Témata studentských prací

Identifikace iontů primárního kosmického záření

Typ:		Bakalářská nebo diplomová práce
Vedoucí:		Iva Ambrožová (ambrozova@ujf.cas.cz)
Úvod:		Kosmické záření představuje zdravotní riziko pro posádky vesmírných misí. Je tvořeno celou řadou různých částic s různou energií, skládá se z primárních iontů galaktického a slunečního záření a také ze sekundárních částic vzniklých při interakcích primárního záření se stěnami lodi a okolním materiálem. Jednou z možností, jak různé komponenty záření odlišit a stanovit příspěvek jednotlivých iontů primáního záření k celkovému ozáření, je pomocí detektorů stop v pevné fázi a metody postupného leptání.
Úkol:		Cílem práce bude nejprve se seznámit s kosmickým zářením a metodikou vyhodnocování detektorů stop. Dále navrhnout nejvhodnější algoritmus pro metodu postupného leptání a s jeho pomocí vyhodnotit detektory ozářené na palubě ISS a identifikovat jednotlivé ionty primárního kosmického záření.

Spektra lineárního přenosu energie v různých orgánech při protonové terapii dětských pacientů

Typ:		Diplomová práce
Vedoucí:		Iva Ambrožová (ambrozova@ujf.cas.cz)
Úvod:		Při léčbě nádorových onemocnění se čím dál více používá ionizující záření. Během ozařování je žádoucí, aby cílový ozařovaný objem obdržel optimální dávku, zatímco okolní tkáň bude co nejvíce ušetřena a riziko vzniku různých komplikací či sekundárních rakovin co nejmenší. Děti jsou obzvláště zranitelné vzhledem k jejich vyšší radiosenzitivitě, menší vzdálenosti zdravých orgánů od cílového objemu a delší délce života ve srovnání s dospělými. K odhadu rizika nežádoucích účinků mimo cílový ozařovaný objem je potřeba stanovit nejen celkovou dávku ale i kvalitu záření v různých orgánech.
Úkol:		Cílem práce bude stanovení spekter lineárního přenosu energie a dalších dozimetrických veličin v různých orgánech antropomorfního dětského fantomu pomocí detektorů stop. Student bude analyzovat data získaná během experimentů v rámci pracovní skupiny WG9 EURADOS, která se zabývá dozimetrií záření v radioterapii.

Možnosti použití scintilačního detektoru Airdos-C pro monitorování úrovně záření na palubách letadel

Typ:		Diplomová práce
Vedoucí:		Iva Ambrožová (ambrozova@ujf.cas.cz), školitel specialista Ing. Martin Kákona, Ph.D.
Úvod:		Posádky letadel a cestující jsou vystaveni zvýšené radiaci v důsledku působení převážně kosmického záření. Měření úrovně ozáření na palubách letadel však není jednoduchá záležitost. Radiační pole v letových výškách se skládá z celé řady částic pokrývající široké rozmezí energií, navíc radiační pole není konstantní v čase a prostoru a v důsledku různých jevů (sluneční události, bouřky) může dojít k několikanásobnému zvýšení dávky. Pro dlouhodobé umístění a monitorování na palubách letadel je potřeba, aby daný detektor byl pokud možno malý, lehký a nenáročný na provoz a spotřebu elektrické energie. Většina dosud používaných detektorů určených pro dlouhodobé měření na palubách letadel byla založena na Si diodě. Nicméně polovodičové detektory nejsou příliš vhodné pro detekci vysokoenergetického záření gama, které může být generováno v bouřkách.
Úkol:		Cílem práce bude ověřit možnosti použití scintilačního detektoru Airdos-C s anorganickým krystalem pro dlouhodobé monitorování úrovně ozáření na palubách letadel a navrhnout metodu pro stanovení H*(10). Student se nejprve na základě rešerše odborné literatury seznámí s radiačním polem na palubách letadel a možnostmi jeho monitorování. Dále se seznámí se základními principy detektoru Airdos-C a vyhodnotí výsledky měření z několika letů, které srovná se simulacemi a s odezvou dalších přístrojů jako je např. TEPC Hawk, který se používá jako referenční detektor pro měření na palubách letadel.

Vybrané kvaziperiodické variace kosmického záření a atmosférických charakteristik

Typ:		Bakalářská nebo diplomová práce, s možností pokračovat v doktorandském studiu
Vedoucí:		Ondřej Ploc (ploc@ujf.cas.cz)
Úvod:		Časové řady měření kosmického záření pozemními detektory projevují kvaziperiodické variace. Jejich původ souvisí s cyklickými změnami sluneční aktivity, rekurentními změnami meziplanetárního magnetického pole a charakteristik slunečního větru, respektive s periodickými změnami magnetosféry Země. Většinou se pro atmosférické korekce dat neutronových nebo mionových detektorů používají lokální parametry atmosféry, jako jsou tlak, teplota a podobně. Korekce jsou většinou prováděny v linearizovaném přiblížení.
Úkol:		Úlohou studenta bude, po seznámení se s kosmickým zářením a jeho detekcí na zemském povrchu, popsat denní variaci nekorigované intenzity kosmického záření měřené neutronovým monitorem a tlaku, teploty a možná i vlhkosti ve dvou odlišných nadmořských výškách a zjistit, zda jsou v reziduu přítomné kvaziperiodické variace. Jejich výskyt by pomohl zdokonalení korekce podobně jako v práci [1] věnované korekcím mionových měření. Pro detektor SEVAN na Lomnickém štítě by student mohl provést podobnou analýzu. V druhé části práce by student provedl spektrální a waveletovou analýzu kvaziperiodicity, v kosmickém záření i atmosférických parametriech okolo 27 dní, tedy odpovídající rotaci slunečního disku [2]. Práce by přispěla k řešení projektu CRREAT. [1] Mohanty P. K. et al., Astroparticle Physics 70 (2016), 23-30 [2] Edmonds I., Astrophysics (2013), pdf

Verifikace modelů ionizujícího záření v atmosféře pomocí pixelových polovodičových detektorů

Typ:		Bakalářská nebo diplomová práce
Vedoucí:		Marek Sommer (sommer@ujf.cas.cz)
Rámcový popis tématu		Náplní práce bude zpracování dat z pixelových detektorů použitých na palubách letadel a atmosférických balónech pro verifikaci modelů ionizujícího záření v atmosféře (například modely CARI-7 a EXPACS). Student se bude také účastnit navrhování a provedení experimentů.

Mechanistické modelování biologických účinků ionizujícího záření: Rozšíření modelů PARTRAC o buněčnou inaktivaci

Typ:		Bakalářská práce, výzkumný úkol nebo diplomová práce
Vedoucí:		Pavel Kundrát (kundrat@ujf.cas.cz)
Úvod:		PARTRAC je mechanistický nástroj pro simulace biologických účinků ionizujícího záření na subcelulární a celulární úrovni. Integruje poznatky radiační fyziky, chemie a biologie. Modeluje poškození DNA a jejich opravy v závislosti na dávce, dávkovém příkonu a kvalitě záření. Počáteční poškození jsou simulována překrytím multiškálových modelů DNA a chromatinu se stopami fotonů, elektronů, protonů či iontů, včetně primárních produktů radiolýzy, jejich difúze a reakcí. Odezva na poškození a vznik chromozomálních aberací je modelována s explicitním započtením pohyblivosti a enzymatických reakcí na zlomech DNA.
Úkol:		Cílem navrhované práce je rozšířit PARTRAC o buněčnou inaktivaci, klíčový parametr v radiobiologii, který je vysoce relevantní pro radioterapii. To vyžaduje následující úpravy modelů: Zaprvé budou současné simulace, které pracují pouze s jednou strukturou chromatinu, rozšířeny o řadu alternativních modelů chromatinu, aby byla zohledněna variabilita mezi buňkami a dynamika chromatinu v buňce i rozdílná struktura hetero- a euchromatinových oblastí. Zadruhé bude existující modul popisující opravy poškození DNA rozšířen o explicitní započtení subdifúzní mobility poškozeného chromatinu a o rozdíly mezi hetero- a euchromatinovými oblastmi v mobilitě a přeuspořádání chromatinu po radiačním poškození. Model (kanonického) nehomologního spojování konců (non-homologous end joining, NHEJ) bude doplněn o odhad příspěvku ostatních reparačních procesů. Zatřetí bude na základě existujícího modelu chromozomálních aberací a specifických hypotéz o letalitě jejich jednotlivých typů vypracován model buněčné inaktivace. Mechanické parametry kódu PARTRAC budou spojeny s experimentálními daty buněčné inaktivace. Dlouhodobé aplikace výsledků zahrnují oblast radiobiologie, radiační ochrany a konvenční i inovativní radioterapie. Dané téma je ideální pro doktoranda se zájmem o biofyziku, aplikovanou jadernou fyziku nebo mechanistické modelování, jeho části však mohou být i předměty diplomových nebo bakalářských prací v těchto oborech.

Propojení mikroskopických modelů struktury stopy záření a makroskopických transportních kódů

Typ:		Bakalářská práce, výzkumný úkol nebo diplomová práce
Vedoucí:		Pavel Kundrát (kundrat@ujf.cas.cz)
Úvod:		Modely založené na podrobném popisu struktury stopy záření zachycují a vysvětlují rozdíly v biologické účinnosti různých druhů ionizujícího záření. Jedním z nejpokročilejších modelů je systém PARTRAC, mechanistický nástroj pro simulace biologických účinků na subcelulární a celulární úrovni, který integruje poznatky radiační fyziky, chemie a biologie a umožňuje modelovat poškození DNA a jejich opravy v závislosti na dávce, dávkovém příkonu a kvalitě záření. Počáteční poškození jsou simulována překrytím multiškálových modelů DNA a chromatinu se stopami fotonů, elektronů, protonů či iontů, včetně primárních produktů radiolýzy, jejich difúze a reakcí. Odezva na poškození a vznik chromozomálních aberací je modelována s explicitním započtením pohyblivosti a enzymatických reakcí na zlomech DNA. Modely PARTRAC a jejich aplikace jsou limitovány výpočetní náročností simulací, nezapočtením jaderných reakcí při modelování průchodu ionizujícího záření hmotou a nemožností simulovat interakce neutronů. Makroskopické transportní kódy jako PHITS, FLUKA nebo Geant4 naopak tyto procesy zahrnují, ale na rozdíl od modelů struktury stopy záření nepoužívají podrobný mikroskopický popis jednotlivých interakcí záření s hmotou, který je základem např. pro simulace poškození buněčné DNA. Oba typy modelů tak představují do značné míry oddělené oblasti výzkumu a aplikací, s významnými omezeními použitelnosti, danými jak nezapočtením či aproximací některých procesů, tak výpočetní náročností.
Úkol:		K odstranění těchto omezení bude PARTRAC propojen s vybraným radiačním transportním kódem. Bude navrženo online nebo offline rozhraní poskytující informaci o druhu, energiích a směrech pohybu částic v milimetrových voxelech z transportního kódu tak, aby tato data sloužila jako vstupní informace o radiačním poli pro nano- a mikrometrové simulace pomocí kódu PARTRAC. Bude modelována biologická účinnost fotonových, elektronových, protonových a iontových svazků relevantních v radioterapii nebo radiační ochraně. Výsledky projektu pomohou vysvětlit rozdíly v biologické účinnosti různých radiačních polí. Dlouhodobé aplikace výsledků zahrnují oblast radiobiologie, radiační ochrany a konvenční i inovativní radioterapie. Dané téma je ideální pro doktoranda se zájmem o biofyziku, aplikovanou jadernou fyziku nebo mechanistické modelování, jeho části však mohou být i předměty diplomových nebo bakalářských prací v těchto oborech.

Popis protonových svazků

Typ:		Bakalářská práce s možností pokračovat výzkumným úkolem a diplomovou prací
Vedoucí:		Pavel Kundrát (kundrat@ujf.cas.cz)
Úvod:		Protonová terapie představuje pro vybrané typy nádorových onemocnění šetrnější alternativu ke klasické radioterapii a zároveň protony představují klíčovou složku kosmického záření. ODZ pro radiobiologické experimenty i vývoj elektroniky pro měření kosmického záření využívá zejména urychlovačů na ÚJF a spolupracuje s pražským Proton Therapy Center Czech.
Úkol:		Cílem práce je seznámit se s metodikou modelováno terapeutických i experimentálních protonových svazků počítačovými kódy založených na metodě Monte Carlo a připravit jednoduché modely vybraných protonových svazků.

Modelování biologických účinků záření na DNA: plasmidová smyčka a vyšší stupně organizace DNA

Typ:		Bakalářská práce s možností pokračovat výzkumným úkolem a diplomovou prací
Vedoucí:		Pavel Kundrát (kundrat@ujf.cas.cz)
Úvod:		Ne všechno lze v radiobiologických experimentech změřit. Počítačové modely pomáhají ověřit platnost hypotéz o účincích ionizujího záření na DNA a buňku. Řada aktuálních otázek se týká vztahu mezi primární depozicí energie v buňce nebo jejich částech a časnými, resp. pozdními projevy odezvy buněk na ozáření.
Úkol:		Cílem práce je na základě studia odborné literatury vypracovat přehled reprezentací DNA používaných nejrozšířenějšími kódy, přístupů k tvorbě těchto reprezentací a shrnout možnosti využítí těchto nástrojů pro popis účinků ionizujícího záření na DNA.

Přímý účinek ionizujícího záření na DNA

Typ:		Bakalářská práce s možností pokračovat výzkumným úkolem a diplomovou prací
Vedoucí:		Pavel Kundrát (kundrat@ujf.cas.cz)
Úvod:		Teoretické modelování se v radiobiologii používá pro doplnění experimentálních studií nebo predikce jevů, které v současné době nelze experimentálně sledovat. Ionizující záření poškozuje DNA přímo depozicí energie v makromolekule, anebo nepřímo prostřednictvím produktů radiolýzy prostředí obklopující DNA. Popis přímých účinků v DNA je v existujících teoretických modelech dosud velmi zjednodušován.
Úkol:		Předmětem rešeršní práce je na základě studia odborné literatury (učebnice, knihy, odborné časopisy) vypracovat přehled dostupných informací o přímém účinku ionizujícího žáření na DNA a následných procesů, které vedou ke vzniku primárních biochemických modifikací makromolekuly. V návazné výzkumné a diplomové práci student bude modelovat přímý účinek záření podle různých možných scénářů a bude testovat nastavení parametrů modelu tak, aby co nejlépe odpovídal dostupným experimentálním datům.

Metody zpracování mikrovzorků kolagenu pro radiouhlíkové datování

Typ:		Bakalářská nebo diplomová práce
Vedoucí:		Ivo Světlík (svetlik@ujf.cas.cz)
Úvod:		Značná část vzorků pro radiouhlíkové datování jsou kosti, ze kterých je izolován kolagen jako datovatelná chemická forma uhlíku. Pro stanovení ¹⁴C využívající urychlovačovou hmotnostní spektrometrii (Accelerator Mass Spectrometry - AMS) jsou postačující vzorky o miligramových hmotnostech. Pro potlačení rušivých vlivů je zapotřebí kolagen dále přečišťovat. Nízké postačující hmotnosti vzorků umožňují lepší přečištění kolagenu a dalších chemických forem uhlíku.
Úkol:		Předmětem práce bude sestavit na základě dostupné literatury přehled metod zpracování vzorků kolagenu pro datovací účely. V případné návazné práci pak provést experimenty zaměřené na srovnání metodik.

Přehled metod preparace mikrovzorků pro stanovení 14C

Typ:		Bakalářská nebo diplomová práce
Vedoucí:		Ivo Světlík (svetlik@ujf.cas.cz)
Úvod:		Konvenční metoda radiouhlíkového datování vyžaduje několik gramů uhlíku od vzorku. Z tohoto důvodu lze konvenčním postupem datovat téměř výhradně vzorky dřeva, uhlíků, kostí a rašeliny. Ostatní typy uhlíkatých vzorků lze v přírodě zpravidla nacházet pouze v řádově menším množství. Pokud je však pro měření ¹⁴C použita urychlovačová hmotnostní spektrometrie (Accelerator Mass Spektrometry - AMS), jsou postačující hmotnosti uhlíku od vzorku řádu jednotek miligramů. Škála datovatelných vzorků se proto značně rozšiřuje o další typy vzorků, například: pylové koncentráty, vosky, tuky, chitin, jednotlivé aminokyseliny. V takovém případě lze rovněž datovat například také historické oceli, které obsahují kolem 1% uhlíku původem z dřevěného uhlí. Rozšířením škály vzorků se značně rozšiřují možnosti využití radiouhlíkové datovací metody.
Úkol:		Předmětem práce bude sestavit přehled dostupných informací o vybraných postupech fyzikálního a chemického zpracování mikrovzorků pro stanovení ¹⁴C s využitím AMS. Po úspěšném zvládnutí přehledu budou některé postupy experimentálně realizovány zejména pro sledování dávkové zátěže ¹⁴C v okolí jaderných elektráren a pro datovací účely. Samotné měření bude realizováno ve spolupráci se zahraničními pracovišti.

Optimalizace parametrů pro AMS měření uhlíku 14

Typ:		Bakalářská nebo magisterská práce
Vedoucí:		Kateřina Pachnerová Brabcová (brabcova@ujf.cas.cz)
Úvod:		Ústav jaderné fyziky je nově vybaven urychlovačovým hmotnostním spektrometrem MILEA (Multi-Isotope Low-Energy AMS), který vyvinuli ve spolupráci švýcarští Ionplus AG a ETH Zurich. Tento unikátní systém s maximálním napětím na urychlovači 300 kV je primárně určen na stanovení radionuklidů s dlouhými poločasy, jako jsou ¹⁰Be, ¹⁴C, ²⁶Al, ⁴¹Ca, ¹²⁹I, U, Pu a další aktinoidy. Skupina zabývající se radiouhlíkovým datováním bude přístroj využívat pro stanovení ¹⁴C.
Úkol:		Student/ka vypracuje teoretickou rešerši týkající se základních kontrolních parametrů AMS při stanovení ¹⁴C. Poté navrhne, připraví a provede experiment, ve kterém bude na sérii standardů a pozaďových vzorků testovat závislost parametrů na velikostech iontového proudu. Výsledkem bude návrh optimálních parametrů, zejména délky a počtu cyklů měření, celkové délky měření a dalších.