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, NZ56, NZ57, NZ59, NZ61, NZ63, MZ64, Samodzielnej Pracowni NZ62 oraz w Laboratoriach NLW, NLD, NLR i NLP. Prace techniczne w Dziale DCP. Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2015 r. 73 publikacjami w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). Zakład 44 zadanie 1. Interdyscyplinarne aspekty fizyki układów złożonych 1. Identyfikacja uniwersalnych charakterystyk złożoności: - multifraktalne procesy stochastyczne - teoria sieci złożonych - specyfika rozkładów fluktuacji w systemach złożonych - zjawiska krytyczne i efekty synchronizacji w dynamice finansów - modele oddziałujących agentów - zagadnienia lingwistyki ilościowej - wieloskalowa organizacja utworów muzycznych 2. Dynamika nieliniowa i chaos klasyczny Rozwijano metodologię badania wieloskalowych aspektów dynamiki układów złożonych dla pojedynczych szeregów czasowych a także w celu ilościowego ujmowania potencjalnych korelacji i ich charakteru dla wielu szeregów czasowych reprezentujących dynamikę różnych składowych takich układów. Poddano też w szczególności interpretacji efekty asymetrii spektrów osobliwości poprzez zaproponowanie modeli, które poprawnie odtwarzają takie efekty w szeregach czasowych dla danych empirycznych. Zidentyfikowano różne mechanizmy asymetrii odpowiednio lewo- i prawostronnej. Zaproponowano rozszerzenie opisu korelacji pomiędzy dwoma szeregami czasowymi przy użyciu metod typu współczynnika Pearsona w ten sposób, że metoda rozszerzona pozwala badać zmienność siły korelacji w funkcji amplitudy fluktuacji. Efekty wieloskalowe badano również stosując koncepcję sieci złożonych dla tekstów lingwistycznych ze szczególnym uwzględnieniem zależności najkrótszej ścieżki pomiędzy węzłami od rozmiaru sieci, jaką w tym przypadku jest długość tekstu. Zaproponowano też model typu oddziałujących agentów generujący efekt emergentnego pojawiania się uniwersalnego towaru, który może być interpretowany jako pieniądz. Analizy wieloskalowe, zwane multifraktalnymi, są w ogólności niezwykle cennym źródłem informacji o wzajemnej relacji zjawisk zachodzących na różnych poziomach złożoności. W artykule opublikowanym w Physical Review E 91, (R) (2015) przy użyciu powyższych metod zidentyfikowano zaskakującą, silnie prawostronną asymetrię rozkładu spektrów osobliwości dynamiki zmienności liczby plam na Słońcu. Otrzymany wynik oznacza, że zmiany na poziomie małych liczb plam są zorganizowane w multifraktalne hierarchie kaskad, podobnych do tych jakie są generowane przez zjawiska turbulentne. Równocześnie jednak, sekwencje zmienności dużych liczb plam praktycznie nie wykazują tego typu korelacji. Wyniki tych analiz wskazują na dualny charakter mechanizmu dynamiki powstawania plam na Słońcu, angażujący dotąd niezidentyfikowane procesy fizyczne. W kontekście badań lingwistycznych na sieciach złożonych odkryto zależność średniej ścieżki o innej funkcjonalnej zależności niż do tej pory znane winnych obszarach. Zjawisko to wyjaśniono i stworzono odpowiedni model. W roku 2015 opublikowano łącznie 6 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Bardziej systematyczne badania inspirowane wynikami dla dynamiki plam na Słońcu będą kontynuowane 31

2 we współpracy z Belgijskim Obserwatorium Królewskim w Brukseli. Zakład 54 zadanie 2. Fizyka oddziaływania promieniowania jądrowego z różnymi ośrodkami metody teoretyczne i numeryczne 1. Modelowanie pól promieniowania generowanych przez aparaturowe źródła neutronowe oraz odpowiedzi detektorów neutronowych z uwzględnieniem wpływu otoczenia i innych zaburzających źródeł promieniowania (współpraca: EFDA Garching, Niemcy) 2. Rozwój metod numerycznych i interpretacyjnych dla jądrowej geofizyki otworowej w oparciu o modelowania złożonych pól promieniowania jądrowego metodą Monte Carlo (współpraca: WGGOŚ AGH, Kraków) Kontynuowano prace związane z projektem spektrometru neutronów o wysokiej rozdzielczości (HRNS) dla tokamaka ITER. Przy użyciu programu MCNP wykonano serie obliczeń symulacyjnych transportu neutronów w obszarze projektowanego spektrometru w celu optymalizacji osłon dla HRNS oraz wyznaczenia rozkładów strumieni fotonów i rozproszonych neutronów w wybranych detektorach. W oparciu o uzyskane wyniki zdecydowano o zastosowaniu betonu jako dolnego segmentu osłony spektrometru oraz o wykonaniu pozostałych ścian z polietylenu o grubości 10 cm. Wyliczone numerycznie rozkłady fotonów i neutronów zostaną wykorzystane do dalszych obliczeń stosunku sygnału do tła w detektorach. W oparciu o opracowany w Dziale Budowy Aparatury i Infrastruktury Naukowej IFJ PAN model CAD spektrometru HRNS, przygotowany został również szczegółowy model numeryczny całego układu, dla którego wyznaczono intensywności i rozkłady strumieni fotonów i neutronów przechodzących przez wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie pierwszej komory HRNS oraz przenikających na zewnątrz osłon. Rozkłady te posłużą do obliczenia dawek promieniowania w otoczeniu HRNS. Rozpoczęto opracowywanie metody obrazowania w promieniowaniu neutronowym ogniska plazmowego urządzenia plasma focus PF-24 przy użyciu pojedynczych punktowych detektorów scyntylacyjnych rozmieszczonych w wybranych punktach hali PF-24. W oparciu o odpowiedzi tych detektorów możliwa jest rekonstrukcja obrazu pinchu plazmowego. Programem MCNP5/MCNPX wykonano serię symulacyjnych obliczeń odpowiedzi tych detektorów scyntylacyjnych. Stosując modelowanie metodą Monte Carlo zoptymalizowano geometryczne parametry kolimatora wraz z osłonami (przed neutronami rozproszonymi oraz fotonami) dla danego detektora scyntylacyjnego w wybranym jego położeniu w hali pomiarowej. Ad.2. We współpracy z Katedrą Geofizyki Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska (WGGOŚ) AGH, realizowano część ogólnopolskiego programu badawczego Blue Gas związanego z rozwojem metod poszukiwawczych gazu łupkowego. Łupki gazonośne są specyficznym ośrodkiem i wiele jego parametrów leży poza zakresem wartości tradycyjnie mierzonych przez geofizykę w tzw. złożach klasycznych. Przykładem jest porowatość, która w przypadku łupków gazonośnych jest bardzo niska, średnio ok 5%, podczas gdy dla klasycznych złóż mieści się na ogół w przedziale (15-35)%. Celem prowadzonych w IFJ PAN prac było utworzenie w formacie programu MCNP (symulacje Monte Carlo) specyficznych zbiorów danych zawierających zakodowaną numerycznie geometrię trzech sond geofizycznych: neutronowych N2TE i NNTK, oraz gęstościowej sondy gamma-gamma (g-g). Utworzone modele sond będą używane w dalszej fazie projektu Blue Gas do zasadniczych, roboczych obliczeń numerycznych komputerowej symulacji geofizycznych profilowań w odwiertach rzeczywistych. Każdy z modeli został intensywnie przetestowany w modelowych ośrodkach skalnych, których skład i strukturę zaproponowali geofizycy Katedry Geofizyki AGH. W ramach testów wykonano łącznie 32

3 ponad tysiąc symulacji kolejnych przebiegów programu MCNP. Wszystkie obliczenia zostały wykonane na klastrze komputerowym McRadiat w Zakładzie Fizyki Transportu Promieniowania (NZ54) IFJ PAN. Utworzenie numerycznych modeli trzech jądrowych sond geofizycznych. Opublikowano 3 prace w czasopismach JCR i 2 raporty IFJ PAN. Zakład 54 zadanie 3. Diagnostyka plazmy wysokotemperaturowej D-D i D-T metodami fizyki jądrowej pod kątem badań dla programu ITER 1. Wykorzystanie detektorów diamentowych do pomiaru neutronów i prędkich jonów z emisji w plazmie termojądrowej (współpraca: EUROfusion; COMPASS Inst. Fizyki Plazmy, Praha, Czechy) 2. Badanie zjawisk towarzyszących szybkim impulsom plazmowym generowanym w układzie Plasma-Focus PF-24 IFJ 3. Opracowanie metodyki pomiarów SXR i HXR do badania plazmy w urządzeniach fuzyjnych (WEST, W7-X) (współpraca: CEA Cadarache, Francja; IPP Greifswald, Niemcy) 4. Opracowanie nowych metod obrazowania rentgenowskiego plazmy w urządzeniach fuzyjnych (współpraca: CEA Cadarache) Detektory półprzewodnikowe bazujące na strukturach monokrystalicznych diamentu (sccvd) znalazły zastosowanie w diagnostyce gorącej plazmy. Są one przydatne dla równoczesnego pomiaru neutronów prędkich i jonów. Przeprowadzono pomiary w specjalnie zaprojektowanej do tego celu komorze eksperymentalnej przy generatorze neutronów prędkich IGN-14 z układem tarczy trytowej bombardowanej wiązką deuteronów. Ponieważ reakcje zachodzące w tarczy są tymi samymi reakcjami D-T i D-D, które powstają w gorącej plazmie tokamaka, możliwe było sprawdzenie odpowiedzi amplitudowej układu pomiarowego z detektorami diamentowymi w funkcji energii rejestrowanych produktów reakcji syntezy jądrowej. Wysoka rozdzielczość energetyczna (<1%) tych pomiarów umożliwia identyfikację poszczególnych produktów omawianych reakcji (n,, p, d, t). Przebadano odpowiedź spektrometryczną detektorów diamentowych sccvd w temperaturach do 250 C, stwierdzając stabilność sygnału. Detektory diamentowe zastosowano do pomiaru neutronów prędkich przy tokamaku COMPASS. Ad.2. Zastosowano (uprzednio zaprojektowane i wykonane w IFJ PAN) miniaturowe detektory scyntylacyjne (BCF-12) połączone światłowodami z miniaturowymi fotopowielaczami. Przeprowadzono testy oraz optymalizację pracy detektorów przy użyciu izotopowego źródła neutronów Pu-Be, generatora neutronów 14 MeV (IGN-14) oraz układu plasma focus PF-24. Ponadto, wykonano testy czułości na promieniowanie X wykorzystując lampę rentgenowską Hamamatsu L9191 w IFJ PAN. Otrzymane parametry pozwoliły na zastosowanie układu 4 detektorów w osłonie ołowiowej do rejestracji neutronów 2.45 MeV i promieniowania X, powstających podczas impulsu plazmowego w PF-24. Ad.3. Opracowano koncepcję monitora jednocześnie rejestrującego SXR (miękkie promieniowanie X, Soft X Ray) w zakresie 1-5 kev oraz twarde promieniowanie rentgenowskie (HXR Hard X Ray) w zakresie powyżej 20 kev, w oparciu o zasadę camera obscura. Przedstawiono sposób przetestowania układu 3 kamer przy urządzeniu plasma focus PF-24. Opracowano techniki inwersji dedykowane do tomograficznej rekonstrukcji emisyjności plazmy w zakresie SXR i 33

4 HXR. Ad.4. Opracowano metodę tomograficznej rekonstrukcji emisyjności promieniowania X emitowanego z plazmy termojądrowej. Metoda wykorzystuje technikę regularyzacji Tikhonova oraz informację a priori o badanym układzie. Z powodu ograniczonej ilości danych pomiarowych zadanie to stanowi matematycznie tzw. źle postawiony problem odwrotny, dlatego konieczne było wykorzystanie technik regularyzacji. Metoda została przetestowana, a następnie zastosowana do analizy wyładowań plazmowych w tokamakach JET i Tore Supra. Metoda została zweryfikowana z powszechnie stosowaną metodą rekonstrukcji opartą o teorię informacji Fishera. Opracowano metodykę pomiarową detektorami scvd w polu mieszanego promieniowania jądrowego. Wykorzystanie wyników Wyniki prac będę wykorzystywane do badania niestabilności MHD oraz emisji elektronów nadtermicznych w urządzeniach fuzyjnych (np. JET) jak również do badania charakteru procesów syntezy w urządzeniach typu plasma focus. Publikacje: 3 artykuły w czasopiśmie JCR, praca doktorska, wystąpienie konferencyjne. Zakład 52 zadanie 4. Biologia radiacyjna i środowiskowa; retrospektywna dozymetria biologiczna ekspozycji radiacyjnych i środowiskowych badanie wrażliwości osobniczej i wydajności naprawy DNA z wykorzystaniem metod cytogenetycznych i molekularnych 1. Ocena skuteczności biologicznej i zależności dawka-skutek dla wiązek promieniowania jonizującego 2. Badania uszkodzeń i naprawy DNA oraz chromosomów w funkcji ekspozycji środowiskowej, diagnostycznej, terapeutycznej, zawodowej lub wypadkowej Prowadzono ocenę skutków biologicznych działania różnych typów promieniowania (promieniowanie X, wiązka protonowa) w zakresie niskich i wysokich dawek oraz dokonano charakterystyki uszkodzeń radiacyjnych w kontekście zróżnicowania międzyosobniczego. Z wykorzystaniem testu MN (mikrojądrowego) stwierdzono odmienny charakter odpowiedzi limfocytów na wiązkę protonową w odniesieniu do promieniowania X w zakresie dawek Gy. Zaprezentowano różnice w odpowiedzi poszczególnych dawców na badane typy promieniowania. Oceniono także możliwość modyfikacji analizy testu MN w przypadku zastosowania go dla celów szybkiej dozymetrii biologicznej. W realizacji programu współpracowano z: National Cancer Institute, National Institutes of Health, USA, Jagiellonian Centre for Experimental Therapeutics (JCET), Katedrą Epidemiologii i Medycyny Zapobiegawczej UJ-CM, Wydziałem Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ. Uzyskane rezultaty mogą mieć zastosowanie w przypadku niekontrolowanych zdarzeń radiacyjnych, czy też na potrzeby optymalizacji terapii z zastosowaniem promieniowania. W roku 2015 opublikowano 3 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład 56 zadanie 5. Obrazowanie i zlokalizowana spektroskopia magnetycznego rezonansu w badaniach biomedycznych 34

5 Rozwój oraz zastosowanie metod obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej magnetycznego rezonansu (MRI/MRS) do badań biomedycznych z wykorzystaniem zwierzęcych modeli chorób, badań fizjologii mięśni szkieletowych człowieka oraz badań biokompatybilnych materiałów polimerowych, nanostruktur i materiałów farmaceutycznych. Metody MRI/MRS wykorzystano do: 1. Badania struktury i procesów fizjologicznych tkanek i narządów w stanach normalnych lub patologicznych w warunkach in vivo i ex vivo metodami MRI/MRS (Współpraca z University of Calgary, Kanada, University of British Columbia, Vancouver, Kanada, Akademią Wychowania Fizycznego w Krakowie, Katedrą Farmakologii CMUJ, Wydziałem Chemii UJ, Instytutem Zoologii UJ) 2. Zastosowania obrazowania MR do badania procesów uwalniania substancji czynnych leków w układach modelowych (współpraca: Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, Katedra Farmacji CMUJ w Krakowie, University of Toronto, Kanada) 3. Zastosowania obrazowania MR do badania własności nanokapsułek nośników leków w warunkach in vitro i in vivo (współpraca: Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN, Instytut Farmakologii PAN) 4. Zastosowania metod magnetycznego rezonansu jądrowego do badania skał porowatych (współpraca: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie) 5. Rozwoju metod i oprzyrządowania do obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej MR (współpraca: University of Toronto, Toronto, Kanada, University of British Columbia, Vancouver, Kanada, Bruker Biospin, Ettlingen) W badaniach z wykorzystaniem modelu kuprizonowego odwracalnej demielinizacji u myszy C57BL/6J stwierdzono możliwość detekcji zmian w różnych obszarach mózgu myszy (spoidło wielkie, kora mózgowa, móżdżek) przy wykorzystaniu techniki obrazowania opartej na kontraście T1 (MP-RAGE). Wyniki skorelowano z badaniami histologicznymi. Sfinalizowano badania czynności serca myszy poddanych spontanicznemu wysiłkowi (bieganie w kołowrotkach) lub poddanych działaniu terapii referencyjnej (perindopril) bądź obu tych terapii jednocześnie. Ponadto sfinalizowano badania mysiego modelu kardiomiopatii poantracyklinowej (niewydolności serca jako skutek podawania chemioterapii), w zależności od podanej dawki doxorubicyny. Ad.2. Opracowano dane z obrazowania magnetyczno-rezonansowego w komorze przepływowej tabletek matrycowych HPMC (hydroksypropylometyloceluloza) z kwetiapiną jako substancją czynną wykonaną różnymi technologiami przemysłowymi (granulacja na sucho oraz nisko i wysokoobrotowa na mokro). Wykazano różnice w morfologii tych matryc, a następnie pokazano ich wpływ na własności farmaceutyczne (uwalnianie substancji czynnej). Ad.3. Opracowano wyniki pomiarów relaksacyjnych i obrazowych magnetycznego rezonansu nowo wytworzonych prototypów kapsułek do transportu leków w organizmie, z otoczką zawierającą związki gadolinu, mające na celu wzmocnić możliwości kontrastowania po ich podaniu. Stwierdzono istotne poprawienie kontrastowania w stosunku do kapsułek nie zawierających gadolinu Ad.4. Metodą ZTE (zerowego czasu echa) wykonano obrazowanie skał o niskiej porowatości stwierdzając możliwości mapowania zawartości wody związanej w takim materiale. Ad.5. Opracowano nowe metody wykorzystania technik obrazowania magnetycznorezonansowego do badań morfologicznych i czynnościowych serca w mysich modelach schorzeń stanowiące podstawę ofert dla przemysłu. W roku 2015 opublikowano 5 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Wyniki wykorzystano w 1 pracy habilitacyjnej, 1 pracy doktorskiej, 2 pracach magisterskich i 2 pracach 35

6 inżynierskich. Zakład 52 zadanie 6. Badanie zmienności układów biologicznych i środowiskowych oraz innych układów złożonych 1. Badanie zmian chemicznych zachodzących w układach biologicznych na poziomie komórkowym i molekularnym z wykorzystaniem technik synchrotronowych oraz spektroskopii wibracyjnej 2. Obrazowanie mikrostruktur w układach złożonych spektroskopowymi metodami komplementarnymi i mikrotomografią komputerową oraz określenie składu pierwiastkowego metodami spektroskopowymi wykorzystującymi promieniowanie rentgenowskie, synchrotronowe oraz wiązki jonów z akceleratora typu Van de Graaffa 3. Badanie własności mechanicznych (elastyczność, adhezja) tkanek i komórek z użyciem mikroskopu sił atomowych (AFM) (współpraca z Politechniką w Lozannie, Uniwersytetem w Linz, Collegium Medicum) - Obszar badań naukowych obejmuje zastosowanie technik spektroskopii promieniowania X do badań układów biologicznych. Eksperymenty przeprowadzone były w zagranicznych ośrodkach synchrotronowych przy współpracy z naukowcami z Niemiec (Karlsruhe, DESY) i Szwajcarii (PSI). Badania wykazały istotne biologicznie różnice zachodzące na poziomie molekularnym w układach patologicznych, pokazały możliwości jakie daje metoda XAS w badaniach biologicznych, zwłaszcza w kontekście ilości informacji, jakie można uzyskać o stanie chemicznym badanego pierwiastka podczas pojedynczego pomiaru. Wykazano dużą czułość tej metody w odniesieniu do pierwiastków, których koncentracja w układach biologicznych nie jest wysoka. Ustalono również procedury eksperymentalne adekwatne do badanych próbek biologicznych oraz wybrano i zoptymalizowano odpowiednie metody analizy danych. Zastosowanie spektroskopii absorpcyjnej (XAS) i emisyjnej (XES) promieniowania X oraz techniki RXES (z ang. Resonant X-Ray Emission Spectroscopy), będącej kombinacją tych dwóch metod, pozwolą na uzyskanie informacji o strukturze elektronowej wokół badanego atomu, a tym samym o jego otoczeniu chemicznym. - Wykorzystanie wiązek jonowych z akceleratora Van de Graaffa pozwoliło na określenie rozkładów pierwiastków śladowych na powierzchni próbek zarówno biologicznych, środowiskowych jak i dziełach sztuki (monet). W zakresie wykorzystania metody mikrotomografii promieniowania X kontynuowano prace nad rozwojem metody kontrastu fazowego i opracowano nowy protokół pomiaru. - Badanie zależności elastyczności komórek raka prostaty w funkcji sztywności podłoża o różnej sprężystości modyfikowanych fibronektyną (FN) prowadzi do zrozumienia mechanizmu reorganizacji cytoszkieletu komórki oraz udziału FN w procesie przekazu sygnału mechanicznego do wnętrza komórki. Zastosowanie podłóż modyfikowanych takimi białkami jak FN pozwoli na rozróżnianie komórek rakowych w oparciu o własności podłoży prowadząc do dokładniejszej oceny stopnia progresji nowotworu. - Najważniejszym osiągnięciem było wykonanie kompleksowej charakterystyki form chemicznych siarki w liniach komórkowych i tkance nowotworu prostaty pozwalającej na określenie udziału związków zawierających siarkę w powstawaniu i rozwoju tego nowotworu. Dodatkowo dokonano analizy zmian w stopniu utlenienia żelaza w stenotycznych zastawkach aortalnych. Badania wykonano wykorzystując zaawansowaną technikę spektroskopii oscylacyjnej jak i absorpcyjnej promieniowania X (XAS) z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. 36

7 - Dodatkowym istotnym osiągnięciem było zastosowanie nanospektroskopii w zakresie podczerwieni oraz nanospektroskopii ramanowskiej, pozwalających na molekularną charakterystykę DNA pod kątem badania uszkodzeń radiacyjnych i naprawy. - Badania własności mechanicznych komórek pozwoliły na rozdzielenie różnych typów komórek hodowanych w ko-kulturach. Z powyższego zadania w roku 2015 opublikowano łącznie 11 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład 59 zadanie 7. Rozwój i zastosowanie chromatograficznych metod pomiaru substancji śladowych dla zagadnień fizyki środowiska, hydrogeologii i medycyny 1. Pomiary stężeń związków chlorowcowych CFCs i SF6 w powietrzu aglomeracji krakowskiej na tle pomiarów prowadzonych w ramach globalnego programu AGAGE oraz europejskiego grantu InGOS 2. Rozwój metody jednoczesnego oznaczania stężenia gazów szlachetnych He, Ar i Ne oraz freonów (F-11, F-12) i SF6 w wodach podziemnych dla potrzeb hydrogeologii 3. Badania nad ustaleniem potencjalnych znaczników przydatnych w nieinwazyjnej diagnostyce schorzeń związanych ze stresem oksydacyjnym. Opracowanie metodyki analizy lotnych związków z powierzchni skóry z zastosowaniem chromatografii gazowej oraz nowoczesnych technik zatężania Kontynuowano pomiary śladowych stężeń związków chlorowcowych, aktywnych w niszczeniu ziemskiej warstwy ozonowej i w efekcie cieplarnianym (SF6, CFCs) dla aglomeracji Krakowa. We współpracy z Uniwersytetem w Bristolu i stacją pomiarową Mace Head (Irlandia) przeprowadzono rekalibrację głównego gazowego wzorca laboratorium dla związków CFCs i SF6 oraz uczestniczono w porównawczych pomiarach między-laboratoryjnych (intercomparison) programu InGOS. Ad.2. Zastosowano dwa układy chromatograficzne do pomiaru stężenia He, Ne, Ar oraz SF6, F-11, F- 12, He, Ne i Ar (Raport IFJ PAN nr 2081/Ch.) w badaniach terenowych wód podziemnych z rejonu Buska Zdroju, Wrocławia, Sosnowca oraz Katowic. Otrzymane wyniki pozwoliły wyliczyć wiek wód podziemnych oraz ocenić ich odporność na zanieczyszczenia antropogeniczne. Rozbudowano również chromatograficzny układ do jednoczesnego pomiaru stężenia He, Ne oraz Ar. Ad.3. Współpraca z Breath Research Institute Austrian Academy of Sciences, w Austrii; W ramach projektu bilateralnego, wykonano badania profilu oddechowego, chorych na cukrzycę ze współistniejącym schorzeniem nerek. Zwrócono uwagę na poziom stężenia węglowodorów, związków siarkowych i substancji egzogennych, jak lotne związki chlorowcowe (CFCs) wdychane z powietrzem. W ramach badania lotnych związków z powierzchni skóry, testowano różne metody pobierania próbek oraz oszacowano ich analityczną przydatność w jakościowym określeniu profilu zapachowego zdrowych ochotników. W badaniach zastosowano głównie termiczną desorpcję do zatężania próbek oraz chromatograficzną analizę z detektorem masowym. Rekalibracja roboczego gazowego wzorca CFCs i SF6, względem wzorca wyższego rzędu J- 37

8 146 otrzymanego od prof. S. O Doherty z Bristolu (wzorzec pochodził ze Scripps Institute of Oceanography, University of California, San Dego program AGAGE). Udział w eksperymencie Round Robin, mającym na celu standaryzację pomiarów stężeń gazów śladowych w powietrzu, dla laboratoriów uczestniczących w projekcie InGOS. Ad.2. Rozbudowa układu pomiarowego polegająca na zamontowaniu w torze chromatografu dodatkowego zaworu dozującego bezpośrednio badaną próbkę, co pozwoliło na pomiar wysokich stężeń helu bez konieczności wzbogacania próbki. Ad.3. Prowadząc badania próbek wydychanego powietrza pobieranego od zdrowych ochotników oraz osób chorych na schorzenia nerek z dodatkowo zdiagnozowaną cukrzycą lub nietolerancją glukozy, zaobserwowano interesujące korelacje związków siarkowych z parametrami dysfunkcji wątroby oraz całkowitym glutationem oznaczanymi we krwi. Badania stężeń związków chlorowcowych w oddechu są jednymi z pierwszych przeprowadzonych w Polsce w sposób ilościowy. Natomiast badania próbek ze skóry wskazały możliwości analityczne opracowanych przez nas metod oraz konieczność kontynuowania prac nad wyborem właściwych sorbentów. Wśród analizowanych związków zidentyfikowano: aceton, izopren, węglowodory rozgałęzione, aldehydy C4-C10. W roku 2015 opublikowano 1 pracę w czasopiśmie wyróżnionym w JCR. Zakład 57 zadanie 8. Radiochemiczne i instrumentalne metody analizy i syntezy sztucznych pierwiastków promieniotwórczych w zastosowaniu do radioekologii i radiofarmaceutyków 1. Rozwój metodyki badań skażeń promieniotwórczych środowiska: - doskonalenie metod wydzielania pierwiastków promieniotwórczych i preparatyki źródeł dla potrzeb monitoringu emiterów alfa i beta w środowisku naturalnym. Prace nad metodyką oznaczania trytu ze wzbogaceniem elektrochemicznym - wykorzystanie spektrometrii masowej w pomiarach radioaktywności środowiska (współpraca z ING PAN) - wykorzystanie pomiarów spektrometrycznych stężeń emiterów alfa, beta i gamma w badaniach środowiska i w badaniach czystości radiologicznej próbek materiałowych 2. Badania nad obecnością śladowych pierwiastków w organizmie człowieka w tym prowadzenie pomiarów zawartości substancji gamma-promieniotwórczych licznikiem całego ciała 3. Przeprowadzenie pilotażowych badań na układach modelowych, związanych z opracowaniem warunków sorpcji i desorpcji wybranych izotopów na sorbentach zawierających naturalne minerały 4. Opracowanie metod otrzymywania i wydzielania radionuklidów z wykorzystaniem cyklotronu AIC Prace rozwojowe nad cyfrowym, koincydencyjnym spektrometrem promieniowania gamma Opracowano i opublikowano wyniki stężeń aktywności substancji radioaktywnych w comiesięcznych próbkach opadu atmosferycznego pobieranego w latach w Krakowie. Praca ta była prezentowania na konferencji ENVIRA

9 Prowadzono pomiary skażeń radioaktywnych próbek z Arktyki i Antarktyki otrzymanych w ramach współpracy z Instytutem Botaniki UJ (realizacja dwóch doktoratów). Prowadzono pomiary stężeń substancji radioaktywnych w kriokonitach pobranych na lodowcach w Arktyce, Alpach i na Kaukazie. Publikacja wysłana do druku. Prowadzono pomiary stężeń 137 Cs w próbkach torfów z Podhala (współpraca z Uniwersytetem Rolniczym). Przygotowano i przesłano do publikacji tekst zawierającej wyniki oznaczeń radionuklidów, w tym również 237 Np oznaczonego z wykorzystaniem spektrometrii masowej, we współpracy z ING PAN. Ad.2. Wykonano pomiary stężeń substancji gamma promieniotwórczych u pracowników CCB po prowadzonych przez nich pracach konserwatorskich. Stwierdzono śladowe stężenia izotopu kobaltu (pomimo stosowania odzieży ochronnej i innych zabezpieczeń). Ocenione dawki mieściły się w dozwolonych granicach. Ad.3. Zakończono cykl badań modelowych nad ewentualnym uwalnianiem się izotopów cezu, strontu i technetu ze składowiska odpadów radioaktywnych w Różanie. Na bazie otrzymanych wyników powstała rozprawa doktorska. Ad.4. Dopracowano metodę otrzymywania izotopów Xe i Kr, wykorzystywanych w badaniach dla oznaczeń izotopów radioaktywnych tych pierwiastków w próbkach środowiskowych. Na bazie otrzymanych wyników powstała rozprawa doktorska. Dopracowano metodę otrzymywania generatora U-230. Opracowano opis metody, który został opublikowany jako raport IFJ PAN. Kontynuowano współpracę z ŚLCJ i ICHTJ nad otrzymywaniem At-211. Ad.5. Testowano układ z wykorzystaniem detektorów i osłony spektrometru całego ciała. Detektory te pozwalały na optymalizację warunków geometrycznych oraz, z racji ich większej wydajności, dodatkowo pozwoliły na zwiększenie efektywność rejestracji koincydencji. W strefie proglacjalnej lodowców na Spitsbergenie zaobserwowano miejscowe względnie wysokie stężenia radionuklidów z opadu atmosferycznego ( 137 Cs, 238, Pu, 241 Am, 90 Sr, 210 Pb). Podwyższone aktywności powiązano z występowaniem silnie koncentrujących zanieczyszczenia kriokonitów występujących na powierzchni lodowców. Opublikowano łącznie 7 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Prowadzono pomiary spektrometryczne stężeń emiterów alfa, beta i gamma w próbkach środowiskowych i w próbkach materiałowych dla zleceniodawców zewnętrznych w ramach działalności laboratorium z akredytacją PCA: Laboratorium Analiz Promieniotwórczości. zadanie 9. Izotopy promieniotwórcze w fizyce środowiska i ochronie radiologicznej Laboratorium NLR 1. Badanie stężeń radonu w różnych komponentach środowiska, doskonalenie technik pomiarowych (współpraca z Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia, National Radiation Protection Institute, Chiba, Japan, Ojcowski Park Narodowy, Comenius University, Bratislava, Slovak Republic University of Pannonia, Veszprém, Hungary) 2. Badanie dynamiki stężeń radonu i jego pochodnych w pomieszczeniach zamkniętych (współpraca z Politechniką Lubelską) 3. Pomiary stężeń izotopów promieniotwórczych w próbkach środowiskowych (współpraca m.in. z Politechniką Wrocławską, AGH, CLOR i GIG) 39

10 Kontynuowano prace nad doskonaleniem metody przygotowywania próbek wody o znanym stężeniu radonu w oparciu o obliczenia teoretyczne. Otrzymane w ramach prac wzorcowe próbki będą wykorzystane w kolejnych pomiarach interkalibracyjnych. Rozpoczęto pomiary stężeń radonu w pomieszczeniach budynków przedszkoli w Krakowie zlokalizowanych na terenach o przewidywanych wyższych stężeniach radonu w gruncie. Prace były prowadzone w ramach międzynarodowego projektu badawczego (dofinansowanego przez Fundusz Wyszehradzki i koordynowanego przez IFJ PAN). W czasie spotkania otwierającego w Krakowie, uczestnicy projektu uzgodnili m.in. procedury prowadzenia pomiarów i dystrybucję detektorów. Założenia projektu zaprezentowano także w czasie Europejskiego Dnia Radonu w IFJ PAN i na spotkaniach Polskiego Klubu Ekologicznego. Ad.2. Kontynuacja serii pomiarowych w auli Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej obejmującej stężenie radonu i jego pochodnych we frakcjach wolnej i związanej. Zakończenie projektu nastąpiło w maju 2015 roku. Raport końcowy został wysłany do NCN. Wyniki badań zaprezentowano na II międzynarodowej konferencji Radon in the Environment Organizacja II międzynarodowej konferencji Radon in the Environment 2015, Kraków, i I Europejskiego Dnia Radonu w IFJ PAN Udział w pracach Komisji Ministerstwa Środowiska dotyczących opracowania projektów zmian w polskim prawie w związku z implementacją Dyrektywy Rady UE 2013/59/EURATOM (dr hab. K. Kozak, dr J. Mazur). Ad.3. Kontynuowano badania stężeń pierwiastków promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych, w glebie oraz w wodzie. Wykonano ok. 100 ekspertyz radiometrycznych dla klientów zewnętrznych. Laboratorium posiada akredytację PCA o numerze AB 788. Publikacja 2 artykułów w innych czasopismach (Postępy Fizyki, Contributions to Geophysics and Geodesy), prezentacja wyników na konferencjach międzynarodowych. Zakład 63/Laboratorium NLD zadanie 10. Dozymetria luminescencyjna w pomiarach promieniowania jonizującego 1. Opracowanie i zastosowanie detektorów luminescencyjnych i metod dozymetrycznych do pomiarów dawek promieniowania jonizującego 2. Rozwój metod pomiarowych w termoluminescencyjnej dozymetrii indywidualnej, środowiskowej oraz ochronie radiologicznej pacjenta a) Ocena narażenia osób pracujących w narażeniu na promieniowanie jonizujące w Polsce b) Rozwój dozymetrycznych metod termoluminescencyjnych w medycynie c) Rozwój metod ponownego odczytu dawki metodą termoluminescencyjną NZ63 Kontynuowano badania własności dozymetrycznych nowo opracowanych luminoforów na bazie LiMgPO4 domieszkowanego borem i terbem oraz LiAlO2, zarówno w postaci proszków, jak i kryształów otrzymanych metodami Micro-Pulling Down i Czochralskiego. Prowadzono badania nad wydajnością detektorów TL na bazie LiF dla promieniowania kosmicznego oraz dla wysokich dawek promieniowania. Rozpoczęto prace nad mikrobrazowaniem radiofotoluminescencji kryształów fluorku litu. Ad.2. NLD Dane z pomiarów dawek służą do oceny poziomów narażenia na promieniowanie jonizujące w Polsce. Obecnie objętych kontrolą dozymetryczną w Instytucie pozostaje ok osób lub 40

11 miejsc pomiarowych w różnych dziedzinach nauki, przemysłu i medycyny. Istotne jest również dla dawek z zakresu powyżej dawek granicznych właściwe oszacowanie dawki i potwierdzenie jej wartości. Dotychczas przy zastosowaniu metody termoluminescencyjnej tracono sygnał i nie było możliwości ponownego odczytu. W Laboratorium opracowano procedurę opartą o zjawisko PTTL umożliwiającą ponowny odczyt i sprawdzenie dawki powyżej 5 msv. Wyznaczenie, poprzez eksperymenty z wykorzystaniem akceleratorowych wiązek jonów oraz symulacje Monte Carlo, wpływu widma promieniowania kosmicznego na orbicie Ziemi na wydajność detektorów termoluminescencyjnych. Z powyższego zadania w roku 2015 opublikowano łącznie 14 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Obrona jednego doktoratu (A. Szumska). Zakład 53 zadanie 11. Inżynieria cienkich warstw, powłok i nanomateriałów Badania poznawcze i aplikacyjne struktury, własności magnetycznych, magnetotransportowych, termoluminescencyjnych i biokompatybilności układów o obniżonej wymiarowości dla określenia zależności pomiędzy wymienionymi własnościami a rozmiarem i nanostrukturą. 1. Modyfikacja struktury cienkowarstwowych stopów i nanomateriałów o prostopadłej anizotropii magnetycznej poprzez domieszkowanie surfaktantami i obróbkę termiczną. Nanostrukturyzacja magnetycznych układów cienkowarstwowych wiązkami jonowymi, wiązką lasera oraz metodami chemicznymi (współpraca z Uniwersytetem w Augsburgu, Instytutem Technologicznym w Karlsruhe, Uniwersytetem w Mińsku oraz z Uniwersytetem w Sumach, Ukraina) 2. Otrzymywanie metodą elektrodepozycji magnetycznych nanodrutów oraz analiza ich morfologii, własności strukturalnych, magnetycznych i magnetotransportowych 3. Synteza nanokompozytowych cząstek magnetycznych metodą naświetlania laserem impulsowym (nanosekundowym i pikosekundowym) oraz badanie ich własności strukturalnych, optycznych i magnetycznych 4. Wytwarzanie bioceramicznych powłok na tytanie i jego stopach z wykorzystaniem nowoczesnych technik inżynierii materiałowej (współpraca z Wydziałem Chemicznym Politechniki Śląskiej) 5. Synteza powłok diamentowych i badania ich struktury i własności dozymetrycznych (współpraca z Uniwersytetem w Hasselt, Belgia) 6. Otrzymywanie i badanie własności chemicznych, strukturalnych i mechanicznych złożonych wielopierwiastkowych wielowarstwowych powłok i cienkich warstw węglowych formowanych metodami jonowymi, laserowymi, hydrotermalnymi i plazmowymi (Centrum Doskonałości IONMED) Przeprowadzono badania własności magnetotransportowych cienkich warstw Bi wygrzewanych w różnych temperaturach. Opracowano technikę otrzymywania anodyzowanych porowatych podłoży Al2O3 i TiO2 o różnych średnicach porów i różnym stopniu zapełnienia podłoża. Na tak przygotowanych podłożach badano efekt oddziaływania typu exchange bias dla utlenionych antykropek permaloju oraz własności magnetyczne antykropek FePd i Co/Pd. Badano mechanizm przełączania magnetyzacji w układach kropek i antykropek Co/Pd na podłożach przygotowanych metodą litografii nanosfer. Ad.2. Metodą elektrodepozycji w polimerowych membranach wytworzono nanodruty kobaltu z anizotropią magnetyczną wzdłuż osi nanodrutów oraz określono wpływ parametrów membrany i procesu elektrodepozycji na własności strukturalne i magnetyczne otrzymanych nanodrutów. 41

12 Ad.3. Dokonano syntezy mikrocząstek nowych metastabilnych stopów metodą naświetlania laserem impulsowym w cieczy. Poprzez zmianę parametrów naświetlania kontrolowano własności strukturalne i magnetyczne mikrocząstek (geometria, wielkość, skład chemiczny) Zaproponowano model reakcji chemicznych zachodzących podczas naświetlania i wykonano obliczenia termodynamiczne potwierdzające ten model. Ad.4. Wykonano syntezę hydrotermalną powłok hydroksyapatytowych na nanoporowatych podłożach TiO2 o różnej średnicy porów. Badano wpływ morfologii podłoży na nukleację i kinetykę wzrostu warstw hydroksyapatytowych (HAp). Wytworzono powłoki barierowe HAp wzbogacone krzemem oraz wykonano analizę ich składu i struktury. Ad.5. Wykonano polikrystaliczne powłoki diamentowe na podłożach krzemowych oraz zbadano ich strukturę i morfologię. Dla zdeponowanych struktur przeprowadzono pomiary odpowiedzi na promieniowanie jonizujące przy użyciu źródła Am-241. Ad.6. Dwuwiązkową metodą IBAD wykonano powłoki typu a-c:me oraz TiNX:Ag dla zastosowań medycznych a także niestechiometryczne powłoki TiXSiCY, TiBZ i dwuwarstwowe TiXSiCY- TiBZ dla zastosowań narzędziowych. Określono optymalne parametry formowania powłok. Dla warstw bizmutu uzyskano w temperaturze pokojowej bardzo duży anizotropowy magnetoopór o wartości 90%. Określono granicę zmiany mechanizmu przełączania magnetyzacji pomiędzy matrycą kropek a matrycą antykropek w układzie Co/Pd. Metodą naświetlania laserem impulsowym otrzymano nieznane w układzie fazowym metastabilne stopy metali wzajemnie nierozpuszczalnych. Otrzymano metodą elektrodepozycji matrycę nanodrutów kobaltu o prostopadłej anizotropii. Z powyższego zadania w roku 2015 opublikowano łącznie 9 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 12. Wykorzystanie wiązek protonowych cyklotronu Proteus C-235 do badań w dziedzinie fizyki radiacyjnej, radiobiologii oraz do radioterapii protonowej Zakłady NZ61 i NZ63, Samodzielna Pracownia NZ62 oraz Dział DCP 1. Pomiary mikrodozymetryczne dawek promieniowania jonizującego w pomieszczeniach terapii, hali eksperymentalnej i sterowniach (cel wieloletni) 2. Budowa stanowiska doświadczalnego do badań radiobiologicznych 3. Opracowanie modeli radiobiologicznych i modeli transportu wiązek protonowych i węglowych (cel wieloletni) 4. Opracowanie stanowiska do radioterapii nowotworów oka przy cyklotronie C Opracowanie metod dozymetrii wiązek protonowych z zastosowaniem detektorów luminescencyjnych, scyntylacyjnych i alaninowych (cel wieloletni) 6. Przygotowanie stanowisk gantry z wiązką skanującą oraz aparatury towarzyszącej do prac badawczych i terapeutycznych Dostarczano wiązki protonowe o energiach MeV z cyklotronu C-235 do pomieszczeń hali terapii oka, stanowisk gantry i hali eksperymentalnej. Badano dawki od promieniowania rozproszonego pacjentów pediatrycznych w zależności od wieku oraz parametrów pola promieniowania. Zbadano odpowiedzi detektorów pasywnych i 42

13 aktywnych w mieszanym polu promieniowania generowanym przez skanującą wiązkę protonową. Wykazano, że niepożądane dawki od promieniowania rozproszonego w radioterapii protonowej mogą być o rząd wielkości niższe niż w radioterapii konwencjonalnej. Ad.2. Prowadzono prace koncepcyjne nowego stanowiska do napromieniania materiału biologicznego. Określono warunki jakie powinna spełniać wiązka do napromieniania komórek oraz napromieniania małych zwierząt. Przeprowadzono konsultacje w sprawie standaryzacji wymogów stawianych takim stanowiskom. Ad.3. Prowadzono prace nad modelowaniem transportu wiązek protonowych i węglowych, z uwzględnieniem technik wielopolowych oraz obliczania RBE i OER dla różnych konfiguracji wiązek. Opracowano matematyczny model mikrowiązki protonowej. Dostosowano jądro systemu planowania TRiP98 do przygotowania planów leczenia w oparciu o model radiobiologiczny LEM. Ad.4. W 2015 r. oddano do użytku stanowisko do radioterapii nowotworów oka z wykorzystaniem cyklotronu C-235. W ramach prac zoptymalizowano elementy formowania wiązki protonowej, wykonano testy stanowiska radioterapii oka wraz z dokumentacją, zbudowano i uruchomiono kompletne stanowisko do radioterapii oka i złożono dokumentację dla uzyskania znaku CE Medical. Ad.5. Kontynuowano badania wydajności detektorów termoluminescencyjnych MTS-N, MCP-N, alaninowych i optycznie stymulowanej luminescencji BeO dla protonów o energii do 230 MeV. Wyniki tych badań zostały wykorzystane m.in. do wytłumaczenia różnic obserwowanych odpowiedzi detektorów promieniowania kosmicznego w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ad.6. Oddano do użytku dwa stanowiska terapeutyczne gantry, które będą wykorzystywane do napromieniania guzów nowotworowych umiejscowionych w dowolnym miejscu ciała. Stanowiska wyposażone są w najnowocześniejszy system z wiązką skanująca, umożliwiający bardzo precyzyjne napromienienie objętości leczonej przy maksymalnym oszczędzeniu zdrowych tkanek. : Zbudowano i oddano do użytku nowoczesne stanowisko do radioterapii protonowej oka. Uruchomiono i oddano do użytku dwa stanowiska gantry z wiązkami skanującymi do radioterapii protonowej nowotworów w dowolnej lokalizacji ciała pacjenta. Wykazano, że niepożądane dawki od promieniowania rozproszonego w radioterapii protonowej wiązkami skanującymi mogą być o rząd wielkości mniejsze niż w radioterapii konwencjonalnej. : Fizycy i radiobiolodzy wykorzystywali wiązkę wysokoenergetycznych protonów z cyklotronu C-235 do badania kolektywnych wzburzeń w jądrach atomowych, oddziaływań wielodziałowych pomiędzy nukleonami, testowania nowatorskich układów detekcyjnych i elektroniki oraz wrażliwości materiałów biologicznych na promieniowanie. Z powyższego zadania w roku 2015 opublikowano 11 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR oraz przygotowano 3 prace doktorskie. NZ61 i Samodzielna Pracownia NZ62 zadanie 13. Rozwój metod związanych z radioterapią protonową oraz prowadzenie radioterapii protonowej nowotworów oka z wykorzystaniem cyklotronu AIC-144 Celem zadania jest dalsze doskonalenie technik i rozwój metod pomiarowych bezpośrednio 43

14 związanych z radioterapią protonową. Obecnie w IFJ PAN przy cyklotronie AIC-144 funkcjonuje jedyne w Polsce stanowisko radioterapii protonowej nowotworów oka, na którym przeprowadzone jest napromieniania guzów wewnątrzgałkowych, realizowane w ramach umowy ze szpitalem Uniwersyteckim w Krakowie. Rozwijane i doskonalone w ramach zadania metody i techniki pomiarowe będą mogły być sukcesywnie wdrażane i stosowane zarówno w pomiarach na obecnym, jak i na nowo powstających stanowiskach do radioterapii protonowej. Udoskonalono techniki pomiaru przestrzennych parametrów wiązek protonowych na stanowiskach radioterapii przy użyciu układu z kamerą CCD oraz zoptymalizowano użyte scyntylatory pod kątem zastosowań klinicznych Rozwój nowych metod kontroli dawki i poprawę precyzji pomiaru dawki na stanowisku radioterapii uzyskano poprzez: 1. Badanie dawek od promieniowania rozproszonego i generowanego na elementach formowania i monitorowania wiązki 2. Doskonalenie metod pomiaru parametrów wiązki protonowej w zastosowaniach klinicznych oraz optymalizacja czasu pomiaru parametrów fizycznych wiązki protonowej 3. Uczestnictwo zespołu IFJ PAN w wykonywaniu procedur radioterapii protonowej nowotworów oka Zbudowane w IFJ PAN Urządzenie ProBimS do pomiaru przestrzennych parametrów wiązek protonowych na stanowiskach radioterapii przy użyciu układu z kamerą CCD zostało przetestowane w praktyce klinicznej na stanowisku radioterapii protonowej nowotworów oraz jest wykorzystywane w trakcie kontroli wiązki na potrzeby zarówno radioterapii protonowej jak i prac badawczych. Z powyższego zadania w roku 2015 opublikowano 2 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. W 2015 kontynuowano napromieniania pacjentów w ramach procedury radioterapii protonowej nowotworów oka prowadzonej przez Szpital Uniwersytecki w Krakowie. W 2015 roku przeprowadzono zabiegi napromieniania dla 43 pacjentów okulistycznych. Leczenie chorych finansowane było przez Narodowy Fundusz Zdrowia. 44