عندما تشع اشعة من الجسيمات المؤينة غير المشحونة مادة متجانسة، يتحول مجال الإشعاع المؤين إلى خليط من الحزمة الساقطة (المخففة بالمادة) والإشعاع المتناثر الناتج عن تفاعل الحزمة الساقطة في المادة والإشعاع المشحون، حيث لا يمكن تحقيق وصف دقيق لمكونات مجال الإشعاع في الحجم، حيث يتم تحديد الجرعة الممتصة أو الكيرما بالطرق التحليلية، كما يمكن تحديد كلا الكميتين باستخدام طرق عددية (مثل محاكاة مونت كارلو) أو بالوسائل التجريبية، بشرط استيفاء افتراضات معينة، كما يجعل توازن الجسيمات المشحونة في الحجم التحديد التجريبي ممكنًا.
كيف يتم توازن الجسيمات المشحونة
مجال الإشعاع المكون من فوتونات ذات طاقة عالية وعادة ما يسقط على كتلة المادة قيد الدراسة، يأتي من اليسار ومن الفراغ، عندما تحدث تفاعلات الفوتونات داخل المادة، يتم تحرير الإلكترونات. من أجل التبسيط، نفترض أن كل هذه الجسيمات المشحونة لها نفس الاتجاه في المادة ونفس الطاقة والمسار المستقيم، حيث تظهر هذه المسارات في الجزء العلوي، ويظهر أيضًا حجم صغير داخل المادة.
عدد مسارات الإلكترون التي تعبر المادة صغيرة بالقرب من سطح المادة، لكنها تزداد كلما تحرك الحجم إلى عمق أكبر، لأن المزيد من الإلكترونات يتم تحريرها بواسطة تفاعلات الفوتون. نظرًا لأن مسارات الإلكترون لها أطوال محدودة في المادة (معطاة من خلال نطاقاتها)، فإن عدد المسارات يصل إلى أقصى حد عند موضع معين للطاقة المنقولة ويبدأ في النهاية في الانخفاض، حيث يتم تخفيف الحزمة لأعماق أكبر.
يمكن اعتبار طول المسار الإجمالي للجسيمات المشحونة في كل حجم على أنه يمثل عدد التأينات التي تحدث في الحجم. في هذه الحالة المثالية، ستختلف القيمة المتوقعة للتأين الناتج في الحجم باختلاف العمق للحالة المبسطة التي لا يتغير فيها تأثير الفوتون مع العمق.
تسمى حالة التأين الثابت لأنها في هذه الحالة تكون الجسيمات المشحونة التي يتم تحريرها في الحجم وتترك الحجم متوازنة، من حيث العدد والطاقة بواسطة الجسيمات التي تم تحريرها في مكان آخر والتي تدخل حجم المادة. نتيجة لذلك، تزداد القيمة المتوقعة للتأين الكلي في الحجم في البداية، ولكنها تنخفض ببطء مع زيادة العمق في الوسط. تسمى هذه الحالة، في أعماق تتجاوز الحد الأقصى للتأين، بتوازن الجسيمات المشحونة العابرة، إن العمق الذي يتم عنده الوصول إلى توازن الجسيمات المشحونة أو الوصول إلى الحد الأقصى من التأين، هو في حدود نطاق الجسيمات المشحونة في المادة.
إن التأين على سطح المادة يساوي صفرًا. في الواقع، في حالة أكثر واقعية، حتى على السطح يجب أن تؤخذ مساهمة الإشعاع المتناثر في الاعتبار، مما يؤدي إلى تأين غير صفري على السطح. أيضًا، إذا كانت طاقات الفوتون مقتصرة على نطاق طاقة الأشعة، فإن الحد الأقصى للتأين يكون قريبًا جدًا من سطح المادة المشععة. وهناك سببان رئيسيان لهذا:
- للإلكترونات الثانوية نطاق صغير في الأنسجة البيولوجية وفي المواد الصلبة تنبعث بشكل متناحي تقريبًا.
- الانتثار غير المتماسك للفوتونات منخفضة الطاقة ينتج القليل الفوتونات المنتشرة بالقرب من الاتجاه الأمامي.
العلاقة بين الجرعة الممتصة وكيرما الاصطدام والتعرض للجسيمات المشحونة
بالنسبة لحزمة الفوتون، يتم الحصول بسهولة على كيرما الاصطدام والجرعة الممتصة عند مدخل المادة باستخدام المعادلات الاشعاعية. نظرًا لأن المادة متجانسة، فإن قيم كيرما التصادم داخل المادة تختلف بما يتناسب مع تأثير الحادث، عندما يكون عدد التفاعلات صغيرًا جدًا بحيث يمكن اعتبار الانطلاقة ثابتة داخل الوسط، فإن تباين كيرما مع العمق سيكون في زيادة.
عادة ومع ذلك، يُعتقد أن الطلاقة تتناقص بشكل كبير مع العمق في المادة، مع سلوك مماثل لقيم الكيرما، بقدر ما يتعلق الأمر بالجرعة الممتصة، فإن الحسابات ليست بهذه البساطة، لأن الجرعة الممتصة، تعتمد على ترسيب الطاقة بواسطة الجسيمات المشحونة، فهي أصغر على سطح المادة منها بداخلها. عندما تحدث تفاعلات الفوتون، تتحرر الإلكترونات مما يساهم في نمو الطاقة المنقولة وفقًا لنمو التأين في المادة.
وهكذا، توجد منطقة تراكم للجرعة على أعماق صغيرة في الوسط، منطقة التراكم لها أبعاد مماثلة لنطاق الجسيمات المشحونة في الوسط. بالنسبة للفوتونات عالية الطاقة، يمكن أن تمتد هذه المنطقة إلى 1 أو 2 سم وهذا التأثير مسؤول عن التأثير المعروف لتجنيب الجلد في العلاج الإشعاعي الخارجي.
بالنسبة لأشعة الفوتون التشخيصية، تكون الطاقات أقل ونطاقات الإلكترون صغيرة جدًا لإحداث هذا التأثير، حيث يتم الوصول إلى الجرعة القصوى داخل الجلد، عندما تصل الجرعة الممتصة إلى القيمة القصوى، بافتراض أن جميع الفوتونات الإشعاعية المنتجة في الوسط تهرب من الحجم، فهناك مصادفة بين قيمتها وكيرما الاصطدام، حيث يتحقق توازن الشحنات الحقيقي، أبعد من منطقة التراكم، بافتراض أن التغيرات في فلقة الفوتون صغيرة وحجم الاهتمام له أبعاد صغيرة مقارنة بمدى الإلكترون، مما أدى إلى ارتفاع توازن الجسيمات المشحونة الحقيقي والعلاقة بين الجرعة الممتصة و بقايا تصادم كيرما.
في حالة توازن الجسيمات المشحونة العابرة، حيث يكون توهين حزمة الفوتون غير مهمل، لا توجد مصادفة عددية بين قيم تصادم كيرما والجرعة الممتصة. أبعد من الحد الأقصى تكون الجرعة الممتصة أكبر من كيرما الاصطدام، حيث أن الطاقة المنقولة هي نتيجة للشحنات المنبعثة من تألق الفوتون أكبر قليلاً من تأثير حجم الاهتمام، نظرًا لوجود نسبة ثابتة عمليًا بين هذه الكميات.
الشروط التي تمكن توازن الجسيمات المشحونة أو تسبب فشلها
لا ينبغي تفسير تبسيط الوضع العام على أنه الشرط الوحيد الذي يمكن أن يؤدي إلى توازن حقيقي للجسيمات المشحونة في الوسط. الشروط اللازمة والكافية التي تضمن توازن الجسيمات المشحونة هي:
- الوسط متجانس في كل من التركيب الذري وكثافة الكتلة.
- مجال الفوتون متجانس في الحجم المعتبَر.
يتجنب الشرط الأول التغييرات في توزيع الجسيمات المشحونة في المادة بسبب التغيرات في خصائص التشتت والامتصاص. التجانس في الكثافة ليس بنفس أهمية الثبات في التركيب، وفقًا لنظرية فانو يتطلب الشرط الثاني، ألا تكون أبعاد حجم الاهتمام كبيرة جدًا، مقارنة بمتوسط المسار الحر للفوتونات. بعض الأمثلة على المواقف العملية التي يوجد فيها فشل في الشروط، مما يعني أنه لا يمكن إنجاز توازن الجسيمات المشحونة، هي:
- تباعد الحزمة الكبيرة، كما هو الحال مع الإشعاعات القريبة من مصدر الإشعاع.
- قرب حدود المادة وأي وسيط آخر.
نظرية التجويف
يتطلب تحديد الجرعة الممتصة في وسط ممتد بشكل عام استخدام كاشف داخل الوسط. نظرًا لأن الحجم الحساس لمقياس الجرعات، بشكل عام ليس مصنوعًا من نفس مادة الوسط، فإن وجوده يمثل انقطاعًا، كما يطلق عليه اسم “تجويف” لأنه تم تطوير الأساس المبكر لقياس الجرعات لأجهزة الكشف الغازية. في الوقت الحاضر، تم توسيع المفهوم ليشمل أجهزة الكشف عن السوائل والصلب ولكن يتم الاحتفاظ بالاستخدام التقليدي للحرفين( g و w) لترمز إلى التجويف والوسط، على التوالي، لأنهما يأتيان من الغاز والجدار الذي يشكلان غرفة التأين.
تتمثل الاهتمامات الرئيسية لنظرية التجويف في دراسة تعديلات توزيع الشحنة والإشعاع الناتجة في الوسط عن طريق التجويف وإنشاء علاقات بين الجرعة في الحجم الحساس لمقياس الجرعات والجرعة في الوسط، كما يتم وصف موجز للأسس والنتائج الرئيسية لنظرية التجويف للإشعاع الخارجي بالفوتونات وتطبيقات الأشعة التشخيصية.
