1. Постановка задачи на преддипломную практику

Задачи данной работы заключаются в следующем:

1. Ознакомление с методами определения канцерогенности вещества.

2. Изучение различных методов позитронной аннигиляционной спектроскопии.

3. Овладение навыками работы с установками для определения времени жизни позитронов в веществе и доплеровского уширения аннигиляционной линии.

4. Предварительные исследования молочных продуктов на установке для определения времени жизни позитронов.

2. Закономерности аннигиляции позитронов в веществе и экспериментальные методы их наблюдения

1. Канцерогенность вещества и способы ее выявления

Согласно современным представлениям, первичным процессом химического канцерогенеза является химическая реакция между молекулой канцерогенного вещества и основанием ДНК. При этом определяющую роль играют переходы электронов от электронизбыточных молекул ДНК к канцерогенным молекулам, которые должны быть, таким образом, электрофильными, в частности, эффективными акцепторами избыточных электронов. Отсюда следует, что выявление биологически опасных молекул может сводиться к измерению электрофильности исследуемых веществ.

Исходя из этого, для быстрого физико-химического метода выявления канцерогенов был разработан метод импульсного радиолиза. Суть его состоит в следующем: на раствор испытуемого химического соединения воздействует короткий (наносекундный) импульс ионизирующего излучения, из-за которого в среде образуются свободные электроны и ионы. Далее определяется скорость химической реакции взаимодействия испытуемого соединения с образованными электронами и сравнивается с некоторой принятой пороговой величиной. Этот метод был признан одним из наиболее эффективных физико-химических методов, т.к. для большого числа химических соединений его результаты хорошо согласуются с показателями их канцерогенной активности, независимо установленными биологическими методами. Совпадение имеет место в более чем 70% случаев.

Однако для осуществления метода импульсного радиолиза требуются дорогостоящие установки, использующие электронные ускорители. Использование метода аннигиляции позитронов не обладает этим недостатком [2]. Его действие также основано на свойстве канцерогенов быть эффективными акцепторами избыточных электронов. Чтобы разобраться в его принципе действия, рассмотрим подробнее процессы взаимодействия позитронов с веществом.

2. Источники позитронов

Позитрон (β⁺) - элементарная частица, является античастицей электрона (β^-) и относится к классу лептонов. Частицы β⁺ и β^- имеют одинаковые значения массы, спина и равные по величине, но противоположные по знаку заряд и магнитный момент.

Получение пучков позитронов в принципе возможно двумя способами - в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также в результате рождения е⁺-еˉ пар при поглощении в веществе гамма-излучения с энергией, превышающей массу покоя е⁺-еˉ пары (1,02 МэВ).

Основным каналом получения позитронов являются радиоактивные источники (РИ) позитронов, в которых происходит реакция ⁺-распада. Ее схема приведена на рис.1. Атомное ядро ^ZA испускает позитрон (он обозначается ⁺) и нейтрино и превращается в атомное ядро ^Z-1A другого химического элемента. Причем конечное атомное ядро может оказаться в основном (испускается ) или возбужденном (испускается ) состоянии. Возбуждение атомного ядра снимается путем испускания -кванта. Наличие таких -квантов (на рис.1 обозначен ₁) играет важную роль в методе измерения времени жизни позитронов в веществе.

Рис.1. Схема ⁺-распада радиоактивного источника позитронов

В силу законов -распада позитроны имеют непрерывное распределение по энергии. Форма спектра позитронов представлена на рис. 2.

Рис.2. Форма -спектра радиоактивного источника

Кроме РИ с непрерывным энергетическим спектром позитронов начинают использоваться пучки монохроматических позитронов с изменяемой энергией позитронов. Энергию позитронов в этих пучках обычно меняют в диапазоне от сотен эВ до десятков кэВ, в зависимости от требований конкретного эксперимента. Для получения моноэнергетичного пучка используется модератор (вольфрамовая или платиновая фольги, благородный газ и др.), в котором позитроны замедляются до тепловых энергий, диффундируют к поверхности, а затем излучаются в окружающее пространство с энергией, равной работе выхода позитронов (1 - 2 эВ). После этого с помощью электрических и магнитных полей происходит формирование и ускорение полученного пучка моноэнергетических позитронов.

Использование β⁺-радиоактивных изотопов имеет ограничение по интенсивности, связанное с поглощением позитронов в веществе самого источника. Как правило, такими изотопами являются ²²Na либо ⁶⁴Cu, а интенсивность пучка не превышает 10⁶ частиц/с.

Второй способ – получение позитронов из е⁺-еˉ пар, образующихся при поглощении высокоэнергетичного γ-излучения, возникающего в активной зоне ядерного реактора при делении ядер, γ-излучения при ядерных (n,γ)- реакциях, а также тормозного и синхротронного излучений. Одним из важнейших элементов установки, генерирующей пучок моноэнергетических позитронов, является конвертер-модератор, в котором происходит преобразование гамма-излучения в е⁺-еˉ пары, замедление позитронов до тепловых энергий, их диффузия к поверхности и последующий вылет из модератора. С помощью электрического поля позитроны вытягиваются из модераторной области для последующего ускорения и формирования пучка. Эффективность работы конвертора-модератора определяется многими факторами: собственно материалом, из которого он изготовлен, оптимальностью выбранной конструкции, конфигурацией приложенных электрических (и магнитных) полей [2].

Сформированным пучком позитронов облучают исследуемый образец. Процессы взаимодействия позитронов с веществом и вклад, вносимый каждым из них, сильно зависят от состава вещества и его структуры. Поэтому и становится возможной позитронная спектроскопия.