Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
Not a member yet
364 research outputs found
Sort by
Report on Research Activities
No full textThe "Report on Research Activities 2017-2020" summarizes the most important highlights of the scientific activities at IFJ PAN in the last four years. These highlights encompass activities in both fundamental and application research. Studies concerning basic research were carried out at the Division of Particle Physics and Astrophysics, the Division of Nuclear Physics and Strong Interactions, the Division of Condensed Matter Physics and at the Division of Theoretical Physics. In turn, the works related to scientific applications were conducted at the Division of Interdisciplinary Research and the Division of Applications of Physics. Of particular importance is the Cyclotron Centre Bronowice (CCB), which is a spectacular demonstration of the strong connection between basic research and applications. Reported is also information about the Krakow School of Interdisciplinary PhD Studies (KISD) which is coordinated by IFJ PAN, about the division of the construction of scientific equipment and infrastructure (DAI), about accredited laboratories, as well as about the outreach activity which has been carried out with great vigor. We invite the Reader of the Report to learn about all of the main research achievements of our Institute in recent years.Monografia "Report on Research Activities 2017-2020" podsumowuje najważniejsze wydarzenia z działalności naukowej IFJ PAN w czterech ostatnich latach. Wydarzenia te były intensywnie rozwijane w badaniach podstawowych, jak i aplikacyjnych. Badania dotyczące badań podstawowych prowadzono w Oddziale Fizyki Cząstek i Astrofizyki, Oddziale Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Silnych, Oddziale Fizyki Materii Skondensowanej oraz Oddziale Fizyki Teoretycznej. Z kolei prace związane z zastosowaniami naukowymi prowadzono w Oddziale Badań Interdyscyplinarnych oraz Oddziale Zastosowań Fizyki. Szczególne znaczenie ma Centrum Cyklotronowe Bronowice (CCB), które jest spektakularnym pokazem silnego związku między badaniami podstawowymi a zastosowaniami. W Raporcie podane są również informacje o Krakowskiej Interdyscyplinarnej Szkole Doktorskiej (KISD) koordynowanej przez IFJ PAN, o dziale budowy aparatury naukowej i infrastruktury (DAI), o laboratoriach akredytowanych, a także o prowadzonej z dużym rozmachem działalności popularyzującej badania naukowe. Zapraszamy Czytelnika Raportu do zapoznania się z najważniejszymi osiągnięciami badawczymi naszego Instytutu uzyskanymi w ostatnich latach
Dane dotyczące widm energii-fluencji na potrzeby obliczeń skuteczności biologicznej wiązki protonowej
No full textDane wykorzystane w publikacji Bellinzona, E.V.; Grzanka, L.; Attili, A.; Tommasino, F.; Friedrich, T.; Krämer, M.; Scholz, M.; Battistoni, G.; Embriaco, A.; Chiappara, D.; Cirrone, G.A.P.; Petringa, G.; Durante, M.; Scifoni, E. Biological Impact of Target Fragments on Proton Treatment Plans: An Analysis Based on the Current Cross-Section Data and a Full Mixed Field Approach. Cancers 2021, 13, 4768. https://doi.org/10.3390/cancers13194768Datasets used in Bellinzona, E.V.; Grzanka, L.; Attili, A.; Tommasino, F.; Friedrich, T.; Krämer, M.; Scholz, M.; Battistoni, G.; Embriaco, A.; Chiappara, D.; Cirrone, G.A.P.; Petringa, G.; Durante, M.; Scifoni, E. Biological Impact of Target Fragments on Proton Treatment Plans: An Analysis Based on the Current Cross-Section Data and a Full Mixed Field Approach. Cancers 2021, 13, 4768. https://doi.org/10.3390/cancers13194768European Commission: INSPIRE - INfraStructure in Proton International REsearch73098
Multiscale financial correlations in Ising-inspired agent-based models
No full textRynki finansowe to przykład układu złożonego charakteryzującego się błyskawicznym przepływem informacji oraz ogromną liczbą wzajemnie oddziałujących ze sobą elementów. Analiza tego typu systemów wymaga zastosowania zaawansowanych narzędzi matematycznych, natomiast ich modelowanie przy użyciu tradycyjnego, odgórnego podejścia (ang. top-down modeling) jest wyjątkowo trudne. Pod tymi względami rynki finansowe są bardzo podobne do układów termodynamicznych, a do ich badania można zastosować metody oraz modele znane z fizyki statystycznej.
Celem pracy była analiza modeli agentowych inspirowanych modelem Isinga w zastosowaniach finansowych, ze szczególnym naciskiem na wieloskalowe charakterystyki korelacji w sygnałach generowanych przez tego typu systemy.
Badania opisane w pracy, można podzielić na dwie części. Pierwsza skupia się na identyfikacji i kwantyfikacji charakterystyk złożoności finansowych szeregów czasowych, włączając w to nieliniowe autokorelacje i korelacje krzyżowe fluktuacji cen. Analizę przeprowadzono dla dziennych stóp zwrotu pięciu głównych indeksów giełdowych oraz wybranych spółek notowanych w ramach indeksu Dow Jones Industrials Average. Druga część rozprawy opisuje wykorzystanie modeli agentowych inspirowanych zjawiskami fizycznymi w odtwarzaniu wieloskalowych zależności występujących w finansowych szeregach czasowych. W tym fragmencie rozprawy przeanalizowano dwie wariacje modelu Isinga (model Iori i model Bornholdta) i na tej podstawie zaproponowano nowy trójstanowy wielo-instrumentowy modelu rynku finansowego, który następnie kompleksowo przebadano w kontekście odtwarzania złożonych zjawisk obserwowanych na giełdzie.
Głównym wynikiem niniejszej rozprawy jest stworzenie modelu, który umożliwia symulowanie wielu skorelowanych instrumentów finansowych.
Proponowany model dzięki zastosowaniu kombinacji lokalnych i globalnych oddziaływań pomiędzy agentami potrafi generować sygnały o bogatej hierarchicznej organizacji oraz wieloskalowych zależnościach krzyżowych.
Ponadto, dogłębna analiza dynamiki oraz parametrów modelu sugeruje, że głównym źródłem multifraktalności oraz wieloskalowych korelacji krzyżowych w rzeczywistych danych finansowych jest interakcja pomiędzy inwestorami prowadząca do zachowań kolektywnych.
Model zaproponowany w niniejszej rozprawie stanowi unikalne rozszerzenie innych tego typu rozwiązań opisanych w literaturze i znacząco przyczynia się do zrozumienia dynamiki rynków finansowych, szczególnie w zakresie nieliniowych korelacji krzyżowych stóp zwrotu. Warto również podkreślić, że modularna konstrukcja modelu umożliwia jego zastosowanie w innych dziedzinach nauki.The financial market is an example of a complex system with an enormous number of dependencies and intricate non-linear correlations between components. Analysis of such systems requires applying sophisticated mathematical tools, whereas its modeling using a traditional top-down approach seems to be a breakneck task. In this context, financial markets are similar to thermodynamic systems, which can be quantitatively described and modeled using techniques applied in statistical physics.
The aim of this study was to analyze agent-based models inspired by the Ising model in financial applications, with particular emphasis on multi-scale correlation characteristics in signals generated by these frameworks.
The research described in this dissertation can be divided into two parts. The first focuses on identifying and quantifying the complexity characteristics of financial time series, including non-linear autocorrelations and cross-correlations of price fluctuations. The analysis was performed for daily rates of return of five indices representing major stock exchanges and selected companies listed in the Dow Jones index. The second part of the thesis describes the use of agent-based models inspired by physical phenomena in recreating multi-scale correlations existing in financial time series. In this fragment of the dissertation, two well-known variations of the Ising model (the Iori's model and the Bornholdt's model) were analyzed, and based on this study, a new three-state multi-asset model of financial market was proposed, and then comprehensively examined in the context of recreating complex phenomena observed in the stock exchange.
The main result of this dissertation is the development of a new model that can simulate multiple correlated financial instruments. The proposed framework, thanks to the combination of local and global interactions between agents, can generate signals characterized by a rich hierarchical organization and multi-scale cross-dependencies. Moreover, an in-depth analysis of the dynamics and parameters of the model suggests that the main source of multifractality and multi-scale cross-correlations in real financial time series is the interaction between investors leading to collective behavior.
The model proposed in this dissertation is a unique extension of other frameworks of this type described in the literature and significantly contributes to the understanding of the dynamics of financial markets, especially in the field of non-linear cross-correlations of rates of return. It is also worth emphasizing that the modular structure of the model enables its application in other fields of science.15
Badania własności strukturalnych, optycznych i magnetycznych nowych materiałów kompozytowych na bazie nanostruktur krzemionkowych
No full textdzisiejszych czasach nanomateriały kompozytowe szybko wkraczają do świata nauki i ze względu na swoją wielofunkcyjność (połączenie unikalnych właściwości każdego z nano-wymiarowych komponentów) znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i produkcji. Ta szybko rozwijająca się dziedzina badań wymaga jednak wyszukanych metod dla zaprojektowania i zsyntetyzowania nowych materiałów o założonych właściwościach oraz precyzyjnych technik eksperymentalnych do ich badania i interpretacji wyników.
Głównym celem niniejszej rozprawy była synteza nowych materiałów kompozytowych na bazie nanostruktur krzemionkowych, analiza ich własności strukturalnych, magnetycznych i optycznych. Badany materiał to sferyczne nanocząstki krzemionkowe z zakotwiczonymi na ich powierzchni magnetykami molekularnymi Mn12-stearate. Takie molekuły posiadają unikalne własności magnetyczne na poziomie molekularnym a ich depozycja na powierzchni otwiera ogromne możliwości zastosowania takich układów do tworzenia pamięci magnetycznych o dużej gęstości, urządzeń spintronicznych i kwantowych. Opracowana metoda syntezy opierała się na chemicznym kotwiczeniu molekuł magnetycznych na powierzchni krzemionki za pomocą grup kwasu propylowo-węglowego. Dodatkowo, zastosowanie grup trimetylsilanowych pozwoliło na kontrolowaną separację magnetyków molekularnych na powierzchni. W celu potwierdzenia poprawności otrzymanych po syntezie materiałów zostały przeprowadzone badania ich morfologii i struktury oparte na połączeniu mikroskopii elektronowej (SEM, TEM), analizy elektrochemicznej (DPASV) oraz spektroskopii Ramana. Badania mikroskopowe wykazały obecność molekuł Mn12-stearate, zakotwiczonych na powierzchni podczas gdy badania spektroskopowe potwierdziły zachowanie ich struktury po depozycji. Co więcej, dokładna analiza obrazów TEM pozwoliła na oszacowanie rozmiaru pojedynczych molekuł oraz sposobu ich kotwiczenia do powierzchni. Badania własności magnetycznych za pomocą magnetometru SQUID potwierdziły zachowanie głównych charakterystyk magnetycznych (histerezy w krzywych M(H), powolnych relaksacji oraz obecność kwantowego tunelowania magnetyzacji). Dodatkowo, zbadano zmiany we właściwościach magnetycznych próbek w zależności od poziomu separacji molekuł i sposobu ich kotwiczenia do powierzchni. Właściwości optyczne materiałów kompozytowych były badane poprzez pomiar składowej harmonicznej światła drugiego i trzeciego rzędu. W ostatniej części pracy pokazano możliwości modyfikacji badanych nanomateriałów kompozytowych poprzez strukturalne zmiany w procesie dekompozycji termicznej. W wyniku czego uzyskano nowy materiał kompozytowy na bazie nanosfer krzemionkowych, posiadający zwiększone własności nieliniowo-optyczne.Nowadays, nanocomposite materials rapidly enter the world of science and, due to their multifunctionality (combination of unique properties of each nanodimensional component), use in many fields of technology and production. However, this constantly growing field of research often requires sophisticated methods for designing and synthesizing new materials with tailored properties and precise experimental techniques for their study and interpretation of the results.
The main aim of this dissertation was the synthesis of new composite materials based on silica nanostructures, as well as the analysis of their structural, magnetic and optical properties. The investigated materials are spherical silica nanoparticles possessing Mn12-stearate single-molecule magnets anchored to the surface. Such molecules possess unique magnetic properties at the molecular level. Their deposition on the surface opens up huge possibilities of using such nanocomposites to implement high-density magnetic storage, spintronic and quantum computing applications. The proposed synthesis procedure of such materials was based on the chemical anchoring of magnetic molecules to the silica surface with propyl-carbonic acid groups. Additionally, the use of trimethylsilane groups allowed for the controlled separation of single-molecule magnets on the surface. In order to confirm the correctness of the synthesis, the studies of materials morphology and structure were carried out based on the combination of electron microscopy (SEM, TEM), electrochemical analysis (DPASV), and Raman spectroscopy. Microscopy observations revealed the presence of Mn12-stearate molecules anchored to the surface, while spectroscopy investigation confirmed the preservation of their structure after deposition. Moreover, precise analysis of the TEM images allowed for the estimation of the size and shape of individual molecule-magnets and the way of their anchoring to the surface. The study of magnetic properties performed on a SQUID magnetometer confirmed the preservation of main magnetic characteristics (hysteresis in M(H) loops, slow magnetic relaxations and the presence of quantum tunneling of magnetization) in composite materials. In addition, changes in the magnetic properties of the samples depending on the level of separation of the molecules and the way of their anchoring to the surface were investigated. The optical properties of the composite materials were investigated by measuring the generation of second and third-order harmonic components of the light. Finally, the possibilities of structural modifications of the studied composite nanomaterials by the thermal decomposition process were shown. As a result, a novel spherical silica-based composite material possessing enhanced nonlinear optical properties was obtained.15
The role of mechanical interactions in prostate cancer therapy and cell resistance to anti-cancer drugs
No full textChoroby nowotworowe stanowią drugą najczęstsza przyczynę zgonów na świecie. Stąd też od wielu lat prowadzi się szeroko zakrojone badania mające na celu stworzenie skutecznych terapii przeciwnowotworowych. Badania te, często bardzo zaawansowane i oparte na rzetelnej wiedzy biologicznej, wciąż napotykają na szereg trudności. Dzieje się tak dlatego, iż komórki nowotoworowe charakteryzuje zdolność do wykształcania lekooporności. W praktyce oznacza to, że nawet bardzo mała grupa komórek, które przeżyją agresywną chemoterapię, może doprowadzić do odrodzenia się guza. Co więcej istnieje wtedy większe ryzyko, iż komórki potomne powstające w wyniku podziałów komórek lekoopornych, będą również bardziej oporne na zastosowaną chemoterapię. Badania na poziomie biologicznym i biochemicznym pozwoliły na zidentyfikowanie szeregu mechanizmów lekooporności. Wśród nich jest działanie transbłonowych pomp – stworzonych z kanałów białkowych. Pompy takie są w stanie wypompowywać leki z komórek, chroniąc je w ten sposób przed ich działaniem. Ta wiedza stała się podstawą to prób klinicznych celujących właśnie w transbłonowe pompy. Wyniki jednak, jak dotąd okazują się być rozczarowujące. Stąd też konieczne staje się znalezienie alternatwynych metod pozwalających na dokonanie trafnej oceny zarówno lekkoporności komórek rakowych jak i skuteczności działania samych leków. Mikroskopia sił atomowych jest techniką pozwalającą na badanie właściwości mechanicznych żywych komórek. W dotychczasowych badaniach pozwoliła no wykazanie, iż komórki rakowe są bardziej odkształcalne niż odpowiadające im komórki zdrowe.
Celem niniejszej rozprawy doktorskiej było znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy działanie chemioterapeutyków wpływa na własności mechaniczne komórek rakowych i czy takie zmiany można traktować jako markery lekooporności komórek raka prostaty. Z uwagi na fakt, że leki przeciwnowtworowe oddziałują na cytoskielet oraz jądra komórkowe – w niniejszej pracy rejestrowano mapy elastyczności komórek dla różnych obszarów na komórce i głębokości próbkowania. Pozwoliło to na wyznaczenie właściwości mechanicznych w obrębie jąder komórkowych oraz lamelipodiów. Przeprowadzenie tak zaawansowanych eksperymentów z zastosowaniem mikroskopii sił atomowych wymagało ich osobnej weryfikacji prowadzonej na wielokrotnie już mierzonym modelowym układzie komórek raka pęcherza moczowego. Dodatkowo badania te zostały uzupełnione eksperymentami opisującymi biologiczną odpowiedź komórek na działanie leków. Dzięki takiemu podejściu było możliwe zrozumienie znaczenia mechanicznej odpowiedzi komórek na określonym etapie biologicznego działania leku. W ostatnim etapie, wyniki uzyskane podczas standardowych eksperymentów uzupełniono o badania nad komórkami hodowanymi w warunkach imitujących środowisko guza tj. w przypadku braku składników odżywczych.
Wyniki uzyskane w ramach tej pracy doktorskiej wykazują, iż komórki raka prostaty wykazują mechaniczną odpowiedź na działanie leków przeciwnowotworowych. Odpowiedź ta nie jest bezpośrednio związana z mechanizmem działania leków ale ze skutkami działania leków (w tym zdolnością do zabijania komórek rakowych). W przypadku trzech badanych leków, a mianowicie, docetakselu, winfluniny i kolchicyny, komórki sztywnieją w odpowiedzi na ich działanie. Warto zauważyć, że przeprowadzając te badania w funkcji czasu, można było wykazać zależne od czasu zmiany właściwości mechanicznych komórek oraz zidentyfikować, dla którego leku powodującego najmniejsze uszkodzenia w komórkach reakcja mechaniczna pojawia się najpóźniej. Istotny wzrost sztywności komórek zaobserwowano również w przypadku komórek głodzonych. Komórki te były również mniej podatne na działanie docetaxelu – leku przeciwnowtworowego stosowanego w terapii raka prostaty. Uzyskane wyniki potwierdzają zatem, że zmiany właściwości mechanicznych komórek pozwalają na ilościową ocenę działania leków przeciwnowotworowych.Cancer is the second leading cause of death in the world. Hence, extensive research has been conducted for many years to create effective anti-cancer therapies. These studies, often very advanced and based on reliable biological knowledge, still encounter many difficulties. It is because cancer cells are characterized by their ability to develop drug resistance. In practice, this means that even a tiny group of cells that survive aggressive chemotherapy can lead to tumour rebirth. Moreover, there is then a greater risk that the daughter cells resulting from divisions of drug-resistant cells will also be more resistant to chemotherapy. Research at the biological and biochemical levels has identified multiple mechanisms of drug resistance. Among them is the action of transmembrane pumps - made of protein channels. Such pumps can pump drugs out of cells, thus protecting them against their effects. This knowledge became the basis for clinical trials targeting transmembrane pumps. The results, however, have turned out to be disappointing so far. Hence, it becomes necessary to find alternative methods to accurately assess both the resistance of cancer cells and the effectiveness of the drugs themselves. Atomic force microscopy (AFM) is a technique that allows you to study the mechanical properties of living cells. Previous studies have shown that cancer cells are more deformable than the corresponding healthy cells.
This dissertation aims to find an answer to whether the chemotherapeutic agents affect the mechanics of cancer cells and whether such changes can be regarded as markers of drug resistance in prostate cancer cells. As anti-cancer drugs affect the cytoskeleton and cell nuclei, cell elasticity maps were recorded for different cell compartments and sampling depths. This allowed for the determination of mechanical properties within the cell nuclei and lamellipodia. Conducting such advanced experiments using atomic force microscopy required a separate validation of these methods on a model system of bladder cells that have already been measured many times. In addition, these studies were complemented by experiments describing the biological response of cells to drugs. Thanks to such an approach, it was possible to understand the importance of the physical response of the cell at a given stage of the biological drug activity. In the last step, the results obtained in standard experiments were supplemented with studies on cells grown in conditions simulating the starvation of the tumour environment.
The obtained results show that prostate cancer cells show a mechanical response to the action of anti-cancer drugs. This response is not directly related to how the drugs work but to the drug effects (including the ability to kill cancer cells). For the three drugs studied here, namely, docetaxel, vinflunine, and colchicine, cells stiffen in response to their action. Notably, by conducting these studies as a function of time, it was possible to show the time-dependent changes in the mechanical properties of cells and identify for which drug causing the least damage in cells the mechanical response to appears the latest. A significant increase in cell stiffness was also observed in the case of starved cells. These cells were also less susceptible to the effects of docetaxel, an anti-cancer drug used to treat prostate cancer. Hence, the obtained results confirm that changes in the mechanical properties of cells enable a quantitative assessment of the anticancer drug effect.13
Study of the Bose-Einstein correlations in proton-proton and proton-lead collisions at LHCb
No full textNiniejsza rozprawa opisuje wyniki badań korelacji Bosego-Einsteina dla jednoimiennie naładowanych pionów pochodzących ze zderzeń proton-proton oraz proton-ołów zarejestrowanych w eksperymencie LHCb przy energii odpowiednio √s= 7 TeV w układzie środka masy oraz √(s_NN )= 5.02 TeV w układzie środka masy przypadającej na nukleon. Obydwa pomiary są pierwszymi tego typu wykonanymi w obszarze do przodu przy energiach LHC. Wykorzystane w analizie dane proton-proton (proton-ołów) zostały zebrane w 2011 (2013) roku i odpowiadają scałkowanej świetlności 1.0 fb-1 (1.6 nb-1). Parametry korelacji są zmierzone dla różnych przedziałów krotności cząstek naładowanych. Wyznaczone promienie korelacji (parametry przecięcia) rosną (maleją) z krotnością cząstek naładowanych, co jest zgodne z obserwacjami z innych eksperymentów przy LHC w centralnym obszarze pseudopospieszności. Zmierzone promienie korelacji skalują się liniowo z pierwiastkiem sześciennym z krotności cząstek naładowanych. Takie zachowanie jest zgodne z przewidywaniami bazującymi na modelach hydrodynamicznych. Ponadto, uzyskane wyniki wskazują na zależność promienia korelacji od pseudopospieszności.
W rozprawie przedstawiono również rozwój symulacji detektorów RICH dla zmodernizowanego eksperymentu LHCb. Głównym celem tych prac jest przygotowanie do okresu zbierania danych Run3. Opracowane rozwiązania są wykorzystane do oceny wydajności systemu RICH w warunkach panujących w trakcie Run3 przy różnych konfiguracjach detektorów. Przeprowadzone badania wskazują, że zmodernizowane detektory dobrze spełniają pierwotne założenia co do ich wydajności.This thesis describes a study of the Bose-Einstein correlations for same-sign charged pions originating from proton-proton and proton-lead collisions recorded in the LHCb experiment at √s= 7 TeV centre-of-mass energy and √(s_NN )= 5.02 TeV centre-of-mass energy per nucleon. Both measurements are the first of this type performed in the forward region at LHC energies. The proton-proton (proton-lead) dataset used in the analysis was recorded in 2011 (2013) and corresponds to an integrated luminosity of 1.0 fb-1 (1.6 nb-1). Correlation parameters are determined for different regions of charged-particle multiplicity. It is observed that the correlation radius (the intercept parameter) increases (decreases) with the charged-particle multiplicity, which is consistent with observations from other experiments at the LHC in the central rapidity region. The measured correlation radii scale linearly with the cube root of the charged-particle multiplicity. Such a behaviour is compatible with predictions based on the hydrodynamic models. Moreover, hints for a dependence of the correlation radius on pseudorapidity are observed.
The thesis also reports the developments in the simulation of the RICH detectors for the upgrade of the LHCb experiment. The main focus of this work is the preparation for the Run3 data-taking period. The developed tools are used to assess the performance of the RICH system in the Run3 conditions with different detector configurations. Conducted studies indicate that the upgraded RICH detectors well meet their nominal performance expectations.14
Fast electron dynamics in tokamak plasmas with high-Z impurities
No full textNa drodze do energii termojądrowej, tokamaki stanowią obecnie najbardziej obiecującą metodę przeprowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej. Aby uniknąć problemu retencji trytu, jaki ma miejsce w przypadku ścian tokamaka wykonanych z komponentów węglowych, divertor Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (ITER) będzie wykonany z wolframu (W). W związku z tym małe stężenia domieszek wolframu będą obecne w plazmie ITER-a. Niewielkie stężenia wolframu są wystarczające, aby znacząco wpłynąć na działanie tokamaka, a mogą nawet prowadzić do zakończenia wyładowania plazmowego. W szczególności krytycznym zagadnieniem, które musi być zbadane, jest wpływ domieszek o wysokiej liczbie atomowej Z na dynamikę szybkich (supratermalnych) elektronów. Zagadnienie to jest ważne z ze względu na dwa aspekty. Po pierwsze konieczne jest rozwijanie metod tłumienia wiązek elektronów uciekających w plazmie po zerwaniu sznura plazmowego. Po drugie domieszki wolframowe mają negatywny wpływ na efektywność generowania prądu szybkich elektronów w plazmie tokamakowej. Jak dotąd, główny nacisk kładziono na badania dotyczące domieszek o niskiej liczbie atomowej Z, takich jak węgiel, azot czy argon. Jednak obecnie konieczne jest rozszerzenie metod badania dynamiki szybkich elektronów na cięższe domieszki, takie jak krypton, molibden czy wolfram. W związku z tym niezbędne jest uwzględnienie efektu częściowego ekranowania podczas oddziaływania pomiędzy jonami domieszek a szybkimi elektronami w plazmie. Cel ten został osiągnięty poprzez konsekwentne włączenie teorii częściowego ekranowania do obliczeń kinetycznych. Wykorzystany w pracy łańcuch kodów numerycznych C3PO/LUKE/R5-X2 jest standardowym narzędziem do modelowania LHCD w tokamaku Tore Supra, ostatnio zmodernizowanym do tokamaka WEST. W przedstawionej pracy szczególny nacisk został położony na konsekwencje obecności nie w pełni zjonizowanych domieszek o wysokiej liczbie atomowej Z na generowanie przepływu prądu za pomocą fal LH oraz intensywność promieniowania hamowania emitowanego przez szybkie elektrony dla przypadku tokamaka WEST.On the road to fusion energy, tokamaks currently represent the most promising method to confine the thermonuclear plasma. To avoid the tritium retention issue experienced with carbon walls, the divertor of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) will be made of tungsten (W). However, this means that small concentrations of tungsten impurities will be present in the ITER plasma. They are sufficient to significantly affect the operation of the tokamak, sometimes even leading to the termination of the plasma discharge. In particular, a critical issue that needs to be investigated is the effect of high-Z impurities on the dynamics of fast (suprathermal) electrons. This issue arises when considering either the mitigation of a runaway electron beam in a post-disruptive plasma or a suprathermal electron population generated with a current drive method, using, e.g. Lower Hybrid (LH) waves. So far, the main focus has been put on relatively low-Z impurities such as carbon, nitrogen or argon. However, it is now necessary to extend the methods of studying the dynamics of fast electrons to heavier impurities such as krypton, molybdenum or tungsten. Consequently, it is necessary to consider the partial screening effect during the interaction between impurity ions and fast electrons in a plasma. This goal has been achieved by consistently incorporating the partial screening theory into kinetic calculations. The chain of numerical codes C3PO/LUKE/R5-X2 used for this purpose is the standard tool for modelling LH current drive on the Tore Supra tokamak, recently upgraded to the WEST - W environment in a steady-state tokamak. A particular emphasis is placed on the consequences of high-Z non-fully ionized impurities on LH current drive and the fast electron bremsstrahlung intensity on WEST.19
Magnetic resonance imaging of theranostic drug carriers – from relaxation studies to image contrast assessment
No full textSzybkie postępy w dziedzinie nanotechnologii umożliwiają połączenie chemioterapeutyków ze środkami do obrazowania i innymi czynnikami terapeutycznymi, co może prowadzić do znacznego ograniczenia przeszkód w wykrywaniu i leczeniu nowotworów. Połączenie środków diagnostycznych i terapeutycznych w jednym nanonośniku określa się mianem „teranostyki”. Zastosowanie dobrze zaprojektowanych środków teranostycznych pozwala na podawanie środków terapeutycznych i diagnostycznych w pojedynczej dawce, dzięki czemu obserwuje się znaczne ograniczenie niekorzystnych różnic w biodystrybucji i selektywności obu czynników, które występują przy wykorzystaniu standardowej dwuetapowej procedury. Głównym celem teranostycznego podejścia w dostarczaniu substancji terapeutycznych jest zatem osiągnięcie znacznie większej kontroli i precyzji w dostosowaniu dawki do indywidualnych potrzeb pacjenta.
Celem pracy była ocena potencjału teranostycznego różnych nanonośników pod kątem ich działania kontrastującego w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego. Ze względu na skład i zastosowanie można wyróżnić dwie klasy badanych środków, a mianowicie polielektrolitowe nanokapsułki z wielowarstwowymi otoczkami do dostarczania leków przeciwnowotworowych (paclitaxel lub 5-FU) oraz nanocząsteczki typu rdzeń-powłoka do terapii fototermicznej. W grupie polielektrolitowych nanokapsułek badane były nanonośniki zawierające zarówno standardowe środki kontrastowe skracające czasy relaksacji (środki negatywne i pozytywne), jaki i środki które są wykrywane bezpośrednio poprzez obrazowanie MR na jądrach 19F. W szczególności były to: nanonośniki polielektrolitowe znakowane gadolinem; magnetyczne nanonośniki polikaprolaktonowe z nanocząsteczkami Fe3O4; teranostyczne nanokapsułki z powłoką zawierającą fluorowany polimer (Nafion™), oraz nanokapsułki polielektrolitowe z 5-fluorouracylem, gdzie 5-FU był stosowany zarówno do obrazowania, jak i jako środek terapeutyczny. Natomiast w przypadku nanocząstek typu rdzeń-powłoka Fe3O4@SiO2@Au przetestowano różne warianty kształtu rdzenia i grubości powłoki.
W celu wyboru najbardziej optymalnego składu każdego rodzaju analizowanych nanocząsteczek, zbadano skuteczność zsyntetyzowanych nanonośników jako środków kontrastowych do obrazowania MR. W przypadku nanocząstek ze środkami kontrastowymi standardowego typu, opartymi o cząsteczki gadolinu i F3O4, właściwości kontrastowe oceniono za pomocą pomiarów specyficznych relaksywności r1 i r2. Następnie przeprowadzono obrazowanie fantomów żelowych lub wodnych z nanocząsteczkami, aby zaprezentować potencjał kontrastowy badanych nanonośników do obrazowania magnetyczno-rezonansowego i ustalić optymalne parametry sekwencji obrazowania. Dodatkowo, w celu lepszego zrozumienia i wyjaśnienia uzyskanych wyników uwzględniono dane ze spektroskopii Mössbauera i magnetometrii SQUID. W przypadku nanokapsułek opartych o środki do bezpośredniej detekcji, efekt kontrastowy uzyskano poprzez obrazowanie na jądrach 19F i nałożenie obrazu MR ich rozkładu przestrzennego na standardowy obraz anatomiczny na wykonany na protonach. Skuteczność kontrastowania tych środków (tzw. hot-spot) oceniano na podstawie wartości stosunku sygnału do szumu (SNR) uzyskanego dla obrazów 19F MR. Z tego względu, głównym celem eksperymentów związanych z obrazowaniem na jądrach 19F była optymalizacja warunków obrazowania w celu wiarygodnego określenia lokalizacji środków zawierających 19F.
Wykazano, że wszystkie badane teranostyczne nanonośniki wytwarzają wystarczający kontrast do ich wiarygodnego wykrywania za pomocą obrazowania MR. W przypadku relaksacyjnych środków kontrastowych, właściwości kontrastowe oceniano poprzez pomiary specyficznych relaksywności r1 i r2 oraz poprzez ocenę kontrastu bezpośrednio na obrazach MR. Uzyskane wyniki są bardzo obiecujące, ponieważ wartości r1 lub r2 dla prawie wszystkich proponowanych nanonośników były wyższe niż w przypadku zatwierdzonych klinicznie środków kontrastowych. W przypadku środków zawierających fluor kontrast oceniano za pomocą analizy SNR, a uzyskane wyniki sugerują, zwłaszcza w przypadku nanokapsułek z 5-FU, możliwość ich detekcji in vivo w dawce terapeutycznej.
Praca składa się z 6 rozdziałów. W pierwszym rozdziale wprowadzającym nakreślono problem badawczy. Rozdział drugi „Podstawy fizyczne i stan wiedzy” przedstawia teoretyczne podstawy przeprowadzonych eksperymentów. Rozpoczyna się on opisem aktualnej wiedzy na temat badanego zagadnienia, prezentując kompleksowy przegląd podobnych badań prowadzonych w tej tematyce. Następnie opisano fizyczne zasady obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, oraz przedstawiono przegląd dostępnych środków kontrastowych MR sklasyfikowanych pod względem mechanizmu ich działania. W rozdziale trzecim „Materiały i metody” przedstawiono opis badanych nanonośników wraz z krótkim opisem składu chemicznego i procesu syntezy. Następnie opisano wykorzystywany sprzęt badawczy oraz zastosowane metody pomiaru i analizy. Rozdział czwarty, „Wyniki eksperymentów”, podzielony jest na trzy części. Pierwsza część poświęcona jest nanonośnikom zawierającym relaksacyjne środki kontrastowe typu superparamagnetycznego. W drugiej części przedstawiono wyniki uzyskane dla nanokapsułek zawierających jony gadolinu, które określane są mianem pozytywnych środków kontrastowych typu relaksacyjnego. W trzeciej części przedstawiono wyniki obrazowania nanonośników zawierających środki kontrastowe do bezpośredniej detekcji oparte na atomach 19F. Rozdział szósty „Dyskusja” zawiera interpretację uzyskanych wyników eksperymentalnych. Składa się z dwóch podrozdziałów: pierwszego, dotyczącego nanonośników opartych na relaksacyjnych środkach kontrastowych; oraz drugiego, dotyczącego obrazowania 19F MR. Rozważania uzupełniono o wyniki spektroskopii Mössbauera i magnetometrii SQUID oraz informacje o potencjale terapeutycznym badanych materiałów (wyniki testów żywotności komórek). Ostatni rozdział, „Wnioski”, stanowi podsumowanie pracy oraz wskazuje najważniejsze wyniki, a cała rozprawa zakończona jest listą odpowiednich odniesień literaturowych.The rapid advances in the nanotechnology field allow chemotherapeutics to be combined with biomedical imaging agents and other treatment modalities to solve the obstacles of cancer detection and therapy. The concept of integrating diagnosis and therapy in a single nanocarrier is referred to as "theranostics". The use of well-designed theranostic agents allows for the simultaneous administration of therapeutic and imaging agents in a single dosage, potentially overcoming the unfavourable disparities in biodistribution and selectivity that occur when utilizing the traditional two-step technique. In this sense, the main goal of the theranostic approach in drug delivery is to achieve the treatment dose adjustments with much greater control and precision.
The thesis aimed to assess the theranostic potential of various theranostic nanocarriers in terms of their contrasting efficiency for magnetic resonance imaging. Two classes of examined formulations may be distinguished based on their composition and application, namely polyelectrolyte nanocapsules with multilayer shells for anticancer (paclitaxel, or 5-FU) drug delivery, and core-shell nanoparticles for photothermal therapy. In the group of polyelectrolyte nanocapsules, nanosystem with contrast agents of either relaxation or direct-detection type were investigated, specifically: gadolinium-labelled polyelectrolyte nanocarriers with encapsulated Paclitaxel; magnetically responsive polycaprolactone nanocarriers with Fe3O4 nanoparticles; Nafion™-based theranostic nanocapsules with Paclitaxel for x-nuclei MRI detection; and polyelectrolyte nanocapsules with 5-fluorouracil, where 5-FU was used as both therapeutic and imaging agent. In the case of Fe3O4@SiO2@Au core-shell nanoparticles, different variations of core shape and shell thickness were tested.
The contrasting efficiency of synthesized nanocarriers was investigated to find the most optimal composition of each NP type. For nanoparticles with relaxation contrast agents based on Gadolinium and F3O4 particles, the contrasting properties were evaluated through MR relaxivity measurements. Following that, an imaging study of gel- or water-based phantoms with nanoparticles was conducted to visualize their MRI contrasting potential and establish optimal imaging sequence parameters. The Mössbauer spectroscopy and SQUID magnetometry data were taken into account to better understand and explain the obtained results. In the case of nanocapsules based on direct-detection agents, a contrasting effect was achieved by imaging on 19F nuclei and imposing the MR image of their spatial distribution over the standard anatomical image on protons. For that reason, the contrasting efficiency of those so-called hot-spot agents was evaluated based on values of the signal-to-noise ratio in 19F MR images. Therefore, the main objective in 19F imaging experiments was to optimize the imaging conditions to reliably determine the location of 19F-containing agents.
It was shown that all investigated theranostic nanocarriers produce sufficient contrast for their detection via MR imaging. In the case of relaxation contrast agents, contrasting properties were evaluated by the measurements of the specific relaxivities, r1 and r2, and the contrast assessment in MR images. The obtained results are very promising, as the r1 or r2 values for almost all proposed compositions were higher than those of clinically approved CAs. For fluorine-containing probes, the contrast was assessed by the SNR analysis, and the obtained results suggest, especially for 5-FU NCs, the potential for in-vivo detection at the therapeutic dose.
The thesis consists of 6 chapters. In the first introductory chapter, the research problem is outlined. Chapter two, “Fundamentals and state of the art”, presents the theoretical background of conducted experiments. It starts with a description of the current knowledge about the studied matter, providing a comprehensive overview of what has been done in the field. Next, the physical principles of magnetic resonance imaging are described, followed by an overview of available contrast agents classified by the mechanism of their action. In the third chapter, “Materials, and Methods”, the description of the investigated theranostic nanosystem is provided, including a short description of the chemical composition and the synthesis process. Subsequently, the experimental equipment and applied measurement and analysis methods are described. Chapter four, “Experimental results”, is divided into three parts. The first section is devoted to the nanosystems containing relaxation contrast agents of the superparamagnetic type. The second part displays results obtained for nanocapsules containing gadolinium ions, which are positive relaxation contrast agents. Finally, in the third part, results of imaging of nanocarriers containing direct detection contrast agents based on 19F atoms are presented. Chapter six, “Discussion”, provides the interpretation of the obtained experimental results. It consists of two subsections, one concerning nanocarriers based on relaxation contrast agents, and the other about 19F MR imaging of direct detection contrast agents. Considerations are supplemented with results of Mössbauer spectroscopy and SQUID magnetometry, as well as information on the therapeutic potential of investigated materials based on cell viability tests. The last chapter, “Conclusions”, points out the most important outcomes of the thesis and is followed by a list of relevant references.14
Phenomenology of transverse-momentum dependent factorizations in hadronic collisions
No full textW niniejszej rozprawie przedstawione sa podejscia faktoryzacyjne chromodynamiki kwantowej uwzgledniajace
pedy poprzeczne oddziałujacych partonów. Wpierwszej czesci pokazane zostało jak rozkłady partonowe
TMD uzyskuja zaleznosc od procesu oraz otrzymano rozkłady gluonowe TMD dla procesów zawierajacych 5
i 6 czastek posiadajacych ładunek kolorowy. Przedstawiony został takze ogólny wynik dla wielogluonowych
procesów w granicy duzej liczby kolorów. Druga czesc pracy dotyczy fenomenologii zderzen hadronów. Analizowany
jest wpływ szeregu efektów fizycznych pozwalajacych na lepszy opis teoretyczny procesów produkcji
dzetów. W szczególnosci, badany jest wkład podwójnego rozpraszania partonów do procesu produkcji dwóch
dzetów, skonstruowanego na podstawie produkcji pojedynczego dzetu w faktoryzacji wysokoenergetycznej,
oraz rozpatrywane sa efekty kaskad partonowych ze stanów poczatkowych i koncowych. Na koniec, wyniki
rozkładów gluonowych TMD, otrzymane w pierwszej czesci, zostały zastosowane do porównania przewidywan
dla procesu produkcji trzech dzetów w formalizmie ulepszonej faktoryzacji TMD oraz faktoryzacji wysokoenergetycznej.This thesis discusses QCD factorization frameworks for hadronic collisions that directly include transverse
momenta of interacting partons. In the first part we show how the Transverse Momentum Dependent (TMD)
distributions become process dependent and calculate TMD gluon distributions for processes involving 5 and
6 colored partons. A general result for multi-gluon process at large Nc is presented. The second part concerns
the phenomenology of hadronic collisions. We investigate the importance of several physical effects that can
improve theoretical description of processes with jets in the final state. We study the double parton scattering
contributions to dijet cross section, constructed from the single jet production in high energy factorization
(HEF). We analyze the effect of final state radiation and introduce initial state parton shower based on the
unintegrated parton distributions. Finally, the results of TMD gluon distributions, obtained in the first part,
were used to compare the predictions for three jet production in HEF and Improved TMD factorization.12
Wyznaczanie współczynnika emanacji toronu i badanie wpływu różnych czynników na jego wartość
No full textRadon (222Rn) pochodzący z szeregu rozpadu uranu (238U) i toron (220Rn) pochodzący z szeregu rozpadu toru (232Th) są naturalnie występującymi w środowisku izotopami radonu. Oba te gazy zaliczane są do czynników kancerogennych, dlatego istotne jest badanie procesów uwalniania się tych izotopów z gruntu do atmosfery. Pierwszym elementem tego mechanizmu jest proces emanacji, czyli uwalnianie się atomów toronu / radonu z ziaren gleby czy skał do przestrzeni międzyziarnowej. Zjawisko emanacji opisywane jest poprzez współczynnik emanacji, czyli stosunek ilości atomów radonu / toronu, które wydostały się
z ziarna, do wszystkich atomów radonu / toronu powstałych w ziarnie.
Praca dotyczy badania zjawiska emanacji toronu. Przedstawiona została technika pomiarowa pozwalająca określić współczynnik emanacji toronu z różnych materiałów,
a także wyniki badania zależności tego współczynnika od różnych parametrów próbki. Istnieje wiele technik pomiarowych pozwalających określić współczynnik emanacji radonu (222Rn), lecz tylko kilka umożliwiających określenie współczynnika emanacji toronu (220Rn).
Celem pracy było określenie współczynnika emanacji toronu (220Rn) oraz zbadanie jego zależności od wybranych parametrów badanych próbek z zastosowaniem nowej techniki pomiarowej tzw. „powder sandwich”. Metoda ta została zaproponowana przez S. D. Kanse
i przystosowana w ramach pracy doktorskiej do aparatury pomiarowej będącej na wyposażeniu Laboratorium Ekspertyz Radiometrycznych Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (LER IFJ PAN).
W zastosowanej technice pomiarowej badane próbki miały bardzo małą masę
i w związku z tym małą grubość. Zastosowana technika pomiarowa z wymuszonym przepływem powietrza przez cienką próbkę pozwoliła na zarejestrowanie w mierniku większości uwolnionych w procesie emanacji do przestrzeni międzyziarnowej atomów toronu. Detektor rejestruje cząstki alfa emitowane w trakcie rozpadu toronu w komorze miernika i na tej podstawie można określić stężenie toronu.
Dla sprawdzenia uniwersalności zastosowanej techniki pomiarowej i porównania wyników wykorzystano trzy różne mierniki stężenia toronu: AlphaGUARD DF2000 (Bertin Technologies SAS, Francja), EQF3220 (SARAD GmbH, Niemcy) i RAD7 (DURRIDGE Company, Inc., USA). Urządzenia te różniły się rodzajem detektora, objętością czynną miernika, wartością szybkości przepływu, stosowanym czasem pomiaru, a przede wszystkim metodą wyznaczania stężenia toronu. Pozwoliło to na udoskonalenie techniki „powder sandwich”.
W ramach pracy został określony współczynnik emanacji toronu dla różnych materiałów. Zbadano też zależność współczynnika emanacji toronu od wilgotności próbki oraz wielkości ziaren.Radon (222Rn) from the uranium decay series (238U), and thoron (220Rn) from the thorium decay series (232Th) are naturally occurring radon isotopes in the environment. Both of these gases are classified as carcinogens, therefore it is important to study the processes of release of these isotopes from the ground into the atmosphere. The first element of this mechanism is the emanation process, i.e. the release of thoron / radon atoms from soil grains or rocks into the intergranular space. The emanation phenomenon is described by the emanation coefficient, i.e. the ratio of the number of radon / thoron atoms that have escaped from the grain to all the radon / thoron atoms formed in the grain.
The PhD thesis concerns the study of thoron emanation. A measuring technique allowing to determine the thoron emanation coefficient from various materials, as well as the results of testing the dependence of this coefficient on various sample parameters was presented. There are many measurement techniques to determine the radon (222Rn), emanation coefficient but only a few to determine the thoron (220Rn) emanation coefficient.
The purpose of the PhD thesis was to determine the thoron (220Rn) emanation coefficient and to examine its dependence on selected parameters of the tested samples using a new measurement technique, the so-called "powder sandwich". This method was proposed by S. D. Kanse and adapted as part of the doctoral dissertation to the measuring equipment provided by Laboratory of Radiometric Expertise Institute of Nuclear Physics PAN (LER IFJ PAN).
In the measuring technique used, the tested samples had a very small mass and therefore a small thickness. The applied measuring technique with forced air flow through a thin sample allowed to register in gauge, most of the thoron atoms released in the emanation process into intergranular space. The detector registers alpha particles emitted during the decay of the thoron in the gauge chamber and on this basis the thoron concentration can be determined.
To check the universality of the measurement technique used and to compare the results three different thoron concentration gauges were used: AlphaGUARD DF2000 (Bertin Technologies SAS, France), EQF3220 (SARAD GmbH, Germany) and RAD7 (DURRIDGE Company, Inc., USA). These devices differed in the type of detector, gauge active volume, flow rate value, measurement time used, and above all the method of determining thoron concentration. This allowed improving the powder sandwich technique.
As part of the work, thoron emanation coefficient for various materials was determined. The dependence of the thoron emanation coefficient on sample moisture and grain size was also investigated.10