CSR真空控制系统的研究

本论文主要解决CSR真空系统的控制实现与连锁保护问题。 HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）是国家重大科学工程。为了保证CSR正常运行，超高真空系统的平均真空度必须达到6×10-9Pa，超高的真空度来之不易，CSR上任何一处真空设备发生故障，就会破坏真空度，所以CSR必须具有响应速度快、安全可靠，稳定性好的真空控制与连锁保护系统。 HIRFL-CSR真空设备有离子泵电源、分子泵、钛升华泵、阀门、真空计等。分子泵只在粗抽时使用，钛升华泵为间歇升华，因此不需要监控。需要显示和控制的设备为离子泵电源、真空计和真空阀门。通过对CSR上每个真空计的真空度数据的监测和真空阀门状态的采集，一旦真空度降低到一定阈值，立即关闭相应位置阀门（保护真空）,并给出故障报警，从而实现真空系统的连锁保护。 真空控制系统以嵌入式处理器ARM、复杂可编程逻辑器件CPLD和微控制器MSP430为核心，实现了远程数据采集、数据显示和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控与调试，也可以通过集成的100Mbps以太网接口电路进行远程监测与控制，CSR上各处真空度和真空阀门状态自动传送到中央控制中心，中控中心也可以发送命令查询当前真空设备状态和各种读数。 本文主要介绍了基于ARM、CPLD和MSP430的嵌入式真空控制系统的设计与实现。内容主要包括(1)系统各部分硬件电路设计与真空控制功能实现 ，硬件系统调试 。(2)嵌入式uClinux操作系统构建和在其上进行的应用程序，设备驱动程序，串行通信程序的开发。（3）CPLD的VHDL程序和MSP430的C430程序设计。 本文目的是解决CSR真空控制系统问题，但对于许多远程数据采集与控制等问题的解决有重要参考价值

CSRm高频系统控制器

HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）是国家重大科学工程，其控制系统是一个庞大的系统，由许多分控制系统组成，高频系统是其重要组成部分之一。加速器的加速过程都是由高频系统来完成的。由于高频控制系统的控制对象就是高频腔体，控制系统的稳定性和输出频率的精确性将直接影响到加速器系统的正常工作，而对于高频系统的状态回读又直接决定了对于高频系统的远程监控能力，所以高频控制系统的设计非常重要。本设计基于现场可编程逻辑门阵列FPGA和数字信号专用处理器DSP搭建， 一方面可以完成从控制中心远程控制高频腔体，另一方面也可以完成对于当前状态的读取，所经过的通道也是多样化的，包括CPCI总线通信，CANBUS总线通信或者是485总线通信。本文的内容包括了1>对于高频控制系统控制对象的分析以及各种控制参数要求。2>组成此系统的硬件部分分析选择以及硬件系统的搭建过程。3>对FPGA和DSP进行程序设计的过程和方法。本文的价值不仅在于对高频系统的控制上，对于其他数据采集系统，远程控制系统以及总线通信和数据分析算法上也有着参考价值

CSR电源调节器硬件平台设计

HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）是国家重大科学工程，其控制系统是一个庞大的系统，由许多分控制系统组成，磁场电源控制系统是CSR控制系统中很重要的一部分。加速器运行的所有过程都为电源所控制，所以我们的控制系统的直接控制对象就是磁场电源。为了保证CSR正常运行，控制过程波形的跟踪精度、速度和稳定度，是数字电源调节器的关键所在。电源控制系统以嵌入式处理器ARM、现场可编程门阵列FPGA为核心，实现了远程数据采集、网络通讯和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控与调试，也可以通过集成的100Mbps以太网接口电路进行远程监测与控制，CSR上各处输出电压值和电源运行状态自动传送到中央控制中心，中控中心也可以发送命令查询当前电源设备状态和各种读数。本文主要介绍了基于ARM和FPGA的嵌入式电源控制系统的设计与实现。内容主要包括：(1)系统各部分硬件电路设计与电源控制功能实现 ，硬件系统调试 。(2)装载嵌入式Linux操作系统，测试平台接口信号，通过FPGA生成多路数字PWM波形。本文目的是解决CSR电源控制系统问题，但对于许多远程数据采集与控制等问题的解决有重要参考价值

电荷测量与时序逻辑电路的研究

中国科学院近代物理研究所大科学工程HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）已建成并处于调试和验收阶段，实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成，主要用于核物理实验研究。CSRm TOF测量系统是现阶段CSRm实验探测系统的主要任务之一。 针对CSRm TOF测量系统电荷测量部分，论文阐述了一种采用前端ASIC-SFE16（Saclay Front End 16）芯片实现电荷测量的新型方法。它替代了采用分立元件和电子学插件构建系统的传统方法，着重解决了近代核物理实验中越来越突出的多路多道需求和高性能指标要求。根据我所多丝漂移室探测器的实际情况，我们设计了基于ASIC芯片的电荷测量前端电路板，结合中国科技大学的时间测量数字获取板，我们初步完成了对系统软硬件的测试，给出的实验室性能测试指标，为其在实验探测系统中的应用奠定了坚实的基础。 同时为了选出测量中的有用事例，需要进行事例判选，因此我们研制了多路延迟/脉宽调节时序逻辑电路，主要功能是针对提供的多路逻辑时序信号进行延迟和脉宽调节，支持NIM负信号输入和输出。 文中最后一部分论述了根据在调试过程中出现的实际问题所提出的解决方法，主要是针对电路的可靠性设计和噪声的处理

重离子治癌装置的束流位置控制系统

近代物理所依托兰州重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）开展重离子治癌研究。在重离子治癌过程中，需要对束流位置十分精确的控制。本文实现了精确控制重离子束对肿瘤实现三维适形扫描。 对肿瘤切片方向定位采用主动磁扫描方式，通过控制X、Y 扫描铁电源实现束流对肿瘤一层切片中各点的扫描，在治疗过程中需要实现位置变化与辐照剂量的联动。为满足束流位置切换时扫描铁电源的阶跃响应过程，采用了一种新的加速器电源控制方式，通过控制频率变化实现扫描铁电源阶跃响应过程。该方法具有精度高、参数少、响应速度快和实时性好的特点。本文提出了扫描铁电源电压控制的数学模型和实现结构，通过FPGA+DSP+DDS的硬件平台实现该电源控制方法。最终完成了对扫描铁电源高精度的控制。 肿瘤深度方向定位实质上是重离子束流Bragg峰的定位。Bragg峰与束流能量的关系要求重离子束在不同能量间切换，因而需要加速器实现变能加速。本文设计完成了适应变能加速的高频控制器，介绍了高频控制器实现方法，从而满足不同深度肿瘤切片对束流能量的要求。 核心及创新点：(1)实现重离子治癌过程中束流位置和剂量的联动; (2)基于频率调节的扫描铁电源控制器; (3)满足变能加速的高频控制器 从现场的测试和应用结果表明位置控制系统达到了设计要求

重离子辐照甜高粱新品种选育及其诱变机理研究

利用重离子辐照技术对甜高粱种子进行不同剂量的诱变处理，并分析辐照后代的农艺性状、生理生化特性及基因组DNA的多态性差异，旨在选育出含糖量高、生物量高及抗逆性强的新品种，为发展生物质燃料乙醇产业提供优质的原料，并阐明重离子对甜高粱的诱变机理。主要结果如下： 1.甜高粱在田间的存活曲线表现为“类马鞍型”，随着辐照剂量的增加，其存活率先降后升再下降。 2.筛选出株高、单秆重、糖锤度、早熟型、茎粗等突变类型的材料，尤其是80Gy辐照剂量下从BJ0602中得到的早熟突变材料KFJT-1，生育期缩短了20天左右。 3.和未辐照株KFJT-CK相比，辐照突变株KFJT-1的萌芽指标表现为极显著差异（p＜0.01），其发芽势、发芽指数、活力指数和子叶长度、胚根鲜重及子叶鲜重分别下降了24％、12.69％、0.8108％和15.32％、76.27％、27.08％。 4. 利用RAPD技术对不同剂量的辐照处理检测出的多态性差异表明，不同剂量的碳离子束辐照后，不同辐照剂量对应的5种处理材料的DNA突变率分别0％、11.4％、12.2％、18.7％和17.7％。 重离子辐照可引起甜高粱各个方向的突变，有些突变材料生物量和含糖量均高，而有些突变材料表现出生长点消失、叶片扭曲、黄化等表型性状

12C6+重离子辐照对细胞端粒酶活性表达的影响

端粒是染色体末端由重复DNA序列和相关蛋白组成的一种特殊结构，具有稳定染色体结构及完整性的功能，会随染色体复制与细胞分裂而缩短。端粒酶是一种核糖核蛋白，能以自身RNA模板合成端粒DNA，催化合成TTAGGG重复序列，添加到染色体末端，维持端粒长度不变。端粒酶主要由hTR, TEPl和hTERT组成，一般认为hTERT是端粒酶激活的限速因素。大多数永生化细胞和恶性肿瘤细胞具有端粒酶活性，因而端粒酶目前已成为为细胞持续分裂提供遗传基础的原因。由于端粒酶与细胞衰老、肿瘤发生等关系如此密切，因此已成为肿瘤放射治疗研究热点。目的： 本文利用兰州近代物理研究所重离子研究装置（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL）产生的碳离子（31MeV/u 12C6+）对人体细胞、癌细胞进行不同剂量的辐照，探索细胞中端粒酶活性的变化及与之相关的生物学信息。材料与方法： 以人肝细胞HL－7702，肝癌细胞SMMC－7721为实验对象，用不同剂量1Gy、2Gy、3Gy、4Gy的重离子分别对两种细胞进行照射，用多聚酶链式反应-银染端粒重复序列扩增法（PCR- telomeric repeat amplification protocol，TRAP-PCR）检测不同剂量下细胞端粒酶活性的变化。并提取不同剂量下的细胞转入培养皿中，培养10天，固定，染色。统计大于50个细胞的克隆数，绘制细胞存活曲线。结果与讨论： 结果显示，人肝细胞HL-7702自身没有端粒酶活性，经1Gy辐照后也没有端粒酶活性，在2、3Gy处出现端粒酶活性，4Gy处端粒酶活性又消失。肝癌细胞SMMC-7721在1－3Gy处随着剂量的增大端粒酶活性升高，在4Gy处又开始下降；在1－3Gy处随着时间的推移端粒酶活性随着时间而加强（p<0.05）。随着剂量的增大，细胞存活率呈剂量依赖型下降。分析得知，重离子辐射可以诱导人肝细胞产生端粒酶活性，也可以改变肝癌细胞的端粒酶活性。端粒酶参与细胞受辐照后DNA单链损伤的修复；辐照后DNA双链断裂导致端粒酶活性减弱。本实验与其他低LET射线相比，使重离子在辐照治疗中的优势得以体现

深层治癌重离子束的配送

在辐射治疗应用方面，相比传统体外辐射疗法，高能量的重离子束流有着巨大的优势。近年来，世界上多数重离子治疗中心都对重离子的辐射特性已经进行了深入研究，从2006年起中国科学院近代物理所也开始了重离子辐射治疗肿瘤的临床实验。目前绝大多数重离子治癌中心都采用了包括一对独立的二极铁的束流配送系统，将从加速器引出的笔形束流在肿瘤的各层等深横截面上进行均匀照射。本文重点阐述了HIRFL-CSR重离子治癌装置中的束流配送系统的工作原理和分系统结构，包括深层治癌重离子束运线，终端扫描系统和根据治疗计划生成的扫描路径软件系统。第一部分简单介绍了世界上各大重离子医疗辐射工程，总结了医疗重离子加速器的设计经验，尤其对日本的HIMAC和德国GSI重离子治癌装置进行了详细介绍，同时对新型重离子治癌装置的特点和重离子治癌装置的发展方向进行了介绍。侧重分析研究了束流引出系统、控制系统和扫描系统的工作原理和相关在线设备，详细比较了两种扫描方式的优缺点。第二部分重点介绍了HIRFL-CSR加速器及其重离子辐射应用工程。CSR是中国第一台重离子冷却存储环，其主加速器CSRm是在兰州重离子治癌装置的核心，负责提供对应不同穿透深度不同能量的慢引出束流。兰州近代物理所的治癌临床实验分为三个阶段，其中第一阶段利用HIRFL辐照终端引出的重离子束流对浅层肿瘤进行适形照射。第二阶段利用CSRm引出的重离子束流开展对深层肿瘤的辐照实验，包括动物实验和临床实验。第三阶段在技术成熟后将小型医用重离子加速器向社会推广。第三部分中总结回顾了深层治癌重离子束运线的设计原理和和束运线的磁聚焦结构。对扫描系统（栅扫描和点扫描）进行了计算机模拟和束斑尺寸的控制方式进行了讨论。在重离子深层治癌进行第一次动物实验时，利用位于终端的分条电离室测试了治癌重离子束流的基本参量，得到了引出束流在垂直和水平方向以及束流微结构的品质信息，并用梯度法测量了束流的发射度。这些工作对于模拟不同引出束流情况对应的不同扫描方式时束流照射均匀度很有帮助，也给制定肿瘤的治疗计划提供了一些参考。最后论文还简单介绍了束流的共振引出系统，侧重说明引出束流的特性，提及重离子垂直治疗终端桶型旋转机架的设计

中能中离子碰撞中的同位素标度

本论文利用同位旋相关的量子分子动力学（IQMD）模型,系统的研究了平均场中的对称势和动量相关作用以及两体碰撞对同位素标度的影响，发现动量相关作用和两体碰撞的同位旋相关性都对同位素标度参量α有明显的影响，具体说就是它们都减小了标度参量α的值。故α可以作为提取重离子碰撞过程中动量相关作用和核子－核子碰撞截面信息的物理观测量。论文利用同位素标度规律对核反应过程的平衡问题进行了研究，同时我们也利用同位素标度规律对IQMD模型中的时间信息进行了研究，提出了“碎裂时刻”的概念

重离子碰撞中粒子发射的同位旋效应

本文首先介绍了当前核物理的热点问题之一，放射性核束物理中的对称能密度依赖性问题。讨论了对称能的概念、研究意义、介绍了了重离子碰撞输运模型IBUU04。接下来，文章主要研究的是重离子反应中粒子发射的同位旋效应，从而进一步研究对称能的信息。基于IBUU04输运模型，模拟了Sn的两种同位素124Sn+124Sn和112Sn+112Sn在束流能量为50MeV每核子，碰撞参数为2 fm，4 fm，8 fm 的核反应。利用反应的数据，分析了n/p和双n/p的对称能效应以及碰撞参数的依赖性。结果表明：在大碰撞参数的碰撞中，高能核子的双中质比有很明显的对称能效应。同时，还研究了能量为400MeV/A，Sn的同位素的反应中π介子的产生，π-/π+、双π-/π+ 的对称能效应。文章的结尾，我们讨论了A=3的镜像核t和3He发射的对称能效应及碰撞参数依赖性，t-3He流的对称能效应，t/3He同n/p的发射关联。结果表明：在丰中子反应系统,中心碰撞下t/3He同n/p有着关联;大碰撞参数下t/3He有较好的对称能效应，t-3He相对流和微分流有着较好的对称能效应。最后，我们给出了本文的基本结论，就当前工作中的问题和今后发展的方向做出了的展望

重离子束辐照诱变啤酒酵母线粒体DNA研究

摘要 II 5. 在不同注量离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株中扩增获得位 于第 12 染色体上的 SOF1 基因，而在同样的扩增体系中没有得到野生型 菌株的该基因。 6. 选取离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株再次进行辐照，发现 其在低剂量范围（＜0.93Gy）辐照下非常敏感，而在高剂量范围（＞ 0.93Gy）又表现出一定程度的辐射抗性。 结论： 1. 离子束辐照酵母细胞，直接或间接作用于酵母线粒体DNA，导致线粒体 DNA损伤，形成呼吸缺陷的酵母菌株。 2. I 类内含子和 II 类内含子对于离子束辐照的敏感性不同： II 类内含子比较 稳定，II 类内含子可能利用自身编码的反转录酶通过目的DNA引导的反 转录机制对受到辐照损伤的II 类内含子进行修复。 3. 离子束辐照后 SOF1 基因可能发生了突变，影响酵母细胞的生长。 4. 呼吸缺陷型酵母菌株因其线粒体 DNA发生变化及线粒体功能的改变， 使 呼吸缺陷型酵母菌株在不同剂量区的离子束辐照下表现不同辐射敏感 性。目的： 研究啤酒酵母的线粒体 DNA 在重离子辐照作用下的突变效应及其突变机 理。 材料与方法： 利用兰州重离子研究装置(HIRFL)加速的氖、碳离子辐照酵母细胞，用 TTC 显色培养基筛选呼吸缺陷型酵母菌株，并用 mtDNA 限制性酶切手段分析其突变 规律。采用 PCR扩增并对目的产物测序的方法对辐照后线粒体DNA上的 I 类内 含子和 II类内含子进行研究。 结果： 1. TTC 显色实验表明：离子束辐照导致酵母线粒体上的电子传递链发生改 变，产生的还原氢减少，造成呼吸缺陷。 2. 利用限制性酶切实验对线粒体 DNA进行研究，结果表明：离子束辐照诱 变筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株其线粒体DNA变化明显： 主要表现为 酶切条带缺失严重。即使在同一注量下筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株， 其酶切图谱也不相同。 3. 通过 PCR 手段对辐照后酵母线粒体 DNA 碱基序列进一步进行分析，发 现经不同注量离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株，其I 类内含 子（ai4 and ai5）经设计不同引物进行扩增，没有获得目的条带，说明此 序列发生了突变，可能对离子束辐照比较敏感。 4. 经不同注量离子束辐照后筛选出来的呼吸缺陷型酵母菌株，其 II 类内含 子（ai2）的碱基序列与野生型相比没有变化，表现出在离子束辐照作用 下比较稳定的特性。

近垒重离子熔合反应和超重核合成机制研究

本论文在同位旋相关的量子分子动力学(IQMD)模型基础上，对相互作用势、核子的费米子属性和两体碰撞做了系统改进，同时考虑原子核的壳效应，发展成为改进的同位旋相关的量子分子动力学(ImIQMD)模型。ImIQMD模型能够很好地描述大量核的基态性质，如结合能、均方根半径、密度分布、动量分布等，并使得基态核的稳定性有了很大提高。基于ImIQMD模型我们系统计算了一系列反应系统的熔合激发函数，并能够与已知实验数据相当好地符合，包括丰中子系统和幻数核系统；分析了各种动力学因素在熔合过程中的作用，发现动力学位垒、位垒分布、颈部动力学行为(颈部的成长，颈部中质比、颈部核子流)等对入射能量和系统的质量不对称度有着密切的依赖关系，分析了垒下熔合区域中壳效应的影响。运用ImIQMD模型，对重系统的俘获动力学过程做了分析，包括俘获截面、动力学位垒、颈部动力学行为等。基于双核系统概念，对熔合－蒸发反应合成超重核形成过程中的俘获、熔合和蒸发三个阶段分别采用了半经验耦合道模型、数值求解主方程(考虑了双核系统的衰变和重碎片的裂变)和统计蒸发理论做了描述，即为双核系统(DNS)模型。基于该模型对超重核的形成机制做了系统研究，并预言了进一步合成超重核最佳的弹靶组合和入射能量

GeV能区重离子碰撞中碎片的形成和核穿透效应

分析了从0.4至1.2GeV/u 的Ni+Ni和Pb+Pb重离子碰撞过程中的径向流，核穿透等动力学现象及其对碎片形成的影响，得出如下结果： 实验结果发现，从出射粒子的快度分布可以看出，越重的粒子产额越小，且较容易出现在弹靶核快度区域，并且系统越重越有利于碎片的形成。不同快度区间的出射粒子的平均质量数可以说明，碎片不仅来自于弹靶核的碎裂，同时“火球”区域的轻核子凝聚也是一重要来源，对于不同的系统和不同的入射能量，两者的贡献不同。在某一入射能量的某一碰撞系统，不同质量数的粒子的产额随质量数满足很好的指数下降的关系，其斜率随快度绝对值的变化与系统质量相关，……，说明重碎片可能来自弹靶核的碎裂，而随着系统质量的增加，“火球”区域的轻核子凝聚变得越来越重要。 根据冲击波模型假设的出射粒子的平均动能随粒子的质量数的线性变化关系，提取出径向流，发现径向流随入射能量的增高而增高，并且系统越重，径向流越明显。并且发现出射粒子的横向快度分布比纵向快度分布窄，说明碰撞过程中存在部分穿透，并且穿透对系统的大小和入射能量有很强的依赖关系，经“Vartl”定量的描述，发现随着入射能量升高系统的变轻，穿透现象越明显，并且发现径向流与核阻止有很明显的关联关系。 经过理论结果与实验结果的对比，可以发现例如径向流、核穿透等动力学因素对碎片的形成有很明显的影响。同时为提取核物质状态方程（EOS）提供了有用的数据

重离子耗散反应中的长程关联

本论文介绍了重离子耗散反应产物激发函数中能量结构研究的概况及相关的理论模型，描述了重离子耗散反应激发函数测量实验的基本技术和数据分析方法，并着重分析了19F+27Al耗散反应产物激发函数之间的关联特性。重离子耗散反应产物激发函数的涨落结构研究，是分析重离子耗散反应中各物理量随时间的演化过程的有效方法。本论文报道了实验室系110.25―118.75MeV 19F+27Al耗散反应产物激发函数测量的实验结果，通过对激发函数的涨落结构进行关联函数分析，结合有关理论模型，探讨了耗散反应产物激发函数的能量结构的物理本质。 19F+27Al耗散反应中，不同角度测量到的类弹产物的激发函数之间存在强烈的关联，当出射产物在质心系180±对称时，这种关联有一个极大值。以“时间―功率谱”方法分析数据，运用态叠加原理和宇称守恒在弹靶核组成的中间双核系统的演化过程中，可以合理地解释观测到的实验现象，阐述耗散反应中长程角度关联的物理本质。 19F+27Al耗散反应中，同一角度测量到的不同类弹产物的激发函数之间也存在着强烈的关联。这种关联随着耗散程度的加深而减弱，它与耗散反应的“弛豫”过程是一致的。耗散反应中的这种关联起源于弹靶核组成的中间双核系统中不同角动量之间的干涉以及中间双核系统极其缓慢的退相干过程

重离子治疗计划系统相关问题研究及实践

对重离子放射治疗的历史及束流配送系统进行简要回顾之后，本论文重点介绍了重离子治疗计划系统及在此方面所做的一些实践工作，最终目的是给正在进行重离子放射治疗临床试验研究的中国科学院近代物理研究所提供一些实践经验，为即将开展的深部肿瘤重离子治疗计划系统的建立奠定基础。本论文在医学影像算法平台MITK(medical imaging toolkit, MITK)的基础上开发了一个集成化的三维医学影像处理程序，提供了一个一致的框架，整合医学图像读取，二维、三维交互操作，医学图像三维面绘制等功能，并且完全支持DICOM3.0标准。在此基础上，利用IDL（interactive data language，IDL）实现了对医学CT图像像素值的提取，在对像素值沿束流贯穿方向上进行水等效处理后，根据CT图像给出的信息完成了初步的剂量计算与治疗计划的设计，并提出了一些治疗计划的验证方案。治疗计划系统是一种融合了多种诸如数学、放射物理学、放射生物学、计算机图形学、数字图像处理等学科的复杂软件系统，是放射治疗专家预先规划治疗方案的一种计算机辅助工具。其内容包括图像重建、靶区及紧要器官的划分、重离子束照射通道及束流能量的选择与确定、处方剂量向重离子辐照场强度的反演、辐射场的优化、重离子束辐射场控制数据的产生、剂量计算结果的二维及三维显示、治疗计划的生物效应评估以及治疗计划的优化等。本论文利用MITK和IDL对上述部分内容提供了一个基本的解决方案，为今后开发更加完善的重离子治疗计划系统搭建了框架