Курсовая работа (т): Расчет значений ЛПЭ в радиобиологических экспериментах с тяжелыми ионами

Рис. 5. Внешний вид изохронного циклотрона У400М ЛЯР

Таблица 1. Список тяжелых ионов, доступных на У400М.

Ион	A/Z	E  MэВ/A	F частота	I мкА	Ион	A/Z	E  MэВ/A	F частота	I мкА
7Li2+	3.5	34	15 550	1.4	20Ne6+	3.33	46	16 080
6Li2+	3.0	50	17 500		22Ne6+	3.66		15 012
40Ar10+	4.0		13 840		22Ne7+	3.14		16 930	0.7
40Ar11+	3.63	38	15 100	2.4	12C2+	6.0		14 500
40Ar12+	3.33	37	16 080	0.4	12C4+	3.0		17 500	0.5
40Ar6+	6.66		14 900		32S16+	2.0		16 710
14N5+	2.8		18 230	0.3	11B3+	3.66	34	15 012	21.0
14N4+	3.5	34	15 550	0.5	DT1+				0.2
15N 5+	3.0		17 500	0.5	32S10+	3.2		16 710	0.12
16O5+	3.2	48	16 710	1.5	4He2+	2.0
18O5+	3.6	35	15 230	1.0	13C4+	3.25		16 480	1.7
16O5+	3.2	48			86Kr9+	9.55		12 768	0.3
20Ne2+		6
20Ne5+	4.0		13 840

Транспортировка тяжелых ионов из циклотрона осуществляется по вакуумированному ионопроводу, оборудованному элементами магнитной оптики (квадрупольными линзами для изменения апертуры пучка и поворотными магнитами). Облучение биологических образцов производится после выпуска пучка ионов из ионопровода в атмосферу через тонкую разделительную фольгу. По пути до биологического образца ионы теряют часть энергии в различных поглотителях и на входе в образец имеют энергии, отличные от указанных в таблице. Начальная энергия ионов также может несколько отличаться от указанной. С целью расширения энергетического диапазона ионов, падающих на мишень, на их пути могут устанавливаться дополнительные поглотители (фильтры) из алюминия. Толщина биологических образцов также может меняться от 1 до 3 мм при необходимости. Все вышеупомянутое приводит к значительному разбросу по ЛПЭ в зависимости от конкретных условий эксперимента даже для ионов одного типа.

Целью настоящей работы является расчет средних значений ЛПЭ в биологических образцах на пучках ионов циклотрона У400М при типичном наборе поглотителей в канале транспортировки пучка и за ним, а также при использовании дополнительных фильтров из алюминия.

1.2 Облучательная установка ЛРБ “Геном -М” на канале масс-сепаратора ACCULINNA циклотрона У-400М

На отводе масс-сепаратора ACCULINNA в зале изохронного циклотрона У400М размещена установка ЛРБ “Геном-М”, предназначенная для быстрого автоматизированного облучения большого числа биологических образцов. ACCULINNA является сепаратором вторичных пучков экзотических ионов высокой интенсивности. Сепаратор представляет собой специальный канал транспорта пучков в экспериментальном зале У400М, оборудованный мишенью для производства фрагментов ионов, необходимой магнитной оптикой и время-пролетным спектрометром (рис. 6).

В канале ионопровода поддерживается глубокий вакуум, поэтому потерями энергии выведенных из ускорителя ионов на пути до выпускной фольги можно пренебречь. Однако в начале канала находится стационарная фольга из Та толщиной 4 мкм, а также стационарная мишень для производства фрагментов ионов из Ве толщиной 300 мкм. В радиобиологических сеансах при работе на установку “Геном-М” питание поворотного магнита D2 отключается, и ионы пучка прямо направляются через отвод канала на установку “Геном-М" [3]. Поскольку для облучения биологических образцов необходимо иметь плоское однородное поле в районе их расположения, пучок немного расфокусируется с помощью квадрупольных магнитных линз D5, 6, и апертура пучка на выходе отвода канала увеличивается.

Автоматизированная установка “Геном-М” реализует несколько задач:

1)  производит последовательное автоматическое облучение до 12 биологических образцов по заданной программе;

2)      управляет проводкой пучка ионов на установку;

)        выполняет измерение поглощенной дозы в каждом образце за период его экспозиции на пучке ионов;

)        осуществляет непрерывный невозмущающий контроль качества пучка ионов в процессе облучения образцов.

Рис. 6. Общий план зала У400М с размещением каналов экспериментальных установок. D1, D2 - поворотные магниты, М - фрагментообразующая мишень, Q5,6 - дублет квадрупольных линз, LTOF - база времяпролетного спектрометра. Красным прямо-угольником обозначено место расположения установки "Геном-М" на отводе канала

В соответствии с задачами в состав установки входят: фланец-коллиматор, формирующий поле ионов за пределами ионопровода, набор плоскопараллельных воздушных ионизационных камер для контроля однородности ионного поля и измерения поглощенной в образце дозы, реверсивный двигатель и вращающийся сменный барабан с фиксированными в нем биологическими образцами, тонкая рассеивающая мишень и сцинтилляционный детектор для невозмущающего контроля качества пучка по упруго рассеянным в мишени ионам, оборудование для градуировки дозиметрической ионизационной камеры, необходимая электроника и программное обеспечение.

Выпуск пучка ионов в атмосферу осуществляется через фланец-коллиматор с пятью отверстиями диаметром 14 мм, закрытыми общей разделительной вакуумно-плотной фольгой из нержавеющей стали толщиной 6 мкм. Этой фольги достаточно для поддержания в ионопроводе глубокого вакуума. Толщина стального фланца коллиматора достаточна для полного торможения в нем самых энергетичных ионов. Непосредственно за отверстиями во фланце-коллиматоре имеются пять идентичных ионизационных камер, Центральная из камер является дозиметрической, т.е. биологические образцы облучаются ионами, проходящими через центральный коллиматор и эту камеру.

Плоскопараллельные воздушные камеры выполнены из 3 электродов (фольг из нержавеющей стали толщиной 6 мкм и диаметром 16 мм, перекрывающим размер коллиматора). На центральный электрод подается постоянное напряжение - 300 В, с двух крайних электродов снимается заряд. Зазоры между электродами - по 6 мм воздуха. В отсутствии ионизирующего излучения темновой ток камер составляет около 1 пА. Назначение остальных 4-х камер вокруг центральной - оценка пространственного распределения плотности потока ионов на выходе из ионопровода. На рис. 7 показана схематически конструкция фланца-коллиматора и размещение за ним блока ионизационных камер, а на рис. 8 - фотография этого блока. Чувствительности камер предварительно выровнены по их показаниям с изотопным альфа-источником. Поэтому, если оператором ускорителя режим проводки пучка ионов по каналу подобран так, что показания всех камер отличаются не более, чем на 10 %, то равномерность поля в пределах центрального коллиматора диаметром 14 мм будет заведомо много лучше.

Рис. 7. Конструкция фланца-коллиматора и блока проходных ионизационных камер

Рис. 8. Фотография блока из 5 проходных ионизационных камер (без сменного барабана)

Биологические образцы помещаются в контейнеры, монтируемые в отверстия в сменном поворотном барабане. Вращение барабана осуществляется реверсивным электродвигателем постоянного тока (24 В). Всего в барабане можно разместить 12 контейнеров с образцами, но обычно 1 отверстие контейнера не заполняется контейнером, а остается пустым для контроля. С помощью поворотного барабана образцы поочередно устанавливаются напротив центрального коллиматора и дозиметрической камеры на пути пучка ионов. После набора заданной дозы, измеряемой дозиметрической камерой, пучок ионов прерывается с помощью чоппера ускорителя по команде программы. Чоппер, представляет собой пластины, на которых создается потенциал достаточный для резкого отклонения пучка в сторону. Чоппер отклоняет пучок ионов источника еще в канале инжекции, в результате чего не происходит их ускорения. Отключение пучка при смене позиции барабана выполняется для повышения точности облучения образцов заданной дозой, и особенно важно при её малых значениях. Затем производится быстрый поворот барабана на один шаг реверсивным электродвигателем постоянного тока по команде программы. Для точного позиционирования барабана применен «мальтийский крест» с концевыми контактами, сигналы с которых используются для управления работой электродвигателя. После срабатывания концевых контактов чоппер выключается и начинается облучение нового образца. Для визуального контроля работы установки с пульта ускорителя используется IP видеокамера, монтируемая рядом с установкой. Схематическая конструкция установки показана на рис. 9А и 9Б, а её фотография на рис. 9В.

Показания ионизационных камер не несут информации о составе пучка. Поэтому для облучения биологических образцов ионами с заявленными характеристиками необходим постоянный (on-line) контроль параметров пучка, причем сами средства контроля не должны возмущать пучок и менять его параметры.

Для этого в ионопроводе на расстоянии 50 см от выпускной фольги установлена тонкая танталовая мишень-рассеиватель толщиной 4 мкм и диаметром 8 см.

Рис. 9. Схематическая конструкция установки “Геном-М”. А - вид сбоку, Б - вид с торца (СД - сцинтилляционный датчик с пластическим сцинтиллятором, ЭД - реверсивный электродвигатель постоянного тока), В - фотография установки со сменным барабаном

Основной канал взаимодействия ионов с этой фольгой это кулоновское (упругое) рассеяние ионов на ядрах мишени (Та), при котором происходит изменение энергии ионов и траектории их движения. Дифференциальное сечение упругого рассеяния нерелятивистской заряженной частицы в кулоновском поле ядра-мишени описывается формулой Резерфорда:

 (7)

где Z₁ и Z₂ - заряды налетающей частицы и ядра-мишени, e - элементарный заряд, T - кинетическая энергия налетающей частицы, и - угол рассеяния. Число ионов, взаимодействующих с мишенью очень мало, и мишень пучок не возмущает.

Внутрь ионопровода на расстоянии 30 см по пучку вставлен детектор из пластического сцинтиллятора Æ 1,5 см и высотой 2 см, соединенный световодом с фотоумножителем. Угол, под которым виден детектор из центра мишени составляет 14^о. Импульсы с этого сцинтилляционного счетчика подаются на амплитудно-цифровой преобразователь и далее на многоканальный анализатор импульсов. Поскольку детектор счетчика находится вне пучка основных ионов, то в него попадают только ионы пучка, рассеянные на Та фольге. Таким образом счетчик измеряет в процессе облучения спектр упруго рассеянных в Та мишени ионов. Если основной пучок ионов является моноэнергетическим и не имеет примесей других ионов, то аппаратурный спектр рассеянных на фольге ионов представляет собой одиночный пик. В случае, если основной пучок портится (появляются другие ионы, меняется энергия и т.д.), то форма спектра рассеянных ионов меняется. Схематическая конструкция системы невозмущающего контроля качества пучка приведена на рис. 10. На этом же рисунке справа показаны средства градуировки дозиметрической ионизационной камеры путем прямого измерения спектра основного пучка ионов при сниженной интенсивности пучка (сцинтилляционный счетчик с детектором CsI(Tl) или полупроводниковый DЕ-Е спектрометр тяжелых ионов).

Рис. 11. Конструкция системы мониторирования качества пучка ионов установки “Геном-М”. S1, S2 - сцинтилляторы, DЕ, Е - соответственно пролетный кремниевый детектор и детектор полного поглощения полупроводникового спектрометра ионов

Глава 2. Моделирование прохождения ионов пучка от ускорителя до облучаемого образца

Наличие различных поглотителей по тракту транспортировки пучка ионов из ускорителя до установки “Геном-М” и поглотители в самой установке снижают энергию ионов на входе в биологического образец по отношению энергии ионов, выводимых из ускорителя. Ниже приведен список всех возможных поглотителей (мишеней) вдоль всего тракта и в установке:

·        Фольга Ta 4 мкм между камерой ускорителя и трактом пучка;

·        Мишень Be 300 мкм для производства фрагментов;

·        Фольга Та 4 мкм^*;

·        Выпускная фольга Fe 3 мкм из ионопровода в атмосферу;

·        Воздух 6000 мкм;

·        1-й электрод ионизационной камеры Fe 3 мкм;

·        Воздух 6000 мкм;

·        2-й электрод ионизационной камеры Fe 3 мкм;

·        Воздух 6000 мкм;

·        3-й электрод ионизационной камеры Fe 3 мкм;

·        Воздух 12000 мкм;

·        Пленка из лексана 10 мкм^**.

Примечание: ^*фольга-рассеиватель для контроля качества пучка, ^**защитное покрытие биологических образцов.

.1 Расчет значений энергии ионов на программе Lise++

Расчет изменения энергии ионов на перечисленных поглотителях производился с помощью программы Lise++ [4]. Программа была разработана для прогнозирования интенсивности и чистоты пучков фрагментов ядер, исследуемых на масс-сепараторах. В неё включено много полезных блоков, в том числе, так называемый “физический калькулятор” для расчета транспорта ионов через элементы сепаратора. В “физическом калькуляторе” есть возможность задания последовательного прохождения иона заданного типа и энергии через ряд поглотителей из простых элементов и соединений и вычисления соответствующих потерь энергии в каждом поглотителе и значения остаточной энергии иона. На рис. 11 показан скриншот окна “физического калькулятора” программы Lise++ c заданием параметров иона и последовательности мишеней и скриншот окна задания параметров мишеней.

Рис. 11. Скриншоты окон физического калькулятора программы Lise++

При постановке радиобиологических экспериментов на У400М чаще всего используются тонкие кюветы с жидкими образцами (рис. 12) и реже - монослои клеток, закрепленные на подложке. Во всех случаях биологические образцы закрыты тонкой лексановой пленкой толщиной 10 мкм.

Рис. 12. Конструкция кюветы для облучения жидких биологических образцов

При расчетах потерь энергии пучка все биологические образцы можно имитировать водой с хорошей точностью. При облучении монослоев клеток энергия ионов за установкой “Геном-М” должна быть достаточной для проникновения через лексановую пленку и слой воды толщиной 2 мм. Для проведения облучения биологических образцов в кюветах необходимо, чтобы энергия иона после прохождения лексановой пленки была достаточна для проникновения через слой воды толщиной 2 мм (меньшую толщину образца трудно использовать по техническим причинам). Этим требованиям удовлетворяют не все ионы из таблицы 1, которые может ускорять циклотрон У400М.

Расчет значений энергии ионов из таблицы 1 с учетов всех указанных выше поглотителей дает возможность определить энергию ионов на входе в монослой клеток и на выходе из него, т.е. определить потерю энергии в нем и среднее значение ЛПЭ. Результаты такого расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2. Расчет значений ЛПЭ для образцов - монослоев клеток

Ион	Е0 МэВ/н	Е на входе в образец толщиной 2 мм, МэВ	Е на выходе из образца толщиной 2 мм, МэВ	Среднее значение ЛПЭ, кэВ/мкм
6Li	50	293,73	293,5	11,505
7Li	34	228,94	228,62	15,89
11B	34	347,27	346,36	45,478
16O	48	715,15	713,39	87,89
14N	34	422,25	420,41	92,26
18O	35	561,42	559,07	117,265
20Ne	52	962,24	959,65	129,3
20Ne	46	833,93	831,03	144,93
40Ar	38	1187,7	1175,8	595,05
40Ar	37	1139,5	1127,3	612,7

Таким образом, диапазон изменения ЛПЭ в монослое клеток при облучении различными ионами на У400М может варьироваться в широких пределах от 11,5 до 612,7 кэВ/мкм. Из-за малой толщины монослоя погрешности указанных ЛПЭ (отличие среднего значения ЛПЭ от значения ЛПЭ на входе в образец и на выходе) очень малы. Так, даже для наиболее тяжелых ионов ⁴⁰Ar с энергией 37 МэВ/нуклон эта погрешность составляет ± 0,43%.

.2 Применение дополнительных алюминиевых фольг

Применение алюминиевых дополнительных поглотителей позволит проводить сравнительное облучение ионами с различными значениями Z и энергии, но с одинаковыми значениями ЛПЭ. Например, использование дополнительного Al поглотителя толщиной 1895 мкм позволит в эксперименте на монослое клеток на пучке ионов ¹¹B с Z = 5 и энергией 34 МэВ/нуклон получить практически то же значение ЛПЭ (129,9 кэВ/мкм), что и ионы ²⁰Ne с Z = 10 и энергией 52 МэВ/нуклон (129,3 кэВ/мкм). Сравнительные эксперименты с такими ионами позволят исследовать более тонкие биологические эффекты, а именно: влияние структуры трека заряженных частиц на формирование радиационных повреждений. В приведенном примере скорости движения ионов ¹¹B и ²⁰Ne будут различаться на ~ 24%, соответственно изменится и распределение d-электронов по энергии.

В экспериментах с образцами крови в кюветах толщиной 2 мм использование алюминиевых фольг значительно расширяет диапазон значений ЛПЭ, доступных на пучках ядер циклотрона У400М. Однако при этом значения ЛПЭ на входе в образец крови и на выходе могут значительно различаться. В таких случаях приходится говорить о диапазоне линейных передач энергии, или же указывать среднее значение с максимальным разбросом. Для ионов, доступных в экспериментах на циклотроне У400М, были рассчитаны с учетов всех поглотителей на пути ионов их энергии на входе и на выходе из образцов периферической крови человека толщиной 2 мм, а также соответствующие им значения ЛПЭ ионов на входе и выходе образцов. Кровь моделировалась водой с плотностью 1,06 г/см³. Рассмотрены варианты введения в пучок ионов дополнительных алюминиевых поглотителей (фильтров) толщиной 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 мм для расширения диапазона доступных значений ЛПЭ. Результаты расчетов приведены в таб. 3.

В таб. 3 в последней колонке приведены значения ЛПЭ, усредненные по всей толщине образца. Эти средние значения получены путем деления полных ионизационных потерь энергии ионов в образце (DE = E_вх - Е_вых) на толщину образца (2 мм).

ион поглотитель клетка энергия

Таблица 3. Значения энергии ионов на входе и выходе образцов крови человека толщиной 2 мм, значений ЛПЭ ионов на входе и выходе образцов и средние значения ЛПЭ в крови

Ион, фильтр	Eнач/A, MэВ/н	Енач, MэВ	Ена входе в образец, MэВ	Ена выходе из образца, MэВ	ЛПЭ на входе, кэВ/мкм	ЛПЭ на выходе, кэВ/мкм	, кэВ/мкм
6Li	50	300	293,65	268,39	12,291	13,118	12,63
+0,2 мм Al	50	300	288,88	263,26	12,364	13,263	12,81
+0,5 мм Al	50	300	281,61	255,43	12,572	13,635	13,09
+1,0 мм Al	50	300	269,17	241,93	13,087	14,214	13,62
+1,5 мм Al Al	50	300	256,27	227,8	13,596	14,884	14,29
+2,0 мм Al	50	300	242,83	212,95	14,165	15,802	14,94
7Li	34	238	228,88	192,87	16,829	19,368	18,01
+0,2 мм Al	34	222,32	185,31	17,270	19,955	18,505
+0,5 мм Al	34	238	212,18	173,47	17,913	21,062	19,36
+1,0 мм Al	34	238	194,39	152,17	19,240	23,459	21,11
+1,5 мм Al Al	34	238	175,26	128,16	20,871	27,102	23,55
+2,0 мм Al	34	238	154,38	99,765	23,211	33,465	27,308
11B	34	374	347,18	236,43	48,157	65,682	55,38
+0,2 мм Al	34	374	328,26	209,92	50,363	72,548	59,17
+0,5 мм Al	34	374	298,18	163,95	54,442	88,816	67,12
+1,0 мм Al	34	374	242,09	36,048	64,298	282,66	103,02
+1,5 мм Al	34	374	173,35	0	84,95	0
+2,0 мм Al	34	374	68,21	0	180,47	0
16O	48	768	714,94	503,59	93,075	123,10	105,68
+0,2mm Al	48	768	678,16	453,95	96,998	133,40	112,11
+0,5mm Al	48	768	619,83	370,08	104,33	157,46	124,88
+1,0 mm Al	48	768	511,65	174,12	121,47	289,04	168,77
+1,5mm Al Al	48	768	381,87	0	153,31	0
+2 mm Al	48	768	202,16	0	257,66	0
14N	34	476	422,12	154,68	97,625	221,69	133,72
+0,2 мм Al	34	476	383,2	27,047	105,61	679,51	178,08
+0,5 мм Al	34	476	318,39	0	122,45	0
+1,0 мм Al	34	476	177,04	0	198,39	0
+1,5 мм Al Al	34	476	0	0	0	0
+2,0 мм Al	34	476	0	0	0	0
18O	35	630	561,26	231,76	124,10	252,95	164,75
+0,2 мм Al	35	630	511,87	106,86	133,19	450,53	202,505
+0,5 мм Al	35	630	430,09	0	153,19	0
+1,0 мм Al	35	630	256,41	0	234,40	0
+1,5 мм Al Al	35	630	0	0	0	0
+2,0 мм Al	35	630	0	0	0	0

Таблица 4. Значения энергии ионов на входе и выходе образцов крови человека толщиной 2 мм, значений ЛПЭ ионов на входе и выходе образцов и средние значения ЛПЭ в крови.

Ион, фильтр	Eнач/A, МэВ/н	Енач, МэВ	Е на входе в образец, МэВ	Е на выходе из образца, МэВ	ЛПЭ на входе, кэВ/мкм	ЛПЭ на выоде, кэВ/мкм	, кэВ/
20Ne	46	920	833,68	457,6	153,42	246,31	188,04
+0,2 мм Al	46	920	772,58	352,14	163,02	304,53	210,22
+0,5 мм Al	46	920	673,14	102,31	181,68	744,03	285,415
+1,0 мм Al	46	920	475,4	0	239,08	0
+1,5 мм Al Al	46	920	168,95	0	535,1	0
+2,0 мм Al	46	920	0	0	0	0
40Ar	38	1520	1187,3	0	628,45	0
+0,2 мм Al	38	1520	925,1	0	757,29	0
+0,5 мм Al	38	1520	372,22	0	1441,3	0
+1,0 мм Al	38	1520	0	0	0	0
+1,5 мм Al Al	38	1520	0	0	0	0
+2,0 мм Al	38	1520	0	0	0	0
40Ar	37	1480	1139,1	0	646,7	0
+0,2 мм Al	37	1480	867,22	0	794,35	0
+0,5 мм Al	37	1480	259,6	0	1765,6	0
+1,0 мм Al	37	1480	0	0	0	0
+1,5 мм Al Al	37	1480	0	0	0	0
+2,0 мм Al	37	0	0	0	0

2.3 Использование программу TRIM для пространственного распределения ЛПЭ

Для расчета пространственного распределения ЛПЭ ионов по толщине образца используется программа TRIM (Transport of Ions in Matter) в составе пакета программ SRIM-2013, разработанного Дж. Ф. Зиглером [5, 6]. TRIM представляет собой программу транспорта ионов в некристаллическом веществе методом Монте-Карло без учета неупругих ядерных реакций. Первый вариант TRIM был создан еще в 1983 году. В программе моделируются все процессы взаимодействия налетающей частицы и атомов мишени. Возможно задание кинетической энергии ионов в широком диапазоне энергий от 10 кэВ до 2 ГэВ, моделирование сложных веществ мишени, состоящей из нескольких слоев и т.д. SRIM позволяет с высокой точностью моделировать ионизационные потери энергии частиц в веществе, энергетические спектры ядер отдачи, 3D-траектории частиц с учетом многократных столкновений с атомами, процессы имплантации ионных примесей в вещество и имеет ряд других опций. На рис. 13 показан интерфейс программы SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) для расчета пробега и значений dE/dx для заряженных частиц в веществе произвольного химического состава, а на рис. 14 - интерфейс программы TRIM для моделирования взаимодействия частиц с веществом.

Рис. 13. Интерфейс программы SRIM для расчета пробегов и ионизационных потерь тяжелых заряженных частиц в веществе

Рис. 14. Интерфейс программы TRIM с окнами расчета траекторий ионов ¹¹В на Z в слое воды толщиной 2 мм и распределения ионизационных потерь энергии ионов в воде

На рис. 15 показаны для примера результаты расчета по программе TRIM пространственных распределений ионизационных потерь ионов в слое крови толщиной 2 мм для некоторых вариантов облучения из таблицы 3.

Видно, что использование ионов различной энергии и алюминиевых фильтров позволяет, в принципе, достичь весьма больших значений ЛПЭ, однако при этом различие в ЛПЭ частиц (и, соответственно, поглощенной дозы) на входе и на выходе из образца велико. Не все доступные на циклотроне У400М ионы можно использовать для облучения сравнительно толстых образцов (2 мм). Так, на двух последних графиках рис. 15 показаны случаи полного торможения ионов в образце, т.е. пик Брегга лежит внутри образца. Из-за этого ионы аргона можно использовать только для облучения монослоев клеток.

Обращает на себя внимание тот факт, что результаты расчета значений ЛПЭ по программам Lise++ и TRIM несколько расходятся с уменьшением энергии ионов. В программе Lise++ значения ЛПЭ на входе и выходе считались следующим образом: образец разбивался по толщине на 3 слоя - 1 мкм + 1998 мкм + 1 мкм (в сумме 2 мм). Тогда энерговыделение в первом слое 1 мкм соответствует входному значению ЛПЭ, энерговыделение в последнем слое 1 мкм соответствует выходному значению ЛПЭ. На рис. 15 значения ЛПЭ на входе и выходе определяются по графикам с использованием соотношения 1 эВ/А = 10 кэВ/мкм. В целом, результаты расчета по программе TRIM дают большие значения ЛПЭ на выходе, например, по программе Lise++ для ионов ¹⁸O с начальной энергией 35 МэВ/н и с использованием фильтра 0,2 мм Al, значение ЛПЭ на выходе составляет 450,5 кэВ/мкм, а по программе TRIM (график 5 на рис. 16) значение выходного ЛПЭ ~ 540 кэВ/мкм. Однако из-за значительного градиента ЛПЭ по толщине образца, это различие не столь существенно.

Выполненные расчеты позволят осуществить планирование радиобиологических экспериментов на пучках тяжелых ионов циклотрона У400М с учетом возможного использования алюминиевых фильтров для расширения диапазона доступных значений ЛПЭ.

Рис. 16. Графики пространственных распределений ионизационных потерь ионов на толщине образцов крови (2 мм), рассчитанные по программе TRIM

Глава 3. Применение теоретических расчетов

Как известно, ионизирующая радиация приводит к появлению и увеличению количества хромосомных нарушений, генных и геномных мутаций, которые представляют реальную угрозу для здоровья и жизни человека, и оказывают негативное влияние на последующие поколения. Наименее изученным остается мутагенное действие радиации на клетки млекопитающих и человека, особенно воздействие ускоренными тяжелыми ионами.

В Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ проводятся исследования мутагенного действия ионизирующих излучений с разными линейными потерями энергии на клетки млекопитающих, в частности мутаций в локусе HPRT, индуцируемых ускоренными тяжелыми ионами.

.1 Мутаций в локусе HPRT

HPRT (Гипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазa) - цитоплазматический фермент, находящийся во многих тканях человека. Наибольшая активность гипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазы отмечается в тканях мозга <http://medbiol.ru/medbiol/physiology/001bf156.htm>. Расположен в X-хромосоме. hprt-ген составляет 2,5 kb геномной ДНК в клетках млекопитающих и содержит 9 экзонов. HPRT-фермент катализирует взаимодействие 5`- фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ) и пуриновых оснований гипоксантина и гуанина. В результате чего образуются мононуклеотиды, которые используются клеткой при синтезе ДНК (рис. 16).

Следствием дефицита HPRT-фермента в организме человека является возникновение ряда заболеваний. Частичный дефицит приводит к развитию подагры. Для этого заболевания характерно отложение кристаллов солей мочевой кислоты (уратов) в суставных хрящах, околосуставных тканях, почках и других органах. В последующем в них развиваются воспалительные, а затем деструктивные изменения, проявляющиеся острым и рецидивирующим артритом, образованием подкожных узелков, симптомами мочекаменной болезни. Полный дефицит ферментов приводит к синдрому Лёша-Нихена (Елисеев, 2010). Этот синдром проявляется умственной отсталостью, различными неврологическими расстройствами, почечной недостаточностью, нарушениями моторики и повышенным содержанием мочевой кислоты, а также различными аномалиями поведения, в том числе навязчивым агрессивным поведением и склонности к самоповреждению.

Рис. 16. Синтез и структура мононуклеотидов.

В эксперименте была использована культура клеток китайского хомячка V-79. За двое суток перед облучением клетки высевали по 200 тыс. клеток на флакон. За этот период их количество увеличивалось в ~10 раз. Затем снимали монослой и готовили клеточную суспензию для облучения.

Облучение проводилось в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова на циклотроне У-400M, на установке «Геном». Для облучения использовались специально изготовленные цилиндрические камеры диаметром 14 мм и высотой 2 мм. Что соответствует расчетным параметрам бакалаврской работы. Размеры определялись параметрами пучка и пробегом частиц. Камеры закрывались поликарбонатной пленкой толщиной 6 мкм, через которую и осуществлялось облучение клеток. Клеточная суспензия в концентрации 10⁶ клеток/мл вводились в камеры через специальные отверстия. Камеры с суспензией закреплялись в отверстиях диска-барабана (Рис. 17). Поворотом закрепленного на установке барабана образцы последовательно вводились в зону облучения. Схема эксперимента представлена на рис.18.

Рис. 17. Закрепление образцов с клеточной суспензией в гнезда контейнера.

После облучения клетки переносили на питательную среду по 300 тыс. на флакон для дальнейшего роста. По истечению времени экспрессии (3-5 дней) клетки пересаживали по 30 тыс. на флакон с питательной средой, содержащей 6-тиогуанин для селекции HPRT-мутантов. По мере вырастания клеточные колонии снимали, фиксировали продолжительность их роста, ресуспендировали и пересевали для получения мутантных субклонов. Для контроля за выживаемостью клетки высаживали по 500 клеток на флакон с питательной средой без 6-тиогуанина.

Рис. 18. Схема проведения эксперимента

.2 Цитогенетический анализ препаратов

Цитогенетический анализ клеток проводили общепринятым метафазным методом с помощью бинокулярного светового микроскопа Olympus CX22 под иммерсией при увеличении 100х10. Данный метод широко применяется для оценки повреждения генома при воздействии ионизирующей радиации (IEAE). При цитогенетическом анализе наблюдалась гетерогенность спонтанных и радиационно-индуцированных HPRT-мутантных субклонов по исследованным цитогенетическим показателям (митотической активности, анеуплоидии, уровню хромосомных аберраций). При цитогенетическом анализе фиксировали частоту клеток с хромосомными аберрациями, а также общее число и частоты разных видов аберраций хромосом. Учитывали все виды хромосомных аббераций, выявляемых без кариотипирования: хроматидные и хромосомные фрагменты, соединения сестринских хроматид, дицентрики, кольца (центрические и ацентрические), интерстициальные делеции, обмены хромосом. Дицентрики показаны на рис. 19.

Рис. 19. Хромосомные аберрации (дицентрики) клетки китайского хомячка линий V-79

.3 Метод ДНК-фокусов

Метод ДНК-фокусов основан на использовании меченных флуоресцентными красителями отдельных ферментов, участвующих в репарации ДР ДНК. При использовании конфокального лазерного микроскопа можно регистрировать отдельные места - «фокусы» связывания этих ферментов с сайтами репарации образующихся ДР ДНК. С использованием этого метода проводится изучение закономерностей формирования и репарации ДР ДНК в широком диапазоне ЛПЭ излучений. На рисунке 20 показаны: а) ядра клеток китайского хомячка линий V-79; б) ДНК-фокусы, которые учитываются при анализе степени поврежденности ДНК.

а)  б)

Рис. 20. а) Ядра клеток китайского хомячка линий V-79 под конфокальным лазерным микроскопом; б) ДНК- фокусы в ядрах клеток китайского хомячка

Результаты и выводы

1.      С помощью программы Lise++ рассчитаны энергии доступных на циклотроне У400М многозарядных ионов на входе в биологические образцы с учетом наличия в канале транспортировки ионов различных поглотителей, а также значения ЛПЭ в образцах, представляющих собой монослои клеток;

.        По программе TRIM рассчитаны продольные распределения ЛПЭ в образцах периферической крови человека толщиной 2 мм и определены средние значения ЛПЭ;

.        С целью расширения диапазона доступных значений ЛПЭ рассмотрена возможность дополнительного торможения ионов в алюминиевых фильтрах толщиной 200, 500, 1000, 1500 и 2000 микрон и рассчитаны по указанным программам энергии и ЛПЭ ионов в биологических образцах;

.        Показана возможность постановки экспериментов по облучению биологических образцов ионами с различными значениями Z и энергии, но с одинаковыми значениями ЛПЭ (например, с Al поглотителем толщиной 1895 мкм в эксперименте на монослое клеток на пучке ионов ¹¹B с Z = 5 и энергией 34 МэВ/нуклон можно получить практически то же значение ЛПЭ (129,9 кэВ/мкм), что и c ионами ²⁰Ne с Z = 10 и энергией 52 МэВ/нуклон (ЛПЭ = 129,3 кэВ/мкм));

.        Показана практическая значимость выполненных расчетов для планирования радиобиологических экспериментов на установке “Геном-М” циклотрона У400М ЛЯР.

Заключение

Бакалаврская работа выполнена в Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований. В дипломной работе с помощью программ Lise++ и TRIM выполнены расчеты характеристик пучков тяжелых ионов, которые можно использовать в радиобиологических экспериментах на изохронном циклотроне У400М Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. С учетом наличия набора различных поглотителей на пути ионов определены их энергии на входе в биологические образцы и рассчитаны продольные распределения ЛПЭ в образцах периферической крови человека толщиной 2 мм. С целью расширения диапазона доступных значений ЛПЭ рассмотрена возможность дополнительного торможения ионов в алюминиевых фильтрах толщиной 200, 500, 1000, 1500 и 2000 микрон и рассчитаны характеристики ионов при наличии указанных фильтров. Показано, что возможно провести эксперимент по облучению биологических образцов ионами с различными значениями Z и энергии, но с одинаковыми значениями ЛПЭ. Выполненные расчеты будут востребованы при планировании радиобиологических экспериментов на установке “Геном-М” циклотрона У400М ЛЯР.

Литература

1. Баранов В.Ф. Дозиметрия электронного излучения. - М.: Атомиздат, 1974.

2. J.P. Biersack and L.G. Haggmark. A Monte Carlo computer program for the transport of energetic ions in amorphous targets. Nucl. Instr. Meth., 174:257, 1980

. A.A. Bezbakh, V.B. Zager, G. Kaminski, A.I. Krylov, V.A. Krylov, Yu.G. Teterev, G.N. Timoshenko. Upgrading the Genome Facility for Radiobiological Experiments with Heavy Ion Beams, Physics of Particles and Nuclei Letters, 2013, Vol. 10, No. 2, pp. 175-178.

. D. Bazin et al., Preprint NSCL MSU, MSUCL-1187; Preprint JINR, E13-2001-18, Dubna, 2001; submitted to NIM B; "LISE⁺⁺: “Radioactive beam production with in-flight separators”, O.B. Tarasov and D. Bazin, NIM B (2008) 4657-4664

. J.F. Ziegler, J.P. Biersack and U. Littmark (1985 (new edition in 1996)). The Stopping and Range of Ions in Solids. New York: Pergamon Press.