Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
Not a member yet
364 research outputs found
Sort by
QED final state bremsstrahlung of light fermion pair in Photos Monte Carlo: variants of approximated QED matrix elements and non QED extensions
No full textRozprawa doktorska koncentruje się na opisie rozpadów bozonów pośredniczących, takich jak bozony W i Z z dodatkową emisją pary leptonów w stanie końcowym. Pomimo, iż ten proces stanowi małą poprawkę do obliczeń na poziomie Borna to jest on ważny dla precyzyjnych pomiarów w LHC. W rozprawie został szczegółowo przedstawiony opis algorytmu generatora PHOTOS oraz krótkie opisy algorytmów programów KORALW, SANC oraz TAUOLA. Programy te mogą być stosowane do uzyskania przewidywań dla wspomnianych wyżej procesów. W rozprawie przedstawiono wyniki dla szeregu obserwabli, które są ważne dla badań prowadzonych w eksperymentach LHC i Belle II. Obserwable te zostały użyte do oszacowania systematycznych błędów związanych emisją par leptonów w poszczególnych programach. Dodatkowo stworzono narzędzie do porównywania rozkładów wygenerowanych przez PHOTOS z precyzyjnymi wynikami. Następnie w programie PHOTOS został zaimplementowany i przetestowany precyzyjny element macierzowy odpowiadający za emisję dodatkowej pary leptonów w stanu końcowym dla niespolaryzowanego procesu 2f→Z/γ*→2f. Przewidywania tak udoskonalonego programu PHOTOS dla przekróju czynnego procesów e+e-→Z→e+e-µ+µ- oraz e+e-→Z→ µ+µ -µ+µ doprowadziły do powjększenia przekróju czynnego o 5.4% i o 4.6% odpowiednio, te przekrojw czynne są na poziomie 10-4, jeżeli porównywać z Z→ll. Otrzymane poprawki mają największe znaczenie dla „twardej” części rozkładów dodatkowych par laptonów. W pracy zaproponowano, zaimplementowano w generatorze PHOTOS oraz przetestowano trzy różne przybliżone elementy macierzowe opisujące emisję dodatkowych par leptonów ze stanu końcowego dla procesu 2f→Z/γ*→2f. Pokazano, że numerycznie te trzy elementy macierzowe nie różnią się znacznie od precyzyjnego elementu macierzowego. W pracy pokazano także, iż rozkłady kwadratu masy inwariantnej pary leptonów, wygenerowanych przez PHOTOS używając wprowadzone poprawki, są znacznie bliższe precyzyjnym rozkładom referencyjnym w przypadku emisji najtwardszych dodatkowych par leptonów. Rozbieżności w stosunku do rozkładów referencyjnych dla przypadku mionów została zmniejszona z czynnika 4.2 do 7%, a w przypadku elektronów z czynnika 2.5 do 17%. Opierając się na testowanych przybliżeniach, zaproponowano efektywną faktoryzację elementu macierzowego dla przypadku niespolaryzowanego procesu 2f→Z/γ*→4f. Zaproponowana faktoryzacja rozdziela element macierzowy na poziomie Borna od części, która opisuje emisję dodatkowej pary leptonów w stanie końcowym. Następnie dyskutuje się uogólnienie części opisującej emisję dodatkowej pary leptonów oraz sugeruje się możliwość ją zastosowania do opisu elementu macierzowego niespolaryzowanego procesu 2p→Z/γ*→4f. Proponuje się badanie zastosowania tak otrzymanej faktoryzacji do opisu emisji dodatkowych par leptonów ze stanu końcowego, do procesów innych niż niespolaryzowany proces 2f→Z/γ*→2f.The thesis presents results for final state emissions of additional leptonic pairs in decays of heavy intermediate states such as Z and W boson. This process constitutes small correction. Presentations of PHOTOS algorithm and short presentations of KORALW, SANC, TAUOLA algorithms are given. Numerical distributions of relevance for LHC and Belle II observables are shown. They are used in discussions of systematic errors in the predictions of pair emissions as implemented in the programs. Testing framework is developed allowing comparison of spectra by PHOTOS with an exact one solutions. Exact matrix element of extra pair emission from the final state of 2f→Z/γ*→2f spin summated process has been installed into PHOTOS and tested. Improved PHOTOS prediction for e+e-→Z→ e+e-µ+µ- and e+e-→Z→ µ+µ -µ+µ- is higher by respectively 5.4% and 4.6% of their contributions, these contributions are at the level of 10-4 if calculated with respect to the Z→ll. This improvement is localized mostly in the hard part of the additional lepton pair spectrum. Three approximated matrix elements of extra pair emission from the final state of 2f→Z/γ*→2f process has been proposed for PHOTOS and has been tested. Numerically these matrix elements are as good as exact one. An improvement in PHOTOS generated spectrum of invariant mass squared of muon pair is reduction of discrepancy (from factor of 4.2 to 7%) with reference spectrum for the hardest extra pair emissions. An improvement in PHOTOS generated spectrum of invariant mass squared of electron pair is reduction of discrepancy (from factor of 2.5 to 17%) with reference spectrum for the hardest extra pair emissions. Basing on a tested approximation, an effective factorization of matrix element of 2f→Z/γ*→4f spin summated process is proposed to separate Born level matrix element from the factorized part describing extra pair emission from the final state. Generalization of this factorized part is discussed. Applicability of effective factorization to the matrix element of 2p→Z/γ*→4f spin summated process is suggested. Future research in order to verify applicability of obtained factorized part describing final state extra pair emission to other than 2f→Z/γ*→2f spin summated processes is suggested.14
Ilościowe charakterystyki złożoności światowego rynku kryptowalut
No full textWspółczesne rynki finansowe charakteryzujące się błyskawicznym przepływem informacji, ogromną liczbą uczestników o różnych horyzontach inwestycyjnych, występowaniem sprzężeń zwrotnych prowadzących do zjawisk krytycznych, takich jak bańki spekulacyjne czy krachy, są uważane za jeden z najbardziej złożonych układów na świecie. Liczne badania na ich temat pozwoliły wskazać stylizowane fakty, nazywane również charakterystykami złożoności, obserwowane na zdecydowanej większości rynków finansowych. Zaliczają się do nich: „grube ogony” rozkładów stóp zwrotu, grupowanie zmienności, „długa pamięć”, nieliniowe korelacje, fraktalność, a nawet multifraktalność.
Spektakularny rozwój rynku kryptowalutowego w ostatnich kilku latach – od całkowicie peryferyjnego do mającego kapitalizację na poziomie warszawskiej giełdy papierów wartościowych – stanowi okazję umożliwiającą obserwację jego ewolucji w krótkim odstępie czasu. Dostępność danych wysokiej częstotliwości pozwala na przeprowadzenie zaawansowanych analiz statystycznych fluktuacji na giełdach kryptowalut od momentu ich powstania aż do chwili obecnej. Stwarza to wyjątkową możliwość ilościowego opisu zmian charakterystyk złożoności w miarę dojrzewania rynku. Celem niniejszej pracy jest zbadanie własności rynku kryptowalut oraz zjawisk na nim zachodzących, a także odpowiedź na pytanie na ile, po takim dynamicznym rozwoju, charakterystyki złożoności kursów wymiany na rynku kryptowalut są podobne do tradycyjnych rynków, takich jak: akcje, obligacje, towary czy waluty.
W rozprawie przedstawiona została historia powstania kryptowalut oraz opis stojącej za nimi technologii blockchain. Wyszczególniono różnice pomiędzy kryptowalutami oraz giełdami na których się nimi handluje. Główną część rozprawy stanowi analiza charakterystyk zmian cen kryptowalut na różnych giełdach. Statystyczne własności fluktuacji na rynku kryptowalut zostały porównane z ich odpowiednikami wyznaczonymi dla tradycyjnych rynków. Przy pomocy najnowszych metody z obszaru fizyki statystycznej – multifraktalnej analizy korelacji krzyżowych oraz zdetrendowanego współczynnika korelacji – przeanalizowane zostały nieliniowe korelacje oraz charakterystyki multifraktalne na rynku kryptowalut. W ostatnim fragmencie dysertacji przy pomocy formalizmu macierzowego i sieciowego prześledzona została ewolucja struktury korelacji dla 100 kryptowalut o największej kapitalizacji.
Głównym wynikiem uzyskanym w niniejszej rozprawie jest pokazanie, że ewolucja rynku kryptowalut związana ze zwiększeniem częstotliwości transakcji, wzrostem obrotu oraz większą liczbą uczestników, spowodowała, że na poziomie pojedynczych szeregów czasowych jest on obecnie zbliżony swoimi charakterystykami złożoności do rynku Forex. Jednak korelacje krzyżowe dla kursów wymiany na giełdach kryptowalut różnią się od tych obserwowanych na Forexie. Rynek kryptowalut jest słabiej zsynchronizowany; informacja przepływa wolniej, przez co występuje na nim znacznie więcej okazji arbitrażowych. Użyta w rozprawie metodologia pozwala na ich wykrywanie oraz wskazywanie relacji prowadzący – opóźniony. Metody opisu korelacji oraz zależności hierarchicznych pomiędzy kursami wymiany przedstawione w niniejszej dysertacji mogą być wykorzystywane w konstrukcji portfela inwestycyjnego oraz zmniejszaniu jego wystawienia na ryzyko.
Można już mówić o powstaniu nowej klasy aktywa inwestycyjnego, nieskorelowanego z dotychczas istniejącymi rynkami. Co więcej mamy do czynienia z całym rynkiem kryptowalut, na którym to bitcoin jest naturalną walutą bazową do prowadzenia handlu.Modern financial markets characterized by a rapid flow of information, a vast number of participants with different investment horizons, the occurrence of feedback leading to critical phenomena, such as speculative bubbles or crashes, are considered to be one of the most complex systems in the world. Numerous studies on them have allowed pointing to stylized facts, also called complexity characteristics, observed in the vast majority of financial markets. These include: “fat tails” of returns distribution, volatility clustering, “long memory”, randomness, non-linear correlations, persistence, and even multifractality.
The striking development of the cryptocurrency market in the last few years – from entirely peripheral to capitalizing at the Warsaw Stock Exchange – provides an opportunity to observe its evolution in a short period. The availability of highfrequency data allows conducting advanced statistical analysis of fluctuations on cryptocurrency exchanges from their birth to the present. This creates a unique opportunity to quantify the changes in complexity characteristics as the market matures.
The purpose of this dissertation is to examine the properties of the cryptocurrency market and phenomena occurring on it and to answer to the question to what extent, after such dynamic development, the characteristics of the complexity of exchange rates on the cryptocurrency market are similar to traditional markets, such as stocks, bonds, commodities or currencies.
The dissertation presents the history of cryptocurrencies and a description of the blockchain technology behind them. Differences between cryptocurrencies and exchanges on which they are traded have been shown. The central part of the dissertation is the analysis of the cryptocurrency price changes on various exchanges. The statistical properties of fluctuations in the cryptocurrency market have been compared with the traditional markets. With the help of the latest methods in the field of statistical physics – multifractal cross-correlation analysis and the determined cross-correlation coefficient – non-linear correlations and multifractal characteristics on the cryptocurrency market were analyzed. In the last part of the dissertation, by using the matrix and network formalism, the evolution of the correlation structure for 100 cryptocurrencies with the largest capitalization was traced.
The main result obtained in this dissertation is to show that the evolution of the cryptocurrency market related to the increase in transaction frequency, increase in turnover and a more significant number of participants has caused that at the level of single time series, cryptocurrencies have now similar complexity characteristics to the Forex market. However, cross-correlations for exchange rates on cryptocurrency exchanges differ from those observed on Forex. The cryptocurrency market is less synchronized; the information flows more slowly, which results in more frequent arbitrage opportunities. The methodology used in the dissertation allows them to be detected and to indicate the lead-lag relationship. Methods for describing correlations and hierarchical relationships between exchange rates presented in this dissertation can be used in the construction of an investment portfolio and reducing its exposure to risk.
We can already see the emergence of a new investment asset class, not correlated with existing markets. What’s more, there is a separate cryptocurrency market, where bitcoin is the natural base currency to trade.13
Formation and propagation of cosmic-ray ensembles
No full textCząsteczki o wysokich energiach oddziałują z materią, polami elektromagnetycznymi i
promieniowaniem podczas propagacji we Wszechświecie. W efekcie inicjują˛ kaskady
cząstek różnego typu i wielkości; w niniejszej pracy kaskady te nazywane są
zespołami promieniowania kosmicznego (ang. cosmic-ray ensembles - CRE). Cząstki tworzące CRE są przekaźnikami informacji o podstawowych procesach fizycznych, dlatego ważne jest, aby ustalić, w jakich okolicznościach mogą˛ dotrzeć do Ziemi i zostać wykryte za pomocą dostępnej lub możliwej infrastruktury. Wynik tej wiedzy może pomóc w otwarciu nowego obszaru badań zjawisk astrofizycznych - globalnych obserwacji skorelowanych promieni kosmicznych jako uzupełnienia obecnego podejścia skoncentrowanego na wykrywaniu i analizie pojedynczych cząstek. Od niedawna współpraca Cosmic-Ray Extremely Distri- buted Observatory (CREDO) ma na celu realizacje˛ misji poświęconej CRE, a badania przedstawione w niniejszej pracy są˛ częścią programu CREDO.
Celem pracy jest wykonanie symulacji powstawania i propagacji CRE w określonych warunkach astrofizycznych oraz wskazanie potencjalnych scenariuszy sprzyjających możliwości wykrywania CRE. Skupiono się na wysokoenergetycznych elektronach, które, jak się˛ uważa, odgrywają˛ ważną˛ rolę w procesach fizycznych prowadzących do rozwoju CRE, a także zachodzących w trakcie ich powstawania.
Główną metodą tego badania są˛ symulacje komputerowe łańcucha interakcji, którym podlega cząstka pierwotna podczas propagacji w przestrzeni międzygwiazdowej. Głównym narzędziem zastosowanym w badaniach jest publicznie dostępny i szeroko stosowany kod Monte Carlo CRPropa 3. Na potrzeby niniejszej pracy opracowano nowy algorytm o nazwie CRE-Pro, zapewniający zewnętrzną symulację kształtu i wielkości CRE. Może być on używany do analizowania wyników CRPropa lub podobnych kodów symulujących kaskady elektromagnetyczne, rozszerzając zakres ich stosowalności i oszczędzając zasoby obliczeniowe.
W rozprawie przedstawiono wyniki symulacji i analiz CRE powstających w ramach wybranych scenariuszy astrofizycznych z wykorzystaniem opisanego powyżej oprogramowania. Wykazano, że może istnieć szansa zaobserwowania CRE złożonych z fotonów promieniowania synchrotronowego emitowanych nawet w stosunkowo dużych odległościach od Ziemi, np. przekraczających rozmiar Galaktyki. Wynik ten otwiera nowe perspektywy badawcze w obszarze astrofizyki cząstek, wskazując w szczególności na możliwe poszerzenie horyzontu obserwacji wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, na nowe możliwości weryfikacji określonych scenariuszy astrofizycznych, a także na nowe strategie badawcze odnoszące się do podstawowych
procesów fizycznych zachodzących w warunkach niemożliwych do odtworzenia w ziemskich laboratoriach.High-energy particles interact with matter, electromagnetic fields and radiation while
propagating through the Universe. As a result, they initiate particle cascades of various
types and sizes; in the thesis, these cascades are referred to as cosmic-ray ensembles
(CRE). Particles constituting CRE are messengers of the primary physical processes,
thus it is important to establish in which circumstances they can reach the Earth and be
detected using available or possible infrastructure. The outcome of this knowledge could
help opening a new channel of studying astrophysics phenomena – correlated observations
of cosmic rays on the global scale – to complement the present approach focused on
detection and analysis of individual particles. Since recently, Cosmic-Ray Extremely
Distributed Observatory (CREDO) Collaboration aims at pursuing a mission dedicated
to CRE, and the research presented in the thesis is a part of the CREDO program.
The aim of the study is to simulate the formation and propagation of CRE in specific
astrophysical conditions and to identify potential scenarios favorable for the detection of
CRE. The focus was on high-energy electrons that are believed to play an important role
in the physical processes that lead to CRE development and also during their formation.
The main method of this study is computer simulation of the interaction chain that the
primary particle undergoes as it propagates through the interstellar space. The main tool
used in the research is the publicly available and widely used Monte Carlo CRPropa 3
code. For the purposes of this work, a new algorithm called CRE-Pro was developed,
providing external simulation of the shape and size of CRE. It can be used to analyze the
results of CRPropa or similar codes simulating electromagnetic cascades, expanding their
applicability and saving computing resources.
The thesis presents the results of simulations and CRE analyzes created within selected
astrophysical scenarios with the use of the software described above. It has been
shown that there may be a chance of observing CRE composed of synchrotron radiation
photons emitted even at relatively large distances from the Earth, e.g. exceeding the size
of the Galaxy. This result opens up new research perspectives in the field of particle
astrophysics, pointing in particular to the possible extension of the observation horizon
of high-energy cosmic rays, new possibilities for verifying certain astrophysical scenarios,
as well as new research strategies relating to basic physical processes occurring under
conditions impossible to reproduce in Earth laboratories.13
Investigation of plasma compression in the PF-24 device with the use of different Z working gases
No full textThe work addresses the problem of radiative compression of electron-ion plasma occurrence and conditions during electric discharges in the z-pinch type devices. Also, the issue of the plasma radiative compression influence on the total neutron emission from nuclear fusion of deuterium nuclei is addressed. The plasma radiative compression is the phenomenon which should theoretically appear during high current conducting electric discharges in working gases having relatively high Z atomic number in comparison to deuterium (Z = 1), which are pinched with self-generated magnetic field pressure. When these types of gases are used the X-ray radiation losses during discharge are significant leading to cooling of the plasma, smaller internal pressures and possibly enable the compression to smaller sizes and higher densities. Moreover, the discharges in the mixtures of deuterium with noble gases, in which strong radiative compression has developed, may potentially produce more neutrons from the fusion of deuterium nuclei on average, despite the lower initial D2 pressure.
The conducted researches are based on: 54 theoretical discharges, 123 experimental discharges and 123 computed discharges in D2, Ar and D2+Ar mixtures under constant initial total pressure of about 2.9 mbar. The experimental discharges were performed in the plasma-focus PF-24 device, which is a type of dynamic non-cylindrical z-pinch type plasma generator and the nuclear fusion device with magnetic confinement, under the 17 kV of charging voltage and the 16.8 kJ of energy storage. During the experimental part of research 3 diagnostic systems were used: the Rogowski coil, the magnetic probe and the neutron counter. They were used to obtain: the total discharge current trace, the derivative of total discharge current over time trace and the total number of counts, during each experimental discharge. The obtained electric traces and number of counts enabled to determine the 6 different measured parameters describing behavior of plasma during each discharge. On the other hand, the theoretical and computed discharges were performed using the 5-phase Lee model code, which enables simulation of approximately all phases of discharge in any plasma-focus type device. Wherein, the 123 computed discharges have been connected to experimental discharges (123 coupled experimental-computed discharges) using the total discharge current fitting technique. The results obtained using the 5-phase Lee model code enabled to determine the 37 computed parameters and the 6 computed radiative compression indicators describing the behavior of plasma for each investigated discharge.
The obtained theoretical results showed strong plasma radiative compression phenomenon occurrence for discharges in the 1.70-4.20 mbar of initial Ar pressures and in x = 50-95% of Ar fraction in the (100-x)D2+xAr mixtures. While for all the theoretical discharges in D2, in 0.50-1.60 mbar and 4.50-5.00 mbar of initial Ar pressures and in x = 1-45% of Ar fractions in the (100-x)D2+xAr mixtures weak or non-existent radiative compression phenonmenon was stated. Moreover, the obtained experimental-computed results showed strong radiative compression phenomenon occurrence for only half of discharges in about 1.2 mbar of Ar. While for all the discharges in D2, the other half of discharges in Ar (also about 1.2 mbar) and in all the discharges in x = 3-60% of Ar fractions in (100-x)D2+xAr mixtures weak or non-existent radiative compression phenomenon was stated. The main reason of this state is to be the too low total X-ray line radiation emission power. The main parameters influencing strong radiative compression occurrence were stated as: the total yield of X-ray line radiation, the initial plasma pinch radius, the initial ion temperature and the initial ion number density. These parameters determine the radiative compression phenomenon occurrence during single discharge including its strength. Thus, they should be more accurate in comparison to the standard indicators used: the reduced Pease-Braginskii current, the radiation depletion time, etc. Also, no increase in the average total yield of fusion neutrons was stated for discharges in 3-60% of Ar fraction in (100-x)D2+xAr mixtures under constant initial pressure. The main reason of this is the decrease in deuterium ion number densities due to the decrease in initial pressures and deuterium fractions and the special changes in electro-kinetics/dynamics of discharges.Praca dotyczy problemu występowania kompresji radiacyjnej plazmy elektronowo-jonowej i warunków podczas wyładowań elektrycznych w urządzeniach typu z-pinch. Poruszono również kwestię wpływu kompresji radiacyjnej plazmy na całkowitą emisję neutronów z syntezy jąder deuteru. Kompresja radiacyjna plazmy jest zjawiskiem, które teoretycznie powinno pojawić się podczas wyładowań elektrycznych przewodzących wysoki prąd w gazach roboczych o względnie wysokiej liczbie atomowej Z w porównaniu do deuteru (Z = 1), które są ściskane przez samoistnie generowane ciśnienie pola magnetycznego. Gdy stosuje się tego rodzaju gazy, straty na promieniowanie rentgenowskie podczas wyładowania są znaczne, co prowadzi do chłodzenia plazmy, mniejszych ciśnień wewnętrznych i ewentualnie umożliwia kompresję do mniejszych rozmiarów i wyższych gęstości. Ponadto wyładowania w mieszaninach deuteru z gazami szlachetnymi, w których rozwinęła się silna kompresja radiacyjna, mogą potencjalnie, średnio wytwarzać więcej neutronów z syntezy jąder deuteru, pomimo niższego początkowego ciśnienia D2.
Przeprowadzone badania opierają się na: 54 wyładowaniach teoretycznych, 123 wyładowaniach eksperymentalnych i 123 wyładowaniach obliczeniowych w D2, Ar i mieszaninach D2+Ar pod stałym, całkowitym, początkowym ciśnieniem około 2.9 mbar. Wyładowania eksperymentalne przeprowadzono w urządzeniu plasma-focus PF-24, które jest rodzajem dynamicznego, niecylindrycznego generatora plazmy typu z-pinch i urządzenia do syntezy jądrowej z magnetycznym pułapkowaniem plazmy, pod napięciem ładowania 17 kV i magazynowaniem energii 16.8 kJ. Podczas części eksperymentalnej badań wykorzystano 3 układy diagnostyczne: cewkę Rogowskiego, sondę magnetyczną i licznik neutronów. Wykorzystano je do uzyskania: przebiegu całkowitego prądu wyładowania, przebiegu pochodnej całkowitego prądu wyładowania po czasie oraz całkowitej liczby zliczeń, podczas każdego eksperymentalnego wyładowania. Uzyskane przebiegi elektryczne i liczby zliczeń umożliwiły określenie 6 różnych mierzonych parametrów opisujących zachowanie plazmy podczas każdego wyładowania. Z drugiej strony wyładowania teoretyczne i obliczeniowe przeprowadzono przy użyciu 5-fazowego kodu modelu Lee, który umożliwia symulację w przybliżeniu wszystkich faz wyładowania w dowolnym urządzeniu typu plasma-focus. Przy czym, 123 obliczeniowe wyładowania zostały połączone z wyładowaniami eksperymentalnymi (123 sprzężone wyładowania eksperymentalno-obliczeniowe) przy użyciu techniki dopasowania całkowitego prądu wyładowania. Wyniki uzyskane przy użyciu 5-fazowego kodu modelu Lee umożliwiły określenie 37 obliczeniowych parametrów i 6 obliczeniowych wskaźników kompresji radiacyjnej opisujących zachowanie plazmy, dla każdego badanego wyładowania.
Uzyskane wyniki teoretyczne wykazały zachodzenie silnego zjawiska kompresji radiacyjnej plazmy dla wyładowań w początkowych ciśnieniach Ar 1.70-4.20 mbar i x = 50-95% zawartości Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr. Podczas gdy, dla wszystkich teoretycznych wyładowań w D2, w 0.50-1.60 mbar i 4.50-5.00 mbar początkowych ciśnień Ar i w x = 1-45% zawartości Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr słabe lub nieistniejące zjawisko kompresji radiacyjnej zostało stwierdzone. Ponadto uzyskane wyniki obliczeniowo-eksperymentalne wykazały silne zjawisko kompresji radiacyjnej tylko dla połowy wyładowań w około 1.2 mbar Ar. Podczas gdy, dla wszystkich wyładowań w D2, drugiej połowie wyładowań w Ar (również około 1.2 mbar) i we wszystkich wyładowaniach w x = 3-60% zawartości Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr słabe lub nieistniejące zjawisko kompresji radiacyjnej zostało stwierdzone. Głównym powodem tego stanu jest zbyt niska całkowita moc emisji liniowego promieniowania X. Główne parametry wpływające na występowanie silnej kompresji radiacyjnej określono, jako: całkowita wydajność promieniowania liniowego X, początkowy promień pinchu plazmowego, początkowa temperatura jonów i początkowa gęstość liczby jonów. Parametry te określają zjawisko kompresji radiacyjnej podczas pojedynczego wyładowania w tym jego nasilenie. Tak, więc powinny być one dokładniejsze w porównaniu ze stosowanymi standardowymi wskaźnikami: zmniejszonym prądem Pease'a-Braginskiego, czasem wytracania promieniowania, itp. Nie stwierdzono również wzrostu średniej, całkowitej wydajności neutronów z syntezy, dla wyładowań w 3-60% zawartości Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr pod stałym, początkowym ciśnieniem. Głównym powodem tego jest spadek gęstości ilości jonów deuteru spowodowany zmniejszeniem początkowych ciśnień i zawartości deuteru oraz specjalnymi zmianami w elektro-kinetyce/dynamice wyładowań.National Science Centre in Poland
project number: 2018/29/N/ST2/02804 (PRELUDIUM 15)20
Study of the mutual dependence between Lower Hybrid current drive and heavy impurity transport in tokamak plasmas. Part 1. Preparatory work and theoretical background
No full textThis document reports the activities performed during the year 2019-2020 in the framework of the HARMONIA 10 project entitled “Study of the mutual dependence between Lower Hybrid current drive and heavy impurity transport in tokamak plasmas” as well as the preliminary results obtained during the first year of project execution. The project is founded by the Polish National Science Centre (NCN) and carried out in a close collaboration with the foreign partner - Institute for Magnetic Fusion Research (IRFM) of the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA)
Particle acceleration and heating in mildly-relativistic magnetized shocks
No full textDżety aktywnych jąder galaktyk i błyski gamma emitują silne promieniowanie elektromagnetyczne wysokich energii i są głównymi kandydatami na źródła promieni kosmicznych najwyższych energii. Często przyjmuje się, że przyspieszenie cząstek w dżetach zachodzi w relatywistycznych falach uderzeniowych. Szoki te sa˛ zwykle zmagnetyzowane i quasi-prostopadłe (ponadświetlne). Ich fizyka jest dość dobrze z badana w reżimie ultrarelatywistycznym, natomiast fale średnio relatywistyczne są mało poznane. Celem niniejszej rozprawy jest badanie średnio relatywistycznych szoków w zmagnetyzowanej plazmie elektronowo-protonowej za pomocą symulacji kinetycznych typu cząstka w komórce. Zastosowane symulacje wielkiej skali odznaczają się bardzo wysoką rozdzielczością i wykonane zostały dla warunków typowych dla wewnętrznych szoków w rdzeniach blazarów. Uwzględniają one efekty w skali jonowej, które prowadzą do pofałdowania powierzchni szoku, i wykonywane są w dwóch wymiarach dla dwóch różnych konfiguracji średniego prostopadłego pola magnetycznego, które znajduje się w płaszczyźnie symulacji lub tworzy z nią kąt 90°. W moich badaniach skupiłam się na procesach grzania i przyspieszania cząstek, które skutkują przekazem energii od protonów do elektronów w fali uderzeniowej. Moje wyniki pokazują, że synchrotronowa niestabilność maserowa zachodzi w średnio relatywistycznych szokach zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi i generuje emisję spójnych fal elektromagnetycznych rozchodzących się przed szokiem. Pofałdowania powierzchni fali są wzbudzane dla obu konfiguracji średniegopola, wzmacniając te fale. Ich oddziaływanie z plazmą z przodu fali generuje fale elektrostatyczne, które przyspieszają elektrony w procesie WFA. Proces ten nie jest jednak wydajny, a transfer energii odbywa się głównie w szoku i w obszarze za szokiem, gdzie procesy grzania elektronów odbiegają od adiabatycznej kompresji w szoku. Po raz pierwszy pokazuję, że pofałdowanie szoku ma kluczowe znaczenie dla nieadiabatycznych procesów przyspieszania elektronów. Przekaz energii proton-elektron zachodzi znacznie poniżej warunku ekwipartycji, niezależnie od konfiguracji średniego pola magnetycznego. Widma energii elektronów z tyłu szoku są bliskie rozkładom termicznym, choć występują również składowe ponadtermiczne w ograniczonym zakresie energii. Moje wyniki pokazują, że proces WFA w średnio relatywistycznych zmagnetyzowanych szokach dżetów aktywnych galaktych nie może być źródłem wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Ograniczony poziom sprzężenia elektron-proton stoi w sprzeczności z leptonowymi modelami emisji blazarów w ramach scenariusza średnio relatywistycznych szoków wewnętrznych, chyba że obecność składowej pozytronowej może znacznie wspomóc transfer energii protonów do elektronówJets of Active Galactic Nuclei (AGN) and gamma-ray bursts emit strong high energy electromagnetic radiation and are the main candidates for sources of ultra high-energy cosmic rays. Particle acceleration is often assumed to take place at relativistic shocks in the jets. These shocks are typically magnetized and mostly quasi perpendicular (superluminal). Their physics have been extensively studied in the ultra relativistic regime, and mildly relativistic shocks are poorly explored. The aim of this dissertation is to investigate mildly relativistic shocks in magnetized electron-proton plasma with unprecedentedly high-resolution and large-scale kinetic particle-in-cell (PIC) simulations, for conditions typical for internal shocks in blazar cores. The simulations take into account ion-scale effects that cause corrugations along the shock surface. They are performed in two dimensions (2D) for two different configurations of the mean perpendicular magnetic field that is either in- or out- of the simulation plane. The focus of my studies inon particle heating and acceleration that results in the proton-to-electron energy transfer in the shock. My results show that the synchrotron maser instability persists to operate in mildly relativistic shocks in agreement with theoretical predictions and produces coherent emission of upstream-propagating electromagnetic waves. Shock front ripples are excited in both mean field configurations and they engender effective wave amplification. The action of these waves with plasma generates electrostatic wake-fields in the shock upstream that act to energise electrons. The wakefield acceleration (WFA) is not efficient and the majority of the energy transfer takes place in the shock and downstream, where the electron heating proceeds beyond adiabatic compression at the shock. I for the first time demonstrate that the shock rippling is crucial for the electron non-adiabatic energisation processes in the shock. The resulting ion-to-electron energy transfer is far below energy equipartition, independent of the mean magnetic field configuration. Downstream electron energy spectra are close to thermal distributions, although limited-range supra-thermal power-law components are also present. My results show that WFA at mildly relativistic magnetized shocks in AGN jets cannot be the source of high-energy cosmic rays. Limited level of the electron-ion coupling is in tension with leptonic models of blazar emission based on internal mildly relativistic shock scenario, unless the presence of the positron plasma component can facilitate enhanced ion-to-electron energy transfer.13
Niech Ci fizyka nie umyka
No full textJesteśmy nieustannie bombardowani strumieniami informacji. Dotyczy to także
nowych faktów z dziedziny nauki – ich liczba narasta lawinowo. Tę broszurę
przygotowaliśmy specjalnie dla Ciebie po to, by w przystępnej i zwięzłej formie,
niejako „w pigułce”, pokazać Ci szereg ciekawych wyników pracy naszych Koleżanek
i Kolegów z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Zobaczysz, że nauka, w tym przypadku fizyka, jest nie tylko atrakcyjna, ale łatwo staje się fascynującą przygodą. Co więcej, może ona w sposób jakościowy przemieniać nasze życie, o czym świadczy choćby
rozpowszechnienie się internetu, który powstał z potrzeby komunikowania się w środowisku fizyków. Taka ciekawa i nowoczesna nauka nie zna granic geograficznych i międzyludzkich, a z ogromnym powodzeniem uprawiamy ją także w Polsce, w szczególności w Instytucie Fizyki Jądrowej imienia Henryka Niewodniczańskiego, największym instytucie naukowym Polskiej Akademii Nauk. W IFJ PAN szczycimy się tym, że pracując niekiedy w dużych, międzynarodowych zespołach badawczych, równocześnie jesteśmy dobrze znani jako część lokalnej i ogólnopolskiej społeczności. Liczni goście naszych serwisów www bardzo często czytają doniesienia popularyzatorskie, które od roku 2015 systematycznie publikujemy, a które następnie trafiają do internetowego serwisu EurekAlert! prowadzonego przez Amerykańskie Stowarzyszenie Rozwoju Nauki (AAAS). W trosce, by nie umknęła Ci drogi Czytelniku, żadna nowinka dotycząca nowoczesnej fizyki, zapraszamy do lektury doniesień lat 2016–2018
Optymalizacja badań scyntygraficznych perfuzji mięśnia sercowego wykonywanych za pomocą gammakamery opartej na detektorach półprzewodnikowych na bazie tellurku kadmowo-cynkowego (CZT)
No full textWprowadzenie
Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat w kardiologii nuklearnej obserwuje się odchodzenie od gammakamer SPECT ogólnego zastosowania na rzecz wyspecjalizowanych urządzeń, tzw. kamer kardiocentrycznych, zapewniających przede wszystkim dużo większą efektywność obrazowania. Przełomem było zastąpienie kryształów scyntylacyjnych NaI(Tl) detektorami półprzewodnikowymi CZT (tellurek kadmowo-cynkowy). Pierwsza w Europie Środkowo-Wschodniej instalacja skanera kardiologicznego z detektorami CZT, kolimacją zogniskowaną na sercu i układem detektorów pozwalających na przeprowadzenie stacjonarnej akwizycji 3D, miała miejsce w Warszawie, w Wojskowym Instytucie Medycznym (WIM).
Cele pracy
1. Analiza ograniczeń skanera CZT, wynikających z zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, w obrazowaniu pacjentów otyłych.
2. Ocena przydatności stosowania różnych metod pozwalających na redukcję artefaktów wynikających z pochłaniania promieniowania w tkankach miękkich pacjenta: korekcja atenuacji wykorzystująca tomografię komputerową CT z zewnętrznego urządzenia diagnostycznego oraz dodatkowa akwizycja SPECT perfuzji mięśnia sercowego w pozycji na brzuchu.
3. Przeprowadzenie symulacji artefaktów ruchowych i zweryfikowanie możliwości identyfikacji artefaktów na etapie oceny wizualnej oraz możliwości redukcji tych artefaktów.
4. Weryfikacja parametrów czynnościowych lewej komory serca na podstawie badań bramkowanych sygnałem EKG.
5. Ocena jakości badań perfuzyjnych SPECT mięśnia sercowego wykonanych w technologii półprzewodnikowej.
Materiał i metody
W celu realizacji powyższych zadań wykorzystano bazę badań pacjentów Zakładu Medycyny Nuklearnej WIM (Cele pracy, punkty 1., 2. i 5.), a także przeprowadzono badania z użyciem fantomu antropomorficznego tułowia z wkładką sercową (pkt 3.) oraz fantomu dynamicznego serca, umożliwiającego ustalenie wartości referencyjnych dla frakcji wyrzutowej (pkt 4.).
Badania perfuzyjne mięśnia sercowego były opracowywane z wykorzystaniem oprogramowania Myovation (GE) na stacji Xeleris 3.0 lub 3.1. Badania bramkowane SPECT były dodatkowo opracowywane za pomocą aplikacji QGS (Quantitative Gated SPECT, Cedars-Sinai Medical Center).
W celu realizacji punktu 3. wykorzystano również oprogramowanie Lister (GE) oraz MDC for Alcyone (Motion Detection and Correction for Alcyone, GE) na stacji Xeleris 3.1.
W celu realizacji punktów 1., 2., 3., 5. analizowano badania perfuzyjne serca na podstawie 17-segmentowych map biegunowych z procentowymi wartościami perfuzji oraz przekroje w 3 osiach serca. Dodatkowo, w punkcie 2., analizowano mapy biegunowe z podziałem na ściany serca.
Jakość badań perfuzyjnych mięśnia sercowego oceniana była przez czterech niezależnych sędziów (lekarze specjaliści medycyny nuklearnej) w 5-punktowej skali (0–4), gdzie 0 oznaczało obrazy niediagnostyczne, a 4 – obrazy bardzo dobrej jakości.
Opracowanie każdego badania z kamery CZT poprzedzone było przeprowadzeniem kontroli jakości skanowania w celu oceny poprawności ułożenia serca w polu widzenia detektorów.
Badania na skanerze CZT były wykonywane wg standardowego protokołu klinicznego (badanie na plecach, bez korekcji pochłaniania). W celu realizacji punktu 2. analizowano również badania perfuzyjne wykonane w pozycji pacjenta na brzuchu oraz badania z zastosowaniem korekcji atenuacji na podstawie CT.
Do realizacji celów zdefiniowanych w punktach 4. i 5. wykorzystano również badania perfuzyjne SPECT mięśnia sercowego wykonane na konwencjonalnej dwugłowicowej gammakamerze (zarówno bez korekcji, jak i z korekcją pochłaniania promieniowania).
Wyniki
1. W niniejszej pracy wykazano, że odsetek badań diagnostycznych wśród pacjentów z otyłością olbrzymią (BMI ≥ 40 kg/m2) wynosi 67% i jest dużo większy, niż to wynika z niektórych doniesień literaturowych.
2. Wykazano przydatność obydwu metod w redukcji artefaktów wynikających z braku korekcji pochłaniania promieniowania w badaniach ze skanera CZT: korekcja atenuacji oparta na skanach CT okazała się przydatna w identyfikacji artefaktów w ścianach dolnej i bocznej serca, a także przegrodzie międzykomorowej; metoda wykorzystująca dodatkową akwizycję z ułożeniem pacjenta na brzuchu okazała się pomocna w ocenie nieprawidłowości perfuzji w ścianie dolnej serca ze względu na redukcję atenuacji przeponowej.
3. W pracy zasymulowano artefakty wynikające z przesunięć i rotacji obrazowanego obiektu w czasie akwizycji. Pokazano, że artefakty ruchowe przybierają charakterystyczny wygląd na mapach biegunowych (np. artefakt powstały w wyniku przesunięcia w osi długiej pacjenta przypomina kształtem motyla) i przekrojach serca, co może ułatwić rozpoznanie artefaktów na etapie wizualnej oceny i zmniejszyć ryzyko błędnej interpretacji wyniku badania. Wykazano, że artefakty ruchowe mogą być skutecznie redukowane za pomocą dedykowanej aplikacji do korekcji ruchu.
4. W pracy wykazano silną korelację między parametrami czynnościowymi lewej komory serca wyznaczonymi dla badań ze skanera CZT i konwencjonalnej gammakamery. Zaobserwowano niewielki trend w kierunku niższych wartości frakcji wyrzutowej uzyskiwanych w badaniach na skanerze kardiologicznym. Wykazano, że wartości mierzonych parametrów zależą zarówno od zastosowanej metody rekonstrukcji obrazów, jak i użytego oprogramowania do analizy badań bramkowanych SPECT perfuzji serca. W przypadku badań ze skanera CZT największą i wysoką zgodność między wyznaczonymi wartościami frakcji wyrzutowych a wartościami referencyjnymi (tj. dla fantomu dynamicznego) uzyskano przy użyciu oprogramowania QGS (Lin’s CCC = 0,973; 95% PU: 0,959–0,982).
5. W pracy wykazano, że badania scyntygraficzne perfuzji serca wykonywane na skanerze kardiologicznym z detektorami CZT są lepszej jakości niż badania wykonywane na dwugłowicowej gammakamerze SPECT. Mimo 3-krotnie krótszej akwizycji i ok. 50-procentowej redukcji dawki w badaniu radioizotopowym, uzyskiwane za pomocą skanera CZT obrazy scyntygraficzne są bardzo dobrej jakości.
Wnioski
1. Zastosowane w skanerze CZT rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne nie stanowią podstawy do wykluczenia pacjentów z otyłością olbrzymią z badań na tym urządzeniu.
2. Korekcja pochłaniania wykorzystująca zewnętrzną tomografię komputerową i/lub wykonanie dodatkowej akwizycji w pozycji pacjenta na brzuchu są skutecznymi metodami redukcji artefaktów spowodowanych atenuacją.
3. Artefakty ruchowe mają charakterystyczny wzór na mapie biegunowej serca, co umożliwia identyfikację ruchu pacjenta. Możliwe jest zastosowanie korekcji ruchu albo powtórzenie akwizycji.
4. Skaner CZT pozwala w sposób miarodajny określić frakcję wyrzutową lewej komory serca.
5. Skaner z detektorami półprzewodnikowymi CZT pozwala na uzyskanie znacząco lepszych obrazów perfuzji mięśnia sercowego w porównaniu do badań z konwencjonalnych gammakamer z kryształami NaI(Tl).Introduction
For the last several years in nuclear cardiology we have been observing a widespread movement from general-purpose to more specialised cardiac-centered SPECT gamma cameras. This is mainly due to the higher imaging efficacy of the latter. The replacement of scintillation crystals NaI(Tl) with semiconductor CZT (cadmium zinc telluride) detectors was a major breakthrough. The first cardiac scanner with CZT detectors, collimation focused on the heart and a fixed array of detectors enabling stationary 3D acquisition in East-Central Europe was installed in the Military Institute of Medicine (Warsaw, Poland).
Aims
1. Evaluation of technological and construction limitations of a CZT camera in imaging of obese patients.
2. Evaluation of different methods for a reduction of attenuation artifacts: attenuation correction based on transmission scans from a standalone CT device and additional myocardial perfusion imaging performed with a patient in a prone position.
3. Simulation of motion artifacts, evaluation of their detectability early during the visual analysis and assessment of possibility of their reduction.
4. Examination of the left ventricle functional parameters obtained from ECG-gated acquisitions.
5. Assessment of quality of myocardial perfusion SPECT scans performed with the use of a semiconductor gamma camera.
Material and methods
Objectives no. 1, 2 and 5 were achieved with the use of the cardiac SPECT scans data base of the Department of Nuclear Medicine of the Military Institute of Medicine (Warsaw, Poland). Experiments with an anthropomorphic torso phantom with a heart insert were also performed (aim no. 3). A dynamic heart phantom was used to determine the reference ejection fraction values (aim no. 4).
Xeleris 3.0/3.1 workstation with the Myovation (GE) software was used for image analysis. The ECG-gated scans were additionally assessed with the use of the QGS application (Quantitative Gated SPECT, Cedars-Sinai Medical Center).
To achieve aim no. 3 the Lister (GE) application as well as the MDC for Alcyone (Motion Detection and Correction, GE) software package on Xeleris 3.1 workstation were also used.
In order to achieve aims no. 1, 2, 3 and 5 cardiac scans were analysed on 17-segment polar maps with the percentage of perfusion and on slices parallel to the three heart axes. To reach aim no. 2 polar maps divided according to the heart walls were also evaluated.
The quality of myocardial perfusion SPECT scans was independently assessed by four nuclear medicine specialists on a 5-point scale (0-4) where 0 was given to the lowest-quality images and 4 to the highest.
In order to verify the correct heart alignment within the detector field a scan quality control (Scan QC) was performed prior to visual assessment of SPECT CZT images.
Acquisition was performed according to a standard clinical protocol for a CZT camera (patient in supine position, no attenuation correction). To achieve aim no. 2 additional prone acquisition and attenuation correction based on transmission scans from a standalone CT device were also performed.
To achieve aims no. 4 and 5 myocardial perfusion SPECT scans were also performed on a conventional dual-headed gamma camera (with and without attenuation correction).
Results
1. The study showed that the percentage of diagnostic myocardial perfusion SPECT scans in patients with morbid obesity (BMI ≥ 40 kg/m2) is 67% which is higher than reported in literature.
2. Both assessed artifact reduction methods proved useful. Attenuation correction based on transmission scans from a standalone CT device showed artifacts in the inferior and lateral heart wall and in the septum. Prone acquisitions helped to detect the diaphragmatic attenuation artifacts (seen as abnormal perfusion in the inferior heart wall).
3. Simulation of both axial displacements and rotation showed that these motion artifacts yield characteristic patterns on heart slices and polar maps (e.g. long axis displacement artifact produces a butterfly shape). This may help to identify the motion artifacts early (during the visual analysis phase) and to avoid mistakes in image evaluation. Motion artifacts can be effectively reduced with the use of a dedicated application for motion correction.
4. The study showed a strong correlation between functional heart parameters measured with the use of a CZT camera and a conventional gamma camera. However, ejection fraction values tended to be lower on a CZT scanner. It was revealed that the parameters values depended both on a reconstruction algorithm and software for gated cardiac SPECT analysis. CZT ejection fraction values were closest to the reference standard (determined on a dynamic phantom) when QGS software was used (Lin’s CCC = 0.973; 95% CI: 0.959-0.982).
5. The study revealed that myocardial perfusion scans performed on a cardiac-centered CZT gamma camera present higher quality images that conventional dual-headed gamma camera scans. CZT scans show superior quality regardless a three times shorter acquisition time and a 50% dose reduction.
Conclusions
1. Technology and construction of a CZT scanner allows for an effective assessment of patients with morbid obesity.
2. Attenuation artifacts can be effectively reduced with the use of transmission scans from a standalone CT device and/or additional prone imaging.
3. Motion artifacts show characteristic patterns on polar maps which enables their early detection during visual analysis. Motion correction may be then applied or acquisition may be repeated.
4. Left ventricle ejection fraction can be reliably determined with the use of a CZT camera.
5. Gamma cameras with semiconductor CZT detectors yield superior quality images when compared to conventional dual-headed gamma cameras with NaI(Tl) detectors.11
Badanie stanów elektronowych metali 3d w układach złożonych metodami spektroskopii promieniowania X
No full textSpektroskopia rentgenowska z wykorzystaniem Promieniowania Synchrotronowego jest zbiorem technik badawczych rozwijanych od dziesięcioleci. Spektroskopia absorpcyjna promieniowania X (XAS) pozwala otrzymać informację strukturalną i konfigurację elektronowych stanów nieobsadzonych badanego związku. Spektroskopia emisyjna promieniowania X (XES), pozwala na otrzymanie komplementarnej do XAS informacji strukturalnej oraz konfiguracji elektronowych stanów obsadzonych. Połączenie tych metod stanowi nowatorska spektroskopia RXES umożliwiająca zebranie analogicznych informacji
w jednym eksperymencie. Dotychczas, spektroskopia RXES była głównie wykorzystywana
w badaniach z dziedziny ciała stałego.
Celem niniejszej rozprawy było wykonanie pomiarów metali 3d w różnych typach próbek i wykazanie różnic pomiędzy metodami XAS i Kβ RXES. Opisane zostały trzy eksperymenty podejmujące aktualne problemy badawcze, wykonane przy pomocy metod XAS i RXES oraz wsparte obliczeniami DFT i ab-initio wykonanymi przy pomocy teorii FMS. Pierwszy eksperyment skupiał się na zastosowaniu metody Kβ RXES do wyznaczenia struktury przerwy energetycznej w związkach nieorganicznych żelaza. Stanowi on podsumowanie możliwości metody RXES w dotychczasowych zastosowaniach fizyki ciała stałego. Ponadto, wprowadzony został nowy sposób radzenia sobie z efektem samoabsorpcji widocznym
w widmach XAS. Drugi eksperyment to analiza mechanizmu oddziaływania białka PrPC
z jonami Cu(II). Jest to przykład badania struktury heterogenicznej, przy użyciu spektroskopii absorpcyjnej przy krawędzi K Cu. W trakcie analizy został zidentyfikowany unikatowy proces transferu ładunku z ligandów na jon Cu(II) (LMCT) oraz przedstawiono rozwiązanie struktury kompleksu PrPC-Cu(II). Trzeci eksperyment to rozwiązanie problemu oddziaływania Cr(VI)
z błonami lipidowymi. W tym przypadku zostały zastosowane i porównane obie techniki: XAS i Kβ RXES. W trakcie doświadczenia wykazano istnienie mechanizmu przechodzenia Cr(VI) przez błony lipidowe przy jednoczesnym wykorzystaniu potencjału redoks reakcji redukcji Cr(VI) -> Cr(III)/Cr(IV). W rezultacie obliczeń DFT i ab-initio zaproponowano i potwierdzono model tworzenia krótko żyjących kanałów w błonie lipidowej przy jednoczesnym trwałym wiązaniu Cr do składników błon.
W trakcie analizy wyników, pokazane zostało zastosowanie spektroskopii Kβ RXES do badania materii organicznej i heterogenicznej. Dzięki temu udowodniono, iż przy pomocy techniki Kβ RXES możliwe jest pełne zrozumienie natury zachodzących zjawisk w tego typu próbkach. Pozwoli to na rozwinięcie metodologii badawczej, znacznie wykraczające poza dotychczasowe zastosowania fizyki ciała stałego.X-Ray spectroscopy with use of Synchrotron Radiation is a set of experimental techniques that were being under development for decades. The X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) allows to obtain structural and electronic information regarding unoccupied electronic states in studied compound. On the contrary, the X-Ray Emission Spectroscopy (XES) allows to obtain complementary to XAS structural and electronic information about unoccupied electronic states in studied compound. The RXES technique merges aforementioned methods and enabled to simultaneously collect all structural and electronic information in one experiment. Up to now, the RXES technique was used in majority to study solid-state samples.
The purpose of this thesis was to study 3d metals in various sample types and to demonstrate divergences between the RXES and both XAS and XES methods. Three experiments, that were challenging actual research problems, were pictured. They were conducted with use of XAS and Kβ RXES techniques with support of a DFT and ab-initio, the FMS theory-based calculations. The first experiment was focused on application of Kβ RXES to characterise band gap in inorganic reference iron compounds. This study is a sum up of the RXES technique capabilities in application to classical solid state physics scientific problems. Additionally, a new way of handling the self-absorption effect in XAS spectra was introduced. The second experiment was focused on interaction of the PrPC protein with Cu(II) ions. This was an example of study of heterogenic structure with use of X-Ray absorption spectroscopy near Cu K edge. During data analysis a new, unique mechanism of charge transfer form ligands to metal (LMCT) was identified as well as the PrPC-Cu(II) complex structure was solved. The third experiment tacked the problem of Cr(VI) impact on lipid membranes. In this case both XAS and Kβ RXES techniques were utilised. As a result it was proven that Cr can pass throughout lipid membrane with simultaneous redox reaction Cr(VI) -> Cr(III)/Cr(IV) taking place. The model of Cr binding to membrane content and creation of short living channels
in a lipid membrane were proposed and proved with use of DFT and ab-initio calculations.
During data analysis, application of the Kβ RXES method in organic and heterogenic samples. It was shown that with use of the Kβ RXES technique, one can obtain full understanding the nature of the phenomena occurring in this type of samples. In future, it will allow to extend methodology of study, much beyond the actual solid state physics scope
of applications.Badania zawarte w niniejszej rozprawie były częściowo finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektów:
"Badanie mechanizmu i efektów oddziaływania błon lipidowych ze związkami chromu-VI przy pomocy spektroskopii rentgenowskiej oraz metod komplementarnych" – kierownik mgr Michał Nowakowski
2016/23/N/ST4/01601
oraz
„Molekularne podstawy amyloidogenezy – struktura i dynamika konformacyjna wybranych kompleksów ludzkiego białka prionowego PrPc z kationami metali” – kierownik prof. dr hab. Maciej Kozak (Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu) oraz prof. dr hab. Wojciech M. Kwiatek (Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie)
2014/15/B/ST4/04839
Część badań zostało wykonanych z wykorzystaniem aparatury zakupionej w ramach projektu współfinansowanego ze środków Małopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego Działanie 5.1 Krakowski Obszar Metropolitalny jako ważny węzeł europejskiej przestrzeni badawczej na lata 2007-2013, projekt nr MRPO.05.01.00-12-013/15.20
Dozymetria referencyjna skanującej wiązki protonowej z zastosowaniem komór jonizacyjnych.
No full textRadioterapia protonowa z użyciem ołówkowych wiązek skanujących (ang. Pencil Beam Scanning, PBS) jest nową techniką, umożliwiającą zastosowanie Radioterapii Protonowej o Modulowanej Intensywności (ang. Intensity Modulated Proton Therapy, IMPT) w leczeniu skomplikowanych przypadków nowotworów. Technika ta umożliwia modyfikację rozkładu przestrzennego dawki terapeutycznej podawanej do objętości leczonej w taki sposób, aby przy zachowaniu konformalnej depozycji energii w obszarze tarczowym zminimalizować dawkę dostarczoną do zdrowych tkanek, w szczególności do obszarów krytycznych. Istotnym elementem radioterapii wykorzystującej technikę PBS jest odpowiednia konfiguracja komputerowego systemu planowania leczenia (ang. Treatment Planning System, TPS). Od dokładności zmierzonych i wprowadzonych do systemu TPS danych (m.in. rozkładów integralnej dawki głębokiej (ang. Integral Depth Dose, IDD)) zależy zgodność obliczonego z rzeczywistym rozkładem dawki dostarczonym przez system radioterapii Proteus-235. Protokół dozymetryczny TRS - 398, aktualnie rekomendowany przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (IAEA), nie definiuje metody dozymetrii referencyjnej dla wiązek skanujących. Stąd, w ramach niniejszej pracy opracowano protokół dozymetrii referencyjnej dedykowany pomiarom dawki pochłoniętej w wodzie, w warunkach referencyjnych, na stanowisku gantry wyposażonym w głowicę IBA dedykowaną protonowej wiązce skanującej.
Wyznaczenie dawki pochłoniętej w wodzie przy użyciu komór jonizacyjnych wymaga przeprowadzenia ich wzorcowania oraz zastosowania różnego rodzaju współczynników korekcji, co wynika wprost z odstępstw rzeczywistych warunków pomiaru dawki w wiązce protonowej od warunków referencyjnych, w których wyznaczono współczynnik kalibracyjny dawkomierza terapeutycznego. W ramach pracy wykazano, że dawkomierz wzorcowy oraz dawkomierze terapeutyczne złożone z elektrometru UnidosWebline 10021 (PTW) oraz z odpowiedniej komory jonizacyjnej, typu Markus (TM 23343, PTW), Farmer (TM 30010 i 30013, PTW) lub Semiflex (TM 31010, PTW), dysponują wymaganą stabilnością odpowiedzi i mogą być stosowane w dozymetrii klinicznej ołówkowej wiązki protonowej w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB). Stabilność współczynników kalibracyjnych badanych dawkomierzy terapeutycznych wyznaczona w wiązce promieniowania referencyjnego (60Co) mieści się w granicy ±0,3%, przy całkowitej niepewności współczynników kalibracji wynoszącej 1,1%. Z kolei, długookresowa stabilność ich odpowiedzi, zdefiniowana jako względna różnica procentowa pomiędzy wielkością kp [Gy/min] a wartością referencyjną, w przypadku cylindrycznych komór jonizacyjnych (Farmer i Semiflex) jest na poziomie 0,1%, a w przypadku płasko-równoległej komory jonizacyjnej typu Markus mieści się w granicy ±0,3%.
Wykazano, że struktura czasowa ołówkowej wiązki skanującej w systemie Proteus-235 w odniesieniu do zjawiska rekombinacji jonów występującego w badanych komorach jonizacyjnych ma charakter ciągły. Stwierdzono, że w warunkach przeprowadzonych eksperymentów, tj. w monoenergetycznym polu PBS oraz w warunkach klinicznych, zjawisko rekombinacji jonów w badanych komorach jonizacyjnych jest zdominowane przez rekombinację objętościową. Wielkość współczynnika objętościowej rekombinacji jonów (ks) w badanych komorach jonizacyjnych zależy od napięcia polaryzującego, stosunku napięć U1/U2 - w przypadku metody dwóch napięć (TVM), oraz mocy dawki skanującej wiązki protonowej. Uzyskane charakterystyki zależności energetycznej współczynników ks dla systemu radioterapii Proteus-235 odzwierciedlają wzrost zjawiska objętościowej rekombinacji jonów w badanych komorach jonizacyjnych wraz z rosnącą mocą dawki przy rosnącej energii wiązki protonowej. Dla komór jonizacyjnych typu Markus i metody TVM współczynnik ks w monoenergetycznym polu PBS o energii 225 MeV i mocy dawki 13,4 Gy/s wynosi 1,005 (0.1%), a dla komory cylindrycznej typu Farmer - 1,0134 (0,0%). W przypadku planów klinicznych odpowiednio z użyciem dyskryminatora zasięgu i bez niego uśredniona poprawka na występujące w badanych komorach jonizacyjnych zjawisko objętościowej rekombinacji jonów w skanującej wiązce protonowej wynosi: 0.1% i 0.2% dla płasko-równoległej komory jonizacyjnej typu Markus oraz od 0.1% do 0.5% dla cylindrycznych komór jonizacyjnych typu Semiflex i typu Farmer.
Wyznaczone współczynniki ks dla komory jonizacyjnej typu Markus zastosowano podczas pomiarów dawki pochłoniętej w wodzie w warunkach referencyjnych, na potrzeby kalibracji monitora dawki na stanowisku gantry w CCB. W radioterapii protonowej PBS kalibracja monitora dawki w funkcji jej energii nominalnej jest wykorzystywana do normalizacji krzywych IDD ołówkowej wiązki protonowej, które stanowią jeden z podstawowych elementów konfiguracji modelu analitycznego w systemie TPS Eclipse v. 13.6 (Varian Medical System). Biorąc pod uwagę typowy zakres energii potrzeby do konfiguracji systemu TPS obejmujący przedział 70 MeV– 230 MeV wykazano, że dla PBS dawka pochłonięta w wodzie zmierzona komorą jonizacyjną typu Markus w ustalonych warunkach referencyjnych, tj. na głębokości 2 cm w wodzie, na środku jednorodnego, monoenergetycznego pola o wymiarach 10 cm x 10 cm, z dokładnością mieszczącą się w zakresie od 0,1% do 0,5% odzwierciedla całkowitą depozycję energii ołówkowej wiązki protonowej.Proton radiotherapy using pencil beam scanning (PBS) is a new technique allowing for the usage of Intensity Modulated Radiotherapy (IMPT) for treating complex tumours. This technique enables spatial modification of the therapeutic dose delivered to the treatment volume by minimizing the dose delivered to healthy tissues, while preserving conformal energy deposition within the target. An important element of radiotherapy using the PBS technique is an appropriate configuration of the treatment planning system (TPS). The agreement between the calculated and actual dose distribution depends on the accuracy of the measured data taken as an input to the TPS (e.g. Integral Depth Dose (IDD) distributions). The TRS-398 dosimetry protocol, currently recommended by the International Atomic Energy Agency (IAEA), does not specify the reference dosimetry methods for the proton scanning beams. Therefore, within this work, a reference dosimetry protocol was developed for measuring the absorbed dose in water in the reference conditions at gantry room with the dedicated IBA PBS nozzle.
Determination of the absorbed dose in water using ionization chambers (IC) requires their calibration and usage of various correction factors, which result from the deviations between the reference and actual measurement conditions. As part of this work it was shown that the standard therapeutic dosimeters consisting of the UnidosWebline 10021 electrometer (PTW) and the appropriate ionization chamber such as Markus type (TM 23343, PTW), Farmer type (TM 30013, PTW) or Semiflex type (TM 31010, PTW), demonstrate the required response stability and can be used in clinical dosimetry at the Bronowice Cyclotron Centre (CCB). The stability of the calibration coefficients of the therapeutic dosimeters examined in the reference beam (60Co) was found to be within ± 0.3%, with total uncertainty of calibration factors of 1.1%. In turn, the long-term stability of their response for cylindrical ICs (Farmer and Semiflex) does not exceed 0.1%, and in the case of a plane-parallel Markus IC, is within ± 0.3%.
It was shown that the temporal structure of the pencil scanning beam in the Proteus-235 system is continuous with respect to the phenomenon of ion recombination occurring in the examined ionization chambers (Farmer, Semiflex and Markus). In this work it was shown that in the conditions of the performed experiments the phenomenon of recombination in the examined ICs was dominated by the volume recombination. The ion recombination coefficient (ks) in the ICs depends on the bias voltage, the U1/U2 voltage ratio - in the case of the two voltage (TVM) method, and the dose rate. The energy dependence of the ks reflects the increase in the volume recombination with the increasing dose rate of the proton beam scanning. In the case of Markus ICs, ks in the 225 MeV beam (dose rate of 13.4 Gy/s) obtained with the TVM method is 1.005 (0.1%) and for the cylindrical Farmer chamber - 1.0134 (0.0%). In case of clinical plans with and without range shifter, the average correction for the ion recombination in the scanning proton beams of the examined ionization chambers ranges from 0.1% to 0.2% for a plane-parallel Markus IC and from 0.1% to 0.5% for Semiflex and Farmer cylindrical ICs.
In PBS proton radiotherapy, the dose monitor calibration as a function of its nominal energy is used to normalize the IDD curves of the pencil proton beams, which are one of the basic elements of the analytical model configuration in the TPS Eclipse v. 13.6 (Varian Medical System). The determined ks coefficients for the Markus ionization chamber were applied to correct the calibration of the dose monitor at the CCB gantry room. It has been shown that for PBS the absorbed dose in water measured with the Markus IC under reference conditions, i.e.: at the depth of 2 cm in water, at the centre of the homogeneous monoenergetic 10 cm x 10 cm field, reflects the total deposition of the energy of the pencil proton beam with accuracy ranging from 0.1% to 0.5%.17