ऊर्जा एक बड़ी सीमा (कण विकिरण) का अर्थ है। यह सन्निकटन माध्यमिक विकिरण के दिशात्मक वितरण और डेल्टा किरणों के गैर-रैखिक पथ की उपेक्षा करता है, किंतु विश्लेषणात्मक मूल्यांकन को सरल करता है।

गणितीय शब्दों में, प्रतिबंधित रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण द्वारा परिभाषित किया गया है

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

जहाँ ${\text{d}}E_{\Delta }$ एक दूरी ${{\text{d}}x}$ तय करने के समय इलेक्ट्रॉनिक टक्करों के कारण आवेशित कण की ऊर्जा हानि होती है जिसमे Δ से बड़ी गतिज ऊर्जा वाले सभी माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों को सम्मिलित नही किया जाता है । यदि Δ अनंत की ओर जाता है, तो बड़ी ऊर्जा वाले कोई इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं, और रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण 'अप्रतिबंधित रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण' बन जाता है जो रैखिक इलेक्ट्रॉनिक रोक शक्ति (कण विकिरण) के समान होता है। यहाँ, अनंत शब्द का प्रयोग शाब्दिक रूप से नहीं लिया जाना है; इसका सीधा सा अर्थ है कि कोई भी ऊर्जा हस्तांतरण, चाहे कितना भी बड़ा हो, बाहर नहीं रखा गया है।

विकिरण प्रकार के लिए आवेदन

रेडियोधर्मिता की अपनी जांच के समय, अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने रेडियोधर्मी क्षय के समय होने वाले तीन प्रकार के उत्सर्जन के लिए अल्फा किरणें, बीटा किरणें और गामा किरण शब्द गढ़े है।

अल्फा कण और अन्य सकारात्मक आयन

हवा में 5.49 MeV अल्फा कणका ब्रैग कर्व। यह विकिरण रेडॉन के क्षय से उत्पन्न होता है (²²²आरएन); इसकी सीमा 4.14 सेमी है। स्टॉपिंग पावर (जो अनिवार्य रूप से एलईटी के समान है) को यहां पथ की लंबाई बनाम प्लॉट किया गया है; इसकी चोटी ब्रैग चोटी है

रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण को मोनोएनर्जेटिक आयनों, अर्थात प्रोटॉन, अल्फा विकिरण, और भारी नाभिक जिन्हें एचजेडई आयन कहा जाता है, जो ब्रह्मांडीय किरणों में पाए जाते हैं या कण त्वरक द्वारा उत्पादित होते हैं, के लिए सबसे अच्छा परिभाषित किया गया है। ये कण अपेक्षाकृत सीधे पथ के चारों ओर एक संकीर्ण व्यास के अंदर लगातार प्रत्यक्ष आयनीकरण का कारण बनते हैं, इस प्रकार निरंतर मंदी का अनुमान लगाते हैं। जैसे ही वे धीमे होते हैं, बदलते कण पार अनुभाग उनके एलईटी को संशोधित करते हैं, सामान्यतः अवशोषक के साथ थर्मल संतुलन प्राप्त करने से पहले इसे एक ब्रैग चोटी तक बढ़ाते हैं, अर्थात , रोकने की शक्ति (कण विकिरण) के अंत से पहले संतुलन पर, घटना कण अनिवार्य रूप से आराम करने या अवशोषित करने के लिए आता है, जिस बिंदु पर एलईटी पर अपरिभाषित है।

चूंकि एलईटी कण पथ पर भिन्न होता है, इसलिए प्रसार का प्रतिनिधित्व करने के लिए अधिकांशतः एक औसत मान का उपयोग किया जाता है। पथ की लंबाई से भारित औसत या अवशोषित मात्रा द्वारा भारित साहित्य साहित्य में उपथित हैं, बाद में डोसिमेट्री में अधिक सामान्य है। उच्च एलईटी वाले भारी कणों के लिए ये औसत व्यापक रूप से अलग नहीं हैं, किंतु नीचे चर्चा की गई अन्य प्रकार के विकिरणों में अंतर अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है।

अल्फा कणों के लिए अधिकांशतः अनदेखी की जाती है अल्फा उत्सर्जक का रिकॉइल-न्यूक्लियस, जिसमें अल्फा कण का लगभग 5% महत्वपूर्ण आयनीकरण ऊर्जा होती है, किंतु इसके उच्च विद्युत आवेश और बड़े द्रव्यमान के कारण, केवल कुछ की अति लघु सीमा होती है। एंगस्ट्रॉम यह परिणाम महत्वपूर्ण रूप से तिरछा कर सकता है यदि कोई साइटोप्लाज्म में अल्फा कण की सापेक्ष जैविक प्रभावशीलता की जांच कर रहा है, जबकि रिकॉइल न्यूक्लियस योगदान की अनदेखी कर रहा है, जो अल्फा-पैरेंट कई भारी धातुओं में से एक है, सामान्यतः गुणसूत्रों जैसे रंगीन पदार्थ का पालन किया जाता है।

बीटा कण

परमाणु क्षय में उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को बीटा कण कहा जाता है। परमाणुओं के सापेक्ष उनके कम द्रव्यमान के कारण, वे भारी कणों की तुलना में बहुत अधिक नाभिक (कूलॉम्ब या रदरफोर्ड स्केटरिंग ) द्वारा दृढ़ता से बिखरे हुए हैं। बीटा कण पथ इसलिए टेढ़े हैं। परमाणुओं को आयनित करते हुए द्वितीयक इलेक्ट्रॉन (डेल्टा किरणों) का उत्पादन करने के अतिरिक्त, वे ब्रेकिंग विकिरण फोटॉनों का भी उत्पादन करते हैं। प्रयोगात्मक रूप से बीटा विकिरण की अधिकतम सीमा निर्धारित की जा सकती है जो कण पथ के साथ मापी जाने वाली सीमा से छोटा है।

गामा किरणें

गामा किरणें फोटॉन होती हैं, जिनके अवशोषण को एलईटी द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता है। जब एक गामा क्वांटम पदार्थ से गुजरता है, तो यह एक ही प्रक्रिया (प्रकाश विद्युत प्रभाव, कॉम्पटन स्कैटेरिंग या जोड़ी उत्पादन) में अवशोषित हो सकता है, या यह अपने पथ पर अपरिवर्तित रहता है। (केवल कॉम्पटन प्रभाव के स्थिति में, कम ऊर्जा की एक और गामा मात्रा आगे बढ़ती है)। गामा किरण अवशोषण इसलिए एक घातीय क्षय नियम का पालन करता है (गामा किरणें देखें); अवशोषण अवशोषण गुणांक या आधे मान की मोटाई द्वारा वर्णित है।

इसलिए फोटॉन पर प्रयुक्त होने पर एलईटी का कोई अर्थ नहीं है। चूँकि , कई लेखक गामा एलईटी की बात करते हैं, जहां वे वास्तव में गामा विकिरण द्वारा उत्पादित माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों, अर्थात मुख्य रूप से कॉम्पटन इलेक्ट्रॉनों के एलईटी का जिक्र कर रहे हैं। द्वितीयक इलेक्ट्रॉन प्राथमिक फोटॉन की तुलना में कहीं अधिक परमाणुओं को आयनित करेंगे। इस गामा एलईटी का बीम के क्षीणन दर से बहुत कम संबंध है, किंतु अवशोषक में उत्पन्न सूक्ष्म दोषों से इसका कुछ संबंध हो सकता है। यहां तक ​​कि एक मोनोएनर्जेटिक गामा बीम इलेक्ट्रॉनों के एक स्पेक्ट्रम का उत्पादन करेगा, और जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, प्रत्येक माध्यमिक इलेक्ट्रॉन में एक चर एलईटी होगा क्योंकि यह धीमा हो जाता है। इसलिए गामा एलईटी एक औसत है।

द्रव्यमान ऊर्जा-स्थानांतरण गुणांक का उपयोग करके एक अपरिवर्तित प्राथमिक कण से आवेशित द्वितीयक कणों में ऊर्जा के हस्तांतरण को भी वर्णित किया जा सकता है।

जैविक प्रभाव

आईसीआरपी एलईटी पर आधारित आरबीई के सामान्यीकृत सन्निकटन के रूप में विकिरण भार कारकों की पक्षसमर्थन करता था।

कई अध्ययनों ने असंगत परिणामों के साथ विकिरण के सापेक्ष जैविक प्रभावशीलता (आरबीई) के लिए रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण को जोड़ने का प्रयास किया है। जैविक पदार्थ की प्रकृति और प्रभावशीलता को परिभाषित करने के लिए समापन बिंदु की पसंद के आधार पर संबंध व्यापक रूप से भिन्न होता है। यहां तक ​​​​कि जब इन्हें स्थिर रखा जाता है, तो समान एलईटी साझा करने वाले विभिन्न विकिरण स्पेक्ट्रा में महत्वपूर्ण रूप से भिन्न आरबीई होता है।

इन विविधताओं के अतिरिक्त , कुछ समग्र रुझान सामान्यतः देखे जाते हैं। आरबीई सामान्यतः 10 keV/µm से कम किसी भी एलईटी के लिए एलईटी से स्वतंत्र होता है, इसलिए कम एलईटी को सामान्यतः संदर्भ स्थिति के रूप में चुना जाता है जहाँ आरबीई को एकता पर स्थित किया जाता है। 10 keV/µm से ऊपर, कुछ प्रणालियाँ एलईटी बढ़ने के साथ आरबीई में गिरावट दिखाती हैं, जबकि अन्य गिरावट से पहले चरम पर प्रारंभिक वृद्धि दिखाती हैं। स्तनधारी कोशिकाएं सामान्यतः एलईटी के लगभग 100 keV/µm के लिए चरम आरबीई का अनुभव करती हैं। ये अनुमानित नंबर हैं; उदाहरण के लिए, प्रयोगों के एक स्थित में 30 केवी/माइक्रोन पर शिखर पाया गया।

विकिरण संरक्षण पर अंतर्राष्ट्रीय आयोग (आईसीआरपी) ने डॉसिमेट्री में उपयोग के लिए आरबीई-एलईटी संबंधों का एक सरलीकृत मॉडल प्रस्तावित किया। उन्होंने पानी में मात्रा -औसत अप्रतिबंधित एलईटी के कार्य के रूप में विकिरण के एक गुणवत्ता कारक को परिभाषित किया, और इसे अत्यधिक अनिश्चित, किंतु सामान्यतः रूढ़िवादी, आरबीई के सन्निकटन के रूप में लक्षित किया। उनके मॉडल के विभिन्न पुनरावृत्तियों को ग्राफ़ में दाईं ओर दिखाया गया है। 1966 के मॉडल को आईसीआरपी 26 में विकिरण सुरक्षा के लिए उनकी 1977 की पक्षसमर्थन में एकीकृत किया गया था। इस मॉडल को 1991 की आईसीआरपी 60 की पक्षसमर्थन में विकिरण प्रतीक्षा कारकों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था जो कि कण प्रकार से जुड़े थे और एलईटी से स्वतंत्र थे। आईसीआरपी 60 ने गुणवत्ता कारक कार्य को संशोधित किया और इसे असामान्य विकिरण प्रकारों के उपयोग के लिए आरक्षित किया, जिनके पास विकिरण भार कारक नहीं थे।

आवेदन क्षेत्र

जब जैविक या जैव चिकित्सा सेटिंग में आयनीकरण विकिरण की डोसीमेट्री का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाता है, तो एलईटी (जैसे रोक शक्ति (कण विकिरण)) सामान्यतः केलेक्ट्रॉन वोल्ट/माइक्रोमीटर µm की इकाइयों में व्यक्त किया जाता है।

बाहरी अंतरिक्ष अनुप्रयोगों में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरण को ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन या भारी आयनों के पारित होने से परेशान किया जा सकता है जो विद्युत परिपथ की स्थिति को बदल सकते हैं, एकल घटना को परेशान कर सकते हैं। विकिरण के प्रभाव को एलईटी द्वारा वर्णित किया गया है (जो यहाँ रोक शक्ति के पर्याय के रूप में लिया गया है), सामान्यतः MeV·cm²/mg पदार्थ की इकाइयों में व्यक्त किया जाता है, द्रव्यमान रोकने की शक्ति के लिए उपयोग की जाने वाली इकाइयाँ (प्रश्न में पदार्थ सामान्यतः एसआई होती है) एमओएस उपकरणों के लिए)। माप की इकाइयां पदार्थ के घनत्व (मिलीग्राम / सेमी³) द्वारा विभाजित प्रति ईकाई पथ लंबाई (मेव / सेमी) में कण द्वारा खोई गई ऊर्जा के संयोजन से उत्पन्न होती हैं।

चूंकि, पृथ्वी पर ब्रह्मांडीय किरणों के कारण इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की नरम त्रुटियां ज्यादातर न्यूट्रॉन के कारण होती हैं जो सीधे पदार्थ के साथ संपर्क नहीं करते हैं और जिनके मार्ग को एलईटी द्वारा वर्णित नहीं किया जा