線形エネルギー伝達

線量測定において、線エネルギー付与（LET）とは、電離粒子が単位距離あたりに通過する物質に伝達するエネルギー量のことである。これは、放射線が物質に及ぼす作用を表す。

これは、物質中を通過する荷電電粒子に作用する減速力と同一です。 ^{[ 1 ]}定義により、LETは正の値です。LETは、放射線の性質と通過する物質に依存します。

LETが高いほど放射線の減速が速くなり、一般的に遮蔽効果が高まり、深部への侵入を防ぐことができます。一方で、エネルギーの集中度が高くなるため、粒子の飛跡付近の微細構造に深刻な損傷を与える可能性があります。生物細胞やマイクロエレクトロニクスのように、微細な欠陥が大規模な故障を引き起こす場合、LETは放射線による損傷が吸収線量に不釣り合いになることがある理由を説明するのに役立ちます。線量測定では、放射線加重係数を用いてこの影響を考慮に入れようとします。

線エネルギー伝達は阻止力と密接に関係しており、どちらも減速力に等しい。無制限の線エネルギー伝達は、後述するように線電子阻止力と同一である。しかし、阻止力とLETの概念は、全阻止力には核阻止力成分^{[ 2 ]}があり、この成分は電子励起を引き起こさないという点で異なっている。したがって、核阻止力はLETには含まれない。

LETの適切なSI単位はニュートンですが、一般的にはキロ電子ボルト毎マイクロメートル（keV/ μm）またはメガ電子ボルト毎センチメートル（MeV/cm）の単位で表されます。医療物理学者や放射線生物学者は通常、線エネルギー伝達について語りますが、医療以外の物理学者のほとんどは阻止能について語ります。

一次荷電粒子による電離過程で生成される二次電子は、そのエネルギーが十分に大きく、それ自体が電離できる場合、慣習的にデルタ線と呼ばれます。 ^{[ 3 ]}多くの研究は、一次粒子の軌跡の近傍で伝達されるエネルギーに焦点を当てているため、ある値Δよりも大きなエネルギーを持つデルタ線を生成する相互作用は除外されます。^{[ 1 ]}このエネルギー制限は、エネルギーが大きいほど飛程が大きくなるため、一次粒子の軌跡から遠く離れた場所にエネルギーを運ぶ二次電子を除外することを目的としています。この近似では、二次放射の方向分布とデルタ線の非線形経路は無視されますが、解析的評価は簡略化されます。^{[ 4 ]}

数学的には、制限された線形エネルギー伝達は次のように定義される。

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

どこ${\displaystyle {\text{d}}E_{\Delta }}$は、荷電粒子が距離を移動する間に電子衝突によって失うエネルギーである。$\displaystyle {{\text{d}}x}}$Δより大きい運動エネルギーを持つ二次電子はすべて除外されます。Δが無限大に近づくと、より大きなエネルギーを持つ電子は存在せず、線形エネルギー伝達は制限のない線形エネルギー伝達となり、これは線形電子阻止能と同一になります。^{[ 1 ]}ここで、「無限大」という用語の使用は文字通りに解釈されるべきではありません。それは、どんなに大きなエネルギー伝達も除外されないという意味です。

アーネスト・ラザフォードは放射能の研究において、放射性崩壊の際に発生する3種類の放射線をアルファ線、ベータ線、ガンマ線と名付けた。

アルファ粒子およびその他の陽イオン

線エネルギー付与は、単一エネルギーのイオン、すなわち陽子、アルファ粒子、および宇宙線中に存在する、または粒子加速器によって生成されるHZEイオンと呼​​ばれるより重い原子核に対して最もよく定義されます。これらの粒子は、比較的直線的な軌道の周囲の狭い直径内で頻繁に直接電離を引き起こし、連続的な減速を近似します。減速するにつれて、変化する粒子断面積によってLETが変化し、一般的に吸収体との熱平衡に達する直前、つまり飛程の終端に達する直前にブラッグピークまで増加します。平衡状態では、入射粒子は実質的に静止するか吸収されるため、その時点ではLETは定義されません。

LETは粒子の飛跡に沿って変化するため、ばらつきを表すために平均値がよく用いられます。文献には飛跡の長さで重み付けした平均値や吸収線量で重み付けした平均値が存在し、後者は線量測定においてより一般的です。これらの平均値はLETの高い重粒子では大きく区別されませんが、後述する他の種類の放射線ではその差がより重要になります。^{[ 4 ]}

アルファ粒子に関して見落とされがちなのが、アルファ放出体の反跳核です。反跳核はアルファ粒子の約5%という大きな電離エネルギーを持ちますが、電荷が大きく質量も大きいため、飛程はわずか数オングストロームと非常に短くなっています。アルファ粒子の相対生物学的有効性を細胞質内で調べる際に、反跳核の寄与を無視すると、結果が大きく歪む可能性があります。アルファ粒子の親核は多数の重金属の一つであり、通常は染色体などの色素物質に付着しています。

多くの研究が線エネルギー付与と放射線の相対生物学的効果（RBE）の関係を調べようと試みてきたが、結果は一貫していない。この関係は、生物学的物質の性質や効果を定義するエンドポイントの選択によって大きく異なる。これらを一定に保った場合でも、同じLETを共有する異なる放射線スペクトルは、RBEが大きく異なる。^{[ 4 ]}

これらの変動にもかかわらず、いくつかの全体的な傾向が共通して見られます。RBE は、10 keV/μm 未満の LET では一般的に LET に依存しないため、通常は低い LET が RBE を 1 に設定する基準条件として選択されます。10 keV/μm を超えると、一部のシステムでは LET の増加に伴って RBE が減少する一方、他のシステムでは最初に増加してピークに達した後、減少します。哺乳類細胞は通常、約 100 keV/μm の LET で RBE のピークを経験します。^{[ 4 ]}これらは非常に大まかな数値です。たとえば、ある一連の実験では、30 keV/μm でピークが見つかりました。

国際放射線防護委員会（ICRP ）は、線量測定で使用するための RBE-LET 関係の簡略化モデルを提案しました。同委員会は、水中での線量平均非制限 LET の関数として放射線の品質係数を定義し、それを RBE の非常に不確実ではあるものの、一般的に保守的な近似値として意図しました。同委員会のモデルのさまざまな反復が右のグラフに示されています。1966 年のモデルは、ICRP 26 の 1977 年の放射線防護に関する勧告に組み込まれました。このモデルは、ICRP 60 の 1991 年の勧告で、粒子タイプに関連付けられ、LET とは無関係な放射線加重係数によって大部分が置き換えられました。ICRP 60 は品質係数関数を改訂し、放射線加重係数が割り当てられていない特殊な放射線タイプで使用するためにそれを留保しました。^{[ 8 ]}

生物学的または生物医学的環境における電離放射線の線量測定を説明するために使用される場合、LET（線阻止能と同様）は通常、k eV / μmの単位で表されます。

宇宙用途では、電子デバイスは、回路の状態を変化させる可能性のある高エネルギー電子、陽子、またはより重いイオンの通過によって妨害され、「単一イベント効果」が発生することがあります。^{[ 9 ]}放射線の影響は、LET（ここでは阻止能と同義とみなされる）によって記述され、通常は質量阻止能に使用される単位である MeV·cm ^{2 /mg の物質で表されます（問題の物質は通常、MOS デバイスの場合は Si です）。測定単位は、単位経路長あたりに粒子が物質に失うエネルギー（MeV/cm）を物質の密度（mg/cm 3} ）で割ったものの組み合わせから生じます。^{[ 10 ]}

しかし、地球上で宇宙線によって発生する電子機器の「ソフトエラー」は、主に物質と直接相互作用しない中性子によるものであり、そのためLETではその影響を記述することができません。むしろ、その影響は1時間あたり^1cm²あたりの中性子数で測定されます（ソフトエラーを参照）。