Комплекс для воздействия облучением и визуализации биологических клеток Российский патент 2019 года по МПК A61B5/05 H01J35/06 

Изобретение относится к областям биологии и медицины и может применяться для исследования живых биологических объектов, таких как клетки.

К современным угрозам в области «науки о жизни», в том числе биологии и медицины, относят: высокую смертность онкологических заболеваний, недостаточную эффективность существующих мер по раннему предупреждению и лечению подобных заболеваний, неоднозначное понимание механизмов перерождения здоровых клеток в раковые, неэффективную система реабилитации, критическое отставание современной научно-исследовательской базы для фундаментальных исследований и производственно-технологической базы биотехнологий и др.

Настоящее изобретение направлено на исследование изменений живых и пораженных раком клеток в реальном времени и в организме (питательной среде), в том числе, в зависимости от воздействия на них многодиапазонного электромагнитного излучения. Это будет способствовать раннему и однозначному обнаружению и лечению злокачественной болезни, а главное – поиску путей активизации естественных механизмов самоуничтожения пораженных раком клеток как инородных. При этом предлагается использовать как известные водяное и углеродное «окна» (2-4 и 4,5-5 нм соответственно), так и проводить теоретические поиски новых спектральных «окон» для расширения экспериментальных диагностических возможностей предлагаемого комплекса.

Разработка новых методов визуализации in vivo (в организме) определенных групп клеток для клеточной регенеративной медицины и для других областей биомедицины становится наиболее перспективным направлением современных биомедицинских исследований [1]. Среди уже применяющихся и вновь разрабатываемых методов визуализации клеточных структур фотон-основанный метод, использующий принципы оптической когерентной томографии (x-ray nanotomography) [2, 3, 4], обладает неоспоримыми преимуществами благодаря высокой информативности и отсутствию необходимости предварительной подготовки биообъектов, отсутствию ионизирующего излучения (кроме специальных случаев целенаправленного поражения раковых клеток). В стандартном методе оптической когерентной томографии (ОКТ) получение трехмерной информации об объекте осуществляется путем наблюдения и регистрации оптических изображений, базирующихся на регистрации сигнала, возбуждаемого в объекте исследования внутри различных слоев с высокой селекцией по глубине и высоким пространственным разрешением.

Обзор работ [1-4] показал успехи в развитии прямого изображения с помощью рентгеновской микроскопии и различных ее применений, включая трехмерную биологическую томографию, динамические процессы в магнитных наноструктурах, химические пространственные исследования, технологические применения, связанные с солнечными элементами и батареями, изучение археологических материалов, исторические применения. Среди этих успехов можно отметить получение прекрасных изображений одиночной живой клетки на микроскопе XM-1 c использованием синхротронного источника Advanced Light Source в Berkley Lab [2]. Установки типа XM-ALS являются достаточно дорогими, сложными и недоступными широкому кругу пользователей.

Впервые компактный высокой яркости ЭУФ-МР (экстремальный ультрафиолет – мягкий рентген) лазер на капиллярном разряде с квантовым переходом на длине волны 46,9 нм неоно-подобного аргона был создан в Исследовательском центре при Колорадском университете, США профессором Дж. Рокка с сотрудниками. [5]. Эта работа была повторена в Италии, Японии, Израиле, Чехии, России. С использованием своего лазера Дж. Рокка успешно применил для визуализации углеродных трубок за один выстрел источника излучений с разрешением, примерно равным длине волны [6]. В данной работе было сделано предположение о возможности получения пространственного разрешения порядка длины волны. Это предположение было подтверждено в работе [2], в которой было получено разрешение 12 нм при визуализации клетки в питательной среде с применением более коротковолнового (синхротронного) источника. Но попытки сделать лазер на капиллярном разряде с использованием активных сред на плазме многозарядных ионов с более короткими длинами волн из-за резко возрастающих требований к необходимой мощности накачки не приводили к успеху и были, в основном, прекращены.

Тем не менее, развитие коротковолновых электроразрядных нелазерных источников излучений позволило проводить не только визуализацию сухих нанометровых объектов, но и эксперименты по воздействию такого излучения на биологические материалы и структуры, в том числе мокрые. Так, в работах [7-9] исследовались биологические материалы (ДНК, жиры, белки, углеводы, хроматин, нуклеосомы) в "углеродном окне" спектра, что дает возможность исследовать не только поверхностные, но и глубинные процессы взаимодействия и их диагностики на расстояниях до 30 мкм.

Вклад в развитие ЭУФ-МР лазеров в целях микроскопии внесли чешские ученые, которые не только продвинулись в борьбе за более короткие длины волн излучения электроразрядных лазеров, а, следовательно, более высокое разрешение, но и исследовав излучение неоно-подобного азота с длиной волны 2,88 нм, находящееся в районе водяного окна, они осуществили МР-микроскопию с использованием в качестве освещающего объектива эллипсоидальное зеркало. Получены предварительные результаты по визуализации тестовой сетки с разрешением примерно 110 нм [10].

В НИИЭФА им. В.Д. Ефремова были предложены и исследованы две модификации установки «Экстрим» на протяженном малоиндуктивном z-разряде с тесной геометрией электродов [11-14]. В отличие от известных электроразрядных ЭУФ лазеров, в том числе [5], использовавших для предионизации рабочего газа дополнительного микросекундного разряда, впервые был применен скользящий ~100 нс малоиндуктивный протяженный лавинный z-разряд. Проведенные исследования при изменении давления аргона от 0,001 до 1000 Торр впервые было обнаружено электромагнитное излучение различными датчиками в различных диапазонах спектра [11]. Деление на диапазоны было довольно условное, но, тем не менее, это дало возможность назвать такой источник многодиапазонным.

Сам скользящий лавинный разряд, как показали проведенные исследования с помощью ПЗС-приемника на первых модификациях установки «Экстрим», представляет слабосветящееся кольцевое плазменное образование, не сопровождается каким-либо коротковолновым излучением. Но после достижения его фронтом выходного электрода разряд переходит в стадию высоковольтного продольного разряда с генерированием МР-ЭУФ излучения. Вспышка этого излучения длительностью несколько наносекунд и происходящее в очень узком диапазоне давлений 0,2-0,4 Торр, носит резонансный характер и, вероятно, обусловлено торможением на газе убегающих электронов. Этот процесс прерывается следующей стадией – развитием продольного сильноточного разряда с пинч-эффектом и накачкой активной среды тепловыми электронами.

При давлениях меньше 0,1 Торр наблюдается длинноимпульсная генерация жесткого излучения с энергией фотонов 15-25 кэВ, вызываемого торможением убегающих электронов на стенках разрядной трубки, поскольку не зависит от давления остаточного газа. Это тормозное излучение носит характер слаборасходящегося луча (менее 10-2 рад), что может быть эффектом его коллимации на длинной трубке Ø5 мм хL100 мм.

Прототипом заявляемого изобретения выбрано техническое решение, описанное в [6]. Известная установка содержит электроразрядный лазер капиллярного типа и субмикроскоп (доли мкм), состоящий из освещающего Шварцшильдовского объектива с многослойным Sc-Si-пленочным покрытием зеркальных поверхностей и изображающего объектива в виде зонной пластинки, а также ПЗС камеры.

Однако к недостаткам прототипа можно отнести ограниченную функциональность из-за возможности работы только в одном диапазоне длин волн, поскольку с его помощью возможно лишь наблюдение объекта, а изучение влияния на объект не производится

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания экономически выгодного практичного оборудования для проведения фундаментальных исследований вопросов фотон основанного воздействия многодиапазонного излучения на нанобиологические объекты, включая клетки, и визуализации результатов этого воздействия также фотон основанной субмикроскопией. Результат решения этой проблемы планируется применить в клиническом оборудовании для ранней диагностики раковых заболеваний на клеточном уровне, а именно для исследования определения доз облучения в различных диапазонах спектра для протекания таких процессов как поражение, изменение и деление/размножение. Особый интерес представляют возможные резонансные эффекты активизации механизмов самоуничтожения раковых клеток как инородных.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение разрешения получаемого изображения биологического объекта, благодаря возможности изменения длины волны излучения, при которой субмикроскоп будет обладать максимальной разрешающей способностью. Одновременно с этим достигается расширение функциональных возможностей за счет появления дополнительных функций, таких как визуализация и изучение поведения биологического объекта при воздействии на него излучением с разной длиной волны.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что комплекс для воздействия облучением и визуализации биологических клеток содержит источник излучения, включающий генератор высоковольтных импульсов с двумя формирующими двойными искусственными линиями, последовательно подключенные к нему газовый кольцевой обостритель импульсов, передающие коаксиальные линии, разделенные газовым цилиндрическим обострителем импульсов, конусную согласующую линию, капиллярную электроразрядную нагрузку, и систему газообеспечения аргоном, связанную с генератором высоковольтных импульсов, газовыми обострителями импульсов и капиллярной электроразрядной нагрузкой, связанной с технологической камерой, включающей узел дифференциальной откачки с импульсным газовым клапаном для защиты тракта транспортировки излучения от натекания аргона из капилляра и систему измерения давления остаточного аргона в технологической камере, и связанной с сильфонным узлом, выполненным в виде гофрированной металлической трубы, снабженной средствами регулировки для юстировки луча на мишенный узел диагностической камеры, выполненный с возможностью замены сменного биологического образца, при этом на выходе диагностической камеры установлен, с возможностью регистрации падающего и/или прошедшего излучения, датчик прошедшего излучения, а на ее фланце прикреплена камера субмикроскопа со смонтированным на ней турбомолекулярным насосом, при этом субмикроскоп включает освещающий и изображающий объективы, приемник излучения и держатель для сменного биологического образца.

Возможен вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что формирующие двойные искусственные линии выполнены накопительными.

Возможен вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что формирующие двойные искусственные линии выполнены многозвенными.

Возможен вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что мишенный узел имеет диафрагму стойку-держатель для сменного биологического образца.

Возможен вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что освещающий и изображающий объективы представляют собой Шварцшильдовские объективы с многослойным покрытием.

Таким образом, за счет всей совокупности существенных признаков изобретения достигается заявленный технический результат. Поскольку с целью расширения экспериментальных возможностей (за счет повышения разрешающей способности и дополнительных функций) при проведении фундаментальных исследований воздействия излучения на нанообъекты, включая биологические объекты (здоровые и раковые клетки), предложен и использован малоиндуктивный разряд с предварительной ионизацией газа скользящий лавинный разряд. Это дало возможность реализовывать различные механизмы создания плазмы многозарядных ионов, включая (пинчевые, непинчевые – пучковые и комбинированные) механизмы накачки и генерации излучения. Это позволяет получать слаборасходящееся спонтанное, слабокогерентное и когерентное излучение в различных диапазонах спектра, в том числе в областях экстремального ультрафиолета (ЭУФ), мягкого рентгена (МР) и жесткого рентгена (ЖР) путем простого изменения начального давления и рода газа в капиллярном разряде и, соответственно, получения необходимой длины волны. Для того чтобы стало возможным воздействие излучения на биологические объекты в состав комплекса введена технологическая вакуумная камера, которая расположена вблизи выхода капиллярной трубки. Расположенный внутри камеры импульсный электрический клапан своим лепестком перекрывает входное отверстие дифференциального узла откачки и открывает его перед выстрелом (пачки выстрелов) для прохода излучения в тракт транспортировки луча к мишеням мишенного узла, расположенного в диагностической камере. Таким образом, благодаря управлению количеством импульсов излучения, давлением, временем воздействия, появилась возможность определения закономерностей для данного биологического объекта, что направлено на получение резонанса и, как результат, выявление механизмов самоуничтожения злокачественных клеток. Кроме того, использование наряду со Шварцшильдовским освещающим объективом, как в прототипе, также изображающего объектива такого же типа вместо зонной пластинки, позволило унифицировать эти системы микроскопа и применить их для визуализации биологических объектов как в проходящем, так и в отраженном свете. Это дало дополнительные преимущества в экспериментах по визуализации, в том числе в использовании схем с рассеянием облучающего излучения.

Кроме того, применение накопительных формирующих двойных искусственных линий позволило исключить применение специальных зарядных устройств, т.к. накопление происходит от стандартного источника. Применение многозвенных формирующих двойных искусственных линий, в том числе, например, 4х-звенных, дало возможность формировать импульсы, по форме приближенные к прямоугольным. Применение в качестве обострителя газового кольцевого обострителя, например, 2х-секционного, обусловлено тем, что самопробой одного из его зазоров приводит к искажению поля во втором зазоре и его пробою, чем достигается дополнительное обострение импульсов. Применение в качестве обострителя газового цилиндрического обострителя с конструктивными LC-элементами позволяет получить дополнительные возможности обострителя. Применение в качестве освещающего и изображающего объективов Шварцшильдовские объективы приводит к унификации объективов и дополнительному повышению точности измерений.

Сущность заявляемого изобретения и варианты его реализации раскрыты в нижеследующем описании и на фигурах.

На Фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого комплекса.

На Фиг. 2 приведена схема расположения элементов комплекса.

На Фигурах обозначено:

1 – многодиапазонный источник излучения (МДИИ);

2 – технологическая камера (ТК);

3 – сильфонный узел (СУ);

4 – диагностическая камера (ДК);

5 – датчик прошедшего излучения (ДПИ);

6 – субмикроскоп (СМ);

7 – генератор высоковольтных импульсов (ГВИ);

8 – газовый кольцевой обостритель (ГКО);

9 – газовый цилиндрический обостритель (ГЦО);

10 – передающая коаксиальная линия (ПКЛ);

11 – передающая коаксиальная линия (ПКЛ);

12 – конусная согласующая линия (КСЛ);

13 – капиллярная электроразрядная нагрузка (КЭН);

14 – система питания (СП);

15 – система газообеспечения (СГ);

16 – узел дифференциальной откачки (УДО);

17 – система откачки (СО) вакуумной диагностической камеры;

18 – система откачки (СО) вакуумной камеры субмикроскопа;

19 – система измерения давления (СИД) остаточного газа в технологической камере;

20 – система измерения давления (СИД) остаточного газа в камере субмикроскопа;

21 – шибер (Ш);

22 – информационно-управляющая система (ИУС).

Комплекс для воздействия облучением и визуализации биологических клеток (Фиг. 1, 2) включает многодиапазонный источник 1 излучения (МДИИ), соединенный через технологическую камеру 2 (ТК) и сильфонный узел 3 (СУ) с диагностической камерой 4 (ДК), к которой подсоединены датчик 5 прошедшего излучения (ДПИ) и субмикроскоп 6 (СМ).

МДИИ 1 включает последовательно соединенные между собой и расположенные в едином корпусе генератор 7 высоковольтных импульсов (ГВИ) для питания малоиндуктивного z-разряда с двумя формирующими двойными искусственными линиями (ДФЛ) (на чертеже не показано), не менее двух обострителей, например, газовый кольцевой обостритель 8 (ГКО) и/или газовый цилиндрический обостритель 9 (ГЦО), по меньшей мере одну передающую коаксиальную линию (ПКЛ) 10 и 11 (в данной реализации ПКЛ разделены ГЦО 9), конусную согласующую линию 12 (КСЛ), капиллярную электроразрядную нагрузку 13 (КЭН). Также МДИИ 1 включает систему 14 питания (СП) ДФЛ (на чертеже не показано), накопительного конденсатора (на чертеже не показано) ГВИ 7 и систему 15 газообеспечения (СГ) линейных коммутаторов ГВИ 7, ГКО 8, ГЦО 9 и КЭН 13,

ДФЛ (на чертеже не показано), благодаря использованию бумаго-масленного диэлектрика с низкими утечками, могут быть выполнены накопительными, т.е. заряжаемыми постоянно с использованием высоковольтных выпрямителей с питанием от сети. ДФЛ (на чертеже не показано) также могут быть выполнены многозвенными для формирования импульса, по форме наиболее приближенного к прямоугольному. ДФЛ (на чертеже не показано) могут быть собраны по свернутой схеме из рулонных конденсаторных секций и соединенных параллельно по схеме «бабочки» с помощью токосборного узла. ДФЛ (на чертеже не показано) запускаются с помощью линейных газовых коммутаторов (на чертеже не показано) с искажением электрического поля. Для их запуска используется тиратронный RC-генератор, формирующий импульсы, и разделительные керамические дисковые конденсаторы (на чертеже не показано) и кабельные трансформаторы (на чертеже не показано) на ферритовых кольцах с повышением выходного напряжения 3:1. Все это помещено в бак с трансформаторным маслом.

Далее, генерируемые с помощью ДФЛ (на чертеже не показано) высоковольтные импульсы испытывают обострение передних фронтов с помощью ГКО 8 с электрическим самопробоем первого зазора и искажением поля во втором зазоре, а также ГЦО 9 с L-C запуском зазоров. Между ГКО 8 и ГЦО 9 располагаются отрезки ПКЛ 10 и 11 с 50% водно-глицериновым диэлектриком. При этом ПКЛ может быть как одна цельная, так и несколько разделенных. Выходной конец ПКЛ 11 соединяется с КЭН 13 через КСЛ 12.

КЭН 13 через скользящее уплотнение (на чертеже не показано) соединяется с ТК 2, которая включает установленные с противоположной стороны от соединения с КЭН 13 узел 16 дифференциальной откачки (УДО), представляющий собой совокупность диафрагм, установленных на расстоянии друг от друга и затрудняющих проход газа, с импульсным газовым клапаном (на чертеже не показано), защищающим тракт транспортировки излучения от натекания газа из капилляра, поскольку натекание газа ограничивает число повторений импульсов. УДО 16 с импульсным газовым клапаном обеспечивают возможность моделирования ситуации и создание серии импульсов от МДИИ 1.

Предлагаемый МДИИ 1 позволяет получать следующие диапазоны длин волн (деление на диапазоны условное):

1. Жесткое рентгеновское излучение, энергия фотонов 15-25 кэВ (длины волн менее 0,1 нм) – давление аргона 0,01-0,2 Торр,

2. Мягкое рентгеновское излучение, энергия фотонов от ~ десятков эВ до единиц кэВ (длина волны от долей нм до единиц нм) – давление аргона 0,2-0,4 Торр,

3. Экстремальное ультрафиолетовое излучение, энергия фотонов от нескольких десятков эВ до нескольких сотен эВ (длина волны от нескольких нм до нескольких десятков нм) – давление аргона 0,4-0,6 Торр,

4. Излучение видимого спектра, длина волны 180-500 нм – давление аргона 20 – 200 Торр,

5. Инфракрасное излучение, длина волны 600-1000 нм – давление аргона 300-750 Торр.

ДК 4 включает мишенный узел (на чертеже не показано) для установки в нем с возможностью снятия сменного образца (на чертеже не показано) биологического объекта. На выходе ДК 4 установлен ДПИ 5, расположенный относительно мишенного узла (на чертеже не показано) таким образом, чтобы регистрировать падающее и/или прошедшее через него излучение и содержащий приемник излучения с калиброванными полупроводниковыми фотодиодами для регистрации радиального распределения как падающего, так и прошедшего через сменный образец излучения. ДК 4 также может быть оснащена компактными спектрометрами (на чертеже не показано).

Мишенный узел (на чертеже не показано) представляет собой диафрагму и состоит из стойки-держателя с микрометрическими винтами юстировки для установки и фиксации сменных образцов биологических объектов и имитатора мишени (для юстировки) в виде квадратной пластины с центральным отверстием с диаметром, обеспечивающим достаточно однородное распределение интенсивности излучения по радиусу отверстия, и вставляемой в вертикальные пазы узла. Во время экспериментов с биологическими объектами имитатор мишени заменяется на образец биологического объекта, представляющий собой, например, переносную герметичную кассету, состоящую из двух прозрачных для излучения, но не пропускающих воздух пленок, между которыми помещается биоструктура в питательной среде, освещаемая через центральное отверстие в сжимающих пластинах.

СУ 3 выполнен с возможностью фокусировки излучения от МДИИ 1 на мишенный узел (на чертеже не показано) ДК 4. СУ 3 представляет собой гофрированную металлическую трубу, снабженную средствами регулировки (например, болты) угла трубы, и служит для грубой юстировки луча на мишенный узел (на чертеже не показано).

К боковому фланцу ДК 4 прикрепляется камера СМ 6. На верхнем фланце камеры СМ 6 монтируется турбомолекулярный насос (на чертеже не показано) с подключенным форвакуумным спиральным насосом (на чертеже не показано). СМ 6 включает освещающий и изображающий объективы, приемник излучения и держатель для сменного образца биологического объекта. Освещающий и изображающий объективы могут представлять собой Шварцшильдовские объективы. Объективы содержат зеркала, на поверхность которых нанесены многослойные покрытия, определяющие их спектральные характеристики. Объективы (или их составные части) являются сменными в зависимости от диапазона длин волн излучения при воздействии. Освещающий и изображающий объективы с фокусирующими элементами крепятся в вакуумной камере СМ 6 на платформе и имеют устройства для проведения юстировочных работ. Исследуемые объекты (образцы биологических объектов) крепятся к держателю, имеющему также юстировочные приспособления. Приемник излучения для визуализации и регистрации изображений мишеней (имитатора и образца) может представлять собой ПЗС камеру с люминофорным покрытием. Предусмотрена возможность проведения экспериментов по воздействию излучения на нанообъекты и визуализации результатов воздействия как в проходящем, так и отраженном свете в зависимости от расположения приемника излучения и использования прозрачной или непрозрачной подложки для сменного образца биологического объекта (например, кассеты).

ДК 4 и камера СМ 6 снабжены системами 17 и 18 откачки (СО) с насосами. СО 17 и 18 могут быть объединены в одну систему откачки.

ТК 2 и камера СМ 6 снабжены вакуумерами – системами 19 и 20 измерения давления (СИД), например, с помощью датчика Пирани с двухканальным контроллером.

Между камерой СМ 6 и ДК 4 может быть установлен шибер 21 (Ш), представляющий собой вакуумный узел для СО.

Управление комплексом может осуществляться в ручную или автоматически с помощью информационно-управляющей системы 22 (ИУС), включающей блоки управления питанием, газообеспечением, откачкой, контролем работы, а также блоком обработки полученных изображений и др. ИУС 22 может быть соединена с МДИИ 1, ДПИ 5, УДО 16, СМ 6, а также с другими датчиками и системами комплекса, имеющими возможность цифрового управления.

Заявляемый комплекс предлагается устанавливать в экранированной измерительной комнате с осциллографом.

Комплекс реализует следующий способ исследования биологических объектов.

Первоначально производят юстировку, центровку и фокусировку элементов комплекса. Для чего в мишенный узел ДК 4 устанавливают имитатор мишени (на чертеже не показано), направляют на него излучение видимого диапазона, например, от дополнительного источника излучения, например, светодиода (на чертеже не показано), установленного на оси МДИИ 1, например, с выхода КЭН 13, при необходимости регулируют с помощью юстировочных винтов (на чертеже не показано) на держателе мишенного узла (на чертеже не показано) положение имитатора мишени (на чертеже не показано) так, чтобы излучение попало в его центр. Затем переносят имитатор мишени (на чертеже не показано) в держатель СМ 6, а на его место в ДК 4 устанавливают поворотное зеркало (на чертеже не показано), при необходимости регулируют с помощью юстировочных винтов (на чертеже не показано) на держателе мишенного узла (на чертеже не показано) положение поворотного зеркала (на чертеже не показано) и на держателе СМ 6 положение имитатора мишени (на чертеже не показано) так, чтобы излучение попало в центр имитатора мишени (на чертеже не показано). Фокусировку осуществляют путем пространственного перемещения объективов СМ 6.

Во время экспериментов с биологическими объектами имитатор мишени (на чертеже не показано) заменяют на образец (на чертеже не показано) биологического объекта. Затем осуществляют генерацию выбранной длины волны излучения с помощью МДИИ 1, направляют его на исследуемый образец (на чертеже не показано) биологического объекта, фиксируют с помощью ДПИ 5 отраженное и/или прошедшее через него излучение и определяют дозу поглощенного излучения. Переносят исследуемый образец (на чертеже не показано) биологического объекта в камеру СМ 6, закрепляют в держателе между объективами. В ДК 4 устанавливают поворотное зеркало (на чертеже не показано). Далее изменяют длину волны излучения МДИИ 1 на оптимальную для получения наилучшего пространственного разрешения, облучают ей образец, визуализируют с помощью объективов СМ 6 и регистрируют с помощью ПЗС камеры. При необходимости корректируют дозу излучения. На основании полученных данных делают выводы о произошедших изменениях в биологическом объекте в зависимости от параметров излучения, которым на него воздействовали.

Пример применения заявляемого комплекса.

В начале работы лепесток импульсного клапана впритирку перекрывает входное отверстие диаметром 1-2 мм (сменное) УДО 16, т.е. клапан закрыт. В это время следует тракт откачать (СО 17 и 18) до высокого давления 10^-4 Торр, измеряя давление вакуумным датчиком Пирани с контроллером (СИД 19, 20). КЭН 13 и ТК 2 откачать до предельного форвакуума 10^-2 Торр, замеряя давление.

Затем напустить газ в ТК 2 и, следовательно, в КЭН 13 до нужного давления в диапазоне 10^-2-1000 Торр с регистрацией вакуумным автономным датчиком Пирани.

Напустить аргон в линейные коммутаторы на входе ДФЛ (на чертеже не показано) до давления ~3,5 атм. в зависимости от напряжения заряда ДФЛ 60-90 кВ, замерять давление стрелочным манометром.

Напустить аргон в обострители 8 и 9 до давления ~ 1 атм. Зарядить ДФЛ (на чертеже не показано) до заданного рабочего значения по показаниям индикатора (например, табло) источника SL-40 кV-150 Wt и тиратронный генератор на приборе ТПИ1-10 кА/50 до оптимального значения по показаниям источника питания тиратронного генератора (ИП-40 kV-15Wt).

Запустить импульсный клапан с помощью синхронизатора в составе ИУС 22, освободив входное отверстие УДО 16 для прохода излучения в тракт транспортировки к нанообъектам.

Через 5 сек запустить генератор запускающих импульсов. Перекрыть входное отверстие УДО 16 для избегания слишком большого поступления газа в тракт (режим одиночных импульсов).

Поступивший в узел газ постепенно заполняет ячейки УДО 16, и пока он практически не выйдет в тракт, можно осуществить пачечный режим работы с ограниченным числом импульсов в цуге с частотой повторения в доли Гц и числе импульсов в цуге.

Подобным образом можно провести фундаментальные исследования процессов воздействия излучения в различных диапазонах спектра, поместив мишенный узел со сменным образцом биологического объекта в ДК 4.

Для визуализации результатов воздействия образец биологического объекта следует переместить в камеру СМ 6, заменив его на узел с поворотным зеркалом, и включить ПЗС камеру для получения изображения биологического объекта.

Таким образом, заявляемый комплекс позволяет визуализировать не только сами биологические объекты, но и осуществлять воздействие на них с дальнейшим анализом результатов.

Список использованных источников

1. А.В. Мелешина, Е.И. Черкасова, М.В. Ширманова и др. Современные методы визуализации стволовых клеток in vivo (обзор). СТМ, 2015, т.7, № 4. с. 174-188.

2. David Attwood. Nanotomography comes of age. Nature, 2006, v.442, p.642.

3. Anne Sakdinawat and David Attwood. Nanoscale X-ray imaging. Nature Photonics. 2010, v.4, p. 840-8.

4. Weilun Chao, Bruce D. Harteneck, J. Alexander Liddle, Erik H. Anderson and David T. Attwood. Soft X-ray microscopy at a spatial resolution better than 15 nm. Letters Nature, 2005, v.435, 30 June 2005, p. 1210-1213.

5. J.J. Rocca. Table-top soft x-ray lasers. Review of Scientific Instruments. Review article. 1999, v.70, № 10, p. 3799-3825.

6. Fernando Brizuela, Courtney A. Brewer, Przemyslaw Wachulak, Dale H. Martz, Weilun Chao, Erik H. Anderson, David T. Attwood, Alexander V.С Vinogradov, Igor A. Artyukov, Alexander G. Ponomareko, Valeriy V. Kondratenko, Mario C. Marconi, Jorge J. Rocca, Carmen S. Menoni. Single-laser-shot extreme ultraviolet imaging of nanostructures with wavelength resolution. Opt. Letters, 2008, v.33, p.518-520.

7. И.А. Артюков, Б.Р. Бенвер, А.В. Виноградов, Ю.С. Касьянов, В.В. Кондратенко, К.Д. Мачетто, А. Озолс, Х.Х. Рокка, Х.Л. Чилла. Фокусировка пучка компактного импульсно-периодического рентгеновского лазера для изучения взаимодействия излучения с металлическими мишенями и рентгеновской рефлектометрии. Квантовая Электроника, 2000, 30, 328. 

8. I.A. Artyukov, R.M. Feschenko, A.V. Vinogradov, Ye.A., Ye.A. Bugayev, O.Y. Devizenko, V.V. Kondratenko, Yu.S. Kasyanov, T. Hatano, M. Yamamoto, S.V. Saveliev. Soft X-ray imaging of thick carbon-based materials using the normal incidence multilayer optics. Micron, vol.41, Issue 7, October 2010, p. 722–728.

9. T. Parkman, M.E. Nawaz, M. Nevrkla, M. Vrbova, А. A. Jancarek. Water-window based on nitrogen plasma capillary discharge source. Report on 2015 International Workshop on EUV -ray sources. Dublin, Ireland, Nov. 9-11, 2015.

10. В.А. Бурцев, П.Н. Аруев, Е.П. Большаков, В.В. Забродский, Н.В. Калинин, В.А. Кубасов, В.И. Чернобровин. Мягкое рентгеновское излучение малоиндуктивного капиллярного разряда. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Электрофизическая аппаратура. 2010, № 5(31), с. 251-264.

11. В.А. Бурцев, В.В. Забродский, Н.В. Калинин (ФТИ РАН), Е.П. Большаков (ИИЭФА). Источники электромагнитного излучения на основе малоиндуктивного протяженного z- разряда ЖТФ, 2013, том 83, вып.2, с. 43-51.

12. V.A. Burtsev, N.V. Kalinin, S.A. Vaganov. Multi-range sources of electromagnetic radiation, based on a lowductive extended z- discharge. American Journal of Modern Physics, 2013, v. 2(3), p.117-123.

13. Vladimir Burtsev, Nikolay Kalinin, Sergey Vaganov. Low inductive extended z-discharge as a manyrange source of radiations. Journal of Advances in physics.2015, Vol.11, No 2, pp. 3023- 3034.

14. И.А. Артюков, ПА.В. Виноградов, Н. Л. Попов. О рентгеновском контрасте биологической наномикроскопии. Квантовая электроника, 2017, т.47, № 11, с. 1041-1045.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к исследованию живых биологических клеток. Комплекс для воздействия облучением и визуализации биологических клеток содержит источник излучения, включающий генератор высоковольтных импульсов с двумя формирующими двойными искусственными линиями, последовательно подключенные к нему газовый кольцевой обостритель импульсов, передающие коаксиальные линии, разделенные газовым цилиндрическим обострителем импульсов, конусную согласующую линию, капиллярную электроразрядную нагрузку, и систему газообеспечения аргоном, связанную с генератором высоковольтных импульсов, газовыми обострителями импульсов и капиллярной электроразрядной нагрузкой, связанной с технологической камерой, включающей узел дифференциальной откачки с импульсным газовым клапаном для защиты тракта транспортировки излучения от натекания аргона из капилляра и систему измерения давления остаточного аргона в технологической камере, и связанной с сильфонным узлом, выполненным в виде гофрированной металлической трубы, снабженной средствами регулировки для юстировки луча на мишенный узел диагностической камеры, выполненный с возможностью замены сменного биологического образца, при этом на выходе диагностической камеры установлен, с возможностью регистрации падающего и/или прошедшего излучения, датчик прошедшего излучения, а на ее фланце прикреплена камера субмикроскопа со смонтированным на ней турбомолекулярным насосом, при этом субмикроскоп включает освещающий и изображающий объективы, приемник излучения и держатель для сменного биологического образца. Использование изобретения позволяет повысить разрешение получаемого изображения биологического объекта благодаря возможности изменения длины волны излучения, при которой субмикроскоп будет обладать максимальной разрешающей способностью. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Комплекс для воздействия облучением и визуализации биологических клеток, содержащий источник излучения, включающий генератор высоковольтных импульсов с двумя формирующими двойными искусственными линиями, последовательно подключенные к нему газовый кольцевой обостритель импульсов, передающие коаксиальные линии, разделенные газовым цилиндрическим обострителем импульсов, конусную согласующую линию, капиллярную электроразрядную нагрузку, и систему газообеспечения аргоном, связанную с генератором высоковольтных импульсов, газовыми обострителями импульсов и капиллярной электроразрядной нагрузкой, связанной с технологической камерой, включающей узел дифференциальной откачки с импульсным газовым клапаном для защиты тракта транспортировки излучения от натекания аргона из капилляра и систему измерения давления остаточного аргона в технологической камере, и связанной с сильфонным узлом, выполненным в виде гофрированной металлической трубы, снабженной средствами регулировки для юстировки луча на мишенный узел диагностической камеры, выполненный с возможностью замены сменного биологического образца, при этом на выходе диагностической камеры установлен, с возможностью регистрации падающего и/или прошедшего излучения, датчик прошедшего излучения, а на ее фланце прикреплена камера субмикроскопа со смонтированным на ней турбомолекулярным насосом, при этом субмикроскоп включает освещающий и изображающий объективы, приемник излучения и держатель для сменного биологического образца.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что формирующие двойные искусственные линии выполнены накопительными.

3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что формирующие двойные искусственные линии выполнены многозвенными.

4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что мишенный узел имеет диафрагму стойку-держатель для сменного биологического образца.

5. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что освещающий и изображающий объективы представляют собой Шварцшильдовские объективы с многослойным покрытием.