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, Samodzielnej Pracowni NZ62 oraz w Laboratoriach NLW, NLD, NLR i NLP Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2013 r. 59 publikacjami w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). zadanie 1. Interdyscyplinarne aspekty fizyki układów złożonych Zakład 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 2. Dynamika nieliniowa i chaos klasyczny. Zbadano wpływ procedury detrendowania wieloskalowych szeregów czasowych na kształt ich spektrów osobliwości, w szczególności na szerokość oraz na położenie maksimów tych spektrów. Pokazano, że analiza tego typu może dostarczać istotnych informacji o naturze nieliniowych korelacji w szeregach czasowych. Zaproponowano procedurę systematycznego badania multifraktalnych korelacji krzyżowych pomiędzy dwoma szeregami czasowymi. Procedurę tę przetestowano dla kilku modelowych stochastycznych szeregów czasowych jak również dla sygnałów świata rzeczywistego. Bazując na metodologii multifraktali wykazano krytyczny charakter emergencji pieniądza w modelu oddziałujących agentów. 1. Zaproponowanie, przetestowanie i systematyczne rozwinięcie algorytmu badania wieloskalowych korelacji krzyżowych oraz wskazanie możliwości stosowania tej procedury do selektywnej identyfikacji takich korelacji włącznie z ich potencjalnymi przesunięciami w czasie. 2. Pokazanie, że korespondencja pomiędzy wykładnikami skalowania rozkładów fluktuacji stóp zwrotu oraz odpowiadających im wolumenów obrotu dla spółek giełdowych zachowuje czynnik dwa w sposób bardziej uniwersalny niż do tej pory sądzono. Opublikowane 1 pracę w czasopiśmie wymienionym przez JCR, jedna w czasopiśmie spoza listy JCR, oraz wygłoszono jeden referat na konferencji międzynarodowej. Zakład 54 zadanie 2. Badania eksperymentalne, teoretyczne i numeryczne oddziaływania promieniowania jądrowego z różnymi ośrodkami 1. Modelowanie i pomiar neutronowych strumieni impulsowych w ośrodkach skończonych (włączając niejednorodne) 31

2 2. Rozwój metod numerycznych i interpretacyjnych dla jądrowej geofizyki otworowej w oparciu o modelowania złożonych pól neutronowych metodą Monte Carlo. Ad 1. W zakresie transportu neutronów prędkich rozpoznano możliwość spektrometrii neutronów metodą czasu przelotu (TOF) przy urządzeniu Plasma Focus. Na tej podstawie zaprojektowano zestaw aparatury pomiarowej działającej w zakresie nanosekundowym. (współpraca: IFPiLM Warszawa). Ad 2. Wykonano obliczenia symulacyjne Monte-Carlo pod kątem planowanej rekalibracji sondy neutronowej NNTE (Neutron-Neutron-Thermal-Epithermal), oraz możliwości dalszego jej zastosowania, m.in. w poszukiwaniach gazu łupkowego. Przeprowadzono symulacje odpowiedzi trzech detektorów sondy NNTE w dwu- i trój-warstwowych ośrodkach geologicznych (skały mioceńskie o różnej porowatości i zmiennej absorpcji neutronów termicznych). Wszystkie obliczenia zostały wykonane programem MCNP na klastrze McRadiat w IFJ NZ54. (współpraca: AGH, Wydz. Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska). Numeryczne wymodelowanie pól neutronowych otaczających otwór, w którym umieszczono sondę NNTE i uzyskanie odpowiedzi jej detektorów w różnych warunkach środowiska geologicznego. Stworzona baza odpowiedzi sondy geofizycznej w różnych konfiguracjach układu odwiertwarstwa będzie wykorzystywana do interpretacji wyników pomiarów geofizyki otworowej przy poszukiwaniach złóż gazu łupkowego. 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 (współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; Asocjacja EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy; EFDA- JET, Culham, Anglia). 2. Pomiar detektorami diamentowymi neutronów i prędkich jonów z emisji w plazmie termojądrowej (współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; EFDA, Niemcy, MAST-CLS, Culham, Anglia). 3. Badanie efektów paramagnetycznych wzbudzanych dryfem elektrycznym w częściowo zjonizowanej i namagnetyzowanej plazmie. Ad 1. W oparciu o dokładny model numeryczny zbudowanego w IFJ urządzenia DET-12 wysymulowano metodą Monte Carlo czasowe rozkłady rejestrowanych neutronów opóźnionych z różnych zaaktywowanych izotopów 235 U, 238 U, 232 Th. Rozkłady te wykorzystuje się do interpretacji krzywej zaniku neutronów opóźnionych w celu oszacowania pierwotnego strumienia neutronów emitowanych z urządzenia termojądrowego. Ad 2. 32

3 Zbadano odpowíedź detektorów diamentowych sccvd w polu promieniowania mieszanego wytwarzanego przez generator IGN-14 w IFJ PAN (cząstki alfa, deuterony, protony, neutrony 2.45 i 14 MeV). Wykonano interpretację otrzymanych złożonych widm energetycznych wspomagając się analizą występowania reakcji jądrowych zachodzących w tarczach oraz programem obliczeniowym SIMRA. Ad 3. Wyznaczono zakres temperatur, koncentracje plazmy oraz wartości radialnego pola elektrycznego niezbędnego do magnetycznego utrzymania częściowo zjonizowanej i namagnesowanej warstwy plazmy w pobliżu tzw. pierwszej ścianki. Oszacowano grubość oraz koncentrację warstwy plazmy niezbędnej do powstrzymania ucieczki zanieczyszczeń uwolnionych z pierwszej ścianki. Obliczono wzrost temperatury w warstwie plazmy na skutek grzania omowego oraz oszacowano wpływ temperatury na dystrybucję pola elektrycznego. Rozseparowanie i zdefiniowanie w złożonym widmie energetycznym mieszanego pola promieniowania pików od poszczególnych jonów i neutronów rejestrowanych monokrystalicznymi detektorami diamentowymi. W roku 2013 opublikowano 3 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład 52 zadanie 4. Biologia radiacyjna i środowiskowa; retrospektywna dozymetria biologiczna ekspozycji radiacyjnych i środowiskowych - badanie wrażliwości osobniczej i wydajności naprawy DNA Rozwój metod dozymetrii biologicznej ekspozycji radiacyjnych oraz badania wpływu czynników genetycznych (indywidualnej podatności na promieniowanie jonizujące, rozumianej jako polimorfizm genów odpowiedzi na promieniowanie jonizujące) na przebieg procesów naprawczych w komórkach krwi obwodowej. Zastosowanie promieniowania do badania zróżnicowania podatności osobniczej. 1. Badania uszkodzeń DNA i chromosomów w funkcji ekspozycji środowiskowej, diagnostycznej, terapeutycznej, zawodowej lub wypadkowej (retrospektywna dozymetria biologiczna) z analizą ryzyka utraty zdrowia w wyniku tej ekspozycji. 2. Badania porównawcze wpływu niskich i wysokich dawek 131 I, na fenotypowe zróżnicowanie osobnicze w podatności na indukcję radiacyjnych uszkodzeń DNA oraz w wydajności komórkowych procesów naprawy. analiza wpływu endogennych lub egzogennych czynników środowiskowych na wydajność procesu naprawy radiacyjnych uszkodzeń DNA, analiza wpływu zróżnicowania polimorficznego na wydajność naprawy radiacyjnych uszkodzeń DNA. 3. Badania skutków interakcji pomiędzy promieniowaniem jonizującym i innymi czynnikami egzogennymi. 4. Bioindykacja terenów o podniesionym potencjale radiologicznym. W realizacji programu współpracowano z: Collegium Medicum UJ; Leiden Universities Holandia; Federal Medical Biological Agency, Rosja. Opracowano procedurę oceny genotoksyczności nowych scenariuszy 33

4 chemoterapeutycznych w oparciu o pomiar poziomu uszkodzeń DNA z zastosowaniem testu kometowego w liniach komórkowych czerniaka ludzkiego (A375P, WM239A, WM35) oraz raka jelita grubego. Opracowanie i optymalizacja testu mikrojądrowego (MN) na potrzeby ekspozycji terapeutycznej bądź wypadkowej. Uzyskane wyniki będą mogły być wykorzystywane w badaniach przedklinicznych oraz w retrospektywnej dozymetrii biologicznej. Opublikowano 1 artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR. Zakład 56 zadanie 5. Obrazowanie i zlokalizowana spektroskopia magnetycznego rezonansu w badaniach biomedycznych 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 i patologicznych w warunkach in vivo i ex vivo metodami MRI/MRS (współpraca z University of Calgary i University of British Columbia, Kanada, Akademią Wychowania Fizycznego w Krakowie, Collegium Medicum, Wydziałem Chemii i Wydziałem BiNoZ UJ, Instytutem Biologii Doświadczalnej PAN w Warszawie). 2. Badania procesów uwalniania substancji czynnych leków w układach modelowych (współpraca z Collegium Medicum UJ i University of Toronto, Kanada). 3. Badania biokompatybilności materiałów (współpraca z AGH w Krakowie, Uniwersytetem Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie) 4. Ponadto rozwijano metody i oprzyrządowanie do MRI/MRS. Ad 1. a) W projekcie Śródbłonek naczyniowy w chorobach cywilizacyjnych: od badań poznawczych do oferty innowacyjnego leku o działaniu śródbłonkowym analizowano mechanizmy prowadzące do niewydolności serca w modelu myszy rozwijających kardiomiopatię rozstrzeniową (Tgαq*44) oraz miażdżycę (apoe/ldlr-/-). Badano wpływ farmakoterapii z użyciem leków referencyjnych, następnie zastosowano trening spontaniczny w celu zbadania wpływu aktywności fizycznej na parametry czynności serca. Scharakteryzowano wpływ zastosowanych leków oraz treningu na czynność serca myszy oraz oceniono wpływ klasycznej terapii i treningu spontanicznego. b) Testowano ex-vivo środki kontrastowe zmieniające jednocześnie czasy relaksacji T1 i T2 do obrazowania molekularnego guzόw mόzgu na modelu mysim. Superparamagnetyczne nanocząstki połączone zostały z przeciwciałami charakterystycznymi dla glejaka tworząc selektywny środek kontrastowy. Wykazano skuteczność środków kontrastowych dla poprawienia jakości obrazów in-vivo mόzgów myszy pozbawionych układu odpornościowego u których zaimplantowane zostały guzy. c) W celu określenia zmian morfologicznych mózgów szczurów ex-vivo, napromieniowanych w okresie prenatalnym (model indukowanej epilepsji) uzyskano obrazy MR 3D T2-ważone 34

5 wysokiej rozdzielczości, umożliwiające porównania objętości poszczególnych obszarów mózgu w zależności od okresu zastosowania czynnika indukującego zmiany. Ad 2. Badano procesy uwadniania modelowych matryc HPMC, czystych i z dodatkiem dwu substancji czynnych: rozpuszczalnej (L-Dopa) i bardzo słabo rozpuszczalnej (ketoprofen) w 0.1M roztworze HCl. Stwierdzono występowanie wielowarstwowych struktur. Najbardziej złożoną strukturę tworzyła matryca z L-Dopą, stwierdzono w niej efekty związane z rozpuszczaniem substancji czynnej. Matryca ta, oraz matryca z czystego HPMC tworzyły na zewnątrz warstwę żelopodobną, w przeciwieństwie do matrycy z ketoprofenem. Ad 3. Wykonano obrazy biodegradowalnych implantów na bazie siatki węglowej wszczepionych w kości określając skuteczność ich osadzenia w materiale biologicznym. Na podstawie obrazów 3D MRI wykonano analizę volumetryczną procesu degradacji 3 różnych polimerów, stwierdzając różnice zależne od budowy polimeru. Ad 4. - Zaimplementowano metodę elastografii MRI w polu 9.4T, pozwalającą na nieinwazyjną ocenę własności mechanicznych tkanek małych zwierząt w trakcie obrazowania MR in-vivo. - Zaprojektowano i wykonano dedykowane oprogramowanie sterujące konsoli MRI Maran, 4,7 T oraz kontynuowano prace nad systemem zabezpieczeń cewek gradientowych przed przegrzaniem. W roku 2013 opublikowano łącznie 8 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Wyniki badań zostały wykorzystane w jednej pracy doktorskiej oraz dwu pracach magisterskich. Zakład 52 zadanie 6. Badanie zmienności układów biologicznych i środowiskowych oraz innych układów złożonych 1. Pomiar zawartości pierwiastków śladowych metodami spektroskopowymi wykorzystującymi promieniowanie rentgenowskie, synchrotronowe oraz wiązki jonów z akceleratora typu Van de Graaffa. 2. Oznaczanie stopnia utlenienia fosforu, siarki i metali z III grupy w oparciu o metody wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe oraz techniki spektroskopii wibracyjnej (współpraca z HASYLAB, Hamburg, KIT, LNF Frascati, Triest, SOLEI, PSI, NSLS). 3. Obrazowanie mikrostruktur w układach złożonych spektroskopowymi metodami komplementarnymi i mikrotomografią komputerową. 4. Badanie uszkodzeń radiacyjnych komórki będących następstwem promieniowania jonizującego. 5. Badanie własności mechanicznych (elastyczność, adhezja) układów biologicznych z użyciem mikroskopu sił atomowych (AFM) (współpraca z Politechniką w Lozannie, Uniwersytetem w Linzu). Przeprowadzono badania reakcji komórek na naświetlanie promieniowaniem jonizującym z wykorzystaniem mikrowiązki protonów o energii 1 2 MeV z akceleratora Van de Graaffa. Materiałem badawczym były komórki raka prostaty i żołądka a także fibroblastów. Komórki były naświetlane od 50 do 8000 protonów na komórkę. Analiz dokonano techniką µxrf oraz spektroskopii FTIR. Zaobserwowano istotne zmiany w widmach FTIR, skorelowane z wielkością dawki (współpraca z Monash University, Australia). 35

6 Analizowano stężenia Zn, Fe, Ca w pooperacyjnym materiale usunięcia katarakty. Wstępne wyniki przedstawiono na konferencji: FT-IR Meeting in Berlin 2013: FT-IR Spectroscopy in Microbiological and Medical Diagnostics". Prowadzono badania reakcji detektorów diamentowych na napromieniowanie wiązką protonów o energii 2 MeV i natężeniu kilku tysięcy protonów/sek (współpraca z NZ54). Dla polepszenia jakości obrazów otrzymywanych na linii pomiarowej dla mikrotomografii komputerowej (µct), rozpoczęto uruchamianie metody kontrastu fazowego z zastosowaniem dla próbek geologicznych (współpraca z AGH, Wydz. Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska) Na linii µct uruchomiono stanowisko do napromieniowywania komórek zogniskowaną wiązką o energii 4.5 kev, dokładnie określonymi dozami. Uzyskano ognisko o średnicy 8 µm i natężenie wiązki pozwalające na dostarczenie dawki ok. 1 Gy/s do jądra komórkowego. Układ µct wykorzystywany był do planowania eksperymentów z użyciem promieniowania synchrotronowego Określono stopnie utlenienia i formy chemiczne siarki i fosforu, występujących w liniach komórkowych i tkance nowotworu prostaty. Właściwe eksperymenty wykonano na synchrotronach ANKA w Karlsruhe (Niemcy) oraz SLS w Villigen (Szwajcaria). - Badania własności mechanicznych (elastyczność, adhezja) układów biologicznych z użyciem mikroskopu sił atomowych wykonano dla żywych komórek czerniaka - linia WM115 (pierwotne ognisko raka) oraz WM266-4 (wtórne ognisko raka). Wyniki skorelowano z morfologią i wzrostem komórek (współpraca bilateralna z Uniwersytetem w Linzu). Wykazano znaczenie własności powierzchniowych (hydrofobowość/hydrofilowość) w adhezji komórek czerniaka do cienkich powierzchni polimerowych (współpraca z Instytutem Fizyki UJ). Ponadto, wykonano pomiary własności elastycznych mięśni myszy chorujących na dystrofię mięśniową Duchenne a leczonych doksycykliną (współpraca z Politechniką w Lozannie) oraz żeli poliakrylamidowych wykorzystywanych do standaryzacji pomiarów elastyczności żywych komórek. Opublikowano 3 prace w czasopismach JCR. - Po raz pierwszy zbadano eksperymentalnie i scharakteryzowano za pomocą specyficznej spektroskopii Ramanowskiej (tzw. TERS Tip Enhanced Raman Scattering) strukturę molekularną podwójnych przerwań nici DNA. Badania były prowadzone we współpracy z Monash University, Australia. Rezultaty zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Angewandte Chemie. - Metodą XAS określono formy chemiczne siarki występujące w komórkach i tkankach nowotworu prostaty oraz różnice w zawartości poszczególnych form pomiędzy układami nowotworowymi i nienowotworowymi. Ponadto uzyskano dwuwymiarowe mapy rozkładu poszczególnych form siarki w wybranych obszarach tkanek, które skorelowano z budową histologiczną. - W ramach badań nad spektroskopią pojedynczej komórki z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych wykazano znaczenie własności powierzchni polimerowych w adhezji komórek czerniaka, co pozwoliło na rozróżnienie komórek czerniaka pochodzących z różnych stadiów zawansowania choroby. Z powyższego zadania w roku 2013 opublikowano łącznie 12 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład 59 36

7 zadanie 7. Rozwój i zastosowanie metod pomiaru substancji śladowych dla zagadnień fizyki środowiska, hydrogeologii i medycyny 1. Pomiary stężeń związków chlorowcowych CFCs i SF6 w powietrzu na obszarze aglomeracji krakowskiej i analiza wpływu cyrkulacji meteorologicznych powietrza na lokalne i globalne stężenie tych związków. 2. Opracowanie chromatograficznej metody jednoczesnego pomiaru stężenia gazów szlachetnych He, Ar, Ne oraz freonów CFCs i SF6 w wodzie podziemnej, w zakresie stężeń istotnych dla badań hydrogeologicznych. 3. Opracowanie metody pomiaru śladowych ilości lotnych substancji organicznych w wydychanym powietrzu w oparciu o technikę GC/MS dla celów diagnostyki medycznej. Chromatografię gazową charakteryzują: niska granica wykrywalności, wysoka rozdzielczość, krótki czas analizy oraz mała ilość próbki niezbędnej do wykonania analizy. Niskie poziomy wykrywalności substancji lotnych powodują, ze chromatografia gazowa ma zastosowanie w wielu obszarach badań, w tym w ochronie środowiska i klimatu Ziemi, w badaniach hydrogeologicznych oraz w medycynie do zagadnień diagnostyki medycznej. Rozwój chromatograficznych metod śladowej analizy chemicznej jest głównym celem prac badawczych w tym zadaniu. Ad 1 Kontynuacja ciągłego pomiaru związków chlorowcowych CFCs i SF6 w powietrzu Krakowa oraz skorelowanie wyników z parametrami meteorologicznymi pozwoliło na potwierdzenie pozytywnego wpływu międzynarodowych porozumień na poziom atmosferycznych stężeń omawianych związków. Wykonana rekalibracja wzorca głównego Laboratorium Fizykochemii Ekosystemów PAN dostarczyła informacji na temat zmian stężenia wybranych związków CFCs i SF6 w czasie długoletniego przechowywania w butli aluminiowej Luxfer TC-3ALM 139 DOT-3AL, ARCO Informacja o tym jest przedmiotem dużego zainteresowania innych placówek badawczych, gdyż prawdopodobnie nikt w Europie nie posiada tego typu archiwalnego wzorca gazowego. Ponadto po wykonanej korekcie i uaktualnieniu wszystkich danych pomiarowych możliwe było wyodrębnienie linii bazowych oznaczanych w atmosferze związków i ich porównanie z analogicznymi wynikami pochodzącymi z pomiarów stacji Mace Head w Irlandii. Dostarczyło to informacji na temat wpływu kontynentalnych źródeł tych gazów na skład niskiej troposfery w centralnej i wschodniej Europie. Ad 2 Z powodu szybkiego wzrostu stężenia SF6 (około 7% rocznie), znanej historii przebywania w atmosferze, względnej stabilności w glebie oraz prostych metod analitycznych, SF6 wydaje się być idealnym znacznikiem do datowania młodych wód podziemnych. Również freony są stosowane w badaniach hydrologicznych i hydrogeologicznych w wielu laboratoriach na świecie do datowania wód młodych. Natomiast dla wód starszych o wiekach od setek lat dobrym znacznikiem do datowania jest stężenie helu. Znajomość wieku wody podziemnej pozwala ocenić odporność systemu wód podziemnych na zanieczyszczenia antropogeniczne, im woda starsza tym system jest bardziej odporny na zanieczyszczenia. W oparciu o opracowaną metodę wykonana była druga tura pomiarowa datowania wód na Pomorzu w okolicach Żarnowca, w celu określenia odporności tych systemów na wpływ zanieczyszczeń antropogenicznych związanych z ewentualną eksploatacją elektrowni jądrowej. Ad 3 W analizie składu oddechu została zastosowana analiza chromatograficzna ze 37

8 spektrometrem masowym. Celem badań było określenie profilu oddechowego pacjentów z przewlekłą chorobą nerek. Przeprowadzenie badań było możliwe dzięki współpracy z Kliniką Nefrologii i Wydziałem Farmacji UJ CM. Wytypowano szereg związków, które mogą być przydatne w ocenie przebiegu choroby lub wydajności dializy. Szczególnie interesujące, jako potencjalne markery schorzenia, są trimetyloamina i izopren. Współpraca z ośrodkiem w Austrii, w ramach projektu bilateralnego, dotyczyła głównie badania profilu oddechowego chorych na cukrzycę ze współistniejącym schorzeniem nerek. Opracowano również metodykę pomiaru związków lotnych z powierzchni skóry celem przygotowania do badań w kierunku diagnostyki nowotworowych zmian skórnych. Z powyższego zadania w roku 2013 opublikowano łącznie 2 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 8. Opracowywanie metod radiochemicznych dla badań podstawowych, medycznych i środowiskowych oraz badanie stężeń pierwiastków promieniotwórczych Zakład 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 preparatyką 237 Np. wykorzystanie spektrometrii masowej w pomiarach radioaktywności środowiska (współpraca z ING PAN oraz z Wydziałem Chemii UJ). wykorzystanie pomiarów spektrometrycznych stężeń emiterów alfa, beta i gamma w badaniach środowiska i w badaniach czystości radiologicznej próbek materiałowych. 2. 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. Prace te są prowadzone w aspekcie rozwoju energetyki jądrowej w Polsce i gospodarki odpadami radioaktywnymi. W szczególności prace dotyczące zagadnienia mobilności długożyciowych radionuklidów ewentualnie wyciekających ze składowiska. 4. Opracowanie metod otrzymywania i wydzielania radionuklidów dla tomografii PET i SPECT z wykorzystaniem cyklotronu AIC-144. Prace nad otrzymywaniem 66 Ga. Prace metodyczne oraz aplikacyjne z wykorzystaniem protonowej analizy aktywacyjnej próbek biologicznych i środowiskowych. Laboratorium NLR 5. Badanie stężeń radonu w różnych komponentach środowiska, doskonalenie technik pomiarowych (współpraca z Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia, National Radiation Protection Institute, Chiba, Japan, H.N.B. Garhwal University, Indie). 6. Badanie dynamiki stężeń radonu i jego pochodnych w pomieszczeniach zamkniętych (współpraca z Politechniką Lubelską). 38

9 7. Pomiary stężeń izotopów promieniotwórczych w próbkach środowiskowych (współpraca m.in. z Politechniką Wrocławską, AGH, CLOR i GIG). Ad 1-4 Opracowano metodykę rozdzielania neptunu od Am, U i Pu. Wstępne wyniki przedstawiono na VI Krajowej Konferencji Radiochemii i Chemii Jądrowej. Zakończono prace nad wydzielaniem Tc z próbek środowiskowych we współpracy z Wydziałem Chemii UJ. Wyniki opublikowano. We współpracy z ING PAN wykonano m.in. analizy próbek ze Spitzbergenu celem oznaczeń stosunków izotopowych Pu. Publikacja w przygotowaniu. Rozpoczęto kolejny cykl badań skażeń radioaktywnych Arktyki (praca doktorska). Próbki pochodzą ze współpracy z Instytutem Botaniki UJ. Prowadzono badania skażeń (pluton, gamma emitery) próbek z Uralu. Opublikowano wyniki radioaktywności w meteorycie Sołtmany. Opracowano ostatecznie wyniki dotyczące skażeń wewnętrznych kilku osób przebywających w Japonii w okresie katastrofy w Fukushimie, całość opublikowano. Opracowano i opublikowano wyniki dotyczące błędów systematycznych wynikających z różnic w ułożeniu tarczycy w czasie pomiaru I-131 w spektrometrze całego ciała. Opracowano oryginalną metodę kalibracji spektrometru całego ciała dla osób o różnej budowie ciała, wytworzono w tym celu wielomodułowy fantom kalibracyjny zawierający szereg izotopów radioaktywnych (praca magisterska). Przeprowadzono pomiary granulometryczne oraz gamma spektrometryczne próbek pobranych w odwiertach wokół składowiska w Różanie. Prace będą kontynuowane. Przeprowadzono prace nad wytwarzaniem izotopu 64 Cu oraz 66 Ga. Główne prace koncentrowały się nad szczegółami technologicznymi preparatyki tarcz do aktywacji. Prace realizowano we współpracy z Medycznym Centrum Diagnostycznym Voxel, w Krakowie. Ad 5-7 Prowadzono prace nad opracowaniem i testowaniem ujednoliconych procedur pomiarowych dotyczących stężenia radonu w gruncie, przepuszczalności gruntu oraz określania potencjału radonowego terenu. Opracowano metodę przygotowywania próbek wody o znanym stężeniu radonu z wykorzystaniem atestowanego źródła radonu. Metoda będzie służyć prowadzeniu pomiarów interkalibracyjnych dla zespołów z kraju i zagranicy. Przeprowadzono pierwszą serię pomiarów radonu w jaskiniach Ojcowskiego Parku Narodowego i kontynuowano pomiary radonu w sztolniach uranowych w Dolinie Białego w Tatrach (współpraca z Uniwersytetem Łódzkim i TPN). Kontynuowano pomiary w auli wykładowej Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej obejmujące stężenie radonu i jego pochodnych we frakcjach wolnej i związanej. Badano wpływ działania klimatyzacji na dynamikę tych stężeń. Wyniki zaprezentowano na dwóch konferencjach międzynarodowych: 7th Conference of Protection against Radon at Home and at Work oraz European Aerosol Conference. Kontynuowano badania stężeń pierwiastków promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych, w glebie oraz w wodzie. Wydano 19 sprawozdań z badań dotyczących stężeń radonu oraz 130 sprawozdań oraz opinii o możliwości zastosowania badanych materiałów w budynkach przeznaczonych na stały pobyt ludzi. Sformułowanie i opublikowanie w Acta Phys. Pol. B, 44 we współpracy z ING PAN, hipotezy nt. formowania zagadkowych struktur geologicznych - kominów 39

10 kimberlitowych w wyniku impaktu egzotycznych form materii (CUDO Cosmic UltraDenseObject). Hipoteza ta zakłada generacje neutronów w czasie procesu, skutkującą pojawieniem się zmian w naturalnych abundancjach pierwiastków chemicznych. Opracowanie metody przygotowania próbek wody o znanym stężeniu radonu dla celów pomiarów porównawczych. Opracowanie procedury wyznaczania potencjału radonowego terenu dla potrzeb oznaczania stanu zerowego terenu przeznaczonego pod budowę elektrowni jądrowej. Opublikowano z punktów 1-4 łącznie 9 prac w czasopismach JCR, oraz 2 prace z punktów 5-6. zadanie 9. Dozymetria luminescencyjna w medycynie i ochronie przed promieniowaniem Zakład 63/Laboratoria NLW, NLD 1. Opracowanie i zastosowanie detektorów luminescencyjnych i metod dozymetrycznych do pomiarów dawek promieniowania jonizującego. Opracowanie i rozwój metod dozymetrycznych w oparciu o detektory luminescencyjne do pomiaru dawek promieniowania jonizującego. Prowadzone będą prace zmierzające do wytworzenia nowych materiałów luminescencyjnych w postaci kryształów otrzymywanych metodą Micro-Pulling-Down (MPD) oraz badanie ich właściwości dozymetrycznych. Kontynuowane będą prace nad skonstruowaniem nowego czytnika do pomiarów rozkładu dawek dla dozymetrii indywidualnej w celu rozróżnienia ekspozycji statycznej i dynamicznej. Rozwijane będą prace nad opracowywaniem metod pomiaru ultra-wysokich dawek przy użyciu detektorów termoluminescencyjnych LiF:Mg,Cu,P. 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 W oparciu o prowadzane pomiary dawek indywidualnych i środowiskowych w ramach działalności Laboratorium Dozymetrii Indywidualnej i Środowiskowej (LADIS) powstaje szeroka baza do analizy narażenia osób pracujących w polu promieniowania jonizującego, zarówno w medycynie, jak i przemyśle. Celem zadania jest m.in. opracowanie i rozwój nowych technik i metod dozymetrycznych dostosowanych do potrzeb indywidualnej dozymetrii termoluminescencyjnej. b. Rozwój dozymetrycznych metod termoluminescencyjnych w radiologii Rozwój metod dozymetrycznych związanych z dozymetrią pacjenta. Planuje się testowanie możliwości zastosowania dwuwymiarowych detektorów termoluminescencyjnych w pomiarach w radiologii interwencyjnej oraz możliwości zastosowania standardowych detektorów termoluminescencyjnych w pomiarach dawek w radiologii. Ad 1. NZ63 W 2013 roku wytworzono na stanowisku MPD kilkadziesiąt kryształów następujących luminoforów: fluorku litu (LiF), korundu (Al2O3), glinianu (LiAlO2) oraz fosforanu LiMgPO4. Kryształy te miały kształt prętów o średnicy do 3mm i długości do 12cm. Badano właściwości luminescencyjne uzyskanych kryształów za pomocą metody termoluminescencyjnej i optycznie stymulowanej luminescencji. Najciekawsze i obiecujące 40

11 rezultaty uzyskano dla glinianu, który wykazuje bardzo wysoką czułość na promieniowanie jonizujące, a ze względu na obecność litu w jego składzie chemicznym, może być wykorzystany w pomiarach neutronów. W 2013 roku został ostatecznie skonstruowany czytnik wyposażony w kamerę CCD do pomiarów rozkładu dawek dla dozymetrii indywidualnej w celu odróżnienia ekspozycji statycznej i dynamicznej. Czytnik przeszedł pomyślnie testy akceptacyjne pod względem mechanicznym i elektrycznym. Przeprowadzone zostały badania stabilności odpowiedzi wysokodawkowej detektorów LiF:Mg,Cu,P w warunkach wysokotemperaturowych. Ad 2. NLW, NLD a. PAN rozwinięto i przetestowano metodę ponownego odczytu dawki w detektorach termoluminescencyjnych standardowo rutynowo stosowanych w pomiarach dozymetrycznych. Metodę przetestowano w czytniku manualnym oraz automatycznym. Przetestowano metodę rozróżnienia ekspozycji statycznej i dynamicznej dla nowego 2D czytnika TL dla wybranych osób pracujących w narażeniu na promieniowanie jonizujące. b. Przetestowano możliwości zastosowania dwuwymiarowych folii termoluminescencyjnych w dozymetrii pacjenta podczas zabiegów w radiologii interwencyjnej. Rozwój metod związanych z dozymetrią na soczewki oczu. W 2013 roku został skonstruowany czytnik z kamerą CCD do pomiarów rozkładu dawek dla dozymetrii indywidualnej w celu rozróżnienia ekspozycji statycznej i dynamicznej. Z powyższego zadania w roku 2013 opublikowano łącznie 13 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 10. Inżynieria cienkich warstw, powłok i nanomateriałów Zakład 53 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 nanomateriałów o prostopadłej anizotropii magnetycznej poprzez domieszkowanie i obróbkę termiczną (partnerzy: Uniwersytet w Chemnitz, Uniwersytet w Sumach). 2. Nanostrukturyzacja magnetycznych układów cienkowarstwowych wiązkami jonowymi, wiązką lasera oraz metodami chemicznymi (współpraca: Instytut Technologiczny Karlsruhe). 3. Spektroskopowe metody jądrowe w badaniach nanomateriałów, stopów i związków międzymetalicznych (współpraca: Uniwersytet w Mińsku). 4. Synteza nanokompozytowych cząstek magnetycznych metodą naświetlania laserem impulsowym oraz badanie ich własności strukturalnych, optycznych i magnetycznych. 5. Wytwarzanie bioceramicznych powłok na tytanie i jego stopach z wykorzystaniem nowoczesnych technik inżynierii materiałowej (współpraca: Politechnika Śląska). 6. Synteza powłok diamentowych i badania ich struktury i własności dozymetrycznych (współpraca: Hasselt University). 41

12 7. Mikrostruktura powłok, warstw gradientowych oraz cienkich warstw formowanych metodami jonowymi i plazmowymi (Centrum Doskonałości IONMED). Ad 1. W stopach FePdCu na podłożach nanostrukturyzowanych metodą litografii nanosfer zaobserwowano tworzenie się oddzielnych wysp stopu, lub zjawiska perkolacyjne. Zbadano wpływ domieszki oraz nanostrukturyzacji na własności magnetyczne układu i skorelowano ze zmianami struktury lokalnej i dalekozasięgowej stopu FePdCu. Ad 2. Wielowarstwowe nanodruty zbudowane z naprzemiennie ułożonych warstw kobaltu i miedzi otrzymywane były w procesie elektrodepozycji. Nie zaobserwowano tworzenia się związków międzymetalicznych Co/Cu. Ładunek zarejestrowany podczas nanoszenia kolejnych warstw wskazuje na uzyskanie struktur o powtarzalnej grubości warstw. Ad 3. Metodą zaburzonych korelacji kątowych promieniowania gamma badano martenzytyczne przejścia fazowe w stopach NiTi i TiPd domieszkowanych In i Hf oraz Zr o różnych koncentracjach. Wykonane pomiary pokazały, że dla stopu TiPd poprzez odpowiedni dobór domieszki i jej koncentracji można sterować temperaturą przejścia. Ad 4. Nanokompozytowe cząstki Fe3O4/a-Fe2O3, Ni/NiO, Fe3O4/NiO, Ni/a-Fe2O3 zostały zsyntetyzowane za pomocą metody impulsowego naświetlania promieniem laserowym. Stwierdzono, że wielkość, skład i właściwości magnetyczne otrzymanych cząstek mogą być precyzyjnie kontrolowane poprzez parametry naświetlania i czas trwania impulsu. Ad 5. Cienkie warstwy hydroksyapatytu (HAp) na modyfikowanej termicznie powierzchni tytanu zostały wytworzone metoda hydrotermalną w obecności kwasu EDTA. Powierzchnia tak przygotowanych warstw miała budowę nitkową, kształt i rozmiar kryształów zależał od ph roztworu. Ad 6. Wykonano depozycję struktur Si/czysty diament/diament domieszkowany borem oraz wykonano pomiary ich własności chemicznych i elektrycznych. Stwierdzono, że zmiana parametrów wytwarzania struktur diamentowych ma wpływ na poprawę własności detekcyjnych. Ad 7. Badano własności fizykochemiczne oraz bioaktywność amorficznych powłok węglowych formowanych metodami IBSD lub IBAD domieszkowanych srebrem, miedzią, azotem oraz tytanem. Nie stwierdzono zmiany stopnia krystaliczności UHMWPE. Ponadto badano oddziaływanie aminokwasów (np. cysteiny, fenylalaniny) z tymi powłokami. Dobrze uporządkowany epitaksjalny układ wielowarstwowy FeCr został przebadany strukturalnie z wykorzystaniem metody spektroskopii mössbauerowskiej elektronów konwersji. Uzyskano szorstkość na poziomie 2 3 warstw atomowych. Odseparowano szorstkość interfejsu pochodzącą od mieszania atomów od szorstkości wynikającej z defektów powierzchniowych warstwy. Z powyższego zadania w roku 2013 opublikowano łącznie 4 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR oraz 3 prace w innych czasopismach. Z zespołem IZTW (Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania) zgłoszono wynalazek patentowy Tarcza do nanoszenia powłok węglowych domieszkowanych 42

13 metalami aktywnymi biologicznie oraz sposób jej wytwarzania, który przedstawiony na 62. Międzynarodowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik Brussels Innova nagrodzono srebrnym medalem. zadanie 11. Wykorzystanie wiązek protonowych cyklotronu Proteus C-235 do badań w dziedzinie fizyki radiacyjnej, radiobiologii oraz do radioterapii protonowej. Zakład 61, Samodzielna Pracownia NZ62, NZ63, oraz Dział DCP 1. Uruchomienie wiązki protonowej z cyklotronu C-235, systematyczne testy cyklotronu, selektora energii i systemów prowadzenia wiązki protonowej. 2. Pomiary mikrodozymetryczne dawek promieniowania jonizującego w pomieszczeniach terapii, hali eksperymentalnej i sterowniach (cel wieloletni) 3. Budowa stanowiska doświadczalnego do badań radiobiologicznych, umożliwiającego naświetlanie komórek i ewentualnie małych zwierząt oraz eksperymentalne wyznaczanie RBE w hodowlach komórkowych (cel wieloletni) 4. Opracowanie modeli radiobiologicznych RBE i modeli transportu wiązek protonowych i węglowych mających zastosowanie w interpretacji eksperymentów radiobiologicznych oraz dla rozwoju systemów planowania leczenia w radioterapii (cel wieloletni). 5. Opracowanie stanowiska do radioterapii nowotworów oka z wykorzystaniem cyklotronu C- 235 (cel wieloletni) Prace nad nową koncepcją rozpraszania wiązki protonów. Badanie dawek od promieniowania rozproszonego na stanowisku terapii. Zbudowanie, uruchomienie i certyfikowanie kompletnego stanowiska do radioterapii oka do końca 2014 roku. 6. Opracowanie nowych metod pomiaru dawki dla wiązek protonowych z zastosowaniem detektorów luminescencyjnych, nowo opracowanych w IFJ PAN detektorów scyntylacyjnych i detektorów wolnych rodników (alaninowych) (cel wieloletni) Prowadzono prace koncepcyjne, obliczeniowe, konstrukcyjne oraz pomiarowe, dotyczące systemu formowania wiązki na stanowisku radioterapii protonowej nowotwór oka. Zainstalowano w pozycji finalnej elementy ławy optycznej oraz systemów unieruchamiania i pozycjonowania pacjentów. Prowadzono prace nad formowaniem i optymalizacją wiązki protonowej na budowanym stanowisku. Prowadzono prace nad procedurami i dokumentacją, która jest niezbędna w staraniach o certyfikację stanowiska. W celu określenia narażenia na promieniowanie pacjentów oraz personelu prowadzono pomiary promieniowania rozproszonego (promieniowanie gamma, neutrony) w hali terapii oka oraz w pomieszczeniach sąsiadujących z pomieszczeniami do których prowadzona jest wiązka protonowa. Ad 6. Prowadzono prace nad zastosowaniem detektorów alaninowych dla potrzeb radioterapii protonowej. Opracowano układ pomiarowy zbudowany w oparciu o kamerę CCD oraz cienki detektor scyntylacyjny, który posłużył do obrazowania rozkładów przestrzennych wiązki protonowe. Urządzenie zostało wykorzystane w trakcie optymalizacji wiązki protonowej na budowanym stanowisku radioterapii protonowej oka. Prowadzono prace nad doskonaleniem detektorów termoluminescencyjnych oraz detektorów TL typu 2D pod kątem zastosowań w radioterapii protonowej. Opublikowano pracę w czasopiśmie z listy JCR. : Opracowano nowe stanowisko do radioterapii protonowej oka, umożliwiające prowadzenie napromieniania nowotworów oka bez ograniczeń w ich lokalizacji. Dzięki precyzyjnemu 43

14 systemowi dozymetrycznemu stanowisko umożliwia również prowadzenie badań z wykorzystaniem wiązki protonowej. : Od 2015 roku na nowym stanowisku do radioterapii protonowej oka będą prowadzone prace eksperymentalne oraz napromienianie pacjentów. zadanie 12. Rozwój metod związanych z radioterapią protonową oraz prowadzenie radioterapii protonowej nowotworów oka z wykorzystaniem cyklotronu AIC-144. Samodzielna Pracownia NZ62 Celem zadania jest dalsze doskonalenie technik i rozwój metod pomiarowych bezpośrednio związanych z radioterapią protonową. Obecnie w IFJ PAN przy cyklotronie AIC-144 funkcjonuje jedyne w Polsce stanowisko radioterapii protonowej nowotworów oka, na którym przeprowadzono napromieniania guzów wewnątrzgałkowych u 15 pacjentów. Rozwijane i doskonalone w ramach zadania metody i techniki pomiarowe będą mogły być stosowane zarówno w pomiarach na obecnym, jak i na nowo powstających stanowiskach do radioterapii protonowej. Celem zadania na rok 2013 jest zbudowanie i przetestowanie na stanowisku radioterapii protonowej nowotworów oka układu scyntylator kamera CCD do szybkiej oceny rozkładów poprzecznych wiązki protonowej. 1. Rozwój nowych metod kontroli dawki i poprawa precyzji pomiaru dawki na stanowisku radioterapii. 2. Badanie dawek od promieniowania rozproszonego i generowanego na elementach formowania i monitorowania wiązki. 3. Doskonalenie metod pomiaru parametrów wiązki protonowej w zastosowaniach klinicznych. 4. Uczestnictwo zespołu IFJ PAN w wykonywaniu procedur radioterapii protonowej nowotworów oka. Ad 1. W ramach zadania zbudowano, uruchomiono i przetestowano urządzenie wyposażone w kamerę CCD i scyntylator plastikowy, które posłużyło do szybkiego wyznaczania rozkładów przestrzennych wiązki protonowej na stanowisku radioterapii protonowej nowotworów oka przy cyklotronie AIC-144. Urządzenie zostało wdrożone do rutynowego wykorzystania na stanowisku radioterapii protonowej. Zostały przygotowane procedury pracy z urządzeniem w trakcie przygotowywania wiązki na potrzeby radioterapii protonowej nowotworów oka. Ad 2. W 2013 roku na stanowisku radioterapii protonowej prowadzono pomiary promieniowania rozproszonego na elementach układu formowania wiązki. Wykonywano pomiary dla pól mieszanych (promieniowania gamma i neutronów), przy pomocy komór jonizacyjnych, mierników neutronów oraz miernika mikrodozymetrycznego. Przeprowadzono wspólne pomiary mieszanych pól promieniowania zespołem z Narodowego Centrum badań Jądrowych. W pomiarach wykorzystano komory rekombinacyjne. Ad 3. Prowadzono prace nad doskonaleniem metod pomiaru parametrów wiązki protonowej. Prowadzono prace nad opracowaniem metody rejestracji dawki dostarczonej pacjentowi przy pomocy zestawu detektorów alaninowych. Ad 4. 44

15 Zespół uczestniczył w prowadzonej w IFJ PAN terapii protonowej nowotworów oka. Przeprowadzono procedurę napromieniania nowotworów oka dla 24 pacjentów Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie. W 2013 przeprowadzono pełne, udane cykle radioterapii protonowej guzów wewnątrzgałkowych dla 24 pacjentów Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie z czerniakiem błony naczyniowej gałki ocznej. Od 2013 roku leczenie chorych finansowane jest przez Narodowy Fundusz Zdrowia. Zabiegi te przeprowadzono przez współpracujące zespoły medyków z Kliniki Okulistyki i Onkologii Okulistycznej Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie oraz z Centrum Onkologii Oddział w Krakowie oraz fizyków i inżynierów z IFJ PAN. W terapii wykorzystano wiązkę protonów z cyklotronu AIC-144. Prace prowadzone były w ramach eksperymentu medycznego, za zgodą Komisji Etyki Lekarskiej. Z powyższego zadania w roku 2013 opublikowano 4 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. 45