Temat 4. BADANIA INTERDYSCYPLINARNE I STOSOWANE

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 NLW, NLD, NLR i NLP Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2012 r. 70 publikacjami w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). zadanie 1. Interdyscyplinarne aspekty fizyki układów złożonych Zakład 44 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 2. Dynamika nieliniowa i chaos klasyczny. - Prowadzono prace nad rozwojem algorytmów zapewniających stabilne szacowanie charakterystyk wieloskalowych dla różnego typu szeregów czasowych. W szczególności, zaproponowano nowy bardziej stabilny algorytm określania multifraktalnych korelacji krzyżowych. W ramach tej działalności zidentyfikowano szczególnie osobliwy charakter multifraktalności dla dzieł lingwistycznych oraz zlokalizowano przedział częstości, który jest nośnikiem multifraktalności w utworach muzycznych. - Zaproponowano reprezentację sieciową dla tekstów pisanych oraz przebadano jej ilościowe charakterystyki. Wykazano, że są to w większości sieci typu bezskalowego. Jako wysoce nowatorski efekt odkryto, że średnia najkrótsza ścieżka w lingwistycznych sieciach złożonych ma inne zachowanie od znanych dotychczas, co polega na tym, że wraz ze wzrostem rozmiaru układu od góry opada do jej poziomu saturacji. - Zinterpretowano korelację pomiędzy rozkładami fluktuacji stóp zwrotu oraz wolumenu obrotu na rynkach finansowych. Korelacja ta polega na tym, że stosunek indeksów skalowania w tych rozkładach jest z dobrym przybliżeniem równy czynnikowi dwa, bez względu na skale czasowe i rodzaj rynku. - W ramach modeli agentów badano efekty powstawania pieniądza jako uniwersalnego towaru w wyniku mechanizmu analogicznego do spontanicznego łamania symetrii. Pokazano, że rozważany model z reguł lokalnych może generować globalne korelacje charakterystyczne dla procesów wieloskalowych. Zaprezentowanie 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 pt. Physical approach to complex systems autorstwa J. Kwapień i S. Drożdż, ukazała się jako Physics Reports 515 (2012) 115-226 Opublikowane 3 prace w czasopismach wymienionych przez JCR. Zakład 54 28

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). 2. Rozwój metod pomiarowych i interpretacyjnych dla jądrowej geofizyki otworowej. Ad 1. Wykonano liczne serie symulacji komputerowych Monte Carlo (program MCNP) rozpraszania neutronów prędkich emitowanych z impulsowego źródła nanosekundowego typu Plasma Focus na materiałach różnego typu umieszczonych w zadanej wspólnej obudowie zewnętrznej. Stanowi to podstawę opracowanie impulsowej metody neutronowej (NINIS) detekcji niebezpiecznych materiałów ukrytych np. w bagażu, przy zastosowaniu techniki pomiaru czasu przelotu (T-O-F). Współpraca: IFPiLM Warszawa (projekt MNiSW Nr O N202 049735). Ad 2. Zbadany został wpływ niejednorodności geometrycznych i materiałowych wokół otworu wiertniczego. Rozpatrywano dwa typy sond, jednej ze źródłem neutronów a drugiej ze źródłem promieniowania gamma. Opracowane zostały metody wizualizacji rozkładu pól neutronowych w cienkowarstwowych ośrodkach skalnych przeciętych otworem wiertniczym przy zmiennym kącie nachylenia warstw w stosunku do osi otworu. Współpraca: AGH, Wydz. Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska (projekt bad. MNiSW Nr N N525 337238). Publikacja monografii: U.Woźnicka, D.Dworak, U.Wiącek, T.Zorski: Geofizyczne profilowania neutronowe w asymetrycznych formacjach cienkowarstwowych. Instytut Fizyki Jądrowej PAN 2012, ISBN 978-83-934248-7-0. Nowoczesne metody interpretacji wyników w różnych konfiguracjach układu odwiertwarstwa są obecnie rozwijane pod kątem poszukiwań gazu łupkowego. Opublikowano w 2012 roku 2 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. Wyniki były też prezentowane na Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Geopetrol 2012, Zakopane 2012. 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. 2. Badania detektorów diamentowych dla pomiarów neutronów i cząstek alfa z emisji w plazmie termojądrowej. 3. Modelowanie plazmy jako dynamicznego źródła promieniowania neutronowego w układach typu tokamak. 29

Ad 1. Wykonano numeryczne symulacje eksperymentów z aktywacją neutronami próbki materiału rozszczepialnego, która emituje neutrony opóźnione. Analizowano krzywe zaniku w czasie neutronów opóźnionych. Przeprowadzono teoretyczna ocenę związku szerokości okien czasowych podczas rejestracji liczby neutronów opóźnionych z niepewnością oszacowania abundancji prekursorów neutronów opóźnionych. Współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; Asocjacja EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy; EFDA-JET, Culham, Anglia. Ad 2. Badano spektrometryczne właściwości detektorów diamentowych o różnej grubości monokryształów w pomiarze różnych cząstek (alfa, protony, deuterony) o energiach do kilku MeV przy wykorzystaniu wiązek jonów z akceleratora Van de Graaffa i generatora neutronów. Stwierdzono wysoką stabilność i powtarzalność charakterystyk spektrometrycznych. Współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; Asocjacja EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy; EFDA-JET, Culham, Anglia. Projekt EURATOM EFDA WP11-DIA-03-04-01/IPPLM/PS. Współpraca IFPiLM oraz NZ58 IFJ. Projekt bad. MNiSW Nr N N505 485840. Ad 3. Kontynuowano testy programu komputerowego dla modelowania sznura plazmowego w tokamakach w ramach jednego z projektów European Fusion Development Agreement Integrated Tokamak Modeling Task Force. Rozpoczęto badanie efektów paramagnetycznych wzbudzanych dryfem elektrycznym w częściowo zjonizowanej i namagnetyzowanej plazmie. Współpraca: Asocjacja EURATOM IFPiLM, Warszawa; EURATOM IPP Garching, Niemcy; Projekt EURATOM EFDA WP11-ITM-IMP3-ACT1-01. Weryfikacja kilku modeli tzw. solverów w kodzie ETS pod względem przydatności do obliczeń uwzględniających wewnętrzną barierę transportu w plazmie tokamaka. Wyniki prezentowano na konferencjach: International Conference on Diamond and Carbon Materials, 3-6 September 2012, (Granada, Hiszpania), 25 th Symposium on Plasma Physics and Technology, June 18-21 2012, Praga, Czechy. 4th COMPASS Programming Conference & 15th Meeting of IBA, September 17-18, 2012, Praga, Czechy. Zakład 55/Zakład 52 zadanie 4. 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. Realizację zadania na poziomie komórkowym przed i po zastosowaniu dawki pobudzającej promieniowania X, prowadzono w ramach trzech projektów badawczych: 30

1. badania uszkodzeń DNA i chromosomów w funkcji ekspozycji środowiskowej, diagnostycznej, terapeutycznej, zawodowej lub wypadkowej (retrospektywna dozymetria biologiczna). 2. badania porównawcze wpływu niskich i wysokich dawek 131 I, na fenotypowe zróżnicowanie osobnicze w podatności na indukcję radiacyjnych uszkodzeń oraz w wydajności komórkowych procesów naprawy, w tym: a) analizę wpływu endogennych lub egzogennych czynników środowiskowych na wydajność procesu naprawy radiacyjnych uszkodzeń DNA, b) analizę wpływu zróżnicowania polimorficznego na wydajność naprawy radiacyjnych uszkodzeń DNA. W realizacji programu współpracowano z naukowcami następujących instytucji: CIOP, IAEA, KAERI, Uniwersytet w Leiden, Uniwersytet w Koszycach. Po raz pierwszy w Polsce, przeprowadzono (we współpracy eksperta z Holandii) udany eksperyment z wprowadzeniem techniki PCC przedwczesnej kondensacji chromosomów (primature chromosome condensation) - do badań w zakresie dozymetrii biologicznej. Otrzymane rezultaty badań zaprezentowano na międzynarodowych konferencjach: ERR 2012 (Włochy), ISCA 2012 (Włochy), INEC (Polska). Ponadto, wygłoszono proszony wykład na Światowym Kongresie Mutagenezy EMS (Doha, Catar) oraz wykład na Jesiennej Szkole PTBR. Opublikowano 3 artykuły w Proceedings of 2nd International Nuclear Energy Congress. Wyniki badań dały podstawę do zakończonego obroną przewodu doktorskiego. Zakład 56 zadanie 5. Obrazowanie i zlokalizowana spektroskopia magnetycznego rezonansu w badaniach biomedycznych 1. Badanie struktury i procesów fizjologicznych tkanek i narządów w stanach normalnych lub patologicznych metodami MRI/MRS (współpraca z Institute for Biodiagnostics NRC, Winnipeg, Kanada, Śląskim Uniwersytetem Medycznym w Katowicach, Akademią Wychowania Fizycznego w Krakowie, Katedrą Farmakologii Collegium Medicum UJ, Wydziałem Chemii UJ). 2. Zastosowanie obrazowania MR do badania procesów uwalniania substancji czynnych leków w układach modelowych (współpraca z Katedrą Farmacji Collegium Medicum UJ w Krakowie, Institute for Biodiagnostics NRC, Winnipeg, Canada, University of Toronto, Toronto, Canada). 3. Rozwój technologii obrazowania tensora dyfuzji (współpraca z Wojskową Akademią Techniczną w Warszawie) 4. Rozwój metod i oprzyrządowania do obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej MR Ad. 1. Prowadzone badania obejmowały: a) scharakteryzowanie dwu modeli mysich patologii serca - kardiomiopatii rozstrzeniowej (myszy Tgαq*44) oraz miażdżycy (myszy apoe/ldlr-/- ) b) określenie wpływu treningu wytrzymałościowego na stabilność metaboliczną mięśni szkieletowych człowieka 31

c) określenie wpływu środków farmakologicznych oraz terapii komórkowych na zahamowanie uszkodzeń w rdzeniu kręgowym szczura Ad. 2. Prowadzono ocenę właściwości i porównanie generycznych produktów leczniczych Ad. 3. Prowadzono rozwój metodologii określenia przestrzennego rozkładu macierzy b w obrazowaniu tensora dyfuzji Ad. 4. Kontynuowano rozwój metodologii obrazowania materiałów o krótkim czasie T2. Ad. 1. a) Wykazano, że u myszy Tgαq*44 następuje nietypowy wzrost kinetyki napełniania lewej komory na wczesnym etapie niewydolności serca oraz wyczerpywanie się rezerwy chronotropowej, inotropowej i lusitropowej. Późny etap rozwoju niewydolności serca u myszy Tgαq*44 obejmuje cechy niedokrwienia mięśnia sercowego. Natomiast u myszy apoe/ldlr-/- uwidoczniono prawidłowo zachowaną frakcję wyrzutową oraz rezerwę inotropową przy upośledzonej objętości wyrzutowej sugerującej zaburzone napełnianie lewej komory. Przyspieszony rytm serca i zwiększona kurczliwość w warunkach podstawowych sugerują wtórną do zaawansowanej miażdżycy aktywację mechanizmów kompensacyjnych. Ponadto, stwierdzono, że zaburzenia czynności mięśnia sercowego w obu modelach naśladują charakterystyczne zmiany obserwowane w toku rozwoju niewydolności serca u ludzi. b) Przy pomocy spektroskopii 31P MR uzyskano przebiegi czasowe stężeń metabolitów (Pi, PCr, ATP, PME, PDE, wolne ADP), wewnątrzkomórkowego ph oraz potencjału fosforylacyjnego na pracujących mięśniach łydki in vivo według protokołów uwzględniających czas spoczynku, wysiłku oraz odpoczynku po wysiłku oraz różnych obciążeń zadawanych na ergometrze. c) Stwierdzono, że wśród środków farmakologicznych oraz terapii komórkowych o potencjalnie neuroprotekcyjnym działaniu (nikotyna, ebselen, acetylocysteina, komórki macierzyste, komórki Schwanna, mikroglej) zastosowanie komórek macierzystych pozwala na utrzymanie parametrów dyfuzji na poziomie zbliżonym do tych obserwowanych u zwierząt zdrowych, co sugeruje, że ta terapia jest najbardziej rokująca. Ad. 2. Wykonano pomiary porównawcze oryginalnej postaci leku oraz potencjalnych generyków, matryc opartych na HPMC zawierających quetiapine fumarate jako substancje leczniczą. Stwierdzono znaczące różnice w przebiegu uwadniania pomiędzy lekiem oryginalnym a potencjalnym generykiem. Ad. 3. Wykorzystując metodę BSD-DTI (B-matrix Spatial Distribution in DTI) i dedykowane fantomy uzyskano ok. dwukrotną poprawę jednorodności rozkładu wartości składowych macierzy b w stosunku do wartości wyznaczanych w oparciu o standardowe algorytmy. Ad. 4. Zaimplementowano środowisko do wykonywania pomiarów metodą SPI (Single Point Imaging) przy wykorzystaniu tomografu MR 4.7T. Z powyższego zadania w roku 2012 opublikowano łącznie 8 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Wyniki badań częściowo wykorzystano w 3 wnioskach habilitacyjnych złożonych w 2012 roku. 32

Zakład 52 zadanie 6. 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 oraz promieniowania rentgenowskiego. 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 (współpraca z HASYLAB, Hamburg KIT, LNF Frascati i Triest, PSI, NSLS). 3. Badanie własności mechanicznych (elastyczność, adhezja) układów biologicznych z użyciem mikroskopu sił atomowych (AFM) (współpraca z Politechniką w Lozannie, Uniwersytetem w Linzu). 4. Zastosowanie mikrowiązki promieniowania X oraz mikrowiązki jonowej pojedynczych jonów do badań uszkodzeń radiacyjnych komórki, procesów ich naprawy oraz dróg sygnalizacji międzykomórkowej. 5. Rozbudowa traktu pomiarowego dla mikrotomografii i analiz TRXRF oraz naświetlań komórek w oparciu o mikrowiązkę promieniowania rentgenowskiego. 6. Obrazowanie mikrostruktur w układach złożonych metodami komplementarnymi. Ad. 1. Wykorzystując metodę PIXE przeprowadzono analizy składu pierwiastkowego próbek geologicznych oraz biologicznych w tym komórek. Celem analiz komórek było określenie zawartości i biodostępności cynku po narażeniu ich na różne stężenia i formy nanometryczne tlenku cynku. Ad. 2. Przeprowadzono badania zmian stopnia utlenienia i otoczenia chemicznego siarki w liniach komórkowych i tkankach nowotworu prostaty wykorzystując metody XANES i EXAFS dla linii K siarki w trzech liniach komórkowych nowotworu prostaty i w linii komórek zdrowych oraz na skrawkach tkanek usuniętych operacyjnie guzów prostaty. Ad. 3. Zastosowano mikroskop sił atomowych do określenia własności mechanicznych różnych linii komórkowych. Ad. 4. Prowadzono badania odpowiedzi komórek na indukowane uszkodzenia radiacyjne. Stosowane były też metody biochemiczne (test immunochemiczny gamma-h2ax, test mikrojądrowy, zastosowano barwniki fluorescencyjne). Przeprowadzono ocenę dwuniciowych uszkodzeń DNA na poziomie wiązań chemicznych jak również określano ich kinetykę naprawy. Ad. 5. Kontynuowano prace związane z modernizacją traktu pomiarowego dla mikrotomografii w zakresie tomografii kontrastu fazowego. 33

Ad. 6. Zastosowano metody spektroskopowe do obrazowania tkanek pod względem rozkładu powierzchniowego pierwiastków śladowych, grup chemicznych, oraz zmian stopnia utlenienia siarki i metali z III grupy. Podjęto próbę oceny ryzyka na promieniowanie jonizujące na poziomie komórkowym, przeprowadzając analizę odpowiedzi biologicznej komórek na napromieniowanie. Takie badania, przeprowadzone na liniach komórkowych raka może mieć istotne znaczenie w dziedzinie badań radioterapii. Zastosowanie techniki AFM pozwoliło na skorelowanie elastyczności komórek z ich typem a przez to na rozpoznanie różnego rodzaju komórek nowotworowych. Wyniki badań XANES i EXAFS pokazały, że zarówno w komórkach jak i tkankach siarka występuje głównie w formie zredukowanej oraz w niewielkiej ilości w formie utlenionej. Zawartości poszczególnych grup chemicznych siarki w różnych liniach komórkowych zostały wyznaczone z widm XANES z wykorzystaniem kombinacji liniowej widm związków referencyjnych. Mikrospektroskopia fluorescencyjna promieniowania X pozwoliła na zobrazowanie obszarów badanych skrawków - blaszki miażdżycowej pod względem zawartości składu pierwiastków śladowych, które hipotetycznie mogą być związane z patomechanizmem miażdżycy (P, Ca, Fe, Cu, Zn). Mikrospektroskopia w zakresie promieniowania podczerwonego (FTIR) zastosowana w tych samych obszarach pozwoliła na określenie zawartości tłuszczy, ich stopnia nasycenia, jak również skład białek i ich struktury drugorzędowej. Z powyższego zadania w roku 2012 opublikowano łącznie 19 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład 59 zadanie 7. Rozwój i zastosowanie metod pomiaru substancji śladowych dla zagadnień fizyki środowiska, hydrogeologii i medycyny 1. Pomiary stężeń związków chlorowcowych CFC, SF6 w obszarze aglomeracji krakowskiej i analiza wpływu cyrkulacji meteorologicznych powietrza na lokalne i globalne stężenie tych związków. Współpraca z AGH w projekcie badawczym 7. PR UE INGOS, Integrated non-co2 Greenhouse gas Observation System (Infrastructures). 2. Opracowanie chromatograficznej metody jednoczesnego pomiaru stężenia gazów szlachetnych He, Ar, Ne w wodzie, 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. Współpraca z Breath Research Institute Austrian Academy of Science w Innsbrucku (Austria), Prof. Dr Anton Amman. Ad.1 Kontynuowano pomiary stężenia następujących związków chlorowcowych w powietrzu Krakowa: CCl3F (F-11), CCl2F2 (F-12), CCl2FCClF2 (F113), CHCl3, CH3CCl3, CCl4 oraz SF6. Obserwacja zmian sezonowych, a także wyznaczenie średnich dobowych, miesięcznych i rocznych stężenia CFCs i SF6 w powietrzu. Rozbudowa chromatograficznego układu do 34

pomiaru związków chlorowcowych i SF6 o możliwość analizy próbek powietrza pobranych na Kasprowym Wierchu do szklanych kuwet i do pojemników ze stali nierdzewnej z zaworami typu Nupro. Analiza zależności dobowych, miesięcznych i rocznych wartości obserwowanych stężeń związków chlorowcowych i SF6 od warunków meteorologicznych. Analiza porównawcza wyników dobowych, miesięcznych i rocznych uzyskanych w IFJ PAN Kraków z danymi ze stacji Mace Head w Irlandii. Ad.2 Opracowano chromatograficzną metodę jednoczesnego pomiaru znaczników środowiskowych Ne, Ar oraz He w wodach podziemnych w celu określania ich wieku. W oparciu o opracowane metody wykonano zlecone pomiary datowania wód na Pomorzu w okolicach Żarnowca, w celu określenia odporności tych systemów na wpływ zanieczyszczeń antropogenicznych związanych z eksploatacją elektrowni jądrowej. Prace te realizowane są w ramach grantu NCBiR i będą powtórzone w 2013 roku. Ad.3 Analiza chromatograficzna ze spektrometrem masowym (GC/MS)została zastosowana w analizie składu oddechu pacjentów z przewlekłą chorobą nerek (PChN). Celem badań było znalezienie różnic w profilu oddechowym w grupie kontrolnej oraz wśród osób ze schorzeniem nerek. Przeprowadzenie badań było możliwe dzięki współpracy z Kliniką Nefrologii i Wydziałem Farmacji CM UJ. Ad.1 W ramach europejskiego grantu InGOS (http://www.ingos-infrastructure.eu/) nawiązanie bezpośredniej współpracy z zespołem z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Bristolu, opiekującego się stacja pomiarową Mace Head, uczestniczącą w światowym programie AGAGE (http://agage.eas.gatech.edu/). Ad.2 Metodę przetestowano na wodach z okolic Saint Lambert, Francja w ramach projektu międzynarodowego Intercomparison Exercice on Environmental Tracers for Groundwater Dating, w którym wzięło udział kilkanaście laboratoriów z całego świata. Uzyskane wyniki prezentowano w formie wystąpień ustnych, posterów na konferencjach krajowych oraz międzynarodowych. Dane częściowo opublikowano w Raporcie IFJ PAN Nr 2054/Ch, Kraków 2012, Ad.3 Badania kliniczne potwierdziły, że trimetyloamina pojawiająca się w oddechu osób z PChN może mieć znaczenie diagnostyczne. Uzyskane wyniki niosą nadzieję, że wykrywane w oddechu związki mogą stać się markerami wczesnego wykrywania schorzenia nerek lub cukrzycy. Istniejący stan wiedzy na temat metodyki analizy oddechu zostały zamieszczone w Raporcie IFJ PAN Nr 2055/Ch, Kraków 2012. Z powyższego zadania w roku 2012 opublikowano łącznie 8 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 8. Opracowywanie metod radiochemicznych dla badań podstawowych, medycznych i środowiskowych oraz badanie stężeń pierwiastków promieniotwórczych Zakład 57 35

1. A) Doskonalenie metod wydzielania pierwiastków promieniotwórczych i preparatyki źródeł dla potrzeb monitoringu emiterów alfa i beta w środowisku naturalnym. Celem prac jest opracowanie kompleksowej, zharmonizowanej metodyki badań stężeń wszystkich substancji radioaktywnych obecnych w środowisku, głównie antropogenicznych nuklidów, dla wykorzystania ich jako znaczników geochemicznych procesów. 1. B) Wykorzystanie spektrometrii masowej w pomiarach radioaktywności środowiska (współpraca z ING PAN oraz z Wydziałem Chemii UJ) w celu uzyskania danych o sygnaturze izotopowej Pu, a tym samym o jego pochodzeniu. 2. Monitoring skażeń wewnętrznych pracowników eksponowanych na wchłonięcie emiterów promieniowania gamma z wykorzystaniem licznika całego ciała. 3. Przeprowadzenie pilotażowych badań na układach modelowych, związanych z opracowaniem warunków sorpcji i desorpcji wybranych izotopów na sorbentach zawierających minerały ilaste. Prace te są prowadzone w aspekcie rozwoju energetyki jądrowej w Polsce i gospodarki odpadami radioaktywnymi w celu oceny długofalowego zagrożenia środowiska wynikającego z przechowywania długożyciowych izotopów radioaktywnych na składowisku odpadów. 4. Opracowanie metod otrzymywania i wydzielania radionuklidów, emiterów promieniowania gamma oraz beta plus, dla zastosowań w medycynie nuklearnej (dla tomografii PET i SPECT) z wykorzystaniem cyklotronu AIC-144. 5. Pilotażowe prace metodyczne dla protonowej analizy aktywacyjnej próbek biologicznych i środowiskowych.. Laboratorium NLR 6. 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). 7. Badanie dynamiki stężeń radonu i jego pochodnych w pomieszczeniach zamkniętych (współpraca z Politechniką Lubelską). 8. Pomiary stężeń izotopów promieniotwórczych w próbkach środowiskowych Ad 1A. Zakończono prace nad metodyką oznaczania 63 Ni i 99 Tc w próbkach środowiskowych wraz z włączeniem tych procedur do cyklu sekwencyjnych procedur radioanalitycznych. Obroniono pracę doktorską obejmującą te zagadnienia. Przebadano ponad 1000 różnych próbek środowiskowych pochodzących głównie z Polski i Spitsbergenu, ponadto z Bangladeszu, Japonii (rejon Fukushimy), Zatoki Perskiej oraz Uralu. Ad 1B. Wykonano analizy Pu w kościach ludzkich, osadach ze Spitsbergenu, Polski oraz Uralu. Obroniono prace doktorską dotyczącą skażeń Pu, Am i Sr-90 kości ludzkich. 2. Wykonano łącznie ponad 50 pomiarów głównie pracowników IFJ oraz Kliniki Endokrynologicznej Coll. Medicum w Krakowie. Doskonalono techniki kalibracji spektrometru oraz uczestniczono w badaniach interkalibracyjnych organizowanych przez IRSN (Francja). Ad 3. Prace dotyczyły badania mobilności długożyciowych radionuklidów ewentualnie wyciekających ze składowiska. Wykonano pomiary gamma spektrometryczne pobranych materiałów, prowadzono prace nad metodyką wykonania tych badań. Realizowana jest w tym 36

zakresie praca doktorska. Ad 4. Prowadzono prace nad optymalizacją uzyskiwania 66 Ga jednak okazało się, że szanse na jego wykorzystanie praktyczne są mniejsze niż pierwotnie sądzono. W związku z tym rozpoczęto prace nad wytwarzaniem izotopu 64 Cu. Prace są prowadzone we współpracy z Medycznym Centrum Diagnostycznym Voxel, w Krakowie. Ad 5. Prowadzono prace mające na celu uzyskanie danych co do stosowalności aktywacji protonowej w analizie śladowej próbek środowiskowych w IFJ PAN. Realizowana jest w tym zakresie praca doktorska. Ad 6. Opracowano procedury pomiarowe dla określenia radiologicznego stanu zerowego terenu przeznaczonego pod budowę elektrowni jądrowej. Opracowano procedury pomiaru stężeń izotopów gamma promieniotwórczych w próbkach środowiskowych w warunkach laboratoryjnych oraz in situ, przygotowano pierwszą część procedury pomiaru potencjału radonowego terenu. Ad 7. Kontynuowano badania wpływu parametrów powietrza wewnętrznego na dynamikę zmian stężeń radonu i jego pochodnych. Przeprowadzono pierwsze serie pomiarowe w auli Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej. Ad 8. 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. Opracowanie ujednoliconej metody dla pomiarów radonu i toronu w budynkach oraz jej wdrożenie; opracowanie jednolitego kwestionariusza z opisem miejsc i warunków pomiaru dla powyższej metody współpraca z Węgrami, Czechami i Słowacją w ramach projektu finansowanego z Funduszy Wyszehradzkich. Opublikowano w 2012 roku 5 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 9. Dozymetria luminescencyjna w medycynie i ochronie przed promieniowaniem Zakład 58/Zakład 63/Laboratoria NLW, NLD Opracowanie i zastosowanie detektorów luminescencyjnych i metod dozymetrycznych do pomiarów dawek promieniowania jonizującego. Realizacja zadania polegała na opracowywaniu metod dozymetrycznych w oparciu o nowe detektory luminescencyjne służące do pomiaru dawek promieniowania jonizującego. Praca badawcza skoncentrowana była na wytwarzaniu materiałów luminescencyjnych, takich jak Al2O3, LiAlO2, LiF, CaF2, w postaci kryształów na nowo uruchamianym stanowisku do wyciągania kryształów metodą Micro-Pulling-Down (MPD). Badano wytworzone kryształy metodami termoluminescencji i optycznie stymulowanej luminescencji w celu określenia ich właściwości dozymetrycznych. Pomiary optycznie stymulowanej luminescencji oraz badania kinetyki prowadzono również dla domieszkowanych cerem krzemianów LSO, YSO i GSO. 37

Kontynuowane były prace nad skonstruowaniem nowego czytnika TL wyposażonego w kamerę CCD do odczytu detektorów w oparciu o dwuwymiarowy pomiar termoluminescencji do pomiarów rozkładu dawek dla dozymetrii indywidualnej w celu rozróżnienia ekspozycji statycznej i dynamicznej. Prototyp tego urządzenia przeszedł pierwsze testy. Przeprowadzono pomiary wysokotemperaturowych termoluminescencyjnych widm emisyjnych dla ultra-wysokich dawek przy użyciu detektorów termoluminescencyjnych LiF:Mg,Cu,P. Kontynuowano pomiary dawek w polach wokół LHC. Wykonane zostały badania wydajności detektorów termoluminescencyjnych dla protonów i ciężkich jonów pod kątem ich zastosowania w radioterapii protonowej i dozymetrii promieniowania kosmicznego. Prowadzono również pomiary fotoluminescencji detektorów LiF za pomocą zmodyfikowanego czytnika HELIOS-2 w celu optymalizowania metody pomiaru dawek promieniowania w polach mieszanych w oparciu o detektory na bazie LiF stosując łączny pomiar foto- i termoluminescencji. W 2012 roku rozpoczęto opracowywanie metod szacowania dawek w oparciu o elementy telefonów komórkowych, takie jak rezystory i szklane ekrany, pod kątem ich wykorzystania jako awaryjnych dawkomierzy dla dozymetrii retrospektywnej. Również w ostatnim roku nasz zespół rozpoczął prace nad opracowaniem koncepcji nowego modułowego systemu luminescencyjnego dla ochrony przed promieniowaniem i dozymetrii retrospektywnej. Na stanowisku do wytwarzania kryształów metodą Micro-Pulling-Down otrzymano pierwsze kryształy LiF oraz Al2O3 w postaci cienkich przeźroczystych prętów o długości około 10 cm. We współpracy z Delft University of Technology (Holandia) przeprowadzone zostały po raz pierwszy pomiary wysokotemperaturowych termoluminescencyjnych widm emisyjnych fluorku litu domieszkowanego magnezem, miedzią i fosforem po naświetleniu ultrawysokimi dawkami promieniowania. Z powyższego zadania w roku 2012 opublikowano łącznie 7 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 10. Inżynieria cienkich warstw, powłok i nanomateriałów Zakład 53 1. Modyfikacja struktury nanomateriałów o prostopadłej anizotropii magnetycznej poprzez domieszkowanie i obróbkę termiczną. (współpraca z Uniwersytetem w Chemnitz oraz z Uniwersytetem w Sumach, Ukraina). 2. Nanostrukturyzacja magnetycznych układów cienkowarstwowych wiązkami jonowymi, wiązką lasera oraz metodami chemicznymi (współpraca z Instytutem Technologicznym w Karlsruhe oraz z Uniwersytetem w Konstanz). 3. Mikrostuktura powłok, warstw gradientowych oraz cienkich warstw formowanych metodami jonowymi i plazmowymi. (Centrum Doskonałości IONMED). 4. Synteza powłok diamentowych i badanie ich struktury i własności dozymetrycznych. 5. Spektroskopowe metody jądrowe w badaniach nanomateriałów, stopów i związków międzymetalicznych (współpraca z Uniwersytetem w Mińsku, Białoruś). Ad. 1. W roku 2012 prowadzono badania dotyczące: 38

modyfikacji struktury stopów FePd domieszkowanych miedzią poprzez wygrzewanie termiczne i dodatkowo nanostrukturyzowanych poprzez depozycję na uporządkowanych matrycach nanosfer SiO2 o różnych rozmiarach, zależności sprzężenia antyferromagnetycznego i efektu gigantycznego magnetooporu od modyfikacji międzywierzchni wielowarstw Fe/Cr surfaktantami In i Bi, Ad. 2. Zastosowano jednowiązkową metodę rozpylania wiązki jonów, jak również metodę dwuwiązkowej depozycji jonowej do formowania bioaktywnych powłok węglowych domieszkowanych aktywnymi biologiczne metalami (Ag, Cu, Ir, Pt, Ca, P, Ti) na podłożach polietylenowych UHMWPE, oraz na wybranych biozgodnych polimerach i stalach, Ad. 3. Metodą ablacji laserowej i metodą syntezy hydrotermalnej wytwarzano na podłożach tytanowych biomateriały (cienkie warstwy bioszkieł, hydroksyapatytu (HAp) oraz modyfikowanej ceramiki bioaktywnej) a następnie analizowano ich strukturę i własności, Ad. 4. Metodą MW CVD na podłożach krzemowych nanoszono powłoki diamentowe i badano zależność ich struktury i własności termoluminescencyjnych od parametrów technologicznych procesu, Ad. 5. Metodą spektroskopii mössbauerowskiej elektronów konwersji prowadzono badania lokalnej struktury stopów FePd domieszkowanych miedzią. Ad. 1. W układach wielowarstwowych Cu/Fe/Pd po wygrzaniu w ultrawysokiej próżni zaobserwowano transformację od superparamagnetycznego układu wielowarstwowego do stopu uporządkowanego FePdCu o strukturze krystalograficznej L10 o anizotropii magnetycznej stopu równoległej do płaszczyzny podłoża. Określono położenie atomów w najbliższym sąsiedztwie próbnika 57 Fe, co potwierdziło powstawanie nanokrystalicznej fazy L10 o rozmiarach krystalitów, parametrze uporządkowania i rodzaju tekstury niezależnym od rozmiaru nanosfer użytych do litografii układu. Ad. 2. W wielowarstwach Fe/Cr domieszkowanych In i Bi zaobserwowano, pomimo wzrostu szorstkości międzywierzchni wzmocnienie efektu GMR i zachowanie sprzężenia antyferromagnetycznego. Układy wielowarstwowe Fe/Cr z domieszkami In, Bi i Pb wykonywano również na podłożach monokrystalicznego MgO, co pozwoliło na uzyskanie supersieci o wysokim stopniu uporządkowania i dobrze zdefiniowanych międzywierzchniach. Ad. 3. Najważniejszym rezultatem dotyczącym technologii otrzymywania biozgodnych i bioaktywnych powłok węglowych jest opracowanie metody formowania technikami jonowymi powłok domieszkowanych wapniem dla potrzeb protetyki dużych stawów. Ad. 4. Określono wpływ sposobu przygotowania powierzchni tytanu na mikrostrukturę, szybkość formowania oraz adhezję cienkich powłok hydroksyapatytowych. Badania uzyskanych powłok bioszkieł przeprowadzone po pewnym okresie przechowywania w warunkach normalnych wykazały, że wysoka reaktywność bioaktywnego szkła jest równocześnie przyczyną przyśpieszonego procesu starzenia. Wyniki prac wskazują na konieczność określenia warunków przechowywania implantów medycznych pokrytych bioaktywną powłoką szklaną. Ad. 5. 39

Określono optymalne parametry procesu chemicznego osadzania diamentu z fazy gazowej na podłożach monokrystalicznego krzemu, co pozwoliło na uzyskanie powłok polikrystalicznego diamentu o dobrze określonej strukturze i silnej odpowiedzi termoluminescencyjnej na promieniowanie jonizujące. Przeprowadzono wstępne testy zastosowania tych powłok do budowy detektorów promieniowania jonizującego. Z powyższego zadania w roku 2012 opublikowano łącznie 14 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 11. Radiobiologiczne aspekty radioterapii jonowej Zakład 61 1. Przygotowanie zespołu fizyków do pracy w warunkach klinicznych. 2. Opracowywanie i rozwój istniejących modeli radiobiologicznych RBE i modeli transportu wiązek jonowych Ad. 1. Aby zespół fizyków realizujących radioterapię protonową w CCB mógł uzyskać państwowe uprawnienia specjalisty w dziedzinie fizyki medycznej, podjęto, we współpracy z Centrum Onkologii Oddział w Krakowie (COOK) przygotowania do ogłoszenia naboru do 3,5-letniego szkolenia specjalizacyjnego w dziedzinie fizyki medycznej, zgodnie z programem szkolenia zatwierdzonym przez Centrum Medyczne Kształcenia Podyplomowego CMKP oraz Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 30 września 2002 r. w sprawie uzyskiwania tytułu specjalisty w dziedzinach mających zastosowanie w ochronie zdrowia (Dz.U. Nr 173 poz. 1419 z późn. zm.). Przewidywane jest rozpoczęcie szkolenia w COOK grupy fizyków z zakładów NZ61-64 po zakończeniu obecnego cyklu szkoleniowego w COOK, w roku 2013. Ad. 2. Dokonano szczegółowej analizy radiobiologicznego modelu Katza opisującego przeżywalność układów komórkowych po ich napromienieniu wiązkami jonów i implementacji algorytmów tego modelu do biblioteki programów libamtrack. Przygotowano założenia dla opracowania centralnego elementu (jądra) systemu planowania leczenia wiązkami jonów węgla. Przygotowano bazę danych obliczeń Monte Carlo transportu wiązek jonów węgla o różnych energiach w wodzie dla potrzeb opracowywanego jądra systemu planowania leczenia. Ponadto, wykonano pomiary rozkładu dawek w fantomie antropomorficznym napromienianym w warunkach symulowanej radioterapii wiązkami fotonów i elektronów, celem porównania ich z obliczeniami Monte Carlo oraz obliczeniami systemu planowania leczenia Eclipse algorytmami emc oraz GGBP (współpraca z zespołem COOK oraz Tampere University Hospital Finlandia) : Sprawdzono i przystosowano do dalszych obliczeń wszystkie elementy modelu Katza, dopasowano parametry modelu do układów komórkowych in vitro: CHO, V79 (aerated), V79 (hypoxic) na podstawie opublikowanych wyników eksperymentów radiobiologicznych. Zaimplementowano model Katza w bibliotece programów libamtrack. Stwierdzono na ogół dobrą zgodność wyników pomiarów i obliczeń w fantomie antropomorficznym i wykazano ważne klinicznie obszary, w których algorytm emc wykazuje lepszą zgodność od algorytmu GGPB. : 40

Przygotowana i obroniona praca doktorska, dwie prace doktorskie w toku. Przygotowane i wysłane do recenzji w czasopismach z listy JCR dwie publikacje, 4 doniesienia konferencyjne. zadanie 12. Rozwój metod związanych z radioterapią protonową oraz prowadzenie radioterapii protonowej nowotworów oka. Samodzielna Pracownia NZ62 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. Uczestniczenie zespołu IFJ PAN w prowadzeniu radioterapii protonowej nowotworów oka. Ad. 1. Prowadzono prace nad doskonaleniem precyzji pomiaru dawki przy użyciu różnych typów detektorów promieniowania. W szczególności prowadzono prace nad doskonaleniem dozymetrii alaninowej oraz wykorzystaniem detektorów TL, w tym detektorów powierzchniowych do pomiarów w wiązce protonowej. Doskonalono techniki pomiaru dawki w wiązce protonowej przy użyciu detektorów aktywnych, w tym komór jonizacyjnych, detektorów półprzewodnikowych oraz detektorów diamentowych. Ad. 2. Prowadzono pomiary dawek dla promieniowania rozproszonego (promieniowania gamma oraz neutronów), generowanego na stanowisku radioterapii protonowej przy cyklotronie AIC- 144 oraz w hali terapii oka przy cyklotronie Proteus C-235. Do pomiarów stosowane były monitory promieniowania gamma i neutronów. Wykonano również pomiary widm mikrodozymetrycznych z użyciem tkankorównoważnego licznika proporcjonalnego. Prowadzono też obliczenia przewidywanych wielkości dawki od promieniowania rozproszonego przy użyciu metod Monte Carlo. Ad. 3. Prowadzono prace nad doskonaleniem metod pomiaru parametrów wiązki protonowej w zastosowaniach klinicznych. Zbudowano i przetestowano prototyp układu do szybkiego obrazowanie i pomiaru poprzecznych rozkładów wiązki protonowej przy użyciu plastikowego scyntylatora i kamery z matrycą CCD. Ad. 4. Zespół uczestniczył w prowadzonej w IFJ PAN terapii protonowej nowotworów oka. W styczniu oraz na przełomie marca i kwietnia przeprowadzono pełne, udane cykle radioterapii protonowej guzów wewnątrzgałkowych dla 4 pacjentów Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie z czerniakiem błony naczyniowej gałki ocznej. 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. Wyniki prezentowane były na licznych seminariach i konferencjach w kraju i za granicą. 41

Z powyższego zadania w roku 2012 opublikowano łącznie 4 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. 42