Основными задачами созданного Отделения РРИ являлось проведение радиационных и радиобиологических исследований в следующих главных направлениях:

         проведение исследований взаимодействия излучений с веществом и разработка методов радиационного мониторинга; изучение генетического действия ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками; исследование радиационной обстановки в подразделениях Института с целью контроля за обеспечением радиационно-безопасных условий труда в ОИЯИ в соответствии с нормами и правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений, действующими в стране местонахождения Института; разработка и участие в создании систем радиационного контроля на вновь создаваемых и реконструируемых (модернизируемых) ядерно- и радиационно опасных установках и участках ОИЯИ.

         Для реализации основных задач ОРРИ выполняло функции по созданию необходимой аппаратуры для радиационных и радиобиологических исследований, радиационному мониторингу, проведению экспериментов, обработке экспериментальных данных, теоретическим разработкам в области моделирования взаимодействия излучений с веществом.

         В области радиобиологии были продолжены ранее начатые исследования мутагенного действия излучений широкого диапазона ЛПЭ. В экспериментах на бактериальных клетках были изучены закономерности и механизмы индукции структурных (делеционных) мутаций. Эта задача является весьма актуальной, поскольку при решении вопросов нормирования лучевых нагрузок от излучений разного качества на персонал, работающий в смешанных полях ионизирующих излучений, решения проблемы обеспечения радиационной безопасности экипажей при длительных космических полетах, других важных практических вопросов весьма важно иметь информацию не только о суммарном выходе различного рода мутаций в облученных клетках, но исключительный интерес представляют сравнительные данные о частоте образования как генных, так и структурных мутаций. Исследование дозовых зависимостей выхода точковых и хромосомных мутаций при действии ионизирующих излучений в широком диапазоне ЛПЭ у клеток высших эукариот является весьма сложной проблемой, требующей привлечения сложных молекулярно-биологических методов, выполнения большого объема работ. Получение такого рода информации значительно облегчается в экспериментах на клетках прокариот. При использовании ускоренных тяжелых ионов было показано, что частота образования делеционных мутаций линейно возрастает с дозой всех видов излучений, и наибольшей эффективностью по частоте индукции делеционных мутаций обладают ионы с ЛПЭ, равными 60-80 кэВ/мкм. Это обстоятельство свидетельствовало о разном характере повреждений ДНК, лежащих в основе возникновения генных и делеционных мутаций. В первом случае ими являются кластерные повреждения одной нити ДНК, во втором – двунитевые разрывы ДНК /5/.

         В экспериментах на дрожжевых клетках были исследованы механизмы адаптивного и индуцированного мутагенеза. В течение ряда лет в литературе шли активные дебаты по поводу природы адаптивных мутаций у микроорганизмов. Первоначально адаптивные мутации (направленные мутации) определили как мутации, возникающие только в присутствии селективного давления или в медленно растущих клетках в стационарной фазе. Однако на клетках бактерий Escherichia coli было показано, что и неселективные мутации также могут возникать с неожиданно высокой скоростью. Позднее было показано, что голодание вызывает повышение частоты как селективных, так и неселективных маркеров. Согласно развитым в ОРРИ представлениям так называемые адаптивные мутации не являются адаптивными, а возникают в результате переходного гипермутабильного состояния клеток в условиях стресса: мутации, имеющие преимущество, немедленно отбираются, а другие мутанты быстро гибнут. В Отделении совместно со специалистами Университета в Перуджии (Италия) продолжаются работы по изучению генетического контроля мутагенеза в условиях голодания, на которые дорожжевые клетки отвечают остановкой деления и вступлением в стационарную фазу роста. Эти исследования тесно связаны с изучением генетического контроля остановки клеточного цикла при получении повреждений ДНК. В последние годы становится более очевидной взаимосвязь различных компонентов интегрального клеточного ответа на повреждения ДНК, обеспечивающего стабильность и целостность генома. Показана связь механизмов контроля клеточного цикла и механизма репарации повреждений ДНК. Этот механизм (checkpoint контроль) позволяет клеткам выживать и поддерживать генетическую стабильность и регулируется checkpoint генами /6/. Считается, что нарушение checkpoint путей, приводящее к увеличению мутабильности и геномной нестабильности, имеет важное значение на ранних стадиях карценогенеза.

          К настоящему моменту исследования в многочисленных лабораториях привели к пониманию молекулярных механизмов checkpoint контроля в ответ на повреждения ДНК. Предполагается, что гены RAD9, RAD17 и RAD24 принимают участие на первых этапах узнавания повреждения ДНК. Белковый комплекс RFC-Rad24, по-видимому, осуществляет загрузку белкового комплекса Rad17-Mec3-Ddc1 или репарационных ферментов на место повреждения ДНК. Киназы, в частности RAD53, участвуют в передаче сигнала, а киназа CDC28 функционирует на завершающих этапах регуляции остановки клеточного цикла, необходимой для осуществления репарации повреждений. Предполагается, что нарушение остановки клеточного цикла приводит к повышению чувствительности к повреждающим агентам и генетической нестабильности. Действительно, повышение чувствительности обнаружено у большинства мутантов с дефектной регуляцией остановки клеточного цикла. Однако, возможно, это повышение чувствительности к повреждающим агентам связано не только с отсутствием остановки клеточного цикла при получении повреждения, но и с участием некоторых checkpoint генов в процессе репарации. Разветвленная схема генетического контроля регуляции прохождения и остановки клеточного цикла нуждается в интенсивных исследованиях. В ОРРИ совместно с Институтом молекулярной генетики РАН, (Москва) проводятся исследования генетического контроля checkpoint путей и их влияния на чувствительность клеток к повреждающему действию радиации /7/. Анализ взаимодействия генов RAD9, RAD17, RAD24, RAD53 и CDC28 показал, что гены RAD9, RAD17 и RAD24 относятся к одной ветви пути, определяющей чувствительность к ?-излучению, хотя гены RAD9 и RAD24 относятся к различным ветвям, определяющим чувствительность к УФ-лучам и MMS, и регуляции остановки клеточного цикла. Протеинкиназы RAD53 и CDC28 эпистатичны по отношению к гену RAD9, но скорее всего относятся к различным ветвям определяющим радиочувствительность. По литературным данным гены СDС28 и RAD53 относятся к одной ветви, определяющей остановку клеточного цикла. Полученные данные указывают на несовпадение путей регуляции остановки клеточного цикла и радиочувствительности. Эти данные показывают, что гены многофункциональны и их участие в интегральном ответе не сводится к остановке клеточного цикла, некоторые из них принимают участие и в репарационных процессах.

         Важным направлением работ в группе генетики дрожжевых клеток является исследование генетического контроля стабильности геномов, хромосомного и митохондриального. Надо заметить, что дрожжи-сахаромицеты особенно удобны для исследований в области стабильности генома. Так как у них наиболее изучен митохондриальный геном и клетки способны пережить его нарушение и даже элиминацию. Кроме того дрожжи толерантны к наличию лишних хромосом. Были выделены и охарактеризованы мутации srm, приводящие к дестабилизации ядерного генома и стабилизации митохондриального. Часть мутаций была картирована. Было показано, что мутации локализованы в генах, играющих ключевую роль в жизнедеятельности клетки. Важная роль принадлежит центральной протеинкиназе СDC28, регулирующей прохождение клеточного цикла, а также фактору транскрипции и белку, локализованному в ядрышке. Следует заметить, что впервые были получены мутации, стабилизирующие митохондриальный геном и снижающие частоту возникновения мутаций дыхательной недостаточности. Природа этого явления до сих пор не ясна и представляет большой интерес.

         Широкомасштабные цитогенетические исследования после создания ОРРИ были начаты на клетках млекопитающих и человека. Мутагенное действие излучений с высокой ЛПЭ на клетки высших эукариот, как уже отмечалось, изучено весьма слабо. Основными направлениями исследований в этой области, которые были сформулированы специалистами Отделения, являлось продолжение изучения закономерностей индукции мутации в HPRT- гене клеток млекопитающих при действии ускоренных тяжелых ионов, исследование цитогенетических характеристик HPRT - мутантных субклонов, выращенных из одиночных клеток, сохраняющих возникшие в них HPRT- мутации в последующих поколениях, изучение хромосомных нарушений (нестабильных и стабильных хромосомных аберраций) в лимфоцитах человека при действии тяжелых заряженных частиц, исследование цитогенетических эффектов малых доз облучения.

         Облучение клеток тяжелыми ионами и ?-квантами и тяжелыми ионами выявило высокое мутагенное действие этих видов излучений на клетки млекопитающих /4/. Величина ОБЭ для исследованных тяжелых ионов по отношению к действию ?-квантов описывается кривой с локальным максимумом при ЛПЭ ~ 80-100 кэВ/мкм. Было сделано интересное наблюдение которое касается области ЛПЭ излучений около 20 кэВ/мкм, где наблюдался некоторый сдвиг кривой по выходу мутаций к несколько повышенным значениям ОБЭ по сравнению с тестами инактивации клеток и образования хромосомных аберраций. Ранее в исследованиях на бактериях было продемонстрировано, что максимум зависимости ОБЭ от ЛПЭ излучений по мутагенному эффекту, был существенно сдвинут в область меньших значений ЛПЭ и соответствовал ~ 20 кэВ/мкм, в то время как максимальные значения ОБЭ тяжелых ионов по летальному действию наблюдались при 80-90 кэВ/мкм. Это обстоятельство определялось разным характером молекулярных повреждений, лежащих в основе индуцируемых мутаций и леталей: мутации у бактерий являются в подавляющем большинстве генными и связаны главным образом с повреждениями оснований, летальный же эффект определяется индукцией двунитевых разрывов (ДР) ДНК. Полученный в исследованиях на клетках млекопитающих аналогичный характер зависимостей ОБЭ от ЛПЭ излучений по тестам индукции мутаций, хромосомных аберраций и инактивации клеток может указывать на то, что в основе повреждений, приводящих к таким эффектам в клетках млекопитающих, лежат одни и те же события - ДР ДНК. Сдвиг кривой зависимости ОБЭ от ЛПЭ излучений в области значений ЛПЭ ~ 20 кэВ/мкм по индукции мутаций в клетках млекопитающих по сравнению с летальным эффектом определяется повышением вклада точковых мутаций, а при более высоких ЛПЭ излучений превалируют мутации генов, связанные с возникновением разных типов делений. Аналогичный характер кривых зависимостей ОБЭ от ЛПЭ по этим трем тестам может служить свидетельством того, что в основе этих эффектов в клетках млекопитающих лежат одни и те же повреждения, а именно ДР ДНК. Ими обусловливается возникновение в клетках хромосомных аберраций и таких мутаций, как макро и микроделеции генов в ДНК.

         В предположении, что мутационный процесс в клетках млекопитающих может сопровождаться нарушением структурной целостности хромосомного аппарата и проявиться в хромосомной нестабильности клеток, были предприняты исследования по выделению одиночных мутантных колоний, из которых были выращены субклоны и проведен их цитогенетический анализ. При цитогенетическом анализе наблюдалась гетерогенность спонтанных и радиационно-индуцированных HPRT-мутантных субклонов по исследованным цитогенетическим показателям (митотической активности, анеуплоидии, уровню хромосомных аберраций). Как показали исследования, последствия мутационных событий проявились в возникновении геномной (по числу хромосом в клетках) и хромосомной (по уровню аберраций хромосом) нестабильности в популяциях потомков мутантных клеток.

         При выявлении и селекции мутантных субклонов было отмечено появление мутантов с замедленным ростом по сравнению с интактным контролем. Замедление роста многих мутантных субклонов в селективной среде могло определяться возникновением мутаций гена, приводящих к снижению активности фермента или синтезу меньшего количества нативного фермента. В этих случаях жизнеспособность мутантной популяции могла обеспечиваться только за счет клеток, не успевающих в течение клеточного цикла утилизировать пуриновый аналог.

         Критериями оценки мутантных субклонов по числу хромосом в клетках являлись модальное число хромосом и процентное содержание клеток с такой модой. Анализ спектров хромосом выявил выраженную анеуплоидию вплоть до полной плоидии. Среди субклонов преобладали образцы с модальным числом, равным 21-ой или 22-м хромосомам. Доля диплоидных мутантов с модальным числом хромосом составляла, как правило, 70% и более, доходя до 100%. Доля клеток с такой модой в образцах существенно варьировала. Для спонтанных мутантов она находилась в пределах 50-80% и практически не отличалась от контроля. Радиационно-индуцированные мутанты были особенно гетерогенными по спектрам хромосом.

         Для объяснения явления хромосомной нестабильности была выдвинута «метаболическая гипотеза». Как известно, у клетки есть два пути синтеза пуриновых нуклеотидов: синтез de novo (строится поэтапно на рибозо-5'-фосфате) и синтез из готовых продуктов. Второй путь для клетки энергетически более выгоден. Он осуществляется при синтезе нативного hprt-фермента. При мутациях в HPRT-локусе, сопровождающихся прекращением синтеза фермента, образование пуриновых нуклеотидов должно идти по пути de novo. В случае синтеза фермента со сниженной активностью или при синтезе недостаточного количества нативного фермента в клетке появляются условия для конкуренции обоих путей. Возникает ситуация, приводящая к нарушению равновесия в метаболизме клетки, когда клетка включает необходимую машинерию для синтеза ДНК с участием hprt-фермента, но он недостаточно функционален и не успевает поставлять необходимые нуклеотиды. Это приводит к метаболическому дисбалансу, что служит сигналом для включения механизмов поиска равновесия, и в результате нехватки пуриновых оснований при застройке цепей ДНК включается путь синтеза de novo. Вероятно, такое неустойчивое состояние может сопровождаться хромосомной нестабильностью как этапом в поиске равновесия и адаптации к изменившимся условиям существования. В итоге будут формироваться мутантные субклоны с повышенным по сравнению с контролем выходом хромосомных аберраций. Из этого следует, что для выживания мутантных клеток более благоприятным будет полное прекращение синтеза фермента (в случае полной или крупной делеции гена), чем синтез фермента со сниженной активностью. В то же время появление и сохранение мутантных клеток в организме приводит к развитию патологических процессов. В настоящее время структурные хромосомные аномалии, затрагивающие определенные гены, привлекают повышенное внимание исследователей, поскольку становится все более очевидной их роль в патогенезе ряда опухолевых заболеваний у человека, в частности в развитии лейкемий. С точки зрения метаболической гипотезы становится понятным 'механизм нестабильности хромосом у потомков мутантных клеток. Мутации передаются из поколения в поколение и, тем самым, снимается вопрос о консервации инициирующего события в последующих поколениях мутантных клеток.

          Большой объем работ был выполнен по изучению закономерностей индукции разными типами излучений нестабильных и стабильных хромосомных аберраций в клетках человека. К нестабильным аберрациям относятся разного вида хроматидные и хромосомные обмены, приводящие к появлению несвойственных для клеточной популяции измененных хромосом, таких как дицентрики, полицентрики, кольца, а также разного рода фрагменты хромосом. Их появление сопровождается нарушением процессов деления клеток и, как правило, их быстрой гибелью. Нестабильные хромосомные аберрации анализируют с помощью общепринятого стандартного метафазного метода, позволяющего выявлять их во всем геноме клеток при микрокопировании лимфоцитов с использованием обычных световых микроскопов. Как видно на рис.ба, при воздействии всеми исследованными видами излучений имеет место линейная зависимость частоты образования клеток с хромосомными аберрациями от дозы облучения. Для общего числа хромосомных аберраций была выявлена степенная зависимость эффекта от дозы редкоионизирующих излучений (протоны и ?-кванты). Она модифицируется в линейную при воздействии тяжелых ионов. Однако наблюдается снижение эффектов при воздействии высоких доз таких излучений, что является следствием существенной задержки митозов, особенно тяжело поврежденных клеток с множественными аберрациями хромосом.

         Стабильные хромосомные аберрации образуются в результате симметричного обмена участками между двумя поврежденными хромосомами, не приводящего к нарушению поведения хромосом в процессе клеточного деления. При последующих делениях клеток такие хромосомы ведут себя как нормальные и передаются последующим поколениям клеток, неся искаженную генетическую информацию. Такие стабильные хромосомные аберрации, как транслокации и инсерции (вставки в хромосому участка другой хромосомы), длительно сохраняются в клетках последующих поколений. Общепризнанно, что такие хромосомные перестройки со временем могут привести к развитию в организме человека мутагенных процессов и канцерогенезу. Возможность выявления стабильных хромосомных аберраций появилась, с разработкой в последнее десятилетие так называемой FISH-техники - флуоресцентной гибридизации in situ. При этом с помощью люминесцентных микроскопов в геноме клеток обнаруживают стабильные аберрации отдельных хромосом, помеченных флуоресцентными красителями, при использовании специфичных для них проб, содержащих уникальные последовательности ДНК.

         В исследованиях, проведенных в ОРРИ, были использованы ДНК-пробы, специфичные для хромосом -1 и 2 генома лимфоцитов человека. Эти хромосомы являются наиболее крупными в геноме человека и их повреждения могут происходить с большей вероятностью при воздействии такого неблагоприятного фактора, как ионизирующие излучения. С помощью FISH-анализа нами выявлена высокая частота образования таких стабильных аберраций этих хромосом, как транслокации. Коэффициенты ОБЭ излучений с ЛПЭ, равными 80 кэВ/мкм, достигали значения 3 и более.

          Обширные исследования на клетках млекопитающих были проведены по определению цитогенетических эффектов малых доз облучения /8/. Как известно, оценка биологического действия малых доз ионизирующего излучения является необходимым условием для прогнозирования генетического и канцерогенного риска облучения. Трудности оценки эффектов и установление формы кривой доза-эффект в области малых доз связаны со сложностью получения статистически достоверных данных при низких уровнях повреждений, вызываемых этими дозами. Вследствие этого, оценка риска при действии малых доз осуществляется на основе экстраполяции эффектов высоких доз на область низких доз и результаты оценки зависят от модели, положенной в основу экстраполяции. Беспороговая линейная концепция, как наиболее "осторожная", предполагающая опасность любого, даже самого малого превышения естественного радиационного фона, является официально признанной и положена в основу рекомендаций МКРЗ. Однако экспериментальные данные, полученные в последние годы, вступают в явное противоречие с этой концепцией и свидетельствуют о неправомочности линейной экстраполяции эффектов с высоких доз на низкие. При оценке эффектов биологического действия малых доз излучения, как правило, регистрируется частота цитогенетических повреждений, а именно, индукция хромосомных аберраций (ХА) и микроядер (МЯ) в клетках разного типа, характеризующаяся четкой количественной зависимостью в широком диапазоне доз. Универсальной особенностью дозовых кривых, хорошо воспроизводимой на разных объектах является наличие дозонезависимого участка, расположенного в диапазоне 0,1-0,5 Гр.

          В экспериментах, выполненных на лимфоцитах периферической крови человека, на асинхронной и синхронизированной популяции клеток китайского хомячка линии V-79 и клетках меланомы человека линии BRO показано, что зависимости количества клеток с хромосомными аберрациями от дозы облучения имеют сходный ярко выраженный нелинейный характер. При облучении в диапазоне 0-0,05 Гр (лимфоциты), 0-0,1 Гр (клетки меланомы) и 0-0,2 Гр (клетки китайского хомячка) количество хромосомных повреждений резко возрастает по сравнению с контрольным уровнем (диапазон гиперчувствительности - ГЧ), затем значительно снижается, переходя в дозонезависимый участок. При дозах выше 0,5 Гр резистентность клеток повышается (индуцированная резистентность - ИР) и дозовая зависимость приобретает линейный характер. Наклон кривых при переходе от ГЧ к ИР снижается в 2-3 раза для клеток китайского хомячка и меланомы и в 5-10 раз для лимфоцитов человека в зависимости от используемого метода анализа АХ. Аналогичные кривые доза-эффект получены при облучении лимфоцитов от других доноров рентгеновскими лучами. Исследование частоты различных типов аберраций в лимфоцитах человека после ?-облучения свидетельствует о том, что ГЧ обусловлено в основном увеличением числа аберраций хроматидного типа, которые превалируют при дозах ниже 0,5 Гр.

         Исследование природы феномена ГЧ/ИР проведенное на клетках китайского хомячка и меланомы человека позволило установить, что форма кривой доза-эффект, показанная на асинхронной популяции клеток китайского хомячка по индукции хромосомных аберраций, хорошо воспроизводится на синхронизированных клетках, облученных в фазе G1 клеточного цикла. Это свидетельствует о том, что ГЧ обусловлена высокой радиочувствительностью популяции в целом в узком диапазоне малых доз и не связана с гибелью фракции клеток, находящихся в момент облучения в радиочувствительной фазе клеточного цикла. С ростом дозы облучения все клетки становятся более радиорезистентными, как можно предполагать, вследствие индукции процессов репарации. Таким образом, наиболее вероятное объяснение нелинейности кривой доза-эффект и перехода от ГЧ к ИР состоит в том, что при определенном уровне повреждения клеток запускаются индуцибельные репарационные системы. Следствием этого является уменьшение радиочувствительности клеток и наклона кривых. Сопоставление дозовых зависимостей индукции хромосомных аберраций у клеток китайского хомячка и меланомы человека дает основание полагать, что индуцибельные системы репарации клеток меланомы включаются при меньших дозах и работают более эффективно, чем у клеток китайского хомячка.

         В течение длительного периода совместно с радиохимиками ЛЯП В.А.Халкиным и Ю.В. Норсеевым проводились исследования биологического действия астата-211 и возможности его применения в мишенной терапии рака /9/. В самых ранних опытах была показана возможность излечения асцитных форм рака с помощью астата-211, адсорбированного на частицах теллура. Эти первые результаты побудили к поиску методов мишенного воздействия ?-излучателей на одну из самых агрессивных форм злокачественных новообразований – меланому, характеризующуюся ранним и обширным метастазированием. Именно для борьбы с микрометастазами наиболее целесообразно мишенное воздействие астата-211, при распаде которого образуются ?-частицы с длиной пробега 60 мкм, что составляет несколько клеточных диаметров. В качестве средства, обеспечивающего доставку радионуклида к опухолевым клеткам использовали полициклическое соединение известное в медицине под названием «метиленовый синий» (МС) и характеризующийся высокой связывающей способностью с меланином опухолевых клеток. В системе in vitro на клетках меланомы человека и нормальных непигментированных клетках показано избирательное накопление соединения астат211-МС в меланинсодержащих опухолевых клетках, что вызывало в15-20 раз более сильное поражение клеток меланомы по сравнению с нормальными клетками. На основе МС получен препарат иод-131-МС, который показал высокую эффективность для визуализации меланомы и ее метастазов на животных с привитыми опухолями. Эти исследования продолжаются в настоящее время с целью внедрения этого диагностического препарата в клиническую практику,и для разработки методов использования астата-МС для в целях предотвращения процесса метастазирования меланомы.

         В последнее время в ОРРИ сформировано два самостоятельных сектора: фотобиологии и молекулярной динамики. В секторе фотобиологии начаты исследования молекулярных фото-и радиобиологических процессов в структурах глаза (сетчатка и хрусталик). Постановка такого рода задач является новым шагом в развитии биофизических исследований в ОИЯИ. Указанные разработки проводятся под руководством академика РАН М.А.Островского. Актуальность исследований обусловлена, прежде всего, необходимостью решения задач космической радиобиологии. Становится очевидным, что в условиях длительного космического полета опасность возникновения катаракты весьма вероятна. В этой связи исследование воздействия тяжелых частиц на агрегацию белков хрусталика – кристаллинов и механизмов такой агрегации является актуальной задачей. К настоящему времени имеется опыт исследования агрегации кристаллинов при действии ультрафиолетового излучения. Этот опыт может быть полезен при исследовании агрегации кристаллинов, вызванной тяжелыми заряженными частицами. Начаты исследования повреждающего действия тяжелых частиц на зрительный пигмент родопсин и на функциональное состояние сетчатки глаза. Представляется важным продолжить исследования в этом направлении, используя возможности нуклотрона.

         В связи с появлением высокоэффективных компьютеров (суперкомпьютеров и специализированных кластеров, таких как, MDGRAPE-2 система) и программных пакетов многоцелевого назначения, например, DL_POLY, AMBER и CHARMM, возникли реальные возможности применения методов компьютерного молекулярного моделирования (МД) в физико-химических и биологических системах.. Одним их важных аспектов применения методов МД является расчеты конформационных изменений белков и определение их пространственной структуры с высокой точностью. Методы МД позволяют моделировать явления мутационных изменений в биологических структурах на молекулярном уровне и с высоким пространственно-временным разрешением. В секторе молекулярной динамики проводятся теоретические исследования, касающиеся моделирования белкового окружения различных изомеров ретиналя. К ним относятся исследования хромофорной группы в составе ретиналь-содержащих белков, в первую очередь 11-цис ретиналя в составе зрительного пигмента, определяющего широкую вариабельность положения максимума спектра поглощения 11-цис ретиналя в составе различных зрительных пигментов, а также исключительно высокую скорость фотоизомеризации 11-цис ретиналя в составе молекулы зрительного пигмента (менее 200 фемптосекунд).

         Радиационные исследования. 50-60-е годы прошлого века были временем бурного развития ускорителей частиц, как важнейшего инструмента экспериментальной ядерной физики. Непрерывно росли энергии ускоренных частиц и токи выведенных из ускорителей пучков. ОИЯИ с момента своего образования складывался, преимущественно, как крупнейший ускорительный центр. Запуск реактора ИБР-30, а в последующем и реактора второго поколения ИБР-2, не изменили кардинально ситуацию, поскольку основу базовых установок ОИЯИ составляют ускорители различных типов, перекрывающих диапазон ускоренных частиц по массе в широком диапазоне и по энергии от нескольких МэВ до 10 ГэВ.

         Дозиметрия, как научная дисциплина и как практика, формировалась, в первую очередь, под необходимостью обеспечения радиационной безопасности персонала, работающего на предприятиях ядерного топливного цикла. В масштабах страны численность работников, облучающихся в полях излучений на ускорителях составляла очень малую долю от общего числа работающих в радиационно-опасных условиях. С другой стороны сложность и разнообразие полей излучения на ускорителях, а также необходимость разработки специфических средств измерений характеристик полей излучения, привели к тому, что физика защиты и дозиметрия на ускорителях стала выделяться, по существу, в отдельную область физического знания. ОИЯИ, в смысле возможностей для выполнения таких исследований, является, и по сей день, уникальным центром. По этим причине бoльшая часть научных исследований ОРБ ОИЯИ с самого момента его образования в 1963 г. (возглавил отдел М.М. Комочков) была связана с физикой защиты ускорителей и эта специфика определила направленность как научных, так и практических работ на долгое время. Начало формированию этого направления было положено в 50-х годах прошлого века в связи с вводом в эксплуатацию ускорителей на средние энергии (Космотрона в Брукхевене, Беватрона в Беркли, синхроциклотрона в Дубне). К этому времени относятся первые экспериментальные работы по исследованию защитных свойств материалов, ослаблению высокоэнергетичного излучения в защите и т.д. В то время еще не были сформированы теоретические подходы для надежного расчета транспорта излучения через массивную защиту и для прогнозирования радиационной обстановки на ускорителях использовались эмпирические и феноменологические методы расчета защиты. Крайняя ограниченность экспериментального материала по развитию межъядерного каскада в объеме защиты стимулировала постановку экспериментов по физике защиты на ускорителях. В Беркли, ОИЯИ и, позднее, в ЦЕРНе, и ИФВЭ был выполнен значительный объем экспериментальных исследований, связанных, большей частью, с получением и уточнением эмпирических констант для выполнения расчетов в различных геометриях (т. е. коэффициентов, описывающих накопление излучения в первых слоях вещества и его ослабление с ростом толщины защиты). На синхроциклотроне и синхрофазотроне ОИЯИ в 60-70-е годы Комочковым М.М., Лебедевым В.Н., Алейниковым В.А.был проведен цикл комплексных исследований полей излучения как за защитами ускорителей, так и в окружающей их среде. Уже на раннем этапе исследований выяснилась особая роль нейтронов, как наиболее проникающего компонента вторичного излучения. Именно нейтроны широкого спектра энергий определяют при работе ускорителей дозу облучения за защитами у персонала и физиков-экспериментаторов.

         С целью изучения механизма формирования полей рассеянного нейтронного излучения за защитами на синхроциклотроне и синхрофазотроне ОИЯИ были выполнены модельные эксперименты по прохождению вторичных высокоэнергетичных нейтронов, генерируемых в физических мишенях пучками протонов, через локальные защиты из различных материалов. Трудность заключалась также в том, что для исследований характеристик полей рассеянного излучения за защитами пришлось разрабатывать и специфические методики измерений параметров полей. Был создан многосферный спектрометр нейтронов с широчайшим энергетическим диапазоном, радиометры высокоэнергетичных нейтронов на основе жидкого и пластического сцинтилляторов, дозиметр нейтронов (бэрметр), рекомбинационная ионизационная камера (автор изобретения М.Зельчинский), создана градуировочная линейка для целей метрологического обеспечения измерений и т. д. Развивались и методики прогнозирования радиационной обстановки на ускорителях. Так, Сычевым Б.С. был создан метод расчета защит от нейтронного излучения на основе решения системы интегрально-дифференциальных (кинетических) уравнений переноса излучений в веществе, а М.М.Комочковым В.Н.Лебедевым и Л.Н.Зайцевым разработана методика инженерных (полуэмпирических) оценок дозы и флюенса нейтронов за защитами.

         Весьма сложная проблема заключалась также в создании переносного индивидуального дозиметра, который был бы способен обеспечить корректное измерение дозы человека в полях многокомпонентного (нейтроны, гамма-кванты, заряженные частицы) рассеянного излучения широкого энергетического спектра. Выпускавшиеся отечественной промышленностью индивидуальные дозиметры были непригодны для использования в полях излучений на ускорителях. Большая заслуга в разработке комбинированного дозиметра гамма-квантов и нейтронов на основе эмульсии типа МК-20 и рентгеновской пленки (кассета ИФКн) принадлежала Салацкой М.И. ( руководителю группы индивидуального дозиметрического контроля в ОРБ в тот период). Данный тип индивидуального дозиметра неоднократно участвовал в международных сличениях и подтвердил адекватность своих показаний эквивалентной дозе облучения. Исследовались возможности использования и других типов радиационных детекторов для измерения индивидуальной дозы человека, в частности, термолюминесцентных детекторов на основе LiF.

         Опыт организации радиационного контроля на ускорителях, приобретенный ОРБ, был, по существу, уникален в СССР, и по этой причине, основу отдела радиационной безопасности в ИФВЭ на новом ускорителе У-70 составили переехавшие из Дубны в Протвино сотрудники ОРБ ОИЯИ. Благодаря этому, а также общности решаемых проблем, сотрудничество и контакты между двумя аналогичными подразделениями ОИЯИ и ИФВЭ были и остаются самыми тесными и плодотворными.

         Дальнейшие радиационные исследования в 70-80-х годах связывались, главным образом, с накоплением экспериментальных данных и одновременным развитием расчетных методик транспорта излучений через защиту. Развитие физики защиты виделось в тесной связи экспериментальных и теоретических исследований, которая питала уверенность в надежности прогнозирования ситуаций на проектируемых установках с все большими мощностями пучков и энергиями ускоренных частиц. Однако большое число накопленных к настоящему времени экспериментальных данных о характеристиках полей излучения на ускорителях, не могло быть использовано для проверки адекватности расчетных методик и имело, по существу, эмпирический характер. Стала очевидной необходимость постановки базовых (benchmark) экспериментов по физике защиты, выполненных в простых (идеализированных), но вместе с тем, типичных для ускорителей геометриях и обладающих всей полнотой исходной информации, необходимой для адекватных расчетов. Принципиально важным было также детальное знание характеристик источников излучения (source term), особенно для ускорителей тяжелых ионов из-за практического отсутствия данных об образовании вторичных нейтронов в ядро-ядерных взаимодействиях. Такие базовые эксперименты были выполнены за защитой синхроциклотрона ЛЯП и пучках релятивистских частиц синхрофазотрона ЛВЭ. В экспериментах на синхроциклотроне были впервые исследованы двойные дифференциальные по углу и энергии выходы заряженных частиц из защиты, экспериментально оценен вклад заряженного компонента в полную дозу и флюенс излучения. Для этих исследований был создан малогабаритный dE/dx-спектрометр заряженных частиц и выполнена его градуировка на пучке фазотрона ЛЯП по протонам упругого р-р рассеяния. С помощью созданной системы датчиков для измерений угловых распределений заряженных частиц, были исследованы закономерности формирования полей излучения в различных геометриях за защитами фазотрона и синхрофазотрона.

         В сравнительных эспериментах на пучках протонов, альфа-частиц и ядер 12С с энергиями 3,65 ГэВ/нуклон были получены исходные данные по выходам вторичных заряженных частиц из толстых Cu- и Pb-мишеней. Методом времени пролета были впервые измерены спектры вторичных нейтронов с энергией более 10 МэВ под различными углами при взаимодействии релятивистских ядер с толстой мишенью. Эти результаты были использованы для проверки расчета транспорта частиц в веществе, а также при прогнозировании радиационной обстановки при проектировании КУТИ и нуклотрона. Для расчета защит на ускорителях ядер были разработаны программы моделирования межъядерного каскада в толстых мишенях на основе модели ядро-ядерных взаимодействий “файерстрик” и программа расчета транспорта нейтронов в защите с помощью решения системы кинетических уравнений. Степень достоверности расчетов полей вторичного и рассеянного излучения была оценена в ряде экспериментов, в частности, в базовом эксперименте по физике защиты, выполненным за относительно тонкой ловушкой пучка ядер 12С с энергией 3,65 ГэВ/нуклон на синхрофазотроне ЛВЭ

         Большое внимание уделялось развитию спектрометрии нейтронов широкого диапазона энергий, как базового метода исследований радиационной обстановки и измерения мощности дозы нейтронов. Восстановление спектров нейтронов по показаниям многосферного спектрометра относится к классу обратных задач, а именно, к отысканию неизвестной причины по ряду известных следствий и сводится к решению системы алгебраизированных уравнений. На ранней стадии исследований спектрометрии нейтронов для обеспечения единственности решения уравнений использовалось априорное представление спектра линейной комбинацией нескольких известных функций (максвелловского распределения тепловых нейтронов, спадающего по закону 1/Е спектра замедленных нейтронов, испарительных спектров с разной температурой и т. д.), т. е., по существу, задавалась очень “жесткая” априорная информация о характере искомого решения. В дальнейшем при восстановлении спектров стал использоваться метод статистической регуляризации, разработанный в 70-х гг. академиком А.Н. Тихоновым, требующий задания минимальной априорной информации. Была создана программа востановления спектров нейтронов по показаниям различных модификаций многосферного спектрометра (с активным детектором тепловых нейтронов и с активационными детекторами). В дальнейшем методика восстановления спектров нейтронов совершенствовалась в направлении расширения рабочего диапазона спектрометра в область высоких энергий нейтронов (сотни МэВ), а также повышения точности расчета функций чувствительности и их экспериментальной проверки. Так, еще в начале 80-х годов на пучках ИБР-30 и нейтронного генератора были выполнены экспериментальные измерения функций чувствительности многосферного спектрометра и других нейтронных детекторов, использовавшихся в оперативном радиационном контроле. Тем не менее, в силу ряда особенностей, многосферный спектрометр малоинформативен в области высоких энергий нейтронов, что, во многом, ограничивало его применимость при измерениях в жестких полях излучения за защитой фазотрона и синхрофазотрона. Для решения этой задачи был предложен оригинальный метод спектрометрии нейтронов высокой энергии в полях рассеянного излучения, обладающий высокой чувствительностью. На основе этого метода был создан новый тип спектрометра нейтронов, рассчитаны его функции чувствительности и выполнена градуировка прибора. С его помощью был выполнен большой объем измерений жестких спектров нейтронов в реальных полях за защитами ускорителей ОИЯИ и проведена корректировка показаний стационарных нейтронных датчиков радиационного контроля непосредственно на рабочих местах. Высокая чувствительность данного спектрометра к нейтронам позволила также измерить спектр космических нейтронов с энергией более 20 МэВ на поверхности земли за короткое время. В последние годы развитие нейтронной спектрометрии заключалось в совершенствовании расчетов чувствительностей многосферного спектрометра на основе современных транспортных МК программ (MCNP), включении в состав набора спектрометра гетерогенных сфер и накоплении опыта восстановления спектров нейтронов по показаниям активационных детекторов. Многосферный спектрометр был впервые использован и для исследования полей вторичных нейтронов вокруг толстой мишени, облучаемой протонами с энергией 660 МэВ. Свинцовая мишень диаметром 8 см и длиной 50 см имитировала сердечник подкритической сборки, управляемой пучком протонов фазотрона ЛЯП (проект SAD). Выбор такой методики спектрометрии позволил получить спектрально-угловые распределения нейтронов из мишени во всем энергетическом диапазоне, начиная с десятков кэВ. Данный эксперимент был выполнен для проверки расчета межъядерного каскада по наиболее известным в настоящее время транспортным программам.

         Как уже отмечалось, многосферный спектрометр является, по существу, не только основным прибором для исследований полей рассеянного излучения, но и образцовым средством радиационного контроля. Однако решение проблемы метрологического обеспечения радиационных измерений на ускорителях опирается на создание системы “образцовое средство измерений ? образцовый источник нейтронного излучения”. На практике, в качестве образцовых источников нейтронов применяются радиоизотопные 239Pu-Be и 252Cf источники со средними энергиями нейтронов 4,3 и 2,5 МэВ. Основным их недостатком с точки зрения метрологии является узкий энергетический диапазон, не соответствующий реальным полям излучений за защитами, что не обеспечивает необходимую точность практических измерений. Это обусловило разработку в конце 80-х годов специального метрологического обеспечения нейтронных измерений, в основе которой лежало создание эталонных (опорных) полей нейтронов широкого энергетического состава непосредственно на ядерно-физических установках и воспроизведения в них (прямым или косвенным методом) размера единиц государственного специального эталона. Первые опорные поля нейтронов начали создаваться на реакторах за несколько лет до этого и служили эталонной мерой энергетического состава нейтронного излучения. По инициативе подсекции “Радиационная защита и работа в условиях высоких уровней ионизирующего излучения” при Совете по проблемам ускорения заряженных частиц АН СССР, возглавляемой в то время М.М.Комочковым, была поставлена задача создания подобных опорных полей нейтронов на ускорителях. Такая работа началась параллельно в ОИЯИ и ИФВЭ с начала 90-х годов, а немногим позже и в ЦЕРНЕ. В ОИЯИ было создано 4 опорных поля, 2 ? на основе 252Cf источника нейтронов в замедлителях разного диаметра и 2 ? на основе реальных полей фазотрона ЛЯП. “Мягкое” опорное поле нейтронов было создано в лабиринте туннеля в цокольном этаже под главным залом ускорителя, а “жесткое” опорное поле ? за 2-х метровой бетонной защитой фазотрона на обваловке западной стены. Были детально исследованы характеристики этих полей, созданы системы контроля их параметров и разработана метрологическая схема градуировки. В опорных полях нейтронов ОИЯИ было организовано сличение методик и средств измерений дозиметрических и физических характеристик полей нейтронов, используемых в ОИЯИ, ИФВЭ и ИАЭ (Сверк, Польша), а также выполнена градуировка ряда приборов и методик оперативного и индивидуального контроля.

         Ужесточение радиационного нормирования и увеличение объема радиационного контроля на ядерно-физических установках ОИЯИ потребовали от ОРБ в середине 80-х годов нового подхода к организации зонного мониторинга, а именно, создания автоматизированных систем радиационного контроля (АСРК) на установках ОИЯИ. Следует отметить, что опыта создания подобных систем на ускорителях в то время не существовало. На реакторе ИБР-2 автоматизированная система контроля была создана аналогичной тем, которые использовались на атомных станциях. Однако специфика полей излучения за защитами ускорителей, вариабельность режимов их работы, изменение статуса зон радиационного наблюдения в зависимости от режимов и т. д. делали невозможным применение систем АЭС на ускорителях. Для решения поставленной задачи была разработана трехуровневая схема автоматизированной системы, первый уровень которой состоял из десятков стационарных датчиков нейтронов и гамма-квантов, второй уровень ? из интеллектуальных контроллеров крейтов для сбора информации с датчиков и управления ими и третий уровень ? ПК для визуализации и документирования данных и управления работой системы в целом. Были разработаны нейтронные каналы системы со стационарными датчиками нейтронов широкого диапазона энергий на основе коронных счетчиков в замедлителях, отлично зарекомендовавших себя в процессе многолетней эксплуатации, созданы специализированные блоки электроники для второго уровня систем, разработано программное обеспечение для второго и третьего уровней, создана метрологическая схема поверки и градуировки датчиков. АСРК с некоторыми специфическими отличиями были созданы на фазотроне ЛЯП, синхрофазотроне ЛВЭ и ускорителях ЛЯР и работают, постоянно совершенствуясь, уже около 20 лет.

         Примерно с середины 80-х годов, параллельно с созданием АСРК, начались работы по перестройке системы индивидуального дозиметрического контроля (ИДК). Традиционные методы фотоконтроля, основанные на использовании рентгеновских пленок для оценки дозы гамма-квантов и ядерных эмульсий для регистрации нейтролнов, не обладали необходимой оперативностью, при том, что число сотрудников стоящих на дозконтроле достигало 2 тыс. человек. Стали проявляться и проблемы, связанные с поставкой пленок с ядерной эмульсией. Выход из ситуации виделся в кардинальном изменении методики ИДК и переходе (частично или полностью) на контроль с помощью термолюминесцентных детекторов (ТЛД). Альтернативой фото-дозиметру виделся альбедо-дозиметр нейтронов с двумя ТЛД на основе 6Li и 7Li, регистрирующий мягкие нейтроны, перерассеянные в дозиметр из тела человека. В Отделе были развернуты работы по созданию такого дозиметра и автоматизации обработки его данных. Попытки создания прибора для считывания показаний ТЛД предпринимались в ОРБ еще в 70-х годах, до того, как появились промышленные приборы. В ходе работ над созданием албедо-дозиметра испытывались различные виды ТЛД, выполнялись расчеты чувствительности дозиметра и градуировка, проводились его испытания в реальных полях нейтронов. В силу ряда присущих методу ТЛД недостатков, полностью отказаться от фотоконтроля не удалось, и работа завершилась созданием новой комбинированной кассеты ИДК, обработка ТЛД которой проводится на приборах фирмы HARSAW.

         Опыт, накопленный в отделе по физике защиты ускорителей и владение методами расчета транспорта частиц в веществе, был использован при проектировании ряда защит отдельных установок или зданий на ускорителях ОИЯИ. ОРБ принимал участие в проектировании вариантов ускорительных комплексов тяжелых ионов (КУТИ, УКТИ) и Нуклотрона. ЛВЭ. В конце 80-х специалисты Отдела принимали участие в проектировании циклотрона института “Vincha” в Белграде (Югославия).

         После создания Отделения радиационных и радиобиологических исследований в 1995 году, исследования по дозиметрии излучений и физике защиты выполнялись в рамках проекта по радиационным исследованиям. Основными направлениями исследований были: исследования характеристик перспективных детекторов и дозиметров, спектрометрия нейтронов широкого диапазона энергий, оптимизация радиационной безопасности и защиты от излучений, физическая поддержка радиобиологических экспериментов, контроль облучения персонала и мониторинг радиоактивности в окружающей среде, подготовка специалистов по радиационной безопасности.

         Обширные исследования проведены исследования характеристик трековых твердотельных детекторов и детекторов тепловых нейтронов в полиэтиленовых замедлителях. В частности, совместно с сотрудниками Института Ядерной Физики (Прага, Чешcкая Республика) была измерена эффективность регистрации тяжелых ядер С, Mg, Ar и Fe трековым детектором из CR-39

         В связи с работами по созданию в Словацкой Республике циклотронного центра для ускорения ионов с А? 130 и энергией до 72 МэВ/нуклон, который с точки зрения радиационной безопасности является локальным техногенным источником повышенного радиационного риска, потребовалось выполнить комплекс исследовательских и проектных работ, чтобы свести к минимуму влияние излучений от ускорителя на окружающую среду и оптимизировать возможное облучение персонала в соответствии с принципом ALARA. В контексте проектирования систем радиационной безопасности Словацкого циклотронного центра принцип ALARA (аббревиатура английского выражения “As Low As Reasonably Achievable”) можно сформулировать следующим образом: источники излучений и установки комплекса должны быть обеспечены наилучшими из имеющихся в существующих условиях мерами защиты и безопасности так, чтобы величина и вероятность облучения и число лиц, подвергшихся облучению, сохранялось на разумно достижимом низком уровне с учетом экономических и социальных факторов, и чтобы дозы облучения от источников и установок и связанные с ними риски были ограничены. В соответствии с этим принципом была разработана концепция радиационной безопасности Словацкого циклотронного центра включающая: возможные источники ионизирующих излучений, защита от излучений, радиационный мониторинг, обращение с радиоактивными источниками, анализ возможных радиационных аварий, влияние ускорительного центра на окружающую среду.

         Одной из важных задач, связанных с контролем нераспространения ядерного оружия, осуществляемым Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), является измерение слабых потоков нейтронов в интенсивных полях гамма-излучения при контроле перемещения делящихся. По заказу МАГАТЭ были проведены исследования характеристик различных детекторов тепловых нейтронов с полиэтиленовыми замедлителями, оптимизированы параметры аппаратуры, изготовлен и испытан в интенсивных полях гамма-излучения прототип монитора нейтронов на основе “коронного” счетчика для регистрации возможного перемещения ядерных материалов.

         Контроль облучения персонала с использованием индивидуальных дозиметров является существенным компонентом при оценке эффективности любой программы радиационной безопасности направленной на ограничение облучения работников. Изменение концепции радиационной безопасности в начале 90-х годов после публикации новых рекомендаций Международной комиссии по радиологической защите в 1990 стимулировало разработку новых международных стандартов по радиационной безопасности, которые были подготовлены международными организациями, утверждены Советом Управляющих МАГАТЭ и опубликованы в 1996 году.

         В этих международных стандартах по радиационной безопасности приняты новые операционные величины для целей радиационного мониторинга. В частности, для индивидуальной дозиметрии сильно проникающего излучения в соответствии с этими стандартами следует использовать новую операционную величину индивидуальный дозовый эквивалент, Hp(10), чтобы продемонстрировать выполнение требования не превышения установленных пределов доз облучения. Принимая во внимание технические трудности, связанные с введением новых радиационных величин измерений для измерений доз облучений, МАГАТЭ организовало исследовательскую программу по сравнению индивидуальных дозиметров, используемых в государствах – членах МАГАТЭ из Восточной Европы. Целью этой программы являлось предоставить возможность службам индивидуальной дозиметрии оценить энергетические и угловые зависимости чувствительности дозиметров, а также возможность измерять характеристики полей излучения в терминах индивидуального дозового эквивалента, Hp(10).

          В связи с большим опытом в исследовании характеристик индивидуальных дозиметров и возможностями ОРРИ по метрологическому обеспечению дозиметрических измерений, по просьбе МАГАТЭ ОИЯИ принял участие в этой программе в качестве метрологической лаборатории. В рамках этой программы была проверена готовность 23 служб индивидуальной дозиметрии к измерению Hp(10) в полях гамма-излучения с различными энергетическими распределениями частиц, a также измерить энергетические и угловые функции чувствительности используемых дозиметров в терминах индивидуального дозового эквивалента. Выполненные исследования позволили существенно повысить достоверность измерения индивидуального дозового эквивалента в государствах-членах МАГАТЭ из Восточной Европы.

         Большой объем работ в ОРРИ был выполнен по созданию установок для прецизионной дозиметрии пучков заряженных частиц ускорителей ОИЯИ. Для этих измерений на ускорителе У-200 был создан экспериментальный канал и специальная установка, позволяющая проводить автоматическую смену образцов, а также разработана методика измерения поглощенной дозы низкоэнергетичных ионов. Для облучений на Нуклотроне ЛВЭ также была разработана методика формирования квазиплоского дозного поля и измерения поглощенной дозы в образцах, что позволило выполнить цикл исследований на пучках протонов, альфа-частиц, ядер углерода и магния.

         Специалисты ОРРИ, помимо работы над темой Отделения, принимают активное участие в выполнении работ по другим институтским темам, в частности, в проектировании подкритической сборки, управляемой пучком протонов фазотрона ЛЯП, в градуировке прибора HEND, предназначенного для поиска воды на Марсе, в работах по трансмутации радиоактивных отходов АЭС и т.д.