معامل توهين الفوتون في مجال الإشعاع

من الضروري النظر في السلوك العياني للفوتونات التي تعبر المادة. لهذا الغرض، يتم استخدام معاملات التوهين الخطي والكتلي والتي ترتبط ببساطة بمجموع المقطع العرضي، قد تخضع الفوتونات لأكثر من تفاعل واحد أثناء مرورها عبر مادة سائبة. على سبيل المثال، قد يتبع تفاعل التبعثر الأولي عملية تشتت ثانية، والتي بدورها قد تتبعها تبعثر ثالث أو امتصاص كهروضوئي أو عدم تفاعلات أخرى مع ترك الفوتون المادة السائبة.

معاملات التوهين الخطي والكتلي

تعطي معاملات التوهين الخطي والكتلي معلومات حول مرور الفوتونات الأولية عبر المادة، سيشمل مجال الإشعاع في العمق في الوسط أيضًا فوتونات متناثرة والتي تساهم أيضًا في الجرعة داخل الوسط، ستشمل حزمة الخروج من المادة السائبة أيضًا كلاً من الفوتونات الأولية والمتناثرة.

• معامل التوهين الخطي.

• معامل التوهين الأسي.

• معامل التوهين الشامل: وهو معامل يعتمد على الكثافة، والتي بدورها تعتمد على الحالة الفيزيائية للمادة. نتيجة لذلك، ليست كمية مناسبة لتجميعات البيانات والكمية ذات الصلة المستقلة عن الكثافة، حيث تُستخدم بدلاً من ذلك.

كما تُعرف هذه الكمية بمعامل التوهين الكتلي وأبعادها بالمتر المربع لكل كيلوغرام وتجدر الإشارة إلى أنه في معظم مجموعات البيانات، تُعطى معاملات التوهين الكتلي بوحدات سنتيمترات مربعة لكل جرام لأنه تم التعبير عنها تاريخيًا بهذه الطريقة وهذا يوفر أرقامًا ملائمة للتلاعب.

• معاملات نقل وامتصاص الطاقة الجماعية.

مساهمة التفاعلات الفردية في معامل التوهين الكتلي الكلي

يجعل التفاعل الكهروضوئي المساهمة المهيمنة في إجمالي المقطع العرضي للتفاعل بأدنى طاقات، كما  يعتبر الانخفاض الحاد في طاقات الفوتون السفلية سمة من سمات التأثير الكهروضوئي وينتهي عندما يصبح تشتت (كومبتون) غير المتماسك سائدًا ويظل كذلك بالنسبة لبقية نطاق الطاقة التشخيصي.

يعتمد موضع التقاطع لهذين التفاعلين على العدد الذري، لكن بالنسبة للماء يبلغ حوالي 30 كيلو فولت. في نطاق الطاقة حتى 100 كيلوفولت وبالنسبة للمواد ذات العدد الذري العالي، فإن الانقطاعات الناشئة عن الاختلافات في الامتصاص الكهروضوئي، الاختلافات في الامتصاص التي ينتجها هذا مهمة لتصميم المرشحات المستخدمة لتشكيل أطياف الأشعة السينية (خاصة في التصوير الشعاعي للثدي والتصوير باستخدام عوامل التباين باليود)، كما يمكن أن يكون لموضع الحافة (الحواف) للمواد المستخدمة في مستقبلات الصورة تأثير مهم على كفاءة الامتصاص.

تفاعلات الإلكترون مع المادة الاشعاعية

هناك آليتان رئيسيتان لفقدان الطاقة بواسطة الإلكترونات: الخسائر المؤينة أو الاصطدامية والخسائر الإشعاعية أو الإنكسار، تتضمن العملية الأساسية لفقدان الطاقة عندما تمر الإلكترونات عبر المادة تصادمًا مع إلكترونات أخرى.

نظرًا لأن لديهم نفس الكتلة، فقد تكون خسائر الطاقة كبيرة جدًا ويمكن أيضًا أن تكون التغييرات في الاتجاه كبيرة جدًا. نظرًا لأنه لا يمكن تمييز الإلكترونات، فمن المفترض أن الإلكترون الذي يترك الاصطدام بأكبر قدر من الطاقة هو الإلكترون الأصلي الساقط، هذا يعني أن الحد الأقصى لتبادل الطاقة سيكون نصف الطاقة الأصلية.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للكتلة الصغيرة للإلكترون، فقد يتفاعل أيضًا مع المجال الكهربائي للنواة ويتباطأ بسرعة كبيرة بحيث يمكن إشعاع بعض طاقته بعيدًا، يشار إلى هذا باسم (bremsstrahlung) وهو العملية الرئيسية المسؤولة عن إنتاج الأشعة السينية عندما تضرب الحزمة الإلكترونية هدفًا.

يتم وصف الطاقة المفقودة بواسطة الجسيمات المشحونة في المرور عبر المادة بشكل عام باستخدام كمية تسمى قدرة التوقف، تعرف على أنها لخسارة في الطاقة الحركية للجسيم أثناء انتقاله مسافة.

• التفاعلات المؤينة (التصادمية) وقوة إيقاف التأين: تتضمن هذه العملية تصادمات بين الإلكترونات التي تنتقل عبر المادة والإلكترونات التي تشكل جزءًا من المادة، والنتيجة هي أن الإلكترونات قد تنفصل عن ذراتها، تاركة اشعاعات ولهذا السبب حصل “الإشعاع المؤين” على اسمه.

ومن الصعب قياس معدل الطاقة المفقودة من خلال هذه التفاعلات، ولكن من السهل نسبيًا حسابها، نظرًا لأن الإلكترونات صغيرة جدًا، فإن التأثيرات النسبية مهمة حتى في الطاقات الحركية المنخفضة جدًا.

• التفاعلات الإشعاعية وقوة الإيقاف الإشعاعي: عندما يمر الإلكترون بالقرب من النواة، فإنه سيختبر قوة كولوم كبيرة وسيتباطأ، ستشع الشحنة المتباطئة الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. الحل الميكانيكي الكمومي معقد ويجب إجراء تقديرات تقريبية ويعتمد الشكل الأنسب للنتيجة على نطاق الطاقة.

• نقل الطاقة الخطي: تحدد قوة إيقاف الاصطدام الجماعي فقدان الطاقة للإلكترون الناتج عن جميع الاصطدامات، تحمل الإلكترونات الثانوية الناتجة عن الاصطدامات الصعبة (الأشعة) جزءًا من الطاقة بعيدًا عن المسار وقد تفلت من حجم الاهتمام، إذا تم النظر في الظواهر الموجودة على مقياس ميكروسكوبي (على سبيل المثال في علم الأحياء الإشعاعي)، فإن استخدام قوة إيقاف الاصطدام يمكن أن يؤدي إلى المبالغة في تقدير الجرعة.