ในการวัดปริมาณรังสีการถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET)คือปริมาณพลังงานที่อนุภาคไอออนไนซ์ถ่ายโอนไปยังวัสดุที่เคลื่อนที่ผ่านต่อหน่วยระยะทาง ซึ่งอธิบายถึงการกระทำของรังสีต่อสสาร

มันเหมือนกับแรง หน่วง ที่กระทำต่อ อนุภาค ไอออนไนซ์ที่ มีประจุ ซึ่งเคลื่อนที่ผ่านสสาร^{[ 1 ]}ตามคำจำกัดความ LET เป็นปริมาณบวก LET ขึ้นอยู่กับลักษณะของรังสีรวมถึงวัสดุที่เคลื่อนที่ผ่านด้วย

ค่า LET สูงจะทำให้รังสีเคลื่อนที่ช้าลงอย่างรวดเร็ว ทำให้การป้องกันมีประสิทธิภาพมากขึ้นและป้องกันการทะลุทะลวงลึก ในทางกลับกัน ความเข้มข้นของพลังงานที่สะสมสูงขึ้นอาจทำให้เกิดความเสียหายรุนแรงมากขึ้นต่อโครงสร้างขนาดเล็กใดๆ ที่อยู่ใกล้กับเส้นทางของอนุภาค หากความบกพร่องขนาดเล็กสามารถทำให้เกิดความล้มเหลวในวงกว้างได้ เช่นเดียวกับในเซลล์ชีวภาพและไมโครอิเล็กทรอนิกส์ค่า LET จะช่วยอธิบายว่าทำไมความเสียหายจากรังสีจึงไม่เป็นสัดส่วนกับปริมาณรังสีที่ดูดซับการวัดปริมาณรังสีพยายามที่จะคำนึงถึงผลกระทบนี้ด้วยปัจจัย ถ่วงน้ำหนักของรังสี

การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกำลังการหยุดเนื่องจากทั้งสองเท่ากับแรงหน่วง การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นที่ไม่จำกัดนั้นเหมือนกับกำลังการหยุดทางอิเล็กทรอนิกส์เชิงเส้น ดังที่กล่าวไว้ด้านล่าง แต่แนวคิดของกำลังการหยุดและ LET นั้นแตกต่างกันตรงที่กำลังการหยุดทั้งหมดมีส่วนประกอบของกำลังการหยุดนิวเคลียร์^{[ 2 ]}และส่วนประกอบนี้ไม่ก่อให้เกิดการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นกำลังการหยุดนิวเคลียร์จึงไม่รวมอยู่ใน LET

หน่วย SI ที่เหมาะสมสำหรับ LET คือนิวตันแต่โดยทั่วไปมักแสดงในหน่วยกิโลอิเล็กตรอนโวลต์ต่อไมโครเมตร (keV/μm) หรือเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ต่อเซนติเมตร (MeV/cm) ในขณะที่นักฟิสิกส์การแพทย์และนักชีววิทยารังสีมักพูดถึงการถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นนักฟิสิกส์ที่ไม่ใช่ทางการแพทย์ส่วนใหญ่จะพูดถึง กำลัง การ หยุดยั้ง

อิเล็กตรอนทุติยภูมิที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการแตกตัวเป็นไอออนโดยอนุภาคประจุปฐมภูมิโดยทั่วไปเรียกว่ารังสีเดลต้าหากพลังงานของพวกมันมากพอที่จะทำให้พวกมันแตกตัวเป็นไอออนได้^{[ 3 ]}การศึกษาหลายชิ้นมุ่งเน้นไปที่พลังงานที่ถ่ายโอนในบริเวณใกล้เคียงกับเส้นทางของอนุภาคปฐมภูมิ และด้วยเหตุนี้จึงไม่รวมปฏิสัมพันธ์ที่สร้างรังสีเดลต้าที่มีพลังงานมากกว่าค่า Δ ที่กำหนด^{[ 1 ]}ขีดจำกัดพลังงานนี้มีจุดประสงค์เพื่อไม่รวมอิเล็กตรอนทุติยภูมิที่นำพลังงานไปไกลจากเส้นทางของอนุภาคปฐมภูมิ เนื่องจากพลังงานที่มากขึ้นหมายถึงระยะทาง ที่มากขึ้น การประมาณนี้ละเลยการกระจายทิศทางของรังสีทุติยภูมิและเส้นทางที่ไม่เป็นเส้นตรงของรังสีเดลต้า แต่ทำให้การประเมินเชิงวิเคราะห์ง่ายขึ้น^{[ 4 ]}

ในทางคณิตศาสตร์การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นแบบจำกัดนั้นถูกกำหนดโดย

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

โดยที่การสูญเสียพลังงานของอนุภาคประจุเนื่องจากการชนกันของอิเล็กตรอนขณะเคลื่อนที่ผ่านระยะทางโดยไม่รวมอิเล็กตรอนทุติยภูมิทั้งหมดที่มีพลังงานจลน์มากกว่า Δ หาก Δ มีแนวโน้มเข้าสู่ค่าอนันต์ จะไม่มีอิเล็กตรอนที่มีพลังงานมากกว่านั้น และการถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นจะกลายเป็นการถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นแบบไม่จำกัดซึ่งเหมือนกับพลังงานการหยุดอิเล็กตรอน เชิงเส้น ^{[ 1 ]}ในที่นี้ การใช้คำว่า "อนันต์" ไม่ได้หมายความตามตัวอักษร แต่หมายความว่าไม่มีการถ่ายโอนพลังงานใดๆ ไม่ว่าจะมากเพียงใด ก็จะไม่ถูกตัดออก ${\displaystyle {\text{d}}E_{\เดลต้า }}$${\displaystyle {{\text{d}}x}}$

ในระหว่างการศึกษาเรื่องกัมมันตภาพรังสี เออ ร์ เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดได้บัญญัติศัพท์ว่ารังสีอัลฟารังสีเบตาและรังสีแกมมาสำหรับการปล่อยรังสีสามประเภทที่เกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี

การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (Linear Energy Transfer: LET) นิยามได้ดีที่สุดสำหรับไอออนที่มีพลังงานเดียว เช่นโปรตอนอนุภาคอัลฟาและนิวเคลียสที่หนักกว่าที่เรียกว่าไอออน HZEซึ่งพบในรังสีคอสมิกหรือผลิตโดยเครื่องเร่งอนุภาคอนุภาคเหล่านี้ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนโดยตรงบ่อยครั้งภายในเส้นผ่านศูนย์กลางแคบๆ รอบเส้นทางที่ค่อนข้างตรง จึงเป็นการประมาณการชะลอตัวอย่างต่อเนื่อง เมื่อพวกมันชะลอตัวลงพื้นที่หน้าตัดของอนุภาค ที่เปลี่ยนแปลงไป จะปรับเปลี่ยน LET ของพวกมัน โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นจนถึง จุดสูงสุดของแบ ร็ก (Bragg peak)ก่อนที่จะถึงสมดุลทางความร้อนกับตัวดูดซับ กล่าวคือ ก่อนสิ้นสุดระยะทางที่สมดุล อนุภาคที่ตกกระทบจะหยุดนิ่งหรือถูกดูดซับ ซึ่ง ณ จุดนั้น LET จะไม่สามารถนิยามได้

เนื่องจากค่า LET แตกต่างกันไปตามเส้นทางของอนุภาค จึงมักใช้ค่าเฉลี่ยเพื่อแสดงถึงการกระจายตัว ค่าเฉลี่ยที่ถ่วงน้ำหนักตามความยาวของเส้นทางหรือถ่วงน้ำหนักตามปริมาณรังสีที่ดูดซับนั้นมีอยู่ในเอกสาร โดยค่าเฉลี่ยที่ถ่วงน้ำหนักตามปริมาณรังสีที่ดูดซับนั้นพบได้บ่อยกว่าในด้านการวัดปริมาณรังสี ค่าเฉลี่ยเหล่านี้ไม่ได้แตกต่างกันมากนักสำหรับอนุภาคหนักที่มีค่า LET สูง แต่ความแตกต่างจะมีความสำคัญมากขึ้นในรังสีประเภทอื่นที่กล่าวถึงด้านล่าง^{[ 4 ]}

สิ่งที่มักถูกมองข้ามในการวิเคราะห์อนุภาคอัลฟาคือ นิวเคลียสที่เกิดจากการกระเด็นของอนุภาคอัลฟา ซึ่งมีพลังงานไอออนไนเซชันสูงถึงประมาณ 5% ของอนุภาคอัลฟา แต่เนื่องจากมีประจุไฟฟ้าสูงและมวลมาก จึงมีระยะการเดินทางสั้นมากเพียงไม่กี่อังสตรอม เท่านั้น สิ่งนี้อาจทำให้ผลลัพธ์คลาดเคลื่อนอย่างมากหากเรากำลังตรวจสอบประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์ของอนุภาคอัลฟาในไซโตพลาสซึม โดยไม่คำนึงถึงส่วนประกอบของนิวเคลียสที่เกิดจากการกระเด็น ซึ่งโดยทั่วไปแล้วสารตั้งต้นของอนุภาคอัลฟาคือโลหะหนัก หลายชนิด และมักเกาะติดกับวัสดุ ที่ มีสี เช่นโครโมโซม

อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวของนิวเคลียร์เรียกว่าอนุภาคเบตาเนื่องจากมีมวลน้อยเมื่อเทียบกับอะตอม จึงถูกนิวเคลียสกระเจิงอย่างรุนแรง ( การกระเจิงแบบคูลอมบ์หรือรัทเทอร์ฟอร์ด ) มากกว่าอนุภาคที่มีมวลมากกว่ามาก ดังนั้นเส้นทางของอนุภาคเบตาจึงคดเคี้ยว นอกจากการสร้างอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (รังสีเดลต้า) ในขณะที่ไอออนไนซ์อะตอมแล้ว ยังสร้าง โฟตอนเบร็มส์ ตรัลลุง อีกด้วย สามารถกำหนดระยะสูงสุดของรังสีเบตาได้จากการทดลอง^{[ 5 ]}ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าระยะที่จะวัดได้ตามเส้นทางของอนุภาค

รังสีแกมมาเป็นโฟตอน ซึ่งการดูดกลืนของมันไม่สามารถอธิบายได้ด้วยค่า LET เมื่อควอนตัม ของรังสีแกมมา เคลื่อนที่ผ่านสสาร มันอาจถูกดูดกลืนในกระบวนการเดียว (เช่นปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ปรากฏการณ์คอมป์ตันหรือการสร้างคู่ ) หรือมันอาจเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแปลง (เฉพาะในกรณีของปรากฏการณ์คอมป์ตันเท่านั้นที่ควอนตัมของรังสีแกมมาอีกตัวที่มีพลังงานต่ำกว่าจะเคลื่อนที่ต่อไป) ดังนั้น การดูดกลืนรังสีแกมมาจึงเป็นไปตาม กฎ เลขชี้กำลัง (ดูรังสีแกมมา ) การดูดกลืนนี้อธิบายได้ด้วยสัมประสิทธิ์การดูดกลืนหรือ ความ หนา ครึ่งค่า

ดังนั้น LET จึงไม่มีความหมายเมื่อนำไปใช้กับโฟตอน อย่างไรก็ตาม ผู้เขียนหลายคนพูดถึง "แกมมา LET" อยู่ดี^{[ 6 ]}ซึ่งจริงๆ แล้วพวกเขากำลังอ้างถึง LET ของอิเล็กตรอนทุติยภูมิ กล่าวคือ อิเล็กตรอนคอมป์ตันเป็นหลัก ซึ่งเกิดจากรังสีแกมมา^{[ 7 ]}อิเล็กตรอนทุติยภูมิจะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมได้มากกว่าโฟตอนปฐมภูมิมาก แกมมา LET นี้มีความสัมพันธ์น้อยกับอัตราการลดทอนของลำแสง แต่ก็อาจมีความสัมพันธ์กับข้อบกพร่องระดับจุลภาคที่เกิดขึ้นในตัวดูดซับ แม้แต่ลำแสงแกมมาแบบโมโนเอนเนอร์เจติกก็จะสร้างสเปกตรัมของอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนทุติยภูมิแต่ละตัวจะมี LET ที่แปรผันไปตามความเร็วที่ลดลง ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ดังนั้น "แกมมา LET" จึงเป็นค่าเฉลี่ย

การถ่ายโอนพลังงานจากอนุภาคปฐมภูมิที่ไม่มีประจุไปยังอนุภาคทุติยภูมิที่มีประจุสามารถอธิบายได้โดยใช้สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนพลังงานมวล^{[ 1 ]}

การศึกษาวิจัยหลายชิ้นได้พยายามเชื่อมโยงการถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้นกับประสิทธิผลทางชีวภาพสัมพัทธ์ (RBE) ของรังสี โดยให้ผลลัพธ์ที่ไม่สอดคล้องกัน ความสัมพันธ์จะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุชีวภาพ และการเลือกจุดสิ้นสุดเพื่อกำหนดประสิทธิผล แม้ว่าจะคงค่าเหล่านี้ไว้คงที่ สเปกตรัมรังสีที่แตกต่างกันซึ่งมี LET เดียวกันก็ยังมีค่า RBE ที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 4 ]}

แม้จะมีความแตกต่างกันเหล่านี้ แต่ก็มีแนวโน้มโดยรวมบางอย่างที่พบเห็นได้ทั่วไป โดยทั่วไปแล้ว RBE จะไม่ขึ้นอยู่กับ LET สำหรับ LET ที่น้อยกว่า 10 keV/μm ดังนั้นโดยปกติแล้วจึงเลือก LET ต่ำเป็นเงื่อนไขอ้างอิงที่ RBE ถูกกำหนดให้เป็นหนึ่ง สำหรับ LET ที่สูงกว่า 10 keV/μm บางระบบแสดงให้เห็นว่า RBE ลดลงเมื่อ LET เพิ่มขึ้น ในขณะที่บางระบบแสดงให้เห็นว่า RBE เพิ่มขึ้นในช่วงแรกจนถึงจุดสูงสุดก่อนที่จะลดลง เซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมักจะมีค่า RBE สูงสุดที่ LET ประมาณ 100 keV/μm ^{[ 4 ]}ตัวเลขเหล่านี้เป็นเพียงค่าประมาณคร่าวๆ ตัวอย่างเช่น การทดลองชุดหนึ่งพบจุดสูงสุดที่ 30 keV/μm

คณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยการป้องกันรังสี ( ICRP ) ได้เสนอแบบจำลองความสัมพันธ์ RBE-LET แบบง่ายสำหรับการใช้ในการวัดปริมาณรังสีพวกเขากำหนดปัจจัยคุณภาพของรังสีเป็นฟังก์ชันของ LET ที่ไม่จำกัดโดยเฉลี่ยของปริมาณรังสีในน้ำ และตั้งใจให้เป็นการประมาณค่า RBE ที่ไม่แน่นอนสูง แต่โดยทั่วไปแล้วเป็นค่าประมาณแบบอนุรักษ์นิยม แบบจำลองที่แตกต่างกันของพวกเขาแสดงอยู่ในกราฟทางด้านขวา แบบจำลองปี 1966 ได้ถูกรวมเข้าไว้ในข้อแนะนำการป้องกันรังสีในปี 1977 ใน ICRP 26 แบบจำลองนี้ถูกแทนที่ส่วนใหญ่ในข้อแนะนำปี 1991 ของ ICRP 60 ด้วยปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสีที่เชื่อมโยงกับประเภทของอนุภาคและไม่ขึ้นอยู่กับ LET ICRP 60 ได้แก้ไขฟังก์ชันปัจจัยคุณภาพและสงวนไว้สำหรับการใช้งานกับรังสีประเภทที่ผิดปกติซึ่งไม่มีปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสีที่กำหนดไว้^{[ 8 ]}

เมื่อใช้ในการอธิบายปริมาณ รังสีไอออนไนซ์ในบริบททางชีววิทยาหรือชีวการแพทย์ ค่า LET (เช่นเดียวกับค่ากำลังการหยุดยั้งเชิงเส้น ) มักจะแสดงในหน่วย k eV / μm

ในการใช้งานในอวกาศอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อาจถูกรบกวนจากการผ่านของอิเล็กตรอน โปรตอน หรือไอออนที่มีพลังงานสูง ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงสถานะของวงจรทำให้เกิด " ผลกระทบจากเหตุการณ์เดียว " ^{[ 9 ]}ผลกระทบของรังสีอธิบายได้ด้วย LET (ซึ่งในที่นี้ถือว่ามีความหมายเหมือนกับพลังการหยุด) โดยทั่วไปจะแสดงในหน่วย MeV·cm² ^/ mg ของวัสดุ ซึ่งเป็นหน่วยที่ใช้สำหรับพลังการหยุดมวล (วัสดุที่กล่าวถึงมักจะเป็น Si สำหรับอุปกรณ์ MOS) หน่วยวัดเกิดจากการรวมกันของพลังงานที่อนุภาคสูญเสียไปให้กับวัสดุต่อหน่วยความยาวเส้นทาง (MeV/cm) หารด้วยความหนาแน่นของวัสดุ (mg/ ^cm³ ) ^{[ 10 ]}

อย่างไรก็ตาม "ข้อผิดพลาดแบบอ่อน" ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดจากรังสีคอสมิกบนโลกนั้น ส่วนใหญ่เกิดจากนิวตรอนซึ่งไม่ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับวัสดุ และการเคลื่อนที่ของนิวตรอนจึงไม่สามารถอธิบายได้ด้วยค่า LET แต่จะวัดผลกระทบในหน่วยนิวตรอนต่อตารางเซนติเมตร^ต่อชั่วโมง ดูที่ข้อผิดพลาดแบบอ่อน (Soft error )