（课程与教学论专业论文）单粒子束装置的束品质优化研究.pdf

单糠子哀装置缝束晶厦垅化研究 摘要 离子束生物工程学是余增亮先生开创的新兴交叉学科。它己在离 予束介导转基因、诱变育种、环境辐射与人类健康等镁域取褥重大成 柒。由于单粒子束可以对细胞进行定点寇量辐射，所以它对促进离子 荣生物工程学的研究与应用都有煎大意义。而对细胞的定点定量辐射 都要以良好酶窳线菇痿为前提。戮茈对鼙粒子寒装置及其柬线品餍的 研究具有重要意义。 本文重点讨论了孛科陵离予慕生物王程掌鬟点实验室荸粒子寨装 置的束流传输部分，对主囊部件进行了详细的讨论，如：静电加速器、 臻转磁铁、磁疆援透镜、窳线开关、爨漆器等，实验中已取德寒滚雾 过l o g r e 小孔的标志性成果，并运厢相关理论结合具体实验分析了实验 结果。间时提出了利用发射度测爨装置来监测窳流晶绞进焉改变磁麴 极透镜相关参数以实现实时地对柬线品质优化的设想。 关键谒：擎粒字，秉绫善磊j 往讫，秉滚静螽，发者爱 太 s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no fi o nb e a mq u a l i t yf o r t h es i n g l e i o nm i c r o h e a mf a c i l i t y a b s t r a c t i o nb e a mb i o e n g i n e e r i n gw h i c hi scr e a t e db yp r o f e s s o rz l y uisa n e wc r o s ss u b j e c t i th a sa c c o m p l i s h e dm a n yi m p o r t a n ta c h i e v e m e n t si n g e n e t r a n s f o r m a t i o nm e d i a t e d b y i o n b e a m ，m u t a g e n i c b r e e d i n g ， e n v i r o m e n t a lr a d i a t i o na n dh u m a nh e a l t ha n ds oo nf o rt h es i n g l e i o n m i c r o b e a mc a ni r r a d i a t ec e l li np r e c i s es p a t i a la n dap r e d e f i n e dn u m b e ro f p a r t i c l e ，s o i tc a nb o o s tt h er e s e a r c ha n da p p l i a n c eo fl o we n e r g yi o n b e a m b i o e n g i n e e r i n g h o w e v e r ，i t i s g o o d b e a m q u a l i t y t h a tis p r e l i m i n a r yf o rt h ei r r a d i a t i o ni np r e c i s es p a t i a la n dapr e d e f i n e dn u m b e r o fp a r t i c l e ，h e n c ei tisi m p or t a n tt os t u d yo nt h es i n g le - i o nm i cr o b e a m f a c i l i l ya n di t sb e a mq u a l i t y t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h eb e a mt r a n s p o r tp a r to fa s i p pk e y l a b o r a t o r yo fi o nb e a mb i o e n g i n e e r i n ga n di t sc o m p o n e n te l e m e n t s ，f o r e x a m p l e ，v a nd eg r a f ta c c e l e r a t or ，b e n d i n gm a g n e t ，m a g n e t i cq u a d r u p l e 1 e n s es ，b e a ms h u t t e r ，c 0 1 l i m a t o ra n ds oo n t h e1 a b o r a t o r yh a sp e r f o r m e d t h em i l e s t o n ea c h i e v e m e n tt h a ti sb e a mp a s s e dt h eh o l eo fl o p md i a m e t e r i n e x p e r i m e n t s m a n ye x p e r i m e n t a r es u l t s a r ed i s c us s e db yt h e o r i es a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t sm or e o v e rt h ep a p e rm a k es f o r t ho ft h e h y p o t h e s i s o f o p t i m i z i n g t h eb e a m q u a l i t y t h r o u g hm e a s u r i n g t h e e m i t l a n c e ，t h ef a c i l i t yc a nc h a n g et h ep a r a m e t e r so fm a g n e t i cq u a d r u p l e l e n s e st oo p t i m i z et h eb e a mq u a l i t yi nr e a l t i m e 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 mq u a l i t y ，o p t i m i z a t i o n b e a mt r a n s p o r t a t i o n ， e m i t t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成栗。据我群强，除7 文孛特捌热酸梅注窝致辩麴建方势，论文孛不毽鑫其缝入愁 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒殿玉些盘警或其他教育机 构戆学位或证鹞嚣馒鲻过斡材摹毒。与我嚣工俸魏疑惑j l 孛奉硬究掰缀蕤经谤贡漱趣 已在论文中作h 明确的说明并艘示谢意。 一燃毪叫畋嬲觏年凳基 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了觯金壁真建塞茔有关傈簿、使用学位论文的燕定， 有权保留并向圆家有荧部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阗本人授权金黧薹堑塞鍪可竣将学位论文静全部或部分内容编入有关数据 库进杼检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 c 编学位论文。 保密的举位论文在解密嚣适用零授投书) 学位论文作者签名： 签字日期：雄 学位谂文作者毕韭屠去向： 工作单位： 逶遥蟪艟： 导师签名 蕊字日期 电话： 稚编： 日 歉谢 “耀者，传遥，授、监，簿惑毒氇。”在硬士生学习酚段我对这句话 的了解更深入了一步。我的导师邓铁如激授在我学习期问不仅对我的 学业严格要求，两爨在与我强豢熬谈心过程中教会了我诲多磐本上学 不到的东西，使我从学习及做人两方面都得到了很大的提高。让我对 许多事物都有了更进一步的理解。在此我要特别感谢愚爆一一邛老燧。 中科院离子束生物工稷学中心的老师及同学在我做毕业论文阶段 给了我巨大的支持与帮助。特别是余增菇研究员，他郧为科研事业献 爨的精神深深感染了我，余老师不仅啦藏对事物独有的见解帮助我们 解决了许多实际工作中的网难，而且在嗣常生活中余老师也给了我无 徽不至豹关滔，倍鼗穗会本久籍致戮诫肇豹落窳。同时中稀院魏癸瑜 老师、胡素华老师、李军老师、陈斌老师、张柬清老师、许安老师以 及陈连运、王悠飞、谷运级、魏黎弱、举玉峰、王恣、王爨牮等蠢学 都给了我极大的帮助，特致以感谢。 本入还簧懑澎会腮工娩大学理学院诲多老掺对我熬教弯秘黎动， 感谢合肥工渡大学2 0 0 0 级硕士生胡智文、袁航、刘成岳、朱晓祥、孙 林、王建国、张学勇、张撩、李峰剐、姚凤薇、张静、刘彩霞、杨燕 舅、王红艳等同学给予的帮助。 最籍感谢我的家人多年来对我的无条件支持和给予我的那份涤深 瓣爱。 时钟涛 2 0 0 2 筝 2 耍 第一章绪论 1 1 引裔 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 子热速瓣移离予注入技术熬发袋，低能离子与貔矮据戛作爨磺宠踺半导髂工业、 微电子和材料科学产生了重大影响。离子柬注入材料表面改性取得了巨大成 功，例如用低能离子注入聚苯黢薄膜，可使本征态聚苯胺薄膜电导率最大提麓 9 个数鬣级，且样品黎露于大气中数月电导率基本不变f 2 】。利用离子化团簇束 ( i c b ) 淀积制膜技术不仅能生长通常难以复合的材料来构成新复合膜，还可 在芘分子束外惩低得多的温度下进行| 3j 。然丽，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 子俸) 、蘑体( 金惩、半导傣等) 和裹分子耱瓣等这塑无生命黪物质。蕊蚕中辫 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 承疆秘予诱发变异p j ，涯实了低能裹子寒与生物傣载粳互馋蠲。杰接下来熬十 几年时间里，经过国内外科学家在这领域内的不懈努力，从而逐渐发展成为 个崭灏的研突方向一低能离子生物学 又稼离子寒生物工程学) 从1 9 8 9 年超，中科院等离子体物邂研究所在低能离子生物学方向承担了多 项国家釉部委科研项鼹。如国家计委“九五”重点科技攻关项目“离子柬应用 技术研究”，国家鲁然科学基金重大项目“低能离子与生物体相互作糟研究”， 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前沿问题。单 粒子寒建设的藩期工份逐步聚开，荠以1 9 9 9 年成功审请中群浚重大仪器研制项 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。目前浚 实验室歪承整“卡五”麓家重点科技攻关矮嚣一枣予寒应蠲技术研究等顼器。 作者有幸自2 0 0 1 年9 月开始，到中科院等离子体物理研究所离子束生物工 程学委点实验黧参搬这项国家级重点辩技攻关颂曩款辩 爨工 苫，并送行硕士 a 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；对加工好的郝 牛进行安装、调试并丌鼹楣关实 验，及时总结经验等。这些工作为本研究物瑗方案的实施，为在预定时间内建 成我国第一台单粒子束装置，填补我蹦在这一领域的空白起到了重要的作用。 本文藏是在总结这一年半工俸的基蕊上形成静。 2 蔫子束生鞠工程掌篱贫 从t 9 8 6 年发埋离予东生物效应以来，久嬲已杰低缝枣子生妨学这带存原 刽烙印款交叉馁域取褥了许多鹾究成暴i5 1 。低能离子柬与生物体的楣豆作用目 前已成为国内外研究的热点问题之一。同时它在生命科学，生命起源，太空生 奄等方丽的研究和应用也将对人类产生巨大的撼进作用。 2 1 离子柬生物工程学 离子束生物工程学也叫低能离子注入生物学，是八十年代中期诞生在我国 的一门滚缘交叉新学辩，离子求生镪技术是暴鸯中国螽主箱识产权翁藤始越瑟 技术，并已从国内走向世界。髓前，不仅以中豳科学院等离子体物理研究所离 予寒璺三黪工程拳藿点实验室为中心豹我鬓大部分雀索开震了这矮磅究王馋，悉 凰美国、日本、英国、澳大利溉和泰国等也相继开展了这方面研究，日本还将 离子柬生物技术剁为“入类翦淤科学嗣“翊”1 6 ，终为优先发展瓣高辩技顼嚣， 将成为二十一世纪生命科学研究的支撑技术之f 。 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、生命起源和避化以及环境辐射与人类健康等方面取褥了一些 戴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 辑究领域，为分子生耱举、遥佟工程等方面的磷究疆供了薪的手段和方法，耨 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 予寨生物工程技术在王农盐、暇蓼盗鹄瘫曩带来了重大熬经济效益。鬻蘸，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。裹予寒生物工程学以提示鬣戆枣子与生物髂穗蔓挎用援德为基鲍，其有深 刻的科学意义和广阔的成用前景。低能离子束在生命越源、植物、微生物等方 灏的研究和应用将对人类社会的发展产生巨大龅推动髂用。那么离子康与生物 体是如何相互作溺的呢? 1 2 2 低能离子与生物体的相蕊作用原理 低熊离子遴常指麓爨低予m e v 级的荷能粒子。弼聚按照离子注入念属和半 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 卡微米浮度兹生秘俸( 黧千种子) 豹表麓嚣臻遮惩帮，生物效疲毪藏无觚谈趁。 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。 褰子注入方蘧对生物侮表垂产生溅懿剡毽 乍趱，舅一方囊搜褥这些手l 演窝空 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、变辫等生物效应坤j ，能量为几十至几百k e v 鲍萄能离子注入生物体螽可以 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f9 1 。 一般认为，离子束作用于生物体时，最早获生的逶离子与靶原予问库仑作 用而进行的能量和动量的转移 i 。在碰撞过程中，入射离子逐渐损失掉能量， 转移豹麓萤霹。l 怒轻分子静电薅、激发秘亿学键的断裂，如粟髂甭发生在d n a 、 酶等生物分子上时，将会引起d n a 链断裂而导融生物特性的变化。另外，荷能 离子与水分子俸蠲会产生o h ，h 等活性基因，它们会g | 起生甥分子一系列g l t f j 接损伤。 随着注入离子因能量损失在生物体内慢化，在与靶原予的每次碰撞中，俘 获电予的几率增大。大约9 0 的注入离子将在缅胞表面获得电子，成为中性腺 予。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”在缅寇内部，笈挥生物效应。 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 身静蒺蓬凌积在生秘搭内。离子夔蒺爨淀获产锈霹敷改变绥魏凌分予成徐，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。 嚣致，离子衷注入垒凌癸交，将产生蒺餐沉积、裁量转移秘电萤交捺效应。 这使得离子束生物效戚具有损伤轻、突变谱宽、突变率高等特点 1 ”，是传统辐 射如电、磁、光辐射、x 射线等主要是能量效应豹手段所难以实现的。利用溺 量过程弓f 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 子束定点定量淀入生物体成为可能。 当然，离子和生物体糟互作用的梳理十分复杂。从离子注入到生物效应盼 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 经历了撰伤酶琢秘遗糕霍蹭宓拜过程。藤裙过程包括注入离予豹麓量滚粳、痿餐 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 豹增强 筝臻露零| 超冬耱生鐾效应。毽这些效建不一定霹速簧，有些京堡长过骥 中能自我修复，有些缀过若干代后，小部分性状被固定下来。生物体是一个 窍枧整体，蜀瓤损伤会g | 起其它缨骢的连锁反应，镬褥最终终榘十分复杂。 1 2 3 鬻子束擞物学厩用现状 离子束生物学的研究方向主要包括诱变育茅中、离予束介零转基因、低能璃 子与生命起源、环境辎射与人类健康等。随麓生物技术挑战倍息技术的到来， 离子束生物工程必将得到更深入广泛 酶发震和应舔。据统计，到g l 游为丘， 该实验室已有1 2 个新晶种经安徽、山 东等省窜定，筵中l 令逶过国家宰定。 6 个新菌种经众业验收，效价提高5 0 一5 0 0 ，其中v e 、矗a 发酵求乎剖晷瘸 外新高。直接缀济效籁3 1 亿元。同时 获得一然特殊簿种材料，如：对生玉米、 光效水稻、多簸叶大豆、抗病嫩水稻和 小麦等。 图1 1 对生玉米 幽1 2 多复叶大甄 1 2 3 1 诱变育种 大熬实验诞糖，低缝褰子疆爨下多糖生物体其骞“马鞍登”存活裁量效瘦 曲线 1 2 1 ，即随着注入剂艟增加，生物体的存活率先降厝升，到达峰值后又急剧 下蹲。较高的裁鐾下，低能离予注入仍毙操持较毫兹帮活率，大大增加了有嗣 突变体的数量，因此，离子注入用于作物诱变有可能猩损伤轻的情况下获得较 隋的突变率和较宽的突变谱。为生物的遗传改良开辟掰的途径1 1 ”。 在檬物方面，经离子束诱变已获褥了水稻、小麦等新品种，几年燕，经离 子注入获得有价值的肖萋中材料融有3 0 0 0 多份，从中选育的优鼠品种已经大面积 撬广。焚中晚粳d 9 0 5 5 被评为安徽省优蔟米耨懿萃孛0 4 1 ，皖麦3 2 号已运过晶耱 审定。另外，离子注入在诱导棉花变异、蔬菜筲种方丽也有良好效果纠。 在诱交改楚微生物秀覆，鼹离子注入法选霄毫产蓑拣；已经大稷袋挺裹了 多种工业微生物发酵产物的产爨。姚建铭等对“一淀粉酶和利福霉素产生菌进行 泼良，筛选到蠢产裂疆霉素萤葶孛+ 其发黪瘩平毖窭发蕴藏4 0 ，g 一淀粉戆菌株 酶活水平由3 0 0 u m 1 提高到5 l o u m l 7 。许安、虞龙等利用离子注入技术使二 步v c 混合菌山裂糖到吉龙酸的克分子转化率从原来的8 0 稳定她提高剿9 4 ， 倒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 哺发酵罐 上糖一酸转化率高达9 4 + 8 ，处于国际领先水平，使我图两个擞大的v c 厂家每 年蹭掬效益数予万元，大大提离了我霞v c 生产的国际毙争力l 疆l 。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 4 疆嚣5 0 以上，2 5 0 l 气野式发黪罐中，a a 雩导率为4 。t 3 9 l ，藩季孛发酵水平裹予 阉外专利水平f 引，离子注入选育高产利福霉索菌株1 2 0 】等生产菌也取得了明短 的成效。 离子注入也活跃在分子生物学领域。鲁润龙教授缀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i 2 “。 2 。3 2 离子寐介导转萋因 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 羼障。这稀捌 壅俸蠲援侯了羚深邃馁甥质遴入缨貉懿途经，在鼗鏊萋窭上发袋 起来的离子束介导遗传转化技术已在水稻、棉花、小嶷等多种植物上取得成功 f 2 2 屯“。麓本也鸯霹究小组报道蠲离子象分导鲍方法将钤源基因导入耀孳花粉共 再生出转化植株 2 5 o 与基因枪法等其它转基因方法相比，离予束介导法的优势 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衙的外源d n a 产 生向内挝力；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 的懑 组和整合肄胡。 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 靛热点。吴敬德等逶遥离子寒分筹法将紫玉米慧d n a 浮人隶稻赭释中，在稳定 遗传的变异株上表现出供体玉米的紫色性状1 2 7 1 。 寒遭军等瘸离子素奔导姆镶套珙钵d n a 霉入嚣悉憝耱中，锻套蠹貉在嚣瓜 品种中的表达懿为4 5 9 9 9 8 m g g ，实现了超远缘分予杂交1 2 8 1 。离子束介导远缘 杂交搜褥人们可犋某些不嗣品葶孛豹优势组合超寒，创造下一代优良新黟$ ； 。 1 2 33 离予荣与生命起源和进化 生命起源一直是困惑学术赛的难题之一。现代科技成果诞明离子谯生命潘 渤中起潜十分懿要的作用。王福勤等人1 2 9 l 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 + 淀入甲酸盐、乙酸盐不仅能形成睛 鏊，舔菇雏形成环谈氨，溶予水螽形液颟醵氨蓬酸。漱瑟可以维溅，骧始大气 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 建最耪耋| 三物毒撬小分予澎残豹羹要途经之一。 1 2 3 4 环境和人类健康 一个世纪以寒，人们慰电蘧辐射绘予了特别豹关注，其心蠖是兴套与恐惧， 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， 能够鳃决人类，生存发展蕊嗡的诲多难题，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肴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。 对予放莉浚敬监天爨和社会公众般所关心静是低帮量下( 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_ 篷值远低于发病的闽值， 邃此曩i 必担心；恧对予驻枧效应由予没有剡量阀毽，只要受到照射，不管多少 都可能产生生物效应引起病变，这正怒人们所忧虑的j - j 题之一。遗憾的是，幽 于现实中没有发现在低测量下生活和工作的人群，因电离辐射导致的恶性瘸变 与其他人群有鹋显的不同，无法得到确切的倍诗。现在人们只能根据商帮量下 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i 匠 些年静大量硪究表明，将蒿裁鏊静结繁矫箍蜀诋裁量嚣域霹鬣并不畿爱映事清 的真实情况。 实嚣上，人类受到来叁蘸令方囊熬壤袈滚瓣照冀重：天然放射t 蛙添秘久工敖 射源。 人类在遗球土受到三类天然放射澡豹照射：宇密射线、字生效瓣性垓素鄹 原生放射性核綮。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。宇生放射性核素是由初级宇宙射线与大气中各矛孛元索 的原予核发生作用时产生的。原生放射性核素是从地球诞生聚今一直还存在于 地壳中的放射憾核素。天然放射 往源是蒜鼹存在静，它对久傣的 照射称为天然本底辐射。 瑟人工核辗瓣源懿照释主要 包括：医疗照射、核试验下落坎、 核动力生产中戆废镌积赦袈瞧鼹 位素技术应用所使用的加速器、 菠应堆秘放射源等。 图t 一3 我国闰氏受到的各种电 辫辐射剂攫比较 自然界中，粒子辐射不管楚天然解还是人工的，总有少数有静止质量的鞭 子注入刘生物体内，影响生物的进化和公众健康。美豳肺癌死亡人群中，每年 终有一万五予入楚因为藩室氯气粒子入翡引趣靛。霹麓，辐瓣生物学汝期以来 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 秘避了注入黪瘵部蕴款浸纯离子沉积俸薅。 讽逝研究栽明：我国居民髓到的天然放射性照射水平比憾界正常本底地区 羰毫，这是因为我国一些地区土壤中放射牲毙懑度编逡，造成我国食熙中天然 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 受到的各静电离辐射刹量当量平均值为2 4 8 m s v 人，每部分的贡献如图1 一l 所 示，天然本底怒最主要的，为9 3 4 ：在人工放射源中，医疗照射占很大比例 3 0 1 。 久类永远关注蠡赛粒毽藤，著力求采瘸先迸手段攻克疾瘸。离子慕垡耪技 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 溅矮会g 起核基嚣突变3 ，双瓣论汪了羼室巧境甄刻鬟暴露的恁害蛙，受到鼷 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掘和指导。 总之，离子寐生物工程学作为一门年轻的、正在蘧勃发展的交叉学科，怒 物理科学与生命科学相结合的产物。十多年来，离子柬生物工程学以挺学科交 叉的优势显示崮强大的，圭命力。敬得了系弼豁突鲞成桑帮避恁，受到整乔各 阁的广泛重视，其基本内容渐媳定型，发展方向更加明确。 1 3 熙粒子束装置研究的重大意义 单孝立子束装置又可被称为简电粒予微束( c h a r g e d p a r t i c l em i c r o b e a m ) 装 爨，是微束( m i c r o b e a r n ) 装置的一秘。它可以将粒予柬的柬经限制在微米爨 缀的范阐内，弗将预定个数的粒子注入刘细胞中的某一指定位蓬。作为辐射生 物学发展的前沿，单粒予束装鼹已经成为当今世界上用来估计低剂量电离辐射 辩生物俸效应的个强脊力的手段，鬣衢受到了高度重视。茭凿、欧潲数国、 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。 3 各穰徽寐装置麓会 前面已经提到，单粒子束装置是微束装罨的种。其实，历史上用于辐射 生凌学鹣徽寒装墨穆类缀多，煞转来滋，可以 分为两犬类：电磁微柬和粒子微束。其中，电 磁微柬主要包括紫外线微衷、激党微慕昶x 射 线微束：常见的粒子微束主要龟括以下几种： 电子微藤、质予微束、d 粒子微束等i j “”j 。其 中最简举的是建立在荧光显徽镜下的聚焦綮外 线微束。 鞠 - 4 1 9 5 3 年建立静矮予徽采 t 3 2 现代微束装置建立的必要性 综主鼹述，历史上翅来辐射，主物学豹微索秽类缀多，两且已经有了一些粒 予微束，但由于早期技术落后，这些粒子微束普遍存在一些不足。另一方面， 人们利用天然放射性元索来研究各种蠛射现象。如有人利用蘑源照射装置来建 立。粒予照射缡胞模型p ”，研究细胞煎辐射生物学效应。这种模型比加速器粒 子源照射装置简单易行，但对于定量辐射却无能为力。 隧蔫辐射堡物学静发展，出或了许多宽离子寨所不髓解决斡闻蘧 4 键： l 。始秘对单一缨艟迸舒壤确豹低划量照射? 如曩2 。2 中左躅所示( 竞点代 袭离子) ，宽束情况下由于p o s s i o n 分布，有的细胞没有被照射，有的接 受了两个以上的粒子，只有不到4 0 的细胞被个粒予辐射。研究者却 希望能获得下图所示的单个离子精确跑注入单个细胞中的结果。 图1 5p o s s i o n 分布与精确照射 2 是否只有照射细胞核才会引起细胞致命损伤? 一一是否可以定点对细 越不曩郝位进行爵选择熬慧舞? ( 磐霆2 - 3 为糖确照懿缨缒矮瀵提) 3 是否只谢受照射的细胞受到损伤? 辐射在细胞间的传输机制怎样? 照 射螽基蹰不稳是蛙氮侮( 熟匿2 - 4 酝示) ? 划l 一6离子糖确照射纫胞质示意幽 幽1 7基因不稳定蛀明究 4 细胞核中不同区域对辐射的敏感性究竟如何? 细胞畸变是出于染色体 的分蠢弓l 筵韵还楚d n a 损伤；l 起的? 5 在环境低剂量暴薅与健康研究上，人们希望真正了解人类暴露于高l e t 低帮量静o t 粒予疆袈中熬危验耋妻。由予褥离裁鬟辐菇缭柒强燕捌低裁纛 隧域是不适合的，就要求发展用于低剂蕊辐射的实验仪器。 群决以上几方霆鳇凝题，酃袄羧予越产生攀令乃至蕊缨缒尺度熬露诗测枣 子个数的微束装簧一一单粒子柬系统，从而通过控制离子束束径来实现定点定 蘩辐射缨麓核裁缝照痰中魏菜令激小区域。 近几十年柬，随着各种新技术的出现，使得现代微束装鬣( 单粒予束装露) 躲出现成为可熊。单缎子束将提供对选定细胞注入预定数耳熟离子并精确地注 入到指定位置的手段，解决了以往“宽柬”所不能解决的定点定量辐射问题， 可用来磺究传统方法所不能孵决的一系列重要的辐射生物学问题。装置建成后 将为褶关颁域研究提供技术支撑，如a 口与德康领域的信号奁细麓两、细胞闻 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 李孝秘领域的徽孔膜涮备；空闽技术壤域静慈天l = 毪子器 串单粒予翻转；环装领域 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 生貔育零孛土发撂基丈母爹雳，囊霹健进臻关雩亍照季萼援遴步，又露创造重大享会经 济效益。 1 3 ，3 国步| 、姥较或熬兹嚣家单墟予束装置麓贪 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 单个粒子照射举个细胞产生的生物效_ i 踅1 三l 及磷寇单个纲胞受到照射以后相邻缨 胞的通倍情况；环境低剂量辐射危害人类健康的研究例如因餍室氡粒子辐射引 起的肺癌也需黢一种新的辐照手段。从辐射生物学看，向细胞特定部位投射 个或多个粒子，可| 三l 定量研究麓量分醚与生物效应的关系。 九十年代以来，欧美和同本把离予束作为生命科学研究中的支撑技术之一 嚣受到菇度重鬣。美国、英霞、意丈稠等发达謦家竞裙开始开发单粒子束缩嚣蜒 定位照射系统来实现定点定量辐射，阻探讨单粒子与生物体的相互作用。研 究豹基瓣，一怒利爰蔫子狰毒发毙帮禳号熬捡毽、墨象魏再擒残放蒙子分子尺 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 翻t - 8 g r a yl a b 露祷电筏乎微寒采线示意鬻 切削基因。这对俐明细胞的功能以及发展细胞工艺学，有目的地控制生物过稷 等具有薹筵要意义。 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鬻有四个： 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 ht r u s tm i c r o b e a m ，荚国的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 ，美函的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 整和美黼c o l u m b i a 大攀的两套涟置。这些装餮的主要参数觅袭l l ： g r a y 实验象的装鼢( 如图l _ 8 ) 更适合于处理单个细胞受到照射以后研究 籀韶缨溅懿逶偿 c o l u m b i a 大掌的装甏处理遮茨浃，每小辩哥这3 6 0 0 令缀雅。 这两台溅置都是利用v a nd eo r a a f f 加速器把离子加速至4 m e v 左右樽通过柬 传簸系绕进灭黪准器，髟威攀粒子京。装要熬主要部分包摇撩遴嚣、寒线传羧 系统、粒子的凇直与探测、细胞识别与计算机控制等，其中粒子的准盥和探测 是关键。鱼孑亍缡铡的诗黧枧控制程序可对细胞是动精确定位、照射密对被照射 过的细胞进行潮访。将宽束转变为p m 量级柬径微柬的关键部件是瞄准器。而 离子探测器和柬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 实验室分剐使麓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瞄探测，而英国的闪烁体 深溅器鹣子囊稳嚣探灏。获探溯懿效栗这一角发来看，这嚣静深溺方法各育翻 弊】。 靼1 - 9 缨魁藏攘测示意图( g r a y 实黢窒) 燃1 - 1 0 缨戆嚣掇测示意鹭( c o l u m b i a 大学) 0 懈艇捉巅抵鼢髑掰媒强啦锺褂姐骚霭键艘啦叫哝曩互懈 澎 露 彬暇糕暇 带 阳 薹 爨 叼 n 志 + 鲞 寸“ 艄 l 更 忙 龌 g 露 = 莹j 雨 寸6 z n n 粼 嚣 z 窭 m n “n “ 爨 zz 醛 一一 刹 喾 董 名 蛙 粼 善 罗 萋 螂 潴 喜薹萋薹薹鋈 垂饕 蚓 一# 目 妻豸 毫 雹 夸 三一 唇 ( 8 z 。 尊粒子寨技术涉及了菝物理、真空攘术、生凑学、逛学、竞学、耪秘科学、 计算机阔象处髓和控制技术等移门学科。图1 - 6 是革粒子束装置原理图，它龟 德离予寒豹产尘、热遴、转输、凄蠹、单粒予竣测鞠控刳、绷骢精确定位、缨 胞前焉的粒子数探测、细胞辫缘在线分柄等等。 理i 。! l单粒子柬系统艨理翻 当然，荦粒子束装簧也随着技术避步和灾验要求提高在不断完饕。未来的 发展趋势是：微柬柬径将缩小到微米以下，照射速度提高到5 0 0 0 1 0 0 0 0 细腿， 小时，并采雳蠢魂聚稳等手段来提高定位照瓣漪精度。 。4 肇粒子寨装置骚裁凌状及零论文 研究的主要内容 为了迸军园际前沿，中科院等离予体所离子束生物工程举重点实验室砸效 力予发溪单粒子寒技术。 “十五”期间，中科院等离子体所离子柬生物工程学重点实验寒在国家岛 然科学蕊金鲍资助下，分别澡员兹往了荚鬓c o l u m b i a 丈学、英盈g r a y 实验囊 参加徽采辐射缬胞研究：工作。同时，研究室有物理、化学、生物、工程、计簿 帆等背漱的研究人员可进行学科交叉，在以往的离子寒生物工程学装蹙的研制 串已敬褥丰繇残票，生产热王方蟊与等离子体所研裁中心台捧。器翦，该项糕 获得了“十五”攻关项目一一离子束应用技术研究的赞助。 本装鬻蕊避经送入紧张馥缀装溺试辩赣。蔷缰裁帮薛己基零餮齐，蓊镂枣 组对各部件已经或正在进行检验、测试。现在，加速器工作正常，通过聚焦， 德转等手段已在醚准器崽疆签测褥稳定魏寒滚，并将靶整素瓣臻枣裂1 0 a m 。 实验结梁非常琏想，究全能够满足设计要求。柬线探测部分的研制工作进展顺 = 荸l | ：已经驭褥实霞牲驰突簸。微寨室里样晶絮，显徽镜，c c d ，图象增强仪， 能谱深测等部件都已粼齐，其中部分已经调试成功，余下的讵在进行调试。图 稼处理、样品裟控制、懑子注入个数畦数和戴开关( 电子开关) 钓控舞4 等计鳞 税程序魏编耧工律歪在紧张畜序遗进行，丽盈埂在已经取褥了很大避鼹。各种 迹象表明：我们根有希魍在今年内将泼装置安装、调试成功，填补我圈在这一 领域静空自。 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 案对加速器以及寐线传羧邦分逶露深入黪疆究、分裾帮计算；对热工好麴部 牛 进行安装、调试并开展相关实验，及时总结经验等。总之，本课题的研究将为 物理方寒的实施起到j 常重要的作用，为在预定时闯癌建成我国第一台荸粒子 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”是一颈跨学科，涉及众多专业的系统工程，丽单粒予束装鬣的研制作 为该系统工程的一个子项莓，本身谗楚一项洛大的工程，是憋个装鬣研制小缀 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 分爵来。本文中许多熏要实验筠是两装置研渤夺缍麓许多老辩稻同学们一超共 同完成的，在此，谨对他们表示衷心的感谢。 第二章单粒子束系统全面介绍及主要部件研究 2 1 单粒子柬原理 单粒子束装置主要由静电加速器、9 0 。偏转磁铁、束稳定、磁四极透镜、 寐线开关、羰溢灌器秽疆灌器系统等梅残。黧2 一l 燕中秘貔等褰子钵鬓裹予寐 生物工程学重点实验黛单粒子束装置的离子束线传输原理图。高频离子源( 1 2 5 e 赫兹) 产生熬正离子被麓遽器热遽之磊，经过聚焦稻一级光阑垂运第一个偏 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、磁四极透镜、 寒线的毫子开关舅这第二个绱转磁铁。麸第二个偏转磁铁交采兹粒予寒孬经过 二级光阑进入到微束窝中。在微束室，粒子通过瞄准器系统形成单粒子束，用 于对编麓进行定位、定量辐射豹磋究。 剀2 + 1 中科院等离子体所单粒子粜装置束线原理幽 国以上慕线琢毽可知，簸鸯蟊速嚣；l 出靛离子寒采露嚣个9 0 。璃转滋铁梅成 束线的主体，由于照射细胞的最佳辐射位置是平置，有时还可能带商培养液， 4 第二章单粒予柬系统全面介绍及主要部件研究 2 1 肇粒予柬原理 单粒子束装置主要由静电加速器、9 0 。偏转磁铁、束稳定、磁四极透镜、 采线歼关、羰瞻雍器鞠箍漤器系统麓梭藏。鼹2 一l 爨中释陵等离子体瑟囊子寒 生物工程学羹点实验璧单粒子束装鼹的离予柬线传输原理翻。高频离子源( 1 2 5 莼赫兹) 产生蕊正离子被热遮器蠡遮之嚣，经过聚焦器一缀毙藏裂遮第一令编 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、磁四极透镜、 寒线抟逢子秀：关努这粲二令德转磁铁。获第二令豌转磁铁爨寒懿粒子寒孬经遵 二级光阑进入到微束室中。在微束寰，粒子通过瞄准器系统形成单粒子束，用 于对缨麓进行定经、定量辐射戆骚巍。 剧2 + l 中科院蜉离子体所单粒乎粜装置束线原理嘲 盘潋主索线藩理可熬，腻恕速器；基靛离子寒采鼹两个9 0 。蕊转滚铁擒成 束线的主体，由于照射细胞的最佳辐射位置是平置，有时还可能带讨培养液， 4 戆望注入裹予熬入袈方囊为垂藏嶷土。援以在寒线鳇传竣中裂耀磁场臻转的方 法使离予束变成垂直向上的束线，为细胞辐射提供便利的条件。其中微米量级 熬束径嬲实现楚采用预瞄准器与瞄准器楣结会的方法寒完成的；注入离子个数 的精确控制则楚采用离子个数探测器与束线中的电子开关褶结合的方式来宛 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； 徽图象的成像和细胞核的识爨蹩由显微镜、图象增强器、c c d 和图象处理卡筵 闹完成；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。 仅虢束线系统来说，加速糕、两个偏转磁镶、磁霞辍透镜帮溢凄器系统( 包 括预瞄准器和瞄准器) 是其中避关键的部件。加速器是离子束的来源，正是幽 它产生矮有一定能量，一定强度盈晶瑷运努一定要求豹寒流：螽蟊死个部 孛鲻 决定了策线能磷准确地进入微荣室，以及到达微束室的束线鼎质能磷达到设计 簧求。箍束线翁离晶矮正是整个擎穰予束装鬟怒对绥黪遂牙精确酶定位、定_ 鏊 辐射实验的前提。因此，本章将对这几个部件分别进行一些理论研究。 2 2 静电加速器研究 本黻置所用加速器为静电加速器( 又称v a nd e g r a a f f 加速器) ，是我所1 9 9 6 年歇美嚣t e x a s 大学引避故，鹫 2 2 为其结构示意图。 1 一离频电源2 一隔离变压器 3 一阳极电源4 一热机槭漏电源5 一聚焦电源6 一耐电计排7 一喷电 针排8 马达9 一街压电极 1 0 一发毫梳 1l 一分压罹 1 2 一输 电带1 3 - 一喷电电源1 4 一离子源15 锈接蔽1 5 一蕊速篝 ，绝缘 柱1 8 电晕探针1 9 一高压表 2 0 一鞭黎2 1 一囊空系绞2 2 一控 制线通道 图2 - 2 静电加速器结构示意图 2 2 。l 工作联瑾 静电加速器也称v a n d eg r a f t 加速器，是通过静电荷的积累所形成的高电压 锼豢电糖子缮刘勰速【4 引。电藏囊势电怒电规产生，起瞧现配上离子源勰搬速蛰 就是静电加速器的结构。如图2 2 所示，在加速器底座处，赢流正高压喷电电 源的输如端连接唆电铃接，针尖附近萌很强的电场网伎气体发生电晕放电，难 离子就喷向输电带并渡粘附在箕表面，在驱动马达的带动下，输电带上的电荷 经过顶部刮电针摊附近时，刮电针尖发生电举放电，气体中的正离子便向刮电 针莽 漂移。校掇静电规律，翻魂钎上静正离子将自动流向相连的高垂电极表露。 通过连续积累，高压电极表面就存储了大量磁电荷，产生兆伏级对地电势。这 样，款离子添弓| 出敬瓷子藏会受弱场斥力，逡入趣速褥嚣褥到麴速。 如果高压终端对地电压为u ，则离子到达底座出豳时将获得能量： e = z e u 式中z 为粥予电荷数。通常离子初始动能不大，敞离子础能与终端电压成 正比。 2 2 2 内部结构 本实验室静电加速器的主要瓤 牛由荧国h v e c 公司( h i g hv o k a g e e n g i n e e r i n gc o r p ) c n - 5 5 m e v 型号改造的，如图2 - 2 所示瀚甜j 。主癸部件有： 球柱形尚压电极，高频离子 l l i ，等梯度碟形加速管，分压式绝缘支柱，输电系 统、真空系统黻及控制系统等。主体部分蒋一个大销翠t a n k 军住，钢罩直径 2 5 米，高8 米，重达1 5 吨。运行时，t a n k 内充以厩强高达2 2 0 p s i g ( i5 a t m ) 的 缆缘气侮( 逶紫是傣狡隗为辱：i 熬n 2 粒c 0 2 翁混合气体) 戬撬裔蕊遴器翁最嵩 电压，并确保环境安全。 毫频褰孑滋是将慰频功率藕合裂敖毫管，搜放电管中豹低压气 搴迄塞影残 等离子体而引出离子柬的。通过热机漏开关来控制离子源的谶气量，可以实现 远程控巷。与其他类型枣子源相比，裹频离子源优点怒功耗低，质子比毫( 司达 7 0 9 0 ) ，容易出束鼠性能稳定。 加速管是静电加速器中的关键部件。加速管是静电加速器中的关键部件。 加速管两端承受着高压终端兆伏级电压，管雨真空凄遮1 0 4 p a 以上，管外是压 力高达十几个大气压的绝缘气体。因此，对加速管的机械强度、绝缘强度和气 密往都霄严籍豹要求。 图2 * 3 是碟形电极加速管的示意图。每个电极用钢丝与对应的分压环相连， 簿穗邻瓣宅稷之勰专敖逛球棱傣护窝1 2 0 0 m q 麓歪毫黻( 菸诗1 3 2 稷) 。整令趣 速管长4 1 米。由于电极凹面能遮掩 赶子碰击侧面绝缘环，所以这种结构的加 速管能较好地掭铡二次电子，绝缘强发可达2 0 k v 3 0 k v c m 。骞些电羧通孔焱 径大小有渐变，目的最为了更好的聚焦以及减少二次电子。碟形加速管的缺点 是，在高压终端戮：l 嚣，玻璃巧与臻彤电叛籍嚣之阕容器产生放电，荔使锈龟顿 蒸发并污染加速管，降 f 氐d n 速管的使用寿命；变化的孔径会影n 向加速管的流导 和真空。 卜一放电球柱2 一铝电极3 一绝缘环 圈2 + 3 搂型加速管( 局部) 加速器的真空出涡轮分子泵机缎保证，要求本底真空优于2 1 0 4 pa e i 带 存控裁簸氆豹毫枣诗避彳亍测爨。 加速器的操作和调节由总控系统控制。终端电极电压商，并且凄对其内部 豹离予源进行操作，这是通过调节囊整角飘来实现远程臻薅控铡。驱动马达建 动后即对终端电极充电，产生高压，因此在马达启幼前加警铃警示，在加邂器 运行过程中，警灯始终闪亮，以确保安全。矮控制模块如下豳： j 辩垒磊缝 。i _ 。 总拧开是一 目t 掇咄瓣 i 惟佣* “ 幽2 - 4 加速器控制模块框图 2 3 偏转磁铁研究 2 ，3 。1 疆镳转篆理 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：