Физические основы исследования радиационных воздействий плотноионизирующих частиц на Земле и в космосе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РГ6 . од

7 Ч |1.:- п /-

На правах рукописи 18-94-36

МАРЕННЫЙ Альберт Михайлович

УДК 539.12.04

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПЛОТНОИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук (научный доклад)

Дубна 1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском испытательном центре радиационной безопасности космических объектов Минздрава РФ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Третьякова С.П.

доктор физико-математических наук,

профессор Панасюк М.И.

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Попов В.Д.

Ведущая организация:

НПО "Радиевый институт им. В.Г. Хлоиина" (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится " ^" с^^ЛеЛ 1994 г. в ^¿Р час. ш заседании специализированного совета Д 047.01.05 при Лабораторш нейтронной физики им. И.М. Франка и Лаборатории ядерных реакцш им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна Московская область).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ Автореферат разослан " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Таран Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из главных и впечатляющих результатов развития науки и техники второй половины XX века является практическое проникновение человека в космическое пространство. При этом важная группа решаемых научно-технических задач была и остается связанной с обеспечением всех аспектов безопасности человека и сохранения его работоспособности во время космических полетов. Одним из главных, а для некоторых категорий полетов - основным, аспектов является проблема обеспечения радиационной безопасности.Исследования уже на первых спутниках Земли существенно расширили знания о радиационном состоянии околоземного пространства.Были открыты радиационные пояса Земли и корпускулярные излучения, сопровождающие хромо-сферные вспышки на Солнце.В связи с этим высказывалось даже мнение о непреодолимом радиационном барьере на пути человека в космос.

Тем не менее, в дальнейшем было показано, что воздействие излучений поясов и вспышек может быть существенно уменьшено за счет выбора траектории и периода полета, а также создания специальных убежищ на космическом корабле.

Изучение элементного состава и энергетических спектров заряженных частиц галактических космических лучей (ГКЛ) показало, что тяжелые ядра при межпланетных полетах обуславливают до 80% биологической дозы. Полностью оценить биологический эффект при облучении тяжелыми частицами не представлялось возможным, поскольку он зависит не только от общей суммарной дозы облучения, но и от специфического действия'высокоэнергетических плотно-ионизирующих частиц. Имеется в виду возможное локальное поражение этими частицами важных регуляторных центров, сосредоточенных в гипоталамусе, автономных нервных узлов сердца и т.д.

Оценки показали,что создание достаточной защиты космического корабля от ядер ГКЛ связано с огромными трудностями технического характера. Поэтому большое значение имеет точность расчета толщины защиты, зависящая,в свою очередь, от точности исходных данных о потоках ГКЛ и от характеристик радиационных биологических эффектов, задающих критические для расчета защиты значения допустимых доз.

Вместе с тем, степень изученности как потоков и спектров ГКЛ, так и параметров их воздействия на биологические объекты к середине 60-х годов были явно недостаточны для проведения корректных расчетов. Необходимы были углубленные экспериментальные радиацион-нофизические и радиобиологические исследования в указанных направлениях. Однако необходимые методы исследования и аппаратура в то время практически отсутствовали. Их создание являлось важной и актуальной задачей.

Цель представленной работы заключалась в создании комплекса ядерно-физических методов и аппаратуры, обеспечивающих как возможность проведения исследований воздействия тяжелых ионов на биологические и другие микрообъекты при облучении их на различных установках на Земле и космических кораблях, так и изучение потоков и спектров тяжелых ионов космических лучей в околоземном пространстве. Научная новизна работы.- В диссертации сформулирован принцип моделирования воздействия тяжелых ядер космических лучей на биологические объекты при облучении их на наземных установках, предложен и экспериментально обоснован метод формирования пучков тяжелых ионов, использующий управление режимом работы ускорителя, эффекты перезарядки и рассеяния ионов на тонкой мишени с дальнейшим сепарированием их по зарядам в магнитном поле. На основе этого метода впервые в СССР в ЛЯР ОИЯИ на базе ускорителей У-200 и У-300 создана автоматизированная установка для проведения серийных радиобиологических экспериментов на пучках ускоренных тяжелых ионов.

Разработан метод и получены результаты расчета пространственного распределения поглощенной дозы и спектров линейных потерь энергии в объекте при внешнем облучении ускоренными ионами и альфа-частицами изотопного источника.Разработан метод расчета радиального распределения поглощенной энергии в треке тяжелого иона с учетом переходного эффекта на границе двух сред (вакуум-облучаемый объект).

Разработан комплекс модифицированных методов идентификации тяжелых ядер в полимерных диэлектрических трековых детекторах для исследования спектров тяжелых ядер. Разработан и создан ряд устройств, позволяющий на основе этих методов проводить' как изучение потоков и спектров космических лучей, так и их воздействия на микрообъекты в условиях космического полета.

Предложен метод планирования, проведения, и обработки результатов космических радиобиологических экспериментов с локализацией и идентификацией частиц, воздействовавших на исследуемые объекты.

Впервые получены результаты длительных прямых мониторных измерений плотности потока тяжелых ядер галактических космических лучей, а также потоков и спектров аномального компонента космических лучей в течение полного цикла их присутствия в околоземном пространстве.

Приоритетность ряда методических и аппаратурных разработок подтверждена 8-ю авторскими свидетельствами на изобретение. Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований, методических и аппаратурных разработок, проведенных в процессе ее выполнения, позволили впервые осуществить ставшие впоследствии серийными детальные исследования потоков и спектров тяжелых ядер космических лучей на трассах полетов советских косми-

ческих кораблей, а также начать планомерное изучение качественных и количественных закономерностей действия ускоренных тяжелых ядер на космические объекты на наземных установках и непосредственно в условиях космического полета.

Результаты радиационно-физических космических исследований и данные, полученные в ходе проведения радиобиологических экспериментов на Земле и в космосе использованы при разработке ряда Государственных стандартов и других нормативных документов, предназначенных для оценки воздействия космических лучей на технические устройства, биологические и другие объекты, находящиеся в космическом пространстве. К защите представляется:

1.Принцип моделирования на Земле физических параметров воздействия тяжелых ядер космических лучей на биологические объекты.

2.Метод и комплекс аппаратуры для формирования пучков ионов с требуемыми параметрами для облучения биологических объектов, использующий управление режимом работы ускорителя, эффекты перезарядки и рассеяния тяжелых ионов на тонкой мишени с последующим сепарированием их по зарядам в магнитном поле.

3.Методы и результаты расчета пространственного распределения поглощенной дозы и спектров линейных передач энергии в биологической ткани при внешнем облучении ее ускоренными ионами и альфа-частицами изотопных источников.

4.Метод и результаты расчета радиального распределения поглощенной энергии в треке тяжелой заряженной частицы с учетом переходного эффекта на границе двух сред (вакуум-тканеэквивалентное вещество).

5.Результаты рассчетно-экспериментальных исследований регистрационных характеристик диэлектрических трековых детекторов на основе нитрата целлюлозы и полиэтилентерефталата (лавсан).

6.Комплекс методов идентификации тяжелых ядер космических лучей, алгоритмов и оборудования для обработки результатов измерений потоков и спектров тяжелых ядер в блоках диэлектрических трековых детекторов.

7.Методы фиксации интервала времени регистрации тяжелых ядер в диэлектрических трековых детекторах и принципиальные конструктивные схемы аппаратуры, созданной на основе предложенных методов.

8.Метод планирования, проведения и обработки результатов космических радиобиологических экспериментов типа "Биоблок" (радиацион-но-физическая часть).

9.Результаты исследований потоков и спектров тяжелых ядер космических лучей на околоземных орбитах космических кораблей и в верхних слоях атмосферы.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по космической биологии и медицине (Москва, 1966; Калуга, 1986); на XVIII и XIX Всесоюзных ежегодных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Рига, 1968; Ереван, 1969); Симпозиумах по космической биологии и медицине в рамках программы Интеркосмос (Варна, 1969; Будапешт, 1970); Прага, 1971; Варшава, 1972; Варна, 1975; Сухуми, 1977; Варна, 1981; Бухарест, 1982; Кечкемет, 1983; Бухарест, 1986); на 1-ом. 2-ом, 5-ом и 6-ом Всесоюзных совещаниях по микродозиметрии (Москва, 1970; Москва, 1973; Усть-Нарва, 1986; Канев,

1989); на Всесоюзном совещании по вопросам биологического действия ядерных излучений высоких энергий (Пущино, 1973); Всесоюзном совещании по радиобиологическим экспериментам в космосе (Пущино, 1975); Всесоюзном совещании по биологическому действию радиации и невесомости (Пущино, 1980); Всесоюзном совещании по вопросам биологического действия и дозиметрии тяжелых заряженных частиц и ад-ронов высоких энергий (Пущино, 1982); Всесоюзных конференциях по космическим лучам (Якутск, 1984; Самарканд, 1986; Алма-Ата, 1989); 7-ом Европейском симпозиуме по космическим лучам (Ленинград, 1980); на Международных конференциях по космическим лучам (Москва, 1987; Канберра, 1989); Международных конференциях по ядерной фотографии и твердотельным трековым детекторам (Барселона, 1970; Бухарест, 1972; Лион, 1979; Бристоль, 1981; Рим, 1985; Марбург.

1990); 1-3 Всесоюзных школах-семинарах по авторадиографии и твердотельным трековым детекторам (Одесса, 1987, 1989, 1991); Всесоюзном совещании по математическим моделям космоса (Москва, 1988); Международных совещаниях по твердательным трековым детекторам и их применению (Дубна, 1990, 1992); симпозиуме "Космонавтика и экология: концепции и технические решения (Туапсе, 1990); 2-ой рабочей группе по микрогравитационным исследованиям (Оттава, 1990); 20-23 Международных симпозиумах по физике радиационной защиты (Дрезден, 1987, 1988, 1989, 1990); научных семинарах ИМБП, НИИЦ РБ КО, ОИЯИ, МИФИ, НИИЯФ МГУ, ИБФ (Пущино), ФИАН, ИЯИ (Дебрецен), Лаборатории космических лучей (Бухарест), Института радиационной дозиметрии (Прага), советско-французской и советско-американской рабочих групп по космической биологии и медицине (1966-1992 г.г.) Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 монографии, более 60 работ в отечественных и международных журналах, получено 8 авторских свидетельств на изобретения.

Диссертационная работа включает исследования, выполненные в период с 1965 по 1992 г. Она состоит из 5 глав.

ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

НА МИКРООБЪЕКТЫ

К началу наших работ в середине 60-х годов было известно/1'/,что потоки ГКЛ содержат тяжелые ядра вплоть до железа.их энергетический спектр простирается вплоть до 1013 МэВ/нуклон с максимумом в районе 102 - 103 МэВ/нуклон. По отношению к общему потоку ГКЛ (2-5-5 см2с"1 ) доля ядер (г>3) составляет 1-2%, причем по группам они распределяются следующим образом: р(г=1); Не(г=2); Ь(3<г<5); М(6<г<9); щгмо); УН(г>20) = 85.2 : 13.2 : 0.2 : 1.0 : 0.3 : 1.0.

Общая мощность дозы от космических лучей в околоземном пространстве (в зависимости от параметров орбиты) находится в интервале 1-20 мрад/сутки,а в межпланетном - 60 и 30 мрад/сутки в период минимума и максимума солнечной активности соответственно.Расчет,основанный на данных об энергетических спектрах, показал,что спектр ЛПЭ тяжелых ядер ГКЛ лежит в пределах (3+5)-104 МэВ-см2/г. Если же ограничиться реально действующим участком энергетического спектра ядер с Е > 100 МэВ/нуклон, то интервал действующих значений ЛПЭ уже - 10г -Ю4 МэВ-смг/г.

Моделирование радиационных воздействий космических лучей предполагает воспроизведение условий и характеристик радиационного воздействия, имеющего место в космическом полете. При этом должны быть воспроизведены основные физические параметры, которые определяют биологический эффект от воздействия радиации и могут быть названы параметрами радиационного моделирования. Такими параметрами являются: 1)поглощенная доза; 2)временное распределение поглощенной дозы; 3) пространственное распределение поглощенной дозы; 4)линейная передача энергии; 5)радиальное распределение поглощенной энергии в треке тяжелой заряженной частицы.

При моделировании радиационного воздействия тяжелых ядер космических лучей необходимо формировать пучки частиц с указанными выше параметрами. Для осуществления такого типа работ в середине 60-х годов имелись две возможности: использование ускорителя У-300 (ЛЯР или изотопных альфа-источников.

Ускоритель многозарядных ионов в большей степени соответствует поставленной задаче (табл.1), позволяя воспроизвести радиационное воздействие по параметру энергии вплоть до 10 МэВ/нуклон и, главное, по диапазону возможных значений ЛПЭ:200+20000 МэВ-см2/г /2'/.

Необходимо, однако, отметить, что циклотрон У-300 был разработан и создан главным образом для использования в ядернофизичес-ких экспериментах, где требуются пучки ионов большой интенсивности и плотности. Эксперименты же с использованием радиочувствительных биообъектов требуют, чтобы средняя мощность поглощенной дозы лежа-

ла в интервале не выше 0.1-103рад/с. Например, для ионов Ые+4 с ЛПЭ ~ 6-103МэВ/{г/см2) плотность потока ионов равна 103см2 с"1 при мощности дозы 0.1 рад/с. Если площадь поля облучения 10 смг, то этому потоку соответствует ток 6-10"эмкА. Отсюда видна необходимость уменьшения плотности потока выведенного пучка примерно в 10 раз при сохранении его стабильности. С учетом других ионов необходима кратность снижения составляет 109-Ю10 раз.

Таблица 1. Характеристики пучков ионов, ускоренных на циклотроне У-300

Ионы к/г Ток выведенного пучка, мкА Энергия выведенных ионов, МэВ/нуклон Интервал значений ЛПЭ, МэВ/(г/см )

Г3 4.67 15 - 20 11.45 0.19 • 104 *0.11-105

В+г,Г3,Не+4,Аг+8 5.00 15 - 20 • 10.0 0.11-104-0.37-105

0*з 5.33 20 - 30 8.75 0. 31 • 104-0. 13-ю5

В+г, Ие+4 5.50 25 - 35 8.25 0.13'104-0. 19-Ю5

Аг+7 5.71 1..5 - 2.5 7.86 0.18-105-0. 37 ■ 105

С+г, 0+3 6.00 40 - 80 6.95 0.21-104-0.15-105

Г3, Аг+6 6.66 15 - 50 5.62 0.70-104-0.37-105

Изотопные альфа-источники позволяют облучать объекты как при большой, так и при сколь угодно малой мощности и нет ограничений по длительности облучения. Однако они позволяют моделировать радиационное воздействие лишь в узком диапазоне значений ЛПЭ (от 700 до 1200 МэВ-см2/г)и энергии (не выше~1.5 МэВ/нуклон).Изотопные альфаисточники применялись в радиобиологических экспериментах с начала 20-х годов.Но при этом одни параметры (спектры ЛПЭ,пространственное распределение поглощенной дозы в объекте облучения)вообще не определяли, а другие (средние значения'энергии,. ЛПЭ и поглощенной дозы)измеряли или рассчитывали с недостаточной точностью.

Для анализа возможностей моделирования воздействия тяжелых ядер космических лучей с помощью наземных облучательских установок,а также для проведения всех последующих методических разработок необходимы были значения пробегов и показатели энерговыделения тяжелых ядер в различных средах в широком диапазоне их энергий и зарядов. В середине 60-х годов имелось несколько работ, в которых были представлены данные такого типа для некоторых тормозных сред, од-

нако они носили фрагментарный характер и приводились либо в графическом виде с недостаточной точностью, либо относились к ограниченному диапазону энергии и зарядов тяжелых ядер. В связи с этим нами была составлена программа и проведены расчеты на ЭВМ значений полных и ограниченных линейных передач энергии, пробегов и зависимости полной линейной передачи энергии от остаточного пробега для тяжелых ядер с зарядом 1<г<32 в диапазоне энергий от 10"1 до З-Ю3 МэВ/нуклон в воздухе, биологической ткани и ряде конструкционных материалов. Позднее по этой же программе были проведены аналогичные расчеты для материалов, используемых в качестве диэлектрических трековых детекторов /1/. Полные и ограниченные ионизационные передачи энергии для простых веществ вычислены по формуле Бе-те-Блоха с учетом эффективного заряда, оболочечной поправки и поправки на эффект плотности. В расчетах для сложных веществ в качестве эффективного ионизационного потенциала и заряда среды использовались их средневзвешенные значения. Результаты расчетов табулированы, причем разбиение по энергии позволяет проводить линейную интерполяцию с точностью 1-2%. Среднеквадратичная погрешность данных в области энергий ниже 22 МэВ/нуклон нигде не превышает 5%, а при более высоких энергиях - менее 1%. Расчетная программа и табулированные результаты расчетов были переданы для использования в ряде организаций (НИИЯФ МГУ, ОИЯИ,ЕрФИ.ФИАН и т.д.).

При оценке радиационных эффектов, вызываемых тяжелыми ядрами, в ряде случаев (биологические эффекты, сбои микроэлектронных устройств, отклик детекторов и т.д.) необходимо учитывать не только ЛПЭ частицы вещества,но и микроструктуру трека.Это обусловлено тем что в процессе ионизации в "сердцевине"трека образуются электроны, обладающие энергией,достаточной для ионизации и возбуждения атомов вещества на значительных расстояниях от траектории ядра(6-электро-ны).Эти электроны обуславливают радиальное распределение поглощенной энергии (РРПЭ)в треке частицы.По оценкам ряда авторов,начиная с /3'/, доля энергии, рассеиваемой 5-электронами, составляет 0.3-0.6 общей энергии, потерянной исходной частицей. Наиболее полные расчеты, результаты которых'были опубликованы в 196? г. /4'/, охватывали диапазоны энергий ядер от 0. 05 до 120 МэВ/нуклон Однако основное предположение, из которого исходили авторы при выводе рассчетных формул, а именно, что б-электроны вылетают под прямым углом к траектории, снижало ценность полученных данных по мере увеличения энергии ядра. В связи с этим нами была предложена модифицированная модель для расчета РРПЭ /2/, в которой принималось, что минимальная энергия 5-электронов равна М = 200 эВ, угловое распределение их = выражается формулой Резерфорда, пробег электронов прямолинеен и равен глубине проникновения, электрон ос-

тавляет в сердцевине трека энергию, равную энергии на образование пары ионов. Трек состоит из двух аксиальных областей - сердцевины, радиус которой 2.5 нм, определяется пробегом электрона с энергией 200 эВ, и периферической зоны ("шубы"), энерговыделение в которой целиком определяется б-электронами. вылетевшими из сердцевины.

Uflt а3

и' ю1 ta' W 11' tullí' а' и' ю' ю' t¡f

н 1

1

h s»'1

-t - ■Vffl"

А

/

I К

У - V

Г

¿s

1 V s

4 тг l—tí' s'

.II I I J

о' и* т*

ю' юг

Е, MjB/нуклом

Рис. 1.Зависимость энерговыделения протонов различной энергии в биологической ткани Ор(г) от радиального удаления г от траектории.

Рис.2.Зависимость эффективного радиуса трека гэф от энергии протона Е для различных значений удельной поглощенной энергии Бэф в биологической ткани

На рис.1 показано РРПЭ (в единицах дозы) для протонов с энергией от 1 до 500 МэВ в биологической ткани. В работе /3/ получена аппроксимация для протонов и многозарядных ионов в виде

ti 1 " &

5-10 11 - L(Е)Z

Dz(r.E ) ={

э ф'

g.104E-l.O6r-1.96z

г

э ф

о < г < г

о

Г„ < Г < Г

(1)

где Dz(r,Е)- доза на расстоянии г от оси трека иона с зарядом Z3¡¡) и энергией Е,Гр; доля L(E) иона,реализуемая ó-электронами с энергией более WQ; L(E)- полные ЛПЭ протона с энергией Е,МэВ-смг/г; г - радиус сердцевины трека,нм; гмакс= 40-Е11 "-максимальный радиус трека протона с энергией Е,нм. Погрешность аппроксимации не хуже 3% при Е > 1 МэВ/нуклон и 5 нм < г < 0.9 гмакс-Известно,что некоторые эффекты воздействия радиации имеют пороговый характер,т.е.инициация их возможна лишь в том случае, когда в пределах данного объема или структуры производится не менее определенного количества ионизации.В треках частиц,имеющих одинаковую

энергию на нуклон, но различные Ъ

чество энергии Б выделяется на расстояниях от оси трека некоторого г = г Л(1 ,,Е,Б .). На

г эф эф эф эф

гэф(Е) для протона при различных Оэф. получена в следующем виде:

необходимое для этого коли-меньших рис.2 показана зависимость Аппроксимация зависимости

40-Е1 •75 -'эф I 2.8-Ю30"0-5гЕ"°-®гг1-04,

эф эф

Е < Е ,

0 (2) Е » Е0.

где Е - энергия (МэВ/нуклон), выражаемая соотношением:

Е = 5.5-10"3(В^ /г

70 . 2 3

(3)

О эф эф

При переходе частицы из одной среды в другую спектр б-электронов не успевает установиться в непосредственной близости от границы сред, и отличие его от равновесного спектра тем значительнее, чем более отличны плотности двух сред. Под равновесным здесь понимается спектр б-электронов, устанавливающийся при прохождении иона с той же энергией, что и при пересечении границы сред, однако на расстоянии от границы, превышающем пробег наиболее энергетичных 5-электронов. В работе /4/ показано, что этот эффект может быть количественно описан коэффициентом

У = £ ( 1

1п 0.11-Е0'44 Х°'7£

1п 16Е

1.75

(4)

где- X - расстояние от границы сред. Значение У и есть относительное уменьшение переданной второй среде энергии, обусловленное границей менее и более плотной сред.На рис.3 представлены кривые, иллюстрирующие граничный эффект для случая пересечения границы вакуум-биологическая ткань частицами с энергией от 5 до 500 МэВ/нукл.

Рис.3.. Зависимость коэффяготента относительного уменьшения перелаяно» онологическо» ткани анергии воляэя границы вахуум-ткаиь У от уд&леиня от границы I в глуАь ткани для протонов различной анергии.

Видно,что в непосредственной близости от границы (X ,,= 2.5 нм)

МИН

значение переданной элементарному слою вещества dx энергии меньше, чем переданная энергия, рассчитанная по L, на 31-37% для частиц различных энергий. Эта разность на заданной глубине X по мере проникновения в вещество уменьшается. Например, для частиц с энергией 10 МэВ/нуклон на глубине 102 нм эта разность составляет 17%, на глубине 103 нм - 7% и практически исчезает на глубине около З-Ю3 нм, т. е. для данной частицы влияние границы становится несущественным при удалении от нее на расстояние более З-Ю3 нм. Это означает, например, что при облучении ДНК, вирусов, фагов толщиной 10-1О2нм протонами с энергией 10 МэВ в вакууме без радиатора среднее по слою уменьшение поглощенной дозы может достигать 20-30%, а для клеток толщиной 5-Ю3 нм - 5%.' Естественно, в случае перехода границы двух сред с плотностями 0 и р2* 0 ее влияние меньше, чем в описанном случае. До сих пор мы рассматривали распределение поглощенной энергии в сечении трека, т.е.при фиксированной энергии иона. Однако по мере прохождения иона в среде его энергия уменьшается. Очевидно, при этом уменьшается г и значения D (г). Соот-

М & К С Z

ношения (1),(2)и (3) позволяют рассчитать РРПЭ для последовательных значений Е. Вместе с тем в этих соотношениях удобно представить энергию в виде функции пробега частицы X. Обычно это степенная зависимость вида Е = аХч, где а и q - эмпирические коэффициенты, определяемые параметрами среды и частицы. После такой подстановки указанные соотношения дают пространственное распределение поглощенной энергии (ПРПЭ) на значительной части траектории частицы.

Результаты, представленные в этой главе, позволяют сделать несколько важных'выводов относительно возможностей и ограничений моделирования параметров космического излучения, приведенных выше. Если исходить из характеристики имевшихся ускорителей, то очевидно, что воспроизведение энергетического спектра и всего зарядового состава тяжелых ядер космических лучей было невозможно. Трудной технической задачей являлось формирование пучков ионов, обеспечивающих необходимые или достаточно близкие к ним значения поглощенных доз в тонких биообъектах! Практически неосуществимой, хотя в принципе возможной, была задача моделирования временного и пространственного распределения поглощенной дозы, так как это потребовало бы облучения биообъектов в "реальном" масштабе времени, т.е. в течение недель и месяцев. Физические параметры (энергия, заряд) ускоряемых ионов позволяли получить пучки ионов, линейные передача энергии которых полностью перекрывают диапазон возможных значение ЛПЭ тяжелых ядер космического излучения. Расчеты, связанные с РРК показали, что общий характер изменения плотности поглощенной энергии D(r.E) при удалении вплоть до гмакс от его траектории не зависит от энергии и заряда иона (с точностью до характера измененш

Z). В то же время абсолютные значения плотности поглощенной энергии с учетом того, что на ускорителе возможно получение ионов с энергией не выше 10 МэВ/нуклон, могут быть воспроизведены лишь в ограниченных интервалах г и энергий "космических" ядер. Например, РРПЭ практически совпадают для ионов 12 С с энергией 10 МэВ/нуклон и 56Fe с энергией 150 МэВ/нуклон при значениях г вплоть до 230 нм (максимальный радиус трека 12С с Е = 10 МэВ/нуклон). Для этой пары примерно равны и значения ЛПЭ. При более высоких энергиях ионов 56Fe значения D(r,E) при тех же значениях г уменьшаются и отношение плотностей поглощенной энергии в приведенном примере составляет 3.5 и 7.0 для иона 56Fe с энергией 500 и 1000 МэВ/нуклон. соответственно. Если вместо ионов 56Fe рассматривать ионы с меньшим зарядом или вместо ионов 12С - с большим зарядом, то точки "тождественности" РРПЭ сместятся в область меньших значений энергии ионов космических лучей.

Зарядовый спектр получаемых на ускорителе У-300 ионов (см.табл1) лежит в интервале Z = +2 * +8,а для наиболее распространенных ядер космического излучения - Z = 6-26.Из рис.2 следует,что этим областям Z соответствуют-интервалы перекрываемых значений Пзф: 4-10"3 6.4-104 Гр - для ускоренных ионов и 3.6-10"8- 6.8-103 Гр- для "космических" ионов. Сопоставление показывает, что часть интервала (с высокими значениями Бэф) может быть моделирована в экспериментах на пучках ускоренных ионов,правда, при различных значениях гмакс" в каждом конкретном случае это может быть реализовано соответствующим выбором ускоряемого иона и его энергии.

Итак, основным параметром потоков тяжелых ядер космических лучей, моделирование которого возможно во всем диапазоне значений, представляющих интерес, является линейная передача энергии. Предельная энергия ионов (10 МэВ/нуклон), получаемых на имеющихся и доступных для радиобиологических исследований ускорителях, ограничивает толщину исследуемых биологических объектов значением 200-300 мкм. Это приводит к тому, что эксперименты могут проводиться преимущественно с модельными объектами (споры, бактерии,клетки тканей, некоторые семена и т.д.),и в исключительных случаях- на тканях и органах сложных организмов in vivo(роговица глаза, кожа и т.д.).

Другие параметры космических лучей - энергия ионов, поглощенная доза, мощность дозы, РРПЭ - могут моделироваться лишь в ограниченных интервалах возможных значений.

Тем не менее, развитие методов проведения радиобиологических исследований на ускорителях многозарядных ионов и изотопных источниках, включая моделирование биологического действия тяжелых ионов космических лучей, позволило уже во второй половине 60-х годов приступить к проведению серийных, воспроизводимых и статистически

обеспеченных экспериментов по действию плотноионизирующих излучений. В результате был получен ряд новых данных как фундаментального, так и прикладного характера, что в свою очередь, привело к развитию общей и космической радиобиологии /5/.

Вместе с тем материалы данной главы показывают, что, наряду с направлением моделирования, необходимо было развивать и методы проведения радиобиологических исследований по действию космических лучей непосредственно в условиях космического полета, т.к. только они позволяют изучить комплексное воздействие всех факторов полета

ГЛАВА II. ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ ОБЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСКОРИТЕЛЯХ И ИЗОТОПНЫХ АЛЬФА-ИСТОЧНИКАХ

Ко времени начала этих работ отечественный опыт использования ускорителя тяжелых ионов для интересующих нас целей отсутствовал, а опыт проведения радиобиологических экспериментов на ускорителях США и Англии мог быть использован лишь в малой степени из-за иной конструкции ускорителей (линейные ускорители), другой компоновки трактов пучков, их параметров и наборов ионов.

В литературе отсутствовали детальные данные по пространственному распределению поглощенной дозы и спектрам ЛПЭ ускоренных ионов в облучаемых объектах, необходимые для правильного понимания процессов радиационного поражения. Поэтому необходимо было разработать методы формирования поля облучения, изучить пространственное распределение поглощенной дозы и спектров ЛПЭ на пучках ускорителя.

При облучении биологических объектов величины поглощенной дозы и ЛПЭ необходимо знать с точностью, которая создает минимальную неопределенность в интерпретации конечного биологического эффекта. В этом случае получаемая информация будет иметь максимальную ценность для проверки рабочих гипотез, связывающих параметры радиационного воздействия с наблюдаемым биологическим эффектом. В значительной степени это относится и к изотопным альфа-источникам.

Таким образом, для обоснования и создания физических условий облучения биологических объектов ускоренными многозарядными ионами и альфа-частицами изотопных источников необходимо было решить' следующие задачи:

- определить расчетным путем основные характеристики дозных полей и пространственное распределение поглощенных доз в облучаемом объекте;

- экспериментально исследовать характеристики дозных полей и по-

ля поглощенных доз на ускорителе У-300 ЛЯР ОИЯИ и изотопных альфа-источниках;

- разработать систему формирования пучков тяжелых ионов, их дозиметрии и мониторирования и создать комплекс аппаратуры и устройств для проведения радиобиологических исследований.

Основные материалы, касающиеся проблем, освещенных в этой главе, представлены в публикациях /6-12/.

2.1. Определение характеристик дозных полей для облучения биологических объектов на ускорителе У - 300

Первым этапом работ при создании физических условий облучения биологических объектов заряженными частицами на ускорителе У-300 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ являлось исследование возможности формирования равномерного поля излучения заданной интенсивности с минимальной примесью вторичного излучения. Для размещения экспериментальной установки был выделен ионопроводМ 11, схема транспортировки пучков ионов представлена на рис.4.

'РисА.. Схема размещения экспериментальной установки на ускорительном тракте: 1-ускоритель; 2,9,11-ионопровод; 3,8,12-электромагнитные линзы; 4.6,7ЛЗ-переме-щаемые коллекторы тока; бИО-злектромаг-ниты; Т4.75-измерительная установка.

°Z-9 \

-

/ z-S ^

H0'9oeo

z*7

. Vi .

1,010 1,001 узоо а,т о,т ьопряыни* магнитного паля, итед.

Рис.5. Зависииость тока аоноа, прошедших через алюииниевуп фomfry толщиной 10 ики и разделенных по заряд? иагвитяым '

кого поли, обеспечивавшая ыак-с.'.иэлькыЯ ток ионов с данный)

Расчеты показали, что для проведения на У-300 радиобиологических экспериментов с минимальной мощностью дозы 0.1 рад/с необходимо уменьшение плотности потока ионов, падающих на биообъект, в 109--Ю10 раз. Из апробированных методов для этого можно было использовать изменение режима работы ионного источника, изменение напряженности магнитного поля и амплитуды ускоряющего напряжениия на дуантах циклотрона, изменение режима работы квадрупольных линз ио-

нопровода, рассеяние ионов на тонких фольгах.

Использование метода рассеяния первичного пучка на наклонно-расположенной фольге с облучением биологических объектов в поле рассеянных частиц позволяет снизить плотность потока вплоть до 106 раз, но в этом случае распределение потока по площади облучаемого объекта становится неоднородным (коэффициент неравномерности составляет 1.5-2.0) и вклад вторичного излучения в поглощенную дозу достигает 20% /6/.

Изменение режима работы стандартного источника многозарядных ионов (без модификации его конструкции) позволяло снизить величину тока не более, чем в 102 раз /2'/. Снижение тока за счет изменения магнитного поля и ускоряющего напряжения нежелательно вследствие разогрева дуантов и нарушения монохроматичности пучка ионов. Уши-рение пучка квадрупольными линзами также нежелательно из-за резкого возрастания вклада вторичного излучения. Таким образом, получение стабильного пучка ускоренных ионов низкой интенсивности невозможно при использовании только методов, связанных с изменением ре-, жима работы ускорителя и тракта транспортировки пучка.

Поэтому в качестве основного метода снижения интенсивности пучка был предложен и впоследствии использовался постоянно метод сепарации ионов по зарядам с помощью магнитного поля после прохождения пучка ионов через тонкие мишени (метод "перезарядки") /7/.Результаты одного из экспериментов с ионами 2^е, показаны на рис.5. Пучок ионов пропускался через алюминиевую фольгу толщиной 10 мкм, укрепленную в шибере (6), и отклонялся в ионопровод с помощью магнита (10). Измерение тока ионов производилось с помощью монитора, размещенного в конце ионопровода. По мере увеличения напряженности магнитного поля поворотного магнита в ионопровод попадали только полностью ободранные ядра 22Ме+1°, затем 22Ме+9 и т.д. Из представленных на рис. 5 результатов видно, что переход от 22Не+10 к 22Не+6 сопровождается уменьшением тока ионов в Ю5 раз.

В сочетании с дефокусировкой электромагнитными линзами, расположенными на тракте вывода пучка, и частичным изменением ускоряющего напряжения, метод "перезарядки" позволил' получить стабильные низкоинтенсивны 1 (10~Э-Ю"10 от максимального) пучки ионов. В целом для различных ионов это соотношение составило 10~8 - 10"11, что эквивалентно мощности дозы ~ 0.1 рад/с.

Расчетное и экспериментальное исследование поля поглощенных доз в объекте,облучаемом заряженными частицами,проводилось для случая мононаправленного пучка ускоренных ионов с энергетическим спектром, близким к нормальному распределению. Расчет поля поглощенных доз от пучка ускоренных ионов ввиду его малой расходимости (-10"2 рад) и малого среднеквадратичного угла рассеяния в ткани сводится

к расчету глубинного распределения дозы, определяемого страгглин-гом длин пробегов и энергетическим распределением падающих ионов. Показано.что даже при ДЕ/Е=1% глубинное распределение дозы определяет не страгглинг длин пробегов,а энергетический спектр падающих ионов и зависимость ЛПЭ иона от его энергии. Для ионов с большим массовым числом и ядерным зарядом зависимость энергетического спектра от страгглинга длин пробегов уменьшается. Относительная дисперсия ЛПЭ, рассчитанная по энергетическим спектрам на глубине й не будет превышать 6% вплоть до значений остаточного пробега~1 мг/смг для всех ионов.Расчет вклада вторичного излучения, состоящего из заряженных частиц и нейтронов,в поглощенную дозу показал, что он не выше 2%.

Таблица 2. Значения Ку.ЛЬ и ЛЕ для различных диаметров поля излучения при энергии Е0 падающих ионов 2.5, 5.0 и 10.0 МэВ/нуклон

Е0- МэВ/нуклон Параметр Ион

10в гот 40Аг

2.5 К при <1=0.5 см у =1.0 сш =2. 0 ст Ь, МэВ-см /г Е, МэВ/нуклон 1. 10 1. 11 1. 15 3310-3810 2.50-2.15 1. 12 1. 13 1. 17 9800-12800 2.50-1.95 1. И 1. 12 1. 16 24000-27000 2.50-1.85

5.0 К, при (1=0.5 см у =1.0 сш =2.0 ст Ь, МэВ-см2/г Е, МэВ/нуклон 1.06 1.07 1. И 2000-2140 5.00-4.80 1. 11 1. 12 1. 15 7070-7970 5.00-4.60 1.08 1. 09 1. 13 17200-18200 5.00-4.50

10. 0 К при 6=0.5 см у =1.0 ст =2.0 ст Ь, МэВ-см /г Е, МэВ/нуклон 1. 04 1.05 1.09 1130-1150 10.00-9.90 1.06 1. 07 1.11 4400-4560 10.00-9. 75 1. 06 1.07 1. И 11600-11800 10.00-9.60

Корректная интерпретация биологического эффекта при облучении объектов, размеры которых сравнимы с пробегом частиц, зависит от метода усреднения величин ЛПЭ и поглощенной дозы по всей толщине облучаемого объекта.При заданной толщине объекта удобно характеризовать распределение дозы отношением максимального значения дозы к

среднему по объему (коэффициент объемной неравномерности дозы К ), а для ЛПЭ-указывать значение на входе и выходе из объекта.В табл.2 представлены значения коэффициентов Ку при диаметре поля облучения 6=0.5, 1.0 и 2.0 см, значения ЛПЭ и энергии ионов 10В,2<^е и 40Аг на входе и выходе из биообъекта толщиной 10 мкм. Эта толщина наиболее типична для проводимых экспериментов на монослоях клеток.Из табл.видно,что при заданной толщине объекта можно подобрать диаметр поля облучения таким образом.что объемная неравномерность дозы не будет превышать 10-15% для пучков частиц с энергией 5-10 МэВ/нуклон,либо.для сохранения постоянного значения Ку,диаметр поля облучения должен уменьшаться при снижении энергии ионов.

Измерены спектры ионов 1гС с начальной энергией, равной 6.2 МэВ/нуклон, за поглотителями различной толщины при начальной ширине энергетического спектра 1.0% в зависимости от увеличения глубины проникновения ионного пучка в облучаемый объект до 15 мг/см2. Ширина спектра,связанная с разбросом величин пробегов, увеличивается до 20%, но относительная дисперсия ЛПЭ при этом остается не хуже 5%.Для более тяжелых ионов эти величины будут еще меньше.

Итак,циклотрон У-300 позволяет проводить радиобиологические эксперименты, используя пучки ускоренных ионов с ЛПЭ от 103до 2.5-104 МэВ-см2/г.Относительное изменение ЛПЭ по толщине объекта составляет от 30% до 1%,а значение Ку изменяется от 1.25 до 1.04 при изменении энергии ионов от 2.5 до 10.0 МэВ/нуклон. Влияние вариации этих факторов на наблюдаемый биологический эффект должно приниматься во внимание при интерпретации результатов, с учетом радиочувствительности объекта и зависимости исследуемого эффекта от ЛПЭ.

2.2. Исследование характеристик дозных полей при облучении изотопными альфа-источниками

При использовании изотопных альфа-облучателей в качестве источников излучений с высокой плотностью ионизации необходимо иметь информацию о распределении поглощенной дозы по толщине объекта, о распределении ЛПЭ альфа-частиц, а также о зависимости дисперсии ЛПЭ от размеров поля облучения объекта и его расстояния от излучателя.

Поэтому были рассчитаны значения поглощенной дозы,ЛПЭ и величины их дисперсий в каждой точке биообъекта в зависимости от расстония между альфа-источником и биообъектом,размеров источника и ширины энергетического спектра излучаемых альфа-частиц с последующей экспериментальной проверкой отдельных значений расчетных величин.

Расчет проводился геометрии,показанной на рис.6.По площади источника равномерно распределен альфа-радиоактивный препарат с удельной активностью А.Предполагалось, что источник тонкий.т.е.

-18-

можно пренебречь самопоглощанием частиц в источнике, и распределение испускаемых альфа-частиц считать изотропным.

г R»tf

Рис. 6. Схема к расчету поглощенной дозы г объекте от изотопного алы]а-источника.

В этом случае плотность потока в точке М с полярными координатами г и равна:

N(r,h)

тс R А fHCTRdR dip

2rt

Q (R,i|) )

(5)

о о

где Qz(R,i|)) = R2 + (Н + с + h)2 + г2 - 2Rr-cosi|).

Выражение для мощности поглощенной дозы Р в элементарном объеме в точке M(r,h) от источника с полушириной энергетического распределения Д„:

Е

0.075А

Е +2. 55Д„ Ж

р<А

| dE cU|) J L(R.ч|),E, h, r)

EQ-2.55AE 0

■ exp

0.693(E-Eo)

RdR

Q2 (R. -ф)

R

где L(R,i|>.H.h,г)-ЛПЭ с учетом потерь энергии вдоль траектории.

Доза D в точке M(r,h) с учетом того, что Т >>t равна D=Pt.

Расчет значений N(r,h) и Р(г,h) производился численными методами. В качестве промежуточных данных были получены энергия и ЛПЭ частиц,пришедших из точки М'(R,j)источника в точку М(г,h)объекта.

По известному спектру ЛПЭ определялись средние значения ЛПЭ и дисперсия спектра б :

L(r,h,H) =

R л Е„

ист г

| L(E,R,i|) ,r,h) -Ф(Е,R,i|j) dR di|> dE 0 0 E.

R Ж E„

ист 2

. (7)

| J | Ф(Е, R,o(j) dR dijj

dE

О 0 E.

R 71 E

ист Z

j || [L(E, R, 1)), r, h)-L(r, h, H)]z -Ф(Е, R, ty) dR di|) dE

Л_OE,

R ж E„

ист 2

(8)

Ф(Е, R, ift) dR dij) dE

О О Е4

где Е1 = Е0-2.55АЕ, Ег= Е0+ 2. 55ДЕ, Ф(Е.И,\р) = W(E)R/a2 (Е, \|)) И Ш(Е)= ехр[-0.693(Е-Е )2/Дь2]- энергетический спектр альфа-частиц.

Значения относительной дисперсии О , Кг-коэффициента неравномерности распределения плотности потока альфа-частиц по полю облучения радиусом г , среднего значения поглощенной дозы Б в объекте и коэффициента неравномерности распределения поглощенной дозы по объему объекта Ку были рассчитаны в соответствии с соотношениями:

\ ' ,бЬ ' L'

(9)

К = N (Н.Г=0)7ГГ* /

г макс о

Ы(г,Н)2л:г йг ,

(Ю)

ей

0(Г,ЮГ (Зг

Б =

(11)

где ¡1

макс

значения.

0(11 . г=0)

макс_1

(12)

О

- глубина, на которой доза достигает максимального

Для изучения зависимости плотности потока N и коэффициента неравномерности К. от условий облучения были проведены вариантные расчеты для источника 24'Аш. Получено,что наилучшие условия для облучения обеспечиваются при значениях параметров Н = 0.5-1.5 см и К = 0.5-1.0 см.

ист

Таблица 3. Экспериментальные и источника (I? =5

7 ИСТ .

А = 0. 3-107 см 2 С 1,

рассчетные характеристики альфа-мм, Еа= 5.48 МэВ, ДЕ= 0.01 МэВ, Ь = 1.0 мг/см2)

н. мм г. мм Р, рад/с Ь/р0 МэВ-см2/г V %

расч. экспер. расч. экспер. расч. экспер.

10 0 3 5 3.3 3.2 2. 9 3.0 3. 0 2.7 1180 1190 1250 1150 1170 1160 1.7 3.9 6.2 [ rott.ro ООО

15 0 3 5 1.8 1.9 1.7 1. 7 1. 7 1.7 1370 1390 1430 1280 1300 1330 1.6 3.2 5.2 1.7 3.5 7.0

Измерения мощности поглощенной дозы,энергетических спектров и профиля поля облучения были проведены при фиксированных значениях

Н, г и Ь.При этом, также как и в расчетах.в качестве ткане-эквива-лентной среды использовали лавсан. Результата™ по мощности поглощенной дозы Р.средним значениям ЛПЭ и относительной дисперсии спектра ЛПЭ частиц представлены в табл.3.

На рис. 7 показаны типичные энергетические спектры альфа-частиц при толщине поглощающего слоя лавсана О и 1.0 мг/смг для фиксированных значений г и Н.Из рисунка видно.что дисперсия Д^ выше при больших г и Ь.Увеличение Н приводит к уменьшению дисперсии.

Рис. 7. Энергетические«спектры альфа-частиц за слоен лавсана О и 1,0 мг/см2 при различные расстояниях до центра облучаемого объекта. Рис. в * Зависимость ЛЛЗ альфа-частиц от глубины проникновения в ткань К при различных расстояниях Н до источника радиусом 0,6 см /г41Ам/ с энергетическим уширением^£= 0.1 МэВ и при различи их расстояниях от центра облучаемого объекта Г : Пунктирные линии - Г =0,5 см, сплошные линии - Л « О см. Ширина полосы по вертикали равна двум среднеквадратичным отклонениям ЛПЭ от среднего значения.

и /и 'V .

Гл7£ка тми а, ты

Таблица 4. Плотность потока альфа-частиц (10~5N. см~2с_1) при различных расстояниях от центра поля излучения г и расстояниях до источника Н (И = 5 мм, А = 0.25-107см"2с"1)

ист

Н, мм г, мм

0 3 5

расч. экспер. расч. экспер. расч. экспер.

8 2.60 2.7±0.1 2.26 2.3+0.1 2.05 2.2+0.1

10 1.94 2.0+0.1 1.72 1.9+0.1 1.66 1.7+0.1

15 0.87 1.0+0.1 0.79 0.9+0.1 0.74 0.8+0.1

Результаты расчета и измерений плотности потока альфа-частиц в плоскости биообъекта приведены в табл. 4. Измерения проведены с помощью диэлектрических трековых детекторов. Расчетные данные с точностью до 10% совпадают с экспериментальными. Зависимость ЛПЭ и бь от глубины точки в ткани для Н=0,5,8 и 15 мм показана на рис. 8.

Типичные расчетные зависимости пространственного распределения дозы, поглощенной в биообъекте, от г и Ь представлены на рис. 9.

1

/

/ / /

/ X1 / / /

/ / / V /

С«4мкм

в / ! 5 И 0 ! 2 3 Ц 5 ■

РАДИУС г, мм

Рис. 0. Пространственное распределение мощности потлошеяной дозы Р в биообъекте, облучаемом альфа - частицами изотопного источника, ,

= Змм. Н - 8мм, А = 1.4 10' гаГ^с""1, Д-О.ШэВ/

Совокупность полученных данных позволяет сделать вывод о существовании оптимальной с точки зрения точности параметров пучков частиц геометрии облучения биообъектов:Кист>5 мм, г <5 мм, Н=8-15 мм. Ь < 10 мкм.При этом коэффициент неоднородности К <1.1, Б <15%. I = 1000 - 1500 МэВ-см2/г. Изменение мощности дозы путем использования альфаисточника с необходимой удельной активностью позволяет сохранять стандартные условия облучения при мощностях дозы 10"4-10Гр/с.

2.3. Комплекс аппаратуры для проведения радиобиологических экспериментов на ускорителе и изотопных альфа-источниках

На основании результатов исследования дозных полей пучков ионов на ускорителях и изотопных альфа-источниках и в соответствии с требованиями к условиям облучения был разработан, сконструирован и изготовлен комплекс аппаратуры для проведения радиобиологических экспериментов,включающий в себя электронно-физическую аппаратуру для дозиметрии и мониторирования пучков, механические устройства, механизмы системы автоматики и дистанционного управления /10/.

На рис. 10 показана схема установки для облучений на ускорителе. Камера юстируется относительно пучка с помощью опорных винтов (11)

и сильфона (2), присоединенного к ионопроводу (1). По оси пучка последовательно расположены эмиссионная камера (3), система из двух дисков (4), каждый из них с десятью поглотителями от 0 до 9 иг/см2 и от о до 90 мг/см2 для изменения энергии ионов, коллектор пучка ионов (5), ионизационная камера (6).

Для юстировки установки использовались коллектор (5), цилиндр Фарадея или квадрантный токосъемник, устанавливаемый по оси пучка за (или вместо) ионизационной камерой. Во время облучения объектов токовый коллектор выводится из пучка. При открытом шибере (13, рис. 4) пучок ионов через выходное окно (8) из лавсана толщиной 8-10 мкм выводится в атмосферу. Привод (10) кассетного диска (9) с 12-ю положениями для объектов (7) позволяет производить перемещение объекта в положение облучения дистанционно. При прорыве выходного окна из лавсана срабатывает вакуумный клапан(12).

Рис.10.Схема установки для облучения на ускорителе (см. текст) . ^-—.--1

Рис. 11.Камера для облучения изотопными источниками: 1-диафрагма, 2-источник ос-частиц,3-микрометрический винт, 4-ручка для поворота диафрагмы, 5-днище, 6-корпус камеры, 7-облучаемый объект, 8-гер-метизирующее покрытие, 9-фиксирующая шайба, 10-вакуумный вход.

Мониторирование пучка ионов при мощностях доз более 10 рад/с осуществлялось простой проходной эмиссионной камерой, имеющей два электрода из алюминиевой фольги толщиной 1.25 мг/см2 ,на один из которых подается положительный потенциал.Эмиссионную камеру калибровали по цилиндру Фарадея. Основным монитором во всем диапазоне мощностей доз 0.1-1000 рад/с являлась ионизационная воздушная проходная плоскопараллельная камера. Эта камера имеет два высоковольтных электрода из лавсана (0. 5 мг/см2), покрытых слоем алюминия (200-300 А),и центральный собирающий электрод из лавсана,алюмини-зированный с обеих сторон.Межэлектродные расстояния-1 мм.При облучении камера размещалась непосредственно перед объектом на мини-

У7777777777777777777777Т

М

мальном расстоянии.Ток камеры измерялся электрометром с виброконденсатором (до 10"15 А,точность 2+4%), ток преобразовывался в импульсы с частотой,пропорциональной амплитуде тока в данный момент. Импульсы подавались на вход кодирующего устройства, которое управляло облучением и сменой объектов по заданной программе.

Ионизационная камера, используемая в качестве монитора, одновременно являлась и дозиметром, причем связь между током НА) и поглощенной дозой Б (рад) в облучаемом объекте оценивалась в соответствии с выражением:

Т

Э = 9.4-Ю10 -к1, (13)

АР

где А - площадь сечения пучка, см2 ; Т и Р - температура и давление воздуха при облучении, соответственно. Максимальная погрешность измерения абсолютной величины дозы в облучаемом объекте может достигать 10%, а относительной величины - 2%.

Для облучения биообъектов альфа-частицами была разработана и создана специальная.камера, схема которой показана на рис. 11.Следует отметить.что эта конструкция достаточно универсальна.так как позволяет проводить облучение в разной геометрии путем контролируемого перемещения источника и использования коллиматоров, монтируемых в отверстии диафрагмы (1). Кроме того, имеется возможность облучения объектов как в вакууме,так и в атмосфере любых газов.Для проверки результатов расчетов,проведенных для альфа-источников,была изготовлена малогабаритная специальная ионизационная камера.

В тех случаях, когда для анализа результатов радиобиологических экспериментов требуются не только данные о средних значениях флю-енса энергии и ЛПЭ частиц пучка,но и микрораспределение плотности пучка в его сечении,количество и место попадания ионов в каждый биологический микрообъект, локальные значения ЛПЭ и энергии частиц применяли диэлектрические трековые детекторы. Для измерения распределения плотности пучка детектор устанавливался перпендикулярно его оси. Облучая размещенные таким образом сборки детекторов.можно получить "трехмерное" изображение пучка, так как кроме распределения плотности пучка в его поперечном сечении имеется возможность определить положение пика Брэгга,что существенно при облучении тонких многослойных объектов или в тех случаях,когда требуется однородное энерговыделение вдоль траектории тяжелого иона. Положение пика Брэгга определяется по резкому возрастанию диаметра треков в группе детекторов в глубине сборки.

ГЛАВА III. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРЕКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ В КОСМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Анализ экспериментальных методов ядерной физики с учетом требований и ограничений, вытекающих из существа космических радиацион-но-физических и радиобиологических экспериментов и технических возможностей их реализации показал, что для решения поставленных перед нами задач наиболее перспективно использование ДТД. К началу наших исследований (1968-1970 г.г.) ДТД применялись в ряде лабораторий в дозиметрических и ядерно-физических исследованиях /5'/. В то же время имелось лишь несколько публикаций о первых опытах регистрации тяжелых ядер на космических кораблях "Аполлон" и совершенно отсутствовали сведения об использовании их в радиобиологических экспериментах. Кроме того, детекторы, известные из литературы, были для нас практически недоступны. В связи с этим необходимо было решить ряд методических вопросов, связанных со спецификой использования ДТД в космическом эксперименте:

-исследование регистрационных характеристик детекторов и зависимости их от ряда факторов (способ обработки детекторов, хранение, модифицирующие воздействия):

- обоснование и разработка методов идентификации многозарядных ионов по измерениям в ДТД;

- оценка эффективности регистрации в блоках детекторов;

- восстановление аппаратурных и падающих спектров;

- разработка аппаратуры.

Основные материалы данной главы отражены в публикациях /13-32/.

3.1. Регистрационные характеристики детекторов

Экспериментальные исследования радиационных характеристик проводились с помощью разработанных нами методов и оборудования /13/. Калибровочные облучения осуществлялись на ускорителях тяжелых ионов У-300, и У-400 (Дубна. ЛЯР ОИЯИ) и изотопных альфа-источниках. Кроме того, блоки детекторов были облучены высокоэнергетичными пучками ядер аргона и железа на ускорителе "BEVALAK" (Беркли, США). Необходимые расчетные данные по пробегам и передаче энергии получены с помощью алгоритмов и программ, описанных в главе I.

Предварительное обследование ряда отечественных промышленных полимеров на начальной стадии наших работ показало,что для регистрации ядерного компонента космического излучения наиболее приемлемым является нитрат целлюлозы и лавсан.В последующем по мере развития наших международных контактов появилась возможность использования детекторов зарубежных фирм: СА-80-15, CN-85 и CR-39.

-26-

Нитрат целлюлозы. Нитроцеллюлозные детекторы относятся к группе наиболее чувствительных. Возможное объяснение этому исходя из структурных соображений дано в работах /16,17/. Ниже представлены основные результаты исследования регистрационных характеристик отобран/ного нами нитрата целлюлозы толщиной 500 и 800 мкм.Поверхностная скорость травления материала v измерена в широком интервале концентраций (2-10 N) и температур (20-60°С) травящего раствора NaOH. Материал однороден до глубины,по крайней мере, 150 мкм; скорость травления обеих поверхностей одинакова.На основе анализа этих и некоторых других результатов выбран оптимальный режим травления: 6н.NaOH при 40-50°С.

Рис.12. Зависимость"^ от ЯПЭ^одд в отечественном нитрате целлолозн. Стрелка указывает на значение практического порога регистрации.

На рис.12 представлена зависимость скорости травления вдоль трека V от ограниченных передач энергии. Экспериментальные точки получены по измерениям длины конусов в блоке детекторов вдоль траектории ионов 40Аг с начальной энергией 200 МэВ/нуклон.Резкий спад кривой указывает на явно выраженный практический порог травления. Независимо порог травления был определен по факту выявления треков с использованием пучков ионов ПВ и 12С с энергией до 10 МэВ/нуклон и 40Аг и 56Ее при энергии примерно 200 и 500 МэВ/нуклон. соответственно.Сравнение рассчетных значений величин с экспериментальными данными показало слабую зависимость порога травления от заряда иона:

ЛПЭ1000 п = 190 + 0.9Z, кэВ/мкм. (14)

Рассчитанные значения энергии активации Ем и Ет составляют 1. 06±0.10 и 0.82±0. 08 эВ, соответственно.

Критический угол травления GKp измерялся в интервале значений 200 < ЛПЭ1£)00 < 700 кэВ/мкм. Как и следовало ожидать, 8К возрастает с уменьшением ЛПЭ1000, но эта зависимость выражена достаточно слабо. Соответственно,в области ЛПЭ1000 > 300 кэв/мкм можно принять постоянное значение в = 4-5° .

кр

-27-

Регрессия треков со временем в зависимости от условий хранения (влажности и температуры) изучалась по изменению плотности треков альфа-частиц от "толстого" источника. После облучения детекторы хранились в эксикаторах при нормальной влажности и в присутствии силикагеля. а также в воде в течение различных промежутков времени. Температура хранения 18-22°С. Аналогичный опыт при температуре 50°С проводился в течение 30 суток. Условия травления: 6И ИаОН, 50°С. стравленный слой - 5 мкм. Результаты представлены на рис.13. Рассмотрение приведенных кривых показывает, что в пределах,по крайней мере, указанных условий хранения детекторов регрессия латентных треков становится заметной лишь в воде при температуре 50°С.

1,01 " * 0,3

оа 4,1.

и1 го зо

'/ВО И0"ЗВ0 211"70П,сът

Рис.13:Сохранность латентных треков в отечественном НЦ в зависимости от -длительности хранения детекторов при температуре 20(а) и 50°С(б) -- в эксикаторе с селикагелем;---- в эксикаторе при нормальной влажности;— в воде.

Воздействие естественного радиационного фона также'изучалось по измерению плотности треков альфа-частиц. Облучение гамма-квантами при суммарной дозе до 103+5-103 Гр не привело к заметному изменению плотности треков.

■ .с

Рис.14. Микрофотография типичной картины в поле зрения микроскопа при многослойной просмотре.

X

Существенным недостатком исследованных детекторов из нитрата целлюлозы является диффузно-матовая поверхность детектора после травления,что очень затрудняет просмотр. Для преодоления этого недостатка предложены методы водной, водно-глицериновой и поливинила-цетатноспиртовой иммерсии /13,18/. Смачивание поверхности детекто-

-28-

ров водой улучшает прозрачность настолько,что с помощью стереомик-роскопа можно проследить треки в стопке из 2-3 детекторов. Водно-но-глицериновый метод позволяет просматривать одновременно 5-6 детекторов. Прозрачность сборки,обработанной ПВА-методом, достаточна для просмотра треков в 10-15 слоях. На рис.14 представлена микрофотография типичной картины в поле зрения стереомикроскопа.

Лавсан (полиэтилентерефталат). В силу того.что лавсан в нашей работе применялся только как интегральный пороговый регистратор ионов с большими значениями ЛПЭ.исследования его регистрационных характеристик были менее детальными /13/. В качестве основного применялся режим травления: 20%-ный водный раствор ИаОН. температура 20°С.продолжительность 48' часов.При этом регистрируются тяжелые ионы, начиная с г2Не, с энергией ниже 4.5 МэВ/нуклон. Это соответствует величине порога ЛП31000= 610*30 кэВ/мкм. Критический угол 9кр измерялся для ионов 22Не с энергией ~4 МэВ/нуклон по схе_ ме, принятой в исследованиях нитрата целлюлозы. Значение 8к =7°.

Для исследования регрессии непротравленных треков образцы лавсана облучали ионами 22N6 с энергией 3 и 4 МэВ/нуклон под углом 45° к поверхности. Образцы, хранившиеся при температуре 20°С травили через 5,10,20.90,180,360 и 900 суток,а хранившиеся при температуре 50°С - через 5, 10, 30 суток. Результаты представлены на рис.15.

Т__I_I_1—I—I—I—1—1—мм_I_а_I—а_1_

О 10 го 10 ЬО 50 ВО 70 !0 90 180 190 360 ¿,сс/т .

Рис. -15 . Сохранность патентных треков в лавсане в зависимости от длительности хранения детекторов после облучения при температуре 20 °С (ОД) и 50 °С (*А): ----в эксикаторе при нормальной влажности: н воле

Из проведенных исследований следует.что нитрат целлюлозы и лавсан являются достаточно однородными материалами с точки зрения восппроизводимости регистрационных характеристик. Полученные характеристики материалов позволяют использовать их в качестве детекторов - регистраторов частиц с зарядом 6<г<26. Более чувствительным из двух.изученных материалов является нитрат целлюлозы.Однако резкое возрастание скорости травления вдоль трека и выход на плато зависимости УТ(ЛПЭ1000 ) вблизи порогового значения ЛПЭ1000 . а также большая толщина имеющегося материала (500 и 800 мкм)обусловливают невозможноть проводить идентификацию частиц с зарядом 2<10 по скорости травления вдоль трека и низкую точность идентификации

-29-

более тяжелых частиц. В обоих материалах латентные треки сохраняются в течение,по крайней мере,двух лет при параметрах среды, характерных для космических кораблей.Это позволяет проводить их длительное экспонирование.В разные годы,помимо упомянутых,мы эпизодически применяли и детекторы из других материалов:поликарбоната Ьехап и МасгоГо1 Е,слюды, СК-39, борофосфатных стекол. В этих случаях использовался режим травления и характеристики регистрации, представленные в работах других авторов, в некоторых случаях были проведены дополнительные исследования.

3.2. Методы спектрометрии и идентификации тяжелых заряженных частиц с помощью ДТД

В современных космических экспериментах.как радиационно-физичес-ких, так и радиобиологических, недостаточно ограничиваться лишь регистрацией факта наличия тяжелых ядер. Обычно необходимо установить их ЛПЭ,энергию и заряд.В работе /13/ детально рассмотрены как известные, так и разработанные нами методы спектрометрии и идентификации частиц в однослойных детекторах и сборках детекторов.

При прохождении тяжелых заряженных частиц через однослойный детектор (полимерную пленку) или через сборку вдоль траектории частицы в каждом детекторе вплоть до ее остановки формируется область радиационных нарушений, которая выявляется в результате химического травления в виде трека. Форма и размеры треков вдоль траектории частицы при заданных параметрах травления определяются степенью радиационных повреждений, зависящих, в свою очередь, от материала детектора и физических характеристик частицы. Это позволяет по измерениям геометрических параметров отдельного конического трека с помощью эмпирической зависимости относительной скорости травления V от ЛПЭ определить значение ЛПЭ частицы на поверхности данного детектора. Максимальные определяемые значения ЛПЭ ограничиваются, в частности, толщиной детектора (конуса травления не должны смыкаться между собой). Для расширения диапазона измеряемых значений ЛПЭ нами был предложен метод одностороннего травления детектора /19/. В этом случае образование сквозных конусов в детекторе происходит при значительно больших значениях ЛПЭ, что позволяет поднять верхнюю границу диапазона ЛПЭ без снижения точности измерений промежуточных значений и неизменной нижней границе. Так, при использовании детектора СА80-15 в одном из экспериментов был получен спектр ЛПЭ космических ядер в диапазоне 100<ЛПЭ<500 кэВ/мкм при применении одностороннего травления и только в диапазоне 100-220 кэВ/мкм - при двухстороннем.

Для идентификации низкоэнергетичных ядер (энергия 3-40 МэВ/нук)

космических лучей мы применяли сборки детекторов СЫ-85 толщиной 100 мкм в сочетании с известным (1—К )-методом. Метод основан на расчетно-феноменологической зависимости длин конусов 1 вдоль траектории частицы в последовательно расположенных слоях детекторов из того же блока от остаточного пробега частицы И

' о с т . 1

В работе /20/ нами предложена модификация (1-й т)-метода,позволяющая обойтись без повторного травления детекторов в тех случаях, когда частица остановилась в детекторе, но точка останова не выявлена после первого травления, т.е. И'< I?

1 1 ллт

10

%10 \

ч* и'

* -2 10

й1

■л

7

г

г

г

И

Рис. Заинсимость полной травимой длины трека Кг, А, поли от заряда частицы 1 в нитрате целлюлозы Травление в 6 н. МаОН, 40 °С

0 4 8 12 18 20 14

В работе /21/ нами был обоснован, а в /13/ всесторонне исследован метод идентификации ядер по полной травимой длине трека (ПДТ) й7 „ , „ в многослойной сборке детекторов. Реальные возможности

и , № , М 3 К С

метода продемонстрированы применительно к отечественному нитроцел-люлозному детектору (см.характеристики в 3.1) для которого были рассчитаны значения 1?2 макс для всех стабильных изотопов ядер с зарядом 2<г<30. На рис". 16 представлена зависимость ПДТ от заряда ядра для наиболее распространенных изотопов. Показано, что с точностью до нескольких процентов справедливо соотношение

Я

г. М.мак с

4.7-10"

г/см2,

5 < г < 12

9.3-10'6М-2г'7, г/смг, 13 < Ъ < 30 '

(15)

позволяющее оценить зарядовое разрешение метода. Принимая во внимание, что М ~ 2Ъ практически для всех наиболее распространенных изотопов элементов с зарядом 5<г<12 и М'~ 2.3бг для 13<г<30,имеем:

9. 5- 10"5г3 •0. г/смг, 5 < г < 12 г.макс ] 2.2-10"5г3-7. Г/СМ2, 13 < г < 30 '

откуда

дг о.зз(ди, /и, ), 5 < г ( 12

1 г.макс Ъ, макс

0.27 (ЛИ, / П ), 13 < 1 < 30

1, макс I, макс

(17)

Как видно из последнего соотношения,при равной относительной погрешности измерения ПДТ точность идентификации в рассматриваемом диапазоне зарядов примерно одинакова. Полагая вклад экспериментальных погрешностей в ДИ н макс равным нулю,а рассчетных -4%,можно видеть что принципиально возможное разрешение метода Дг/г=1-2%. Последнее соотношение может быть записано также в виде:

дг | з.5-ю3дк, тг-й. 5 < г < 12

г.макс _ (18)

1.2-ю4де, г-3-7, 13 < г < зо

г. макс

из которого следует, что при равной абсолютной погрешности макс' относительная точность идентификации увеличивается с ростом заряда частиц. Что касается абсолютной погрешности определения заряда, то из приведенных соотношений следует, что с увеличением заряда она возрастает при равной относительной' погрешности и убывает при равной абсолютной погрешности Ь&г макс- В работе /13/ детально рассмотрены источники погрешностей расчетного и экспериментального характера, дающие вклад в ДИ, , а также про-

¿1, макс

цессы, обусловливающие априорный разброс значений И макс страгглинг и фрагментация ядер в пределах ПДТ. Показано, что с учетом вклада рассмотренных источников погрешностей в величину макс точность идентификации по методу ПДТ составляет 2-4% что позволяет идентифицировать и изотопы

С учетом зависимости ПДТ от.угла.входа частиц в детектор в выражение для И, (г,8) принимает вид

¿.макс г

1.0-10"4г3-°(1-5.9-10"3У /соэб),Г/см2, 5 < г < 12 И ' = 4 м (19)

1, м, макс ] 2.4-10"5г3'7(1-5.9-10"3Ум/соз8),г/смг,13 < Ъ < 30

Эта зависимость в графическом виде представлена на рис.

17.

Рас. 17. Зависимость подвой травимой длины трака Я от заряда частицы и угла входа в. Условия травления: 6HJJaOH.tr = 5 час, Т « 50°С.

Применение ПДТ-метода идентификации предполагает в качестве результатов измерений ПДТ треков. Измерения ГЩТ представляются менее трудоемкими,чем измерения длин конусов вдоль траектории частицы, особенно если применяется один из методов многослойного просмотра, позволяющий увеличить производительность просмотровых работ по крайней мере,в 6-8 раз при одновременном сокращении количества ошибок.Получаемая информация компактна,что облегчает ввод ее в ЭВМ для последующей обработки.Идентификация заряда ядерного компонента космических лучей с энергией 200-400 МэВ/нуклон показала, что точность 0.3-0.5 единицы заряда при Т>22 достигается при измерении длин треков с довольно большой погрешностью - 300-400 мкм.Такая же точность при использовании (1-Ноот)-метода получается из измерений длин 9-20 конусов травления с точностью 1-2 мкм.

Рассмотренные выше методы позволяют идентифицировать только частицы, останавливающиеся в пределах блока детекторов. Следовательно, частицы более высоких энергий на могут быть идентифицированы. С целью увеличения зарядового и энергетического диапазона идентифицируемых частиц при данной геометрии блока нами предложен способ идентификации,не требующий наличия точки остановки частиц в пределах блока /22/. Способ основан на измерении разности ДП= /Я -Я / в блоке из чередующихся детекторов с различными порогами регистрации, т.е.разными значениями ПДТ - И и Нг. "Двухпороговый" метод более эффективен при идентификации ионов с большим зарядом.

В некоторых наших работах применялся комбинированный способ идентификации в блоках ДТД и ЯФЭ /23/. Энергия частиц определяется в блоке детекторов по соотношению пробег-энергия.

3.3. Геометрическая эффективность регистрации частиц в многослойных блоках детекторов

Спектр идентифицированных частиц отражает только ту их часть, которая удовлетворяет критерию идентификации. Например, при использовании (1-Е )-метода это треки,имеющие не менее определенного количества конусов.При использовании ПДТ-метода - треки,для которых начало и конец регистрируемой части траектории находятся в пределах блока детекторов.Для построения же истинного спектра необходимо в измеренный,или аппаратурный, спектр внести соответствующие поправки на эффективность регистрации.Эффективность регистрации частиц в блоках детекторов прямоугольнойи цилиндрической формы была рассмотрена в обобщенной форме.

детекторов блока (пояснения в тексте).

Формулы для расчета были получены для блоков из однотипных детекторов при следующих основных предположениях:

а) зарегистрированными называются лишь те частицы, которые могут быть идентифицированы;

б) для идентификации частиц необходимо знать длину выделенного участка их траектории в блоке Я и пробег частицы в детекторе Ь, причем

в) детекторы собраны в блок в форме параллелепипеда с размерами а > Ь > с, причем детекторы параллельны грани(а-Ь) (рис.18а);

г) условия регистрируемости выполняются в пределах углов падения с^ и а£ , определяемых значениями I и й; 8кр - минимальный угол входа частиц по отношению к плоскости поверхности детектора, при

котором еще возможна регистрация.

В случае изотропного падения частиц только на верхнюю грань блока в пределах телесного угла Я=2я получены следующие выражения для эффективности регистрации в слое, находящемся внутри блока на глубине между Ь и Н (рис. 186,в):

L . R

1

h \г 4 L(а+Ь)

L 3jí ab

при h<L<H+R и

[(•-т)]

П ^л3/2 1 L2

2Л ab

^[l-í—1 1 (20)

(Л ( н

» = Sin2 - - е -1+ —

R о кр Ч ¿C / IL-RJ

Hi2 3 L(a+b)

АЛ ab

К

кр

н Л3/21 i i2

L-R.

'} I"

2% ab

fit \ f H \ ^ ^

НгЧ" I't; ) 1211

при Н+Е < I < {Ь2+Ь2}0'5.

При тех же условиях для И < Ь < с и 9 = 0, о^ = а2 = л/2 выражение для эффективности регистрации во всем блоке имеет вид

3 L(a+b) 1 I? L'R tó ab 2% ab

(22)

В более общем случае изотропного потока частиц через,все грани блока при И < I < с и 9кр=0°, аг=аз=л/2 выражение приобретает вид:

Е, « = 1

L . бл

Jts

бл

4 - Р 3

бл

3L

(23)

где S6ji= 2(ab+ac+bc) - площадь поверхности блока и Р6л= 4(а+Ь+с) -периметр блока. Из последнего соотношения следует, что при R < L < mlnCa,b,с) и 8 =0° эффективность регистрации блоком изотропного

К р

потока частиц с пробегом L определяется лишь площадью поверхности и периметром блока. Оценки показывают, что при использовании последней формулы погрешность не превышает 8%, если 9к <10°. Если с < L < b, а = arc cos(c/L), а = min {а,, [л/2 - 8 ]), то

1 2 3 кр

1

выражение для е 6л оказывается громоздким и не универсальным. То же относится и к случаю цилиндрического блока. Поэтому на рис. 19 и 20 приведены в качестве примера рассчетные значения г для слоя в прямоугольном блоке и для цилиндрического блока. При других геометрических характеристиках блоков необходимо проводить расчеты по соответствующим формулам, приведенным в /13,24/.

Рис.19.Зависимость эффективности регистрации изотропного потока частиц гь в слое блока детекторов' от длины пробега I в блоке при а =ж/А.

Рис.20.Эффективность идентификации £(Е,Е) для частиц с зарядом 1 < 1 < 26 и энергией Е . на входе в цилиндрический блок детекторов.

О ¿00. ЧОО 600 зсо <£,

Таким образом, конечный результат измерений в блоке' детекторов -длины К, Ь для каждого трека - достаточны для определения с известной точностью заряда и энергии всех зарегистрированных частиц.Однако поцедура восстановления зарядовых и энергетических спектров не может сведена к сортировке и суммированию частиц в соответствии с их г и Е и последующему введению поправок на эффективность регистрации. Это обусловлено тем, что в условиях малой статистики частиц, как правило, имеющей место в космических экспериментах, становится существенной неопределенность в определении- заряда в случаях перекрывающихся интервалов ПДТ для соседних зарядов.Наличие погрешности Д1? накс>в общем,увеличивает количество таких ситуаций. В связи с этим было уделено большое внимание разработке методики восстановления зарядовых и энергетических спектров,использование которой позволяет учесть отмеченные обстоятельства /13/. Для проведения обработки результатов в полном объеме,начиная от предварительной обработки данных, полученных непосредственно в процессе измерений,и кончая восстановлением зарядовых и энергетических спектров,был разработан алгоритм и составлена программа

"JAVA" на языке ФОРТРАН применительно к ЕС-1030,а позднеек IBM PC/AT.Программа построена по блочно-фенкциональному принципу так. что отдельные блоки могут использоваться самостоятельно.

3.4. Аппаратура на основе ДТД

Пассивные сборки. Конструкция аппаратуры, включающей в себя диэлектрические трековые детекторы, определяется целью эксперимента, особенностями детекторов и различными ограничениями, связанными со спецификой космических исследований.Прежде всего отметим, что устройства, содержащие ДТД. целиком, или, по крайней мере, их детектирующая часть должны быть возвращены на Землю после экспонирования, Отсюда возникает первое ограничение: эксперименты могут проводиться только на возвращаемых космических кораблях или пилотируемых станциях.

Второе, что необходимо учитывать, особенно для возвращаемой части аппаратуры, - массо-габаритные ограничения. Третье - аппаратура в процессе экспонирования и хранения на борту космического аппарата должна находиться в контролируемых температурных, атмосферных и т.п. условиях. Четвертое - аппаратура должна соответствовать всем требованиям на механическую сохранность, пожаро- и взрывоопас-ность, нетоксичность и т.д., предъявляемым к любой аппаратуре для космических исследований.

На рис.21 показано, в качестве примера,оборудование большого международного дозиметрического эксперимента, проведенного с нашим участием на специализированном биологическом спутнике "Кос-мос-936". Четыре контейнера были укреплены на наружной поверхности спутника. Сборки различных детекторов и дозиметров, размещенные внутри них в специальных держателях, экспонировались в космосе при открытых крышках контейнеров. Перед возвращением на Землю крышки герметически закрывались, предохраняя содержимое контейнеров от перегрева при вхождении спутника в плотные слои атмосферы. Единственной тепловой защитой части детекторов в процессе экспонирования были отражающие алюминизированные лавсановые пленки толщиной 10-20 мкм. Эти же пленки служили экраном от ультрафиолетового излучения Солнца. По данным температурных датчиков температура сборок не выходила за пределы (-10 - +48)°С.Другая часть детекторов и дозиметров находилась в круглых герметичных пеналах, в атмосфере воздуха при нормальном давлении.Толщина их крышек-0.5 мм алюминия. На крышках контейнеров крепились единичные детекторы и дозиметры или тонкие сборки за разными слоями защиты, предназначенные для продолжения измерений потоков и доз низкоэнергетичной компоненты космических лучей.

Рис.21. Детекторы,экспонированные на искусственном спутнике Земли "Космос-936". В верхней части снимка показаны контейнеры с детекторами,размещавшимися на наружной поверхности спутника, в нижней- находившиеся внутри спутника.

На переднем плане снимка видны блоки детекторов, размещавшиеся в различных точках внутри спутника. Правый и левый блоки являлись составной частью советско-американского эксперимента "Иондоз" (так же как и часть сборок, в наружных контейнерах), а блоки между ними - советско-французского эксперимента "Биоблок-2-СФ".

В составе нашего экспериментального оборудования почти на всех космических аппаратах находилась хотя бы одна сборка для проведения мониторных измерений,конструкция и состав которой не меняется вплоть до настоящего времени.Детекторы в верхней части сборки позволяют определять зарядовые и энергетические спектры аномального компонента и солнечных космических лучей (при наличии вспышек в период полета спутника), а "нижние" детекторы используются преимущественно для измерения потоков ядер ГКЛ.

Пассивные детектирующие блоки, несмотря на свою простоту и компактность, позволили получить ряд важных и интересных радиацион-но-физических и радиобиологических результатов /5,13/.

Приборы на основе ДТД с временным разрешением. С конца 70-х годов в космических экспериментах начали применять приборы и установки с детектирующей частью на основе ДТД,позволяющие не только регистрировать тяжелые частицы, но и фиксировать интервал времени регистрации. Впервые такое устройство ("Кварц") было экспонировано нами летом 1979 г. на высотном аэростате. На основе опыта первого эксперимента были внесены изменения в конструкцию и электронную схему устройства, после чего в 1983 году эксперимент был повторен с целью получения более детальной информации о потоках и спектрах тяжелой компоненты ГКЛ в верхних слоях атмосферы /20/. В 1981 году был проведен советско-румынский эксперимент на станции "Салют-6" с использованием прибора "Astro" /26/. Позднее появились аналогичные по назначению разработки,выполненные Европейской коллаборацией и

индийской группой. Их приборы экспонировались на американских кораблях Space-Shuttle в экспедициях Spacelab-1 (1983г.) и Spacelab-3 (1985г.), соответственно. Подготовленные нами два эксперимента с устройствами типа "Кварц", к сожалению, окончились неудачно по независящим от нас причинам (авария при запуске 1981 г. и посадке 1983 г.). В 1985 году проведен эксперимент с устройством "Кварц-М" на ИСЗ "Космос-1672" и в 1987 году - на ИСЗ "Космос-1882".

Различаясь техническим исполнением, все приборы имеют общий принцип - время регистрации определяется по относительному сдвигу трек-сегментов данного трека в близрасположенных подвижных и неподвижных детекторах. Сдвиг происходит по заданной временной программе. Знание момента времени регистрации частицы позволяет анализировать полученные данные с показаниями параллельно работающих электронных приборов и "привязывать" регистрируемые события к географическим координатам.

Наиболее наглядным является продольное перемещение в заданные моменты времени экспозиции одного или нескольких детекторов.Этот способ был реализован в приборе "Astro", экспонированном на борту орбитальной пилотируемой станции "Салют-6" (17-21 мая 1981 г.). Прибор состоял из четырех неподвижных сборок детекторов , над каждой из двух пар сборок на стержнях был натянут детектор CN-85, который в ходе экспозиции при помощи электропривода совершал возвратно-поступательное перемещение над неподвижными сборками, находясь в каждый из интервалов времени в одном из 20 фиксированных положений.Длительность цикла из 60 шагов регулируется;она может быть сделана, например, равной периоду обращения космического аппарата вокруг Земли.В этом случае один виток разбивается на 30 интервалов географических широт,причем длина шага изменяется по синусоидальному закону.Временное разрешение прибора определяется длиной участка полного перемещения детектора, которая,в свою очередь, ограничивается общими габаритами прибора.

Другие методы фиксации интервала времени поясняются на рис.22 и 23. На рис.22 изображены подвижный (1) и неподвижный (2) детекторы в виде дисков и два трека тяжелых заряженных частиц ABC и KLM, за-регистированных в различные моменты времени. Поскольку в процессе экспозиции подвижные детекторы вращаются по заданной программе, момент времени,в который частица зарегистрировалась в блоке, определяется однозначно по угловому смещению а, измеряемому в процессе просмотра детекторов после экспозиции.Для однозначного определения моментов времени регистрации всех частиц необходимо, чтобы за все время экспозиции подвижные пластины совершили не более одного полного оборота вокруг оси.Временное разрешение ДТ (т.е.минимальный интервал времени между двумя отдельными событиями,при котором они

еще регистрируются как относящиеся к различным моментам времени) выражается формулой:

ДТ = ТДХ/гяй, (24)

где Т-длительность экспозиции, ¡^-расстояние от оси до точки совмещения треков,Д1-максимальное рассовмещение трек-сегментов,при котором трек-сегмент частицы в подвижном детекторе еще наблюдается как продолжение трек-сегмента в соседнем неподвижном.

Рис.23. Фиксация интервала времени регистрации частиц за счет изменения расстояния между детекторами. 1- трек-сегменты, 2-детекторы.

Величина Доопределяемая точностью измерений при сканировании детекторов,может быть принята равной половине характерной толщины трека. Поскольку для применяемых типов детекторов всегда Д1 < Л, формула справедлива для любых значений К в интервале 1?мин < И < - гДе К -внутренний диаметр неподвижного детектора, а

М а К С МИН

И - внешний диаметр подвижного. Максимальное количество переме-

макс

щений Пмакс ограничивается разрешающей способностью прибора: N = Т/ДТ = 2ЛК /Д1. (25)

макс макс мин

Эффективный способ повышения временного разрешения - введение в прибор двух групп детекторов, вращающихся с различными угловыми скоростями ш » ш /28/. При этом за время Д1, пока детекторы, вращающиеся со скоростью и , совершат полный поворот вокруг оси. детекторы, вращающиеся со скоростью ш2 должны повернуться на некоторый фиксированный угол, при котором обеспечивается однозначное соотношение зарегистрированных событий к временному интервалу

Временное разрешение такого "двухскоростного" метода .ДТ' можно определить через разрешение ДТ, обеспечиваемое детекторами.

вращающимися с меньшей скоростью т :

ДТ' = ЛТ-Д1/27Ш = Т(Д1/2ЯК )г. (26)

мин мин

Поскольку всегда Д1 « кмин- ™ введение второй группы подвижных детекторов может улучшить, в принципе, временное разрешение на 2-3 порядка. Теоретические зависимости временного разрешения ДТ от расстояния К для двух наиболее употребимых типов детекторов из нитрата целлюлозы: отечественного толщиной 1 мм и французского СИ-85 толщиной 100 мкм представлены на рис.24.

га зо 5о 70 /?,мм

Временное раэрешелие & Т в зависимости от временя зксяозицви ^ в расстояния ? от оси вращеккк до точки совмещения трек-сегментов. Кривые 1,2,3 - одна скорость вращения,4-две скорости. Кривые 1,2,4 - для детектора толщиной 1000 мкм.кривая 3 - 100 мкм. Т = 10 суток /для крившс '¿,'1,4/ л 100 суток /криоая 1/. Во всех случаях =50 мкм.

На основе предложенного метода нами по модульному принципу был создан комплекс аппаратуры "Кварц", включающий в себя два типовых функциональных блока - регистрирующий (содержащий ДТД) и электронный блок управления /29,30/.Регистрирующий блок был разработан в двух модификациях:"Кварц"- с одной скоростью вращения и "Кварц-М"-с двумя скоростями.Блок управления имеет три модификации: для экспериментов на высотных аэростатах, спутниках и пилотируемых кораблях.

С точки зрения регистрации тяжелых-ядер комплекс "Кварц" имеет следующие характеристики:

- диапазон идентифицируемых зарядов ядер (в зависимости от используемых детекторов и композиции блока) может быть от Ъ=2 до г=25*30 с точностью Аг<1;

- энергетический диапазон идентифицируемых ядер (5*10) -(1000+ 2000) МэВ/нуклон (в зависимости от модификации и размеров детектирующего блока) с точностью определения АЕ/Е=3+5% при £>100 МэВ/н;

- геометрический фактор регистрации 0 = 900 смг стерад;

- количество временных каналов регистрации N =360 для прибора "Кварц" и N =32000 - для "Кварц-М";

- точность определения координат прохождения частиц - 5*10 мкм.

В центральной части блока детекторов могут размещаться также некоторые биообъекты и иные микрообъекты, предназначенные для исследования воздействия тяжелых ионов в условиях космического полета. На основе прибора "Кварц-М" предложено устройство для определения сбоев микросхем под действием тяжелых ядер космических лучей/28/.

Метод фиксации интервалов времени по поперечному перемещению детекторов, предложенный нами в /31/, поясняется на рис. 23. Треки частиц (1), выявленные в двух соседних детекторах (2), отстоящих друг от друга на расстояние й. имеют рассовмещение а, однозначно определяемое расстоянием й и углом входа частицы 9. Изменение расстояния <2 в процессе экспозиции по заданной программе позволяет различать частицы, зарегистрированные в различные моменты времени. Временное разрешение в данном случае определяется выражением:

АТ = ТДс1/0 , (27)

где Б-максимальное расстояние между детекторами, ограничиваемое конструкцией прибора, Аб - погрешность измерения расстояния между детекторами. Следует отметить, что значение ДТ остается постоянным в процессе работы прибора. Погрешность Дс1 может быть представлена в виде суммы двух компонентов:

Д<3 = + ДА', (28)

первый из которых определяется погрешностью просмотровых операций, а второй - точностью изменения расстояния между детекторами. При использовании прибора в дискретном режиме максимальное количество шагов определяется его разрешением:

N = Т/ДТ = +ДсГ) (29)

макс

Этот метод лежит в основе прибора "Рубин" /29, 30/. Общий вид прибора вместе с прибором "Кварц" и унифицированным электронным блоком (вариант для пилотируемой станции) представлен на рис. 25.

Основное назначение прибора - проведение радиобиологических и других исследований, связанных с изучением воздействия тяжелых ядер на различные объекты. В частности, это единственный тип прибора, позволяющий в течение всей экспозиции обеспечивать необходимые условия для поддержания жизнедеятельности активно-метаболизи-рующих объектов при сохранении требуемой точности идентификации, топической регистрации и оптимальной точности определения интервала времени регистрации частицы.

В целом класс описанных приборов существенно расширяет область

использования диэлектрических трековых приборов. Например, появляется возможность измерять потоки космических лучей на отдельных участках орбиты; выделять при длительной экспозиции потоки, зарегистрированные во время солнечных вспышек; при измерениях на высотных шарах-зондах - дифференцированно рассматривать частицы, зарегистрированные на разных высотах и т.д.

Рис.25. Комплекс аппаратуры на основе ДТД с временным разрешением: а/прибор "Кварц", б/блок управления, с/прибор "Рубин".

Описанная аппаратура позволяет проводить комплексное изучение пространственно-временных и спектральных характеристик потоков тяжелых ядер космических лучей в околоземном и дальнем космическом пространстве. Получаемые данные представляют значительный интерес как с точки зрения развития динамической модели магнитосферы Земли и астрофизики космических лучей, так и для решения ряда чисто прикладных задач, связанных с оценкой воздействия тяжелых ядер на космические корабли, их экипажи, биокомплекс и оборудование.

Детектор-сигнализатор плотноионизирующих частиц. В /32/ был предложен детектор-сигнализатор плотноионизирующих частиц,схема которого изображена на рис. 26а. Он включает в себя кювету (1), заполненную травящим раствором (2),являющимся одновременно электролитом.

Разделительная пластинка, обладающая свойсвами диэлектрического трекового детектора, разделяет объем на две части, в которых размещены выполненные из разнородных металлов электроды (4,5), замкнутые в цепь через сигнализатор (6).В результате облучения пластинки (3) потоком быстрых нейтронов или тяжелых заряженных частиц в ней в момент времени ^ (рис.266) образуются локализованные области радиационных нарушений, подверженные ускоренному травлению травителем-электролитом. В момент Ъ образования сквозного протравленного канала на паре разнородных электродов появляется разность потенциалов.По мере травления отверствия возрастает сила тока. и в момент Ьг достигается порог срабатывания сигнализатора.

Рис.26. Детектор - сигнализатор плотно-ионизирующих частиц: а/ - общая схема /пояснения в тексте/, б/ - зависимость ЭДС от времени тоавления.

Измерения, выполненные на лабораторном макете детектора-сигнализатора, показали, что при соответствующем выборе травителя-элект-ролита, материалов и размеров электродов возникающая разность потенциалов на электродах в момент времени Ьг оказывается равной ~1В, достаточной для срабатывания сигнализатора.

Эффективность регистрации тяжелых заряженных частиц детектором-сигнализатором зависит от вида излучения (энергия, ЛПЭ), толщины и рабочей площади пластинки; типа травителя и т.д. Предложенное устройство предназначено для индивидуального контроля появления плотноионизирующих частиц при неполадках ядерно-физических установок, а также для оперативного контроля облучения космонавтов ионами и быстрыми нейтронами.

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМБИНИРОВАННЫХ РАДИАЦИ0НН0-ФИЗИЧЕСКИХ И РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ (ЭКСПЕРИМЕНТЫ "БИОБЛОК")

В экспериментальных биологических исследованиях, проведенных в 40-50-х годах на высотных.аэростатах, а позднее и на космических аппаратах, были обнаружены локальные сильно выраженные поражения биологических объектов. Подобные эффекты при облучении биообъектов протонами и гамма-квантами наблюдались лишь при дозах порядка сотен и тысяч Грей /6'/. Поэтому предположили, что причина отмеченных эффектов - прохождение тяжелых ионов космических лучей.

При воздействии тяжелых ■ ядер космических лучей имеет место пространственная макро- и микронеоднородность выделения энергии. Поле излучения тяжелой компоненты космических лучей обладает еще и сильно выраженной временной неоднородностью. Дозиметрия тяжелых частиц должна основываться на пространственной и временной структуре поглощения энергии, что предполагает наличие детальной картины поля излучения, вплоть до характеристики индивидуальных частиц. Наличие такой информации позволяет рассчитывать любые величины, необходимые для описания биологического эффекта. Так как воздействие космических излучений происходит на фоне действия других факторов космического полета, то соответствующие эффекты не могут быть уверенно предсказаны на основе модельных исследований радиобиологического действия ускоренных тяжелых ионов на Земле.

Из изложенного следует, что действие тяжелых ядер космических лучей на биообъекты в космосе во всей полноте может быть изучено только в условиях космического полета. Вместе с тем, опыт первых экспериментальных исследований /6'/ показал, что при сравнительно кратковременном экспонировании биообъектов в космосе трудно выявить и исследовать пораженные объекты на фоне значительно большего количества объектов, не затронутых тяжелыми ядрами. Неудача многих экспериментов объясняется, скорее всего, именно этим. Поскольку тяжелые ядра составляют всего 1-2% от полного потока космических лучей, то их действие на биологические объекты при временах экспозиции до нескольких месяцев можно определить только путем использования экспериментального метода, позволяющего обеспечить жесткую корреляцию между биологическими объектами и траекторими частиц (топическая регистрация). Для этого биологические объекты размещаются слоями между трековыми детекторами частиц. Используя такую композицию и специально рзработанную методику, можно выделить пораженные биообъекты и идентифицировать частицы, вызвавшие поражение. Выделение пораженной структуры в совокупности со знанием заряда и энергии частицы даст возможность качественно описать наблю-

даемые эффекты. Эта идея была положена в основу серии экспериментов "Биоблок", начатых нами в 1973 г.

Ниже рассмотрены общие вопросы планирования экспериментов типа "Биоблок", их классификация в зависимости от объема необходимой радиационно-физической информации, сформулированы критерии выбора биообъектов и детекторов, описаны основные принципы конструктивного оформления экспериментов. Отдельные вопросы отражены в публикациях /33-39/ и наиболее детально - в монографиях /5/ и /13/.

4.1. Принципиальные основы экспериментов "Биоблок"

Схема типовой секции "Биоблок" показана на рис. 27.,

Проведение радиобиологических экспериментов по схеме "Биоблок" позволяет: однозначно и с необходимой точностью определить объекты и область каждого объекта,через которые прошли тяжелые ядра с заданными параметрами; провести радиобиологические исследования пораженных объектов;определить заряд,энергию и ЛПЭ прошедшей частицы в пределах пораженного объекта; провести корреляцию биологических эффектов с физическими параметрами частиц; исследовать действие прочих факторов космического полета на данный тип биообъектов.

Рис.27. Схема типовой секции "Биоблок": 1 и2 -детекторы с различными порогами регистрации; 3-затитиая пленка; 4-пластина-держатель биологических объектов.

Рис.2& Зависимость плотности размещения биообъектов от ожидаемой величины Злыенса Ф,статистической точности К и площади сечения биообъекта5о : о -£„= 1 .й-Ю'^мм2; а - в0 = 0,13 ММ2; • - В. • 0.9 мм2.

Использование схемы "Биоблок" плодотворно при проведении и анализе ряда радиобиологических экспериментов. Основное отличие ее от традиционной, принятой в радиобиологии: наличие детекторов позволяет из всего множества экспонированных биообъектов сделать выборку, включающую в себя только объекты, пораженные частицами с известными характеристиками - зарядом, энергией, ЛПЭ. При этом име-

ется принципиальная возможность разделить пораженные объекты на группы, определяемые дополнительными критериями: область зарядов и энергий частиц, множественность попаданий в один объект, параметры прохождения частиц относительно какой-либо выделенной структуры биообъекта и т.п. В то же время остальные (не пораженные) объекты являются контрольными по отношению к прочим факторам, набор которых зависит от условий 'проведения эксперимента. Например, если эксперимент проводится' на известных пучках высокоэнергетических многозарядных ионов, то контролируется фон, сопровождающий пучок, и напряженность магнитных полей. В экспериментах на аэростатах - это контроль на действие прочих факторов: температурных и атмосферных условий. На космических кораблях добавляются еще механические факторы: перегрузки, вибрация и невесомость. Помимо названных есть еще другие трудно учитываемые воздействия на биообъекты, помещаемые в блок.Они могут быть в какой-то степени оценены при изучении состояния объектов в наземном контрольном блоке, идентичном полетному.

Таким образом, "Биоблок" представляет собой радиобиологическую микролабораторию, которая позволяет исследовать:

- действие ускоренных тяжелых ионов на биологические объекты в зависимости от их физических характеристик в сочетании с сопутствующими факторами и без них;

- влияние модифицирующих факторов: температуры, атмосферы, механических возможностей и т.д. на степень радиационного поражения;

- действие фоновой радиации в сочетании с механическими факторами космического полета;

- возможности пострадиационного восстановления при действии многозарядных ионов.

Планирование радиобиологических экспериментов производится исходя из этих возможностей при учете условий и ограничений, характерных для космических экспериментов, а также реальных возможностей послеполетной обработки результатов. При формулировке цели и задач исследования исходят из актуальных общебиологических и радиобиологических проблем. Отсюда вытекает круг эффектов, подлежащих изучению. Это, в свою очередь, определяет перечень используемых биологических объектов и тестов наряду с требованиями к объему и точности физических данных.

С точки зрения необходимой физической информации радиобиологические эксперименты по схеме "Биоблок" можно разделить на несколько категорий, для которых требуется:

- только указание объектов, пораженных частицами с ЛПЭ>ЛПЭо ;

- указание объектов, пораженных частицами с ЛПЭ>ЛПЭо • и

- указание объектов, пораженных частицами с ЛПЭ > ЛПЭо и полная идентификация этих частиц (И,Е.ЛПЭ), а при необходимости - и

координат прохождения (с заданной точностью) частиц;

- указание объектов,пораженных частицами с ЛПЭ>ЛПЭо.и полная идентификация этих частиц {Ъ, Е,ЛПЭ),измерение флюенса и спектра частиц.

4.2. Методические аспекты экспериментов

Включение биообъектов в состав блока обуславливает требования, предъявляемые ко всем составляющим элементам "Биоблока".

Биологические объекты должны соответствовать следующему -минимуму требований: объект и регистрируемая реакция должны быть хорошо изучены в радиобиологическом и общебиологическом плане; весь объект или его структуры, ответственные за регистрируемую реакцию по величине, должны быть сравнимы с эффективным диаметром трека частицы; регистрируемая реакция должна проявляться с вероятностью, близкой к единице; объект должен быть устойчив к условиям длительного хранения в покоящемся состоянии.

В состав одного блока желательно включать несколько объектов различного уровня организации, с различной радиочувствительностью, но одинаково высокой устойчивостью по отношению к механическим, температурным и прочим факторам космического полета.

Детекторы, используемые в "Виоблоке", должны быть нетоксичны по отношению к биообъектам, а их регистрационные характеристики не подвержены влиянию продуктов жизнедеятельности биообъектов.

Тип детекторов зависит от необходимого ЛПЭ-порога регистрации частиц. Как правило в радиобиологических экспериментах описываемого типа используются детекторы с минимальными порогами (нитрат и триацетат целлюлозы, СЛ-ЗЭ), но в ряде случаев (выделение частиц только с очень высокими зарядами, большая длительность экспозиции и т.д.) удобно применение и детекторов с более высокими порогами.

В наших исследованиях с самого начала в качестве основного детектора применялся нитрат целлюлозы с порогом регистрации 200 кэВ/ мкм.Выбор данного детектора определяется тем,что именно при близких к порогу значениях ЛПЭ наблюдается максимум сечения поражения клеток,начиная с этих значений ЛПЭ в тканях образуются микроповреждения..

Биологические объекты в блоках размещаются в автономных монослоях. Конструктивной основой их являются пластины-держатели. Они должны быть изготовлены из нетоксичных материалов. Биообъекты размещаются в специальных гнездах, имеющихся в пластинах - держателях. Толщина пластин и способ размещения в них биообъектов должны удовлетворять двум противоречивым требованиям:

- с биологической точки зрения толщина держателя и размеры гнезд

-48-

должны быть как можно больше, так как это позволяет увеличить количество питательных веществ в воздухе, улучшает теплообмен, гарантирует целостность объекта в блоке;

- с физической точки зрения толщина держателя должна быть как можно меньше, чтобы биологические слои находились ближе к детекторам - это увеличивает точность топической регистрации.

В связи с этим для каждого типа биообъектов опытным путем выбирается такой вариант пластины-держателя, в котором необходимые с обеих точек зрения требования компромиссно удовлетворяются.

Улучшение статистической обеспеченности получаемых данных связано с увеличением количества биологических объектов, размещаемых в "Биоблоке".Это может быть достигнуто путем увеличения плотности биообъектов в слоях-держателях, либо увеличением количества последних. Однако и то и другое приводит к уменьшению точности топической регистрации и идентификации частиц. В связи с этим представляется важным обоснованный подход к выбору плотности размещения биообъектов. Оптимальная плотность п0 определяется соотношением

104

[1 - ехр()] • К2 Б

< п <

0.4

(30)

где Р-флюенс тяжелых частиц, Б - площадь сечения биообъекта, Б -площадь слоя-держителя биообъектов, К - заданная статистическая точность "биологической" части эксперимента.

На рис. 28 представлена в графическом виде зависимость плотности размещения биообъектов от величины флюенса частиц при нескольких типичных значениях К и Э0. Оптимальные значения п0 лежат мажду соответствующими границами. В реальном эксперименте количество пораженных биообъектов будет определяться и рядом не указанных нами факторов (биологическая вариабельность, резко выраженная пространственная неоднородность потоков частиц, временные флуктуации потоков и т.д.), детальный учет которых выполнить невозможно. Тем не менее вышеприведенное соотношение, несомненно, является полезным на стадии планирования эксперимента, так как позволяет оценить необходимую плотность размещения биообъектов.

Форма.и конструкция блоков и соотношение между его размерами для конкретного эксперимента определяются исходя из количества и типов биологических объектов, необходимого набора физических данных, весовых и габаритных ограничений, условий проведения эксперимента, технологических возможностей, применяемой системы и .аппаратуры для

поиска пораженных объектов и измерения треков. Основные элементы конструкций "Биоблока" показаны на рис. 29.

Рке.29. Основные элементы конструкт! "Биоблока": »/-каркасы; о/-детектор-держатель биообъектов; в/-пластины-держатели; г/-<Зиосло* на основе ядерного «агкрофильтра; д/-сборочяа.

Особо следует сказать о конструкции сборки детекторов, предназначенной для экспериментов по изучению действия тяжелых ядер космического излучения на клетки функционирующего мозга мышей.Использование традиционной конструкции в этом случае исключалось.Поэтому применялись бесштыревые сборочки из пяти детекторов,фиксированных друг относительно друга при помощи цапон-лака (рис.29д).Сборочки были заварены в вакууме в стерилизованные лавсановые чехлы.Качество швов проверялось под микроскопом. Затем сборочки подскальпно крепились на верхней части головок мышей.

Рис,301 Сборка пластины-держателя и протравленных детекторов / микрофотография /.

Рис Л. Схема к расчетному определению прохождения частиц через Оиоовъекты: а/-горизоитальиая проекция; б/-поперечное сечение.

Для обнаружения пораженных биообъектов пластину-держатель совмещают с прилегающими к ней детекторами. При совмещении используются

те же отверстия в слоях и штифты,что и при экспонировании.Наблюдение в стереомикроскоп позволяет видеть все слои одновременно. На рис. 30 представлена микрофотография характерного поля зрения. На рис.31а схематически изображена картина,наблюдаемая в микроскоп (вид сверху), а на рис.316 представлено взаиморасположение биообъекта и трека в сечении плоскостью А-А. В /13/ показано, что условием попадания частицы в биообъект является выполнение соотношений

h

n < 1 <--q , (31)

h+Ah0+b h+AhQ+b

--п < 1 <--а . (32)

Н+Ь+Д^-Ь Н+П+Дй0-Ь

при наблюдении картины со стороны верхнего и нижнего детекторов, соответственно.

Соотношения (31) и (32) очень удобно использовать, т.к. п, q, 1 - непосредственно измеряемые величины, а множители перед п и ч -практически одинаковы при анализе поражения однотипных биообъектов в пределах одного слоя-держателя.

Если характерные размеры биологических объектов очень малы (несколько микрон),то описанный экстраполяционный метод поиска пораженных объектов может привести к ошибкам. В этом случае предпочтителен метод,основанный на одностороннем травлении детектора, который одновременно является и пластиной-держателем. Погрешность определения координат может быть уменьшена до ДХ~ДУ=0.35 мкм и Дб = 0.2°/36,38/.

На рис. 32 представлена краткая схема полной обработки и анализа результатов эксперимента. После окончания экспонирования "Биоблок" демонтируется. Детекторы подвергаются травлению, после чего производится поиск пораженных биообъектов. В результате все биообъекты, входившие в состав "Биоблока", делятся на две группы "пораженные" и "не пораженные". Группа "не пораженных" биообъектов является контрольной с точки зрения прочих условий проведения эксперимента. Дальнейшая работа с ними производится по соответствующим биологическим методикам.

Анализ результатов измерений позволяет выявить необходимые физические характеристики всех частиц, в том числе и поразивших биообъекты. Такими характеристиками являются: заряд, энергия и ЛПЭ

частиц в точке прохождения их через биообъекты. Эти же данные позволяют рассчитать и микродозиметрические характеристики частиц. Совокупность полученных физических данных позволяет интерпретировать биологические данные.На основе этого.а также результатов других аналогичных исследований возможна,по мере накопления данных, формулировка закономерностей действия тяжелых ионов на биологические объекты.

Б И О Б Л О К

| Детекторы ¡Обработка детекторов^—

Е

^Экспонирование)

С

Физические исследования

N

о

П> *

С в о

С

* Й.

Я V 1 * « 2

м Ь яЬ

Вкоаогкчеаш* сдои! ( 11

Обнаружение пораженных биообъектов

ЛолетныЯ контроль

Наземный

хомтрпль

Биологические исследования!

Заряд, внергия, ЛПЗ адстии

Мик роасзи метрические характеристики частиц

Коли честве нн а » интерпретация эффектов

Оценка радиационной опасности ТЗУ

ттт

Фор мулирование закономерностей

Аналогичные данные о космическом излучении

+ 4

? ^

р | я

г а 3 £

Рис.32. Схема обработки и анализа экспериментов "Биоблок".

С другой стороны, анализ результатов измерения всех треков позволяет получить зарядовые, энергетические и ЛПЭ спектры ионной компоненты космического излучения в условиях данного эксперимента, а также ее интенсивность и изотопный состав. Совокупность всех полученных в эксперименте конечных радиобиологических и физических данных и данных других аналогичных экспериментов позволяют проводить общие или частные оценки радиационной опасности тяжелых ионов космического излучения. В зависимости от категории эксперимента схема обработки реализуется полностью или частично.

4.3. Некоторые результаты экспериментов "Биоблок"

Общие сведения о проведенных с нашим участием экспериментах типа "Биоблок" представлены в табл.5.Там же содержатся и данные об экс-

-52-

Таблица 5. Эксперименты типа "Биоблок"

i

СП

со I

Эксперимент, спутника Космический корабль, расположение блока, длительность полета (сутки) Состав блока Количество попаданий Доля пораженных объектов 7.

Биообъекты Детекторы точность, мкм

"Биоблок-1", 1973 Космос - 613, внутри, 60 Микроколонии дрожжей, семена Arabidopsis НЦ, лавсан, ЯЕЭ, 30 23 51 14.0 4.7

"Биоблок-2", 1975 Космос - 690, внутри, 21 Микроколонии дрожжей, семена Arabidopsis мозг мшей НЦ, лавсан, 30 46 64 6-11 9.6 5.2

"Биоблок-СФ-1" 1975 Космос - 782, внутри, 20 Микроколонии дрожжей, семена Arabidopsis, семена салата, мозг мьшей НЦ, СА-80-15, 5-30 18 65 59 5-13 11 4.3 7.8

"Биоблок-ОТ-2" 1977 Космос - 936, внутри, 20 Семена салата, Цисты Artemia Salina НЦ, 3-15 107 10.2

продолж. табл. 7

Эксперимент, спутника Космический корабль, расположение блока, длительность полета (сутки) Состав блока Количество попаданий Доля пораженных объектов 7.

Биообъекты Детекторы точность, мкм

"Биоблок-сяь 4" 1979 Космос - 1129, внутри, 19 Семена салата, Цисты Artemia Salina НЦ. СА-80-15, Macrofol, 3-15 - 6(снаружи) 4.8(внутри)

"Биоблок-СФ-5" 1983 Космос - 1514, снаружи, 5 Семена салата, Цисты Artemia Salina НЦ. СА-80-15, 5 - 3.2

"Биоблок-ОФ-3" 1982-83 г.г. 0ПС"Садют-7", внутри, 40 201 457 Семена салата, Цисты Artemia, Salina НЦ, CN-85 лавсан, 3-5 262 597 502 10.5 58 80

"Ритм-1", 1975 "Союз-Аполлон", внутри Зонообразую-щий гриб, бактериофаг НЦ, СА-80-15 1-3 13-24 11 _

"Зкзоблок-1" 1985 Космос - 1667, снаружи, 7 Семена салата. Artemia Salina НЦ, CN-85 3-5 - 14

"Экзоблок-2" 1987 Космос - 1887, снаружи, 13 Семена салата. Artemia Salina НЦ, CN-85 CR-39, 3-5 - 23

периментах с использованием трековых детекторов по исследованию действия ядер на мозг мышей и культуру зонообразующего гриба.

Некоторые радиационно-физические данные, полученные при обработке результатов экспериментов, приведены в гл. 5. Что же касается радиобиологических результатов, то они подробно рассмотрены в /5/. Здесь же отметим, что были изучены различные биологические реакции, при этом степень их выраженности варьировала в широких пределах: полное нарушение клеток, нарушение процессов деления клеток, запаздывание развития, различные мутации. Как правило, степень выраженности нарушений определяется типом и фазой активности биообъекта и, в значительной степени, координатами прохождения через него ядер. Например, образование проростка с двумя корешками вызвано прохождением тяжелого иона вблизи корневой меристемы семян. В то же время проростки семян с попаданием ядер в корневую меристему на 2-3 день по признакам не отличаются от контрольных, но все они имеют клетки с множественными аберрациями. При попадании ядер в эндосперм семени различные изменения в росте и развитии проявлялись с первых дней прорастания и были отчетливо заметны в последующие дны во время формирования листьев. В сетчатке глаза и тканях мозга мышей, а также в семенах салата вдоль траекторий некоторых частиц наблюдались каналы вымерших клеток. Благодаря топической регистрации прохождения частиц в одном из наших экспериментов ,впервые удалось количественно оценить и показать качественные молекулярные особенности мутагенного эффекта, связанного с действием тяжелых ядер на бактериофаг. На тех же и других биообъектах были обнаружены и изучены качественно и количественно и многие другие эффекты, однако подробное изложение их не входит в наши задачи.

В последующих исследованиях целесообразно использовать, помимо применявшихся, также и другие объекты: колонии и изолированные клетки млекопитающих, клетки высших растений и хлореллы, вольфию, бактерии и т.д. Методической трудностью при организации таких исследований является создание адекватных для биообъектов условий существования. Изучение некоторых эффектов, например, возможных процессов восстановления, требует, наряду с увеличением статистики наблюдений, также знания момента времени поражения объекта. Эти два требования противоречивы, так как увеличение длительности экспонирования "Биоблоков", необходимое для улучшения статистики, обуславливает большую неопределенность интервала времени поражения объекта.В связи с этим перспективным для проведения дальнейших экспериментов является использование устройства типа "Рубин" или "Кварц" (разд.3.4). Схема "Биоблок" находит применение и в других областях, например,для исследования действия тяжелых заряженных частиц на материалы,в частности, на элементы микроэлектроники /28/.

-55-

ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ И СПЕКТРОВ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

В процессе дальних и околоземных полетов биологические объекты и конструкционные материалы космических кораблей подвергаются воздействию потоков тяжелых ядер космических лучей, вызывающих радиационные эффекты, характер которых определяется составом и энергетическим спек тром космических лучей в открытом космосе и за защитой. При этом основной интерес с точки зрения превалирующего действия представляют тяжелые ядра от углерода до железа с энергией в диапазоне от 100 до 800-1000 МэВ/нуклон. Ко времени начала наших работ, как уже отмечалось, были сформулированы общие аспекта происхождения и распространения космических лучей, модельные представления о формировании их энергетических и зарядовых спектров (см. .например /7'/). Однако детальные данные, особенно по тяжелым ядрам, достаточные для целей практической космонавтики, носили фрагментарный характер или отсутствовали. Вместе с тем, открывшиеся к концу 60-х годов возможности прямого наблюдения в космосе позволили проводить изучение энергетического спектра, зарядового и изотопного состава, пространственного распределения и временных вариаций всех компонентов космических лучей в широком диапазоне энергий, в том числе и в ранее недоступных для исследований участках энергетического диапазона.

Наши исследования потоков и спектров космических лучей, главным образом галактических, в околоземном космическом пространстве проводились с 1973г. до настоящего времени. Некоторое внимание уделялось и потокам низкоэнергетичных ионов других компонентов космических лучей, оказывающих основное радиационное действие на внешние конструкционные элементы кораблей.Эксперименты с использованием диэлектрических трековых детекторов и методов, описанных в главах Ш, IV, проведены на спутниках "Космос-605, 613, 690, 782, 936, 1129, 1468, 1667, 1672, 1715,1728, 1757, 1760, 1781, 1837, 1882. 1887, 1905, 1907. 1915, 1938, 1967, 2006. 2029, 2036, 2044", кораблях "Союз-16, 20" и "Союз-Аполлон", а также на орбитальных пилотируемых станциях "Салют-4", "Салют-6" и "Мир". Ниже обобщены результаты исследований, опубликованные в работах /40-71/.

5.1. Галактические космические лучи

Флюенс и плотность потока. Измерения флюенса и плотности потока тяжелых ядер носили систематический характер и относились в основ--ном к ядрам ГКЛ с зарядом Z>6 и ЛПЭ1000>200 или 250 кэВ/мкм. Эксперименты на спутниках проводились как на наружной поверхности,

-56-

так и внутри космических кораблей за различными слоями защиты, вплоть до 24 г/см2, на орбитальных пилотируемых станциях (ОПС) - в различных точках внутри станций. Параметры орбит по высоте,в основном, находились в интервале 200-400 км, а наклонение 52,63,72 и 82°.Плотность потока тяжелых ядер ГКЛ составила (0.1-0.8)•104 м"гсутки_1на ИСЗ и (0.1-0.35)•104 м"гсутки_1 на ОПС. Детальные данные по состоянию на 1984 год представлены в работах /40-45/.

Однако глубокий анализ и, тем более, использование данных, полученных на одной орбите, применительно к другой орбите, не представлялся возможным. Поэтому нами был разработан метод, позволяющий объединять данные по потокам тяжелых ядер, полученные с помощью ДТД на разных орбитах и в различные периоды времени, в единый унифицированный ряд данных, так называемую мониторную серию /46-48/. В основе лежит проведение рассчетного анализа трансформации межпланетного спектра ядер ГКЛ в интервале зарядов 6<г<28 с энергией 50<Е<1000 МэВ/нуклон при проникновении частиц внутрь магнитосферы Земли за известные слои вещества и моделирование показания ДТД с заданными пороговыми характеристиками. Это позволяет решить обратную задачу - по результатам измерения плотности треков в ДТД на различных околоземных орбитах перейти к плотности потока тяжелых ядер в межпланетном пространстве в тот же период времени.

Временная зависимость энергетических спектров в промежуточные годы между минимумом и максимумом 11-летнего цикла солнечной активности (СА) определялась по синусоидальному закону. Функция пропускания для различных орбит вычислялась по данным мировой сетки эффективных вертикальных жесткостей геомагнитного обрезания с учетом высоты орбиты. При расчетах проникновения ядер за орбиту учитывались процессы ионизационного торможения и ослабление потока ядер вследствие ядерных взаимодействий. Исходя из энергетических и зарядовых спектров ядер на заданных орбитах рассчитывались соответствующие спектры ЛПЭ1000 и затем, имея в виду известный порог и эффективность регистрации детектора, вычислялись ожидаемые на этих орбитах плотности треков, которые должны быть зарегистрированы за различными слоями защиты из алюминия. Результаты расчета для типовых орбит в период максимума и минимума СА показали, что характер зависимости количества треков от толщины защиты слабо меняется при уменьшении угла наклонения орбиты. Отношения плотностей треков на орбите и в межпланетном пространстве в один и тот же период при двух значениях толщины защиты - 0.25 и 4.0 г/см2 от наклонения орбиты фактически не зависят от периода СА. Независимость пересчетных коэффициентов от времени является очень важным результатом и имеет большое практическое значение, т.к. позволяет .определять потоки ядер и спектры ЛПЭ на любой орбите ИСЗ или за пределами маг-

-57-

нитосферы путем вычислений на основе результатов прямых измерений, проведенных на любой произвольной орбите в данный период времени. Это обстоятельство и было использовано при анализе и систематизации наших экспериментальных данных,полученных как до 1984г.г.,так и позднее до 1992 г.

1S14 1916 1918 1Я80 1981 1914 г/Мы

Рис.33. Динамика плотности штока ядер группы железа: 1-данные экспериментов и расчет/орбита с наклонением 62,3 /; 2-5-данные, пересчитанные к условиям межпланетного пространства с орбит: 2 - 62,3°; 3 - 70°; 4 - 88,3°; 5-5Т,8°; 6,7-расчеты по моделям.

С этой целью данные были пересчитаны к условиям ближнего межпланетного пространства. Результаты представлены на рис. 33. В левом нижнем углу показаны данные о плотности потока, измеренных в период минимума СА на орбите с наклонением 62.8° за защитным алюминиевым экраном толщиной 0.5 мм, а также ожидаемый в соответствии с вышеизложенной моделью уровень плотности потока для этого периода. Видно, что расчетное значение плотности треков без каких-либо нормировок согласуется с результатами прямых измерений. На рис.33 в виде ступенчатой линии показаны также усредненные по кварталам данные измерений плотности потока ядер углерода и кислорода, измеренные в межпланетном пространстве на спутнике IMP-8 /8'/. Можно заключить,что результаты пересчета наших измерений совпадают с результатами работы /8'/. Это означает,что процесс модуляции потоков ядер, как и следует ожидать из теоретических соображений,протекает одинаково для ядер одинаковой жесткости независимо от величины их заряда(80% треков в наших измерениях образованы ядрами с Z>20).

Прерывистая и сплошная линии на рис. 33 представляют результаты расчетов плотности треков по моделям /9'/ и /46,47/, соответственно. Очевидно, что описание модуляции потоков частиц ГКЛ синусоидальной функцией весьма несовершенно. Это сказывается даже на на-

шей кривой, соответствующей периоду после 1982 г. Для улучшения модели в нее на основании наших экспериментальных результатов были внесены изменения, учитывающие анизотропную диффузию частиц в межпланетном пространстве с привлечением эффектов запаздывания и дрейфа /48, 10'/. На рис 34 показана модуляционная кривая по модели /48,10'/ и наши мониторные данные, полученные вплоть до 1992г.Модифицированная модель была использована в качестве основы при разработке серии государственных стандартов, содержащих методы расчета потоков космических лучей,необходимых для оценки воздействия ядер ГКЛ на технические устройства, биологические и другие объекты в космическом пространстве /49-54/.

Год

Рис.34. Динамика плотности потока ядер группы железа.: ■ - измерения на ИСЗ; □ - измерения на ОПС.

В эксперименте на ИСЗ "Космос-2044" ( полет 15-29 сентября 1989г.,1= 82.3°,Ь =216 км) в открытом космосе экспонировалась сборка трековых детекторов С1Ь85,СК-39 и отечественного НЦ.При обработке результатов эксперимента была произведена селекция треков по их геометрическим размерам раздельно для каждого типа детектора. Показано /60/, что сопоставление полученных данных с результатами расчетов по моделям /48,10'/ и АР-8 ожидаемых потоков частиц ГКЛ и РПЗ с несколькими значениями ЛПЭ(совпадающими с порогами регистрации детекторов) на разных глубинах сборки, позволяет получить значение флюенсов ядер ГКЛ,протонов РПЗ и продуктов неупругого взаимодействия протонов РПЗ и нейтронов с ядрами вещества детекторов. Получено значение 104м"2с"1ср"1 интегрального потока нейтронов с энергией более 1 МэВ, что находится в согласии с результатами прямых измерений потоков нейтронов на том же спутнике/11'/.

Зарядовые и энергетические спектры ядер ГКЛ. Исследование спектров тяжелых ядер проводилось нами на нескольких спутниках /23.26, 42,55,56/.В качестве примера рассмотрим эксперимент такого типа на ИСЗ "Космос -936", запущенном в период минимальной солнечной актив-

ности 3.07.77/56/.Продолжительность полета была 19.5 суток, наклонение орбиты 62.8°,высота в апогее-419 км,высота в перигее-224 км.

Анализ направлений входа частиц в выделенный слой детекторов показал, что через заднюю полусферу в него входит не более 3% частиц. Не внося большой статистической погрешности, можно было учитывать только треки частиц,прошедших через переднюю полусферу в интервале углов входа 0-45°.Все ядра с зарядом г>18, зарегистрированные в указанном интервале углов, имели энергию от 100 до 450 МэВ/нуклон.

Г--

+

300 £00

Пэв/нмлон

Рис.35. Дифференциальные энергетические спектры ядер группы железа:•-аппаратурный спектр;с-спектр,падаю-щийна блок ;о -спектр.падающий на спутник.

§

Л

к

То <ч 1ё

К

Рис.36. Зарядовый спектр ядер.

На рис. 35 показан дифференциальный энергетический спектр ядер группы железа в месте расположения блока детекторов. Этот спектр был использован для построения энергетического спектра, падающего на спутник в предположении, что в пределах телесного угла с раствором 0-45° экранирующий слой можно считать плоским, а фрагментацией ядер можно пренебречь. На рис. 36 представлен зарядовый спектр ядер с энергией 100-450 МэВ/нуклон. Для ядер железа определено относительное содержание различных групп изотопов. Полученные данные, а также результаты аналогичных измерений, выполненных до времени проведения нашего эксперимента только в верхних слоях атмосферы другими авторами, приведены в табл. 6. В целом в пределах погрешности экспериментальные данные совпадают, однако они существенно отличаются от имевшейся теоретической оценки.

В эксперименте на ИСЗ "Космос-782" /55/ было получено- зарядовое распределение релятивистских (Е > 1ГэВ/нуклон) ядер с г=30-40, на станции "Салют-6" -распределение частиц по зарядовым группам /26/.

Широтное распределение потоков ядер. В период с 17 по 21 мая 1981г. на орбите станции "Салют-6" (высота- 350 км, наклонение^ .6° ) было измерено широтное распределение потока ядер преимущественно группы железа с энергией 100-400 МэВ/нуклон /26/. В эксперименте использовался прибор "АзЬго-Я". Прибор находился в переходном отсеке около стенки станции.Электронный блок управления '

обеспечивал высокую степень синхронизации перемещения детекторов с периодом обращения станции.

Таблица 6. Относительное содержание изотопов железа

Остаточная атмосфера, кг • см Цитированная работа Группа изотопов

(52+53)+54 (55)+56+57 58+(59+60)

1. 8 12' 0.38+0. 04 0.48+0. 04 0.15+0.03

2.0 13' 0. 38±0. 08 0. 60±0. 12 0.10±0.05

3. 0 17' 0.28+0. 07 0.43+0.09 0. 30+0. 07

ИСЗ"Космос-936"

(эксперимент) 56 0. 30±0. 08 0.49+0.10 0. 21+0. 05

Теоретические 16' 0. 08 0. 003

предсказания 0.9

0.1

т-1—I—I-1-1-1—г-р—г-

-т—I—I—I—г

Г^ГЬ-

-51 / -тг -345 I 15.9 47.2 51.Ь

1 ? ' I_' I ; |_1-1_1

-50.5 -«1.7 -25.(1 ->,Чц5.Ч 11.Г ¡3.5,

Рис.37. Распределение потока тяжелых ядер по географической гииротеЛ".

Результаты эксперимента, касающиеся широтного распределения потока ядер, представлены на рис. 37, где помимо экспериментальных точек (точки 3) нанесены расчетные значения, полученные на основе стационарной модели магнитосферы (кривая 1). Как следует из рисунка, в эксперименте зарегистрированы ядра на широтах 30-40°, куда ядра с энергией до 400 МэВ/нуклон из межпланетного пространства проникать не могут. Расхождение не может быть вызвано и тем. что расчет был выполнен для ядер железа, поскольку все остальные ядра с К2& имеют магнитную жесткость меньше, чем ядра железа с той же энергией на нуклон. Было показано также, что результат не чувствителен к возможным погрешностям измерений (точки 4). Результаты экс-

перимента могут быть согласованы с расчетом, если предположить,что частицы,проникающие на орбиту,имеют магнитную жесткость вдвое большую ( кривая 2),т.е. их заряд Ъ* составляет половину заряда ядра {!' = 2/2). Однако,это противоречит данным о соотношении вторичных и первичных первичных ядер ГКЛ в этом диапазоне энергий, анализ которых показывает, что полное количество вещества, проходимое частицами от источника до Земли,составляет 10 г/см2.Исходя из этого был сделан вывод,что возможным объяснением результата эксперимента является сдвиг границы проникновения ядер.обусловленный возмущением магнитного поля Земли из-за проходившей в этот период солнечной вспышки /15'/. Второе возможное объяснение - наличие в ГКЛ группы неполностью ионизованных ионов.

На период максимума солнечной активности в 1988-1992г.г.была подготовлена серия экспериментов на ИСЗ серии "Космос" и ОПС "Мир",в рамках которой предполагалось решить ряд задач:получение данных о пространственных (широтно-долготных) распределениях потоков тяжелых ядер в том числе в районе геомагнитных аномалий;изучение временных изменений потоков КЛ,обусловленных изменением солнечной активности;измерение энергетических спектров тяжелых ядер КЛ в широком интервале энергий, в частности, исследование вариаций спектра во время геомагнитных возмущений с учетом рклада СКЛ в общий поток КЛ; исследование во времени потоков аномального компонента КЛ. К сожалению,исследования, актуальность которых как в научном, так и в практическом плане по-прежнему высока,до сих пор не были проведены по независящим от нас причинам.

Спектры ЛПЭ. Измерения интегральных спектров ЛПЭ проводились нами на нескольких спутниках двумя способами: а)при помощи "сэндвичей" ДТД с различными порогами регистрации /45/; б)с использованием зависимости скорости травления вдоль трека от ЛПЭ /41,42,44, 58-60, 70/. На рис.38 представлена часть полученных данных. Спектры в интервале 10 < ЛПЭ1000< 10 кэВ/мкм описываются степенной зависимостью от ЛПЭ с показателем К=-(2.5+2.7), который слабо зависит от периода измерений и толщины экранирующего материала.

Показателен эксперимент на ИСЗ "Космос-936" по измерению внутри спутника спектров ЛПЭ частиц,приходящих в данную точку по взаимно перпендикулярным направлениям /44/. По схеме эксперимента наши (7Г-12Г) и американские детекторы СА-80-15 были установлены на всех гранях куба со стороной 7 см; "передняя" грань с детектором 17 была параллельна оболочке спутника. На рис.39 представлены интегральные спектры ЛПЭ. измеренные семейством ортогонально расположенных детекторов 7Г-12Г. Там же отображены результаты измерения флюенса частиц с ЛПЭ >200 кэВ/мкм (кружок) и ЛПЭ > 500 кэВ/мкм (прямоугольник).

Рис.39. Интегральные спектры ЛПЭ, измеренные системой ортогональных детекторов на ИСЗ ''Космос - 936".

По данным гамма-толщинометрии спутника относительно центра куба толщины экранирующих детекторы материалов по нормали к детекторам составили (в порядке возрастания номеров детекторов): 8.5, 25.0, 22.0, 55.0, 20.0 и 6.О г/см2. Однако полное угловое распределение толщины носит более сложный характер. Поэтому приведенные значения толщин лишь приблизительно отображают истинную экранировку каждого детектора. Отмеченные особенности спектров показывают, что результаты измерений в условиях сложного гетерогенного распределения толщин экранирующих материалов слабо зависит от ориентации детектора. Напомним, что этот вывод относится только к потокам высокоэ-нергетичных ядер ГКЛ.

В экспериментах на ИСЗ "Космос-936 и 1129" показано /42.61/, что среднее значение ЛПЭ частиц ГКЛ практически не меняется при прохождении тканеэквивалентного вещества толщиной вплоть до 13 г/см2.

Оценка поражающего Эеаствия ядер ГКЛ. Спектры ЛПЭ используются как для расчетов дозы,так и для оценки радиационных эффектов одиночных частиц. В работах /44,61/ на основе полученных спектров ЛПЭ сделаны оценки доли пораженных (инактивированных) клеток Т1 некоторых биообъектов тяжелыми ядрами ГКЛ. Значение -ц и его изменение с глубиной вещества в общем случае может быть рассчитано по формуле:

t dB

ц = 4Я 6(L)-

J dA dQ (

dA dQ dL

dL,

(33)

где N - количество частиц, A - площадь проекции объекта и б - сечение инактивации.

В /44/ рассчитывались значения т\ для бактерий Е. coll, клеток почки и мозга человека. Сечения поражения были взяты в виде:

Первые два выражения верны в диапазоне 100 < L < 280 кэВ/мкм; аналогичные выражения для клеток мозга отсутствовали, поэтому для оценки было принято усредненное геометрическое сечение, не зависящее от ЛПЭ. Расчет проводился для участка спектра 100 < L < 280 кэВ/мкм, в котором содержится не более 0.1% частиц ГКЛ.

Оказалось, что за 18.5 суток на орбите спутника "Космос-936" доля клеток, инактивированных ядрами, имеющими значения ЛПЭ в пределах приведенного диапазона, составляет:1.6-10"6 бактериальных клеток, 1.3-10"5 клеток почки, 3.7-10"4 клеток мозга. В работе /61/ на примере клеток почки показано, что доля пораженных клеток практически неизменна при толщине органа вплоть до 13 г/см2 .

Результаты расчетов показали, что при более длительных полетах и на более высоких орбитах количество пораженных клеток может достигать нескольких процентов и, что более важно, вероятность поражения уникальных структур мозга может быть достаточно значима. Это указывает как на важность проведения измерений и разработки адекватных методов расчета спектров ЛПЭ, характерных для различных орбит пилотируемых космических кораблей, так и на необходимость уточнения данных по сечениям клеток, особенно клеток мозга, и уникальных структур органов, критичных с точки зрения одиночных воздействий плотноионизирующих частиц.

1.76L , мкм2- для Е.соИ, 12.9ÛL1-5, мкм2- для клеток почки.

(34)

клеток мозга.

5.2. Тяжелые ядра в верхних слоях атмосферы

В 1974-83Г.г. нами была проведена серия экспериментов на высотных аэростатах и самолетах по изучению потоков и спектров тяжелых ядер в верхних слоях атмосферы.Эксперименты проводились с целью оценки радиационных воздействий ядер на экипажи самолетов высотной авиации. Полеты высотных аэростатов проходили в основном вдоль параллели (53±3)° с.ш.на высоте 24-35км. Продолжительность полета составляла 3-7 суток. До 1979г. в наших экспериментах использовались только пассивные сборки детекторов, главным образом из отечественного нитрата целлюлозы. Было показано, что усредненная по времени полета и по высоте плотность потока длиннопробежных тяжелых ядер с ЛПЭ1000 > 200 кэВ/мкм составляет в зависимости от периода измерений и дополнительного экранирования (0.15-0.30) част/ см2-сутки, т.е. примерно столько же, сколько внутри спутников на околоземных орбитах /45/. На высоте 8-10 км эта же величина составляет менее 2-10"7 част/см2-сутки.

Наиболее информативным был эксперимент на аэростате, запущенном 4.07.83 с Камчатки /25/. Полет аэростата проходил в течение 7 суток вдоль (53±3)° с.ш. Остаточная вертикальная плотность атмосферы 10-20 г/см2. Использовался комплект аппаратуры "Кварц" (геометрический фактор регистрации - 900 см2ср; временное разрешение - 0.5 часа; диапазон регистрируемых энергий на входе в атмосферу -(400-1500) МэВ/нуклон). В течение первых -60 часов полета велась запись высоты полета аэростата, однако затем произошел сбой систем отслеживания высоты аэростата,что.в свою очередь,не позволило дифференцировать данные,зарегистрированные в течение последних 4-х суток полета. Зарегистрированные частицы идентифицировались по полной травимой длине треков.

Для получения детальной информации о спектрах тяжелых ядер ГКЛ за различной толщиной атмосферы из всего массива были отобраны частицы, зарегистрированные в течение первых 60 часов. Это позволило определить остаточный пробег частиц в атмосфере и, зная его, рассчитать энергию на входе частиц в атмосферу. Сравнение полученных значений плотности потока с имевшимися литературными данными /16',17'/,представлено на рис.40. Плотность потока зарядовой группы 20 < Ъ <28,измеренная в нашем эксперименте при жесткости геомагнитного обрезания -3.5 ГВ на спаде максимума солнечной активности и значения,полученные в работе /16'/ при жесткости -2.5ГВ в максимуме солнечной активности, хорошо ложатся на одну прямую.

Зарядовый спектр ядер (17 < Ъ <26), зарегистрированный в течение первых 60 часов полета,представлен на рис.41. Полученные данные разбиты на три группы в зависимости от пробега в атмосфере и блоке

детекторов: 14 < К,г/см2 < 20 (светлые треугольники); 20 < К < 30 (черные квадраты) и 30 < И < 40 (светлые кружки). Как видно из рисунка, исходная форма спектра значительно искажается за счет процессов фрагментации, происходящих в атмосфере.

(«1

т «мяк

1

Ч

о 10 30 30 ¿0 3» Й Л 8» 9« 100 ^«¿^

Рис, 40. Плотность потока тяжелых ядер космических лучей в верхних слоях атмосферы.

Рис. Зарядовые распределения тяжелых ядер, зарегистрированных в различных интервалах остаточной плотности атмосферы.

5.3. Низкоэнергетичные ионы в околоземном пространстве

Первые данные о наличии низкоэнергетичных ионов в околоземном пространстве были получены нами /63/ в период минимума солнечной активности в экспериментах на ИСЗ "Космос-690" (период полета 22.10.74-12.11.74) и "Космос-782" (25.11.75-15.12.75). Орбиты полета спутников были весьма близки: наклонение - 62.8°. 11 = 389 и 405 км, Ь = 223 и 227 км. На наружной поверхности спутников в контейнерах типа изображенных на рис. 21 находились открытые детекторы из лавсана, слюды мусковит и неорганических стекол, предназначенные для пороговой регистрации групп высокоэнергетичных тяжелых ядер. После возвращения в лабораторию первые два типа детекторов обрабатывались стандартным образом, а стекла - по методу, предложенному в /62/. При сканировании детекторов, помимо редких треков высокоэнергетичных ядер, было неожиданно обнаружено, что подавляющее количество треков можно отнести к низкоэнергетичным ядрам. По

ЛПЭ-порогу регистрации они были идентифицированы как г>6, 2У10 и г>16. Флюенс ядер с г>6 и энергией менее 0.3 МэВ/нуклон составил 4-10есм"2, с зарядом г>10 и энергией менее 1 МэВ/нуклон - 105см~2; с зарядом г>16 и энергией в диапазоне 0.5+5.0 МэВ/нуклон - 30 (на ИСЗ "Космос-690"). Впоследствии оказалось, что обнаруженные нами потоки низкоэнергетичных ядер в целом хорошо соответствуют значениям потоков, также неожиданно зарегистрированным в 1973-74 г.г. детекторами на внешней поверхности космического корабля "Скай-лэб-3"/18'/, орбита которого находилась на высоте 420 км при наклонении 52° .Другая группа исследователей на том же космическом аппарате обнаружила значительные потоки ионов С, N. О и Не с энергией 5-20 МэВ/нуклон при максимуме в районе 15 МэВ/нуклон. Отношения потоков О/С, И/С и Ие/С оказались равными 4.7+1.4, 1.0+0.2 и 0.04+0.1, соответственно /19'/. Отмеченные особенности позволили отнести обнаруженные потоки к т.н. аномальному компоненту ( АК ), регистрируемому в межпланетном пространстве начиная с 1972 г.

Отличительными особенностями потоков АК являются:

- наличие максимума спектра при энергии в районе 10-15 МэВ/нукл;

- существенно меньшее соотношение распространенности С/0 по сравнению с тем же соотношением для ГКЛ и СКЛ. Кроме того, длительное время дискуссионным вопросом оставалось зарядовое состояние ионов АК. Например,согласно анализу результатов исследований АК в межпланетном пространстве различными авторами высказывались предположения о заряде ионов кислорода от 0.=+1 до 0=+8 (см. библиографию в /64/).

Полученные в первых экспериментах данные показали,что в околоземном пространстве наличествует интенсивный компонент низкоэнергетичных тяжелых ядер. Эти ядра хотя и не представляют прямой радиационной опасности для биокомплекса космических кораблей, однако могут являться одним из факторов разрушения поверхностных элементов кораблей и являться причиной нарушения функционирования электронных устройств.

Вместе с тем были поставлены вопросы о происхождении, путях проникновения в магнитосферу Земли и временных закономерностях появления низкоэнергетичных потоков ядер. Результаты наших исследований в этой области, проведенных в период 1983-1990 г.г., представлены в работах /64-68/.

Методика исследований описана в /64/. Она включает в себя определение ядерного заряда иона по (1-й ) -методу, энергии - по пробегу в сборке детекторов и расчет падающего потока. Существенным элементом является выявление ионного заряда. Для его определения обычно применяется косвенный метод пересчета потока ионов в пределах зарегистрированного энергетического спектра к условиям межпла-

-67-

нетного пространства в различных предположениях относительно ионного заряда Q ионов данного элемента (чаще всего кислорода). Совпадение результатов прямых измерений потоков в том же энергетическом интервале в межпланетном пространстве (данные американских спутников серии IMP) и результатов пересчета при каком-либо из предположений относительно Q служит подтверждением данного предположения. В работах /65, 66/ нами был предложен прямой метод определения ионного состояния по результатам измерений, проведенных одновременно на двух орбитах ИСЗ, имеющих различные наклонения (i из). Суть метода следующая. Для каждой орбиты отношение h потока исследуемых частиц F(E,A/Q) с энергией Е, массой А и неизвестным значением ионного заряда Q к потоку F'(Е .А/й~2) ядер ГКЛ определяется следующим образом:

И = F(E,A/Q)/F' (Ег,2) = Ф(Е. A/Q) • FQ (Е) /Ф(Ер, 2) ■ FQ ' (Er ), (35)

где F0(Е) и F '(Е )- потоки исследуемых ионов и ядер ГКЛ за пределами магнитосферы; Ф(Е, A/Q) -'известные функции геомагнитного пропускания, определяемые как доля времени, в течение которого ИСЗ находится в области геомагнитного поля, доступной для частиц, приходящих из межпланетного пространства. Отношение

6i j= \ /TIJ= Ф1 (Е' A/Q)' (Ег • 2) (Ер. 2) ■ Ф3 (Е, A/Q) (36)

не зависит от упомянутых потоков за пределами магнитосферы и является лишь функцией параметров геомагнитного поля и орбит спутников. Таким образом,для определения значения Q достаточно сравнить экспериментальные и рассчетные (полученные при различных значениях Q) значения отношений .Этот метод был использован для определения значения Q ионов' кислорода по результатам экспериментов на ИСЗ "Космос-1882" и "Космос1887", полет которых проходил примерно в один и тот же период.

На рис.42 приведен энергетический спектр частиц (Z>3), измеренный нами на ИСЗ "Космос-1571" (11-25.07.84). Во время эксперимента, осуществленного годом позже на ИСЗ "Космос-1672" (7-22.08.85) зафиксированы существенные изменения в характере энергетического спектра. Результаты, полученные на ИСЗ "Космос-1715" (8-22.01.85), подтвердили изменившийся характер энергетического спектра (рис.43). Анализ полученных результатов,проведенный в /68/,привел к надежному заключению о том,что впервые после минимума 1980-83 г. г. в околоземном пространстве появились ионы АК и их лоток нарастает. Кроме того,из сопоставления с результатами измерений на спутнике IMP-8 потоков АК в межпланетном пространстве был сделан

вывод о том,что для объяснения наличия ионов АК в околоземном пространстве достаточно предположить механизм прямого проникновения из межпланетного пространства.

/О

\

X «71

♦ тг

11

10

1' т

: к вСС » а . N " С Г I I п И |

I, КОВ/нуклон

Рис.Результаты измерений спектров ядер С,У,0 на ИСЗ "Космос-1&71" и "Косшс-1672*.

С, Мз0/иу«лои

Р*с. ЧЗ.Рбзультаты измерен»» спектров *яер С,Л/ , О на ИСЗ "Космос-1715".

Таблица 7. Условия и результаты измерения плотности потока ионов кислорода АК при энергии 12-16 МэВ/нуклон

Номер спутника Период полета Параметры орбиты Плотность потока, м"2с"1ср"1• (МэВ/нуклон) 1

Наклонение 1° Высота п . а КМ Высота Ь , р км

Космос-1571 11.06-25.06.84 70 305 242 (2. 0+1.'4) • 10~4

Космос-1672 07.08-22.08.85 82 260 205 (1.7+0.4) -Ю"3

Космос-1715 08. 01-22. 01. 86 73 308 236 (4. 5+0. 5) • 10"3

Космос-1760 19.06-03.07.86 70 421 218 (8. 3±1. 2) ■ 10"3

Космос-1781 17.09-31.09.86 73 405 217 (1.3+0.1)•10"2

Космос-1837 22.04-06.05.87 82 255 198 (8. 7±1. 3) • 10"3

Космос-1882 15.09-06.10.87 82 253 196 (2. 7+0. 6) ■ 10"3

Космос-1887 29.09-12. 10.87 63 406 224 (2.9±0.5) ■ КГ3

Космос-1938 11.04-25.04.88 73 316 209 < 10"4

Последующие исследования (табл.7) указали на возрастание потоков АК вплоть до 1987 г. и последующее уменьшение их до уровня начала цикла в 1988 г./64/. Во всех экспериментах посредством сравнения измеренных потоков ионов кислорода на орбитах ИСЗ и на орбите Земли (спутник 1МР-8) и в межпланетном пространстве (Вояджер-2) была подтверждена гипотеза о том. что заряд ионов кислорода АК составляет а=+1. В экспериментах на ИСЗ "Космос-1882" и "Космос-1887" этот результат был получен без привлечения данных об АК в межпланетном пространстве. К настоящему времени значение ионного заряда й=+1 получено и в экспериментах других групп.

Рис.Зависимость плотности потока ГКЛ и СКЛ от толщины экранирующего тканеэквивален-ного материала:

1 - измерения на ИСЗ

"Космос-1715",

2 - измерения на ИСЗ

"Космос-1728".

100 Я,г/см2

Рис. 44 дает представление о соотношении "действующих" потоков тяжелых ядер (г>6) ГКЛ. АК и СКЛ /5/.Здесь использованы результаты измерений плотности потока ядер на ИСЗ "Космос-1715"(январь 1986г.. наклонение 73°) и "Космос-1728" (июнь 1986г..наклонение 70°) в период возрастания солнечной активности.Во время полета второго спутника произошла солнечная протонная вспышка, сопровождавшаяся вылетом тяжелых ядер.Из кривой поглощения можно видеть, что ядра СКЛ,несмотря на то,что поток их превышает на два порядка поток АК и ГКЛ.не представляет опасности для объектов, находящихся внутри космического корабля. Однако в других вспышках энергетический спектр ядер может простираться до больших значений энергии.и следовательно, ядра СКЛ в значительном количестве будут проникать внутрь корабля. Потоки и спектры ядер Не и группы С, N. О солнечного происхождения измерялись и на ИСЗ "Космос-2044", полет которого проходил в сентябре 1989 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации обобщены результаты разработки ядернофизических методов и создания аппаратуры для их реализации, предназначенных для решения специфических задач, связанных с получением радиобиологических и радиационно-физических данных, необходимых для оценки и обеспечения радиационной безопасности экипажей космических кораблей. Эти разработки позволили начать планомерное изучение механизмов и количественных характеристик воздействия тяжелых ядер на биологические объекты в космосе и на Земле, что положило начало развитию в стране нового направления - радиобиологии плотноионизи-рующих излучений. Разработанные методы и аппаратура явились также основой для начала отечественных систематических исследований с высоким разрешением потоков и спектров тяжелых ядер космических лучей дорелятивистских энергий. Полученные результаты использованы для совершенствования моделей радиационной обстановки в околоземном пространстве и при разработке ряда нормативно-технических документов (в рамках, Госстандарта). относящихся к проблеме обеспечения радиационной безопасности космических полетов.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Сформулирован принцип моделирования на Земле физических параметров воздействия тяжелых ядер космических лучей (ТЯКЛ) на биологические объекты. Показано, что низкоэнергетичные (до 10 МэВ/нуклон) ускорители многозарядных ионов и изотопные альфа-источники позволяют проводить моделирование действия всего зарядового и энергетического спектра ТЯКЛ по параметру линейных передач энергии. Моделирование других параметров потоков ТЯКЛ возможно лишь в ограниченных интервалах возможных значений.

2. Разработаны методы и алгоритмы расчета линейных передач энергии и пространственного распределения поглощенной энергии в треке тяжелого иона. Впервые рассмотрено влияние переходного эффекта при пересечении ионом границы двух сред на установившееся пространственное распределение поглощенной энергии.

3. Разработан и создан комплекс методов и аппаратуры для облучения биологических и иных объектов пучками ускоренных ионов и альфа-частиц с необходимыми параметрами. В рамках этого:

- предложен метод формирования пучков ионов с требуемыми параметрами , использующий управление режимом работы ускорителя и эффекты перезарядки и рассеяния тяжелых ионов на тонкой мишени с последующим сепарированием их по зарядам в магнитном поле. Метод позволяет уменьшить плотность потока ионов, падающих на облучаемый объект, вплоть до ю9+ю10 раз при сохранении стабильности режима работы ускорителя;

- разработан и создан комплекс электронной дозиметрической и мониторирующей аппаратуры, позволяющей определять поглощенную дозу и контролировать процесс облучения на пучках ускоренных ионов с погрешностью не более 10% и на пучках альфа-частиц изотопных источников - не более 5%;

- построены модели и проведены параметрические расчеты пространственного распределения поглощенной дозы и спектров линейных передач энергии в биологической ткани при внешнем облучении ее ускоренными ионами и альфа-частицами изотопных источников. Показано, в частности, что при толщине объекта не более 10 мкм равномерность распределения дозы по объекту ниходится в пределах 10+17% при облучении моноэнергетическими ионами от 10В до 40Аг с энергиями более 2.5 МэВ/нуклон. Выявлена оптимальная геометрия облучения микрообъектов изотопными альфа-источниками. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными данными;

- сконструированы и изготовлены универсальная облучательная установка с изотопными альфа-источниками и автоматизированная установка для облучения на ускорителе У-300.

4. Развит метод диэлектрических трековых детекторов применительно к регистрации тяжелых ядер космических лучей. В частности:

- проведено детальное рассчетно-экспериментальное исследование регистрационных характеристик детекторов на основе отечественных нитрата целлюлозы и лавсана (энергетическая и зарядовая зависимость порога регистрации, критические углы, эффективность регистрации) . Показано, что детекторы сохраняют накопленную информацию о частицах в течение,по крайней мере,двух лет после экспонирования при параметрах среды в пределах,характерных для космических кораблей. Определены условия экспонирования детектров в открытом космическом пространстве

- разработано и изготовлено оборудование для калибровочных облучений, химической обработки и сканирования детекторов. Предложен и внедрен в практику метод многослойного сканирования и измерений треков в ДТД, повышающий скорость съема информации в 6-10 раз;

- предложен и отработан метод идентификации тяжелых ядер по полной травимой длине треков в блоке полимерных ДТД. Рассчетным и экспериментальным путем показано, что зарядово-массовое разрешение метода в диапазоне зарядов от 6 до 26 составляет 2+4%, что является достаточным для исследования даже изотопного состава ядер с зарядом более 22-24. Метод особенно эффективен при идентификации ядер в широком интервале энергий;

- предложен метод идентификации тяжелых ядер в блоке из чередующихся детекторов с различными порогами регистрации. Метод эффек-

тивен при идентификации ядер с большими зарядами;

- разработан метод и проведены вариантные расчеты эффективности регистрации идентифицируемых ядер в блоках полимерных ДТД прямоугольной и циллиндрической формы. В частности, показано, что при изотропном падении ядер на верхнюю грань блока и некоторых ограничениях эффективность регистрации определяется только площадью поверхности и периметром блока;

- разработан алгоритм и составлена расчетная программа для обработки результатов измерений в полном объеме, начиная от предварительной обработки данных, полученных непосредственно в процессе измерений и кончая восстановлением зарядовых и энергетических спектров ядер.

5. Предложены методы фиксации интервала времени регистрации тяжелых ядер в диэлектрических трековых детекторах. На их основе разработаны принципиальные конструктивные схемы и созданы экспериментальные установки нескольких типов для исследования пространственно-временных распределений потоков тяжелых ядер космических лучей и изучения их действия на различные биологические, микроэлектронные и другие объекты.

6. Разработаны методические основы (в физической части) радиобиологических экспериментов по схеме "Биоблок" с топической регистрацией прохождения тяжелых ядер через биологические объекты;

- предложен принцип и общая схема экспериментов такого типа;

- развиты методические аспекты (определение композиции блока диэлектрических трековых детекторов, исходя из задач эксперимента, выбор типов детекторов и конструктивных элементов, определение оптимальной плотности размещения исследуемых объектов, методы выявления пораженных ядрами объектов).

Проведено более 10 экспериментов типа "Биоблок" длительностью от 7 суток до одного года на спутниках Земли и орбитальных пилотируемых станциях.

7. Проведены исследования на 30 космических аппаратах и нескольких высотных аэростатах потоков и спектров тяжелых ядер космических лучей в околоземном пространстве с помощью диэлектрических трековых детекторов. Основные результаты;

- впервые получены результаты длительных (1974-1992 г. г.) прямых мониторных измерений плотности потока тяжелых ядер галактических космических лучей;

- разработан метод пересчета плотности потока тяжелых ядер, измеренной на околоземной орбите с помощью ДТД, к условиям межпланетного пространства;

- разработан метод компонентного анализа зарегистрированных ядер по результатам измерения плотности потока ядер по глубине в сборке ДТД;

- измерены средние действующие спектры ЛПЭ, энергетические и зарядовые спектры ядер ГКЛ на околоземных орбитах; определен изотопный состав ядер железа ГКЛ;

- обнаружено подпороговое проникновение ядер группы железа с энергией 400 МэВ/нуклон в "запрещенную" область средних широт (30-40°);

- впервые получены зарядовые распределения ядер (17<Z<26) на различных высотах от 14 до 40 г/см2•остаточной атмосферы Земли;

- разработаны расчетно-экспериментальный и прямой методы выявления ионного заряда ионов аномального компонента космических лучей;

- впервые проведено систематическое измерение плотности потока ионов аномального компонента в течение полного цикла (1984-1988 г. г. ) их наличия в околоземном космическом пространстве. Получены зарядовые (C.N,0) и энергетические спектры. Показано, что заряд ионов кислорода аномального компонента составляет Q=+l;

- проведена оценка поражающего действия потоков тяжелых ионов ГКЛ на некоторые органы человека.

Диссертация написана на основе следующих опубликованных работ:

1. Портман А.И.. Герцен Г.П., Дашин С.А., Маренный A.M. Расчет пробегов и ЛПЭ тяжелых заряженных частиц в нитрате целлюлозы и лавсане.- М., 1982, РЖ "Физика", 18В, N6, 146 с. Деп. в ВИНИТИ, Рукопись представлена ИМБП МЗ СССР.

2. Кудряшов Е.И., Маренный A.M., Мещерякова О.М., Попов В.И. Микрораспределение поглощенной энергии в треке тяжелой заряженной частицы//Космическая биология и медицина, 1970, N5, с.35-37.

3. Кудряшов Е.И., Маренный А.М., Мещерякова 0.М., Попов В.И., Исследование пространственного распределения поглощенной энергии в треке тяжелой заряженной частицы.// В кн.:"Вопросы микродозиметрии", М., Атомиздат, 1973, с. 49-55.

4. Кудряшов Е.И., Маренный A.M., Мещерякова 0.М., Попов В.И. Влияние границы двух сред на распределение поглощенной энергии в треке заряженной частицы//Космическая биология и медицина, 1973, N3, с. 30-34.

5. Невзгодина Л.В..Григорьев Ю.Г..Маренный A.M. Действие тяжелых ионов на биологические объекты//М., Энергоатомиздат,1990,216с.

6. Кудряшов Е.И., Маренный A.M., Попов В.И., Портман А.И., Соля-

нов Б.И., Сычков М.А. Методика облучения биологических объектов на ускорителе многозарядных ионов.//В кн.: Проблемы космической медицины, М, 1966, с. 234-236.

7. Кудряшов Е.И., Маренный A.M., Попов В.И. Анализ спектра тяжелых ионов после прохождения тонких мишеней//В кн.: "Тезисы докладов ежегодного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра". М., Наука, 1969, с.4-5.

8. Кудряшов Е.И.,Маренный А.М.,Мещерякова О.М. .Попов В.И.Дозиметрия пучков ускоренных многозарядных ионов в радиобиологических экспериментах с использованием ионизационной камеры//В кн.: "Тезисы IV Симпозиума по космической биологии и медицине", Прага, 1971. с. 35-36.

9. Кудряшов Е.И., Маренный A.M., Попов В.И. Формирование пучков ускоренных многозарядных ионов для проведения радиобиологических экспериментов, их дозиметрия и мониторирование"// В кн. :'"Вопросы микродозиметрии", вып. 2, 1974, с. 59-63.

10. Кудряшов Е.И.,Маренный A.M..Попов В.И..Айгорн К.. Эрцгребер Г. Физические условия проведения радиобиологических экспериментов на пучках ускоренных частиц с высокими линейными потерями энергии// В кн.:"Функции организма и факторы космического полета". М., Медицина, 1974, с.155-161.

11. Кудряшов Е.И., Маренный A.M., Мещерякова О.М., Попов В.И., Со-лянов Б.И. Распределение поглощенной дозы в биологических объектах при облучении альфа-частицами изотопных источников// В кн.:"Материалы симпозиума по космической биологии и медицине", Будапешт, 1970, с. 55-68.

12. Драшер В..Кудряшов Е.И;.Маренный A.M. .Мещерякова О.М. Изотопные альфа-облучатели для радиобиологических исследований.//

В кн.: "Функции организма и факторы космического полета". М., Медицина, 1974, с.162-170.

13. Маренный A.M. Диэлектрические трековые детекторы в радиацион-нофизическом и радиобиологическом эксперименте//М., Энергоато-миздат. 1987, 180 с.

14. Маренный A.M.. Герцен Г.П., Дашин С.А. Исследование регистрационных характеристик детектора из нитрата целлюлозы// М.. 1982. РЖ "Физика". 18В. No4, 8с. Деп. в ВИНИТИ, Рукопись представлена ИМБП МЗ СССР.

15. Marenny A.M., Hertzen G.P., Dashln S.A., Hasegan D. A study of the registration properties of cellulose nitrate// Rev. Roum. Phys., 1983, V. 28, No. 5, p. 467-470.

16. Veprlc Ya.M., Kartuzanskl A.L., Marenny A.M.. Popov V.l.On the mechanism of cellulose films sensitivity of ionizing particle

tracks registration// In:"VII Colloque Intern, de Photographie Corpusc.et des Detect.Visual Solides",Barcelone, 1970,p.287-296

17. Веприк Я. M., Картужанский А. Л., Маренный A. M., Попов В. И. О возможном механизме регистрации следов ионизирующих частиц целлулоидными детекторами// Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии, 1972, Т. 17, N05, С. 349-353.

18. Виноградов Ю.А., Маренный A.M., Солянов Б.И. Способ подготовки многослойных блоков диэлектрических трековых детекторов тяжелых заряженных частиц для просмотра.- Авт. свид. N641795 от 27.01.77 Опубл. в Бюлл. изобр.. Nol2, 1985.

19. Герцен Г.П., Дашин С.А., Дудкин В.Е., Маренный A.M. Способ измерения спектров линейных передач энергии тяжелых заряженных частиц,- Авт. свид. N 1080625 от 23.04.82, Опубл. в Бюлл. изобр., No9, 1985.

20. Ныммик P.A., Маренный A.M., Герцен Г.П. Модификация (L-R)- метода идентификации заряда тяжелых частиц в диэлектрических трековых детекторах// В кн.:"Ядерные методы анализа вещества", М., Энергоатомиздат, 1989, с. 20-24.

21. Маренный A.M. Идентификация тяжелых ядер в космических радиобиологических экспериментах//Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1982, N5, с. 84-87.

22. Маренный А. М.,Портман А.И. Способ идентификации тяжелых заряженных частиц,- Авт.свид.N 758887 от 13.04.79, Опубл.в Бюлл.изобр., N23, 1985.

23. Akopova A.B., Arutynjan M.M., Dudkin V.E., HertzenG.P., Krithchyan V.M., Magradze N. V., Marenny A.M., Moiseenko A.A. Identification of Cosmic Ray Heavy Nuclei in an Assenbly of Nuclear Photoemulsion and SSNTD, Using Internal Calibration// Nucl. Tracks and Radiat. Meas., 1992, v. 20, No. 2, p. 249-254.

24. Дашин С.A.,Маренный A.M..Герцен Г.П.Оценка геометрической эффективности регистрации идентифицированных частиц в блоке диэлектрических трековых детекторов// М., 1982,РЖ "Физика",18В,N 5, 9с. Деп. в ВИНИТИ, Рукопись представлена ИМБП МЗ СССР.

25. Герцен Г.П.,Маренный A.M.Эксперименты по изучению пространственных и временных распределений потоков тяжелых ядер ГКЛ при помощи диэлектрических трековых.детекторов//Препринт ИМБП МЗ СССР "Актуальные проблемы космической биологии и медицины", М. , 1986, с. 41-42.

26. _ Блаж К., Бобровская В.В., Герцен Г.П.,Григоров Н.А.,Жобану М.,

Маренный A.M., Марин А., Ныммик P.A., Соловьев A.B.Дайдук М., Хашеган Д. О потоке ядер с энергией несколько сот МэВ/нуклон на орбите станции Салют-6// Космические исследования, 1986,

Т. 24, в. 5, С. 770-777.

27. Герцен Г.П., Дашин С.А., Маренный A.M., Игнатов И.В.,Сальников Н.В. Устройство для регистрации тяжелых заряженных частиц. - Авт.свид. N 820442 от 29.12.79, Опубл.в Бюлл.изобр.,N2,1983.

28. Герцен Г.П., Големинов Н.Г., Маренный A.M.. Никитинский В.Н.. Храмцов А.П.. Степной В.Н. Устройство для определения отказов микросхем,- Авт. свид. Ы 1459202 от 04.11.87,опубл. в Бюлл.изобр., N7,1989.

29. Герцен Г.П., Дашин С.А., Маренный A.M., Сальников Н.В., Шалфеев И.М. Определение времени регистрации тяжелых ядер в диэлектрических трековых детекторах// ПТЭ, 1986, N 3, с.67-70.

30. Hertzen G.P..Marenny А.-М. Time-resolution Equipment for Registration of Cosmic Ray in Solid State Nuclear Track Detectors// Nucl.Tracks and Radiat. Meas., 1986, v. 12, No. 1-6, p. 435-438.

31. Маренный A.M. Устройство для регистрации тяжелых заряженных частиц.- Авт.свид.N774402 от 21.05.79, опубл.в Бюлл.изобр., N12. 1985.

32. Ковалев Е.Е..Маренный A.M., Смиренный Л.Н. Детектор-сигнализатор плотноионизирующих ядерных частиц. -Авт. свид.N 830897 от 02.01.80, опубл. в Бюлл.изобр.,N4,1983.

33. Маренный A.M., Попов В.И., Солянов Б.И. Эксперимент "Биоб-лок-2". Сообщение 1. Конструкция и состав сборки, методика топической регистрации и идентификации тяжелых ядер галактического космического излучения.// Радиобиология. 1977, т. 17, вып. 4, с. 559-561.

34. Blanquet Y., Planel Н. .Grlgorlev Н. G. , GassetG. , Benevolensk'yV. А. Delpoux M..Jacquot С..Popov V.I.,Pianezzi B.,and Marenny A.M. Preliminary Results of the Bioblock Experiment on the Cosmos 782 Flight: Effects of Cosmic Rays on Brine Shrimp' Eggs and Tobacco Seeds.//Life Sci.Space Res., 1977, v.15, p.165-168.

35. Grigoriev H.G., Planel H., Delpoux M., Gaubin-Blanquet Y.,Nevz-godinaL.V.. Pianezzi В., Popov V.I., Marenny A.M., Vinogradov Y.A., Pfohl R.. Gasset G.. and Jacquot C. Radiobiological Investigation in Cosmos 782 Space Flight (Bioblock SF1 experiments/Life Scl. Space Res., 1978, v. 16,p. 137-146.

36. Yurov S.S.,Akoev I.G.,Akhmadieva A.Kh.,Livanova I. A.,Leontieva G.A., Marenny A.M..Popov V.I. Genetic Effects of Cosmic Radiation on Bacteriophage T4Br+ (on materials of biological experiment "Soyuz-Apollo")// Life Sci. Space Res.,v.17. p.129-132.

37. Невзгодина Л.В.. Максимова E.H., Миллер А.Т., Маренный А.М. Влияние многозарядных ионов на семена салата при экспонировании в космическом пространстве. // "Вопросы биологического

действия и дозиметрии тяжелых заряженных частиц и адронов высоких энергий", Пущино, ИБФ ФН СССР, 1984, с. 31-38.

38. Facius R.,Reitz G.,Bucker Н., Nevzgodina L.V.. Maximova E.N., Kaminskaja E.V., Vichrov A.I., Marenny A.M., and Akatov Yu.A. Reliability of' Trajectory Identification for Cosmic Heavy Ions and Cytogenetic Effects of their Passage through Plant Seeds// Nucl.Tracks and Radiat.Meas., 1990, v.17,No.2, p. 121-132.

39. Anikeeva I.D.,Akatov Yu.A.,Vaulina E.N.,Kostina L.N..Marenny A.M.. Portman A.I., RusinS.V. Radiobiological Experiments with Plant Seeds aboard the Biosatellite Cosmos 1887// Nucl. Tracks and Radiat. Meas., 1990, v. 17, No. 2, p. 167-172.

40. Маренный A.M. Регистрация тяжелых заряженных частиц в эксперименте "Биоблок" на ИСЗ "Космос-613"// В кн.:"XIII симпозиум по космической биологии и медицине (тезисы докладов)". Интеркосмос, Варна, Болгария, 19-25 мая 1975 г., с.72-73.

41. Benton E.V., Peterson D.D., Marenny A.M., Popov V.I. HZE Particle Radiation Studies aboard Cosmos-782// Health Phys.. 1978, v. 35, No. 5. p. 643-648.

42. Hasegan D., Dudkin V.E., and Marenny A.M. Charge and LET Distributions of Cosmic Heavy Ions Measured on Cosmos 690. 782 and 936// Nucl.Tracks and Radiat. Meas., 1980, v.4, No. 1, p.27-32.

43. Akatov Yu.A., Batenchuk T.U., Borodin A.M., Dudkin V.E., Marenny A.M., Sakovich V.A., Vasilev G.G., Karajov A.G., Slabo P.P., Feher I., Marlz I., Voigtman G., HAsheganu D. Results of Cosmic Radiation Dose Field Measurements aboard the Salyut-6 Orbital Station//Adv. Space Res., 1981, v.l, p.67-71.

44. Kovalev E.E., Benton E.V., Marenny A.M. Measurement of LET spectra aboard Cosmos-936 Biological Satellite//Radiat. Protect. Dosimetry, 1982, v.l, No.3. p.169-173.

45. Маренный A.M., Герцен Г.П., Дашин С.А. Результаты измерения плотности тяжелых заряженных частиц космических лучей на околоземных орбитах// В кн.:"Вопросы биологического действия и дозиметрии тяжелых заряженных частиц и адронов высоких энергий", Пущино. НЦБИ АН СССР. 1984, С.58-63.

46. Marenny A.M., Nymmik P.A., and Suslov A.A. Solar modulation of the galactic cosmic ray fluxes of heavy nuclei on 1974-1986// Proc.20-th ICRC,1987, V.3, pp.328-330.

47. Маренный A.M..Ныммик P.А..Суслов А.А. Исследование потоков тяжелых ядер ГКЛ по измерениям на околоземных орбитах ИСЗ и ОС в 1974-1984Г.//Космические исследования, 1987,т.25,в.4,с.577-584.

48. Ныммик Р.А..Первая Т.И..Суслов А. А. .Герцен Г. П., Маренный A.M.. Никитинский В.Н. Модельные расчеты энергетических спектров

ров ядер ГКЛ и спектров ЛПЭ для околоземных орбит//"Тезисы докладов всесоюзного совещания по математическим моделям ближнего космоса", М.. 1988, с. 124.

49. Электроны галактических космических лучей. Энергетические спектры. ГОСТ 25645.125.-85//Изд-во стандартов, М.,1986.

Авт.: Авдюшин С. И.,..., Маренный А.М.....

50. Протоны галактических космических лучей. Энергетические спектры. ГОСТ 25645.122.-85//ИЗД-ВО стандартов, М., 1986.

Авт.: Авдюшин С.И...... Маренный А.М.....

51. Ядра галактических космических лучей. Энергетические спектры. ГОСТ 25645.123.-85//ИЗД-В0 стандартов, М., 1986.

Авт.: Авдюшин С.И...... Маренный А.М.....

52. Группа средних ядер галактических космических лучей. Энергетические спектры. ГОСТ 25645.124-85//Изд-во стандартов,М.,1986. Авт.: Авдюшин С.И...... Маренный А.М.....

53. Группы легких, тяжелых и очень тяжелых ядер галактических космических лучей. Энергетические спектры. ГОСТ 25645.144-88// .Изд-во стандартов, М., 1989.

Авт.: Авдюшин С.И._____ Маренный А.М.....

54. Лучи космические галактические. Модель изменения потоков частиц. ГОСТ 25645.150-90//ИЗД- во стандартов, М.. 1991.

Авт.: Авдюшин С.И...... Маренный А.М.....

55. Hasegan D., Dudkin V.E., Marenny A.M. Heavy Cosmic Ions with Charge Z=30-40 and their Biological Implications// Rev. Roum. Phys., 1979, V. 24, No. 6, p. 529-538.

56. Дашин С.А., Маренный A.M., Герцен Г.П. Результаты измерения зарядовых и энергетических спектров тяжелых ядер на ИСЗ "Кос-мос-936"//Космическая биология и медицина, 1982, N 3, с.70-73.

57. Ковалев Е.Е., Брыксин В.Н., Виноградов Ю.А., Дудкин Е.Е., Козлова С.Б., Маренный A.M., Маркелов В.В., Нефедов Н.А., Потапов Ю.В., Редько В.И., Хованская А.И. Измерение спектров линейных потерь энергии космического излучения на ИСЗ "Космос-782"// Космические исследования 1979, т.17, N4, с. 634-636.

58. Hasegan D., Haiduc М., Marin A., Kovalev Е.Е., Hertzen G.P., Dashin S.A. and Marenny A.M. LET Variation Measurements behind Different Absorber Thicknesses on the Cosmos-1129 Satellite// Adv. Space Res. ,1981, v. 1., p. 55-60.

59. Chige I.,Hunyadi I., Marenny A.M..Somogui G. LET-Spertrum Measurement of Cosmic Ray Heavy Ions on the Board of Cosmos-1468 Satellite with SSNTD// ATOMKI Annual Report 1987,p.108-111.

60. Marenny A.M., NymmikP.A., Suslov A.A., Benton E.V., Frank A.L.. and Benton E.R. Cosmic ray particles with different LET

values under various thicknesses of shielding in low altitude orbits: calculation and C0SM0S-2044 measurements//Nucl.Tracks Radiat. Meas., 1992, v. 20, No. 1, p. 157-160.

61. Hasegan D., Marin A., Zamfir E., HertzenG.P., DudkinV.E., Marenny A.M. Biophysical Study of the Heavy Galactic Nuclei aboard Cosmos 1129 Satellite and Saliut-7 Orbital Station // Radiat. Protect. Dosimetry, 1985, v.11, No.2, p.83-89.

62. Маренный А.М.,Цетлин В.В.Способ регистрации тяжелых заряженных частиц,- Авторское свидетельство N 873783 от 23.04.80,опубл.в Бюлл. изобр.,N11,1985.

63. Виноградов Ю.А., Маренный A.M., Цетлин В.В., Хованская А.И. Измерения потоков низкоэнергетичных ядер космического излучения на ИСЗ "Космос-690" и "Космос-782".// В кн.: "X Симпозиум соц. стран по космической биологии и медицине", тезисы, г.Сухуми, 1977, с. 81-82.

64. Hertzen G.P., Marenny A.M., Nymmik P.A. Studies of Low-Energy HZE Cosmic Rays on Cosmos Satellites // Nucl. Tracks Radiat. Meas., 1989, v. 16, No. 1, p. 53-56.

65. Ныммик P. A., Маренный A.M., Герцен Г. П. Определение зарядового состояния ионов кислорода на орбите Земли в период спокойного Солнца // В кн.:"Материалы Всесоюзной конференции по космическим лучам",сентябрь 1988 г. .часть 2,Алма-Ата, 1989, с.38-39.

66. Marenny A.M..Hertzen G. P., Nymmik P. A. Charge State Distribution of Anomalous Oxlgen Ions in Low Earth Orbit during Solar Quis-cense//Nucl.Tracks and Radiat.Meas.,1990, v. 17, No. 2, p,113-116.

67. Marenny A.M., Nymmik P. A., Hunyadi I., Chige L, Spurny F., Charvat J., Hertzen G.P. Low-Energy Heavy Ions of Cosmic Rays Measured on Cosmos-2044 Biosatellite// Nucl. Tracks and Radiat. Meas., 1991, v. 19, No. 1-4, p. 697-701,.

68. Ныммик P.А., Маренный A.M., Герцен Г. П. К вопросу о потоках средних ядер на околоземных орбитах ИСЗ.// Космические исследования, 1988, т. 26, вып. 4, с. 636-638.

69. Charvat J. and Marenny A.M. Measurements of the Alpha Particle Spectrum on the Cosmos-2044 Biosatellite Using CN-85 Track De-tec tors//Nucl. Tracks and Radiat. Meas., 1992, v. 20, Nol, p. 167-170.

70. Frank A. L., Benton E.V., Benton E.R., DudkinV.E. and Marenny A.M. Radiation Experiments on Cosmos-2044: K-7-41, Parts A, B, C, D.// University of San-Francisco Report USF-TR-76, 1992.

71.. Benton E.V., Frank A.L., Benton E.R., Dudkin V.E. and Marenny A.M. Radiation experiments on Cosmos 1887: K-6-24, K-6-25, K-6-26// Univ. of San-Francisco Report USF-TR-74, 1988.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1'. Бобков Б.Г. .Демин Б.П.,Кеприм-Маркус И.Б. .Ковалев Е.Е. .Ларичев А. В., Сакович В.А.,Смиренный Л.Н..Сычков М.А. Радиационная безопасность при космических полетах//М., Атомиздат.1964,101с.

2'. АлфеевВ.С.. Загер Б.А., ШелаевИ.А. Трехметровый циклотрон ОИЯИ У-300//Препринт ОИЯИ Р-2693, Дубна, 1966.

3'. Ли Д.Е. Действие радиации на живые клетки// М. .Госатомиздат, 1963.

4'. Butts J.J.and Katz R. Theory of RBE for heavy ion bombardment of dry enzymes and viruses.// Rad.Res.,1967,v.30, p.855-871.

5'. Fleischer R.L.,Price P.B.and Walker R.M.Nuclear tracks in solids: princeples and applications// University of California Press, Berkeley, 1975.

6'. Саксонов П.П., Антипов В.В., Давыдов Б.И. Очерки космической радиобиологии//М., Наука, 1968, 532 с.

7'. Дорман Л.И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей//М.. Наука, 1975, 462 с.

8'. Garcia-Munor М..Pyle К.К..Simpson J.A.The 1973-1984 Solar Modulation of Cosmic Ray Nuclei//Proc.19th ICRC. La Jolla, 1985, v. 4, p. 409-412.

9'. Adams J.H..Silberberg R..and Tsao C.H. Cosmic ray effects on microelectronics.Part I:The near-Earth particle environment// Naval Research Labor.Memorandum Report 4506, Washington, 1981.

10'. Nymmik P.A.,Panasyuk M.I.. Pervaja T.I.and Suslov A.A. A model of galactic cosmic ray fluxes//Nucl.Tracks Radiat.Meas. 1992, V. 20, No. 3, p. 427-429.

11'. DudkinV.E., Potapov Yu.V., Akopova A.B.. Melkuhiyan L.V., Rshtuni Sh.B., Benton E.V., Frank A.L. Neutron fluences and energy spectra in the Cosrnos-2044 biosatellite orbit.// Nucl. Tracks Radiat. Meas., 1992, v. 20, No. 1. pp. 139-141.

12'. Siegmon G..Bartholome K.,Enge W. Fe-isotopes in Cosmic Ray// Proc.15th Int.Cosmic Ray Conf., Plovdiv, 1977,v.i,p.334-339.

13'. Henke R.P..Benton E.V..Heckman H.H. Isotope Resolution of the Iron Peak// Nucl.Instr.and Meth.. 1977,v.142,p.521-523.

14'. Webber W.R., Lezniak J.A.. Kish J. Cosmic Rays Isotope Resolution Obtained Using a New Cherenkov Total Energy dE/dx - Telescope// Nucl. Instr. and Meth., 1973. v.ill, p.301-314.

15'. Ныммик P.А. Тяжелые высокоэнергетичные ионы на малых высотах в околоземном космическом пространстве //Препринт НИИЯФ МГУ. N87-06, Москва. 1987, 24 с.

16'. Allkofer O.C., Dispert H., Heinrich W. Fluxes arl charge composition of energetic heavy nuclei in the atmospheric depth of 40 to 100 g/cm2 //Proc.13-th Int.Cosm.Ray Conf..Denver, 1973, v.2, p.897-902.

17'. Fukui K., Young P.S. Evaluation of the density of cosmic ray endersq in human tissue from solar minimum to maximum at the level of SST flight//Proc. of Int. Congr. on Prot, against Accel, and Space Rad., 1971, CERN, Geneva, v.l, p. 557-569.

18'. Chan J.H.i Price P.B. Composition and energy spectra of heavy nuclei of unknown origin detected on Skylab// Proc. 14-th Int.Cosmic Ray Conf., München, 1975, v.2, p.836-837.

19'. Biswas S., Durgaprasad N. Skylab measurements of low energy cosmic rays // Space Sei: Rev., 1980, v.25. No.3 p.285-326.

Рукопись поступила в издательский отдел 8 февраля 1994 года.

Содержание работы

Общая характеристика работы

Глава I. Подходы к моделированию действия космических лучей на микрообъекты

Глава II. Формирование полей облучения для проведения радиобиологических экспериментов на ускорителях и изотопных источниках

2.1. Определение характеристик дозных полей для облучения биологических объектов на ускорителе У - 300

2.2. Исследование характеристик дозных полей при облучении изотопными альфа-источниками

2. 3. Комплекс аппаратуры для проведения радиобиологических экспе-

риментов на ускорителе и изотопных альфа-источниках

Глава III.Методические аспекты использования диэлектрических трековых детекторов в космическом эксперименте

3.1. Регистрационные характеристики детекторов

3. 2. Методы спектрометрии и идентификации тяжелых заряженных час-

тиц с помощью ДТД

3. з. Геометрическая эффективность регистрации частиц в многослой-

ных блоках детекторов 3.4. Аппаратура на основе ДТД

Глава IV. Разработка метода комбинированных радиационно-физических и радиобиологических экспериментов ("Биоблок")

4. 1. Принципиальные основы экспериментов "Биоблок"

4.2. Методические аспекты экспериментов

4.3. Некоторые результаты экспериментов "Биоблок"

Глава V. Исследование потоков и спектров тяжелых ядер космических лучей

5.1. Галактические космические лучи

5.2. Тяжелые ядра в верхних слоях атмосферы

5.3. Низкоэнергетичные ионы в околоземном пространстве

Заключение