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Enregistrement W4221164508 · doi:10.1088/1361-6560/ac69a6

The effect of non-ionizing excitations on the diffusion of ion species and inter-track correlations in FLASH ultra-high dose rate radiotherapy

2022· article· en· W4221164508 sur OpenAlexaff
Ramin Abolfath, Alexander Baikalov, Stefan Bartzsch, Niayesh Afshordi, Radhe Mohan

Notice bibliographique

RevuePhysics in Medicine and Biology · 2022
Typearticle
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueRadiation Therapy and Dosimetry
Établissements canadiensUniversity of Waterloo
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésIonDiffusionIonizing radiationIonizationAtomic physicsFlash (photography)ChemistryIon trackRadiationKinetic energyHeat generationMolecular physicsIrradiationChemical physicsPhysicsOpticsThermodynamicsNuclear physics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Purpose . We present a microscopic mechanism that accounts for the outward burst of ‘cold’ ion species (IS) in a high-energy particle track due to coupling with ‘hot’ non-ion species (NIS). IS refers to radiolysis products of ionized molecules, whereas NIS refers to non-ionized excitations of molecules in a medium. The interaction is mediated by a quantized field of acoustic phonons, a channel that allows conversion of thermal energy of NIS to kinetic energy of IS, a flow of heat from the outer to the inner core of the track structure. Methods . We perform step-by-step Monte Carlo (MC) simulations of ionizing radiation track structures in water to score the spatial coordinates and energy depositions that form IS and NIS at atto-second time scales. We subsequently calculate the resulting temperature profiles of the tracks with MC track structure simulations and verify the results analytically using the Rutherford scattering formulation. These temperature profiles are then used as boundary conditions in a series of multi-scale atomistic molecular dynamic (MD) simulations that describe the sudden expansion and enhanced diffusive broadening of tracks initiated by the non-equilibrium spectrum of high-energy IS. We derive a stochastic coarse-grained Langevin equation of motion for IS from first-principle MD to describe the irreversible femto-second flow of thermal energy pumping from NIS to IS, mediated by quantized fields of acoustic phonons. A pair-wise Lennard-Jones potential implemented in a classical MD is then employed to validate the results calculated from the Langevin equation. Results . We demonstrate the coexistence of ‘hot’ NIS with ‘cold’ IS in the radiation track structures right after their generation. NIS, concentrated within nano-scale volumes wrapping around IS, are the main source of intensive heat-waves and the outward burst of IS due to femto-second time scale IS-NIS coupling. By comparing the transport of IS coupled to NIS with identical configurations of non-interacting IS in thermal equilibrium at room temperature, we demonstrate that the energy gain of IS due to the surrounding hot nanoscopic volumes of NIS significantly increases their effective diffusion constants. Comparing the average track separation and the time scale calculated for a deposited dose of 10 Gy and a dose rate of 40 Gy s −1 , typical values used in FLASH ultra high dose rate (UHDR) experiments, we find that the sudden expansion of tracks and ballistic transport proposed in this work strengthens the hypothesis of inter-track correlations recently introduced to interpret mitigation of the biological responses at the FLASH-UHDR (Abolfath et al 2020 Med. Phys. 47 , 6551–6561). Conclusions . The much higher diffusion constants predicted in the present model suggest higher inter-track chemical reaction rates at FLASH-UHDR, as well as lower intra-track reaction rates. This study explains why research groups relying on the current Monte Carlo frameworks have reported negligible inter-track overlaps, simply because of underestimation of the diffusion constants. We recommend incorporation of the IS-NIS coupling and heat exchange in all MC codes to enable these tool-kits to appropriately model reaction-diffusion rates at FLASH-UHDR. Novelty . To introduce a hypothetical pathway of outward burst of radiolysis products driven by highly localized thermal spikes wrapping around them and to investigate the interplay of the non-equilibrium spatio-temporal distribution of the chemical activities of diffusive high-energy particle tracks on inter-track correlations at FLASH-UHDR.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,003
Score d'incertitude au seuil0,007

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,056
Tête enseignante GPT0,345
Écart entre enseignants0,290 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2022
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