Е. А. Ширшин$^{1,2}$, Б. П. Якимов$^{1,2}$, Г. С. Будылин$^{2,3}$, Н. В. Злобина$^{1,2}$, Д. А. Давыдов$^{1,2}$, А. Г. Армаганов$^2$, В. В. Фадеев$^1$, Н. Н. Сысоев$^1$, А. А. Камалов$^2$

Методы оптической спектроскопии и микроскопии активно применяются в фундаментальных исследованиях живых систем, однако их использование в клинической практике ограничено в связи с двумя принципиальными проблемами. Во-первых, глубина зондирования биотканей с помощью света невелика и варьируется от десятых долей до нескольких единиц миллиметров. Во-вторых, использование внешних меток для повышения чувствительности и специфичности детектирования патологических тканей затруднено при измерениях на пациентах in vivo. В связи с этим возникает вопрос о месте методов биомедицинской фотоники среди других физических методов диагностики, используемых в клинической практике. В данной работе представлен обзор оптических методов и сравнительно новых сертифицированных коммерчески доступных медицинских приборов, использующих технологии фотоники для решения задач интраоперационной диагностики – распознавания патологических и здоровых участков тканей in vivo и ex vivo по эндогенному оптическому отклику. В работе рассматривается широкий ряд областей медицины, в которых исследователям и инженерам удалось добиться высоких показателей чувствительности и специфичности в решении задачи классификации таких тканей. На примере интраоперационной диагностики обсуждаются достоинства и недостатки оптических методов визуализации и диагностики, определяющие их место в клинической практике.

Д. В. Колесов$^1$, П. В. Горелкин$^2$, А. О. Преловская$^{1,2}$, А. С. Ерофеев$^{1,2}$

Сканирующая электрохимическая микроскопия (СЭХМ), позволяющая- получать одновременно топографию и информацию о локальных электрических свойствах поверхности, является разновидностью техник зондовой микроскопии. Благодаря обилию разработанных техник СЭХМ позволяет решать широкий круг задач по исследованию электроактивных свойств материалов. Особый интерес СЭХМ представляет для исследований в области накопителей энергии и, в частности, литий-ионных батарей (ЛИБ). Недавние успехи в исследовании аккумуляторов показали, что электрохимические свойства, демонстрируемые материалами на макроуровне, существенно различаются на микроуровне. Благодаря высокому пространственному разрешению методы СЭХМ дают уникальную информацию о процессах, протекающих в ЛИБ на микро- и наномасштабе. Данный обзор является введением в обширную область СЭХМ и сконцентрирован на основных принципах работы и примерах использования для исследования накопителей энергии.

An Investigation on Production Routes of $^{230}$U Radioisotope used in Targeted Alpha Therapy by Different Level Density Models

H. Özdoğan$^1$, M. Şekerci$^2$, M. Okutan$^3$, B. Demir$^4$, A. Kaplan$^2$

Targeted alpha therapy (TAT) is an attractive therapeutic option in patients with multiple micrometastases. It offers many advantages, including easy administration, the ability to treat multiple lesions simultaneously and the possibility of combination with other therapeutic approaches for improved efficacy. The aim of this study is to investigate the optimum production route of $^{230}$U, which is a promising TAT isotope, in cyclotrons. For this, $^{231}$Pa(p,2n)$^{230}$U, $^{231}$Pa(d,3n)$^{230}$U, $^{232}$Th(p,3n)$^{230}$Pa and $^{232}$Th(d,4n)$^{230}$Pa reactions cross-sections, total activity and reaction yield have been calculated by using different level density models of TALYS 1.95 code. It is possible to produce enough uranium by using $^{231}$Pa(p,2n)$^{230}$U route for 54 patients by irradiating with 12.8 MeV protons at 1 mA current for 12 hours.

Evaluation of beam deflection, longitudinal retraction and depth-dose perturbation of helium ion beams under transverse magnetic fields: A Monte Carlo simulation study

N. Hajiloo$^1$

To assess beam deflection, longitudinal retraction, and depth-dose perturbation of therapeutic helium ion beams under transverse magnetic fields inside homogeneous and heterogeneous phantoms. Beam deflection, longitudinal retraction, and depth-dose perturbation of therapeutic helium ion beams under 0.35, 1.5, and 3 T transverse magnetic fields inside homogeneous phantom was assessed using the FLUKA Monte Carlo transport code. Besides that, the impact of a 3 T magnetic field presence on central axis depth-dose curves of 250 MeV/n helium ion beams inside a heterogeneous phantom with 3 cm thick air and bone layers was investigated. A 5.2 mm retraction and 36.1 mm deflection were observed for the helium ion beam in this study at 220.5 MeV/n energy and 3 T field. A 32.3% abrupt increase and 92.5% reduction in dose were observed at the boundary between the water-air and the water-bone layer insert, respectively. The presence of the magnetic field has an important impact on dose distribution of helium beams depending on the field strength and beam energy. Heterogeneous layers of air and bone leads to notable changes in the boundary of these layers with water under a 3 T magnetic field.

Classification of Diabetic Cardiomyopathy-Related Cells Using Machine Learning

U. Dalaman$^3$, S. Şengül Ayan$^1$, Y. Nazmi$^2$

The patch-clamp technique is a significant tool in current electrophysiology research, especially in cardiovascular diseases, because it can capture electrical activity of the heart from cardiomyocytes. It’s challenging to classify action potential waveforms in cardiological data from these recordings because it relies largely on professional assistance. We discovered that supervised classification may be used to predict the impact of electrophysiological perturbations on cardiomyopathic action potential groups in rat ventricular cells. At the cellular level, action potential classifications are utilized to discern between pathological and control waveforms in recorded cardiac action potentials. The three groups are control, diabetes with angiotensin, and diabetes with angiotensin. The signal’s biologically relevant features for the treatment of cardiomyopathy have been discovered. After they’ve been trained with different sets of features, the results of the seven machine learning models are compared. The k-nearest neighbor approach, along with the decision tree and random forest algorithms, is the best classifier for diagnosing aberrant action potential waveforms, with an accuracy of above 99 percent when compared to other models. The high classification accuracy demonstrates that the gathered individual cardiac AP features provide useful information regarding the pathological status of cardiomyocytes

А. М. Гордиенко$^{1,2}$, А. А. Можаев$^{2,3,4}$, В. В. Гибизова$^1$, Л. А. Дадинова$^2$

Белок Dps (ДНК-связывающий белок из голодающих клеток) хорошо известен своей способностью защиты клеток от различных негативных факторов, в том числе окислительного стресса. Dps способен осуществлять быстрое окисление ионов двухвалентного железа с помощью пероксида водорода, а затем накапливать ионы трехвалентного железа в своей полости в форме трехвалентного минерала. Dps также способен связываться с ДНК, образуя высокоупорядоченные структуры, становясь наиболее распространенным белком нуклеоида в стационарной фазе, добавляя физическую защиту к химической. В этой работе аномальное малоугловое рентгеновское рассеяние (АМУРР) впервые использовано для изучения формирования кластеров железа в полости белка Dps из Escherichia coli. На основе созданного программного обеспечения с использованием известного алгоритма кривые АМУРР были разложены на резонансные, нерезонансные и перекрестные составляющие, которые в последствии были использованы для вычисления среднего количество ионов, приходящихся на одну молекулу белка и определения ab initio структуры комплекса белок-железо. С помощью методов компьютерного моделирования получена детальная информация о распределении атомов железа внутри полости белка при различных концентрациях железа в растворе. Показано, что увеличение концентрации Fe$^{2+}$ в растворе незначительно влияет на морфологию образующегося минерала железа, однако приводит к увеличению его объема, что хорошо согласуется с экспериментально определенным количеством ионов железа, приходящихся на одну молекулу Dps. Полученные значения оказались меньше расчетных, что может быть связано с присутствием в растворе хелатирующего агента.

The Influence of Secondary Electron Emission on Surface Charging on a Mask Trench in Plasma Etching

D. Li, Z. Ma, P. P. Zhang

In the plasma etching technique, acquiring a high-quality transfer from the mask pattern onto the substrate under the suppression of the charging effects is of great significance. For a porpuse of comprehending the interplay of the surface charging with the secondary electron emission (SEE) on the the profile evolution of a mask trench during the plasma etching process, a classical particle simulation program is used by this study. The SEE module which utilizes a sophisticated Monte Carlo (MC) model was employed in the simulation. This study shows that the SEE contributes to a strengthened surface charging compared to the case without SEE. Specifically, in case of SEE being included, the scattering behavior of energetic electrons inside the mask can generate lots of cascaded electrons, leading to amounts of negative charges deposited in the solid. This is quite different from the case without SEE, which electrons only deposited on the surface and without any cascaded electrons being generated. Such difference causes the different electric field (E-field) strength distribution between these two cases (strength with SEE is higher than that without SEE). The simulation of the profile evolution further confirmed that the deformation is in keeping with the distribution of the E-field. In addition, there is an obvious edge effect can be observed in the case with SEE, which should alleviate the ions bombardment in principle, while the fact is not. Possible mechanisms behind have been discussed in detail. Because the electron scattering capacity is quite different in various materials, the implication of the current work helps to arrange an appropriate mask to reduce the damages from charging. This would shed light on a way to maintain the pattern integrity.

Г. И. Андреев$^1$, В. Л. Бычков$^1$, В. П. Шевелько$^2$

В работе проводится анализ эксперимента, в котором между угольным катодом и анодом зажигается дуговой разряд в аргоне. В область горения разряда, ограниченную кварцевым цилиндром, подается аргон. Свет от дугового разряда проходит через светофильтр и фокусируется на оптоволокне, по которому он передается в спектрометр. Анализ спектра показал, что температура в дуге составляет (9.8±1.5)∙〖10〗^3 К. Произведен расчет концентрации компонентов плазмы на основе уравнений Саха для атомов, электронов, ионов Ar I и Ar II. Оказалось, что основными частицами плазмы в эксперименте являются Ar I.

Benchmark Comparisons of OpenMC and DRAGON5 Codes for Calculating the Doppler Coefficient of Reactivity

J. Al Zain$^{1,2}$, O. El Hajjaji$^2$, T. EL Bardouni$^2$, M. Lahdour$^2$, M. Mira$^2$, H. Satti$^2$, H. EL Yaakoubi$^2$

The new Version VIII.0 of the ENDF/B nuclear data library (ENDL) provided, by the Los Alamos National Laboratory (LANL) in the United State to create a data set in ACE (A Compact ENDF) format and convert them to an HDF5 format for utilize in code OpenMC, at different temperature 600 and 900 K to be utilize in this work, because of its importance within the nuclear simulation, utilizing NJOY2016 code was utilized to develop a set of numerical benchmarks for the Doppler temperature coefficient (DTC) of reactivity. This was done by utilizing the multi-group energy OpenMC Monte Carlo code to compute eigenvalues of some selected idealized Light water reactors (LWRs) pin cell configurations with seven different uranium fuel enrichments (0.711 - 5.0 wt % 235U). Two fuel temperatures (FT) corresponding to the hot zero power (HZP at 600K) and the hot full power (HFP at 900K) conditions have been considered. These benchmarks were provided for evaluation of the precision of light water reactor codes for computing the system eigenvalue as well as the Doppler coefficient of reactivity. The results of the calculations obtained were compared utilizing the Monte Carlo OpenMC with the deterministic code DRAGON5, good agreement is observed between the two codes, compared with previous studies.

М. И. Пропой$^1$, Ф. Б. Хлебников$^1$, Д. А. Коняев$^{1,2}$, Н. Е. Шапкина$^{1,2}$, А. Н. Боголюбов$^1$

Рассматривается задача моделирования электромагнитного поля, отраженного от цилиндрического зеркального коллиматора, имеющего сложное симметричное или несимметричное поперечное сечение. Задача решается для разных частот и поляризаций падающей волны при различных геометрических параметрах зеркала, включая параметры скругленных краев. Кроме того, рассматривается задача синтеза параметров скруглений зеркал как для одной частоты падающей волны, так и для пучка частот.

А. А. Лагутина$^{1,2}$

Оптический контроль процесса напыления многослойных покрытий приводит к корреляции ошибок в толщинах напыляемых слоев. Этот эффект в свою очередь вызывает негативный эффект кумулятивного накопления ошибок, но в то же время может и положительно влиять на точность контроля при наличии позитивного эффекта самокомпенсации ошибок. Разработанные способы оценки степени корреляции ошибок в толщинах слоев и оценки наличия эффекта самокомпенсации, включающие в себя результаты обработки большого числа вычислительных экспериментов, открывают новые возможности для сравнения существующих стратегий контроля. На примере компьютерной симуляции процесса напыления 44-слойного горячего зеркала показано, как упомянутые оценки могут быть использованы для сравнения эффективности различных стратегий контроля.

А. В. Смирнов$^1$, А. А. Курганская$^2$, Ю. А. Овченкова$^1$, А. Е. Богданов$^1$, А. В. Морозкин$^3$, И. С. Терёшина$^2$, С. А. Никитин$^1$

Проведены измерения намагниченности и измерения прямым методом магнитокалорического эффекта в интерметаллидах на основе Gd$_5$Si$_2$Ge$_2$ с малыми замещениями атомов кремния (Si) и германия (Ge) атомами олова (Sn) и индия (In). Обнаружено, что введение Sn уменьшает, а введение In увеличивает температуру магнитного упорядочения данных интерметаллидов относительно температуры Кюри исходного соединения Gd$_5$Si$_2$Ge$_2$. Величина магнитокалорического эффекта заметно не изменяется при сделанных замещениях p-элементов. Различие магнитных свойств исходного соединения Gd$_5$Si$_2$Ge$_2$ и соединений с замещениями Gd$_5$Si$_{2-x}$Ge$_{2-x}$(Sn, In)$_{2x}$ (x = 0.05) объясняется электронной структурой атомов легирования и изменением плотности электронных состояний на уровне Ферми.

С. Г. Желтоухов$^{1,2}$, А. М. Татарников$^{1,2}$

Рассмотрены основные факторы, влияющие на успешность проведения наблюдений в ИК диапазоне (центральные длины волн фотометрических полос 3.75 и 4.8~мкм) на универсальном оптическом телескопе. Получены оценки уровня яркости фона неба для Кавказской горной обсерватории МГУ (КГО): $1.3\cdot10^6$ фотонов/(с$\cdot$пиксел) в полосе 3.75~мкм и $3.4\cdot10^6$ фотонов/(с$\cdot$пиксел) в полосе 4.8~мкм; и инструментального фона для 2.5-м телескопа КГО при температуре $0^\circ$С: $3.2\cdot10^6$ фотонов/(с$\cdot$пиксел) в полосе 3.75~мкм и $4.3\cdot10^6$ фотонов/(с$\cdot$пиксел) в полосе 4.8~мкм. Показано, что при таком уровне фонового сигнала при использовании существующих в настоящее время коммерческих камер спектрального диапазона 3-5~мкм возможности связки телескоп + камера при наблюдениях слабых объектов будут по-прежнему ограничены тепловым фоном. Для разных условий наблюдений получены оценки предельных звездных величин объектов, доступных наблюдениям в полосах 3.75 и 4.8~мкм. Для случая средних условий наблюдения (температура аппаратуры $0^\circ$С и размер звездных изображений $1''$) предел составляет $\sim10.6^m$ и $\sim8.4^m$, соответственно.