Rozprawy doktorskie IFJ PAN (Doctoral dissertations of IFJ PAN)

Permanent URI for this collection

https://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/3

Browse

Now showing 1 - 20 of 124

A Comprehensive Study of Double Pion Photoproduction and Meson Spectroscopy
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Hammoud, Nadine; Kamiński, Robert; Bibrzycki, Łukasz; Altinoluk, Tolga; Giacosa, Francesco; Moskal, Paweł
W zawiłej dziedzinie spektroskopii hadronów niniejsza rozprawa rozpoczyna się od wnikliwej intelektualnej podróży misternie powiązanej z badaniem rezonansów mezonowych. Serce tej pracy polega na skrupulatnych analizach procesów fotoprodukcji i zjawisk nieelastyczności rzucając światło na zagadkowe zawiłości nieodłącznie związane z tymi niezwykłymi zjawiskami. Całość pracy składa się z dwóch części, część pierwsza zagłębia się w dziedzinę dwupionowej fotoprodukcji, oferując głęboki wgląd w zrozumienie widma mezonów w kanale ππ. Kierując się formalizmem Regge i podejściem Drell-Söding-Deck przedstawiony model płynnie integruje ustalone tło „mechanizmu Decka” ze szczególnym uwzględnieniem rezonansu wektorowego ρ(770). Ten rezonans obejmuje wkład fali P, napędzany wzajemnym oddziaływaniem wymiany pomeronu i f2 a przedłużenie zakres modelu o mezony skalarne σ i f0(980) wpływa na zachowanie fali S. Dodatkowo, wprowadzono nierezonansowe składowe w falach P i S. W konsekwencji dopasowanie modelu do podzbioru momentów wyprzedza porównanie przewidywań z danymi eksperymentalnymi z CLAS. Druga część pracy koncentruje się wokół identyfikacji wzbudzonych rezonansów ρ dla J P C = 1−−, zagłębiając się w toczący się dyskurs wokół ρ(1250) kontra ρ(1450). Dodatkowo rozważana jest perspektywa przyszłościowa poprzez prognozowanie wyników w obszarze kanału πω. Analiza rozpoczyna podróż przez przesunięcia fazowe i nieelastyczności dla kanału ππ w fali P, sięgające aż do 2 GeV. W badaniu tym zastosowano wyrafinowane podejście oparte na unitarnej i analitycznej trójkanałowej macierzy S, umiejętnie dopasowanej do pozycji biegunów o złożonej energii. Warto zauważyć, że egzekwowanie maksymalnej symetrii skrzyżowania jest ułatwione dzięki relacjom dyspersyjnym z jednym odjęciem znanym jako równania GKPY. Kanały uwzględnione w tych analizach obejmują ππ, ρ2π i ρρ. Praca kończy się odniesieniem do przewidywań w obrębie kanału ωπ. Teoretyczne amplitudy prognozuje się na podstawie analizy ich rozkładów mas. Prognozy te obejmują obszary oddziaływań ππ, ρρ i ωπ. Zaprezentowana strategia analityczna korzysta z metody rozdzielonego potencjału dla trzech sprzężonych kanałów, precyzyjnie dostosowanej poprzez dynamiczną współpracę zarówno propagatorów nierelatywistycznych, jak i relatywistycznych. Badanie to przeprowadzono poprzez rozważenie różnych pozycji mezonu ρ(1450) w oddziaływaniach ωπ, co poszerzyło wiedzę na temat szerszej dynamiki cząstek. In the intricate realm of hadron spectroscopy, this thesis embarks on an insightful intellectual journey intricately connected to the exploration of meson resonances. The heart of this work lies in meticulous analyses of photoproduction processes and inelasticity phenomena, aimed at shedding light on the enigmatic complexities inherent in these remarkable occurrences. The whole thesis consists of two parts, the first segment delves deeply into the domain of two-pion photoproduction, offering profound insights into comprehending meson reso-nances within the ππ system. Guided by the Regge formalism and the Drell-Söding-Deck approach, the model seamlessly integrates the established “Deck Mechanism” background, with a particular emphasis on the pivotal ρ(770) resonance. This resonance encapsulates the P -wave contribution, driven by the interplay of pomeron and f 2 exchanges. Extending the model’s scope, scalar mesons σ and f0(980) impact the S-wave behavior. Additionally, non-resonant P and S components are introduced. Consequently, model fitting against a subset of moments precedes the comparison of predictions with experimental data from CLAS. Moreover, the second part of the thesis focuses around identifying J P C = 1 −− excited ρ resonances, delving into the ongoing discourse surrounding ρ(1250) versus ρ(1450). Additionally, a forward-looking perspective is taken by forecasting insights within the πω channel. The analysis embarks on a journey through elastic P -wave ππ phase shifts and inelasticities, reaching up to 2 GeV. This study utilizes a sophisticated approach based on a unitary and analytic three-channel S matrix, skillfully aligned with complex-energy pole positions. No-tably, the enforcement of maximum crossing symmetry is facilitated through once-subtracted dispersion relations known as GKPY equations. The channels considered for these analyses encompass ππ, ρ2π, and ρρ. The thesis concludes by addressing predictions within the ωπ channel. Theoretical amplitudes are forecasted while analyzing their mass distributions. These forecasts span the domains of ππ, ρρ, and ωπ interactions. The analytical strategy presented draws strength from a flexible separable potential method for three coupled channels, finely adjusted through the dynamic interplay of both non-relativistic and relativistic propagators. This study is undertaken by considering varying positions of the ρ(1450) meson within the ωπ interactions, extending insights into the broader particle dynamics.
Ab initio studies of structural, electronic, and dynamical properties of transition metal pyrophosphates
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Pastukh, Svitlana; Piekarz, Przemysław; Laskowska, Magdalena; Scharoch, Paweł; Wiendlocha, Bartłomiej; Wróbel, Jan
Niniejsza praca doktorska przedstawia wszechstronne badania właściwości fizycznych pirofosforanów metali przejściowych. W tym celu zastosowano obliczenia ab initio, które umożliwiły analizę złożonych zależności między strukturą krystaliczną, własnościami elektronowymi i dynamiką sieci w tych materiałach. Główny nacisk badań skupił się na pirofosforanie miedzi (Cu2P2O7) w fazach α i β oraz na pirofosforanie żelaza [Fe4(P2O7)3]. Dla fazy α pirofosforanu miedzi wykorzystano teorię funkcjonału gęstości do dokładnej analizy własności materiału. W trakcie badań osiągnięto dobrą zgodność między obliczonymi parametrami sieci i pozycjami atomów, a danymi eksperymentalnymi, które obejmują pomiary dla nanokryształów pirofosforanu miedzi otrzymane w mezoporach krzemionki. Wykazano, że w takich obliczeniach istotną rolę odgrywa uwzględnienie lokalnych oddziaływań kulombowskich i poprawek van der Waalsa. Uporządkowanie antyferromagnetyczne atomów miedzi odpowiada konﬁguracji o najniższej energii, co bardzo dobrze odzwierciedla wyniki eksperymentalne. Analiza krzywych dyspersji fononów i gęstości stanów fononowych potwierdziła dynamiczną stabilność α- Cu2P2O7. Zbadanie właściwości termodynamicznych wykazało silną anizotropię przemieszczeń termicznych atomów tlenu i dostarczyło teoretycznej interpretacji silnej ujemnej rozszerzalności termicznej występującej w tym związku. Zjawisko ujemnej rozszerzalności termicznej zbadano w ramach przybliżenia quasiharmonicznego, jak również uwzględniając poprawki anharmoniczne, a wyniki teoretyczne porównano z wartościami eksperymentalnymi. Właściwości elektronowe i sieciowe fazy β pirofosforanu miedzi również zostały przeanalizowane w ramach obliczeńab initio, wykazując dobrą zgodność parametrów strukturalnych z danymi eksperymentalnymi przy uwzględnieniu oddziaływań kulombowskich i poprawek van der Waalsa. Szczegółowe zbadanie właściwości dynamicznych kryształu β- Cu2P2O7 ujawniło występowanie miękkiego modu w punkcie A strefy Brillouina oraz jego kluczową rolę dla strukturalnego przejścia fazowego. Przeprowadzone obliczenia samouzgodnionych fononów w oparciu o zależny od temperatury potencjał efektywny pokazały kluczową rolę efektów anharmonicznych w takim procesie i ich związek z ujemną rozszerzalnością termiczną. Dla pirofosforanu żelaza przeprowadzono wszechstronną analizę właściwości elektronowych, strukturalnych i dynamicznych uwzględniając trzy różne konﬁguracje oddziaływań antyferromagnetycznych. Obliczenia gęstości stanów elektronowych wykazały znaczące rozszczepienie wymienne w stanach Fe(3d), co pozwoliło na wyjaśnienie zachowania magnetycznego. Wyliczone momenty magnetyczne i uzyskany porządek antyferromagnetyczny zgadzają się z wynikami eksperymentalnymi, potwierdzając przeprowadzone obliczenia. Badanie relacji dyspersji fononów ujawniło obecność miękkich modów, co sugeruje możliwość strukturalnego przejścia fazowego w niższych temperaturach. Niestety, przewidywanie to pozostaje niepotwierdzone ze względu na brak szczegółowej analizy eksperymentalnej symetrii kryształu w niskich temperaturach. Przeprowadzone badania teoretyczne oparte na metodach obliczeniowych z pierwszych zasad dostarczyły głębokiego zrozumienia właściwości ﬁzycznych pirofosforanów na bazie metali przejściowych, rzucając światło na ich unikalne cechy. Uzyskane wyniki podkreślają złożoną zależność między ich własnościami strukturalnymi, elektronowymi i fononowymi, otwierając drzwi do potencjalnych zastosowań materiałów i torując drogę dla przyszłych badań. This doctoral thesis represents a thorough investigation into the physical properties of transition metal pyrophosphates. For such a purpose, the ab initio calculations were applied, which gave the possibility to analyze the intricate interplay of crystal structure, electronic properties, and lattice dynamics in these materials. The main focus of the study was on copper pyrophosphate (Cu2P2O7) in its α and β phases and iron pyrophosphate [Fe4(P2O7)3]. For the α phase of copper pyrophosphate, the density functional theory was used for the analysis of the material. A good agreement between calculated lattice parameters and atomic positions with experimental data, which include measurements for copper pyrophosphate nanocrystals synthesized in silica mesopores, was achieved during the study. It was shown that incorporating local Coulomb interactions and van der Waals corrections plays a significant role in such calculations. The antiferromagnetic order of magnetic moments on copper atoms emerged as the lowest energy configuration, mirroring experimental findings. The analysis of phonon dispersion curves and density of states confirmed the dynamical stability of α - Cu2P2O7. The investigation of the thermodynamic properties has elucidated pronounced anisotropy in oxygen thermal displacements, providing a theoretical framework for understanding the negative thermal expansion (NTE) observed in the compound. The NTE phenomenon was examined by considering both the quasiharmonic approximation and anharmonic correction, and the theoretical results were compared with experimental values. The electronic and lattice properties of the β phase of copper pyrophosphate were also analyzed within the ab initio calculations, showing good agreement of structural parameters with the experimental data accounting for Coulomb interactions and van der Waals corrections. The detailed study of dynamical properties of the β - Cu2P2O7 crystal revealed the existence of the soft mode at the A point of the Brillouin zone and its key role in the structural phase transition. Performed self-consistent phonon calculations based on the temperature-dependent effective potential show the crucial role of anharmonic effects in such a process and their connection to negative thermal expansion. For iron pyrophosphate, a comprehensive analysis of electronic, structural, and dynamical properties were carried out taking into account three distinct antiferromagnetic configurations. Electronic density of state calculations discerned a significant exchange splitting within the Fe(3d) states, elucidating magnetic properties. The calculated magnetic moments and the obtained antiferromagnetic order correspond remarkably well with the experimental observations, validating the performed calculations. The examination of phonon dispersion relations revealed the presence of the soft modes, suggesting the possibility of a structural phase transition at lower temperatures. Unfortunately, this prediction remains unconfirmed due to the absence of detailed experimental analysis of the crystal symmetry at low temperatures. The performed theoretical studies based on the first-principles methods gave a deep understanding of the physical properties of metal ion pyrophosphates, shedding light on their unique characteristics. Obtained results highlight the complex interplay between their structural, electronic, and phonon properties, opening up the materials' potential applications and paving the way for future investigations.
Application of mono-, bi- and trimetallic gold (Au NPs), platinum (Pt NPs) and palladium-based (Pd NPs) nanoparticles to enhance the proton irradiation effect of cancer cells in vitro
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Klębowski, Bartosz; Parlińska-Wojtan, Magdalena; Baran, Jarosław; Depciuch-Czarny, Joanna; Gagoś, Mariusz; Kossacki, Piotr; Pawlik, Piotr
Nowotwory należą do jednych z najczęstszych i najbardziej zagrażających życiu chorób cywilizacyjnych. Niestety, dostępne metody leczenia, takie jak chirurgia, chemioterapia, radioterapia, a nawet immunoterapia często nie dają satysfakcjonujących rezultatów. W związku z tym, niezmiernie ważne jest znalezienie nowych, bardziej efektywnych strategii zwalczania nowotworów. W niniejszej rozprawie doktorskiej zbadano wzmocniony, przeciwnowotworowy efekt napromieniania wiązką protonów (PIr) w obecności nanocząstek, będący rezultatem terapii wykorzystującej rozwój nanotechnologii i niepowodującej wyraźnych uszkodzeń prawidłowych komórek i tkanek, z jednoczesnym działaniem przeciw- nowotworowym. W tym celu zsyntezowano mono,- bi- oraz trimetaliczne nanocząstki (NPs) zbudowane z atomów o wysokiej liczbie atomowej Z (złota – Au NPs, platyny – Pt NPs, palladu – Pd NPs), które dodawano do rakowych oraz referencyjnych linii komórkowych, aby wykazać czy osiągnięty zostanie lepszy efekt PIr w porównaniu do PIr o takiej samej dawce promieniowania, ale bez dodatku NPs do komórek. Zatem, w niniejszej rozprawie wykorzystano interdyscyplinarne podejście, w którym wiedzę o chemicznej syntezie nanocząstek oraz mechanizmach ich wzrostu połączono z właściwościami fizycznymi otrzymanych nanostruktur mającymi bezpośredni efekt biologiczny na komórki. Badania te miały odpowiedzieć także na pytanie, jaki mechanizm: chemiczno-biologiczny czy fizyczny jest odpowiedzialny za zwiększenie śmiertelności komórek rakowych hodowanych z NPs i naświetlanych wiązką protonów. W rozprawie doktorskiej zastosowano wiele fizycznych, chemicznych i biologicznych metod w celu zweryfikowania zawartych w pracy hipotez: analizę aktywacyjną cząstkami (protonami) naładowanymi (ChPAA), transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM), spektroskopię dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS), dyfrakcję elektronową wybranego obszaru (SAED), dyfrakcję rentgenowską (XRD), spektroskopię w zakresie nadfioletu i światła widzialnego (UV-Vis), pomiar potencjału zeta, analizę śledzenia nanocząstek (NTA), mikroskopię holotomograficzną 3D, test MTS (sól 3-(4,5-dimetylotiazol-2-ylo)-5-(3-karboksymetoksyfenylo)-2-(4-sulfofenylo)-2H-tetrazolowa) oraz cytometrię przepływową. W warunkach laboratoryjnych otrzymano metodą mokrej syntezy monometaliczne Au NPs, Pt NPs, Pd NPs oraz bi- i trójskładnikowe kombinacje tych NPs. Wyżej wymienione rodzaje NPs zostały wybrane ze względu na ich właściwości, takie jak wysoka liczba atomowa Z, rozmiar poniżej 50 nm, krystaliczna struktura oraz odpowiednio dobrane stabilizatory. Otrzymane NPs były dodawane do hodowli trzech linii komórkowych raka jelita grubego, cechujących się różną agresywnością i potencjałem przerzutowania, aby określić, który rodzaj NPs powoduje największą cytotoksyczność po PIr. Następnie przeprowadzono długoterminowe obserwacje komórek w czasie rzeczywistym, stosując nieinwazyjną technikę mikroskopii holotomograficznej 3D (Nanolive), uzyskując informacje na temat miejsc akumulacji NPs oraz spowodowanych akumulacją zmian gęstości NPs we wnętrzu komórek. Do wykazania kumulatywnego efektu NPs oraz PIr względem komórek, w pierwszym etapie za pomocą testu MTS wyznaczono nietoksyczne stężenia poszczególnych rodzajów NPs oraz dawki promieniowania protonowego dla wszystkich linii komórkowych. W obu przypadkach dopuszczalnym progiem było stężenie/dawka, które powodowało śmiertelność nie wyższą niż 20 % komórek. Następnie, NPs w takim wyznaczonym stężeniu dodawano do hodowli do odpowiednich linii komórkowych, które następnie naświetlono, po czym w różnych odstępach czasu oceniono ich żywotność za pomocą testu MTS oraz cytometrii przepływowej. Wyniki badań pokazały, że PIr komórek hodowanych z NPs daje większy efekt cytotoksyczny, w porównaniu do PIr bez wykorzystania NPs. Potwierdza to celowość i skuteczność stosowania nanoradiouczulaczy w terapiach antynowotworowych. Jednakże, końcowy efekt PIr zależy nie tyle od rodzaju metalu wchodzącego w skład NPs, ale bardziej od rozmiaru oraz nanostruktury (porowatości) NPs. Wykazano, że ultra małe Pt NPs oraz Pd NPs mają lepsze właściwości radiouczulające w porównaniu do pozostałych NPs. Niewielki rozmiar NPs zapewnia silnie rozwiniętą powierzchnię, a co za tym idzie – warunkuje lepsze właściwości radiouczulające. Najbardziej obiecujące wydają się tu ultra małe Pd NPs, gdyż maksymalne nie-toksyczne stężenie tych NPs było mniejsze niż ultra małych Pt NPs, a końcowy efekt działania Pt NPs i Pd NPs był zbliżony. Porównano także efekt porowatości dwóch struktur AuPd typu rdzeń-otoczka: AuPd CSs z ciągłą palladową otoczką oraz nanomalin (AuPd NRs) z porowatą palladową otoczką. Istotne jest, że oba typy NPs mają zbliżoną zewnętrzną średnicę, składają się z tych samych metali oraz to, że zostały otrzymane za pomocą takich samych reagentów w analogicznej metodzie syntezy. Wyraźnie lepsze właściwości radiouczulające wykazano dla porowatych AuPd NRs, co jest spowodowane przez silniej rozwiniętą powierzchnię tych NPs, co zapewnia lepszy kontakt z komórkami. Zdjęcia z mikroskopii holotomgraficznej 3D pokazały, że Pd NPs akumulują się w jądrach komórkowych. Dla wszystkich badanych linii komórkowych objętość zajmowana przez NPs w komórkach wzrastała liniowo wraz z czasem hodowli i zależała od linii komórkowej – najbardziej widoczne zmiany zaobserwowano dla linii SW620. Oznacza to, że dynamika wnikania Pd NPs była różna dla poszczególnych linii komórkowych. Ważnym dla zastosowań medycznych jest fakt, że komórki wszystkich linii nowotworowych były bardziej wrażliwe na PIr, NPs oraz łączoen działanie PIr z NPs, w porównaniu z komórkami prawidłowymi. Zbadano także mechanizmy interakcji komórek z wiązką protonów i NPs, które prowadzą do śmierci komórek. Wyniki ChPAA wykazały, brak występowania promieniowania gamma charakterystycznego dla nuklidów/izotopów, które mogłyby powstać w wyniku reakcji jądrowej na złocie, platynie lub palladzie, co sugeruje, że fizyczny efekt radiouczulania pełni znikomą rolę w śmierci komórek. W tym kontekście należy oczekiwać, że w radiouczulanie zaangażowany jest głównie efekt biologiczno-chemiczny opierający się na generowaniu m.in. reaktywnych form tlenu (ROS) i/lub hamowaniu podziałów komórki w fazie G2/M, w której komórki cechują się najwyższą wrażliwością na promieniowania. Podsumowując, w niniejszej rozprawie sprawdzono wpływ rozmiaru, struktury, składu chemicznego oraz wartości potencjału zeta NPs na wzmacnianie efektu napromieniowania komórek rakowych oraz prawidłowych. Wykazano, który mechanizm radiouczulania pełni kluczową role w indukcji śmierci komórek nowotworowych, poddanych działaniu NPs oraz PIr. Uzyskane wyniki pokazały, że dodatek zsyntezowanych NPs w nietoksycznym stężeniu do komórek nowotworowych, znacząca zwiększa ich śmiertelność na skutek oddziaływania NPs z wiązką protonów.
Application of Monte Carlo methods in transport modelling of the therapeutic proton beam
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science, 2018) Kłodowska, Magdalena; Olko, Paweł; Grzanka, Leszek; Braziewicz, Janusz; Bulski, Wojciech
Korzystny rozkład dawki cechujący terapię jonową spowodował wzrost liczby centrów terapii hadronowej, głównie protonowych. Techniki z użyciem wiązek protonowych wymagają bardziej zaawansowanych procedur zapewnienia jakości w zakresie dozymetrii i planowania leczenia. Dlatego zastosowanie metod Monte Carlo (MC) stało się nieodłącznym standardem stosowanym w ośrodkach terapii protonowej jako równoległe narzędzie, cechujące się wysoką precyzją i szerokim wachlarzem zastosowań. W Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB), wyposażonym w nowy cyklotron Proteus C- 235, oddano do użytku stanowisko z wiązka poziomą dedykowane do radioterapii protonowej czerniaka gałki ocznej (ang. ELTR) i dwa pomieszczenia z obracanym ramieniem tzw. stanowiska gantry (ang. GTR) do napromieniania guzów o innej lokalizacji. Celem pracy było zbudowanie komputerowych modeli wiązki stanowisk ELTR i GTR, przydatnych we wdrażaniu stanowisk w procesie leczenia. Zadaniem modelu wiązki ELTR była optymalizacja układu pasywnego rozpraszania wiązki spełniającego kliniczne wymogi napromienia« pacjentów z nowotworami gałki ocznej. Celem skonstruowania modelu wiązki GTR było uzyskanie poprawek do mierzonych rozkładów dawki, potrzebnych do właściwego skonfigurowania i weryfikacji systemu planowania leczenia ( ang. TPS commissioning). Modele wiązki ELTR i GTR zostały przygotowane w kodzie MC FLUKA służącym do oblicze« transportu cząstek. Symulacje były uruchamiane na klastrach obliczeniowych dostępnych w Infrastrukturze PL-Grid. Weryfikacja charakterystycznych parametrów wiązki: zasięgu wiązki, szerokości dystalnego spadku dawki, szerokości połówkowej piku Bragga, stosunku dawki maksymalnej do wlotowej czy poprzecznych rozmiarów wiązki ołówkowej (śladu wiązki ang. spot) prowadzona była w oparciu o zmierzone rozkłady dawki głębokiej i poprzeczne profile wiązki protonowej. Wykorzystując model ELTR, analizie poddano układy formowania wiązki złożone z folii tantalowych jako rozpraszaczy o zmiennej grubości i promieniu. Z 87 przeanalizowanych układów, wybrano optymalne trzy spełniające kliniczne wymogi wiązki rozproszonej dotyczące szerokości półcieni, płaskości poprzecznej pola i szerokości poprzecznej pola. Układy te to: układ z pojedynczą folią 60 _m Ta, układ z dwiema foliami 25 _m i 60 _m Ta oraz układ podwójnego pierścienia (ang. dual ring) zawierający wewnętrzny dysk Ta o promieniu r = 6 mm i grubości 80 _m wraz z pierścieniem PMMA o grubości 1 mm. Układ podwójnego rozpraszania cechowała dawka do 28% wyższa w porównaniu do pozostałych dwóch układów pojedynczego rozpraszania, i o 33% wyższa od obecnego systemu pojedynczego rozpraszania w ELTR. By uwzględnić wkład do rozkładu dawki wynikający z dalekozasięgowych reakcji jądrowych wiązki protonowej w ośrodku na stanowisku gantry, zasymulowany został detektor o promieniu r = 20 cm, umożliwiający obliczenie scałkowanego rozkładu dawki głębokiej (ang. Integral Depth- Dose distribution, IDD) z wykorzystaniem skonstruowanego modelu wiązki GTR. Obliczone krzywe IDD pozwoliły na korekcją danych pomiarowych zmierzonych komorą Bragga (ang. Bragg Peak Chamber), sięgające 8:8% dla najwyższej energii wiązki 226:08 MeV . Wyliczone krzywe IDD zostały wzięte jako dane wsadowe wymagane do skonfigurowania systemu planowania leczenia Eclipse ver. 13.6. Od 2016, model wiązki w systemie planowania leczenia Eclipse, uzyskany w oparciu o skorygowane rozkłady dawki jest wykorzystywany do przygotowania planów pacjentów w CCB. Kod MC FLUKA okazał się przydatnym narzędziem do modelowania transportu terapeutycznych wiązek protonowych w CCB. Analiza poprzecznych i głębokościowych rozkładów dawki pozwoliła na wyselekcjonowanie kluczowych parametrów wiązki, koniecznych do weryfikacji obu komputerowych modeli wiązek. W przypadku ELTR, zastosowanie metod MC przy optymalizacji układu rozpraszania pozwoliło na ograniczenie prac ekperymentalnych. W przypadku uzyskanego modelu wiązki GTR, użycie metod MC umożliwiło pokonanie ograniczeń związanych z rozmiarem detektora, w efekcie owocując poprawkami rozkładów dawki o wysokiej precyzji, umożliwiającymi dokładniejsze planowanie terapii. Załączone przykładowe pliki kodu FLUKA z uproszczonymi modelami wiązek dla ELTR i GTR, wraz z podanymi parametrami modelu wizki GTR3 pozwalaj¡ na podjęcie symulacji wykorzystujących wiązki protonowe CCB np. przy planowaniu eksperymentów z dziedziny fizyki medycznej czy radiobiologii.
Application of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Piędzia, Weronika; Węglarz, Władysław; Burda, Květoslava; Figiel, Henryk
Praca doktorska opisuje zastosowanie różnorodnych technik badawczych na systemie do obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w polu 9,4T w celu badań procesów demielinizacji w modelu mysim stwardnienia rozsianego (łac. sclerosis multiplex, SM). Wiele istniejących chorób neurologicznych jest obecnie diagnozowanych w późnych stadiach rozwoju. Spowodowane jest to brakiem metod umożliwiających diagnozę na wczesnym, pre-symptomatycznym etapie co pozwoliłoby na efektywne leczenie. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. MRI) dostarcza wysokiej jakości obrazów z bardzo dobrym kontrastem tkanek miękkich dzięki różnicy w czasach relaksacji pomiędzy tkankami co związane jest z ich różnym składem chemicznym. Ponieważ SM powoduje zmiany w ilości i strukturze mieliny (główny składnik istoty białej), obrazowanie magnetyczno-rezonansowe potencjalnie mogłoby wykryć te zmiany bazując na pomiarach zmian czasów relaksacji a w konsekwencji umożliwić wczesną diagnozę tej groźnej i do tej pory nieuleczalnej choroby. Do skutecznego obrazowania mieliny, a stąd diagnozy SM, potrzebny jest jednak odpowiedni kontrast pomiędzy białą a szarą istotą. Niestety czasy relaksacji istoty białej i szarej, w szczególności czas T2, są bardzo krótkie i porównywalne ze sobą co powoduje trudności natury technicznej w ich obrazowaniu i zróżnicowaniu na uzyskanych obrazach MR. Dlatego, aby otrzymać najwyższy możliwy kontrast, wymagany jest bardzo dobry stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) oraz właściwa i zoptymalizowana sekwencja impulsowa. W pracy zastosowany został system do obrazowania oparty o magnes nadprzewodzący o natężeniu pola magnetycznego 9,4T wyposażony w cewkę kriogeniczną. Tak wysokie pole oraz chłodzona cewka pozwoliły na otrzymanie maksymalnego sygnału i stąd maksymalnej rozdzielczości obrazu. W celu pomiarów krótkich czasów relaksacji T2 mieliny badane były sekwencje obrazujące oparte o echo spinowe (SE) oraz dwu- i trójwymiarowe sekwencje tzw. ultra short echo time (UTE). W dalszej kolejności zastosowana została sekwencja inversion recovery ultra short echo time (IR-UTE), która dodatkowo wprowadziła ważenie czasem T1. Wyniki badań pokazały, że technika obrazowania IR-UTE pozwala na pomiary czasów relaksacji T1 i T2 mieliny w modelu zwierzęcym ale nie umożliwia obrazowania wielowarstwowego in vivo ze względu na długi czas pomiaru. Dlatego została także przetestowana sekwencja o nazwie “segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE)”, która pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości obrazów 3D istoty szarej i białej w akceptowalnym dla badań czasie akwizycji. Co więcej, testowane były różnego typu impulsy selektywne radiowej częstości (rf), np. Version S, Mao oraz Levitt-Freeman, które pozwalają na odpowiednie ogniskowanie magnetyzacji w niejednorodnym polu B0 generowanym przez magnes i podatność magnetyczną próbki oraz w niejednorodnym polu B1 produkowanym przez cewkę powierzchniową użytą w badaniach. Impulsy te pozwalają na zmniejszenie artefaktów związanych z echami stymulowanymi. Badania in vivo poprzedzone były badaniami fantomów w celu znalezienia optymalnych parametrów sekwencji, kształtu impulsu rf oraz odpowiedniego ułożenia cewki powierzchniowej. Wyniki badań in vivo zostały potwierdzone badaniami ex vivo MRI o wysokiej zdolności rozdzielczej oraz badaniami histopatologicznymi. Do badań zmian zawartości mieliny zastosowany został kupryzonowy model MS, w którym zmiany w istocie białej odzwierciedlają zmiany występujące u człowieka. W wyniku prac otrzymane zostały trójwymiarowe obrazy mózgu przy użyciu zoptymalizowanych sekwencji IR-UTE oraz MP-RAGE, które umożliwiły detekcję mieliny i jej zaniku. Następnie zostały obliczone średnie wartości sygnału w wybranych obszarach mózgu reprezentujących szarą i białą materię oraz płyn mózgowo-rdzeniowy. W celu kwantyfikacji wyników wykonano histogramy różnych warstw mózgu u myszy zdrowych i poddanych diecie kupryzonowej. Histogramy pokazały, że zawartość mieliny w ciele modzelowatym i korze mózgowej jest statystycznie różna u zwierząt chorych w porównaniu z grupą kontrolną. Wyniki badań pokazały, że zastosowane metody obrazowania (IR-UTE oraz MP-RAGE) z użyciem krio-cewki w polu 9,4T uwidaczniają kontrast pomiędzy białą i szarą materią, przewyższając obecne metody oceny demielinizacji w mózgu mysim in vivo. Cele pracy były następujące: 1) ocena wartości badawczej obrazowania magnetyczno- rezonansowego w wysokim polu magnetycznym mikrostruktur mózgu zawierających rożne ilości mieliny w modelu mysim MS; 2) zbadanie czy obrazowanie rezonansowe w wysokim polu magnetycznym przy użyciu krio-cewki oraz odpowiednich sekwencji impulsowych może pokazać uszkodzenia mieliny występujące w kupryzonowym modelu zwierzęcym MS. Cele te zostały osiągnięte i wyniki pokazały, że zoptymalizowany system pracujący w polu 9.4T, może istotnie być użyty do oceny ubytków w zawartości mieliny w mózgu myszy w modelu zwierzęcym MS. Wyniki pokazują potencjał zastosowania zaproponowanych metod obrazowania MR w przyszłych badaniach klinicznych stwardnienia rozsianego. Wszystkie badania na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komisji Etyki.
Badania funkcji struktury fotonu w obszarze energii przyszłego liniowego zderzacza ILC/CLIC
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2018) Turbiarz, Beata; Zawiejski, Leszek; Ciborowski, Jacek; Przybycień, Mariusz; Muryn, Bogdan
W niniejszej rozprawie przedstawiono wyniki badań poświęconych możliwości pomiaru hadronowej funkcji struktury fotonu w nowym niezbadanym zakresie energii, jaki oferuje przyszły liniowy zderzacz ILC lub CLIC. Projekty obu zderzaczy są wciąż rozwijane i czekają na ostateczną decyzję odnośnie tego, który z nich zostanie skierowany do realizacji. Badania przeprowadzono w oparciu o przypadki DIS, rozproszeń głęboko nieelastycznych elektronów na prawie rzeczywistych fotonach, generowanych przy użyciu programów PYTHIA 6.4.28, HERWIG 6.5.21 i TWOGAM 2.04. W kolejnych krokach rozwoju analizy generowane przypadki poddane zostały symulacji odpowiedzi detektorów na przechodzące przez nie cząstki oraz rekonstrukcji. Dla tego celu wykorzystano pakiet globalnego oprogramowania ILCSoft napisany specjalnie dla zderzaczy liniowych. Badania hadronowej funkcji struktury F2γ prowadzono zarówno na poziomie generatora jak i dla wielkości zrekonstruowanych. Przeprowadzona analiza wymagała informacji o rozproszonych elektronach, którą dostarczyły zaprojektowane dla zderzacza ILC/CLIC detektory BeamCal i LumiCal, pracujące w obszarze małych kątów biegunowych w zakresie 5 – 110 mrad. Większe kąty rozproszonych elektronów mierzono w kalorymetrze ECAL Endcap. Wyznaczone wartości hadronowej funkcji struktury fotonu porównano z przewidywaniami bazującymi na teoretycznych parametryzacjach funkcji struktury. Zaobserwowano jakościowe podobieństwo z rozkładami teoretycznymi. W szeregu przypadków, w zależności od programu użytego do ich generacji, wyznaczone wartości funkcji F2γ wykazywały szybszy wzrost dla dużych wartości zmiennej x. Badania ewolucji funkcji struktury fotonu potwierdzają logarytmiczną zależność od wirtualności fotonu Q2, co jest zgodne z przewidywaniami QCD.
Badania własności strukturalnych, optycznych i magnetycznych nowych materiałów kompozytowych na bazie nanostruktur krzemionkowych
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2021) Pastukh, Oleksandr; Laskowski, Łukasz; Konieczny, Piotr; Drzewiński, Andrzej; Kamiński, Kamil
dzisiejszych czasach nanomateriały kompozytowe szybko wkraczają do świata nauki i ze względu na swoją wielofunkcyjność (połączenie unikalnych właściwości każdego z nano-wymiarowych komponentów) znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i produkcji. Ta szybko rozwijająca się dziedzina badań wymaga jednak wyszukanych metod dla zaprojektowania i zsyntetyzowania nowych materiałów o założonych właściwościach oraz precyzyjnych technik eksperymentalnych do ich badania i interpretacji wyników. Głównym celem niniejszej rozprawy była synteza nowych materiałów kompozytowych na bazie nanostruktur krzemionkowych, analiza ich własności strukturalnych, magnetycznych i optycznych. Badany materiał to sferyczne nanocząstki krzemionkowe z zakotwiczonymi na ich powierzchni magnetykami molekularnymi Mn12-stearate. Takie molekuły posiadają unikalne własności magnetyczne na poziomie molekularnym a ich depozycja na powierzchni otwiera ogromne możliwości zastosowania takich układów do tworzenia pamięci magnetycznych o dużej gęstości, urządzeń spintronicznych i kwantowych. Opracowana metoda syntezy opierała się na chemicznym kotwiczeniu molekuł magnetycznych na powierzchni krzemionki za pomocą grup kwasu propylowo-węglowego. Dodatkowo, zastosowanie grup trimetylsilanowych pozwoliło na kontrolowaną separację magnetyków molekularnych na powierzchni. W celu potwierdzenia poprawności otrzymanych po syntezie materiałów zostały przeprowadzone badania ich morfologii i struktury oparte na połączeniu mikroskopii elektronowej (SEM, TEM), analizy elektrochemicznej (DPASV) oraz spektroskopii Ramana. Badania mikroskopowe wykazały obecność molekuł Mn12-stearate, zakotwiczonych na powierzchni podczas gdy badania spektroskopowe potwierdziły zachowanie ich struktury po depozycji. Co więcej, dokładna analiza obrazów TEM pozwoliła na oszacowanie rozmiaru pojedynczych molekuł oraz sposobu ich kotwiczenia do powierzchni. Badania własności magnetycznych za pomocą magnetometru SQUID potwierdziły zachowanie głównych charakterystyk magnetycznych (histerezy w krzywych M(H), powolnych relaksacji oraz obecność kwantowego tunelowania magnetyzacji). Dodatkowo, zbadano zmiany we właściwościach magnetycznych próbek w zależności od poziomu separacji molekuł i sposobu ich kotwiczenia do powierzchni. Właściwości optyczne materiałów kompozytowych były badane poprzez pomiar składowej harmonicznej światła drugiego i trzeciego rzędu. W ostatniej części pracy pokazano możliwości modyfikacji badanych nanomateriałów kompozytowych poprzez strukturalne zmiany w procesie dekompozycji termicznej. W wyniku czego uzyskano nowy materiał kompozytowy na bazie nanosfer krzemionkowych, posiadający zwiększone własności nieliniowo-optyczne.
Badanie charakterystyk półtaonowych rozpadów B w eksperymencie Belle
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2016) Adamczyk, Karol; Różańska, Maria; prof. dr hab. Bogdan Muryn; prof. dr hab. Marek Szczekowski
W pracy przedstawiono pomiary polaryzacji podłużnej mezonu D∗(FD∗/L) i leptonu τ (Pτ/L), w rozpadzie B0→D∗−τ+ντ. Wyniki uzyskano wykorzystując próbkę 772 milionów par B̄ B, zebraną w eksperymencie Belle, działającym w latach 1999-2010 przy fabryceB, KEKB w laboratorium KEK. Zmierzone wartości FD∗/L = 0,65±0,08 (stat)+0,038−0,043 (syst), oraz Pτ/L=−0,89+0,61−0,63 (stat)+0,35−0,36 (syst) są zgodne w granicach niepewności doświadczalnychz przewidywaniami modelu standardowego FD∗/L (MS) = 0,46−0,53 i Pτ/L (MS) =−0,5. Niepewności pomiaru związane z nieznaną dynamiką rozpadu sygnałowego wynoszą odpowiednio ±11% dla FD∗/L i ±12% dla Pτ/L. Są to pierwsze pomiary tych wielkości w półtaonowych rozpadach B. Opracowana metoda analizy znajdzie zastosowanie w przygotowywanym obecnie eksperymencie Belle II na fabryce B nowej generacji, zderzaczu SuperKEKB.
Badanie doświadczalne i analiza modelowa absorpcji wodoru w stopach LaNi5–xPbx, x = 0.1, 0.2, 0.25
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Żurek, Michał; Zając, Wojciech; Deptuch, Aleksandra; Bala, Henryk; Drulis, Henryk; Gondek, Łukasz
Współczesna energetyka wodorowa zmaga się z problem efektywnego i bezpiecznego magazynowania wodoru. Jedną z bezpieczniejszych i wydajniej¬szych metod składowania wodoru jest umieszczenie go w strukturze ciał stałych, w szczególności w formie wodorków metali lub stopów między¬metalicznych [1]. Najbardziej znanym i szeroko stosowanym w tym celu jest stop LaNi5 [2]. Modyfikacja właściwości absorpcyjnych tego stopu odbywa się na drodze utworzenia trójskładnikowych stopów powstałych w wyniku zastąpienia części atomów Ni innymi atomami np. Al, Sn, Co, Mn [3]. W niniejszej pracy przebadany został roztwór podstawieniowy powstały w wyniku substytucji atomów niklu Ni atomami ołowiu Pb, o większym promieniu atomowym (rPb = 1.80 Å, rNi = 1.63 Å) [4]. Na drodze wytopu łukowego otrzymano jednofazowe stopy o stechiometriach LaNi4.9Pb0.1, LaNi4.8Pb0.2, LaNi4.75Pb0.25. Badane fazy, za wyjątkiem ostatniej [5], praktycznie nie występują w literaturze. Jak wykazano w pracy, częściowa substytucja atomów Ni atomami Pb w badanych stopach ma charakter preferencyjny. W zakresie niskiego domieszkowania zastępowane są atomy Ni w pozycji 2c, a następnie przy wyższych koncentracjach xPb >0.1 atomy w pozycji 3g. Wprowadzenie atomów Pb o większych promieniach atomowych zmienia właściwości krystalo¬graficzne stopów. W całym zakresie domieszkowania obserwowany jest wzrost objętości V komórki elementarnej, który powyżej koncentracji domieszki ołowiu xPb > 0.1 nie kompensuje efektu redukcji promienia tetraedrycznych przestrzeni międzywęzłowych rt [6]. Struktura krystaliczna w znaczącym stopniu wpływa na właściwości absorpcyjne wodoru w tych stopach. Wszystkie stopy pochłaniają wodór przy ciśnieniach powyżej ciśnienia absorpcji związku bazowego LaNi5 oraz poniżej 10 bar. Maksymalna zdolność absorpcji wodoru cmac maleje wraz ze wzrostem domieszkowania ołowiem, osiągając nieznacznie powyżej 1.0 wt.% dla wodorku LaNi4.75Pb0.25 w tem¬peraturze 323 K. Przebadanie kinetyki reakcji pozwoliło na wyznaczenie czasów t90 absorpcji i despocji t10 wodoru w badanych stopach oraz określenie dominującego mechanizmu w procesach. Dla wszystkich badanych próbek najlepsze dopasowanie danych kinetycznych otrzymane zostało modelem pierwszego rzędu JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) [7]. Dane izotermiczne pcT posłużyły do opisu zjawiska absorpcji wodoru modelami fizyki statystycznej przy wykorzystaniu wielkiej funkcji rozdziału Zgc [8]. Stąd możliwe było wyznaczenie ewolucji funkcji termodynamicznych entalpii swobodnej Ga, energii wewnętrznej Eint i entropii konfiguracyjnej Sa w zależności od ciśnienia wodoru i temperatury reakcji. Otrzymane wyniki zostały następnie porównane z wodorkami innych związków LaNi4.25Al0.75, LaNi4.5Co0.5, LaNi4.75Sn0.25.
Badanie dynamiki zmian aktywności wybranych izotopów promieniotwórczych w atmosferze przy użyciu metod eksploracji danych
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2019) Nalichowska, Ewa; Mietelski, Jerzy W.; Kierepko, Renata; Bem, Henryk; Michalik, Bogusław
Rozprawa doktorska dotyczy badania dynamiki zmian stężenia i depozycji aktywności wybranych izotopów alfa i gamma promieniotwórczych (238Pu, 239+240Pu, 210Pb, 7Be, 137Cs, 22Na, 40K) w atmosferze na podstawie wieloletniego zestawu danych pomiarowych próbek aerozoli atmosferycznych pochodzących z przygruntowej warstwy powietrza oraz próbek całkowitego opadu atmosferycznego zebranych w Krakowie w latach 2005-2016. Izotopy będące przedmiotem badań reprezentują ważne (ze względu na pochodzenie) grupy izotopów promieniotwórczych występujących w środowisku, tj. izotopy pochodzenia ziemskiego (40K i 210Pb), izotopy kosmogeniczne (7Be i 22Na) oraz izotopy antropogeniczne (238Pu, 239+240Pu i 137Cs) i w związku z tym mogą być wykorzystywane, jako wskaźniki procesów transportu aerozoli w atmosferze. Komplementarne zbadanie ich zawartości oraz zmienności w czasie zarówno w przygruntowej warstwie powietrza jak i w całkowitym opadzie atmosferycznym dla tak długiego okresu pomiarowego może stanowić cenny wkład do bazy wiedzy z dziedziny badań radioaktywności atmosfery. W ramach projektu badawczego będącego podstawą do napisania rozprawy doktorskiej zrealizowano następujące cele naukowe: • wyznaczenie zawartości izotopów 238Pu, 239+240Pu, 210Pb, 7Be, 137Cs, 22Na, 40K w przygruntowej warstwie powietrza oraz w całkowitym opadzie atmosferycznym • wykrycie korelacji wzajemnych, w szczególności sezonowych między wybranymi izotopami antropogenicznymi (238Pu, 249+240Pu, 137Cs), kosmogenicznymi (7Be, 22Na) i ziemskimi (40K, 210Pb) w przygruntowej warstwie powietrza i w całkowitym opadzie atmosferycznym • zbadanie zależności stężenia aktywności rozważanych izotopów w przygruntowej warstwie powietrza od stężenia pyłu zawieszonego w powietrzu • zbadanie zależności stężenia i depozycji aktywności rozważanych izotopów w badanych próbkach od wybranych wskaźników meteorologicznych • zbadanie zależności między stężeniem aktywności rozważanych izotopów w przygruntowej warstwie powietrza, a stężeniem i depozycją aktywności tych izotopów w całkowitym opadzie atmosferycznym • identyfikacja źródeł plutonu w badanych próbkach na podstawie znajomości stosunku aktywności 238Pu/239+240Pu oraz 137Cs/239+240Pu • oszacowanie dawek pochodzących od narażenia zewnętrznego i wewnętrznego na promieniowanie jonizujące emitowane przez rozważane izotopy zawarte w przygruntowej warstwie powietrza • zbadanie sezonowości oraz trendów długookresowych w szeregach czasowych stężenia i depozycji aktywności rozważanych izotopów promieniotwórczych w badanych próbkach Z uwagi na długi okres pomiarowy (12 lat) oraz dużą liczbę próbek (tygodniowe próbki filtrów powietrza i miesięczne próbki całkowitego opadu atmosferycznego) analizowany zbiór danych złożony był z ok. 3800 wyników pomiarowych. Analiza tak dużego zbioru rzeczywistych danych wymaga kompleksowego, usystematyzowanego podejścia, dlatego wszystkie analizy wykonane zostały z użyciem metod eksploracji danych w oparciu o model CRISP-DM.
Badanie fizycznej stabilności krystalicznej i amorficznej formy karbamazepiny
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2021) Agnieszka, Dołęga; Zieliński, Piotr M.; Krupa, Anna; Marzec, Monika; Paluch, Marian; Pajzderska, Aleksandra
Jednym ze znaczących wyzwań z jakimi w dzisiejszych czasach boryka się przemysł farmaceutyczny jest poprawa rozpuszczalności substancji leczniczych podawanych doustnie pacjentom. Ograniczona rozpuszczalność w wodzie może mieć bowiem negatywny wpływ na ich biodostępność. Poza przekształceniem substancji leczniczej do lepiej rozpuszczalnej w wodzie formy przy zastosowaniu metod fizycznych, kluczowe jest również zagwarantowanie jej stabilności. Celem niniejszej rozprawy była amorfizacja karbamazepiny (CBZ) metodą stapiania i chłodzenia oraz charakterystyka jej fizycznej stabilności podczas tego procesu. CBZ to substancja czynna wykorzystywana m.in. w leczeniu epilepsji, czy różnego rodzaju neuralgii. W pierwszej fazie badań wykazano, że CBZ może ulegać degradacji poniżej temperatury topnienia, co uczyniło jej zeszklenie metodą szybkiego chłodzenia nietrywialnym. Na podstawie szczegółowych badań DSC, TGA-IR, XRD, FTIR i HPLC: (i) wykazano, że produktami degradacji CBZ są iminostylben (IMB) i kwas izocyjanowy, (ii) ustalono sekwencję fazową obserwowaną podczas ponownego ogrzewania zanieczyszczonej w różnym stopniu próbki, (iii) zidentyfikowano „markery” świadczące o obecności ww. zanieczyszczeń w próbce, (iv) ustalono, że nawet niewielka ilość IMB prowadzi do znacznego zwiększenia zdolności szkłotwórczych CBZ. W kolejnym kroku podjęto próby poprawy termicznej stabilności CBZ. Wykazano, że zarówno zwiększenie szybkości grzania i chłodzenia próbki, jak również jej hydratacja lub rekrystalizacja przy zastosowaniu rozpuszczalników organicznych umożliwia nawet ponad 40-krotne zmniejszenie ilości IMB w stopionej CBZ. W tym aspekcie hydratacja była metodą najbardziej efektywną, zaś rekrystalizacja najbardziej skomplikowaną i najmniej powtarzalną. Zbadano również wpływ rodzaju układu pomiarowego (otwarty lub zamknięty) oraz atmosfery (obojętna lub utleniająca) na degradację CBZ. Ustalono, że badana substancja czynna jest podatna na termiczną degradację poniżej temperatury topnienia jedynie w układach zamkniętych, niezależnie od rodzaju atmosfery. Było to związane z sublimacją CBZ, która wpływała zarówno na zmianę atmosfery pomiaru, jak i ciśnienia. Wreszcie zbadano fizyczną stabilność zeszklonej CBZ oraz opisano jej izo- i nieizotermiczną zimną krystalizację. Amorficzna CBZ ulegała nukleacji po ~8 h od zeszklenia, niezależnie od tego czy przechowywano ją w temperaturze pokojowej (RT), czy w lodówce. Z kolei wzrost krystalitów dla próbki przechowywanej w lodówce był znacząco spowolniony w porównaniu do tej przechowywanej w RT. Podczas wolnego ogrzewania próbki krystalizacja przebiegała głównie powierzchniowo, zaś podczas szybkiego ogrzewania – objętościowo.
Badanie mezonów powabnych w rozpadach B w eksperymencie Belle
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2017) Werbycka, Olga; Bożek, Andrzej; Wiechczyński, Jarosław; Kisielewska, Danuta; Ciborowski, Jacek; Szumlak, Tomasz
Niniejsza praca dotyczy badania klasy podwójnie powabnych rozpadów z dziwnością B -> D^(*)D^(*)_s(J). Pomiary przeprowadzono w oparciu o rozkłady masy brakującej w inkluzywnych przejściach B ->D^(*)X, a zatem w sposób wolny od założeń o rozpadach rezonansów D^(*)_s(J). Badania zostały wykonane na próbce danych równej 772x10^6 par mezonów BB-bar zarejestrowanych w detektorze Belle pracującym na akceleratorze KEKB, który jest zderzaczem e^+e^- o asymetrycznych energiach wiązek i całkowitej energii w układzie środka masy równej masie rezonansu Y(4S). Zostały wyznaczone następujące częstości rozgałęzień dla rozpadów B do stanów D^(*)D_s^(*): ẞ(B^+ -> D^0D_s^+) = (0,82 ± 0,02 ± 0,07 ± 0,04)%, ẞ(B^+ -> D^0D_s^*+) = (0,66 ± 0,03 ± 0,06 ± 0,04)%, ẞ(B^+ -> D^*0D_s^+) = (0,70 ± 0,12 ± 0,07 ± 0,05)%, ẞ(B^+ -> D^*0D_s^*+) = (2,46 ± 0,09 ± 0,25 ± 0,18)%, ẞ(B^0+ -> D^-D_s^+) = (0,73 ± 0,04 ± 0,07 ± 0,03)%, ẞ(B^0 -> D^-D_s^*+) = (0,84 ± 0,03 ± 0,08 ± 0,04)%, ẞ(B^0 -> D^*-D_s^+) = (0,70 ± 0,05 ± 0,07 ± 0,02)%, ẞ(B^0 -> D^*-D_s^*+) = (1,56 ± 0,03 ± 0,15 ± 0,05)%, oraz dla rozpadów B do stanu wzbudzonego Ds1(2460): B(B+ -> D¯0Ds1(2460)+) = (0,17 ± 0,05 ± 0,015 ± 0,08)%, B(B+ -> D¯*0Ds1(2460)+) = (0,93 ± 0,17 ± 0,09 ± 0,07)%, B(B0 -> D-Ds1(2460)+) = (0,29 ± 0,06 ± 0,03 ± 0,01)%, B(B0 -> D*-Ds1(2460)+) = (0,74 ± 0,08 ± 0,07 ± 0,02)%. Przytoczone niepewności pomiarów oznaczają kolejno błędy: statystyczny, systematyczny oraz związany z niepewnością stosunków rozgałęzień dla rozpadów rezonansów pośrednich występujących w badanych procesach. Uzyskane dokładności wyznaczenia częstości rozpadów są porównywalne lub dokładniejsze niż publikowane średnie światowe.
Badanie procesu sekwencyjnej absorpcji dwufotonowej w zakresie promieniowania rentgenowskiego
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Tyrała, Krzysztof; Szlachetko, Jakub; Czapla-Masztafiak, Joanna; Wachulak, Przemysław; Witkowska, Agnieszka; Gawełda, Wojciech
Zjawiska nieliniowego oddziaływania promieniowania z materią są dobrze opisane w zakresie optycznym widma promieniowania elektromagnetycznego i znalazły swoje zastosowanie w wielu technikach badawczych. Rozwój laserów na swobodnych elektronach, emitujących wiązki o wysokiej gęstości fotonów o energiach w zakresie promieniowania rentgenowskiego umożliwił obserwację zjawisk nieliniowych. Szczególnie absorpcja dwufotonowa na rdzeniowych powłokach atomowych, ze względu na specjalne, kwadrupolowe reguły wyboru dla przejść elektronowych, stanowi bardzo interesujące zjawisko i może pozwolić na obserwację wzbronionych w zakresie liniowym przejść atomowych prowadzących do niezbadanych wcześniej stanów elektronowych materii. Nieliniowe zjawisko absorpcji dwufotonowej może przebiegać w dwóch wariantach – jednoczesnym oraz sekwencyjnym, przy czym badania wskazują, że dominującym jest wariant sekwencyjny. Proces sekwencyjny zachodzi poprzez wirtualny stan pośredni o bardzo krótkim czasie życia (
Badanie rozcieńczonych roztworów pierścieniowych oraz gwiaździstych polimerów w ograniczonych przestrzeniach
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Hałun, Joanna; Danel, Zoriana; Ciach, Alina; Góra, Paweł F.
Przedmiotem badań niniejszej pracy był zarówno rozcieńczony roztwór idealnych polimerów pierścieniowych, jak i polimerów gwiaździstych złożonych z czterech ramion f=4 w Ө-rozpuszczalniku zanurzonym w ograniczonej geometrii szczeliny dwóch równoległych ścianek, a także dużych i małych koloidalnych cząstek o różnych właściwościach adsorbująco-odpychających w stosunku do polimeru. Celem pracy było przedstawienie jaki wpływ na wielkości fizyczne tj: siła oddziaływania, potencjał oddziaływania, czy profil gęstości monomerów, które powstają przez umieszczenie roztworu polimeru w ograniczających go powierzchniach będzie miała zmiana topologii polimeru. W ramach Gaussowskiego modelu przy wymiarowości przestrzeni d=3 oraz uwzględnieniu analogii pomiędzy ferromagnetykami a polimerami zaproponowaną przez de Gennesa [1] zostały przeprowadzone analityczne obliczenia na siłę oddziaływania i potencjał oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu polimerów pierścieniowych oraz polimerów gwiaździstych w zamkniętej szczelinie dwóch równoległych ścianek typu cienkich warstw. Każda ze ścianek w cienkiej warstwie ma inne właściwości adsorbująco-odpychające w stosunku do polimeru. Warunek brzegowy Dirichleta-Dirichleta odpowiada sytuacji, kiedy obie powierzchnie są odpychające, natomiast warunek brzegowy Dirichleta-Neumanna opisuje przypadek mieszanych ścianek, czyli kiedy jedna z nich jest odpychająca a druga obojętna. Ponadto biorąc pod uwagę aproksymację Derjaguina [2], która opisuje roztwór dużych koloidalnych cząstek zostały przeprowadzone obliczenia dla siły oddziaływania i profilu gęstości monomerów dla wyżej wymienionych przypadków. Poza tym przeprowadzono obliczenia profilu gęstości monomerów warstwy i uniwersalnej amplitudy dla powyższych topologii polimeru znajdujących się w zamkniętej przestrzeni cienkich warstw, jak również koloidalnych cząstek dużego oraz małego rozmiaru. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zarówno zmiana architektury, jak i konformacja polimeru wpływa na właściwości fizyczne makrocząsteczki będącej w szczelnie dwóch równoległych ścianek, a także w roztworze dużych i małych koloidalnych cząstek. Siła oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu idealnych gwiaździstych polimerów w obu przypadkach jest przyciągająca, ale większa niż odpowiednie siły dla idealnych liniowych, a także pierścieniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch odpychających powierzchni. Należy wspomnieć, że siła oddziaływania w przypadku mieszanych ścian, czyli gdy jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna, jest mniejsza niż w przypadku dwóch powierzchni odpychających i wykazuje odwrotne zachowanie w przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów w ograniczonej geometrii dwóch równoległych ścianek o mieszanych powierzchniach. Maksimum gęstości monomerów w warstwie, gdy obie powierzchnie są odpychające znajduje się w środku szczeliny przy L/2. Natomiast, jeżeli jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna to maksimum gęstości monomerów w warstwie usytuowane jest w pobliżu odległej ścianki z powierzchnią obojętną, przy której występuje próg adsorpcji. Bardziej skomplikowanej strukturze topologicznej odpowiada mniejszy promień bezwładności, co prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie wraz ze wzrostem złożoności struktury topologicznej w obszarze między dwiema odpychającymi powierzchniami, jak również w pobliżu powierzchni, przy której ma miejsce tzw. próg adsorpcji, czyli w sytuacji mieszanych ścianek. Nasuwa się następujący wniosek, że skomplikowana struktura topologiczna polimerów pierścieniowych zapobiega ich adsorpcji na powierzchni i prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie, w pobliżu powierzchni adsorpcyjnej. W relacji gęstość-siła niezależnie od topologii polimeru w warstwie stosunek uniwersalnej amplitudy wynosi B=2, pomimo że wartość profilu gęstości monomerów, jak również siły dla polimerów liniowych i pierścieniowych są różne. Profil gęstości monomerów dla rozcieńczonego roztworu polimerów gwiaździstych f=4 przy powierzchni odpychającej jest mniejszy niż polimerów liniowych i pierścieniowych, gdy ścianka znajduje się przy progu adsorpcji sytuacja jest odwrotna. Gęstość monomerów w warstwie zależy zarówno od promienia bezwładności polimerów pierścieniowych, jaki i odległości między ściankami L/R_x , gdzie L-szerokość szczeliny, a R_x to składowa iksowa promienia bezwładności. W przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów ograniczonych jedną lub dwoma koloidalnymi cząstkami na wpływ gęstości monomerów warstwie ma wielkości mezoskopowej cząstki, jak również odległość a między ścianą a cząstką lub między dwiema cząstkami a/R_x . Zależność między profilami gęstości monomerów dla polimeru pierścieniowego z węzłem typu 0_1 do profilu gęstości monomerów idealnych liniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch równoległych ścian o powierzchniach odpychających, a także jednej odpychającej a drugiej obojętnej jest równa jeden [3]. Szczególną rolę w profilach gęstości monomerów w ograniczonych geometriach odgrywają efekty entropowe oraz topologia polimeru. W przypadku małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki w pobliżu ścianki z powierzchnią obojętną, otrzymujemy, że siła jest równa zeru dla rozcieńczonego roztworu liniowych łańcuchów polimerowych, co wskazuje, że na rozcieńczony roztwór polimeru nie wpływa obecność ścianki. Jeżeli rozważamy rozcieńczony roztwór idealnych pierścieniowych łańcuchów polimerowych zamkniętych w roztworze małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki przy ścianie z powierzchnią obojętną obserwujemy, że polimer adsorbuje się na ścianie, co prowadzi do odpychania między małą, koloidalną cząstką a ścianką. Natomiast, w sytuacji gdy ścianka jest odpychająca (warunek brzegowy Dirichleta) pokazuje, że odpowiednia siła oddziaływania staje się przyciągająca. Oznacza to, że zarówno liniowy, jak również pierścieniowy polimer znajdujący się w przestrzeni między małą cząstką a ścianą z powierzchnią odpychającą posiada tendencję do uciekania z ograniczającego go obszaru, co prowadzi do niezrównoważonego ciśnienia na zewnątrz i przyciągania między małą, koloidalną cząstką lub nanocząstką a ścianą. Badanie adsorpcji polimerów na powierzchniach oraz w roztworach dużych, jak i małych koloidalnych cząstek lub nanocząstek cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na szerokie praktyczne zastosowanie w mikro i nanoelektronice, a także medycynie w celu lepszego zrozumienia systemów dostarczania leków, czy też zapobieganie fuzji wirusa z komórkami gospodarza. [1] deGennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics; Cornell University Press, 1979. [2] Derjaguin, B.V. Kolloid-Z. 1934,69, 155. [3] Matthews R.; Louis A.A.; Yeomans J.M. Mol. Phys. 2011, 109, 1289
Badanie rozpadu stanów kolektywnych w reakcjach indukowanych protonami
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2018) Wasilewska, Barbara; Kmiecik, Maria; Ciemiała, Michał; Lewitowicz, Marek; Płatenta, Roman
Badanie stanów kolektywnych jądra atomowego jest doskonałym narzędziem dostarczającym informacji dotyczących zachowania jądra jako całości. Gigantyczne rezonanse, czyli najsilniej wzbudzane stany kolektywne, badane są w reakcjach jądrowych za pomocą różnych próbników: kwantów γ, cząstek α, ciężkich jonów i protonów, wykorzystując reakcje nieelastycznego rozpraszania, bądź fuzji-ewaporacji. Tematem niniejszej pracy jest badanie rozpadu stanów kolektywnych w reakcjach indukowanych protonami. Zadanie to zostało wykonane w IFJ PAN w Krakowie w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB), w którym oprócz prowadzenia terapii protonowej nowotworów realizowany jest zróżnicowany program badawczy. Jednym z głównych jego tematów jest badanie wzbudzenia i rozpadu gigantycznych rezonansów jądrowych za pomocą eksperymentów, w których jadra tarczy wzbudzane są poprzez naświetlanie jej wiązką szybkich protonów pochodzącą z cyklotronu. Jednoczesny pomiar rozproszonych nieelastycznie protonów i kwantów γ emitowanych przez wzbudzone jadra pozwala odtworzyć przebieg reakcji i uzyskać informacje o zaistniałym procesie. Po serii eksperymentów testowych wykorzystujących reakcje 12C(p, p’γ), przeprowadzono pomiar rozpadu stanów kolektywnych w oparciu o reakcje 208Pb(p, p’γ). Wybór tego izotopu wynikał z faktu, ze jądro 208Pb jest jedynym dla którego zaobserwowano w reakcji 208Pb(17O; 17O’γ) rozpad γ izoskalarnego gigantycznego rezonansu kwadrupolowego (ISGQR). Celem eksperymentu przedstawianego w niniejszej pracy było wykazanie, że stosując wiązkę protonów dostępną w CCB można uzyskać informacje na temat rozpadu γ ISGQR. Przewidywano również zaobserwowanie wzbudzeń i rozpadów γ innych wysokoenergetycznych stanów kolektywnych, takich jak pigmejskie stany dipolowe i gigantyczny rezonans dipolowy. Zastosowany układ pomiarowy składał się z 16 teleskopów układu KRATTA, używanych do pomiaru lekkich cząstek naładowanych; 8 dużych scyntylatorów BaF2 tworzących układ HECTOR o dużej wydajności na detekcje wysokoenergetycznych Kwantów γ ; oraz klastra kalorymetru PARIS, posiadającego oprócz wysokiej wydajności, bardzo dobra energetyczną i czasową zdolność rozdzielczą. Podczas pomiaru dane były zbierane, gdy spełniony był warunek jednoczesnej detekcji kwantu γ i naładowanej cząstki lekkiej. Pozwoliło to na utworzenie macierzy energii kwantu γ względem energii wzbudzenia jadra 208Pb. Po zastosowaniu odpowiednich warunków uzyskano i następnie poddano analizie widma energii wzbudzenia oraz energii kwantów γ emitowanych z rozpadów stanów wzbudzonych do określonych stanów końcowych w jadrze 208Pb. Niniejsza praca przedstawia zastosowany układ pomiarowy, metodę analizy danych i uzyskane wyniki. Wprowadzone są w niej niezbędne pojęcia teorii fizyki jądrowej. Ze względu na specyficzną budowę układu PARIS, szczegółowo opisana jest metoda analizy zebranych za jego pomocą danych. Dokładnie opisany jest również sposób przygotowania danych do analizy, a sama metoda analizy jest zaprezentowana na przykładzie reakcji testowej 12C(p, p’γ). Najważniejszą częścią pracy jest przedstawienie wyników dotyczących wzbudzenia stanów kolektywnych i ich rozpadu poprzez emisje kwantów dla reakcji 208Pb(p; p’γ), oraz porównanie ich z przewidywaniami teoretycznymi. Praca zakończona jest podsumowaniem zawierającym informacje o planowanej kontynuacji badań.
Badanie stanów elektronowych metali 3d w układach złożonych metodami spektroskopii promieniowania X
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2019) Nowakowski, Michał; Kwiatek, Wojciech; Czapla-Masztafiak, Joanna; Kapusta, Czesław; Witkowska, Agnieszka
Spektroskopia rentgenowska z wykorzystaniem Promieniowania Synchrotronowego jest zbiorem technik badawczych rozwijanych od dziesięcioleci. Spektroskopia absorpcyjna promieniowania X (XAS) pozwala otrzymać informację strukturalną i konfigurację elektronowych stanów nieobsadzonych badanego związku. Spektroskopia emisyjna promieniowania X (XES), pozwala na otrzymanie komplementarnej do XAS informacji strukturalnej oraz konfiguracji elektronowych stanów obsadzonych. Połączenie tych metod stanowi nowatorska spektroskopia RXES umożliwiająca zebranie analogicznych informacji w jednym eksperymencie. Dotychczas, spektroskopia RXES była głównie wykorzystywana w badaniach z dziedziny ciała stałego. Celem niniejszej rozprawy było wykonanie pomiarów metali 3d w różnych typach próbek i wykazanie różnic pomiędzy metodami XAS i Kβ RXES. Opisane zostały trzy eksperymenty podejmujące aktualne problemy badawcze, wykonane przy pomocy metod XAS i RXES oraz wsparte obliczeniami DFT i ab-initio wykonanymi przy pomocy teorii FMS. Pierwszy eksperyment skupiał się na zastosowaniu metody Kβ RXES do wyznaczenia struktury przerwy energetycznej w związkach nieorganicznych żelaza. Stanowi on podsumowanie możliwości metody RXES w dotychczasowych zastosowaniach fizyki ciała stałego. Ponadto, wprowadzony został nowy sposób radzenia sobie z efektem samoabsorpcji widocznym w widmach XAS. Drugi eksperyment to analiza mechanizmu oddziaływania białka PrPC z jonami Cu(II). Jest to przykład badania struktury heterogenicznej, przy użyciu spektroskopii absorpcyjnej przy krawędzi K Cu. W trakcie analizy został zidentyfikowany unikatowy proces transferu ładunku z ligandów na jon Cu(II) (LMCT) oraz przedstawiono rozwiązanie struktury kompleksu PrPC-Cu(II). Trzeci eksperyment to rozwiązanie problemu oddziaływania Cr(VI) z błonami lipidowymi. W tym przypadku zostały zastosowane i porównane obie techniki: XAS i Kβ RXES. W trakcie doświadczenia wykazano istnienie mechanizmu przechodzenia Cr(VI) przez błony lipidowe przy jednoczesnym wykorzystaniu potencjału redoks reakcji redukcji Cr(VI) -> Cr(III)/Cr(IV). W rezultacie obliczeń DFT i ab-initio zaproponowano i potwierdzono model tworzenia krótko żyjących kanałów w błonie lipidowej przy jednoczesnym trwałym wiązaniu Cr do składników błon. W trakcie analizy wyników, pokazane zostało zastosowanie spektroskopii Kβ RXES do badania materii organicznej i heterogenicznej. Dzięki temu udowodniono, iż przy pomocy techniki Kβ RXES możliwe jest pełne zrozumienie natury zachodzących zjawisk w tego typu próbkach. Pozwoli to na rozwinięcie metodologii badawczej, znacznie wykraczające poza dotychczasowe zastosowania fizyki ciała stałego.
Badanie wpływu domieszek wolframu na dynamikę elektronów w plazmie termojądrowej uwięzionej w tokamaku
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Walkowiak, Jędrzej; Bielecki, Jakub; Jardin, Axel; Chomiczewska, Agata; Pawelec, Ewa; Sienkiewicz, Józef
Wraz z decyzją o zabezpieczeniu wewnętrznej ściany komory próżniowej ITERa za pomocą warstwy wolframu, oddziaływanie elektronów nadtermicznych z domieszkami tego pierwiastka stało się ważną kwestią w modelowaniu plazmy. Mikrofalowe systemy ogrzewania plazmy i generowania w niej prądu, zwłaszcza za pomocą niższej częstotliwości hybrydowej (ang. Lower-Hybrid Current Drive - LHCD), mogą powodować powstawanie znaczącej populacji elektronów nadtermicznych. Ponadto, w przypadku niekontrolowanie rozpędzonych elektronów (ang. runaway electrons - RE) i zapobiegania im poprzez wtrysk dużej ilości gazów do plazmy, zderzenia z domieszkami mogą mieć znaczący wpływ na hamowanie elektronów. Szczegółowy opis zderzeń szybkich elektronów z nie w pełni zjonizowanymi domieszkami wymaga wyznaczenia dwóch parametrów: atomowego współczynnika kształtu dla zderzeń sprężystych i średniej energii wzbudzenia (ang. Mean Excitation Energy - MEE) dla zderzeń niesprężystych. Można to zrobić za pomocą metod ab initio, które pozwalają uzyskać dokładne wyniki, jednak ich praktyczne zastosowanie wiąże się z czasochłonnymi obliczeniami. W przypadku MEE, czas obliczeń dla pierwiastków o dużej liczbie atomowej Z jest zaporowy. W niniejszej pracy porównałem istniejące przybliżenia atomowego współczynników kształtu, oparte na modelach Thomasa-Fermiego oraz Pratta-Tsenga. Obliczenia ab initio za pomocą teorii funkcjonału gęstości (ang. Density Functional Theory - DFT) są wykorzystywane jako metoda referencyjna do określenia dokładności porównywanych modeli. Na podstawie tej analizy zaproponowałem pewne modyfikacje istniejących modeli, zoptymalizowane za pomocą metod numerycznych, które zapewniają wyższą dokładność przy zachowaniu krótkiego czasu obliczeń. Modyfikacje te obejmują zastosowanie kilku członów eksponencjalnych modelu Pratta-Tsenga i dopasowanie parametrów równania współczynnika kształtu do wyników opartych na DFT. Przedstawiono zastosowania prezentowanych modeli do obliczania częstotliwości zderzeń sprężystych i niesprężystych dla równania Fokkera-Plancka, wykazując dobrą zgodność między wynikami uzyskanymi metodą DFT a proponowanymi modelami. Prezentowana praca dostarcza wartości MEE dla atomów i ich jonów o liczbach atomowych 1 ≤ Z ≤ 86. Aby wypełnić luki w dostępnych danych, zaproponowałem przybliżony model dla jonów pierwiastków o dużej liczbie atomowej Z, który wykorzystuje półempiryczny wzór oparty na tzw. lokalnym przybliżeniu plazmy (ang. Local Plasma Approximation - LPA). Pomimo, że LPA w swojej oryginalnej postaci nie przewiduje dokładnie wartości MEE dla silnie zjonizowanych atomów, stosunkowo prosta modyfikacja pozwoliła znacznie poprawić otrzymywane wyniki. W pracy oszacowałem także wpływ efektów relatywistycznych na wyznaczone wartości MEE dla silnie zjonizowanych atomów i porównałem proponowany wzór z innymi przybliżeniami dostępnymi dla pierwiastków o dużej liczbie atomowej Z. Opracowane modele i uzyskane dane zostały wykorzystane do rozszerzenia możliwości kodu numerycznego służącego do analizy zaburzeń plazmy i niekontrolowanie rozpędzonych elektronów, poprzez uwzględnienie domieszek wolframu w plazmie. Zbadano zależność prądu RE od następujących parametrów plazmy: stężenia wolframu, wielkości zaburzeń pola magnetycznego, modeli populacji elektronów użytych do obliczeń, czasu stygnięcia plazmy oraz geometrii sznura plazmowego – wzorowanej na konfiguracji ITER-a lub ASDEX-a. Przeprowadzona analiza pokazuje, że stężenie wolframu poniżej 10-3 nie powoduje znaczącej samoistnej generacji RE. Jednak przy wyższych stężeniach domieszek W możliwe jest osiągnięcie bardzo wysokiego prądu RE. Z dwóch testowanych modeli elektronów w plazmie: płynowego i izotropowego (kinetycznego), wyniki z modelu płynowego są bardziej konserwatywne, co jest przydatne w kontekście analizy bezpieczeństwa. Wyniki te są jednak przeszacowane względem modelu izotropowego, który opiera się na bardziej wiarygodnych założeniach. Wyniki pokazują również, że mechanizm generowania RE z nadtermicznego ogona (ang. Hot-tail) rozkładu prędkości jest dominującym źródłem RE w zakłóceniach wywołanych wolframem, zwykle zapewniając o rząd wielkości wyższe liczby pierwotnych RE niż mechanizm Dreicera. W przedstawionej pracy zbadano różne podejścia do symulacji plazmy o wysokim stężeniu wolframu i przygotowano na tej podstawie rekomendacje dla przyszłych prac obliczeniowych. Zbadano zależność limitów bezpieczeństwa od zastosowanych modeli oraz ich parametrów i określono największe problemy obecnych technik symulacji. Przeprowadzone prace torują drogę do szerszej analizy wpływu wolframu na dynamikę plazmy, w tym technik zapobiegania RE w ITER w przypadku silnego zanieczyszczenia plazmy wolframem. The selection of tungsten as a plasma-facing material for the ITER tokamak has raised the importance of suprathermal electron interactions with partially ionized impurities in plasma modeling. Heating and current drive methods, particularly electron cyclotron and lower hybrid current drive, can produce a substantial population of such electrons in the plasma. Additionally, during runaway electron generation and mitigation through massive injection of gas, the electron drag force can be significantly affected by collisions with impurity ions. A detailed description of fast electrons collisions with non-fully ionized impurities requires calculation of two parameters: the atomic form factor for elastic collisions and the Mean Excitation Energy (MEE) for inelastic collisions. The ab initio models that can be used for this purpose are accurate, but very time consuming in practice. In the case of MEE, the computational time for high-Z elements is prohibitive. In this thesis, I evaluate existing approximations of the atomic form factor derived from the Pratt–Tseng and Thomas–Fermi models. I consider ab initio density functional theory (DFT) calculations as a reference to assess the accuracy of these models. I then propose several changes to the Pratt–Tseng model, optimized with numerical parameter adjustments, which enhance accuracy while keeping computation time short. These modifications involve incorporating several exponents in the Pratt–Tseng model and fitting the parameters of the atomic form factor expression to the results obtained from DFT. I also present applications of the revised models for calculating the elastic and inelastic collision frequencies for the Fokker–Planck solver, demonstrating strong agreement between the proposed models and the DFT approach. In a second part, I determine values of MEE for each atom and its ions, with the atomic number ranging from 1 to 86. To address gaps in the existing data, I introduce an approximation for ions with high atomic number, employing a semi-empirical formula based on the Local Plasma Approximation (LPA). Although the original LPA is not able to predict MEE accurately for high ionization states, a straightforward modification using a fitting function can correct this limitation. I evaluate the significance of relativistic effects on the MEE for highly ionized atoms and compare the proposed formula with other available approximations for high-Z elements. The obtained models and data were used to extend the disruption and runaway electron analysis model code DREAM, allowing to include tungsten impurities in disruption simulations, with the aim of studying runaway electron (RE) generation. In this work, I examine the sensitivity of runaway electron (RE) current to various plasma parameters and modeling choices, including magnetic perturbation strength, tungsten concentration, electron modeling approach (fluid vs. kinetic), thermal quench time and tokamak geometry - specifically ITER-like and ASDEX-like configurations. The study reveals that tungsten concentrations below 10−3 do not alone cause significant RE generation. Nevertheless, very high RE currents can be achieved at higher tungsten concentrations. Among the two tested models of electrons in plasma - fluid and isotropic (kinetic) - the fluid model yields more conservative results, which is useful for safety assessments. Nonetheless, these findings are more pessimistic than the isotropic model, which relies upon a more reliable approach. The results also indicate that the mechanism of hot-tail RE generation is the dominant source of RE during tungsten-induced disruptions, typically providing a RE seed larger by orders of magnitude with respect to Dreicer generation. I assess best practices for simulating plasma disruption in the presence of tungsten impurities. I discuss how the calculated safety limits depend on modeling choices, and emphasize key shortcomings of current simulation approaches. The findings lay the groundwork for a more comprehensive analysis of tungsten impact on the dynamics of disruptions, including potential mitigation strategies for ITER in cases of significant tungsten influx into the plasma.
Badanie wpływu parametrów meteorologicznych na czasowe charakterystyki stężenia wybranych związków chlorowcowych (CFCs) w powietrzu Krakowa w latach 1997-2012
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2014) Bielewski, Jarosław; Śliwka, Ireneusz; Mietelski, Jerzy W.; Różański, Kazimierz
Celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest analiza charakterystyk czasowych stężenia związków CFCs takich jak F-11 (CCl3F), F-12 (CCl2F2), F-113 (CCl2FCClF2), chloroform (CHCl3), metylochloroform (CH3CCl3), czterochlorek węgla (CCl4) i sześciofluorek siarki (SF6) w atmosferze Polski południowej. Badania objęły głównie środowisko podlegające dużej antropopresji w zakresie emisji tych związków tzn. obszar Krakowa. W tym celu konieczna była kontynuacja ciągłych pomiarów związków CFCs i SF6 rozpoczętych w 1997 r. i prowadzonych w Zakładzie Fizykochemii Ekosystemów Polskiej Akademii Nauk w okresie realizacji pracy w latach 2008 - 2012. W ramach pracy przeprowadzono także korelacje zmian charakterystyk czasowych związków CFCs i SF6 mierzonych w Krakowie z kierunkami napływu mas powietrza na podstawie klasyfikacji sytuacji synoptycznych dla dorzecza górnej Wisły według Tadeusza Niedźwiedzia. Wymagało to opracowania metody filtracji i klasyfikacji danych w oparciu o metodę regresji ważonej dla danych pomiarowych związków CFCs i SF6 otrzymanych w Krakowie przy użyciu chromatograficznego układu pomiarowego. Podjęto również próbę użycia modelu HYSPLIT trajektorii wstecznych do wizualizacji i korelacji znaczących epizodów przekroczeń tła z napływającymi nad obszar Krakowa masami powietrza. Oprócz analizy zmieniającego się w czasie stężenia związków CFCs i SF6 w atmosferze Polski południowej, w ramach pracy dokonano porównania pomiarów stężenia tych związków w Krakowie z pomiarami prowadzanymi na stacji Mace Head w Irlandii, uczestniczącej w światowym programie AGAGE. Do tego celu użyto wyselekcjonowanych metodą regresji ważonej średnich dobowych i rocznych krakowskiej stacji pomiarowej oraz odpowiadające im wyniki oznaczeń na stacji Mace Head. Wyznaczono także roczne narosty stężenia (tzw. „growth rates”) obu placówek badawczych, przy użyciu dwóch podejść tj. metody różnicy oraz przy pomocy procedury CCGvu 4.40 rekomendowanej przez NOAA/CMDL. Na podstawie uzyskanych w ten sposób wyników dopasowano tendencje rocznych zmian atmosferycznego stężenia poszczególnych związków CFCs i SF6 w Krakowie i na Mace Head.
Badanie wpływu promieniowania jonizującego na strukturę chromatyny z wykorzystaniem nanospektroskopii molekularnej
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science, 2019) Borkowska, Anna; Kwiatek, Wojciech M.; Lipiec, Ewelina; Barańska, Małgorzata; Gruszecki, Wiesław
STRESZCZENIE Struktura chromatyny umożliwia upakowanie DNA, w którego nici jest zapisana informacja genetyczna. Chromatyna występuje na różnych poziomach organizacji. Na najniższym poziomie organizacji występuje w postaci nukleosomów, a na najwyższym poziomie organizacji w postaci chromosomów metafazowych. Ze względu na kluczową rolę chromatyny w organizacji DNA, został zbadany wpływ metylacji DNA i histonu H3 na jej strukturę chemiczną. Ponadto, został także zbadany udział euchromatyny i heterochromatyny w powstawaniu uszkodzeń w wyniku oddziaływania z wiązką protonów, co ma istotne znaczenie dla radioterapii. Do badań struktury molekularnej chromatyny zostały wykorzystane dwie techniki nanospektroskopii molekularnej: spektroskopia Ramana wzmocniona na ostrzu sondy skanującej (TERS, ang. Tip- Enhanced Raman Spectroscopy) oraz spektroskopia w zakresie podczerwieni połączona z mikroskopią sił atomowych (AFM – IR, ang. Atomic Force Microscopy Infrared Spectroscopy). Spektroskopia TERS umożliwiła zbadanie wpływu metylacji zarówno DNA, jak i histonu H3 na strukturę chemiczną chromatyny na najniższym poziomie jej organizacji- pojedynczego nukleosomu. Za pomocą spektroskopii AFM – IR, wykonano pomiary pojedynczych chromosomów metafazowych człowieka, czyli chromatyny na najwyższym poziomie jej organizacji. Na bazie przedstawionych w poniższej rozprawie wyników TERS, na podstawie zmiany intensywności pasma charakterystycznego dla wib. zasad A, C i G oraz δ(CH), a także C=C (1487 cm-1), zidentyfikowano dwie różne struktury nukleosomów: 1) charakteryzującą się brakiem obecności pasma dla liczby falowej 1487 cm-1 w przypadku liniowego DNA faga λ (głównie konformacja A) oraz 2) charakteryzującą się obecnością pasma dla liczby falowej 1487 cm-1 w przypadku kolistego DNA (pUC19, współistnienie konformacji A i B). Zanik intensywności pasma na pozycji spektralnej 1487 cm-1 został powiązany z powstawaniem wiązania wodorowego pomiędzy końcem NH2 kationowych reszt histonów z azotem N7 zasady guaninowej DNA w większym rowku DNA. Ponadto, w oparciu o otrzymane wyniki, stwierdzono, że na strukturę nukleosomów najistotniejszy wpływ ma konformacja DNA. Za pomocą spektroskopii AFM – IR zweryfikowano wpływ organizacji i budowy chemicznej chromatyny na powstawanie aberracji chromosomowych w wyniku oddziaływania z wiązką protonów. Pokazano, że procesy powstawania uszkodzeń radiacyjnych oraz ich naprawy prowadzące do powstania chromosomów dicentrycznych oraz pierścieniowych zachodzą głównie w euchromatynie. Podsumowując, badania nanospektroskopowe chromatyny na najniższym i najwyższym poziomie jej organizacji, umożliwiły lepsze wyjaśnienie i zrozumienie zmian spektroskopowych związanych z metylacją lub typem/konformacją DNA. Umożliwiły one także zbadanie czułości euchromatyny i heterochromatyny na uszkodzenia związane z oddziaływaniem z wiązką protonów.
Badanie wysokospinowych stanów z seniority ν > 2,3 w neutrononadmiarowych izotopach Sn produkowanych w reakcjach fuzja‒rozszczepienie
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2015) Iskra, Łukasz; Broda, Rafał; Jastrzębski, Jerzy; Kulessa, Reinhard
Excited states above the seniority ν = 2 isomers have been investigated in even neutron‒rich 118‒128Sn isotopes produced by fusion‒fission of 6.9 MeV/A 48Ca beams with 208Pb and 238U targets and by fission of a 238U target initiated by 6.7 MeV/A 64Ni beam. Level schemes up to excitation energies in excess of 8 MeV have been established based on multifold γ‒ray coincidence relationships measured with the Gammasphere array. Isotopic identification of crucial transitions was achieved through a number of techniques. In the data analysis, the delayed gamma coincidence technique was used to establish high‒spin state structures in the Sn isotopes with isomeric half‒lives below few sec. For cases with long‒lived isomeric states, the gamma cross‒coincidence method was employed to identify such structures. This required a more detailed knowledge of the fusion–fission process in order to establish which of the complementary fragments accompanying a specific Sn isotope should be expected in the reaction exit channel. As a result of employed analysis methods the seniority ν = 4, 15−, and 13− isomers were observed and their half‒lives determined. These long‒lived states in turn served as steppingstones to delineate the isomeric decays and to locate higher‒lying states with good sensitivity. As the observed isomeric decays feed down to 10+ and 7− isomers, firm spin parity assignments could be proposed for most of the seniority ν = 4 states. Higher‒lying, seniority ν = 6 levels were assigned tentatively on the basis of the observed deexcitation paths as well as of general yrast population arguments. Shell‒model calculations were carried out down to 122Sn in the g7/2, d5/2, d3/2, s1/2, and h11/2 model space of neutron holes with respect to a 132Sn core. Effective two‒body interactions were adjusted such that satisfactory agreement with data was achieved for 130Sn. The results reproduce the experimental level energies and spin‒parity assignments rather well. The intrinsic structure of the states is discussed on the basis of the calculated wave functions which, in many instances, point to complex configurations. In a few cases, the proposed assignments lead to unresolved issues. The smooth, systematic decrease of the level energies with mass A is accompanied by the similarly regular behavior with A of the reduced transition probabilities extracted from the isomeric half‒lives. This A dependence is discussed for the E1 and E2 transitions in the decay of the seniority ν = 4 isomers and is compared to that determined in earlier work for the E2 transition rates from the ν = 2,3 isomers.

Browse

Browsing by Title

Results Per Page

Sort Options