Расчет энергии многозарядных ионов на входе в биологические образцы с учетом наличия поглотителей на их пути и продольных распределений линейных потерь энергии в образцах периферической крови человека толщиной 2 мм. Цитогенетический анализ клеток.
Аннотация к работе
В первом приближении качество излучения характеризуется значением линейной передачи энергии (ЛПЭ) частицы в объекте. Максимальная кинетическая энергия Тмах, которая может быть передана частицей d-электрону, зависит, главным образом, от скорости (энергии) частицы и в первом приближении может быть оценена по следующей зависимости, справедливой для тяжелых частиц и сравнительно небольших энергий: Тмах = 2mec2b2/(1-b2) (1) где me - масса электрона (МЭВ), b - относительная скорость частицы v/c. Энергетический спектр д-электронов: DNE/DTE = Q/Te2, где Te - кинетическая энергия д-электронов, а Q на длине пути частицы dx выражается следующей формулой через заряд z и скорость частицы v, атомную массу вещества М, атомный номер вещества Z и плотность r: Таким образом, энергетический спектр д-электронов есть обратно квадратичная зависимость и очень быстро спадает с ростом энергии д-электрона. Если пролетающая через вещество частица имеет энергию большую, чем энергия связи ядра, то удельные ионизационные потери энергии для тяжелых заряженных частиц описываются известной формулой Бете-Блоха: (3) где ме - масса электрона (мес2 = 511 КЭВ - энергия покоя электрона); v - скорость частицы; z - заряд частицы в единицах заряда позитрона; n - плотность электронов в веществе; I - средний ионизационный потенциал атомов вещества среды, через которую проходит частица. В конечном счете, можно считать, что вся энергия, потерянная частицей в веществе равна энергии образовавшихся d-электронов и энергии, отданной на возбуждение атомов, и если пробег всех d-электронов будет укладываться в объекте, то поглощенная в объекте энергия будет равна ионизационной потери энергии частицы.Радиобиологические эксперименты по облучению различных биологических объектов тяжелыми заряженными частицами проводятся на ускорителях ОИЯИ - фазотроне Лаборатории ядерных проблем, ускоряющем протоны до энергии 660 МЭВ, Нуклотроне Лаборатории высоких энергий, ускоряющем протоны до энергии 10 ГЭВ и ионы с массой до углерода до энергии 4 ГЭВ/нуклон (в настоящее время) и изохронном циклотроне У400М Лаборатории ядерных реакций, ускоряющем тяжелые ядра до энергии 50 МЭВ/нуклон. Возможность использования пучков заряженных частиц с большим диапазоном Z различной энергии создает уникальную вариабельность радиобиологических экспериментов по значениям ЛПЭ.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. 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. 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. 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.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; В нее 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. 11 показан скриншот окна “физического калькулятора” программы Lise c заданием параметров иона и последовательности мишеней и скриншот окна задания параметров мишеней.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 экспе
План
Содержание
Введение
Глава 1. Постановка радиобиологических экспериментов в ОИЯИ
1.1 Циклотрон У-400М Лаборатории ядерных реакций
1.2 Облучательная установка ЛРБ “Геном -М” на канале масс-сепаратора ACCULINNA циклотрона У-400М
Глава 2. Моделирование прохождения ионов пучка от ускорителя до облучаемого образца
2.1 Расчет значений энергии ионов на программе Lise
2.2 Применение дополнительных алюминиевых фольг
2.3 Использование программу TRIM для пространственного распределения ЛПЭ
Глава 3. Применение теоретических расчетов
3.1 Мутаций в локусе HPRT
3.2 Цитогенетический анализ препаратов
3.3 Метод ДНК-фокусов
Результаты и выводы
Заключение
Литературы
Введение
В Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований проводятся широкомасштабные экспериментальные исследования механизмов мутагенного действия ионизирующих излучений, различающихся по физическим характеристикам, на клетки с различным уровнем организации генетического аппарата. Тяжелые заряженные частицы являются эффективным инструментом при решении вопросов, связанных с выяснением механизмов биологического действия ионизирующей радиации. Радиобиологические эксперименты проводятся на ускорителях заряженных частиц ОИЯИ с пучками протонов, легких и тяжелых ионов различных энергий. В качестве биологических объектов облучения используются различные клетки млекопитающих и растений, микроорганизмы, белки, дрожжи и т.д. Первопричиной возникновения радиационных эффектов является передача энергии от частицы веществу. Результаты воздействия ионизирующей радиации на биологические объекты зависят от многих факторов, в том числе от дозы поглощенной в объекте энергии и от качества излучения. В первом приближении качество излучения характеризуется значением линейной передачи энергии (ЛПЭ) частицы в объекте. От величины ЛПЭ зависит, главным образом, относительная биологическая эффективность ионизирующего излучения.
Линейная передача энергии (linear energy transfer) LD для заряженных частиц - отношение DE/dl, где DE - средняя энергия, потерянная заряженной частицей на длине трека dl в таких столкновениях с электронами оболочек атомов среды, при которых переданная им энергия меньше D. Эту величину также называют ограниченной ЛПЭ в отличие от неограниченной ЛПЭ, т. е. L? при D ® ?. Неограниченная L равна линейной тормозной способности вещества, обусловленной электронными столкновениями, т.е. DE/dxel. Электроны, выбиваемые с орбит атомов за счет кулоновских сил при взаимодействии с ними заряженной частицы и вылетающие из трека частицы в среде называются d-электронами. Максимальная кинетическая энергия Тмах, которая может быть передана частицей d-электрону, зависит, главным образом, от скорости (энергии) частицы и в первом приближении может быть оценена по следующей зависимости, справедливой для тяжелых частиц и сравнительно небольших энергий: Тмах = 2mec2b2/(1-b2) (1) где me - масса электрона (МЭВ), b - относительная скорость частицы v/c. Наиболее энергичные d-электроны образуются при малых параметрах удара. Большая часть д-электронов с малыми энергиями вылетает под углами, близкими к р/2 относительно направления движения частицы, а наиболее энергичные д-электроны образуются под малыми углами к траектории частицы. Скорость частицы в нерелятивистском случае связана с ее кинетической энергией T и массой M простым соотношением: v = (2T/Mc2)0,5 (2)
Скорость заряженного тяжелого иона с суммарным числом нуклонов М и энергией Т равна скорости одного его нуклона с энергией Т/М (МЭВ/нуклон). На рис. 1 приведена зависимость скорости протона от энергии (иона от энергии на нуклон), а на рис. 2 - зависимость от энергии протона (иона на нуклон) максимально возможной энергии d-электронами по формуле (1).
Энергетический спектр д-электронов: DNE/DTE = Q/Te2, где Te - кинетическая энергия д-электронов, а Q на длине пути частицы dx выражается следующей формулой через заряд z и скорость частицы v, атомную массу вещества М, атомный номер вещества Z и плотность r:
Таким образом, энергетический спектр д-электронов есть обратно квадратичная зависимость и очень быстро спадает с ростом энергии д-электрона. Поэтому подавляющая часть д-электронов имеет малые значения энергии - единицы и десятки КЭВ.
Рис.1. Зависимость относительной скорости от энергии частицы
Налетающая заряженная частица может взаимодействовать кулоновским полем как с орбитальными электронами атомов, так и с ядрами атомов. При этом она теряет часть своей энергии, передаваемой электронам и ядрам. Помимо этого имеют место еще и радиационные потери энергии частицы на образование тормозного излучения. Ядерные потери энергии заряженных частиц в веществе пренебрежимо малы по сравнению с потерями за счет взаимодействия с атомными электронами (электронных или ионизационных потерь). Интенсивность тормозного излучения обратно пропорциональна квадрату массы частицы и прямо пропорциональна квадрату заряда. Поэтому учет этого вида излучения важен только для электронов, а для тяжелых частиц становится сколько-нибудь заметным только при очень больших энергиях. Если пролетающая через вещество частица имеет энергию большую, чем энергия связи ядра, то удельные ионизационные потери энергии для тяжелых заряженных частиц описываются известной формулой Бете-Блоха: (3) где ме - масса электрона (мес2 = 511 КЭВ - энергия покоя электрона); v - скорость частицы; z - заряд частицы в единицах заряда позитрона; n - плотность электронов в веществе; I - средний ионизационный потенциал атомов вещества среды, через которую проходит частица. I = 13,5 ЭВ*Z", где Z" - заряд ядер вещества среды в единицах заряда позитрона. Качественная зависимость удельных ионизационных потерь от энергии частицы показана на рис. 3. Участок ВС соответствует области зависимости потерь согласно закону 1/v2 (описываемому формулой Бете-Блоха). На участке CD происходит релятивистское увеличение потерь, которое на участке DE начинает компенсироваться эффектом плотности. Участок BA соответствует уменьшению ионизационных потерь с уменьшением скорости частицы, связанному с эффектом перезарядки, причем в окрестности точки B скорость частицы сравнивается с орбитальными скоростями атомных электронов. При еще меньших скоростях частицы основную роль в потерях энергии частицей начинают играть упругие столкновения с атомом как с целым и, в конечном счете, частица входит в равновесное состояние с атомами среды (термализуется).
При пролете заряженной частицы на расстоянии, при котором кулоновских сил недостаточно для отрыва атомных электронов с оболочек, может происходить их возбуждение, т.е. квантованное изменение орбит электронов c увеличением их расстояния от ядра, что равносильно увеличению потенциальной энергии электронов. Эти процессы называют "возбуждением атома или молекулы”. Возбуждение затем снимается испусканием электромагнитного излучения сравнительно низкой энергии. При движении заряженной частицы через вещество примерно 30 % своей энергии она тратит на ионизацию и 70 % на возбуждение атомов. Однако возбуждение атомов и молекул не приводит к прямым эффектам воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты. Главным механизмом прямого действия излучений является именно ионизация атомов биологического объекта.
В конечном счете, можно считать, что вся энергия, потерянная частицей в веществе равна энергии образовавшихся d-электронов и энергии, отданной на возбуждение атомов, и если пробег всех d-электронов будет укладываться в объекте, то поглощенная в объекте энергия будет равна ионизационной потери энергии частицы. Величину поглощенной энергии, нормированную на единицу массы вещества, принято называть поглощенной дозой. Единица поглощенной дозы 1 Грей равна энергии 1 Дж поглощенной в 1 кг вещества. Поглощенная доза наряду с качеством излучения определяет радиационные эффекты в веществе, и зависит не только от излучения, но и от типа вещества. Определение переданной веществу энергии основывается на представлении о том, что главенствующую роль в физических, химических и радиобиологических эффектах ионизирующего излучения играет передача энергии при ионизации и возбуждении атомов среды.
В случае моноэнергетического заряженного излучения одного типа для определения поглощенной дозы целесообразно использовать понятие симы C (cema - converted energy per unit mass). Величина С определяется как суммарные потери энергии тяжелых заряженных частиц с флюенсом Ф в электромагнитных взаимодействиях со средой плотностью r деленные на единицу массы среды:
(4)
Здесь - массовая электронная тормозная способность вещества для частицы с энергией Е. При условии существования электронного равновесия значение С численно равно значению поглощенной дозы D и может быть получено расчетным путем в случае моноэнергетических частиц.
Используя соотношение 1 Гр = 6,241?109 МЭВ/г, можно легко определить необходимый флюенс моноэнергетических частиц (частиц?см-2) Ф1Гр, которые должны пройти через образец для получения им определенной поглощенной дозы 1 Гр.
Ф1Гр = 6,241?109/(DE/dxel) (5) где DE/dxel в единицах МЭВ?см2/г.
Если пробег образовавшихся d-электронов будет превышать размер облучаемого объекта, то электронное равновесие будет нарушено и часть энергии частицы, потерянной ею при прохождении через объект, будет вынесена из него вышедшими d-электронами. В результате этого поглощенная в объекте энергия будет меньше энергии, потерянной в нем частицей. В таком случае в расчет поглощенной дозы по формуле (3) надо внести поправку на вынесенную из объекта энергию. Объемы и толщины биологических образцов, используемых в экспериментах, как правило малы (1-3 см3 и 1-5 мм соответственно). Материалом биологических образцов, в хорошем приближении, можно считать воду. Экстраполированный пробег Rэкс, г/см2, электронов в диапазоне энергий от 0,3 КЭВ до 30 МЭВ для материалов с атомными номерами от 5,3 до 82 при нормальном падании на образец может быть определен по формуле [1]:
(6) где ао = Ео/moc2 (Ео - энергия электрона, МЭВ; moc2 = 0,511 МЭВ - энергия покоя электрона); a1 = 0,2335?М/Z1,209; a2 = 1,78?10-4Z; a3 = 0,9891-3,01?10-4Z; a4 = 1,468-1,18?10-2Z; a5 = 1,232/Z0,109 (М - атомная масса вещества, Z - атомный номер вещества). Для молекул используется Zэфф = SZI?ki/SMI (Zi - атомные номера всех атомов молекулы, ki - их количество в молекуле, Мі - атомные массы). В случае воды Zэфф = 8?16/18 1?2/18 = 130/18 = 7,222. Максимальная погрешность аппроксимирующей формулы (6) для Ео 1 МЭВ - 4,5%. На рис. 4 представлена зависимость экстраполированного пробега электронов в воде по формуле (6). Видно, что для тяжелых заряженных частиц с энергией до 50 МЭВ/нуклон значение пробега в воде д-электронов с максимальной энергией (см. рис. 2) не превысит ~ 0,2 мм. С учетом очень малого числа д-электронов с большими энергиями из всего спектра и тот факт, что покинуть облучаемый объект могут лишь д-электроны с максимальной энергией, рожденные в последних слоях объекта толщиной менее 0,2 мм, можно сделать вывод, что при облучении объектов частицами с энергией до 50 МЭВ/нуклон в них с большой точностью соблюдается условие электронного равновесия. Точные расчеты показали, что для биологических образцов, используемых в радиобиологических экспериментах ЛРБ, погрешность расчетного значения D за счет неточности выполнения условия электронного равновесия при энергии частиц 1 ГЭВ/нуклон составляет ~ 1,4 %, при энергии частиц 0,5 ГЭВ/нуклон - 0,33 %, а при энергии 50 МЭВ/нуклон пренебрежимо мала.
Рис.2. Зависимость удельных ионизационных потерь от энергии частиц (в единицах отношения их кинетической энергии к энергии покоя)
Рис. 3. Зависимость экстраполированного пробега д -электронов в воде от их энергии