Transfert d'énergie linéaire - Linear energy transfer

Chambre à nuages ​​de diffusion avec des traces de rayonnement ionisant (particules alpha) qui sont rendues visibles sous forme de chaînes de gouttelettes

En dosimétrie , le transfert d'énergie linéaire (LET) est la quantité d'énergie qu'une particule ionisante transfère au matériau traversé par unité de distance. Il décrit l'action du rayonnement dans la matière.

Elle est identique à la force retardatrice agissant sur une particule ionisante chargée voyageant à travers la matière. Par définition, LET est une quantité positive. Le LET dépend de la nature du rayonnement ainsi que du matériau traversé.

Un LET élevé atténuera le rayonnement plus rapidement, rendant généralement le blindage plus efficace et empêchant une pénétration profonde. D'un autre côté, la concentration plus élevée d'énergie déposée peut causer des dommages plus graves à toutes les structures microscopiques à proximité de la trajectoire des particules. Si un défaut microscopique peut provoquer une défaillance à plus grande échelle, comme c'est le cas dans les cellules biologiques et la microélectronique , le LET permet d'expliquer pourquoi les dommages causés par les rayonnements sont parfois disproportionnés par rapport à la dose absorbée . La dosimétrie tente de prendre en compte cet effet avec des facteurs de pondération du rayonnement .

Le transfert d'énergie linéaire est étroitement lié à la puissance d'arrêt , car les deux sont égaux à la force de ralentissement. Le transfert d'énergie linéaire sans restriction est identique à la puissance d'arrêt électronique linéaire, comme expliqué ci-dessous. Mais les concepts de puissance d'arrêt et de LET sont différents en ce sens que la puissance d'arrêt totale a la composante de puissance d'arrêt nucléaire, et cette composante ne provoque pas d'excitations électroniques. Par conséquent, le pouvoir d'arrêt nucléaire n'est pas contenu dans le LET.

L'unité SI appropriée pour le LET est le newton , mais il est le plus souvent exprimé en unités de kiloélectronvolts par micromètre (keV/μm) ou de mégaélectronvolts par centimètre (MeV/cm). Alors que les physiciens médicaux et les radiobiologistes parlent généralement de transfert d'énergie linéaire , la plupart des physiciens non médicaux parlent de pouvoir d'arrêt .

LET restreint et non restreint

Les électrons secondaires produits lors du processus d' ionisation par la particule chargée primaire sont classiquement appelés rayons delta , si leur énergie est suffisamment grande pour qu'ils puissent eux-mêmes s'ioniser. De nombreuses études se concentrent sur l'énergie transférée à proximité de la trace des particules primaires et excluent donc les interactions qui produisent des rayons delta avec des énergies supérieures à une certaine valeur . Cette limite d'énergie est destinée à exclure les électrons secondaires qui transportent de l'énergie loin de la piste des particules primaires, car une énergie plus grande implique une plage plus large . Cette approximation néglige la distribution directionnelle du rayonnement secondaire et le chemin non linéaire des rayons delta, mais simplifie l'évaluation analytique.

En termes mathématiques, le transfert d'énergie linéaire restreint est défini par

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

où est la perte d'énergie de la particule chargée due aux collisions électroniques tout en parcourant une distance , à l' exclusion de tous les électrons secondaires avec des énergies cinétiques supérieures à . Si Δ tend vers l'infini, alors il n'y a pas d'électrons avec une plus grande énergie, et le transfert d'énergie linéaire devient le transfert d'énergie linéaire sans restriction qui est identique au pouvoir d'arrêt électronique linéaire . Ici, l'utilisation du terme « infini » n'est pas à prendre au pied de la lettre ; cela signifie simplement qu'aucun transfert d'énergie, aussi important soit-il, n'est exclu. ${\displaystyle {\text{d}}E_{\Delta }}$${\displaystyle {{\text{d}}x}}$

Application aux types de rayonnement

Au cours de ses recherches sur la radioactivité, Ernest Rutherford a inventé les termes alpha rayons , les rayons bêta et les rayons gamma pour les trois types d'émissions qui se produisent pendant la désintégration radioactive .

Particules alpha et autres ions positifs

Courbe de Bragg de particules alpha de 5,49 MeV dans l'air. Ce rayonnement est produit par la désintégration du radon ( ²²² Rn) ; sa portée est de 4,14 cm. La puissance d'arrêt (qui est essentiellement identique à LET) est tracée ici en fonction de la longueur du trajet ; son pic est le "pic de Bragg"

Le transfert d'énergie linéaire est mieux défini pour les ions monoénergétiques, c'est-à-dire les protons , les particules alpha et les noyaux plus lourds appelés ions HZE trouvés dans les rayons cosmiques ou produits par les accélérateurs de particules . Ces particules provoquent des ionisations directes fréquentes dans un diamètre étroit autour d'une piste relativement droite, se rapprochant ainsi d'une décélération continue. Au fur et à mesure qu'elles ralentissent, l'évolution de la section efficace des particules modifie leur LET, l'augmentant généralement jusqu'à un pic de Bragg juste avant d'atteindre l'équilibre thermique avec l'absorbeur, c'est-à-dire avant la fin de la plage . A l'équilibre, la particule incidente s'immobilise essentiellement ou est absorbée, point auquel LET est indéfini.

Étant donné que le LET varie sur la trajectoire des particules, une valeur moyenne est souvent utilisée pour représenter la propagation. Des moyennes pondérées par la longueur des traces ou pondérées par la dose absorbée sont présentes dans la littérature, cette dernière étant plus fréquente en dosimétrie. Ces moyennes ne sont pas largement séparées pour les particules lourdes avec un LET élevé, mais la différence devient plus importante dans l'autre type de rayonnement discuté ci-dessous.

Particules bêta

Les électrons produits lors de la désintégration nucléaire sont appelés particules bêta . En raison de leur faible masse par rapport aux atomes, elles sont fortement diffusées par les noyaux ( diffusion Coulomb ou Rutherford ), bien plus que les particules plus lourdes. Les pistes de particules bêta sont donc tordues. En plus de produire des électrons secondaires (rayons delta) tout en ionisant les atomes, ils produisent également des photons de bremsstrahlung . Une plage maximale de rayonnement bêta peut être définie expérimentalement, qui est plus petite que la plage qui serait mesurée le long du trajet des particules.

Rayons gamma

Les rayons gamma sont des photons, dont l'absorption ne peut pas être décrite par LET. Lorsqu'un gamma quantique passe à travers la matière, il peut être absorbé en une seule opération ( effet photoélectrique , effet Compton ou la production de paires ), ou elle continue inchangée sur son chemin. (Seulement dans le cas de l'effet Compton, un autre quantum gamma d'énergie inférieure se produit). L'absorption des rayons gamma obéit donc à une loi exponentielle (voir Rayons gamma ) ; l'absorption est décrite par le coefficient d'absorption ou par la demi-valeur d'épaisseur .

Le LET n'a donc aucun sens lorsqu'il est appliqué aux photons. Cependant, de nombreux auteurs parlent quand même de "gamma LET", où ils se réfèrent en fait au LET des électrons secondaires , c'est-à-dire principalement des électrons Compton, produits par le rayonnement gamma. Les électrons secondaires ioniseront beaucoup plus d'atomes que le photon primaire. Ce gamma LET a peu de rapport avec le taux d'atténuation du faisceau, mais il peut avoir une certaine corrélation avec les défauts microscopiques produits dans l'absorbeur. Même un faisceau gamma monoénergétique produira un spectre d'électrons, et chaque électron secondaire aura un LET variable à mesure qu'il ralentit, comme indiqué ci-dessus. Le « gamma LET » est donc une moyenne.

Le transfert d'énergie d'une particule primaire non chargée vers des particules secondaires chargées peut également être décrit en utilisant le coefficient de transfert d'énergie massique .

Effets biologiques

La CIPR recommandait des facteurs de qualité en tant qu'approximation généralisée de l'EBR basée sur le LET.

De nombreuses études ont tenté de relier le transfert d'énergie linéaire à l' efficacité biologique relative (RBE) du rayonnement, avec des résultats incohérents. La relation varie considérablement en fonction de la nature du matériel biologique et du choix du critère d'évaluation pour définir l'efficacité. Même lorsque ceux-ci sont maintenus constants, différents spectres de rayonnement qui partagent le même LET ont un RBE significativement différent.

Malgré ces variations, certaines tendances générales sont couramment observées. Le RBE est généralement indépendant du LET pour tout LET inférieur à 10 keV/µm, donc un LET faible est normalement choisi comme condition de référence où RBE est réglé à l'unité. Au-dessus de 10 keV/µm, certains systèmes montrent une baisse du RBE avec l'augmentation du LET, tandis que d'autres montrent une augmentation initiale jusqu'à un pic avant de décliner. Les cellules de mammifères connaissent généralement un pic de RBE pour des LET d'environ 100 keV/µm. Ce sont des chiffres très approximatifs ; par exemple, une série d'expériences a trouvé un pic à 30 keV/µm.

La Commission internationale de radioprotection ( CIPR ) a proposé un modèle simplifié de relations RBE-LET à utiliser en dosimétrie . Ils ont défini un facteur de qualité du rayonnement en fonction du LET non restreint moyen de la dose dans l'eau, et l'ont conçu comme une approximation très incertaine, mais généralement prudente, de l'EBR. Différentes itérations de leur modèle sont présentées dans le graphique de droite. Le modèle de 1966 a été intégré dans leurs recommandations de 1977 pour la radioprotection dans la CIPR 26. Ce modèle a été largement remplacé dans les recommandations de 1991 de la CIPR 60 par des facteurs de pondération des rayonnements liés au type de particules et indépendants du LET. La CIPR 60 a révisé la fonction de facteur de qualité et l'a réservée à une utilisation avec des types de rayonnement inhabituels auxquels aucun facteur de pondération de rayonnement n'a été attribué.

Champs d'application

Lorsqu'il est utilisé pour décrire la dosimétrie des rayonnements ionisants dans le cadre biologique ou biomédical, le LET (comme le pouvoir d'arrêt linéaire ) est généralement exprimé en unités de k eV / µm .

Dans les applications spatiales , les appareils électroniques peuvent être perturbés par le passage d'électrons énergétiques, de protons ou d'ions plus lourds qui peuvent altérer l'état d'un circuit , produisant des « effets d'événement unique ». L'effet du rayonnement est décrit par le LET (qui est ici pris comme synonyme de pouvoir d'arrêt), typiquement exprimé en unités de MeV·cm²/mg de matériau, unités utilisées pour le pouvoir d'arrêt massique (le matériau en question est généralement Si pour les appareils MOS). Les unités de mesure résultent d'une combinaison de l'énergie perdue par la particule vers le matériau par unité de longueur de trajet (MeV/cm) divisée par la densité du matériau (mg/cm³).

Les « erreurs douces » des appareils électroniques dues aux rayons cosmiques sur terre sont cependant majoritairement dues à des neutrons qui n'interagissent pas directement avec le matériau et dont le passage ne peut donc pas être décrit par le LET. On mesure plutôt leur effet en termes de neutrons par cm ² par heure, voir Soft error .

Les références