Nueve: Aplicaciones en Biomedicina y Microelectrónica

Se verá:

1) $n(t\'ermico)+ ^{10}B$
- fuente de neutrones (terapia)
- rayos cósmicos (daños)

2) Daños producidos por partículas en la materia.-
a) KERMA - fotones

b) KERMA - hadrones (protones, neutrones, piones)
- mediciones de reacciones nucleares $exclusivas$
- mediciones de reacciones nucleares $inclusivas$

1) Terapia con Boro (BNTP)

$$\begin{eqnarray*} n(t\'ermico)+ ^{10}B &\longrightarrow& ^4He(1.47 MeV) + ^7Li^*... ...\ \sigma = 3838 b \ \ \textnormal{ (muy alta probabilidad!!) } \end{eqnarray*}$$

 En terapia: 		 		 		 		 		 		 		 		 En microelectrónica: 


Se injecta $^{10}B$ en el tumor 		 		 		 $^{10}B$ existe en forma natural en componentes 


Se irradia con neutrones térmicos 		 		 Neutrones, producidos por rayos cósmicos 

($25\times10^{-3} eV$) 		 		 		 		            bombardean el circuito


La energía de $^{4}He$ y $^{7}Li$ se 		 		 		 		 Estos se termalizan, por ejemplo en el concreto 


deposita en el tumor, dañándolo. 		 		  produciendo un "single event upset" en el circuito. 


BENEFICIOSO 		 		 		 		 		 		 		 		 		 DAÑINO 

El mismo mecanismo, dos resultados diferentes.

2) Daños producidos por partículas en la materia.-

Para el caso de partículas cargadas tales commo protones, hemos visto que el mecanismo básico es la interacción electromagnética, perdiendo el protón energía a través de colisiones coulombianas con los electrones del átomo. En el caso del tejido humano, esta energía absorvida afecta la composición molecular, produciendo daño similar al incremento de temperatura (quemar) miscroscópicamente ese elemento, célula o estructura de ADN $\longrightarrow$ mutación.

De manera análoga, al incidir este protón en un circuito microelectrónico, lo ioniza a lo largo de su trayectoria, produciendo una columna de pares electrón-hueco alrededor de la trayectoria. En la ausencia de un campo eléctrico externo, éstos se recombinan. Si existe un campo eléctrico, como en los microcircuitos, éste inhibe esta recombinación y puede generar un pulso eléctrico lo suficientemente grande como para perturbar la operación normal del microcicuito ("single event upset", SEU).

a) KERMA (radiobiología, rayos X, $\gamma$.).- KERMA se refiere a "Kinetic Energy Released in MAtter" para una partícula ionizante. Para el caso, de fotones,
(i) El fotón interactúa con el átomo, liberando electrones con cierta energía. (ii) Los electrones (de alta energía, es decir, los que escapan del átomo) transfieren energía al medio a través de excitación o ionización.
La etapa (i) se describe por la cantidad KERMA. $K=\frac{d\overline E}{dm} \ \ [\frac{energ\'ia}{masa}]$, en que $d\overline E$ es la energía promedia transferida de los fotones a los electrones en un elemento de masa $dm$.

b) KERMA (protones, neutrones).- El caso de protones o neutrones incidentes es, conceptualmente, similar. Consideremos la reacción exclusiva (a), illustrada en la figura correspondiente a 200 MeV n + Si. Esa reacción particular corresponde a una cierta sección eficaz para esa configuración o canal, digamos, $\sigma_a(exc)$. Es decir, esta sección eficaz corresponde al caso en que el primer protón tiene una energía $E_{a1}$, el segundo, $E_{a2}$, y así con el resto de las partículas.
Si se suman las energías cinéticas de todos los fragmentos, la contribución a la energía cinética promedia es $\frac{\sigma_a(exc)}{\sigma_r} (E_{a1}+E_{a2}+...)$, en que $\sigma_r$ es la sección eficaz de reacción. De igual manera, para otros canales (b), (c) ...:

$$\begin{eqnarray*} \frac{\sigma_a(exc)}{\sigma_r} (E_{a1}+E_{a2}+...) \\ \frac{\... ...\ es el factor KERMA,} \\ \textnormal {con N= n\'ucleos/g.} \\ \end{eqnarray*}$$

Medir estas reacciones exclusivas es difícil, no se ha hecho todavía a energías bajas.

c) KERMA obtenido de mediciones $\textit{inclusivas}$.- Más fácil es medir los espectros y secciones eficaces de energías de las distintas partículas cargadas, protones, deuterones, etc. Este tipo de mediciones se conoce con el nombre de $\textit{inclusivas}$, ya que cada partícula se mide independiente de las otras (no se miden coincidencias o correlaciones.) Es relativamente fácil ver (no lo haremos) que la expresión (1) para el factor KERMA es equivalente a la siguiente:

$$\begin{eqnarray*} \frac{K}{N} &=& \sum_{i\leq \alpha} \int \frac{d\sigma_i}{dE}E... ...\sigma_{i'}}{dE}EdE + \overline{E}_{el} \sigma_{el} \> \> (2)\\ \end{eqnarray*}$$

En eq. (2), se ha separado las sumas y la contribución de la parte elástica del núcleo de retroceso ($^{12}C$, en el caso de un blanco de $^{12}C$)
i=p,d,t,$^3He,\alpha$
i'=núcleos más pesados, tales como $^{12}B$
N= núcleos/g
$\frac{d\sigma_{i}}{dE} = \int_o^\pi \frac{d^2\sigma_i}{dEd\Omega} 2\pi sin\theta d\theta$
$\frac{d^2\sigma_i}{dEd\Omega}$ es lo que se mide experimentalmente.
$\overline{E}_{el} \sigma_{el}$, contribución de la colisión elástica.

Claramente, KERMA representa un valor promedio, y sólo incluye los productos finales con carga de la reacción nuclear. Ex:

$$\begin{eqnarray*} n+^{12}C & \longrightarrow & p+X \\ & \longrightarrow & d+Y ... ...rightarrow & ^{12}B+W \\ & & \textnormal {(canales $i'$) } \\ \end{eqnarray*}$$