Рентгеновское излучение Ускорители элементарных частиц и ионов. Первый бетатрон для ускорения электронов Реактор БИГР Атомные батареи в космосе Атомные батареи для маяков, бакенов Космические ядерные аварии
Импульсные реакторы Излучатели нейтронов Лекции по радиобиологии Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Атомные реакторы и батареи. Радиобиология

Первый бетатрон для ускорения электронов был построен в 1940 г. Д. Керстом. Бетатрон -это индукционный ускоритель, в котором электроны удерживаются на равновесной круговой орбите растущим синхронно с увеличением энергии магнитным полем. Ускорение происходит за счёт вихревого электрического поля создаваемого переменным магнитным потоком внутри равновесной орбиты. В бетатронах энергия ускоренных электронов может достигать сотни МэВ. Дальнейший рост энергии электронов ограничивается электромагнитным излучением. Наибольшее распространение получили бетатроны на энергию 20 - 50 МэВ.

В синхротроне, созданном в 1946 г., частицы вращались по окружности, как в бетатроне, но переменное ускоряющее электрическое поле создавалось самостоятельно, что позволяло получить большие скорости частиц. В следующем ускорителе, синхроциклотроне (от греч. “син”, “хронос” и “киклос”), или фазотроне [от греч. “фаза” (phasa) - проявление, определенный момент] частицы двигались по спирали, но зато могли получать большой разгон за счет повышения частоты ускоряющего электрического поля по мере увеличения скорости частиц. Они каждый раз попадали в нужную „фазу" этого поля.

Фазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, дейтронов и др.), в котором управляющее магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.

Электроны высоких энергий получают в ускорителях двух типов -электронных синхротронах. -электронных линейных ускорителях.

В 1944-45 годах Э.М.Макмиллан и независимо от него В.И.Векслер открыли принцип автофазировки, что привело к появлению нового типа ускорителей - синхрофазотрона (от греч. «син», «хронос», «фаза», «трон»]. В этом типе ускорителя частицы вращаются по окружности, а синхронное изменение частоты электрического и магнитного полей, так сказать «в такт» с изменением скорости частиц, позволяет получить самые высокие энергии. Разработка метода сильной фокусировки позволило ликвидировать оба недостатка циклотрона и получать уникальные по своим параметрам пучки (с малыми поперечными размерами, высокой интенсивностью, большими энергиями). Первые ускорители высоких энергий были построены в Дубне (ОИЯИ), вблизи Женевы (CERN) и Брукхевене (BNL).

Синхрофазотрон – ускоритель протонов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и переменной частотой ускоряющего электрического поля. Максимальная энергия протонов 800 ГэВ.

В синхротронах ускоряемые частицы двигаются в магнитном поле по постоянному радиусу. Частота ускоряющего поля тоже постоянна. В процессе ускорения увеличивается величина магнитного поля. Энергии электронов, полученные на синхротронах, составляют десятки ГэВ и ограничиваются синхротронным излучением электронов движущихся по круговой орбите. Для того чтобы избежать потерь энергии на синхротронное излучение строят линейные ускорители электронов длиной несколько км. Ускорение частиц в таких ускорителях достигается за счет того, что движущаяся частица попадает в ускоряющий зазор в ускоряющую фазу. Движение частицы синхронизировано так, чтобы время прохождения от одного ускоряющего зазора до другого было кратно периоду ускоряющего поля. Первый синхрофазотрон был построен в 1952 г.

Лекция 5а. Теоретические представления о механизмах действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Теория мишеней. Зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы.

Количественные эксперименты в радиобиологии начали проводиться с 20 годов 20 века. Представители различных групп организмов подвергались действию рентгеновского излучения и излучению радия. Интенсивным радиобиологическим исследованиям в этот период способствовало бурное развитие ядерной физики и биологической науки. К этому времени, в физике начинается широкое использование методов дозиметрии и радиометрии, соответственно, у радиобиологов появляется возможность регламентации доз облучения. Для проведения количественных экспериментов исследователи начали использовать гомогенные растворы макромолекул, клоны генетически однородных вирусов, клеток , т.е. такие системы, в которых возможно определить реакцию единичного объекта на соответствующую дозу облучения. Очень важным для развития радиобиологической накуки явилось то, что зависимость биологического эффекта от дозы облучения исследователи начали выражать графически, в так называемых «дозовых кривых». Для построения таких графиков необходимо облучать большое количество живых объектов в определенном интервале доз, и определить число обьектов, сохранивших свои первоначальные свойства  по отношению к общему их числу до облучения. На рис.1 представлены результаты некоторых классических опытов.

Рис. 1. Зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы рентгеновского излучения

а) доля выживших особей инфузорий через два часа после облучения (Кроутер, 1926)

б) доля неинактивированных молекул рибонуклеазы после облучения (Ли, 1944)

ось.абцисс – поглощенначя доза, рад, ось оординат - выживших клеток или активных молекул, %

Как видно, при облучения рентгеновскими лучами суспензии инфузорий уже при небольших дозах ( » 0,1 – 1рад) обнаруживаются погибшие клетки. Повышение дозы приводит к увеличению количества погибших клеток. Однако, даже при высоких дозах (4 -5 рад) сохраняется отдельные живые клетки. Аналогичная закономерность выявляется и при облучении раствора фермента рибонуклеазы: при небольших дозах определенное количество молекул фермента инактивируется, в то же время, и при очень высоких дозах сохраняются некоторое количество нативных макромолекул.

Анализ «дозовых кривых», построенных на основании экспериментов с различными биологическими объектами позволяет выявить следующую закономерность: при самых малых дозах облучения обнаруживаются инактивированные молекулы, вирусы, клетки, т.е. все кривые четко экстраполируются к нулю. В то же время, и при больших дозах облучения, в дозах сотни и тысячи разпревышающих минимальные, определенное количество живых объектов сохраняют свои первоначальные свойства. По-другому, даже при очень высоких дозах облучения часть облученных  живых объектов поражается ионизирующим излучением. Обнаруженную закономерность невозможно объяснить, исходя только из биологических особенностей объектов. Так, отсутствие нижнего порога на кривой «доза-эффект» означает, что в пределах генетически однородной популяции организмов существуют особи, которые гибнут при очень малых дозах радиации. В то же время, в этой популяции, есть и особи, выживающие при действии более высоких доз. Только естественная вариабельность признака радиоустойчивости не может быть причиной обнаруженного эффекта. Также невозможно предположить, что среди молекул фермента, характеризующихся одинаковыми физико-химическими свойствами, одни молекулы инактивируются при малых дозах, а другие сохраняют ферментативную активность при действии тысячекратно превосходящих доз лишь в силу особенностей  отдельных молекул рибонуклеазы.

Объяснения этих фактов следует, видимо, искать в особенностях воздействия ионизирующих излучений на живые системы.

Бетатрон -это индукционный ускоритель, в котором электроны удерживаются на равновесной круговой орбите растущим синхронно с увеличением энергии магнитным полем. Самый большой линейный ускоритель электронов построен в Стэнфорде.

Современные ускорители - это комплексы, состоящие из нескольких ускорителей.

Реактор - устройство для осуществления управляемой  цепной ядерной реакции с целью выработки тепловой энергии.

Мощными источниками нейтронов являются импульсные реакторы, предназначенные для физических исследований свойств атомного ядра и конденсированных сред.

Такие реакторы были в свое время построены для совершенствования атомного оружия


Энергетика