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单粒子束装置束线传输系统的研究 摘要 单粒子束装置( s i n g l e i o nm i c r o b e a mf a c i l i t y ) 是一种可以将粒子 束的束径限制在微米量级的范围内，并将预定个数的粒子注入到细胞 中的某一指定位置的辐射装置。作为辐射生物学发展的前沿，单粒子 束装置为辐射生物学研究提供了一个强有力的手段并可以解决传统研 究方法无法解决的问题，在世界范围内受到广泛的重视。 中科院等离子体所离子束生物工程研究室是国内第一家开展此项 研究的单位。现在，本研究室的单粒子束装置以进入紧张的组装、调 试阶段。本课题所做的工作主要是对偏转磁铁、磁四极场进行性能测 试和对束线的传输进行模拟计算；编程实现离子记数和束开关的控制； 计算出使用不同束线时束开关上所应该加上的电压值，并且对可能影 响控制精度的因素进行了一些探讨，并提出相应的解决方案。本课题 所做的工作，在束线调试时会起到重要的作用。 本课题来源于国家自然科学基金资助、中科院重大仪器研制项目， 项目编号：1 9 8 7 5 0 5 4 ( 子项目) 。， 关键词：单粒子束，束流传输，优砂控制程序 s t u d yo nb e a mt r a n s p o r to fs i n g l e i o nm i c r o b e a m f a c i l i t y a b s t r a c t as i n 9 1 e i o nm i c r o b e a mf a c l l i t y1sas e to fs y s t e mt h a tc a n1 i m i tt h e d i a m e t e ro ft h ei o nb e a mt ot h em i cr o nl e v e la n dc a nd e l i v e rd e f i n e d n u m b e r so fi o n si n t oa nd e f i n e da r e ao fac e l l a sa na d v a n c e df a c i l i t y t e c h n i q u e o fr a d i a t i o n b i o p h y s i cs ，s i n g l e i o n m i c r o b e a m f a c i l i t y p r o v i d e dap o w e rm e t h o df o rt h es t u d yo fr a d i a t i o nb i o p h y s i c sa n dc a n b eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt r a d i t i o nm e t h o dc a nn o td e a lw i t h s o m a n yc o u n t r i e sa r ec o n c e r n e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y ， t h ec e n t ero fi o nb e a m b i o e n g i n e e r i n g i nt h ea s s i pi s t h ef ir s t 1 a b or a t o r yt h a td e d i c a t e dt ot h es t u d yo ft h em i c r o b e a mf a c i l i t y n o ww e a r eb u s yf i t t i n ga n dt e s t i n gt h ea s i p ps i n g l e i o nm i c r o b e a mf a c i l i t y t h e m a i nw o r ki nt h i s p a p e r a r ea s f o l l o w i n g ：t e s t i n g t h e p e r f o r m a n c e so f b e n dm a g n e t sa n dm a g n e t i cq u a d r u p l e ，s i m u l a t i n gt h ec o u r s eo fb e a m l i n e t r a n s p o r t ， r e a l i z i n gt h ef u n c t i o no fc ( 3 i u n to ft h en u m b e ro fr a d i a t e di o n s & c o n t r 0 1o ft h ee l e c t r o n i cb e a m s h u t t e r ，c a l c u l a t i n g d i f f e r e n t v o l t a g e w o r k e do nt h eb e a ms h u t t e ro fd i f f er e n t b e a m 1 i n e ，p r o b i n gi n t o s o m e f a c t or st h a tm a yi n f l u e n c et h e c o n t r o l l i n gp r e c i s i o na n dp r o v i d i n gs o m e m e t h o dt os 0 1 v et h e m t h ew o r k si nt h is p a p e rw i l lb eh e l p f u lw h e nw e t e s tt h ef a c i l i t y t h is p r o j e c th a sb e e ns u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ，a n di t i sam a g n i t u d ei n s t r u m e n td e v e l o p i n g p r o j e c t o fc h i n es e a c a d e m y o fs c i e n c e s ( n o ：19 8 7 5 0 5 4 、 k e y w o r d s ：s i n g l e i o nm i c r o b e a m ，b e a m t r a n s p o r t ，o p t i m i z e c o n t r o lp r o g r a m 致谢 首先，应该感谢我的导师邓铁如教授在两年多的研究生学习期间 在生活和学习各方面给我的诸多关照，他严谨的治学态度，耐，i i , 的指 导，使学生的学业得以顺利完成。感谢中科院等离子体物理研究所胡 素华副研究员在本人做课题期间给予的各种指导和论文进行期间提供 的大力支持。胡老师对待科学的严谨态度，对待学生的宽厚慈祥都令 人非常尊敬并使我终生难忘。 本论文从头至尾都是在中科院等离子体物理研究所完成的，因此， 我要特别感谢中科院等离子体物理研究所离子束生物工程实验室余增 亮研究员为本人提供了良好的课题工作环境，感谢余老师在本人作课 题期间在学习、生活各方面给予的关心和帮助。余老师高尚的人品、 渊博的知识和敏锐的洞察力对学生的未来将产生深远的影响。感谢程 建军、袁海涛、邓玉清同学和胡纯栋老师，正是他们使我从对单粒子 束装置和离子束生物工程学一无所知到现在有了一定的了解，并可以 为它做一点工作；衷心感谢刘军红老师对本人的关心；感谢研究室的 吴李君、姚建铭、王相勤等老师一年多来对本人的关照；感谢物理组 的李军、张束清，陈斌、吴瑜等老师对我的大力帮助；感谢胡智文、 王小华、王旭飞、袁航、时钟涛、李玉峰等同学在相处的日子里给予 的帮助和提供的建议。感谢研究室里所有的老师和同学们。 感谢合工大9 9 级研究生宋逢泉、刘冬、曹小琴、朱敏、鲍家明和 林辉等给予的帮助，感谢合肥工业大学理学院许多老师对我的教育和 帮助。 最后，感谢我的父亲母亲和兄弟姐妹多年来对我的无条件支持和 给予我的那份深深的爱。 陈连运 2 0 0 2 年1 月 插图清单 图1 1 我国国民受到的各种电离辐射剂量比较 图1 21 9 5 3 年建立的质子微束 图1 3g r a yl a b 的荷电粒子微柬束线示意图 图1 4 细胞前探测示意图( g r a y 实验室) 图1 5 细胞后探测示意图( c o l u m b i a 大学) 图1 6 单粒子束系统原理图 图2 1 中科院等离子体所单粒子束装置束线原理图 图2 2 加速器结构示意图 图2 3 偏转磁铁束线管扁盒端口示意图 图2 - 4 偏转磁铁束线管扁盒示意图 图2 5 偏转磁铁i 均匀场区水平方向磁感应强度、电流关系曲线 图2 - 6 偏转磁铁i 均匀场区竖直方向磁感应强度、电流关系曲线 图2 7 偏转磁铁i i 均匀场区水平方向磁感应强度、电流关系曲线 图2 8 偏转磁铁i i 均匀场区竖直方向磁感应强度、电流关系曲线 图2 9 不同离子u b 关系曲线 图2 1 0 四极场结构与场分布 图2 1 1 二单元四极透镜对 图2 一1 2 磁四极透镜结构示意图 图2 1 3x 方向聚焦磁四极透镜的示意图 图2 1 4x 方向聚焦磁四极透镜测试点 图2 1 5 图2 1 6 图2 一1 7 图2 - 1 8 图2 1 9 图2 2 0 x 方向聚焦磁四极场a s 点处磁感应强度、电流关系曲线 y 方向聚焦磁四极透镜示意图 y 方向聚焦磁四极场a ，点处磁感应强度、电流关系曲线 x 方向不同位置处磁感应强度测试点示意图 水平位置不同点处磁感应强度曲线 预瞄准器示意图 图2 - 2 1 英国的g r a y 实验室所研制的厚壁毛细玻璃管( h p l c ) 和“v ”型槽 瞄准器 图2 2 2 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 复合型激光孔瞄准器示意图 单粒子束束线传输模拟图 磁四极场磁极有效长度示意图 用t r a n s p o r t e m 程序模拟计算得出的1 一离子束线包络图 用l e a d s 程序模拟计算得出的1 h + 离子束线包络图 用t r a n s p o r t e m 程序模拟计算得出的3 h e 2 + 离子束线包络图( 未优 化) 用t r a n s p o r t e m 程序模拟计算得出的3 h e 2 + 离子柬线包络图( 已优 化) 有关参数优化前后3 h e 2 + 离子束线包络的变化情况 用l e a d s 程序模拟计算得出的3 h e 2 + 离子束线包络图( 未优化) 图3 - 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 - 1 3 图4 一1 4 用l e a d s 程序模拟计算得出的3 h e 2 + 离子束线包络图( 已优化) 束线控制系统的框架图 离子数目计数和电子开关的控制过程示意图。 束开关结构图 束开关原理图 程序流程图 前探测、后探测示意图 离子记数信号输入示意图 束开关控制信号输出示意图 束开关的相位图 束开关正、负高压的波形示意图 计算机供电系统 信号侧一点接地 接收侧一点接地 屏蔽层一点接地 表格清单 表1 1 世界上已建成的四台单粒子束装置主要参数对照表 表3 - 1 用t r a n s p o r t e m 和l e a d s 程序模拟计算1 h + 离子束线的结果对照 表3 - 2 用l e a d s 和t r a n s p o r t e m ( 优化前后) 模拟计算3 h e 2 + 离子束线的 结果对照 表3 3 用t r a n s p o r t e m 和l e a d s ( 优化前后) 模拟计算3 h e 2 + 离子束线的 结果对照 表4 1 h y 6 1 2 0 隔离型数字量输入输出板技术指标 表4 2 h y 一6 1 2 0 板i o 端口地址分配 表4 3 板数字量输入格式 表4 4 板数字量输出格式 第一章绪论 11 前言 单粒子束装置又可被称为荷电粒子微束( c h a r g e d - p a r t i c l em i c r o b e a m ) 装 置，是微束( m i c r o b e a m ) 装置的一种。它可以将粒子束的束径限制在微米量 级的范围内，并将预定个数的粒子注入到细胞中的某一指定位置。作为辐射生 物学发展的前沿，单粒子束装置已经成为当今世界上用来估计低剂量电离辐射 对生物体效应的个强有力的手段，因而受到了高度重视。美国、欧洲数国、 日本和中国等许多国家都已经或正在开展这方面的研究工作。 中国科学院等离子体物理研究所在国内率先进行了这种装置的研制，从 1 9 8 9 年起，中科院等离子体物理所在低能离子生物学方向承担了多项国家和部 委科研项目。如国家计委“九五”重点科技攻关项目“离子束应用技术研究”， 国家自然科学基金重大项目“低能离子与生物体相互作用研究”等。它们在研 究方向中都提出了单粒子束及单粒子生物效应研究这一前沿问题。单粒子束建 设的前期工作逐步展开，并以1 9 9 9 年成功申请中科院重大仪器研制项目一一 “单粒子束精确定位照射细胞系统”为标志进入主体研制阶段【1 】。 笔者有幸自2 0 0 0 年1 0 月开始，到中科院等离子体物理研究所离子束生物 工程实验室参加参加这项国家级重点科技攻关项目的科研工作，并进行硕士论 文研究。作为实施单粒子束照射细胞系统的一部分，作者参加了加速器及束线 传输部分的研究、分析和计算；对加工好的部件进行安装、调试并开展相关实 验，及时总结经验：编程实现辐射离子记数和束开关控制等。这些工作为本研 究物理方案的实施，为在预定时间内建成我国第一台单粒子束装置，填补我国 在这一领域的空白起到了重要的作用。本文就是在总结这一年半工作的基础上 形成的。 1 2 离子束生物工程学简介 离子是一种荷电粒子，在自然界中广泛存在。2 0 世纪后半叶，随着低能粒 子加速器和离子注入技术的发展，低能离子与物质相互作用研究对半导体工业、 微电子和材料科学产生了重大影响 2 1 。然而，由于低能离子能量低，射程短， 长期以来，人们一直将与低能离子相互作用的研究对象局限于气体( 包括等离 子体) 、固体( 金属、半导体等) 和高分子材料等这些无生命的物质。无论国内 还是国外，低能离子的生物学作用及其在生物学中的应用研究一直未受到重视。 直到中国科学院等离子体物理研究所余增亮等人于1 9 8 6 年首次发现用低能n + 离子注入水稻种子诱发变异 3 1 ，证实了低能离子束与生物体的相互作用。在接 下来的十几年时间罩，经过国内外科学家在这一领域内的不懈努力，从而逐渐 发展成为一个崭新的研究方向一一低能离子生物学。 121 离子束生物工程学 离子束生物工程学也叫低能重离子注入生物学，是八十年代中期诞生在我 国的一门边缘交叉新学科，离子束生物技术是具有中国自主知识产权的原始创 新技术，并已从国内走向世界。目前，不仅以中国科学院等离子体物理研究所 离子束生物工程研究室为中心的我国大部分省市开展了这项研究工作，而且美 国、日本、英国、澳大利亚和泰国等也相继开展了这方面研究，日本还将离子 束生物技术列为“人类前沿科学计划” 4 1 ，作为优先发展的高科技项目，将成 为二十一世纪生命科学研究的支撑技术之一垆j 。 自从离子束生物工程学诞生以来，在短短十余年时间里人们已经在诱变育 种、植物转基因、生命起源和进化以及环境辐射与人类健康等方面取得了一些 重要的阶段性研究成果，开辟了具有重要理论和应用价值的研究方向。在基础 研究领域，为分子生物学、遗传工程等方面的研究提供了新的手段和方法，新 的实验证据使得人们对低能离子在生命起源中的作用有了更多认识。特别是离 子束生物工程技术在工农业、医药业的应用带来了巨大的经济效益。目前，离 子束生物工程技术日益成熟，产业化获得初步成果，并在不断开创新的研究领 域。离子束生物工程学以揭示低能离子与生物体相互作用规律为目的，具有深 刻的科学意义和广阔的应用前景。低能离子束在生命起源、植物、微生物等方 面的研究和应用将对人类社会的发展产生巨大的推动作用。那么离子束与生物 体是如何相互作用的呢? 1 2 2 低能离子与生物体的相互作用原理 低能离子通常指能量低于m e v 级的荷能粒子。如果按照离子注入金属和半 导体的理论，几百k e v 的离子在生物体中的射程仅微米量级，似乎不能穿透几 十微米厚度的生物体( 如干种子) 的表层而到达胚部，生物效应也就无从谈起。 然而，研究发现农作物组织内部存在着不同层次的、杂乱无序的孔洞、空腔。 离子注入一方面对生物体表面产生溅射刻蚀作用，另一方面使得这些孔洞和空 腔被连通，形成渐深的通道，使后续的离子可以深入到遗传物质上，从而引起 损伤、变异等生物效应【6 】，能量为几十至几百k e v 的荷能离子注入生物体后可以 使质量、能量和电荷共同作用于生物体，比其它电离辐射的作用更为丰富和复 杂f ”。 般认为，离子束作用于生物体时，最早发生的是离子与靶原子问库仑作 用而进行的能量和动量的转移【8 】。在碰撞过程中，入射离子逐渐损失掉能量， 转移的能量可引起靶分子的电离、激发和化学键的断裂，如果作用发生在d n a 、 酶等生物分子上时，将会引起d n a 链断裂而导致生物特性的变化。另外，荷能 离子与水分子作用会产生0 h ，h + 等活性基团，它们会引起生物分子一系列的间 接损伤。 随着注入离子因能量损失在生物体内慢化，在与靶原子的每次碰撞中，俘 获电子的几率增大。大约9 0 的注入离子将在细胞表面获得电子，成为中性原 子。只有一小部分注入离子进入细胞内部并最终与生物分子进行电荷交换，将 电荷“沉积”在细胞内部，发挥生物效应。 在电荷转移的同时，注入离子还以一定的几率与生物分子发生键合，将自 身的质量沉积在生物体内。离子的质量沉积产物可以改变细胞内分子成份，会 影响细胞内的酸碱平衡。例如注入h + 可使细胞内的p h 值减小。 因此，离子束注入生物体内，将产生质量沉积、能量转移和电荷交换效应。 这使得离子束生物效应具有损伤轻、突变谱宽、突变率高等特点【9 l ，是传统辐 射如电、磁、光辐射、x 射线等主要是能量效应的手段所难以实现的。利用动 量过程引起的溅射，离子束能象手术刀那样对细胞进行刻蚀和加工，也使得离 子束定点定量注入生物体成为可能。 当然，离子和生物体相互作用的机理十分复杂。从离子注入到生物效应的 出现，是一个宽广的时空过程。以细胞学的角度看，离子束与生物体相互作用 经历了损伤的原初过程和增加过程。原初过程包括注入离子的能量沉积、质量 沉积和电荷转移三部分，它首先引起生物体分子水平上的变化，最终通过损伤 的增强作用而引起各种生物效应。但这些效应不一定可遗传，有些在生长过程 中能自我修复，有些经过若干代后，一小部分性状被固定下来。生物体是一个 有机整体，局部损伤会引起其它细胞的连锁反应，使得最终结果十分复杂。 1 2 3 离子束生物学应用现状 离子束生物学的研究方向主要包括诱变育种、离子束介导转基因、低能离 子与生命起源、环境辐射与人类健康等。随着生物技术挑战信息技术的到来， 离子束生物工程必将得到更深入广泛的发展和应用。据统计，到目前为止，已 有1 7 项创新成果和批有重要价值的育种材料获认定，其中7 个高产、优质、 抗病虫农作物新品种和6 个微生物新菌株经推广应用，到目前已累计创1 7 亿元 人民币的经济效益i l 。 1 2 3 1 诱变育种 大量实验证明，低能离子辐照下多种生物体具有“马鞍型”存活剂量效应 曲线j ，即随着注入剂量增加，生物体的存活率先降后升，到达峰值后又急剧 下降。较高的剂量下，低能离子注入仍能保持较高的存活率，大大增加了有用 突变体的数量，因此，离子注入用于作物诱变有可能在损伤轻的情况下获得较 高的突变率和较宽的突变谱。为生物的遗传改良开辟新的途径【1 2 l 。 在植物方面，经离子束诱变已获得了水稻、小麦等新品种。几年里，经离 子注入获得有价值的育种材料已有3 0 0 0 多份，从中选育的优良品种已经大面积 推广。其中晚粳d 9 0 5 5 被评为安徽省优质米新品种 13 1 , 皖麦3 2 号已通过品种 审定。另外，离子注入在诱导棉花变异、蔬菜育种方面也有良好效果u 4 1 1 5 。 在诱变改良微生物方面，用离子注入法选育高产菌株，已经大幅度提高了 多种工业微生物发酵产物的产量。姚建铭等对口一淀粉酶和利福霉素产生菌进行 改良，筛选到高产利福霉素菌种，其发酵水平比出发菌高4 0 ，口一淀粉酶菌株 酶活水平由3 0 0 u m l 提高到5 l o u m l i l 。许安、虞龙等利用离子注入技术使二 步v c 混合菌山梨糖到古龙酸的克分子转化率从原来的8 0 稳定地提高到9 4 ， 创国内外二步发酵法新高，高产菌株已供企业生产使用，新菌株在3 0 0 吨发酵罐 上糖一酸转化率高达9 4 8 ，处于国际领先水平，使我国两个最大的v c 厂家每 年增加效益数千万元，大大提高了我国v c 生产的国际竞争力i i ”。经离子注入 筛选的花生四烯酸( a a ) 生产菌生物量3 5 9 l 发酵液，总脂占4 5 ，其中a a 占总 脂的5 0 以上，2 5 0 l 气升式发酵罐中，a a 得率为4 13 9 l 。菌种发酵水平高于 国外专利水平【l ”，离子注入选育高产利福霉素菌株【l9 】等生产菌也取得了明显 的成效。 离子注入也活跃在分子生物学领域。鲁润龙教授报道了离子注入体外质粒 引起超螺旋环状d n a 断裂而成为开环d n a 结构1 2 。 1 2 3 2 离子束介导转基因 低能离子注入的质量沉积效应很容易对细胞产生刻蚀作用，打破细胞壁这 一屏障。这种刻蚀作用提供了外源遗传物质进入细胞的途径，在此基础上发展 起来的离子束介导遗传转化技术已在水稻、棉花、小麦等多种植物上取得成功 b “”】。日本也有研究小组报道用离子束介导的方法将外源基因导入烟草花粉并 再生出转化植株【2 “。与基因枪法等其它转基因方法相比，离子束介导法的优势 在于：取材方便，一次可以大批量操作；注入离子的溅射刻蚀产生的微孔和孔 洞形成了外源d n a 的良好通道，离子所带的正电荷还对带负电荷的外源d n a 产 生向内拉力；同时，注入离子对细胞内d n a 的轻微损伤更有利于转入d n a 的重 组和整合1 2 5 1 。 借助离子柬介导的方法转移活性裸露d n a 大分子已成为当前基因工程研究 的热点。吴敬德等通过离子束介导法将紫玉米总d n a 导入水稻品种中，在稳定 遗传的变异株上表现出供体玉米的紫色性状【2 “。 宋道军等用离子束介导将银杏供体d n a 导入西瓜品种中，银杏内酯在西瓜 品种中的表达量为4 5 9 9 9 8 m g g ，实现了超远缘分子杂交【2 ”。离子束介导远缘 杂交使得人们可将某些不同品种的优势组合起来，创造下一代优良新品种。 1 2 3 3 离子束与生命起源和进化 生命起源一直是困惑学术界的难题之一。现代科技成果证明离子在生命活 动中起着十分重要的作用。王相勤等人【28 】通过低能离子注入生物小分子的研 究，发现n + 注入乙酸钠可形成甘氨酸钠，n + 注入甲酸盐、乙酸盐不仅能形成晴 基，而且能形成环状氨，溶于水后形成新的氨基酸。由此可以推测，原始大气 中的氮电离后，注入并沉积到地表有机盐分子中引起靶原子移位和重排，可能 是最初生物有机小分子形成的重要途径之一。 12 34 环境和人类健康 一个世纪以来，人们对电离辐射给予了特别的关注，其心情是兴奋与恐惧， 希望与不安。兴奋与希望是因为电离辐射给人类带来了很多前所未有的好处， 能够解决人类生存发展面临的许多难题，能够诊断和治疗人体的疑难疾病；恐 惧与不安是因为电离辐射同时又存在着明显的或潜在的危险，过量的辐射或使 用不当会伤害人体，影响健康，对人类造成危害或灾难。 对于放射性职业人员和社会公众一般所关心的是低剂量下( o 5 g y ) 电离 辐射产生的生物效应问题。对于非随机效应，这个低剂量值远低于发病的阈值， 因此不必担心；而对于随机效应由于没有剂量阈值，只要受到照射，不管多少 都可能产生生物效应引起病变，这正是人们所忧虑的问题之一。遗憾的是，由 于现实中没有发现在低剂量下生活和工作的人群，因电离辐射导致的恶性病变 与其他人群有明显的不同，无法得到确切的估计。现在人们只能根据高剂量下 生物效应的结果外推和大量动物实验的结果，对这一问题做出统计估计。但近 些年的大量研究表明，将高剂量的结果外推到低剂量区域可能并不能反映事情 的真实情况。 实际上，人类受到来自两个方面的辐射源的照射：天然放射性源和人工放 射源。 人类在地球上受到三类天然放射源的照射：宇宙射线、宇生放射性核素和 原生放射性核素。宇宙射线是来自地球外层空间的高能粒子流，有初级宇宙射 线和次级宇宙射线之分。字生放射性核素是由初级宇宙射线与大气中各种元素 的原子核发生作用时产生的。原生放射性核素是从地球诞生至今一直还存在于 地壳中的放射性核素。天然放射 性源是客观存在的，它对人体的 照射称为天然本底辐射。 而人工核辐射源的照射主要 包括：医疗照射、核试验下落灰、 核动力生产中的废物和放射性同 位素技术应用所使用的加速器、 反应堆和放射源等。 图1 1 我国国民受到的各种电 离辐射剂量比较 自然界中，粒子辐射不管是天然的还是人工的，总有少数有静止质量的粒 子注入到生物体内，影响生物的进化和公众健康。美国肺癌死亡人群中，每年 约有一万五千人是因为居室氡气粒子入射引起的。可是，辐射生物学长期以来 仅考虑能量沉积造成的损伤，即使八十年代兴起的重离子治疗肿瘤研究，仍然 回避了注入肿瘤部位的慢化离子沉积作用。 调查研究表明：我国居民受到的天然放射性照射水平比世界正常本底地区 偏高，这是因为我国一些地区土壤中放射性比活度偏高，造成我国食品中天然 放射性核素比活度也偏高，居民食入后受到的剂量会有所增加。我国居民每年 受到的各种电离辐射剂量当量平均值为2 4 9 m s v 人，每部分的贡献如图l 一1 所 示，天然本底是最主要的，为9 3 4 ；在人工放射源中，医疗照射占很大比例 1 2 9 1 。 人类永远关注自身的健康，并力求采用先进手段攻克疾病。离子束生物技 术为此提供了新的有效手段。如吴李君博士等人研究了微剂量离子定点照射细 胞质会引起核基因突变【3 ，从而论证了居室环境低剂量暴露的危害性，受到国 际同行的关注。特别地，离子注入技术可以模拟太空辐射对人体的危害作用， 为人类太空飞行事业提供科学的依据和指导。 总之，离子束生物工程学作为一门年轻的、正在蓬勃发展的交叉学科，是 物理科学与生命科学相结合的产物。十多年来，离子束生物工程学以其学科交 叉的优势显示出强大的生命力。取得了一系列的突出成果和进展，受到世界各 国的广泛重视，其基本内容渐趋定型，发展方向更加明确。 1 3 单粒子束装置研究的重大意义 1 3 1 各种微束装置简介 前面已经提到，单粒子束装置是微束装置的一种。其实，历史上用于辐射 聚焦紫外线微束。 图1 21 9 5 3 年建立的质子微束 1 3 2 现代微束装置建立的必要性 综上所述，历史上用来辐射生物学的微束种类很多，而且已经有了一些粒 子微束，但由于早期技术落后，这些粒子微束普遍存在一些不足，它们的缺点 主要有：所得到的束线的能谱很差、剂量较低而且因为缺少粒子探测系统而使 辐射的剂量难以精确控制，而且，由于当时技术的限制，每次只能辐射数目很 少的细胞。这些不足严重地制约了探测细胞中辐射敏感点的研究工作的深入进 行，不能回答类似于低剂量辐射下的细胞生物学效应问题。 近几十年来，随着各种新技术的出现，使得现代微束装置( 单粒子束装置) 的出现成为可能。单粒子束将提供对选定细胞注入预定数目的离子并精确地注 入到指定位置的手段，解决了以往“宽束”所不能解决的定点定量辐射问题， 可用来研究传统方法所不能解决的一系列重要的辐射生物学问题。装置建成后 将为相关领域研究提供技术支撑，如人口与健康领域的信号在细胞内、细胞间 传导途径、细胞近旁效应等；农业高新技术领域中的细胞手术和分子育种；新 材料领域的微孔膜制备；空间技术领域的航天电子器件单粒子翻转；环境领域 的环境低剂量辐射与细胞癌变等。特别是单粒子束细胞手术，将在动植物和微 生物育种上发挥巨大作用，既可促进相关行业科技进步，又可创造重大社会经 济效益。 1 3 3 国外比较成熟的两家单粒子束装置简介 低剂量辐射生物效应的研究是目前国际上研究的热点之一，其关键是研究 单个粒子照射单个细胞产生的生物效应以及研究单个细胞受到照射以后相邻细 胞的通信情况；环境低剂量辐射危害人类健康的研究例如因居室氡粒子辐射引 起的肺癌也需要一种新的辐照手段。从辐射生物学看，向细胞特定部位投射一 个或多个粒子，可以定量研究能量分配与生物效应的关系。 图1 * 3 g r a yl a b 的荷电粒子微束束线示意图 九十年代以来，欧美和日本把离子束作为生命科学研究中的支撑技术之一 而受到高度重视。美国、英国、意大利等发达国家竞相开始开发单粒子束细胞 定位照射系统来实现定点定量辐射，以探讨单一粒子与生物体的相互作用。研 究的目的，一是利用离子冲击发光和讯号的检出、图象的再构成从原子分子尺 度上计测细胞的精细结构，二是利用离子束超微加工、细胞手术，部分损伤和 切割基因。这对阐明细胞的功能以及发展细胞工艺学，有目的地控制生物过程 等具有重要意义。 到目前为止，世界上已建立起来的用于细胞生物学实验的微束装置有四个： 英国的g r a yl a b o r a t o r yc a n c e rr e s e a r c h t r u s tm i c r o b e a m ，美国的c o l u m b i a u n i v e r s i t y r a r a fm i c r o b e a m ，美国的t h ep a c i f i cn o r t h w e s tn a t i o n a l l a b o r a t o r y 和德国t h e d a r m s t a d t m i c r o b e a m 。其中比较有名的是英国g r a y 实验 室和美国c o l u m b i a 大学的两套装置。这些装置的主要参数见表1 1 ： g r a y 实验室的装置( 如图1 3 ) 更适合于处理单个细胞受到照射以后研究 相邻细胞的通信；c o l u m b i a 大学的装置处理速度快，每小时可达3 6 0 0 个细胞。 这两台装置都是利用v a nd eg r a a f f 加速器把离子加速至4 m e v 左右再通过束 传输系统进入瞄准器，形成单粒子束。装置的主要部分包括加速器、束线传输 系统、粒子的准直与探测、细胞识别与计算机控制等，其中粒子的准直和探测 是关键。自行编制的计算机控制程序可对细胞自动精确定位、照射和对被照射 过的细胞进行回访。将宽束转变为g m 量级束径微束的关键部件是瞄准器。而 离子探测器和束线电子开关的组合为定量辐射提供了依据。仅就探测器来说， 美国c o l u m b i a 大学和英国g r a y 实验室分别使用了气体电离室和闪烁体探测器。 就探测位置来看，美国的气体电离室探测器属于细胞后探测，而英国的闪烁体 探测器属于细胞前探测。从探测的效果这一角度来看，这两种探测方法各有利 弊f 30 1 。 图】- 4 细胞前探测示意图( g r a y 实验室) 图1 5 细胞后探测示意图( c o l u m b i a 大学) 璀堑霞豁昶戳刊删裂酱牛裂斟姐哥g趟裂衄叫呔掣二搽 翅 状状牛k 状水 君 s 去 崮 好 巾搓m 搓搓 捌胀 联毒l 臣 暴旺 基暴塞吉 嚣掣蓉罂 捌 型 送稚咖恩柱景恒囊糯最峰 剽嚣 懿 释 蛙s 景s 吾墼 删 交博。 鲢 糕 慝 疆 星如曼 删 七 目辎 删 暑察暑 喧 m 剥j 投蝰懈 巢粼竺交 扩【= 婪叫_ 坦 窭 裂j 嘏 杈u 蓦熊 基襄 淹 嚣 粤己 酬垫 # 餐 蛰莨车 q 墓 田 窿裂划高般裂= j 捌 蓍莩瘸 口d 正 笺 黧 岬 n 志 + 主 z 寸。 懈 寸“ 毛 f 民 z n “ 忙 n 屯 基 粼 再 g zz 錾 * n 4 n “ 黼 + 三j毯翼 z 士 一一 刮 鼍 耄 毒j 螂 米k g g 季 u 黯 蠢藿 薹薹 稚 幽 喜蓍oo垂羹 居 型q d 曼 g 烤 京 三 g oz 矗 ou 山 o 单粒子束技术涉及了核物理、真空技术、生物学、电学、光学、材料科学、 计算机图象处理和控制技术等多门学科。图1 6 是单粒子束装置原理图，它包 括离子束的产生、加速、传输、准直、单粒子检测和控制、细胞精确定位、细 胞前后的粒子数探测、细胞图象在线分析等等。 当然，单粒子束装置也随着技术进步和实验要求提高在不断完善。未来的 发展趋势是：微束束径将缩4 , n 微米以下，照射速度提高到5 0 0 0 1 0 0 0 0 细胞 小时，并采用自动聚焦等手段来提高定位照射的精度。 1 4 本所单粒子束装置研制现状及本论文 研究的主要内容 为了进军国际前沿，中科院等离子体所离子束生物工程研究室正致力于发 展单粒子束技术。 “九五”期间，等离子体所在国家自然科学基金的资助下，分别派员前往 了美国c o l u m b i a 大学、英国g r a y 实验室参加微束辐射细胞研究工作，并引进 了美国t e x a s 大学赠送的5 5 m e v 静电加速器。同时，研究室有物理、化学、 生物、工程、计算机等背景的研究人员可进行学科交叉，在以往的离子束生物 工程学装置的研制中己取得丰硕成果，生产加工方面与等离子体所研制中心合 作。因此，研制单粒子束精确定位照射细胞系统的条件完全成熟。该项目还获 得了1 9 9 9 年国家自然科学基金面上项目的资助。 本装置现已经进入紧张的组装调试时期。各组成部件己基本到齐，研制小 组对各部件已经或正在进行检验、测试。在前期工作中，加速器已改造成功并 通过国家验收。最近，束线部分真空的调试已经达到要求。对束线品质起到决 定性作用的两个偏转磁铁、一个磁四极磁场和它们的配套电源都已经进行了严 格的测试，实验结果非常理想，完全能够满足设计要求。束线探测部分的研制 工作进展顺利，已经取得实质性的突破。微束室里样品架，显微镜，c c d ，图 象增强仪，能谱探测等部件都已到齐，其中部分已经调试成功，余下的正在进 行调试。图象处理、样品架控制、离子注入个数记数和束开关( 电子开关) 的 控制等计算机程序的编制工作正在紧张有序地进行，而且现在已经取得了很大 进展。各种迹象表明：我们很有希望在今年内将该装置安装、调试成功，填补 我国在这一领域的空白。 本课题作为实施单粒子束照射细胞系统的一部分，主要任务是根据物理方 案对加速器以及束线传输部分进行深入的研究、分析和计算：对加工好的部件 进行安装、调试并开展相关实验，及时总结经验；编程实现辐射离子计数和束 开关控制等。总之，本课题的研究将为物理方案的实施起到非常重要的作用， 为在预定时间内建成我国第一台单粒子束装置服务。当然，因为中科院等离子 体物理研究所所承担的“离子束应用技术研究”是一项跨学科，涉及众多专业 的系统工程，而单粒子束装置的研制作为该系统工程的一个子项目，本身也是 一项浩大的工程，是整个装置研制小组全体成员集体智慧和心血的结晶，因此， 个人的工作很难与集体的工作截然区分开来。本文中许多重要实验均是同装置 研制小组的许多老师和同学们一起共同完成的，在此，谨对他们表示衷心的感 谢。 第二章单粒子束线系统关键部件研究 2 1 单粒子束原理 单粒子束装置主要由静电加速器、偏转磁铁、束稳定、磁四极场、电子开 关和瞄准器系统等构成。图2 1 是中科院等离子体所生物工程实验室单粒子束 装置的离子束线传输原理图。射频离子源产生的离子被加速器加速之后，经过 导向器和狭缝到达第一个偏转磁铁。被第一个偏转磁铁所选择的单能粒子水平 地经过束稳定、磁四极场、束线的电子开关到达第二个偏转磁铁。从第二个偏 转磁铁出来的粒子束再经过一对狭缝进入到微束室中。在微束室，粒子通过瞄 准器系统形成单粒子束，用于对细胞进行定位、定量辐射的研究。 图2 一l 中科院等离子体所单粒子束装置束线原理图 由以上束线原理可知，从加速器引出的离子柬采用两个9 0 。偏转磁铁构成 束线的主体，使离子束变成垂直向上的束线，为细胞辐射提供了便利的条件。 微米量级的束径的实现是采用预瞄准器与瞄准器相结合的方法来完成的；注入 离子个数的精确控sj j 贝j 是采用离子个数探测器与束线中的电子开关相结合的方 式来完成；在细胞识别和辐射过程中，样品的移动采用具有扫描功能的样品架 来完成；微图象的成像和细胞核的识别是由显微镜、图象增强器、c c d 和图象 处理卡共同完成；整个过程的控制则是建立在样品架控制基础上的控制软件来 完成的。 仅就束线系统来说，加速器、两个偏转磁铁、磁阏极场和瞄准器系统( 包 括予磊瞄猴器釉豁准器) 楚其中最关键的部件。加速器是离子束的来源，正是由 它产生爨有一定能羹，一定强度且品质达到一定要求的束流；后衡几个部件则 决定了柬线淹否准确楚进入微柬室，以及到达徽柬室的束线品质能否达到设计 瑟求。瑟束线的高晶矮正是整个单粒子束装置能对缅胞遂行精确的定位、定羹 辐射实验曲藩提。爨此，本牵将结合实验对这凡个帮分分剐进行一些研究。( 因 搬速器的安装、谖试工 乍，在本谋楚缀静藩期工作中磊经宠成，j 匏处只列密稻 关的缝粜。) 2 ，2 静建热速器磷究 本装置所用加遮器为静电加速器( 又穆v a nd e g r a a f f 期速器) ，是我掰1 9 9 6 年从美国t e x a s 大学引进麴，强2 - 2 为其续梅示意图。 1 一高频电源2 - - 隔离变压器3 一阳极电源4 一热机械漏电源5 一聚 焦电源6 刮电针排7 一喷电针排 8 一马达9 一高艇电极1 0 一发电机 1 1 一分压穗1 2 一输电带1 3 一喷电电 源1 4 离予源 5 衔接扳1 6 一加速 管1 7 一绝缘柱1 8 电晕搽针1 9 裹压表2 0 一钢犟2 l 一囊空系统 2 2 一控划线通道 图2 - 2 加速器结构示意爨 本加速器离子源采鼹射频离 子源，其功率为1 0 0 w 。与其毡类型 离子源耀比，射频离子源优点是功 耗低，质子比裹( 可达7 0 9 0 ) ， 容易出东且性能稳定。 最高电压决定了加速粒子的能量。本加速器最高电压在4 m v 左右，可以满 足离子束生物工程学对离子能量的要求。 考虑到绝缘气体的绝缘性、化学稳定性以及价格因素等诸方面的原因，绝 缘气体采用n ：和c o ：的高压混合气体( 1 ：4 ，1 5 a r m ) ，其击穿强度约2 0 k v c m 左右。 2 3 偏转磁铁研究 2 3 1 偏转磁铁原理【3 8 儿3 9 】 带电粒子( 质量为m ，电荷为z e ) 以速度；进入均匀磁场( 磁感应强度为 b ) 中时，将受到洛仑兹力吒的作用： 吒= z e v x b ，其大小为：吒= z e v b s i n a( 2 1 ) 式中口是矢量v 和b 的夹角，洛仑兹力e 的方向垂直于矢量v 和口所决定的 平面。在这个力的作用下，离子的运动轨道弯曲了。 当口= ，2 ，即粒子的速度矢量v 和磁感应强度b 方向垂直时，由上式可知 五最大，且与日、v 互相垂直。从而使粒子作圆周运动( 磁场对运动粒子不作 功) ，此时的向心力b 由洛仑兹力f 充当： 吒= z e v b ，e ，= 旦( 2 2 ) p 从而有动量表示式： p = m v = z e b p = z e g( 2 _ 3 ) g = 印= 导 w b m ( 2 4 ) 。 盈 、7 其中的g 称为“磁刚度”，是运动粒子动量的量度，p 为粒子圆周运动的曲 率半径。 由 e川1 一= 一 e om o 1 一p 2 ( 2 5 ) ( 2 5 ) 式中e 和e o 分别表示粒子的运动粒子全能量和静止时的能量，m 表 示粒子在运动时的质量，m o 表示粒子静止时的质量，常表示为原子质量单位的 倍数一一质量数a ，d 表示粒子的相对速度，因为加速粒子一般都进入相对论能 量范围，如果用c 表示光速，v 表示粒子运动速度，则有： ：兰，m ：尘 。 c l 一2 e o = m o c2 ，e = m c 2 队而奄：母e = q e 一e ； 得： p = 7 e - 肪= 庐哥 或： p = ：瓶 故有：e = 护丽 f 2 8 1 式中w 的表示运动粒子的动能 谓加速能量即指的是该能量。 将( 2 3 ) 式带入得： ( 2 6 ) f 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 其大小为w = e e 。，一般所 e = ( 乙c g ) 2 + 曰 当e 、e o 以 m e v 为单位时，上式可改写为： e = 、厢瓦面疆- 由此可得： ( 2 1o ) ( 2 1 1 ) g ：鸳箬 w b m ( 21 2 ) 3 0 0 z 、 当b l 时上式可近似表示为： g ：塑堕( 2 1 3 、 3 0 0 z 因为= z v ，上式可写为： g ：上， 2 v e o ( 2 t 4 ) 3 0 0vz 通过以上分析可知，在已知离子种类和加速能量( 或加速电压) 的情况下，可 以算出它的磁刚度。那么，在恒定的磁场( 磁感应强度为b ) 中，由( 2 3 ) 式可 以看出，只要动量相同，就会有相同的偏转半径。 边缘场聚焦 当束流进入垂直于运动方向的磁场区域时，粒子就会被偏转，这时的束轴 就是弯曲的，且弯曲的形状由粒子动量决定。此外，具有相同动量的粒子离开 轴时会受到一个与磁铁边缘处的过渡区有关的聚焦( 或散焦) 作用，这种作用 被称为“边缘场效应”。因此两个偏转磁铁除了具有使束线偏转9 0 。的作用外， 边缘场对束线还具有一定的聚焦能力3 9 1 1 4 0 1 。 2 3