Спасский А.В. (НИИЯФ МГУ) – 30 мин.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА НЕКОТОРЫЕ
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ И НА
МОДЕЛЬНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ НА
120-СМ ЦИКЛОТРОНЕ НИИЯФ МГУ
В.М. Лебедев, Г.В. Максимов, М.А. Островский,
Е.Ю. Паршина, А.Б. Приселкова, А.В. Спасский,
К.А. Труханов
НИИЯФ МГУ, Биологический ф-т МГУ, ГНЦ РФИМБП РАН
Планы создания базы на Луне и межпланетный полет
(марсианская экспедиция) предполагают, что человек будет
длительное время находиться в магнитном поле, величина которого
существенно (на несколько порядков) ниже геомагнитного поля Земли
гипомагнитные условия (ГМУ), что нивелируют защитное действие
привычного ГМП относительно ионизирующего действия
калактических космических лучей (ГКЛ). В состав ГКЛ входят
высокоэнергетичные (релятивистские) ядра, в том числе с высокими
атомными
Как известно, плотность ионизации (или линейная
передача энергии – ЛПЭ) в треке частицы c атомным
номером Z пропорциональна Z2. Таким образом,
плотность ионизации в треке иона кислорода (Z=8) в 64
раза, а в треке иона железа (Z=26) в 676 раз больше, чем
в треке протона с той же энергией, что энергия на нуклон
у ядра тяжелого иона. Поэтому тяжелые ионы обладают
повышенным радиобиологическим действием.
Имеющий в НИИЯФ МГУ 120 – см циклотрон позволяет
моделировать воздействие тяжелых ионов ГКЛ, по
крайней мере, частично.
Частица
E0,
МэВ
R, мм
воды
Дейтроны
15
1,460
dE/dx( dE/dx(ма dE/dx
Е0), кэВ кс), кэВ (ГКЛ),
/мкм
/мкм
кэВ
/мкм
6,1
67
Альфачастицы
12С
30
0,730
23
ГКЛ
20,3
24Мg
ГКЛ
ГКЛ
81
380
54Fe
230
2,25
Использование ускорителя для моделирования имеет ряд существенных
особенностей перед натурными исследованиями или использованием
ускорителей тяжелых частиц до ГэВных энергий: относительно легко
коллимировать пучок и облучать определенные части исследуемого
объекта. Не вызывает сложностей, как правило, быстрая смена объекта.
В качестве объекта нельзя использовать цельные организмы. Но эта
особенность дает и некоторые преимущества, т.к. исключаются
адаптивные механизмы организма.
1 – циклотрон, 2 – квадрупольные линзы, 3 – отклоняющий магнит, 4 –
ионопровод, 5 – защитная стена, 6 – вакуумный клапан, 7 –диафрагмы, 8
– окно ионопровода, 9 – сменная диафрагма, 10 – рабочая кювета или
капилляр, 11 – веб-камера
Имеется возможность облучения образцов как в вакуумной камере, так и
пучком, выведенным на воздух. Последний вариант значительно упрощает
процедуры работы с большинством использованных биологических объектов,
хотя и связан с потерей энергии ускоренных частиц в «окне» и воздухе.
При достаточно близком расположении объекта к окну
потери энергии альфа - частиц оцениваются в 2 МэВ.
В качестве окна на фланце ионопровода использовалась
алюминиевая фольга толщиной 50 мкм. Предусмотрена возможность
коллимирования пучка сменными диафрагмами (9) различной
конфигурации. Эти диафрагмы иногда крепятся на штоке, связанным с
микродвигателем, что позволяет дистанционно управлять вводом и
выводом диафрагмы (или перекрыванием пучка). Как правило,
использовались диафрагмы, изготовленные из тантала, поскольку
наведенная радиоактивность в нем мала из-за высокого значения
кулоновского барьера.
Мониторирование пучка осуществлялось измерением величины
заряда, попадающего на диафрагму и кювету, изолированные от
«земли». Использовали интегратор тока с чувствительностью 2 10 4
мкКл/имп. и пересчетный прибор. Точность определения величины
поглощенной дозы оценивалась в 20 - 30%. Такая относительно низкая
точность, в основном, связана с тем, что не учитывается ток утечки,
связанный с электронами вторичной эмиссии из облучаемого объекта и
его крепления. Контрольные измерения величины этого тока
показывают, что указанная погрешность не превышает этих значений.
В качестве объектов исследования влияния
ионизирующего излучения использовались:
1. Сетчатка глаза, родопсин, хрусталик (раствор бетакристаллина);
2. Нервное волокно;
3. Клетки (плазма крови, эритроциты);
4. Реакция Белоусова Жаботинского (БЖ);
5. Суспензия липосом;
Облучение объектов выполнялось с использованием некоторых
специально разработанных приспособлений:
1. Камера для облучении изолированной сетчатки,
2. Кювета для облучения жидких объектов или растворов,
суспензий (родопсин, растворы L- кристаллина, кровь,
гемоглобин, суспензия липосом, раствор реакции БЖ),
3. Капилляры (гемоглобин, раствор реакции БЖ),
4. Камера для облучения нервов.
Сетчатка глаза.
1 - пучок дейтронов, 2- черная
фильтровальная бумага, 3 –
изолированная сетчатка, 4 электроды и регистрирующая
аппаратура, 5 – светодиод
Облучение сетчатки травяной лягушки
проводилось дейтронами в камере,
которую располагали за выходным
окном ионопровода. Ускоритель
работал в режиме с частотой посылок
от 0,1 до 5 Гц или в режиме
однократного ручного запуска.
Длительность посылки могла
изменяться от 0,1 до 10 мсек.
Количество частиц в импульсе
составляло от 104 до 106
частиц/импульс.см2.
ВПЕРВЫЕ показано, что тяжелые заряженные частицы с
высокой
плотностью
ионизации
способны
вызывать
электрическую активность сетчатки электроретинограмма.
Облучение такими частицами способно привести к необратимым
повреждениям фоторецепторных и нервных клеток.
Нервные волокна.
В качестве объекта использовали седалищный
нерв травяной лягушки. Для регистрации
амплитуды и скорости проведения потенциала
действия
(ПД)
при
воздействиях
ионизирующего
излучения
использована
модифицированная методика отведения ПД.
Блок-схема установки для облучения нервов
частицами с высокой ЛПЭ приведена рис., где
1 – циклотрон; 2 – ионопровод; 3 – выходное
окно ионопровода; 4– слой воздуха;
5 – танталовая пластина (ширина щели 2 мм);
6 – исследуемый объект (нерв);
7 – стимулирующие электроды; 8 – генератор
электрических импульсов; 9 – отводящие
электроды; 10 – двухлучевой осциллограф; 11 –
коллектор заряда; 12 – интегратор тока; 13 –
пересчетный прибор, 14 – ПК
Нервное волокно облучали в герметичной влажной камере,
стенки которой выполнены из оргстекла. Перед камерой
располагали танталовую пластину с горизонтальной щелью
шириной 2 мм. Нерв располагается перпендикулярно пучку.
Дейтроны и α-частицы воздействовали на нервное волокно
локально на участке длиной один - два миллиметра.
Остальная часть нервного волокна не подвергалась
облучению. На задней съемной стенке
камеры находилась система
штырьков - электродов,
электрически соединенных с
разъемами, к которым были
подсоединены коаксиальные
кабели для подачи
стимулирующих нерв импульсов
электрического тока и отведения
биоэлектрического ответа нерва
– ПД.
На рис. представлено изменения амплитуды потенциала
действия миелинового нервного волокна нерва в зависимости
от поглощенной дозы при облучении дейтронами (открытые
кружки) и α- частицами (звездочки). Наблюдалось различие в
зависимости скорости проведения и амплитуды ПД от
величины поглощенной дозы при воздействии -частиц и
дейтронов: снижение амплитуды ПД было более выражено в
первом случае, а снижение скорости проведения ПД во втором.
Регистрация прямо под пучком.
При облучении нерва коллимированным потоком
заряженных
частиц
происходит
локальное
повреждение нервного волокна и через поврежденный
участок ПД не распространяется. При стимуляции
нерва
ниже
области
воздействия
проведение
возбуждения осуществляется в обычном режиме. Повидимому, миелин и его целостность играет большую
роль в проведении ритмического возбуждения при
действии на нерв потока заряженных частиц с высокой
ЛПЭ.
Самоорганизующиеся физико-химические системы
(реакция БЖ).
Автоколебательные и волновые процессы характерны для всех живых
систем. Примером таких явлений могут служить распространение
мышечного сокращения, свертывание крови и т.д. Изучение
воздействия потоков заряженных частиц с высоким значением ЛПЭ
на автоколебательные химические реакции позволяет моделировать
схожие процессы в живых объектах.
В качестве модельной выбрана известная реакция БЖ, которая
относительно хорошо изучена. Она является колебательной
реакцией, в которой происходит окисление малоновой кислоты под
действием 4-валентного церия в присутствии бромат-аниона. При
взаимодействии ионов Ce4+ с малоновой кислотой происходит их
восстановление до Ce3+, которые затем окисляются до Ce4+, снова
восстанавливаются и т.д. При этом цвет раствора периодически
меняется. Реакция идет до тех пор, пока не закончатся исходные
реагенты.
В литературе описаны лишь два эксперимента по
облучению жестким ионизирующим излучением
раствора реакции БЖ и исследованию его
влияния
на
автоколебательные
процессы.
Использовалось гамма-излучение 60Со. В этих
экспериментах реакционный объем облучали
полностью. Наблюдалось лишь подавление
автоколебаний. По-видимому, даже если бы
ведущие центры при таком облучении и возникали
(что маловероятно из-за низких значений ЛПЭ), то
они тут же гасили друг друга, и наблюдать их
было бы невозможно.
Исследование действия пучка частиц
из циклотрона на протекание реакции
БЖ выполняли в плоскостной
двухмерной и одномерной геометриях.
В первом случае использовали
специальную дюралевую
кольцеобразную кювету с внешним и
внутренним диаметром 60 и 20 мм,
соответственно и толщиной 30 мм. В
центральной части кюветы между
двумя лавсановыми пленками
толщиной 20 мкм, натянутыми на
внутреннюю часть кольца кюветы,
находилась реакционная смесь. Зазор
между пленками составлял от 0,8 до
1,0 мм.
Во втором случае на месте кюветы
помещали капилляр из пирекса длиной
90 мм, внешним и внутренним
диаметром 1,2 и 0,9 мм,
соответственно.
Из-за высокого уровня радиационного фона в
экспериментальном зале наблюдение за изменениями
характеристик объекта осуществлялось дистанционно с
помощью веб-камер. Результаты съемки записывались на
жѐсткий диск компьютера. Затем в режиме off-line при
помощи программы «Capture» цвет в анализируемых
точках разлагали на RGB-составляющие.
При облучении раствора в кювете с диафрагмой
диаметром 2 мм наблюдалось инициирование
концентрической волны с центром на облученном
участке раствора. Процесс ее образования протекал
несколько раз и после прекращения облучения.
Тоже – впервые!
Приведены кадры видеозаписи распространения волн
в кювете после однократного облучения. Показан
порядок
появления
и
распространения
волн,
инициированных и отмечены спонтанные волны.
Время облучения от нескольких секунд до нескольких
десятков секунд, а ток пучка - от 1 до 30 нА.
Аналогичные результаты получены и с прямоугольной щелью
s
Наиболее стабильное образование ведущего центра
наблюдалось при облучении раствора в капилляре. В
этом случае две практически плоские волны
расходились в противоположных направлениях от
центра облучения. В случае наложения
инициированных пучком волн на спонтанные волны,
всегда наблюдающиеся в растворе, происходило их
взаимное гашение
5s
10 s
15 s
20 s
128
148 s
265 s
305 s
402 s
Детальный химический механизм реакции Б-Ж может
быть описан более чем 80-тью элементарными реакциями.
Тем не менее, существуют более простые модели,
отражающие основные закономерности реакции Б-Ж.
Одна из таких моделей, называемая радикалатор, включает
8 компонентов и 9 реакций. Для данного эксперимента
модель радикалатора оказалась недостаточной, т. к. не
учитывает взаимодействия реагирующих веществ с `ОНрадикалом, возникающим после начала облучения в
результате радиолиза воды. Поэтому модель радикалатора
была модифицирована включением еще двух реакций,
учитывающих взаимодействие реагирующих веществ с
образующимся в растворе `ОН-радикалом
Для сопоставления воздействия ионизирующего
излучения с высоким и низким ЛПЭ были выполнены
аналогичные эксперименты для реакции БЖ с пучком
электронов. Использовали электроны с энергией 30
МэВ из разрезного микротрона НИИЯФ МГУ. В
эксперименте также наблюдалось инициирование волн.
Главное отличие заключается в величине порога
поглощенной дозы для образования инициированной
волны. В эксперименте с -частицами он был оценен в
80 Гр, а в эксперименте c пучком электронов – в 2 кГр.
Этот результат заметно отличается от обычно
используемого значения ОБЭ (отн. биол.эффект).
Т.о.120-см циклотрон НИИЯФ МГУ
оказался вполне подходящим
инструментом для моделирования …..
Спасибо за внимание!