Рабочее совещание "Использование ускорителей заряженных частиц для изучения радиационных повреждений в системах высокого уровня организации (космические, медико-биологические и технические аспекты)"Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" № 16 (2010) 29 марта в ДМС ОИЯИ состоялось рабочее совещание "Использование ускорителей заряженных частиц для изучения радиационных повреждений в системах высокого уровня организации (космические, медико-биологические и технические аспекты)". С докладами выступили ведущие специалисты Института медико-биологических проблем, НИИЯФ МГУ, Института биохимической физики, Института космических исследований и ОИЯИ.
Многолучевая ДубнаВ первой части совещания в докладах "Проект Нуклотрон-NICA", "Возможности ускорителей ЛЯР для проведения прикладных исследований", "Пучки нейтронов установок ЛНФ" обсуждался диапазон технических возможностей, предоставляемых на базовых установках ОИЯИ или открывающихся в новых проектах Института для решения широкого круга биологических задач. Как подчеркнул во время завершающего круглого стола директор ЛРБ профессор Е.А.Красавин, необходимо опираться на возможности Дубны как уникального места, где сосредоточены установки широкого спектра ионизирующих излучений. Все вопросы тематики совещания, а это задачи общей, радиационной и космической биологии, применения заряженных частиц для терапии онкологических заболеваний, влияния тяжелых заряженных частиц и нейтронов на элементную базу электроники и другие, можно решить на базовых установках Объединенного института.
О сотрудничестве ОИЯИ и ИКИ РАН в исследованиях планет ядерно-физическими методами рассказал заведующий лабораторией этого института И.Г.Митрофанов. Разные направления тематики совещания, как в проведенных исследованиях, так и в предстоящих, были представлены в докладах А.С.Штемберга (ИМБ РАН) "Радиационная физиология высшей нервной деятельности", Г.В.Мицына "Адронная терапия рака на базе фазотрона ОИЯИ", М.И.Панасюка "Радиационные сбои электроники космических аппаратов: особенности радиационных полей в космосе, проблемы моделирования среды и ядерно-физических эффектов в микрочипах". Ядерная планетология
Нам очень повезло, подчеркнул Игорь Георгиевич, что в нынешних космических проектах по ядерной планетологии, а это исследования Марса, Луны, в перспективе - Меркурия и Венеры,- мы сотрудничаем с ОИЯИ. Объединенный институт помогает в разработке физических концепций космических ядерно-физических приборов, в их численном моделировании - это позволяет нам выигрывать в предполетном конкурсном отборе приборов. Затем, на этапе разработки, специалисты ОИЯИ активно участвуют в отработке, испытаниях и калибровке, в оценке радиационных условий в космическом пространстве, анализе полученных результатов. Наше сотрудничество началось в 1997 году. Тогда мы еще не знали, как лучше сделать детектор нейтронов для исследований физических условий Марса. В ЛНФ нам предложили надежный способ решения - классические многосферные детекторы. Уменьшенный и упрощенный вариант - 5 килограммов вместо 25 в классическом исполнении - и представлял собой прибор ХЕНД, который на борту аппарата "Марс Одиссей" в 2001 году отправился к "красной планете" и до сих пор успешно проводит ее исследование. В феврале 2002 года был получен первый яркий результат этого эксперимента: в приполярных районах планеты, под тонким слоем грунта прибор обнаружил вечную мерзлоту, богатую водяным льдом. Эти результаты оказали влияние на всю дальнейшую программу космических исследований Марса. Через некоторое время на Марс был запущен автоматический аппарат "Феникс", который спустился на поверхность в окрестности северного полюса и на основе прямых измерений подтвердил наличие в грунте водяного льда. Наличие на Марсе большого количества воды подтверждает возможность существования на этой планете или современных форм простейшей жизни, или наличие их в прошлом. Такие же интересные места с признаками воды и льда оказались и на экваторе Марса, в так называемой области Арабии. Именно сюда в 2012 году готовится прибытие Марсианской научной лаборатории - это очередной проект NACA. На "марсоходе" будет установлен наш российский прибор ДАН (динамическое альбедо нейтронов). Метод изучения состава грунта на основе облучения импульсами нейтронного излучения, иначе называемый ядерным каротажем, хорошо зарекомендовал себя в геологии, в космосе же будет применяться впервые. Импульсный нейтронный генератор для прибора ДАН разработан специалистами Института автоматики имени Н.Л.Духова. А подобие марсианских условий для проверки работы прибора ДАН нам удалось создать в реакторном зале ИБР-2, которым мы и воспользовались, пока идет модернизация этого реактора. Лунная программаВ конце 1990-х в ходе реализации американских проектов "Клементина" было установлено, что в районах северного и южного лунных полюсов имеются области с кратерами, дно которых никогда не освещается Солнцем. Было высказано предположение: если в этих "холодных ловушках" накопился доставленный кометами водяной лед, то он должен храниться в них вечно. Два лунных проекта NACA должны были изучить распространенность водяного льда в постоянно освещенных и постоянно затененных полярных районах Луны. В ИКИ вместе с ЛНФ была разработана концепция нейтронного телескопа ЛЕНД: его детекторы и электроника - это аналоги прибора ХЕНД, но в состав ЛЕНДа был добавлен нейтронный коллиматор, позволяющий с высоты лунной орбиты в 50 км рассматривать на поверхности области с характерным размером 10 км. В создании коллиматора этого прибора также участвовали специалисты другого ядерного центра нашей страны - Научно-исследовательского института атомных реакторов в Димитровграде. После изучения в 2009 году полярных затененных областей Луны прибором ЛЕНД на борту американского спутника ЛПО выяснилось, что эти области вовсе не являются естественными ледовыми кладовыми на Луне. Именно данные, полученные прибором ЛЕНД с борта ЛПО, позволили определить наиболее интересное место для следующего американского проекта Лкросс - кратер Кабеус. В октябре прошлого года разгонный блок Центавр проекта Лкросс ударился о его поверхность, облако выброшенного вещества было проанализировано с Земли и с борта аппарата Лкросс, прошедшего через это облако. Присутствие в веществе Луны водяного льда было обнаружено. МКС и дальшеПоскольку прибор ХЕНД работает в космосе с 2001 года, а в космонавтике без дублеров не принято, в свое время был сделан и откалиброван его дублер - запасной летный образец. Чтобы и он послужил науке, его позже доставили на МКС, где он в настоящее время успешно изучает нейтронные компоненты радиационного фона на борту станции. Три новых прибора, созданных в тесном сотрудничестве со специалистами Объединенного института, сейчас проходят испытания. Два из них полетят в 2011 году к Марсу, а третий прибор в 2014 году отправится в продолжительное космическое путешествие к Меркурию. Я думаю, - сказал, завершая свое выступление, И.Г.Митрофанов, - что в XXI веке начнется целенаправленное освоение Луны, будет создана постоянно действующая лунная база, и на Марс отправится пилотируемая экспедиция. А в более далекой перспективе Марс станет запасной планетой для человечества - при глобальном изменении климата вследствие столкновения Земли с крупным астероидом человеческая цивилизация сможет спастись только в том случае, если на Марсе будет существовать колония людей в приемлемых для землян условиях. Поэтому проводящаяся в настоящее время космическая разведка распространенности воды на этих небесных телах методами ядерной физики создаст необходимые предпосылки для их будущего освоения. Аномалии не только на Земле
"Чиркая" пояс на каждом витке, МКС подвергается повышенному облучению высокоэнергичными нейтронами, поскольку в районе аномалии более сильные потоки радиации, что делает вероятность сбоев электроники достаточно высокой. К тому же, сама Южно-Атлантическая аномалия не постоянна: потоки радиации находятся в противофазе с солнечной активностью. А в период спада солнечной активности наблюдаются экстремально мощные вспышки, когда энергия солнечных частиц достигает нескольких ГэВ и сбои электроники увеличиваются. Кроме этого, и в верхней части атмосферы происходят еще не до конца понятные, так называемые транзиентные явления: экстремально короткие (микросекунды) вспышки ультрафиолета. Эти высокоэнергетические процессы (100 МДж в импульсе), возникающие чаще всего вдоль экватора над материками, наблюдали университетские спутники "Татьяна-1" и "Татьяна-2". Возможно, их причиной является "прорвавшееся" к Земле ГКИ, сгенерировавшее широкий ливень частиц. Если он попадает в грозовое облако, то возникают электроны релятивистских энергий, которые и приводят к таким вспышкам. "Нам никуда не уйти от ускорителей!"Впечатлениями и мнениями, подводя итоги совещания, его участники обменялись в ходе круглого стола. В.М.Петров (ИМБП): Должны быть регламентированы не только радиационная опасность, но и опасность для жизни и здоровья экипажа вообще. Мы должны гарантировать перед полетом в дальний космос, что после возвращения у летавших не произойдет существенных изменений здоровья. Должен быть составлен каталог всех возможных неблагоприятных последствий, начиная с уровня генома и заканчивая организмом в целом. А на его основе - установлены уровни облучения, суперпозиция всех эффектов и, в конечном итоге, максимально точная оценка максимального риска. И с этой точки зрения наша конференция оказалась очень полезной, поскольку во всех докладах в явной или неявной форме эти аспекты присутствовали. Вслед за задачей характеристики репарации на уровне генома и на уровне клетки возникает задача зависимости этого репарационного эффекта от линейной передачи энергии, и тут нам никуда не уйти от ускорителей. Возможности ускорителей позволяют исследовать ответ на воздействие в широком диапазоне энергий, существующем в космическом пространстве, вплоть до 104 ГэВ/микрон. Третий блок задач возникает в связи с обеспечением безопасности лунных баз и галактических космических полетов. М.И.Панасюк: При принятии решения перед политиками стоит задача грамотной оценки рисков - не только радиационного, но и всех других. Мы сейчас не умеем достаточно хорошо их оценивать, и вполне может оказаться, что радиационная опасность - не самая страшная... И.Г.Митрофанов: Я убежден, что человечество будет осваивать Луну и будет летать на Марс. Американцы закрыли лунную программу "Констеллейшн" просто потому, что не захотели делать римейк морально устаревшей программы "Аполлон". Сегодня надо летать быстро, и поэтому было принято решение направить миллиарды долларов на создание новой космонавтики, космонавтики XXI века. Мы в России так же активно должны развивать космическую технику для полетов в дальний космос. А если мы будем оставаться на уровне разработок станций "Мир" и МКС, то дальний космос окажется для нас закрытым. И если стремимся вперед, то без риска не обойтись, - однако при этом не следует забывать о развитии методов радиационной безопасности и радиационной защиты. В.М.Петров: На заседании ПКК по физике конденсированных сред ОИЯИ было высказано предложение о необходимости создания специального биологического пучка с тщательно контролируемыми параметрами, с возможностью варьировать его интенсивность. Например, ускоритель У-200 имеет великолепные характеристики для работы биологов. Старый - не всегда значит плохой. М.А.Островский: Я думаю, необходимо пригласить к более активному сотрудничеству в области радиационной биологии страны-участницы ОИЯИ. Эти исследования должны выйти за рамки России и стать международными и междисциплинарными. И лучшего места для них, чем Дубна, не найти.
Конференция - это не только обмен научной информацией, но и живое, непосредственное общение представителей разных школ и поколений. Е.А.Красавин: Наше совещание достигло своей цели, собрав ведущих специалистов разных областей, чьи выступления охватили весь спектр рассматриваемых исследований и опирались на уникальные возможности Дубны, собравшей широкий спектр различных источников ионизирующих излучений. Что касается упомянутого ПКК по ФКС, то наказ экспертов комитета получил воплощение в решениях Ученого совета, где четко записано поручение дирекции об организации работ по созданию такого специализированного канала. Итогом рабочего совещания стал меморандум, в котором подчеркивается необходимость создания международного рабочего органа, координирующего усилия в этой области специалистов не только ведущих российских институтов, но и стран-участниц ОИЯИ. Ольга ТАРАНТИНА, фото Юрия ТУМАНОВА. Из меморандума совещанияОИЯИ предоставляет широкие возможности для выполнения прикладных исследований по указанным направлениям на ядерно-физических установках Института. В первую очередь, к ним относятся установки, генерирующие пучки ускоренных тяжелых ионов низких, промежуточных и релятивистских энергий. Это позволяет моделировать влияние различных видов космических излучений, и, прежде всего, тяжелых ядер галактического космических лучей, на биологические объекты, а также электронные технические устройства. Совещание приветствует решение 107-й сессии Ученого совета ОИЯИ о создании специализированного канала многозарядных ионов с энергией до 600 МэВ/нуклон на базе проектируемого бустера ускорительного комплекса NICA для реализации этих целей. Наличие такого уникального для стран-участниц Института канала тяжелых ионов позволит сформировать комплексную программу проведения исследований в ОИЯИ различной направленности и объединить усилия ряда ведущих научных организаций. Важные фундаментальные проблемы эффектов воздействия нейтронов на биологические объекты и широкий круг вопросов прикладного характера, составляющие одно из базовых направлений упомянутой комплексной программы, могут решаться с использованием нейтронных источников на базе ускорителя ЭГ-5, реактора ИБР-2 и нейтронной кабины фазотрона. Совещание отмечает заинтересованность его участников в дальнейшем развитии экспериментальной базы ОИЯИ (специализированного канала для облучения образцов) для проведения фундаментальных и прикладных исследований в области общей и космической радиобиологии, применения ядерно-физических методов в исследовании планет, моделирования ядерно-физических эффектов в микрочипах, поскольку в настоящее время дальнейшее развитие многих прикладных исследований и постановка ряда экспериментов сдерживается отсутствием такого канала тяжелых ионов промежуточных энергий. Совещание поддерживает инициативу дирекции ОИЯИ о создании Международного объединенного научного совета РАН по проблемам общей и космической радиобиологии, ориентированного на реализацию крупных исследовательских проектов по данной проблеме с использованием ускорителей заряженных частиц. Учитывая большой опыт организации и проведения крупных международных исследовательских проектов, имеющийся у международной межправительственной организации - Объединенного института ядерных исследований, совещание считает наиболее рациональным создание совета на базе этой организации. Совет сможет осуществлять во взаимодействии с Научным советом по радиобиологии РАН координацию радиобиологических исследований по рассматриваемой проблеме в России, в странах-участницах ОИЯИ, вовлечение в исследования других стран и будет способствовать укреплению международного сотрудничества в этой области. Академик РАН М.А.Островский
|
Е.А.Красавин представил в своем докладе
результаты многоплановых радиобиологических
исследований, которые в течение длительного времени
ведутся на ускорителях заряженных частиц ОИЯИ. С
использованием ускоренных тяжелых ионов различных
энергий решена одна из центральных задач радиобиологии -
проблема относительной биологической эффективности
излучений, выяснены механизмы мутационного процесса у
клеток про- и эукариот, выявлены характер повреждений
клеток ДНК и закономерности их репарации. Специфика
взаимодействия высокоэнергетичных тяжелых ионов с
биологическими объектами позволяет рассматривать
заряженные частицы как уникальный инструмент при
выяснении вопросов фундаментального характера и, прежде
всего, индуцированного мутагенеза. В докладе
подчеркивалась практическая важность радиобиологических
исследований с высокоэнергетичными тяжелыми ионами. Это
касается вопросов моделирования биологического действия
тяжелых ядер галактического космического излучения, что
крайне важно для успешного осуществления длительных
пилотируемых космических полетов вне магнитосферы Земли,
совершенствования методов лучевой терапии рака, решения
вопросов радиационной безопасности персонала,
работающего в смешанных полях ионизирующих излучений. В
докладе академика РАН М.А.Островского (ИБХФ РАН,
ОИЯИ) была продемонстрирована важность исследований
действия тяжелых заряженных частиц на хрусталик и
сетчатку глаза, что крайне актуально при подготовке
пилотируемых полетов к Марсу и другим планетам Солнечной
системы. 
Тематика наших исследований по "ядерной планетологии",
казалось бы, далека от темы этого совещания, - так начал
свой доклад И.Г.Митрофанов, - но в трех ключевых
направлениях мы очень близки: это ядро, космос, жизнь.
Ядерная планетология началась в 1966 году советским
проектом "Луна-10", а затем "Луна-12". Первое успешное
ядерно-физическое исследование Марса провела советская
межпланетная станция "Марс-5" в 1974 году. Задачи,
стоящие перед космическими исследователями, - это оценка
распространенности на небесном теле естественных
радиоактивных изотопов калия, тория и урана (по ним
определяется геохронология Солнечной системы); оценка
распространенности в веществе небесного тела основных
породообразующих элементов и минералов; оценка
содержания водорода и воды в веществе небесного тела.
В своем докладе профессор М.И.Панасюк рассказал о
воздействии различных частиц на электронику,
установленную на борту спутников и космических
аппаратов, и попытках моделировать эти условия. Спектр
энергий солнечных энергичных частиц составляет от единиц
до 100 МэВ/нуклон, а галактического космического
излучения (ГКИ) - до 1 ГэВ/нуклон. Сбои в электронных
чипах оборудования вызываются как прямым попаданием
частиц галактического излучения, так и вторичным
излучением нейтронов обшивки космического аппарата,
вызванным тяжелыми частицами ГКИ. Вокруг Земли
существует радиационный пояс, внутренний радиус которого
примерно равен радиусу Земли, а внешний доходит до 7
земных радиусов. Спутники, летающие на низких орбитах
(около 400 км), проходят, в основном, под радиационным
поясом. Это же относится и к МКС, которая только в одном
месте - в Южно-Атлантической области - "чиркает"
радиационный пояс. Вызывается это "провисанием" и
утончением магнитного пояса Земли в районе аномалии, в
свою очередь вызванным аномалией в земном ядре. 
