Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова
Кафедра физики ядерных взаимодействий и ускорителей высоких энергий

Основы физики ускорителей

Первые в истории науки опыты с пучками частиц высоких энергий. Работы Резерфорда с пучками -частиц. Исследования рассеяния -частиц в фольгах (1911 г.) - планетарное строение атома. Ядерная реакция -частицы с азотом - трансмутация элементов (1919 г.).

Пучки частиц с узким энергетическим спектром, изменение энергии, фокусировка, интенсивность, управление временной структурой.

Физические обоснования необходимости увеличения энергии частиц для исследования материи. Повышение энергии для исследований на субъядерных расстояниях.

Повышение энергии для рождения новых частиц. Полезная энергия ускоренных частиц при взаимодействии с неподвижными частицами и при создании встречных пучков.

Основные этапы развития ускорителей. Первые ускорительные установки и установки со встречными пучками. Динамика роста достижимых энергий по годам.

Применение ускорителей в получении изотопов, биологии, медицине, термоядерном синтезе, ядерной энергетике. Источники заряженных частиц: электронов, протонов, отрицательных ионов, дейтронов и ядер тяжелых элементов.

Методы ускорения заряженных частиц. Высоковольтный прямой метод. Предельно возможные энергии при прямом методе ускорения. Невозможность ускорения при многократном прохождении постоянной разности потенциалов. Ускорение вихревым электрическим полем. Резонансный метод ускорения высокочастотным электрическим полем. Ускорение по прямой линии и по кольцу. Автофазировка.

Методы фокусировки частиц и обеспечение устойчивого движения частиц вдоль прямой и по замкнутой траектории. Мягкая и жесткая фокусировка, влияние остаточного газа на динамику частиц, резонансы поперечных колебаний.

Электростатические генераторы и тандемные ускорители.

Циклические и линейные бетатроны. Единственный циклический ускоритель нерезонансного типа. Принцип трансформатора. Максимальные энергии электронов, достижимые в бетатронах.

Циклотроны, фазотроны, изохронные циклотроны. Максимально достижимые энергии.

Сильноточные ускорители. Производство пучков мезонов (мезонные фабрики). Примеры действующих установок.

Линейные резонансные ускорители. Ускорители электронов. Ускорители тяжелых частиц, жесткая фокусировка в линейных ускорителях. Получение больших токов тяжелых частиц - мезонные фабрики, генераторы нейтронов. Примеры действующих установок.

Электронные и протонные синхротроны. Достижимые энергии частиц. Синхротронное излучение в электронных синхротронах. Примеры действующих установок.

Установки со встречными пучками частиц. Основные требования к пучкам частиц. Светимость установок. Генерация античастиц (позитронов, антипротонов). Примеры действующих установок.

Взаимодействие излучения с веществом

кандидат физико-математических наук, доцент Черняев А.П.
7 семестр, 36 часов

• Виды ионизирующих излучений. Дозиметрические единицы. Экспозиционная и поглощенная дозы.
• Дозиметрия пучков. Калориметры, ионизационные камеры, химические и твердотельные дозиметры.
• Технические характеристики пучков ускорителей и мишеней. Первичное и вторичное излучения. Транспортировка пучков.
• Тормозное, синхротронное излучения. Источники п-мезонов и нейтронов.
• Упругое и неупругое рассеяние частиц. Диаграмма упругого и неупругого рассеяния частиц. Формула Резерфорда.
• Ионизационные потери тяжелых заряженных частиц. Вывод формулы. Основные закономерности ионизационных потерь.
• Потери при упругом рассеянии тяжелых заряженных частиц. Слабое и сильное экранирование.
• Формула удельных ионизационных потерь при столкновениях в нерелятивистском и релятивистском случаях.
• Рассеяние тяжелых заряженных частиц. Вывод формулы для среднего угла многократного рассеяния.
• S-электроны. Пробег тяжелых заряженных частиц. Понятие стрэгглинга. Разброс пробегов. Ориентационные эффекты.
• Прохождение электронов через вещество. Формула удельных ионизационных потерь в нерелятивистском и релятивистском случаях. Основные закономерности.
• Радиационные потери энергии при тормозном, синхротронном, черенковском излучении. Основные закономерности.
• Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Фотоэффект. Комптон-эффект. Рождение пар. Обратный комптон-эффект. Ядерный фотоэффект.

Введение в физику ускорителей

кандидат физико-математических наук, доцент Черняев А.П.
6 семестр, 32 часа

• Основные этапы развития ускорителей. Создание первых ускорителей: циклотрона, линейного ускорителя, бетатрона. Открытие принципа автофазировки.
• Основные характеристики ускорителей и пучков частиц. Общие требования к ускорителям.
• Использование ускорителей в прикладных целях.
• Детекторы заряженных частиц, нейтронов и гамма-квантов. Характеристики детекторов.
• Принципы ускорения: высоковольтный, индукционный и резонансный.
• Высоковольтные ускорители. Генератор Ван де Граафа. Ускорители трансформаторного типа. Каскадный и тандемный ускорители.
• Бетатрон. Условие равновесной орбиты в бетатроне.
• Принцип действия циклотрона. Фазотрон. Изохронный циклотрон.
• Линейные ускорители. Ускорители Видероэ и Альвареца. Линейные ускорители электронов и заряженных частиц. Ускоритель на бегущей волне. Сверхпроводящие линейные ускорители. Линейные индукционные ускорители.
• Фазовый объем. Фазовая траектория. Теорема Лиувилля. Адиабатическая теорема. Адиабатическое сжатие пучка.
• Процесс ускорения на фазовой плоскости. Принцип автофазировки. Сепаратриса.
• Принцип сильной фокусировки. Аксептанс и эммитенс. Резонансы. Галстук устойчивости.
• Синхротрон. Накопительные кольца. Светимость. Охлаждение пучка.

Основы теории кольцевых ускорителей

Поперечное движение частиц в идеальных машинах, расчет основных структурных характеристик ускорителей. Анализ влияния возмущений магнитного поля ускорителя на характеристики поперечного движения частиц. Влияние ошибок установки заворачивающих магнитов и квадрупольных линз на искажение замкнутой орбиты частиц в ускорителе. Сдвиги частот бетатронных колебаний частиц, обусловленные ошибками в градиенте магнитного поля, а также систематическими нелинейностями магнитного поля. Вопросы, связанные с коррекцией магнитного поля ускорителя. Резонансы бетатронных колебаний частиц. Продольное движение частиц в ускорителях. Критическая энергия. Фазовое движение частиц при наличии возмущений параметров ускорителя.

Ускорение высокоинтенсивных пучков частиц в протонных синхротронах. Обзор основных эффектов пространственного заряда пучка и их воздействия на поперечные и продольные колебания частиц в ускорителях, некогерентный и когерентный кулоновские сдвиги бетатронных частот, их воздействие на динамику частиц, примеры расчета собственного электромагнитного поля пучка для наиболее характерных геометрий вакуумной камеры ускорителя. Дисперсионные интегралы для поперечных и продольных неустойчивостей пучка, методика расчета характеристик неустойчивостей пучка протонов с помощью диаграмм на комплексной плоскости импедансов, пороги инкременты продольных и поперечных неустойчивостей однородного и сгруппированного пучка протонов. Взаимодействие интенсивного пучка протонов с ускоряющей системой. Способы, используемые в ускорителях для ослабления нагрузки резонаторов током пучка.

Математические методы анализа экспериментальных данных

ст. преподаватель Брызгалов В.В.
8 семестр, 32 часа

• Основные задачи анализа данных в эксперименте: калибровка, оперативный контроль, точечное и интервальное оценивание, проверка статистических гипотез.
• Распределение вероятностей случайных величин и их числовые характеристики, независимость и корреляция: вырождение распределений сильно коррелированных случайных величин, многомерное распределение Гаусса; характеристическая функция и семиинварианты.
• Распределения функций случайных величин, перенос ошибок (линейный и нелинейный случаи).
• Выборочный метод и выборочные характеристики: вариационный ряд, выборочные моменты, их распределения, нейтральная предельная теорема.
• Статистические оценки и общие требования к ним, несмещенные оценки с минимальной дисперсией, критерий оптимальности оценок, основанный на неравенстве Рао-Крамера; информационная матрица; достаточные статистики.
• Точечные оценки и методы оценивания: метод максимума правдоподобия, метод моментов, метод наименьших квадратов; учет линейных и нелинейных связей; использование регуляризации.
• Интервальные оценки; параметрические гипотезы, критерий Неймана-Пирсона; сложные альтернативы, равномерно наиболее мощные критерии.
• Критерии согласия: проверка гипотез о типе распределения, однородности выборок, независимости; критерии Колмогорова, Смирнова, Пирсона; критерий знаков.

Системы ускорителей

• Блок-схема линейных и циклических ускорителей. Перечень и назначение основных систем ускорителей.
• Ионные пушки. Виды ионных источников. Инжекция пучка в линейный и циклический ускорители.
• Вопросы согласования при инжекции и на стыке отдельных ускоряющих структур. Понятие об эммитансе, аксептансе, фазовом объеме и сепаратрисе.
• Основные типы линейных ускорителей ионов. Ускоритель Альваренца. Фокусировка пучка высокочастотным полем. Ускоряющие структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (RFQ). Структуры с пространственно- периодической высокочастотной фокусировкой.
• Особенности инжектора в бустер (УРАЛ-30) - ускорителя, основанного на принципах высокочастотной фокусировки. Электропрочность ускоряющих зазоров. Сравнение новых структур с ускорителем Альваренца.
• Резонаторы, ускоряющие станции. Системы высокочастотного питания. Структура ВЧ системы на примере линейного ускорителя.
• Магнитные системы кольцевых ускорителей. Системы питания обмоток электромагнитов. Элементы транспортировки пучка. Поворотные и корректирующие магниты. Использование сверхпроводящих магнитов и резонаторов.
• Системы вывода пучка из кольцевого ускорителя. Внутренние мишени. Быстрый и медленный вывод пучка.
• Измерение параметров пучка: тока, профиля, эмиттанса, энергетического спектра. Автоматизированный контроль параметров пучка и отдельных систем.
• Виды излучения, возникающего при работе ускорителей. Использование радиационных мониторов при исследовании и эксплуатации ускорителей. Общие технологические системы ускорителя: электропитание, вакуум, охлаждение отдельных узлов и элементов.
• Вопросы, связанные с настройкой надежностью и стабильностью работы ускорительных установок. Некоторые применения линейных и циклических ускорителей.

Радиационные проблемы ускорителей

9-10 семестр, 60 часов

Введение в радиационную физику. Непосредственно и косвенно ионизирующие излучения. Излучения в природе. Космическое излучение. Естественный радиационный фон. Техногенный фон. Радионуклиды, распространенные в природе. Международные и национальные рекомендации по предельным дозовым величинам. Радионуклидные источники нейтронов. Активность радионуклида. Цепочки распадов. Закон радиоактивного распада.

Заряженное излучение (,, К, ). Электромагнитные взаимодействия. Упругое Кулоновское рассеяние. Радиационное торможение. Ионизационные пробеги частиц.

Мюонное излучение. Взаимодействия мюонов с веществом. Вероятность распада , К, , длина распада, типы распада. Кинематика распада пиона. Распределение распадных мюонов по импульсам. Проникающая способность мюонов.

Фотонное излучение. Основные процессы взаимодействия фотонов с веществом. Общая характеристика взаимодействий фотонов с веществом. Фотоэффект. Комптоновское рассеяние. Когерентное рассеяние. Образование пар е⁺е^- и ^+-. Фотоядерные реакции, гигантский резонанс .

Нейтронное излучение. Взаимодействия адронов средних энергий с ядрами. Статистические модели, теория испарения, формула Вайскопфа, экситонная модель, гибридная модель. Взаимодействия адронов средних энергий с ядрами. Общая характеристика дифференциальных адрон-ядерных сечений в области средних энергий.

Взаимодействия адронов высоких энергий с ядрами. Множественные процессы в области высоких энергий.

Основные экспериментальные данные по множественным процессам, средняя множественность, распределения по продольным импульсам, распределения вторичных адронов по поперечным импульсам, адрон-ядерные процессы множественной генерации. Основные теоретические модели множественных процессов, статистическая гидродинамическая модель, мультипериферическая реджиевская модель, кварк-партонная модель.

Феноменологическое описание дважды дифференциальных сечений адрон-ядерных взаимодействий. Общие принципы построения феноменологических формул,

Методы решения кинетического уравнения. Диффузно-возрастное приближение. Многогрупповое приближение. Случай изотропного рассеяния. Метод сферических гармоник.

Метод Монте-Карло. Основные случайные величины в методе Монте-Карло. Выработка случайных величин с заданным распределением, метод обратных функций.

Основы алгоритма моделирования траектории частицы. Подготовка констант. Выборка характеристик частицы источника, розыгрыш пробега частицы (нейтральной, заряженной). Оценки функционалов, оценка по пересечениям, оценка по столкновениям, оценка по пробегам, локальные оценки.

Закономерности формирования полей излучения за радиационной защитой ускорителя. Компоненты излучения, генерируемые в нуклон-мезонном каскаде. Спектральные распределения всех компонентов за железной и бетонной радиационной защитой. Адронная и мюонная защита. Радиационная защита ускорителя ИФВЭ.

Формирование дозы высокоэнергетических адронов в биологической ткани. Концепция ЛПЭ. Спектры ЛПЭ. Пространственное распределение поглощенной дозы протонов, пионов, нейтронов в тканеэквивалентном фантоме как функция энергии частиц, пространственное распределение эквивалентной дозы. Эффективная доза.

Ведущие ускорительные научные центры (Часть 1)

Институт физики высоких энергий (ИФВЭ, Протвино): протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ; проект ускорительно-накопительного комплекса (УНК) на энергию 3000 ГэВ.

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна): протонный синхротрон на энергию 10 ГэВ; фазотрон (синхроциклотрон) на энергию 680 МэВ; ускоритель тяжелых ионов (нуклотрон на магнитах со сверхпроводящими обмотками). Институт ядерных исследований (ИЯИ, Новосибирск): ускорительные установки со встречными электрон-электронными и электрон-позитронными пучками с энергиями до 6 ГэВ. Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН, Женева): протонный синхротрон (CPS) на энергию 28 ГэВ; протонный синхротрон (SPS) на энергию 450 ГэВ, включая антипротонную программу; большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) на энергию 55 ГэВ; проект большого адронного коллайдера (LHC) на энергию 8 ТэВ.

Ведущие ускорительные научные центры (Часть 2)

Немецкий центр ядерных исследований (DESY Гамбург): ускорительно-накопительный комплекс с адрон-электронным коллайдером на энергию 26 х 820 ГэВ. Японская национальная лаборатория по физике высоких энергий (КЕК): электрон-позитронный коллайдер TRISTAN на энергию 30 ГэВ; фабрика синхротронного излучения с электрон-позитронным накопителем на энергию 3 ГэВ. Национальная ускорительная лаборатория им.Ферми (FNAL,США): протонный синхротрон на сверхпроводящих магнитах на энергию до 1 ТэВ (Tevatron); программа встречных протон-антипротонных пучков с энергиями 150 ГэВ. Стенфордский центр линейного ускорителя SLAC (США): линейный ускоритель электронов на энергию 50 ГэВ; Cтенфордский электрон-позитронный линейный коллайдер (SLC); на энергию 46 ГэВ. Лос-Аламосская национальная лаборатория (США): сильноточный линейный ускоритель протонов и отрицательных ионов водорода на энергию 800 МЭВ (мезонная фабрика). Брукхейвенская национальная лаборатория (США): протонный синхротрон AGS на энергию 33 ГэВ; программа ускорения поляризованных протонов.

Биофизические основы физиологических процессов

Часть 1. Биофизические процессы

Молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем. Биологические мембраны. Современные методы исследования биологических структур. Транспорт веществ через биологические мембраны. Электрохимический потенциал. Биофизический механизм транспорта веществ через биологические мембраны: пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт. Диффузия через полупроницаемую мембрану. Облегченная диффузия (диффузия с переносчиком). Осмос. Фильтрация. Активный транспорт веществ через биологические мембраны. Электрогенные ионные насосы. Ионные каналы.

Электрогенез в клетках. Мембранный потенциал. Электрохимическое равновесие. Равновесный потенциал. Потенциал покоя. Потенциал действия; механизм возникновения нервного импульса. Графики потенциала действия и соответствующих ионных токов.

Распространение потенциала действия по нервному волокну. Факторы, определяющие скорость проведения возбуждения. Особенности распространения нервного импульса в разных участках сердца.

Автоволновые процессы в активных средах. Нервное волокно как пример активной среды. Распространение автоволны в однородных активных средах, тау-модель. Трансформация ритма возбуждения в неоднородной по рефрактерности активной среде. Ревербераторы. Фибрилляция левого желудочка сердца.

Электрическая активность органов. Внешние электрические поля тканей и органов. Электрография, принцип эквивалентного генератора. Электрокардиография. Электроэнцефалография. Спектральный анализ ЭЭГ.

Мышечное сокращение. Модель скользящих нитей. Электромеханическое сопряжение в мышцах. Биомеханика сокращения. Изометрический, изотонический режимы сокращения.

Биофизика системы кровообращения. Реологические свойства крови. Гемодинамические параметры в различных участках сосудистого русла. Функциональная организация сердечно-сосудистой системы. Работа сердца. Пульсовая волна, ее характеристики. Изменение гемодинамики при некоторых патологиях (локальное изменение просвета сосуда, изменение вязкости крови). Резистивная модель. Динамика движения крови в капиллярах.

Моделирование биофизических процессов. Фармакокинетическая модель: изменение концентрации лекарственного препарата при различных способах его введения в организм.

Термодинамика биологических систем. Живой организм как открытая термодинамическая система. Потоки и обобщенные силы в биологических системах.

Биологическая кибернетика. Биологическая кибернетическая система. Иерархия. Автоматическое регулирование: по возмущению и отклонению. Регуляция в живых системах, гомеостаз. Информационные потоки в живых системах.

Биосфера и физические поля. Электромагнитные и радиоактивные излучения в медицине. Собственные физические поля организма человека.

Биофизические последствия радиационного воздействия. Повреждение биологической мембраны. Факторы, влияющие на биологические эффекты действия радиации: Особенности действия радиации на биологические системы. Структурно-метаболический подход в радиобиологии.

Звуковые измерения в клинике. Аудиометрия, метод построения аудиограммы. Применение ультразвука. Действие ультразвука на вещество. Принцип эхолокации Физические основы использования УЗ в терапии и хирургии.

Рентгеновское излучение в клинических исследованиях. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом, ослабление рентгеновского излучения в различных структурах организма. Рентгенодиагностика. Рентгеновская компьютерная томография. Прямая и обратная задачи. Методы представления информации.

Электрография. Электрическая стимуляция органов. Электроды для регистрации электрической активности органов. Датчики физиологической информации. Основные характеристики импульсных сигналов.

Применение в медицине электромагнитных волн в различных диапазонах. Механизмы возбуждения ЭМ волны в различных диапазонах, их свойства.

Действие переменного электрического поля на биологические объекты. Поляризация диэлектриков. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Механизмы нагревания различных тканей при УВЧ и СВЧ терапии.

Поляриметрия. Вращение плоскости поляризации в оптически активных веществах. Определение концентрации вещества с помощью поляриметрии.

Спектрофотометрия биофизике и медицине. Поглощение света в растворах. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Спектр поглощения вещества.

Рефрактометрия. Законы отражения и преломления света. Зависимость показателя преломления раствора от концентрации вещества.

Эндоскопия. Полное внутреннее отражение света от границы раздела двух сред. Эндоскоп. Получение изображения внутренних органов с помощью эндоскопа.

Введение в медицинскую физику

доктор физико-математических наук Костылев В.А.
36 часов

• Медицинская физика - общие сведения. Роль, ответственность и статус клинического медицинского физика. Организация клинического медико-физического обслуживания. Физические основы, клинические задачи и перспективы лучевой терапии и лучевой диагностики. Медико-физические задачи.
• Медицинская физика и менеджмент. Вопросы создания, оснащения и организации радиологических корпусов. Медицинская и медико-физическая деонтология.
• Радиобиологические основы лучевой терапии. Фракционирование и математическое моделирование.
• Техника лучевой терапии. Облучатели: гамма- аппараты, ускорители, аппараты для контактной лучевой терапии. Планирующие системы, топометрическая техника, дозиметрическая аппаратура, аксессуары.
• Дозиметрическое планирование лучевой терапии. Клиническая дозиметрия.
• Компьютерные системы и технологии в лучевой терапии.
• Протонная терапия. Нейтронная терапия. Нейтронозахватная терапия. Физико-технические и клинические проблемы.
• Лучевая диагностика. Физико-технические и клинические проблемы. Рентгенодиагностические технологии и аппараты. Томография. Ультразвуковая томография. Рентгеновская компьютерная томография. Однофотонная эмиссионная радионуклидная томография. Позитронная эмиссионная томография.
• Технологии и аппаратура радионуклидной диагностики. Измерения, обработка и анализ результатов радионуклидных диагностических исследований. Математическое моделирование. Вопросы безопасности в лучевой диагностике и терапии.
• Физико-технические основы использования неионизирующих излучений в лучевой диагностики и терапии. Гипертермия. Магнитотерапия. Ультразвук. лазеры.
• Некоторые вопросы физики человека. Физические основы гемодинамики. Физика дыхания. Физика наружного, среднего и внутреннего уха. Биофизика зрения.

Физические основы лучевой терапии

доктор физико-математических наук Костылев В.А.
9 семест р, 36 часов

• Радиобиологические основы лучевой терапии злокачественных опухолей. Основые положения и задачи клинической радиобиологии. Природа лучевого поражения. Радиочувствительность. Управление лучевыми реакциями. Качество ионизирующих излучений и лучевая терапия опухолей.
• Физико-техническое обеспечение дистанционной лучевой терапии. Типы, конструкция и комплектация облучателей. Рентгенотерапевтические аппараты, гамма-аппараты, линейные ускорители электронов, циклотроны, бетатроны, ускорители тяжелых заряженных частиц, нейтронные генераторы, реакторы. Устройства формирования поля облучения: блоки, клинья, решетки. Мультилифколлиматор.
• Аппараты и методики клинической дозиметрии. Конструкция и комплектация приборов клинической дозиметрии. Детекторы, электрометры и другие элементы измерительной техники. Анализаторы дозного поля. Компьютерная обработка, программное обеспечение.
• Дозиметрическое планирование лучевой терапии. Расчет дозных характеристик. Алгоритмы расчетов. Компьютерные системы дозиметрического планирования для дистанционного и контактного облучения. Оптимизация дозиметрического планирования. Программное обеспечение систем планирования.
• Брахитерапия. Аппаратура и методики. Конструкция и комплектация аппаратов. Источники. Особенности дозиметрии и планирования. Клинические аспекты.
• Технология и аппаратура предлучевой подготовки. Топометрия. Моделирование ситуации облучения. рентгеновский стимулятор. Компьютерный томограф для планирования облучения. Приспособления. Клинические проблемы топометрии.
• Системы компьютерного обеспечения и компьютерные технологии в лучевой терапии. Компьютерное архивирование и документирование.
• Гарантия качества лучевой терапии. Аппаратура и приспособления. Тест-объекты, фантомы, фиксирующие устройства и т.д. Вопросы радиационной безопасности пациента и персонала. Аварийные ситуации и их ликвидация.
• Систематика лучевой терапии. Целевые функции, виды и методы лучевой терапии. Способы облучения. терминология.
• Актуальные проблемы радиационной онкологии. Техническое оснащение. Выбор энергии излучения. Клинические проблемы. Фракционирование. Радиомодификаторы. Электронакцепторные препараты. Гипертермия. Радиопротекторы. Клинические аспекты.
• Проблемы проектирования, функционирования и развития радиотерапевтических комплексов. Анализ ситуации, выбор концепции и разработка программ развития. Лучевая терапия и медицинская физика. Структура подразделений и кадровое обеспечение. Проблемы технического оснащения, маркетинг и менеджмент в лучевой терапии.

Физические основы и техника протонной лучевой терапии

доктор физико - математических наук Хорошков В.С.
7 семестр, 36 часов

• Лучевая терапия, ее роль в радиационной онкологии. Феномен радиационного воздействия на клетку. Поглощенная доза, биологическая доза, ОБЭ, КЭ. Предмет дозиметрии и микродозиметрии. Сравнение различных источников излучения. Особенности взаимодействия протонов с биологической тканью.
• Современный этап ПЛТ, госпитальные центры ПЛТ. Перспектива. Принципы построения современных центров ПЛТ и выбор медицинских ускорителей
• Медицинские требования к пучкам протонов. Понятие эмиттанса и аксептанса. Типы ускорителей, применяемых для комплекса ПЛТ. Аппаратура, применяемая для активных и пассивных методов формирования дозных полей. Известные схемы построения гантри.
• Техника и методы клинической дозиметрии. История зарождения ядерной электроники. Современное состояние дозиметрической техники. Ионизационные, тепловые, акустические проявления ионизирующего излучения. Физические основы построения основных приборов клинической дозиметрии. Кривая Брэгга и модифицированное глубинное дозное распределение. Оперативные методы дозиметрии. Мониторирование пучка протонов. Полупроводниковые дозиметры. Калориметр (водяной, графитовый). Мониторные ядерные реакции.
• Методы формирования дозных распределений медицинских протонных пучков и системы дозно-анатомического планирования. Понятие пространственно-энергетического спектра частиц. Связь пространственно-знергетического спектра с дозой. Методы и средства пассивного формирования. Методы активного формирования дозных распределений, их разновидности и реализация. Сравнение с пассивными методами.
• Понятие системы дозно-анатомического планирования. Прямая и обратная задачи планирования. Критерии, используемые при составлении плана облучения. Информация, используемая при составлении дозно-анатомического плана.
• Радиобиологические аспекты ПЛТ с точки зрения микродозиметрии. Место дозиметрии и микродозиметрии в радиационной физике. Генетическая и соматическая лучевая нагрузка, радиационная безопасность. Очаговая доза излучения. Генерация нейтронов и других излучений протонами, равновесие вторичных частиц.
• Функции распределения микродозиметрических величин. Структура трека и радиационные эффекты. Влияние качества излучения на зависимость доза-эффект. Дельта-электронная теория. Теория дуального действия излучения.
• Развитие идей теории мишени в микродозиметрии. LQ-модель зависимости доза-эффект. Формирование терапевтического эффекта в макроскопической мишени.
• Радиоэлектронное обеспечение ПЛТ. Современные возможности построения модульных, многопроцессорных систем контроля и управления сеансами ПЛТ. Ознакомление с устройством радиоэлектронного обеспечения действующих центров ПЛТ.
• Лучевые установки (позиционеры), применяемые в протонно-лучевой терапии .
• Типы установок и медико-технические требования. Системы регистрации пространственного положения, управление перемещениями, автоматизация процессов позиционирования. Оборудование для фиксации пациента. Оборудование для центрации мишени.
• Понятие гарантии качества в ПЛТ. Выполнение задач ПЛТ на различных этапах лучевой терапии. "Дерево" гарантии качества. Топометрическая подготовка больного и оптимизация плана лучевого лечения. Гистограмма доза-объем при конвенциональной и протонной терапии.
• Основы радионуклидной диагностики. Методы получения радиоизотопов медицинского назначения. Синтез меченых соединений. Радиофампрепараты. Методы регистрации распадов, способы обработки и представления данных. Сканер, гамма-камера, томограф.
• Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Состояние и перспективы развития ПЭТ.
• Клинический опыт ПЛТ. Краткий обзор совокупного мирового опыта применения пучков протонов в лечебных целях. Основные области использования в клинической медицине, трудности и перспектива.

Неионизирующее излучение в биомедицинской диагностике

Часть 1. Физические основы взаимодействия неионизирующего излучения с биологическими объектами.

• Физические явления, лежащие в основе лазерной биомедицинской диагностики. Источники неионизирующего излучения для биомедицины. Фотовозбуждение атомов и молекул, поглощение, рассеяние, люминесценция, фотохимические реакции, миграция энергии .
• Упругое рассеяние излучения биомакромолекулами, клетками и тканями. Однократное и многократное рассеяние. Распространение излучения в тканях. Основы теории переноса излучения и диффузии фотонов в мутных средах. Численное моделирование .
• Квазиупругое рассеяние излучения подвижными биологическими структурами. Методы оптического смешения, гетеродинирования, доплеровской анемометрии и спеклометрии. Схемы спектрометров и структура сигнала. Динамические аспекты рассеяния: идеальная диффузия, направленные потоки, полидисперсность, флуктуации числа частиц, межчастичное взаимодействие.
• Комбинационное рассеяние (КР) излучения биологическими структурами. Сравнение КР и ИК спектроскопии. Закономерности в положении и интенсивности линий. Поляризационные свойства КР. Методы измерений с высоким временным и пространственным разрешением. Гигантское комбинационное рассеяние .
• Флуоресцентный анализ биологических объектов. Проточные флуориметры. Флуоресцентные конфокальные микроскопы. Эндо- и экзогенные зонды и сенсибилизаторы.

Часть 2. Лазерная диагностика биомакромолекул, клеток и тканей. Примеры биомедицинских приложений.

• Основы строения и фотобиологии белков. Лазерные измерения молекулярной массы и размеров молекул в растворах. Анализ конформационной подвижности и вторичной структуры .
• Основы строения молекул ДНК и РНК. Изучение конформационных превращений. Лазерный секвенционный анализ .
• Лазерная диагностика вирусов и живых клеток. Внутренняя структура и форма. Клеточная и внутриклеточная подвижность и ее механизмы. Диагностика структуры и динамики клеток крови в норме и патологии .
• Лазерная диагностика тканей. Ткани с сильным рассеянием и прозрачные ткани. Методы оптической медицинской томографии. Флуоресцентная и КР диагностика патологических состояний тканей
• Модифицирующее действие неионизирующего излучения. Понятие о лазерной и КВЧ терапии.

Вычислительная томография

кандидат физико-математических наук Терещенко С.А.
7-8 семестр, 64 часа

• Хронология развития томографии. Виды томографии. Ослабление излучения в веществе. Трансмиссионная вычислительная томография (ТВТ).
• Круговая геометрия: неподвижная и вращающаяся системы координат. Преобразование Радона.
• Многообразие методов обращения преобразования Радона. Метод ро-фильтрации: обратное проецирование, дельта-функция от сложного аргумента.
• Теорема о свёртке. Решение интегрального уравнения типа свертки с помощью преобразования Фурье. Фильтрующая функция в Фурье-пространстве. Двумерные аподизирующие функции.
• Метод Фурье-синтеза: теорема о сечениях, понятие о быстром преобразовании Фурье (БПФ), интерполяция с полярной сетки на декартову сетку.
• Метод фильтрованных обратных проекций, фильтрующая функция в Фурье-пространстве, одномерные аподизирующие функции.
• Метод фильтрованных обратных проекций: теорема Котельникова, фильтрующая функция в координатном пространстве (фильтр Рамачандрана и Лакшминараянана).
• Метод А.Кормака. Многочлены Чебышёва. Понятие о внешней задаче.
• Эмиссионная вычислительная томография (ЭВТ). Излучение точечного источника. Основное уравнение для проекций, отличия от ТВТ. Сравнение геометрического и физического ослабления. Экспоненциальное преобразование Радона.
• Методы приближённой коррекции проекционных данных по оппозитным проекциям: коррекция по среднему геометрическому, sinh-коррекция, коррекция по среднему арифметическому, коррекция по интегральному среднему.
• Методы приближённой коррекции: метод корректирующей матрицы.
• Методы обращения экспоненциального преобразования Радона. Взвешенное обратное проецирование. Понятие о функциях медленного и быстрого роста. Невозможность обобщения метода ро-фильтрации на ЭВТ.
• Метод Фурье-синтеза для ЭВТ: основное функциональное уравнение.
• Метод Фурье-синтеза для ЭВТ: использование основного функционального уравнения, связь значений периодической комплексной функции для комплексного и вещественного аргументов.
• Метод фильтрованных обратных проекций для ЭВТ: фильтрующая функция в Фурье-пространстве.
• Метод фильтрованных обратных проекций для ЭВТ: фильтрующая функция в координатном пространстве. Аппаратная функция.
• Аппаратная функция.
• Алгебраические методы вычислительной томографии. Сведение к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Особенности матриц СЛАУ в томографии. Априорная информация. Метод простой итерации. Метод скорейшего спуска. Метод ART. Метод SIRT.
• Одновременное определение пространственных распределений источников излучения и коэффициента ослабления излучения: метод CSP.
• Понятие о продольной вычислительной томографии: интегрально-кодовые системы измерений. Понятие о вычислительной томографии рассеивающих сред: уравнение переноса излучения. Нерешённые задачи вычислительной томографии.

Радиобиология

преподаватель Ноздрачева А.Н.
9 семестр,36 часов

• Открытие биологического действия ионизирующего излучения. Правило Вергонье и Трибондо. Мутационное действие ионизирующего излучения - работы Г.Меллера и Г.А.Надсона. Количественная радиобиология. Работы Н.В.Тимофеева-Ресовского и Д.Э.Ли.
• Современное состояние радиобиологии. Отдаленные последствия излучения. Специфика действия малых доз. Радиобиологические проблемы лучевой терапии.
• Биомолекулы, их свойства и нарушения. Малые молекулы. Белки. Избирательность. Ферментативная активность. Нуклеиновые кислоты. Комплиментарность. Редупликация. Системы ликвидации ошибок. Транскрипция. Генетический код. Трансляция. Нарушение трансляции.
• Структура и возможные последствия нарушения генетического материала. Ген. Генетические мутации. Репарация. Хромосомы. Хромосомные мутации. Геномные мутации. Генотип и фенотип. Наследование доминантных и рецессивных мутаций.
• Действие ионизирующего излучения на биологические молекулы. Специфика взаимодействия с веществом различных видов ионизирующего излучения. Основные физические процессы. Ионизация тканей. ЛПЭ. Стадия взаимодействия излучения с веществом.
• Теория мишени. Принцип попадания. Статистический характер взаимодействия. Одноударные и многоударные процессы. Зависимость "доза-эффект", понятие D₃₇. Радиочувствительность. ОБЭ.
• Прямое действие ионизирующего излучения на белки и нуклеиновые кислоты. Нарушение ферментативной активности, изменение структуры, однонитевые разрывы ДНК, двухнитевые разрывы.
• Инактивация макромолекул в водных растворах. Свободные радикалы, зависимость эффекта от ЛПЭ, гидратированный электрон, радиопротекторы.
• Радиобиология клетки. Физиологические реакции клетки на облучение большими дозами. Изменение клеточного цикла. Зависимость радиочувствительности от фазы клеточного цикла. Репарационные системы.
• Летальные реакции клетки. Репродуктивная гибель. Интерфазная гибель. Апоптоз.
• Специфика действия малых доз ионизирующего излучения. Теория беспорогового действия. Гормезия. Роль радиоактивного фона.
• Действие радиации на регуляторные системы клетки. Действие на репарационные системы. Сигнальное действие. Стимуляция мутационного процесса. Нарушение стабильности генома. Отдаленные последствия облучения.
• Общая схема действия ионизирующего излучения на клетку. Специфика действия больших, средних, малых доз. Общий адаптационный синдром. Действие на ядро и плазматическую мембрану.
• Факторы, влияющие на эффект ионизирующего излучения. ЛПЭ, режим облучения, кислородный эффект, гипертермия, гипергликемия, радиопротекторы, радиосенсибилизаторы, модифицированное действие малых доз.
• Основные радиобиологические методики. Метод клеточных культур. Кривые роста. Метод Пака. Колонии в селезенке. Радиоизотопные методы. Биохимические методы. Методы оценки выживаемости экспериментальных животных.
• Радиобиологические основы лучевой терапии. Особенности опухолевой клетки. Динамика роста опухоли. Опухоль как динамическая система. Проблема терапевтического интервала.
• Способы увеличения терапевтического интервала. Плотноионизированное излучение. Создание адекватных дозных полей. Фракционирование. Гипертермия. Гипергликемия. Кислородный эффект. Малые дозы.
• Радиобиология организма. Сравнительная радиочувствительность организмов. Острая лучевая болезнь. Радиочувствительность различных тканей и органов.
• Модификация лучевого поражения организма. Защита от излучения. Лечение лучевого поражения. Факторы, усиливающие лучевое поражение.

Медицинские основы лучевой терапии

Структурные компоненты клетки. Мембранные и немембранные органеллы, структура ядра, роль ядерных структур в жизнедеятельности клеток. Воспроизведение клеток, клеточный цикл, динамика митоза. Реакции клеток на внешние воздействия. Патология митоза.

Основы строения, общая и частная физиология нервной системы. Нейроны, нервные волокна и нервные окончания. Понятие о рефлекторной дуге. Реакция нейтронов и волокон на травму. Сравнительный анализ строения соматической и автономной нервной системы. Проводящая и рефлекторные функции спинного мозга. Двигательная система мозга: поддержание позы, позно-тонические рефлексы, перераспределение тонуса мышц. Двигательная система ствола головного мозга, базальных ганглиев и коры больших полушарий. Возбуждающие и тормозные влияния ретикулярной формации ствола мозга. Симпатический, метасимпатический и парасимпатический отделы автономной нервной системы и их роль в поддержании гомеостаза. Медиаторы автономной нервной системы и их рецепторы. Роль продолговатого мозга в регуляции вегетативных функций. Дыхательный и сердечно-сосудистый центры. Гипоталамус как высший центр интеграции вегетативных функций. Функциональная гистология и основы физиологии коры больших полушарий. Принципы распределения функций между двумя полушариями. Электроэнцефалограмма.

Эндокринная система и ее регуляторные физиологические функции. Главные эндокринные железы и их гормоны. Физиологическая организация эндокринных функций: биосинтез и секреция гормонов, их транспорт, механизмы действия на клетки-мишени. Роль эндокринной системы в регуляции процессов роста, развития, размножения, разных форм адаптации и поведения. Основы патофизиологии эндокринной системы

Понятие о системе крови. Состав и физико-химические свойства плазмы крови. Форменные элементы крови. Гемограмма. Лейкоцитарная формула. Кровопотеря и ее последствия. Кровезаменители. Патофизиология гемоглобинозов, анемии. Лейкоцитозы и лейкопении. Лейкозы. Защитные функции крови и лимфатической системы. Современные представления о клеточном и гуморальном иммунитете. Группы крови. Резус-фактор. Патофизиология иммунитета. Врожденные и приобретенные иммунодефицитные состояния . Основные виды аллергических процессов. Аутоиммунные заболевания.

Кровообращение. Электрические и механические процессы в сердце. Динамика сердечного цикла: основные фазы, давление в полостях сердца и аорте, клапанный аппарат, тоны сердца. Автоматия сердца и ее природа, представление об истинном и латентном водителе ритма. Электрокардиографический метод и его роль в медицине. Миогенная, нейрогенная и гуморальная регуляция деятельности сердца. Особенности кровоснабжения сердечной мышцы, коронарогенные инфаркты миокарда и их последствия. Структурно-функциональная организация сосудистого русла: аорта, артерии эластичного и мышечного типов, артериолы, капилляры, венулы и вены. Сопротивление сосудов току крови. Законы Дарси и Пуазейля. Миогенная, нейрогенная и гуморальная регуляция тонуса сосудов. Особенности движения крови в микроциркулятоном русле. Закон Старлинга-Лэндиса, реология крови. Артериальное давление и его регуляция. Буферная роль барорефлекса, роль почечного функционального механизма в длительной регуляции артериального давления. Основы патогенеза гипертонической болезни. Патофизиология экстремальных состояний: шок, коллапс, кома. Принципы терапии шоковых состояний, особенности отдельных видов шока. Умирание и оживление организма.

Строение воздухоносных путей и легких, физиология дыхания. Механизм дыхательных движений, роль отрицательного внутриплеврального давления и сурфактанта в функции легких. Транспорт газов кровью, газообмен в альвеолах и в тканях. Современные представления о механизме возникновения первичной ритмики дыхательного центра. Периферические и центральные хеморецепторы, их роль в создании адекватного уровня легочной вентиляции. Обструктивные и рестриктивные нарушения дыхания. Этиология и патогенез бронхиальной астмы и эмфиземы легких. Гипоксия, принципы классификации гипоксических состояний и их регуляторные последствия. Механизмы кальциевой гибели клеток в очаге гипоксии и ишемии.

Почки. Их макро- и микростроение, выделительная функция. Понятие клиренса., Общая характеристика процессов фильтрации, секреции и реабсорбции. Состав первичной мочи. Механизмы реабсорбции глюкозы, аминокислот и других соединений в проксимальных канальцах. Концентрирование мочи с помощью противоточно-поворотно-множительной системы. Гормональная регуляция почечной функции и водно-солевого обмена. Механизмы мочеиспускания. Этиология и патогенез типовых нарушений экскреторной функции почек. Острый и хронический гломерулонефрит, пиелонефриты, почечно-каменная болезнь, острая и хроническая почечная недостаточность. Принципы патогенетической терапии заболеваний почек.

Структурно-функциональная характеристика системы пищеварения. Секреторная функция пищеварительного тракта. Желудочный сок, его состав и ферментативное действие. Пищеварение в двенадцатиперстной кишке, поджелудочная железа и ее ферменты. Этиология и патогенез язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Панкреатиты. Процесс всасывания веществ в пищеварительном тракте. Строение и функции ворсинок. Всасывание воды, солей, продуктов переваривания белков, углеводов, жиров. Пристеночное пищеварение. Макро- и микростроение печени, ее роль в пищеварении. Типовые нарушения функции печени. Желтухи, вирусные гепатиты, цирроз печени, печеночная недостаточность, печеночная кома.

Патофизиология тканевого роста. Биологические особенности опухолевого роста. Отличия злокачественных опухолей от доброкачественных. Этиология и патогенез злокачественных опухолей. Понятие инициации, промоции, прогрессии. Метастазирование. Влияние опухоли на организм. Антибластомная резистентность организма. Иммунология опухолей. Молекулярная генетика рака. Представление о протоонкогенах и их трансформации в онкогены. Рак - это болезнь генов. Физические и химические канцерогенные факторы, злокачественные опухоли вирусной природы. Принципы лечения рака.