Temat 4. BADANIA INTERDYSCYPLINARNE I STOSOWANE

Transkrypt

1 Temat 4. BADANIA INTERDYSCYPLINARNE I STOSOWANE Główne prace teoretyczne prowadzone były w Zakładzie NZ44 a prace eksperymentalne i teoretyczne prowadzone były w Zakładach: NZ52, NZ53, NZ54, NZ55, NZ56, NZ57, NZ58, NZ59, NZ61, Samodzielnej Pracowni NZ62 oraz w Laboratoriach NLR i NLP Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2011 r. 52 publikacjami w czasopismach wyróżnionych w Journal Citation Reports (JCR). zadanie 1. Interdyscyplinarne aspekty fizyki układów złożonych Zakład 44 Kontynuowano rozwój algorytmów zapewniających stabilne szacowanie charakterystyk multifraktalnych dla różnego typu szeregów czasowych, których dominująca składowa jest typu stochastycznego. W ramach tej działalności zidentyfikowano szczególnie złożony charakter multifraktalności dla utworów muzycznych. Odkryto, że rozkłady fluktuacji stóp zwrotu na rynkach finansowych są ściśle skorelowane z odpowiednimi fluktuacjami wolumenu obrotu. Wynik ilościowy opisujący tę zależność wskazuje, że stosunek indeksów skalowania w tych rozkładach jest z dobrym przybliżeniem równy 2 bez względu na horyzonty czasowe. W ramach modeli agentów typu Yasutomi badano efekty powstawania pieniądza jako uniwersalnego towaru w wyniku mechanizmu analogicznego do spontanicznego łamania symetrii. Stworzono sieciową reprezentację dla lingwistycznych tekstów literackich i naukowych oraz przebadano odpowiednie ich charakterystyki wywodzące się z teorii sieci złożonych Zastosowano odpowiednie zespoły asymetrycznych macierzy przypadkowych do badania opóźnionych korelacji czasowych pomiędzy różnymi ośrodkami mózgu wykorzystując do tego szeregi czasowe pochodzące z pomiarów MEG. Wyniki opublikowano w Acta Phys. Pol. B. Najważniejsze osiągnięcie: Usystematyzowanie jednolitego podejścia do zagadnienia złożoności poprzez identyfikację uniwersalnych charakterystyk złożoności w układach takich jak rynki finansowe, mózg człowieka czy języki naturalne. Obszerna monografia na ten temat jest w druku w Physics Reports (autorzy J. Kwapień i S. Drożdż) Zakład 54 zadanie 2. Badania eksperymentalne, teoretyczne i numeryczne oddziaływania promieniowania jądrowego z różnymi ośrodkami 1. Neutronowe strumienie impulsowe w ośrodkach skończonych (włączając niejednorodne) Metodą modelowania komputerowego Monte Carlo (kod MCNP-5) wykonano dalsze symulacje rozpraszania neutronów prędkich z impulsowego źródła nanosekundowego na tzw. materiałach zabronionych ukrytych w bagażu, zmierzające do rozpoznania podstaw impulsowej metody neutronowej ich detekcji przy zastosowaniu techniki pomiaru czasu przelotu neutronów. Po ubiegłorocznej analizie przypadków czysto modelowych badano układy obiektów bardziej zbliżone do przewidywanego stanu rzeczywistego, tj. różne konfiguracje kilku ukrytych obiektów (zabronionych oraz powszechnego użytku), dodatkowo otoczonych materiałem maskującym (jak polietylen czy bawełna). Badano także odpowiedź obiektu zawierającego tzw. specjalny materiał jądrowy (SNM special nuclear materials) na naświetlenie impulsem neutronów prędkich 2.45 lub 14 MeV w celu 41

2 znalezienia sygnatury definiującej jego wykrycie. Wyniki prezentowano na międzynarodowych konferencjach [NUTECH-2011], [PLASMA- 2011] i [FNDA-2011]. Współpraca: IFPiLM Warszawa (projekt MNiSW Nr O N ). 2. Rozwój metod pomiarowych i interpretacyjnych dla jądrowej geofizyki otworowej Jednym z najważniejszych narzędzi stosowanych w geofizyce poszukiwawczej są metody wykorzystujące oddziaływanie promieniowania gamma i neutronów z ośrodkiem materialnym. Wyniki uzyskane z pomiarów pól neutronowych i kwantów gamma pochodzących od zewnętrznych źródeł promieniowania w otoczeniu otworu wiertniczego dostarczają istotnych informacji o własnościach przewierconych formacji geologicznych. Złożona struktura przestrzenna ośrodka, w którym badany jest rozkład pola promieniowania, skłania do stosowania wyspecjalizowanych metod numerycznych pozwalających na wyznaczanie parametrów tych pól i ich korelacji z parametrami litologicznymi. Zostały zrealizowane dwa projekty polegające na zbadaniu wpływu niejednorodności geometrycznych i materiałowych wokół otworu wiertniczego na odpowiedź detektorów dwóch typów sond otworowych (jednej wyposażonej w źródło neutronów i drugiej w źródło promieniowania gamma). Zbadano wpływ niejednorodności wywołanej istnieniem strefy filtracji pomiędzy ścianą otworu a skałą macierzystą (dla sondy neutronowej) oraz zbadano wpływ odległości ściany otworu od granicy warstw dla sondy gamma. Ten drugi przypadek ma istotne znaczenie przy prowadzeniu zaawansowanych badań geofizycznych w otworach silnie nachylonych i poziomych. Wyniki przedstawiono na konferencji [NUTECH-2011] i opublikowano [Appl.Radiat.Isot. 69 (2011) 268; J.Appl.Geophys. 73 (2011) 84]. Współpraca: AGH, Wydz. Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska (projekt bad. MNiSW Nr N N ). Opublikowano w 2011 roku 2 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. zadanie 3. Metody detekcji neutronów dla diagnostyki plazmy D-D i D-T pod kątem badań dla programu ITER 1. Detekcja neutronów opóźnionych z aktywacji materiałów rozszczepialnych w polu neutronowym wytwarzanym przez duże układy termojądrowe Zaktualizowano końcowy model numeryczny MCNP geometrii urządzenia do pomiaru zaniku neutronów opóźnionych (z powodu dodanych w rzeczywistości elementów mechanicznej osłony urządzenia i przystosowania jego podstawy do standardowych warunków transportowania). Podjęto obliczenia zmierzające do opracowania metody interpretacji odpowiedzi detektorów w urządzeniu w celu określenia parametrów pierwotnego strumienia neutronów, które aktywowały próbkę i m.in. analizowano różnice w stosowaniu 6- bądź 8-grupowego modelu do opisu krzywej czasowego zaniku neutronów opóźnionych emitowanych przez jądra prekursorów tworzących takie grupy. Badano różnice obserwowanych zaników z modelowania MC emisji ze skończonej niewielkiej próbki materiału rozszczepialnego a z tzw. ośrodka nieskończonego. Współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; Asocjacja EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy; EFDA-JET, Culham, Anglia. 2. Detektory diamentowe w pomiarach neutronowych i cząstek alfa z emisji w plazmie termojądrowej Kontynuowano badania spektrometrycznej odpowiedzi detektorów diamentowych (typu sccvd) na padające cząstki alfa (źródło izotopowe i wiązki z akceleratora) oraz na 42

3 akceleratorowe wiązki protonów i deuteronów. Były to detektory dedykowane w szczególności do pomiarów (grubość monokryształu: 50 m). Zaobserwowano niewielkie odchylenie wartości mierzonej energii protonów i deuteronów od wartości wynikającej z kalibracji wykonanej źródłem izotopowym. Stwierdzono natomiast całkowitą zgodność detekcji w różnych egzemplarzach detektorów. Przygotowano tory pomiarowe dla nowo zakupionych detektorów sccvd o większej grubości (500 m), przewidywanych do pomiarów neutronowych. Zaprojektowano i wykonano części próżniowego stanowiska pomiarowego do precyzyjnych badań detektorów CVD przy generatorze neutronów. Wyniki prezentowano na międzynarod. konferencjach [PLASMA-2011], [ENYGF 2011] oraz XLI Zjeździe Fizyków Polskich. Współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; Asocjacja EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy; EFDA-JET, Culham, Anglia. Projekt EURATOM EFDA WP11-DIA /IPPLM/PS. Współpraca IFPiLM oraz NZ58 IFJ. Projekt bad. MNiSW Nr N N Modelowanie plazmy jako dynamicznego źródła promieniowania neutronowego w układach typu tokamak W ramach jednego z projektów EFDA (European Fusion Development Agreement), Integrated Tokamak Modeling Task Force, rozwijany jest złożony program komputerowy dla modelowania sznura plazmy w tokamaku. Celem jest zbudowanie niezawodnego kodu komputerowego kompletnie opisującego wyładowanie w tokamaku takim jak ITER. Kod ten, tzw. European Transport Solver (ETS) zawiera kilka numerycznych metod rozwiązujących problem w różny sposób (ponumerowane podprogramy zwane solver ). Bieżące prace polegają na przetestowaniu poprawności ich działania, tzn. osiąganiu prawidłowego rozwiązania, w przypadku istnienia wewnętrznej bariery transportu (Intermal Transport Barier) w plazmie tokamaka. Porównywano jak wyniki kilku solverów odtwarzają analityczne rozwiązanie zawierające nieciągłość współczynnika dyfuzji w plazmie. Analizowano przypadki źródła plazmowego stacjonarnego (stałego oraz zmiennego wzdłuż promienia) i zmiennego w czasie. Otrzymane wyniki wskazują na najlepsze działanie solverów nr 3 i 7. Wyniki prezentowano na międzynarod. konferencji [PLASMA-2011] i w Raporcie [IFJ No. 2051/AP]. Współpraca: Asocjacja EURATOM IFPiLM, Warszawa; EURATOM IPP Garching, Niemcy; Projekt EURATOM EFDA WP11-ITM-IMP3-ACT1-01. Opublikowano w 2011 roku 3 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. Zakład 57 zadanie 4. Opracowywanie metod radiochemicznych dla badań podstawowych i środowiskowych 1. Synteza i zastosowanie sorbentów kompozytowych na bazie trudnorozpuszczalnych heksacyjanożelazianów dwuwartościowych metali przejściowych oraz ich odpowiedników kompozytowych z elementami magnetycznymi do selektywnego wydzielania rozdzielania lżejszych homologów pierwiastków transaktynowcowych. Przeprowadzono syntezę ok. 4 kg magnetycznego sorbentu kompozytowego wykorzystywanego w prowadzonych badaniach monitoringowych w Tatrach. 2. Przeprowadzenie pilotażowych badań na układach modelowych, związanych z opracowaniem warunków sorpcji i desorpcji niektórych izotopów np. Tc95 czy J125 na sorbentach kompozytowych zawierających minerały ilaste. Prace te są prowadzone 43

4 w aspekcie rozwoju energetyki jądrowej w Polsce i gospodarki odpadami radioaktywnymi. W szczególności dotyczą zagadnienia mobilności długożyciowych radionuklidów ewentualnie wyciekających ze składowiska (nowe zadanie). W ekspedycji terenowej do Różana pobrano szereg próbek w odwiertach celem pozyskania materiału geologicznego do badań. Próbki te są obecnie charakteryzowane pod kątem obecności substancji radioaktywnych. Zakład 55 zadanie 5. Biologia radiacyjna i środowiskowa; retrospektywna dozymetria biologiczna ekspozycji radiacyjnych i środowiskowych - badanie wrażliwości osobniczej i wydajności naprawy DNA Zastosowanie promieniowania do badania zróżnicowania podatności osobniczej. 1. Badania uszkodzeń DNA i chromosomów w funkcji ekspozycji środowiskowej, zawodowej lub wypadkowej W ramach projektu Kompleksowa ocena zagrożeń bezpieczeństwa i zdrowia w placówkach diagnostyki obrazowej na potrzeby profilaktyki przeprowadzono badania biomarkerów molekularno-cytogenetycznych u osób narażonych zawodowo przy urządzeniach diagnostyki obrazowej. W badaniach opracowano schemat oznaczeń laboratoryjnych, przygotowano procedury badawcze oznaczeń molekularnych i cytogenetycznych, kwestionariusz uwzględniający szczegółowe pytania między innymi dotyczące ekspozycji związanych z potencjalnym narażeniem zdrowia, a w szczególności obecności w pracy zawodowej czynników fizycznych takich, jak pola magnetyczne (stosowne np. w diagnostyce pacjentów), lub elektromagnetyczne lub wręcz promieniowanie jonizujące. Przygotowano także list przewodni do potencjalnych dawców. Tematyka poruszana w pytaniach kwestionariusza dotyczyła także najważniejszych czynników wpływających na fenotypową wrażliwość osób badanych. Opracowano schemat wykonywanych badań oceny wpływu ekspozycji zawodowej na ryzyko utraty zdrowia, oceniane na poziomie molekularnym i komórkowym. Złożono wniosek do Komisji Etyki i uzyskano zgodę na prowadzenie badań na dostarczonym materiale biologicznym, próbkach krwi obwodowej osób badanych. Przeprowadzono wywiady kwestionariuszowe i pobrano materiał biologiczny od 15 ochotników, dla których przeprowadzono hodowle i utrwalono materiał biologiczny. W ramach usługi, dla wyżej wymienionych dawców, wykonano hodowle komórkowe oraz wybarwiono preparaty cytogenetyczne. W badaniach molekularnych przeprowadzono elektroforezy wyekstrahowanego DNA. Zarówno w badaniach molekularnych jak i cytogenetycznych wykonano preparaty do oznaczenia poziomu in vivo jak i po zastosowaniu dawki pobudzającej. Ponadto oznaczono dla każdego dawcy częstość mikojąder (MN), które są markerami niestabilnych aberracji chromosomowych oraz rosnącego ryzyka zachorowania na raka. Wykonano wstępne analizy częstości wymian chromatydowych (SCE) i rozpoczęto hybrydyzację celem oznaczenia poziomu stabilnych aberracji chromosomowych. Przeprowadzono wstępną analizę biomarkerów bezpośrednio lub pośrednio powiązanych przyczynowo-skutkowo z ryzykiem utraty zdrowia oraz poprzez ocenę tych samych biomarkerów badanych w odpowiedzi komórek na dawkę pobudzającą promieniowania X (zastosowanie dawki pobudzającej promieniowania X). Przedstawiono przegląd piśmiennictwa dotyczącego stosowania powyższych technik w badaniach zagrożeń zawodowych. 2. Badania fenotypowego zróżnicowania osobniczego w podatności na indukcję radiacyjnych uszkodzeń DNA oraz w wydajności komórkowych procesów naprawy u osób zdrowych 44

5 lub potencjalnych pacjentów radioterapii (w tym terapii izotopem 131 I) w chorobie nowotworowej przed podjęciem leczenia. W ramach projektu MNiSW "Badanie podatności osobniczej na indukcję radiacyjnych uszkodzeń, wydajność naprawy DNA i niestabilność chromosomów w limfocytach pacjentów diagnozowanych lub leczonych jodem promieniotwórczym N przeprowadzono badania wpływu ekspozycji na niskie (diagnostyczne) i wysokie (terapeutyczne) dawki 131 I na podatność osobniczą indukowanych uszkodzeń radiacyjnych, wydajność naprawy DNA oraz niestabilność chromosomową. Badania przeprowadzono na limfocytach pacjentów diagnozowanych i leczonych radio - jodem i odniesiono do rezultatów uzyskanych dla grupy dawców z zerową ekspozycją na 131 I. Uzyskane rezultaty sugerują, że procesy powstawania niektórych uszkodzeń cytogenetycznych, będących konsekwencją nie naprawionych uszkodzeń DNA mogą być związane z odmiennymi systemami naprawy uaktywnianymi w zakresie niskich i wysokich dawek. A. Cebulska-Wasilewska, J. Miszczyk, Zbigniew Drag, Jin Kyu Kim, Health risk impact from radioiodine-131 exposure to low and high doses evaluated with micronuclues assay", Journal of Radiation Industry, 5(4) (2011). submitted 3. Badania mechanizmów interakcji pomiędzy promieniowaniem jonizującym i innymi czynnikami egzogennymi W 2011 roku przeprowadzono badania wpływu MNA + (1-metylonikotynamidu) na poziom uszkodzeń DNA, podatność na działanie czynników genotoksycznych (promieniowanie X) oraz kinetykę ich naprawy u osób z wywiadem udarowym (niedokrwiennym i krwotocznym). Uzyskane rezultaty sugerują odmienny wpływ badanego związku w zależności od typu udaru. Tylko u osób z udarem niedokrwiennym stwierdzono radioprotekcyjny wpływ MNA + podczas działania czynnika genotoksycznego. Ponadto obecność MNA + spowodowała zwolnienie szybkości procesów naprawy przy jednoczesnym statystycznie istotnym wzroście wydajności procesów naprawy radiacyjnych uszkodzeń DNA. Wprawdzie uzyskane rezultaty wymagają jeszcze dogłębnych badań, ale wydaje się, że mogą sugerować możliwości zastosowania MNA + u pacjentów z udarem niedokrwiennym w celu zmniejszenia ryzyka skutków ubocznych związanych z licznymi procedurami diagnostycznymi z zastosowaniem promieniowania. A. Panek, A. Cebulska-Wasilewska, B. Wach, MNA + Influence on radiosensitivity and DNA repair kinetics in human lymphocytes from cerebral stroke patients evaluated by SCGE assay. Physical and biological basis of hadron radiotherapy. Satellite Symposium of the 14th International Congress of Radiation Research, Kraków, September 2-3, Bioidykacja terenów o podniesionym potencjale radiologicznym W okresie awarii Elektrownii Jądrowej w Fukushimie przeprowadzono środowiskowy monitoring genotoksyczności powietrza (skażeń promieniotwórczych, w tym 131 I) w okolicy Krakowa z zastosowaniem bioindykatora Tradescantia, który potwierdził czasowy wzrost genotoksyczności powietrza w okresie ekspozycji na związki promieniotwórcze będące skutkiem awarii. A. Panek, J. Miszczyk and A. Cebulska-Wasilewska, Applications of gene mutation assay in Trad-SH cells for monitoring ambient air genotoxicity after Fukushima nuclear power plant accidents. Korean Journal of Environmental Biology (2011) submitted. Zakład 56 zadanie 6. Obrazowanie i zlokalizowana spektroskopia magnetycznego rezonansu w badaniach biomedycznych 45

6 1. Badanie struktury i procesów fizjologicznych tkanek i narządów w stanach normalnych lub patologicznych metodami MRI/MRS. Zastosowanie nanocząsteczek do wczesnej detekcji glejaków mózgu na modelu zwierzęcym przy pomocy obrazowania molekularnego MR. Obrazowanie molekularne umożliwia wykrycie małych ilości komórek nowotworowych, co w perspektywie może przyczynić się do bardziej precyzyjnych procedur chirurgicznego ich usuwania. Dla określenia własności nanocząsteczek opartych na Fe 3 O 4 wykonano pomiary czasów relaksacji T 2 próbek agaru z zawieszonymi różnymi koncentracjami nanocząsteczek różniących się wielkością, wykorzystując tomograf MR 9.4 T. Uzyskane wyniki pozwoliły na znalezienie korelacji pomiędzy stężeniem nanocząsteczek i ich enkapsulacją a czasem relaksacji T 2. W następnej kolejności wykonano obrazowanie MR in vivo z użyciem modelu zwierzęcego. Jako celowane środki kontrastowe w mysim modelu glejaków mózgu wykorzystano Fe 3 O 4 połączone z Abs oraz markerem cy 5.5 (czuły w podczerwieni). W ten sposób uzyskano środek kontrastowy pozwalający na obrazowanie optyczne oraz magnetyczno-rezonansowe. Wykorzystując te dwie techniki oraz histopatologię zaobserwowano akumulację środka kontrastowego w obszarze glejaka. B. Tomanek, U. Iqbal, B. Błasiak, A. Abulrob, H. Albaghdadi, J. R. Matyas, D. Ponjevic, G. R. Sutherland. Evaluation of brain tumor vessels specific contrast agents for glioblastoma imaging. Neuro-Oncology 14(1):53-63, 2011; doi: /neuonc/nor183. B. Blasiak, Z. Zhang, X. Zhang, T. Foniok, G.R. Sutherland, T. Veres and B. Tomanek. The effect of coating of Fe3O4/silica core/shell nanoparticles on T2 relaxation time at 9.4. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 56, (2011). Współpraca z Institute for Biodiagnostics (West), National Research Council, Calgary, Canada. Zastosowanie obrazowania MR do badań wpływu diety na czynność serca na modelu zwierzęcym miażdżycy Do badań wykorzystano szczep myszy ApoE/LDLR -/- będący mysim modelem choroby miażdżycowej. Badania wykonano w dwóch stadiach rozwoju patologii, dla myszy karmionych dietą normalną i dietą o podwyższonej zawartości białka (LCHP Low Carbohydrate High Protein) przyspieszającą rozwój miażdżycy. W badaniach użyto unikatowej metodyki wykorzystującej protokół badania czynności serca przy użyciu obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w połączeniu z niskim oraz wysokim poziomem stymulacji β-adrenergicznej. Jak pokazały wcześniejsze badania czynnościowe na myszach TGαq*44 badanie tego typu inspirowane protokołem klinicznym może uwidocznić różne stany czynnościowe wynikające z niedokrwienia mięśnia sercowego. Celem badań była charakterystyka modelu ApoE/LDLR -/- pod kątem wpływu stopnia zaawansowania uszkodzenia naczyń na rozwój patologii serca. W pomiarach bazowych przed stymulacją zaobserwowano wyraźny efekt wzrostu akcji serca wraz z rozwojem miażdżycy przy jednoczesnym zmniejszeniu objętości wyrzutowej. Widoczne było również zmniejszenie wymiaru końcowo-rozkurczowego lewej komory przy zachowanej czynności skurczowej oznaczanej jako frakcja zmiany objętości warstwy w warunkach bazowych i po stymulacji β-adrenergicznej (zachowana rezerwa) dodatkowo potwierdzonej zmniejszeniem wymiaru końcowo-skurczowego po stymulacji (rezerwa skurczu). Otrzymane rezultaty pokazały istotne zmiany pomiędzy myszami ApoE/LDLR -/- i myszami kontrolnymi, ujawniły różnice między myszami karmionymi różną dietą i pokazały w większości przypadków jednofazową, narastającą odpowiedź na stymulację β- adrenergiczną. Wyraźne zmiany czynności przy zachowanej czynności skurczowej sugerują wczesny etap niewydolności rozkurczowej, będącej typowym etapem w rozwoju niewydolności serca wynikającej z patologii naczyń i zarazem będącej celem dalszych badań. 46

7 U. Tyrankiewicz, T. Skórka, M. Jabłońska, A. Orzeł, E. Maslak, M. Franczyk-Zarów, R. Kostogrys, S. Chłopicki: Changes in cardiac function in ApoE/LDLR-/- mice fed normal or arherogenic diet; II Interdyscyplinarne Seminarium JCET (Śródbłonek w chorobach cywilizacyjnych), 8-10 grudnia 2011, Kraków. Prace prowadzone są we współpracy z Zakładem Farmakologii Doświadczalnej Katedry Farmakologii Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz z Uniwersytetem Rolniczym w Krakowie. Zastosowanie obrazowania dyfuzji w badaniach porównawczych wpływu terapii komórkowych oraz farmakologicznych na zachowanie markerów stanu aksonów oraz osłonek mielinowych tkanki nerwowej rdzenia kręgowego po urazie, na modelu zwierzęcym w warunkach in vivo. W badaniach zastosowano uraz przy pomocy impaktora ciśnieniowego. Porównano efekty trzech terapii komórkowych (komórki macierzyste, mikroglej oraz komórki Schwanna) oraz trzech terapii farmakologicznych (nikotyna, ebselen i acetylocysteina). Na podstawie obrazów MR, ważonych T2 oraz dyfuzją w kierunku wzdłuż i w poprzek rdzenia dokonano oceny występowanie zmian makroskopowych związanych z uszkodzeniem oraz zmiany parametrów dyfuzji anizotropowej (DL, DT) będących markerami aksonów i mieliny. Stwierdzono że optymalne efekty dla przywrócenia tkanki nerwowej po urazie do stanu zbliżonego do tkanki nieuszkodzonej daje terapia komórkami macierzystymi. P. Rosicka, K. Majcher, W. Marcol, W. Ślusarczyk, T. Banasik, J. Lewin-Kowalik, W.P. Węglarz, The search for spinal cord injury limiting strategies in rats using DW - MRI, ESMRMB 2011 Congress, Leipzig, Germany. Prace prowadzone są we współpracy ze Śląskim Uniwersytetem Medycznym w Katowicach. 2. Zastosowanie obrazowania MR do badania procesów uwalniania substancji czynnych leków w układach modelowych Ciąg dalszy opracowania danych z pomiarów wykonanych na mikroskopie MR w polu 11.7 T (500MHz). Na podstawie wyników pomiarów i analizy wieloskładnikowej rozkładu przestrzennego czasów relaksacji T2 uwadnianej, skompresowanej matrycy HPMC wyróżniono cztery obszary (polimer w stanie szklistym, dwa obszary przejściowe oraz obszar zewnętrzny - warstwa żelowa) i cztery fronty (penetracji, pełnego uwodnienia, powstania warstwy żelowej, erozji). Dodatkowo, analiza obrazu pozwoliła na zaobserwowanie pojawienia się sygnału o bardzo krótkim T2 w ramach obszaru polimeru w stanie szklistym. Jest to nowe podejście do morfologii uwadnianej matrycy HPMC metodami obrazowania MR. Do tej pory w takich układach wyróżniano dwa, niekiedy tylko trzy obszary o różnych właściwościach fizykochemicznych. Wyniki zestawiono z literaturowymi danymi uzyskanymi metodą FTIR. Przygotowano publikację dotycząca morfologii czystej matrycy polimerowej HPMC. Prace prowadzone we współpracy z Katedrą Farmacji Collegium Medicum UJ w Krakowie, Institute for Biodiagnostics NRC, Winnipeg, Canada, University of Toronto, Toronto, Kanada. 3. Rozwój technologii obrazowania tensora dyfuzji Prowadzono prace mające na celu rozwój metody pomiaru tensora dyfuzji w eksperymentach DTI, których założenia zawarto w zgłoszeniach patentowych pt. Anisotropic diffusion phantom for calibration of diffusion tensor imaging pulse sequences used in MRI. Wykonano pierwsze eksperymenty na najnowocześniejszym systemie tomograficznym 9.4 T, który został zainstalowany w pracowni MRJ IFJ PAN. Eksperymenty przeprowadzono korzystając z ultra nowoczesnych fantomów pełniących rolę wzorca tensora dyfuzji wody dla układów anizotropowych. Wzorce (fantomy) 47

8 w postaci kanapek złożonych z cienkich (100 um) niemagnetycznych warstw szklanych przedzielonych cienką (odpowiednio 10um, 20um, 30um) warstwą wody, hydrożelu lub innej substancji zawierającej jądra wodoru, wykonano na zlecenie w Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Eksperymenty wykazały faktyczną możliwość poprawy pomiarów tensora dyfuzji w ekperymentach DTI przy pomocy metody chronionej zgłoszeniami patentowymi. Współpraca z Wojskową Akademią Techniczną w Warszawie. 4. Rozwój metod i oprzyrządowania do obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej MR Projekt, konstrukcja i testy mikropaskowej cewki RF do obrazowania magnetycznorezonansowego. Ilościowe obrazowanie MR obiektów o małych rozmiarach takich jak pojedyncze komórki lub klastry komórek wymaga zastosowania cewek radiowej częstości (RF) zapewniających jednorodne pole B 1 oraz wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR). W ramach poszukiwania rozwiązań zapewniających takie warunki zaprojektowano, wykonano i przetestowano konstrukcję mikropaskowej cewki RF umożliwiającej obrazowanie obiektów o niewielkich rozmiarach. Mikrocewka składa się z dwu równoległych mikropasków przewodzących prąd RF w dwu przeciwnych kierunkach, generujących jednorodne pole RF w przestrzeni pomiędzy paskami. Do optymalizacji geometrii cewki wykorzystano obliczenia teoretyczne i symulacje metodą elementów skończonych, co pozwoliło uzyskać optymalny rozkład B 1 oraz SNR w obszarze próbki. Obliczenia teoretyczne i symulacje zostały potwierdzone poprzez uzyskanie obrazów MR kapilary o średnicy 1 mm oraz tkanek roślinnych. Uzyskana rozdzielczość przestrzenna wyniosła 24 mikrometry w płaszczyźnie obrazu. Konstrukcja ta jest relatywnie prosta, wydajna i niskokosztowa. K. Jasiński, A. Młynarczyk, P. Latta, V. Volotovskyy, W. P. Węglarz, B. Tomanek, A volume microstrip RF coil for MRI microscopy, Magnetic Resonance Imaging, praca zaakceptowana do druku w Prace prowadzone we współpracy z Institute for Biodiagnostics National Research Council, Winnipeg, Kanada. Opublikowano w 2011 roku 4 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. Zakład 52 zadanie 7. Badanie zmienności układów biologicznych i środowiskowych oraz innych układów złożonych 1. Pomiar zawartości pierwiastków śladowych w próbkach biologicznych, medycznych i środowiskowych oraz określenie wpływu metali ciężkich na procesy fizjologiczne metodami PIXE i PIGE z użyciem wiązek jonów z akceleratora typu Van de Graaffa. Przeprowadzano różnorodne pomiary zarówno na stanowisku pomiarowym szerokiej wiązki protonów jak w układzie mikrowiązki protonowej Przebadano następujące materiały i obiekty: badania materiałowe: wyznaczano skład matrycy i ewentualnych domieszek w próbkach numizmatycznych (głownie srebrne monety), próbkach stopów metali (stale, stopy Wooda), wyznaczano koncentracje domieszek w granulatach PET i innych materiałach chemicznych. Badania te miały charakter użytkowy i były dokonywane bądź na zlecenie, bądź w ramach prac magisterskich. badania biomedyczne i środowiskowe: pomiary pierwiastków śladowych i rozkładów pierwiastków w porostach (współpraca z Instytutem Biologii Molekularnej UJ) i w skorupiakach (małżoraczkach) (współpraca z Wydziałem Biologii Uniwersytetu 48

9 Gdańskiego). Wykonane pilotażowe pomiary próbek gleby zostały wykorzystane w przygotowanym wniosku o grant NCN pt. Tereny metalonośne po górnictwie metali nieżelaznych w Polsce południowo-wschodniej analiza warunków siedliskowych i szaty roślinnej, złożonego wspólnie z Instytutem Biologii Molekularnej UJ. 2. Pomiar składu pierwiastkowego, oznaczanie stopnia utlenienia fosforu, siarki i metali z III grupy oraz określenie lokalnej struktury wokół atomu centralnego w materiałach biomedycznych, w oparciu o metody wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe oraz techniki spektroskopii wibracyjnej Analizom poddano różne związki siarki oraz tkanki i linie komórkowe. Celem badań była próba ustalenia udziału różnych związków siarki poprzez ocenę stopnia utlenienia tego pierwiastka w materiale biologicznym. Poprzez analizę rozkładu gęstości stanów elektronowych w wybranych układach związków siarki opracowano model analizy danych. Badania prowadzone były głównie przy wykorzystaniu wiązek promieniowania synchrotronowego w Paryżu (synchrotron SOLEIL) i Karlsruhe (synchrotron ANKA), a także w Hamburgu (synchrotron w HASYLAB), LNF Frascati, oraz we współpracy z Katedrą Histologii CM UJ. Wyniki prac opublikowano w Rad. Phys. and Chemistry 80 (2011) Ponadto prowadzono prace badawcze nad bioaktywnością chitozanu jako biomateriału nanokompozytowego. W tym celu wykorzystano metodę spektroskopii wibracyjnej. Badania prowadzono we współpracy z AGH. Wyniki opublikowano w J. Biomim. Biomas. Tiss. Eng., 10 (2011) Badanie własności mechanicznych (elastyczność, adhezja) układów biologicznych z użyciem mikroskopu sił atomowych (AFM) Kontynuowano prace związane z projektem 7. PR EU Single molecule workstation związane z detekcją pojedynczych komórek hodowanych w mieszaninie zawierającej komórki prawidłowe i nowotworowe. Wyniki pokazały, że można jednoznacznie stwierdzić na podstawie pomiaru elastyczności, które komórki są nowotworowe a które nie. Podobny wynik został uzyskany dla przypadku, gdzie rozróżniane były komórki czerniaka pochodzące z pierwotnego ogniska nowotworu oraz z przerzutu do skóry. Wyniki przedstawiono w pracy przyjętej do druku w czasopiśnie Micron. Współpraca z Politechniką w Lozannie, 7. PR UE SMW. We współpracy z Katedrą Biochemii Lekarskiej CM UJ, wykonano pomiary elastyczności tkanek pobranych od pacjentek ze zdiagnozowanym rakiem trzonu macicy, sromu i piersi. Uzyskane rezultaty pokazały, że mikroskopia sił atomowych może być stosowana do oceny materiału tkankowego z przeprowadzaną równolegle rutynową oceną histopatologiczną. Wyniki zaowocowały pracą wysłaną do Archives of Biochemistry and Biophysics która pojawi się na początku 2012 roku. We współpracy z Instytutem Fizyki UJ w Krakowie kontynuowano prace badawcze poświęcone projektowaniu macierzy białkowo-polimerowych stosowanych jako podłoża do badań adhezji komórkowej (część wyników została opublikowana w artykule, który pojawi się na początku 2012 roku w Coll. Surf. B: Biointerf. Kontynuowano pomiary własności elastycznych biopsji tkankowych pochodzących od pacjentów ze zdiagnozowaną dysfunkcją mięśniową (tj. dystrofia Duchenne, Beckera, miopatia nitkowata). Na podstawie uzyskanych wyników jest przygotowywana publikacja. Współpraca z Politechniką w Lozannie oraz z Instytutem Fizyki Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu. 4. Zastosowanie mikrowiązki promieniowania X oraz mikrowiązki jonowej pojedynczych jonów do badań uszkodzeń radiacyjnych komórki, procesów ich naprawy oraz dróg sygnalizacji międzykomórkowej. 49

10 Używając stanowiska do mikrotomografii komputerowej (µct) prowadzono badania degeneracji dysków międzykręgowych (wspólnie z Zakładem Neurochirurgii Łódzkiej Akademii Medycznej i Instytutem Fizyki PAN). Z użyciem metod biochemicznych oraz analizy fourierowskiej w podczerwieni badano reakcje komórek raka prostaty (linia komórkowa PC-3) na naświetlanie wiązką protonów o energii 1 2 MeV. Wyniki badań zostały będą opublikowane w General Physiology and Biophysics, oraz w Acta Physica Polonica A w 2012 roku. 5. Rozbudowa traktu pomiarowego dla mikrotomografii i analiz TRXRF oraz naświetlań komórek w oparciu o mikrowiązkę promieniowania rentgenowskiego. Prowadzono prace nad dalszą rozbudową linii eksperymentalnej do napromieniania pojedynczych żywych komórek przy stanowisku mikrowiązki rentgenowskiej w IFJ, Zmodyfikowano system pozycjonowania próbek przeznaczonych do naświetlań. Wyniki prac opublikowano Raport IFJ 2053/AP. Z użyciem mikrowiązki promieniowania rentgenowskiego wykonano z powodzeniem pilotażowe pomiary obiektów biologicznych z użyciem metody kontrastu fazowego. Do analizy danych wykorzystano pakiet programów X-TRACT opracowany w CSIRO (Australia), umożliwiający odtworzenie przesunięcia fazowego z zarejestrowanych rentgenogramów. Nawiązana współpraca z IEE, Słowacka Akademia Nauk zaowocowała wspólną publikacją w Journal of Instrumentation, praca dostępna online: Opracowana została metodyka wyznaczania przepuszczalności hydrodynamicznej wybranych ośrodków porowatych. Zostało również uruchomione oraz przetestowane oprogramowanie wykorzystujące metodę LBM oparte o kod Palabos dostępny na zasadach licencji GNU (General Public License). Dokonano pomiarów składu pierwiastkowego oraz mikroporowatości i pokrewnych parametrów próbek skał (współpraca z Wydziałem Geologii AGH), wyniki będą opublikowane w Acta Physica Polonica w 2012 roku. Metody wypracowane w badaniach struktur geologicznych zastosowano też w pilotażowym eksperymencie prowadzonym z lekarzami klinik krakowskich, mającym na celu badania struktury naczyń krwionośnych nerek (Radiation Physics and Chemistry, praca dostępna online, doi: /j.radphyschem ). 6. Obrazowanie mikrostruktur w układach złożonych metodami komplementarnymi Przeprowadzono badania zastawek z uwagi na procesy ich zwapniania w związku z różną dietą. Celem badań była korelacja rozkładu pierwiastkowego i rozkładu grup funkcyjnych specyficznych wiązań chemicznych z obrazem histologicznym. Badania prowadzono w zakresie podczerwieni oraz promieniowania X (synchrotron ANKA w Karlsruhe, HASYLAB w Hamburgu oraz SOLEIL we Francji). Prace prowadzone były we współpracy z Katedrą Histologii CM UJ. Wyniki prac opublikowano w Radiation Phys. And Chemisty 80 (2011) Z powyższego zadania w roku 2011 opublikowano łącznie 8 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład 59 zadanie 8. Rozwój i zastosowanie metod pomiaru substancji śladowych dla zagadnień fizyki środowiska, hydrogeologii i medycyny 1. Pomiary stężeń związków chlorowcowych CFC, SF 6 oraz wodoru w obszarze aglomeracji krakowskiej i analiza wpływu cyrkulacji meteorologicznych powietrza na lokalne i globalne stężenie tych związków. 50

11 Kontynuowane były ciągłe pomiary stężeń związków chlorowcowych (CFCs) w gęsto zaludnionym obszarze miejskim Krakowa. Są to następujące związki: trichlorofluorometan CCl 3 F (F-11), dichlorodifluorometan CCl 2 F 2 (F-12), 1,1-dichloro-1-fluoro-2-chloro- 2,2-difluoroetan - CCl 2 FCClF 2 (F113), chloroform (CHCl 3 ), 1,1,1-trichloroetan (CH 3 CCl 3 ), tetrachlorometan (CCl 4 ) i sześciofluorek siarki (SF 6). Współpraca z AGH w projekcie badawczym 7. PR UE INGOS, Integrated non-co 2 Greenhouse gas Observation System (Infrastructures). 2. Opracowanie chromatograficznej metody pomiaru stężenia gazów szlachetnych w wodzie w zakresie stężeń istotnych dla badań hydrogeologicznych. Testowano w pomiarach terenowych opracowaną metodę jednoczesnego pobierania czterech próbek wody oraz badano w laboratorium metodę równoczesnego pomiaru Ne, Ar i He bez wzbogacania próbki, stosując dwutorowy układ chromatograficzny z dwiema kolumnami kapilarnymi i dwoma detektorami TCD. Wyniki pomiaru He były porównywane z metodą analizy He ze wzbogacaniem próbki. Opracowana metoda jednoczesnego pomiaru Ar, Ne i He była zastosowana do badania wód termalnych niecki podhalańskiej we współpracy z PIG Oddział Karpacki. W oparciu o te metody wykonywane będą zlecone pomiary datowania wód na Pomorzu w okolicach Żarnowca, realizowane w ramach grantu NCBiR. 3. Opracowanie metody pomiaru śladowych ilości lotnych substancji organicznych w wydychanym powietrzu w oparciu o technikę GC/MS. Prowadzono badania nad oznaczaniem amin w wydychanym powietrzu z płuc, będące ważnym zagadnieniem dla diagnostyki medycznej. Przeprowadzono wstępne testy badawcze w grupie pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek. Współpraca z Breath Research Institute Austrian Academy of Science w Innsbrucku (Austria), Prof. Dr Anton Amman. zadanie 9. Badanie stężeń pierwiastków promieniotwórczych w środowisku i w próbkach materiałowych Zakład 57 i NLP 1. Rozwój metodyki badania skażeń promieniotwórczych środowiska. Doskonalenie metod wydzielania pierwiastków promieniotwórczych i preparatyki źródeł dla potrzeb monitoringu emiterów alfa i beta w środowisku naturalnym. Prace nad powiązaniem procedur do oznaczeń 63 Ni. Przeprowadzono pozytywne testy powiązania procedury oznaczeń Ni-63 z ciągiem procedur radiochemicznych służących oznaczeniom Pu, Sr-90, Am i U. Wykorzystanie spektrometrii masowej w pomiarach radioaktywności środowiska (współpraca z ING PAN oraz z Wydziałem Chemii UJ). W związku z trudnościami z usunięciem śladów rutenu z frakcji technetowej przeprowadzono testy służące określeniu przydatności stabilnego Re (renu) jako analoga Tc w roli znacznika wewnętrznego przy pomiarach na spektrometrze masowym. Niestety nie znaleziono warunków, przy których nie następuje frakcjonowanie pomiędzy Re i Tc dla próbek rzeczywistych, a więc o bogatym składzie matrycy. Tym samym porzucono koncepcję stosowania Re w roli znacznika dla próbek osadów torfów czy też gleby, jednocześnie jednak dla próbek o prostych matrycach (woda, rośliny) analogia pomiędzy Re i Tc została potwierdzona. Wykorzystanie pomiarów spektrometrycznych stężeń emiterów alfa, beta i gamma w badaniach środowiska i w badaniach czystości radiologicznej próbek materiałowych; (Laboratorium Akredytowane na pomiary gamma spektrometryczne). 51

12 Uzyskano akredytację na pomiary gamma-spektrometryczne. Wykonano kilkadziesiąt analiz dla zleceniodawców spoza IFJ PAN. Opracowanie techniki pomiaru zawartości substancji gamma-promieniotwórczych licznikiem całego ciała. Wykonano serię pomiarów personelu szpitalnego, pracowników narażonych zawodowo na kontakt z I-131 i Tc-99m. Prowadzono też pomiary skażeń w ciele kilku osób powracających z Japonii, eksponowanych na opad z katastrofy w elektrowni jądrowej w Fukushimie. 2. Zastosowanie nowo opracowywanych kompozytowych sorbentów z elementami magnetycznymi do badań mechanizmu sorpcji i desorpcji cezu z próbek środowiskowych oraz pomiary stężeń izotopów promieniotwórczych 137 Cs, 40 K, 210 Po i 210 Pb i niektórych metali ciężkich (Pb, Cr, Zn i Cd) w próbkach środowiskowych: a) badanie wieku osadów dennych Zbiornika Dobczyckiego metodą pomiaru izotopów radioaktywnych b) badanie zawartości 137 Cs i 40 K oraz wybranych metali ciężkich w próbkach gleby, osadów dennych stawów tatrzańskich (Staw Smreczyński) i roślin, pobranych na terenie Tatr polskich i słowackich (współpraca z TPN i TANAP) oraz na terenie Karpat Fliszowych (teren Babiogórskiego Parku Narodowego, Beskidu Nowosądeckiego i Beskidu Niskiego). Z powyższej tematyki opublikowano w 2011 r. 8 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Laboratorium NLR 1. Badanie radonu i jego pochodnych w różnych komponentach środowiska, doskonalenie technik pomiarowych Zespół NLR uczestniczył w międzynarodowych pomiarach interkalibracyjnych: Ist International Intercomparison Exercise on Natural Radiation Measurements under Field Conditions zorganizowanych przez University of Cantabria, Hiszpania. Interkalibracja dotyczyła pomiarów: mocy równoważnika dawki, stężeń radonu w glebie, w wodzie i w powietrzu. W ramach współpracy z Jožef Stefan Institute, (Ljubljana, Slovenia) przeprowadzono pomiary stężeń radonu i naturalnej promieniotwórczości w wybranych lokalizacjach w Słowenii. Wyniki pomiarów wykorzystano w realizowanej pracy magisterskiej obronionej w Uniwersytecie Nova Gorica. Prowadzono także testy urządzeń pomiarowych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych w komorze radonowej. Rozpoczęto badania wpływu parametrów powietrza wewnętrznego na dynamikę zmian stężeń radonu i jego pochodnych. Prace te prowadzone są we współpracy z Wydziałem Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej w ramach grantu NCN "Wpływ parametrów powietrza wewnętrznego na dynamikę zmian stężenia radonu (Rn-222) i jego pochodnych". W oparciu o wyniki uzyskane w trakcie realizacji grantu MNiSW Sezonowe zmiany stężenia radonu w budynkach mieszkalnych opublikowano artykuł w czasopiśmie Applied Radiation and Isotopes. 2. Badanie procesu transportu radonu w warunkach laboratoryjnych Prowadzone w ramach tego tematu prace zakończyły się obroną rozprawy doktorskiej mgr Hayk a Hovhannisyan pt. Badanie transportu radonu w ośrodku porowatym na stanowisku laboratoryjnym. Praca została obroniona w IFJ PAN. 3. Kontynuacja pomiarów stężeń izotopów promieniotwórczych w próbkach środowiskowych 52

13 Kontynuowano badania stężeń pierwiastków promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych, a także w próbkach gleby. Wydano 90 sprawozdań z badań oraz opinii o możliwości zastosowania badanych materiałów w budynkach przeznaczonych na stały pobyt ludzi. Z powyższej tematyki opublikowano w 2011 r. 2 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR oraz rozdział w monografii w języku angielskim. zadanie 10. Dozymetria termoluminescencyjna w medycynie i ochronie przed promieniowaniem Zakład Opracowanie detektorów termoluminescencyjnych i metod dozymetrycznych do pomiarów dawek w medycynie i ochronie przed promieniowaniem Wyznaczono rozkład radialny dawki cząstek alfa metodą termoluminescencyjną. P. Olko, P. Bilski, W. Gieszczyk, L. Grzanka, B. Obryk, Microdosimetric analysis of response of LiF:Mg,Cu,P (MCP-N) TL detectors for alpha-particles and ultra-high doses of gamma-rays, Radiat. Meas., 46 (2011) Kontynuowano prace nad projektem nowego czytnika TL wyposażonego w kamerę CCD do odczytu detektorów TL w celu opracowania systemu rozróżniania ekspozycji statycznej i dynamicznej w dozymetrii indywidualnej w oparciu o dwuwymiarowy pomiar termoluminescencji. Wykonano pierwsze pomiary fotoluminescencji detektorów LiF napromienionych w różnych polach promieniowania za pomocą nowo konstruowanego czytnika do pomiarów fotoluminescencji, wyposażonego w diodę niebieską, fotopowielacz Hamamatsu i zestaw filtrów interferencyjnych. Opracowywano metodę pomiaru dawek promieniowania w polach mieszanych w oparciu o detektory na bazie LiF stosując łączny pomiar PL oraz TL. 2. Zastosowanie detektorów TL w dozymetrii mieszanych pól promieniowania, w tym promieniowania kosmicznego W roku 2011 zakończyła się ekspozycja detektorów na stacji kosmicznej ISS w ramach etapu MTR-KIBO eksperymentu MATROSHKA (7. PR HAMLET ) i przeprowadzone zostały odczyty detektorów. Zakończona została analiza wyników z etapów MTR-2a i - 2b. Zrealizowano także analizę wyników z eksperymentu DOSIS Europejskiej Agencji Kosmicznej, oraz kontynuowano badania wydajności detektorów dla jonów (m. in. akcelerator HIMAC w Chibie). Bilski, P., Berger, T., Hajek, M., Reitz, G., Comparison of the response of various TLDs to cosmic radiation and ion beams: current results of the HAMLET project. Radiat. Meas. 46, Bilski, P., 2011, Calculation of the relative efficiency of thermoluminescent detectors to space radiation. Radiat. Meas. 46, Opublikowano w 2011 roku 17 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. Ochrona radiologiczna Kontynuowano prowadzenie rutynowej ochrony przed promieniowaniem pracowników w 20 pracowniach izotopowych IFJ PAN. Prowadzono pomiary dawek indywidualnych dla 40 pracowników kategorii narażenia A, dla 172 pracowników kategorii narażenia B oraz pomiary dawek w 110 miejscach w środowisku pracy w cyklu kwartalnym 53

14 i miesięcznym. Przeszkolono z zakresu ochrony radiologicznej 29 osób rozpoczynających pracę w warunkach narażenia na promieniowanie jonizujące. Inspektorzy ochrony radiologicznej uczestniczyli w 42 pomiarach wokół stanowiska terapii protonowej oka, i w kilku pozostałych pomiarach dozymetrycznych. zadanie 11. Inżynieria cienkich warstw, powłok i nanomateriałów Zakład Modyfikacja struktury nanomateriałów o prostopadłej anizotropii magnetycznej poprzez domieszkowanie i obróbkę termiczną Przeprowadzono badanie lokalnej struktury stopów FePd domieszkowanych miedzią. Określono warunki technologiczne przemiany strukturalnej z fazy nieuporządkowanej do fazy L10. Porównano rozmiary i kształt ziaren przy pomocy metod EXAFS i XRD i wykazano, że metody te są komplementarne (Journal of Applied Physics 109, (2011)). Porównano wpływ podłoża na strukturę krystalograficzną cienkowarstwowych domieszkowanych stopów FePd dla czterech różnych podłoży monokrystalicznych. Określono parametr uporządkowania daleko zasięgowego, parametry komórki elementarnej uporządkowanego stopu, rodzaj tekstury i jej kierunek oraz rozmiar ziaren. (Journal of Applied Physics 111 (2012) ). Współpraca z Uniwersytetem w Chemnitz (Niemcy). Koordynator: M. Albrecht oraz współpraca z Uniwersytetem w Sumach (Ukraina). Koordynator: I. Protsenko. 2. Nanostrukturyzacja magnetycznych układów cienkowarstwowych wiązkami jonowymi, wiązką lasera oraz metodami chemicznymi Metodą naświetlania laserem impulsowym roztworów koloidalnych nanocząstek przeprowadzono syntezę sferycznych submikronowych cząstek nanokompozytowych Fe 3 O 4 /FeO, wykazujących oddziaływanie wymienne typu "exchange bias" oraz syntezę sferycznych submikronowych cząstek nanokompozytowych Au/Fe x O y, wykazujących własności optyczno-magnetyczne. Rozmiar, struktura i skład cząstek były kontrolowane poprzez zmianę parametrów naświetlania (długość fali, gęstość energii wiązki lasera, czas naświetlania). Stwierdzono, że wielkość, skład i właściwości magnetyczne otrzymanych cząstek mogą być precyzyjnie kontrolowane poprzez parametry naświetlania. Współpraca z National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japonia. 3. Mikrostuktura powłok, warstw gradientowych oraz cienkich warstw formowanych metodami jonowymi i plazmowymi. (Centrum Doskonałości IONMED) Metodami jonowymi formowano złożone wielopierwiastkowe i wielowarstwowe powłoki typu DLC oraz amorficzne powłoki typu C(metal), dla metali takich jak Ti, Ag, Ir, Pt. Stwierdzono wpływ wprowadzanych domieszek na własności mechaniczne, biozgodność oraz bioaktywność a także na hydrofobowość uformowanych powłok. Stwierdzono dwukrotny wzrost twardości układu UHMWPE powłoka C(Ti). Badano oddziaływania wybranych aminokwasów z formowanymi powłokami. W szczególności badano oddziaływanie cysteiny z UHMWPE z warstwą srebra lub z amorficzną powłoką węglową domieszkowaną srebrem. Stwierdzono wpływ jonów Ag, wprowadzonych do amorficznej powłoki węglowej, na przestrzenne ułożenie molekuł cysteiny. Badania prowadzono przy współpracy Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Przy pomocy metody nanoszenia laserem impulsowym przygotowano i scharakteryzowano powłoki z bioaktywnego szkła 42S5.2 Na-K, ważne z punktu widzenia implantologii medycznej. Powłoki wytworzone na podłożu tytanowym wykazały strukturę i obraz wiązań chemicznych charakterystycznych dla bioaktywnego szkła. Bioaktywność powłok 54

15 została dodatkowo potwierdzona w teście in vitro. Wyniki zostały opublikowane w Acta Physica Polonica A 121 (2012) Spektroskopowe metody jądrowe w badaniach nanomateriałów, stopów i związków międzymetalicznych. Badano wpływ tlenu na strukturę i własności magnetyczne nanokompozytów FeCoZr Pb(ZrTi)O 3. Określono związek pomiędzy ciśnieniem parcjalnym tlenu podczas syntezy nanokompozytów a walencyjnością żelaza w ziarnach kompozytu. Badano zmiany progu perkolacji w granulowanych nanokompozytach w zależności od ciśnienia parcjalnego tlenu podczas ich syntezy. Physics of the Solid State, 2012, Vol. 54, No. 1, pp Współpraca z Uniwersytetem w Mińsku, Białoruś. Metodą zaburzonych korelacji kątowych promieniowania gamma badano martenzytyczne przejścia fazowe w stopach NiTi i TiPd domieszkowanych In i Hf oraz Zr o różnych koncentracjach. Zmiana mierzonej wartości gradientu pola elektrycznego odzwierciedla zmianę sieci krystalicznej w najbliższym otoczeniu próbników jądrowych pozwalając na wyznaczenie temperatury przejścia martenzytycznego i szerokości jego histerezy. Wyznaczono temperaturę przejścia martenzytycznego (M S = 330(2) K) dla stopu TiNi domieszkowanego 1.1 at.% Hf. Dla związku TiPd domieszkowanego Zr wyznaczone temperatury przejścia martenzytycznego wynosiły odpowiednio M S 710 (5) K i M S 680 (10) K dla 0.99 at.% Zr i 2.33 at.% Zr. Współpraca z Uniwersytetem w Getyndze, Niemcy. W roku 2011 opublikowano 3 prace w czasopismach wyróżnionym w JCR. zadanie 12. Ocena zagrożenia wtórnymi nowotworami w radioterapii protonowej. Radiobiologiczne aspekty radioterapii jonowej Zakład Optymalizacja konfiguracji elementów formowania wiązki na stanowisku radioterapii prace modelowe oraz dozymetria wiązki protonowej; Prowadzono prace koncepcyjne, pomiarowe i obliczeniowe dotyczące elementów formowania wiązki. Wykonano pomiary klinów w wiązce protonowej. 2. Opracowanie systemu rozpraszania wiązki dla stanowiska protonoterapii oka przy nowym cyklotronie w Narodowym Centrum Radioterapii Hadronowej Centrum Cyklotronowe Bronowice. Wykonano prace studyjne dotyczące stanowiska do naświetlań radiobiologicznych w nowej hali pomiarowej. Samodzielna Pracownia NZ62 3. Minimalizacja dawki na całe ciało pacjenta, pochodzącej od promieniowania rozproszonego i generowanego na elementach formowania i monitorowania wiązki W 2011 roku prowadzono prace nad minimalizacją dawki pochodzącej od promieniowania rozproszonego generowanego na elementach układu jonowodów oraz układu formowania wiązki. Wykonywano obliczenia Monte Carlo w celu wybrania optymalnych miejsc lokalizacji osłon. Zamontowano dodatkowe osłono przed stanowiskiem radioterapii oraz w obszarze ławy optycznej. Wykonano pomiary dawki od promieniowania rozproszonego po instalacji osłon. Wyniki prac prezentowano na konferencjach naukowych oraz w trakcie warsztatów. 55

16 4. Pomiary dawek od promieniowania rozproszonego z wykorzystaniem fantomu antropomorficznego W 2011 roku kontynuowano prace mające na celu poznanie i scharakteryzowanie pola promieniowania wtórnego, generowanego na stanowisku radioterapii nowotworów oka w trakcie sesji radioterapeutycznych. W pomiarach wykorzystano antropomorficzny fantom ciała ludzkiego oraz aktywne i pasywne dawkomierze promieniowania. Wyniki pomiarów porównywano z wynikami obliczeń numerycznych przeprowadzonych z wykorzystaniem programu MCNPX. Stwierdzono, że 90 % równoważnika dawki deponowanego w ciele pacjenta przez promieniowanie wtórne pochodzi od komponentu neutronowego pola promieniowania. Przeprowadzone pomiary pozwoliły również pozytywnie zweryfikować skuteczność zmian wprowadzonych w konfiguracji stanowiska radioterapii w postaci osłon redukujących narażenie pacjenta na promieniowanie wtórne. Stolarczyk, L., Cywicka-Jakiel, T., Horwacik, T., Olko, P., Swakoń, J., Waligórski, M.P.R. Evaluation of risk of secondary cancer occurrence after proton radiotherapy of ocular tumours, Radiation Measurements, 2011, vol. 46, issue 12, pp zadanie 13. Uruchomienie stanowiska radioterapii oraz wdrożenie i prowadzenie radioterapii protonowej nowotworów oka Samodzielna Pracownia NZ62 1. Optymalizacja procesu prowadzenia radioterapii protonowej nowotworów oka; 2. Doskonalenie metod pomiaru parametrów wiązki protonowej w zastosowaniach klinicznych; 3. Wdrożenie nowych metod kontroli dawki i poprawa precyzji pomiaru dawki na stanowisku radioterapii; 4. Doskonalenie metod planowania radioterapii protonowej nowotworów oka; 5. Uczestniczenie zespołu IFJ PAN w prowadzeniu radioterapii protonowej nowotworów oka. W lutym 2011 roku przeprowadzono po raz pierwszy w Polsce pełne, udane cykle radioterapii protonowej nowotworów oka dla pierwszych 2 pacjentów Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie. W następnych miesiącach przeprowadzono kolejne trzy sesje radioterapii protonowej nowotworów oka. Łącznie w 2011 radioterapię protonową przeprowadzono dla 11 pacjentów z czerniakiem błony naczyniowej gałki ocznej. Zabiegi te przeprowadzono we współpracy z Kliniką Okulistyki i Onkologii Okulistycznej CM UJ oraz z Centrum Onkologii Oddział w Krakowie oraz Działem DC IFJ PAN. Prace prowadzone były w ramach eksperymentu medycznego, za zgodą Komisji Etyki Lekarskiej. Wyniki prezentowane były na licznych seminariach i konferencjach w kraju i za granicą. 56