Funções de perda de energia (ELF) no limite óptico a partir de fatores de forma atômicos

Abstract

A formulação dielétrica e a função de perda de energia têm sido utilizadas no estudo de interação de partículas carregadas com materiais biológicos. A metodologia de dados ópticos é aplicável em uma ampla gama de níveis energéticos e a uma variedade de tipos de alvos. Além disso, possibilita o cálculo de grandezas de partículas carregadas em diferentes materiais, conhecidos como momentos estatísticos da distribuição de perda de energia. Contudo, existem limitações associadas a essa metodologia. O fator de forma complexo f é o parâmetro fundamental para todos os dispositivos ópticos. Em energias de fótons mais altas (raios X), o fator de forma se torna acessível para previsões teóricas com base na física atômica e no fator de forma atômico. A interação dos raios X com a matéria pode ser descrita empregando constantes ópticas, como o índice complexo de refração n_r e a função dielétrica ε(E), que estão relacionados aos fatores de forma. Foram calculadas as funções de perda de energia para cada classe de fatores de forma atômicos adotada a partir da relação entre a função dielétrica e os fatores de forma atômicos. Para isso, foram utilizados dois materiais (água e PMMA) para os quais existem dados experimentais da função de perda de energia, com utilização ampla em dosimetria, como base para comparação dos resultados. Os resultados das funções de perda de energia calculadas apresentaram diferenças em relação a função de perda de energia experimental para ambos os materiais. A discrepância ocorreu principalmente para energias abaixo de 30 eV, com erros acentuados abaixo dessa energia. Essa inconsistência entre os resultados das funções de perda de energia ocorre devido à existência de diversos formalismos para o cálculo de fatores de forma atômicos, que também apresentam discrepâncias entre seus valores para energias abaixo de 30 eV.

The dielectric formulation and the energy loss function have been used in the study of the interaction of charged particles with biological materials. The optical data methodology is applicable over a wide range of energy levels and to a variety of target types. Additionally, it enables the calculation of quantities for charged particles in different materials, known as statistical moments of the energy loss distribution. However, there are limitations associated with this methodology. The complex form factor f is the fundamental parameter for all optical devices. At higher photon energies (X-rays), the form factor becomes accessible for theoretical predictions based on atomic physics and the atomic form factor. The interaction of X-rays with matter can be described by employing optical constants such as the complex refractive index n_r and the dielectric function ε(E), which are related to the form factors. Energy loss functions were calculated for each class of atomic form factors adopted from the relationship between the dielectric function and atomic form factors. For this purpose, two materials (water and PMMA) with experimental data on the energy loss function, widely used in dosimetry, were used as a basis for comparison of the results. The results of the calculated energy loss functions showed differences compared to the experimental energy loss function for both materials. The discrepancy occurred mainly for energies below 30 eV, with pronounced errors below that energy. This inconsistency between the results of the energy loss functions arises due to the existence of various formalisms for the calculation of atomic form factors, which also show discrepancies in their values for energies below 30 eV.