Transcript 复旦大学单粒子微束的研制进展/ Current progress of the single

复旦大学单粒子微束装置研制进展
Development of the single-ion microbeam at FUDAN
王旭飞
复旦大学
核科学与技术系 / 现代物理研究所
[email protected]
2 0 1 4 11 2 7
Outline
 研究背景
 单粒子微束技术
 国内外发展现状
 复旦大学单粒子微束
 研制进展
 发展计划
 应用方向
Background
Biological Radiation Effects
Stochastic Effects
Non-stochastic Effects
发
生
几
率
严
重
程
度
阈值
剂量
剂量
Non-stochastic Effects ：有明确阈值，损伤效应的严重程度与辐射剂量成正比
Stochastic Effects ：无明确阈值，损伤效应(致癌/遗传) 发生几率与剂量成正比？
Background
Low-dose Radiation Effects
ICRP：
Linear Non-Threshold Relationship
More accurate tools
needed!
Background
What is a single-ion microbeam?
 Essential characteristics:
High resolution: down to microns/nanometers;
Precise targeting: localized in target area;
Accurate hitting: with exact number of ions.
Background
Single-ion/single-cell irradiation
 高分辨微米外束（束径≤5μm，真空外活态细胞照射）
 单粒子精确定量照射（剂量精确可控，定量精度>99%）
 单细胞准确定位照射（亚细胞尺度，定位误差≤±2.5μm）
Background
首次应用——
非DNA靶辐照效应——
Bystander 效应的发现
Background
Great advantages than traditional irradiators:
高分辨微米外束
亚细胞定位照射
单粒子精确定量
辐照间隔精确可控
(sub-cellular resolution)
(micron scale),
(with exact ion number)
(controllable)
Bio-medical researches :
环境低剂量暴露的健康效应与致癌机理
(职业暴露, 居室污染, 宇宙射线):
细胞辐射损伤的近旁效应与损伤修复
细胞器功能的辐射影响与调控
细胞间辐射损伤信号传导
基因组不稳定性等…
质子重离子治癌的生物医学基础
癌症放射线治疗的安全性与保护
放射线生物效应的微观剂量学机理
辐射防护、空间生物学，……
In the world
Microbeam Facilities Worldwide
Radiation Type/LET
Beam Spot Size on
Cell
Running
Biology?
Radiological Research Accelerator Facility (RARAF)
Columbia University
any cation, x rays
low to very high
0.6 μm
yes
JAEA, Takasaki, Japan
high
yes
low
no
Special Microbeam Utilization Research Facility (SMURF),
Texas A&M
Superconducting Nanoscope for Applied nuclear (Kern-)
physics Experiments (SNAKE), University of Munich
INFN-LNL, Legnaro, Italy
CENBG, Bordeaux, France
GSI, Darmstadt, Germany
From p to HI，2-10000 keV/μm
0.5 μm
yes
p, 3He+,++,4He+,++，7-150 keV/μm
p, α，Up to 3.5 MeV
From α to U-ions, Up to 11.4 MeV/n
10 μm
10 μm
0.5 μm
yes
IFJ, Cracow, Poland
p - Up to 2.5 MeV, x ray - 4.5 keV
12 μm, 5 μm
yes
Up to 3 MeV
P, Up to 3 MeV
p 4He+,++, Up to 3.75 MeV
x ray, 0.3-4.5 keV
p, α, HI
p, α, 3-200 keV/μm
P, 3.4 MeV
p, He
0.5 μm
5 μm
10 μm
< 1 μm
0.01 μm (in vacuum)
< 1 μm
5 μm
10 μm
yes
x-rays, 0.3-4.5 keV
x-rays, 4-20 keV
P, 2-3 MeV
p,He, 2-3 MeV
< 1 μm
5 μm
5 μm
2 μm
LIPSION, Leipzig, Germany
Lund NMP, Lund, Sweden
CEA-LPS, Saclay, France
Queen's University, Belfast, Northern Ireland UK
University of Surrey, Guilford, UK
PTB, Braunschweig, Germany
SPICE, NIRS, Japan
W-MAST, Tsuruga, Japan
McMaster University, Ontario, Canada
Nagasaki University, Nagasaki, Japan
Photon Factory, KEK, Japan
Institute of Plasma Physics, CAS, Hefei, China
FUDAN University, Shanghai, China
Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou, China
p,
4He+,++,
yes
yes
yes
no
no
yes
yes
yes
yes
In China
哈尔滨工业大学
中科院近代物理研究所(兰州)
复旦大学
中科院合肥物质科学研究院(合肥)
中科院合肥物质科学研究院
合肥
2000——2004
中科院近代物理研究所
兰州
2007——2011年验收
复旦大学
上海
2009 ——2012年验收
哈尔滨工业大学
哈尔滨
2012 ——(建设中….)
FUDAN microbeam
串列加速器实验束线布局
北
FUDAN microbeam
束流管道设计
FUDAN microbeam
微束获取、照射安排与单粒子探测
FUDAN microbeam
辐照终端与控制流程
FUDAN microbeam
实验流程
Development
束流管道建设
(0905-1012)
 总长13米： 水平段 =8.6m；竖直段 =4.4m
Development
束流管道建设
水平段
(0905-1012)
竖直段
Development
微束辐照终端
(0905-1112)
微束终端
台面设备布局
Development
微束调试：微准直器
准直器基座
毛细玻璃
管准直器
Development
微束调试：微准直器
1mm长度、内径1.5μm毛细管准直器引出的质子微束能谱.（E=3MeV，FWHM~60keV）
Development
微束调试：束分辨
微束束径的刀锋法测量及结果. D=2.0 um (高斯束半宽)
Development
单粒子探测
3MeV质子在闪烁体
探测器中产生的脉冲
幅度分布
• 峰位5V
• 甄别阈1.1V
• 噪声<0.4V
Development
束开关
快速静电偏转束开
关及其关断高压的
测量波形：
关断时间<1μs
Development
照射精度验证
CR39核径迹探测器表面，每个位点定量投射一个质子(3MeV)，位点间距20μm
Development
总体指标
成功实现单粒子精确辐照，基于3MeV质子的典型性能指标:






能量分布：FWHM<60keV
微束束径：≤2.5μm（高斯束半宽）
粒子计数率：1~8000cps
开关速度：t ≤ 1μs；
定量照射精度：≥ 95%
定位照射误差：Δ<±2.0μm
Future Plan
装置发展计划






束稳定性优化
完善细胞图像分析系统
探测系统改造：前置探测
单细胞辐照效应实时检测
发展高分辨聚焦外束
发展轫致辐射X线微束
Applications
串列静电加速器
离子束分析
核微探针
单粒子微束
X线微束
多学科综合研究平台
放射
生物
医学
先进
放疗
基础



增敏
材料
机理
微纳
米剂
量学
功能
纳米
器件
材料
辐照
损伤
环境
健康
影响
建立基于放射线微束精确照射技术的综合研究平台
开展生物医学、环境、材料科学等领域的创新应用
开展多学科多领域的交流合作，开辟创新研究方向
空间
生命
科学
Funding
• 985科技创新平台（二类）建设项目
2008-2011年，250万
• 国家自然科学基金重点项目（11179002）
2012-2015年，280万
• 国家自然科学基金面上项目（11375047）
2014-2017年，89万
• 国家自然科学基金青年项目（11005019）
2011-2013年，24万
• 国家自然科学基金青年项目（11105031）
2012-2015年，26万
Group Members
Project leaders
施立群 教授
邵春林 教授
Microbeam
development
physics & electronics
programming
王旭飞
张 伟
单 超
李嘉庆
王建中
张杰雄
Accelerator
Beam line
Vacuum/electrics
Instrumentations
欢迎交流合作！