Production of highly charged ion beams with SECRAL

Superconducting electron cyclotron resonance ion source with advanced design in Lanzhou (SECRAL) is an all-superconducting-magnet electron cyclotron resonance ion source (ECRIS) for the production of intense highly charged ion beams to meet the requirements of the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL). To further enhance the performance of SECRAL, an aluminum chamber has been installed inside a 1.5 mm thick Ta liner used for the reduction of x-ray irradiation at the high voltage insulator. With double-frequency (18+14.5 GHz) heating and at maximum total microwave power of 2.0 kW, SECRAL has successfully produced quite a few very highly charged Xe ion beams, such as 10 e mu A of Xe37+, 1 e mu A of Xe43+, and 0.16 e mu A of Ne-like Xe44+. To further explore the capability of the SECRAL in the production of highly charged heavy metal ion beams, a first test run on bismuth has been carried out recently. The main goal is to produce an intense Bi31+ beam for HIRFL accelerator and to have a feel how well the SECRAL can do in the production of very highly charged Bi beams. During the test, though at microwave power less than 3 kW, more than 150 e mu A of Bi31+, 22 e mu A of Bi41+, and 1.5 e mu A of Bi50+ have been produced. All of these results have again demonstrated the great capability of the SECRAL source. This article will present the detailed results and brief discussions to the production of highly charged ion beams with SECRAL.

New development of advanced superconducting electron cyclotron resonance ion source SECRAL (invited)

Superconducting electron cyclotron resonance ion source with advance design in Lanzhou (SECRAL) is an 18-28 GHz fully superconducting electron cyclotron resonance (ECR) ion source dedicated for highly charged heavy ion beam production. SECRAL, with an innovative superconducting magnet structure of solenoid-inside-sextupole and at lower frequency and lower rf power operation, may open a new way for developing compact and reliable high performance superconducting ECR ion source. One of the recent highlights achieved at SECRAL is that some new record beam currents for very high charge states were produced by 18 GHz or 18+14.5 GHz double frequency heating, such as 1 e mu A of Xe-129(43+), 22 e mu A of Bi-209(41+), and 1.5 e mu A of Bi-209(50+). To further enhance the performance of SECRAL, a 24 GHz/7 kW gyrotron microwave generator was installed and SECRAL was tested at 24 GHz. Some promising and exciting results at 24 GHz with new record highly charged ion beam intensities were produced, such as 455 e mu A of Xe-129(27+) and 152 e mu A of Xe-129(30+), although the commissioning time was limited within 3-4 weeks and rf power only 3-4 kW. Bremsstrahlung measurements at 24 GHz show that x-ray is much stronger with higher rf frequency, higher rf power. and higher minimum mirror magnetic field (minimum B). Preliminary emittance measurements indicate that SECRAL emittance at 24 GHz is slightly higher that at 18 GHz. SECRAL has been put into routine operation at 18 GHz for heavy ion research facility in Lanzhou (HIRFL) accelerator complex since May 2007. The total operation beam time from SECRAL for HIRFL accelerator has been more than 2000 h, and Xe-129(27+), Kr-78(19+), Bi-209(31+), and Ni-58(19+) beams were delivered. All of these new developments, the latest results, and long-term operation for the accelerator have again demonstrated that SECRAL is one of the best in the performance of ECR ion source for highly charged heavy ion beam production. Finally the future development of SECRAL will be presented.

Some Superconducting Magnets at IMP

Some superconducting magnets research at IMP (Institute of Modern Physics, CAS, Lanzhou) will be described in this paper. Firstly, a superconducting electron cyclotron resonance ion source (SECRAL) was successfully built to produce intense beams of highly charged heavy ions for Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL). An innovation design of SECRAL is that the three axial solenoid coils are located inside of a sextupole bore in order to reduce the interaction forces between the sextupole coils and the solenoid coils. For 28 GHz operation, the magnet assembly can produce peak mirror fields on axis of 3.6 T at injection, 2.2 T at extraction, and a radial sextupole field of 2.0 T at plasma chamber wall. Some excellent results of ion beam intensity have been produced and SECRAL has been put into operation to provide highly charged ion beams for HIRFL since May 2007. Secondly, a super-ferric dipole prototype of FAIR Super-FRS is being built by FCG (FAIR China Group) in cooperation with GSI. Its superconducting coils and cryostat is made and tested in the Institute of Plasma Physics (IPP, Hefei), and it more 50 tons laminated yoke was made in IMP. This super-ferric dipole static magnetic field was measured in IMP, it reach to the design requirement, ramping field and other tests will be done in the future. Thirdly, a 3 T superconducting homogenous magnetic field solenoid with a 70 mm warm bore has been developed to calibrate Hall sensor, some testing results is reported. And a penning trap system called LPT (Lanzhou Penning Trap) is now being developed for precise mass measurements.

丰中子新核素238Th的合成、鉴别和230Ac b 延发裂变的观测

新核素的合成及衰变性质的研究一直是核物理科学的前沿领域，它对于人类拓广对原子核运动规律的认识有着十分重要的意义。本文首先概述了新核素合成的意义、方法，并简要阐述了一种奇异的衰变方式—β~-延发裂变，为实验部分的论述提供理论基础。在实验部分，本文阐述了用放射化学方法研究了钍、钡、镭等复杂反应产物的化学分离。通过在Th的分离中引用PMBP萃取和反萃体系，并采用氧化还原体系有效地去除了绝大多数杂质元素，特别是非常好的去除了碘和溴离子的沾污，较好地完成了Th与其它反应产物的分离。对Ba、Ra的分离主要采用快速的阳离子交换流程，达到了满意的分离效果。对用中能~(18)O离子束照射铀、钍的反应产物进行分离，对分离出的钍、钡、镭样品进行了γ（X）单谱和时间序列谱测量。并对记录下来的样品的谱图进行了分析。使用上述方法，我们在兰州重离子加速器（HIRFL）上用~(18)O离子照射重铀酸铵靶，通过多核子转移反应，首次合成并鉴别了新核素不相识~(238)Th。 同时通过不同的反应道产生~(237)Th，并对~(237)Th的半衰期进行了测定；在HIRFL上用~(18)O离子照射氧化钍靶对~(230)Ra的子体~(230)Ac的β~-延发裂变现象进行了观测，在被Ra样品爆光的云母径迹探测器上观察到了两个裂变径迹，从ThO_2靶中用三次BaCl_2沉淀法分离出钡、使用γ谱学这技术测定了十多个Ba的放射性同位素的截面。

重离子束辐照对植物组织培养及转基因操作的影响

目的：建立重离子束辐照结合植物组织培养技术进行植物诱变的新方法，使用该方法率先开展植物组织细胞的传能线密度（LET）生物学效应的研究，尝试重离子束辐照结合农杆菌转染及质粒微注射法转基因操作。 材料与方法：采用兰州重离子研究装置(HIRFL)加速的碳离子束辐照非洲紫罗兰、丽格海棠、新几内亚凤仙以及紫花苜蓿的外植体，测定形态学指标，计算不同外植体的相对生物学效应（RBE）。以非洲紫罗兰叶片外植体为对象研究RBE随LET的变化关系。使用氖离子束辐照烟草叶片外植体结合农杆菌转染方法进行赤霉素4（GA4）基因转染实验；使用碳离子束辐照苜蓿愈伤组织结合质粒微注射方法进行β－葡萄糖苷酸酶（GUS）基因转染实验。 结果： 1. 不同剂量的936MeV的碳离子束和8MV的X射线辐照三种花卉及一种牧草的外植体后，基于存活率的RBE值分别为2.3、1.6、2.1和4.0； 2. LET值在31~151keV/μm区间的碳离子束辐照非洲紫罗兰叶片外植体。基于鲜重增殖（FWI）的RBE值随LET的增加而增加，151keV/μm时达到最高值6.7； 3. 烟草离体叶片外植体经过5Gy的1600MeV氖离子束辐照后进行农杆菌转基因操作，最终获得转染率为3.9%，单纯农杆菌转基因的转染效率为3.2%； 4. 20Gy的936MeV的碳离子束辐照苜蓿愈伤组织后结合组织表面pBI121质粒溶液微量注射处理后，获得GUS基因瞬间表达效率高达84.6%。 结论： 1. 不同花卉植物组织培养用外植体的辐照敏感性不同，本研究发现丽格海棠的辐射敏感性最高，其次是新几内亚凤仙，非洲紫罗兰的最不敏感； 2. 不同花卉植物外植体经离子束辐照诱变处理后，得到的再生植株突变类型不尽相同，主要包括叶的突变和茎的突变； 3. RBE的随LET的增大而增加可以归因于离子在生物体中能量沉积的增加，研究发现各生物学终止点受到损伤或者抑制的程度基本上是随着LET的增大而增大； 4. 通过离子束辐照结合植物组织培养方法最终获得了非洲紫罗兰叶绿素缺失突变体，该突变体通过植物组织培养技术能够稳定遗传； 5. 中能氖离子束辐照能够略微提高烟草农杆菌转基因的转化效率，辐照能够使再生植株花期提前； 6. 中能碳离子束辐照结合苜蓿愈伤组织表面微量注射质粒溶液法进行转基因操作能获得更高的基因转染效率

多级差分真空系统设计、计算和调试

兰州重离子加速器（HIRFL）后束运线TR2实验终端，是一个用于开展超重核研究的实验终端，实验系统工作时要求充入氦气，压强为100Pa左右，而后束运线上真空度要求为10E-6Pa，所以如何实现从实验终端充气压强为100Pa到后束运线上压强为10E-6Pa真空度的顺利过渡便成了一个重要课题。 本文从差分真空系统的原理着手，通过对差分系统材料、测量元件以及排气系统的选择，排气性能测试等，设计了TR2实验终端差分真空系统——四级差分真空系统。通过安装测试，将理论计算值与静态测试结果做了比较，引出了差分系统中充气气流效应的概念，并对该系统中充气气流效应进行定量和定性的分析，改进了差分真空系统的设计。 本文用真空系统中气体的流动与电子学电路中电子的流动相等效的思路，把四级差分真空系统等效成电子学电路，并用PSpice软件仿真计算四级差分真空系统中各级差分真空室的压力分布，并与实验结果作比较。 理论计算和静态测试结果均表明，TR2实验终端利用四级差分真空系统，可以实现从100Pa到后束运线上10E-6Pa真空度的顺利过渡

同步加速器磁场电源控制系统的优化研究

CSR控制系统是一个基于网络的分布式控制系统，它是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，它是一个波形发生、数据采集系统。所有依赖波形控制的系统都可以由它来控制。波形的参数由物理学家根据实验需要计算得出。因为加速器所有的运行状态都被电源所控制，所以控制系统的直接控制对象就是磁场电源。在整个控制系统中最重要的就是控制波形的同步和波形的精度，这是同步加速器控制系统的关键所在。波形的同步由同步时序系统控制，这是CSR成功运行的决定条件。数据的采集、电源状态的监测由数据采集模块CPLD负责完成，与前端ARM控制器结合，形成数据的上行通道。采集到的数据均存放在中央控制室的数据库中，以供参考、后期分析及应用。论文论述了对CSR磁场电源控制系统、时序系统和软件系统的设计实现及优化改进

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

4p探测器的研制及测试

本文主要分为两部分，第一部分是有关兰州多阵列4π探测器的设计，它主要是用于中能核反应的实验研究，因而它是根据中能核反应的特点来设计的，具有大的立体角的覆盖，好的空间分辨，低的能量阈以及较大范围的能量、动量测量和良好的粒子分辨等特点。第二部分主要介绍了此4π探测器的单元探测器的研制，其单元主要是由快塑料闪烁体和CsI(Tl)晶体组成的叠层望远镜及由快塑料与慢塑料闪烁体组成的叠层望远镜，主要包括快塑料闪烁体(BS498x)的研制，碘化铯(铊)晶体的选择，光子在闪烁体和光导中传输效率的模拟计算，光电倍增管Base电路的设计，最后是利用HIRFL加速的~(18)O和~(40)Ar束流轰击Ni靶产生的核反应产物对上述两种单元进行了测试，取得非常好的粒子分辨和轻粒子同位素分辨。

治癌专用离子同步加速器的物理设计

放射治疗肿瘤是利用各种放射线所携带的能量及其生物效应治疗肿瘤的一种方法。论文简要介绍了癌症的危害性和目前基本的治疗方法，回顾了国际上放射治疗肿瘤的发展历程和近年来的新动向，说明了国内放射治疗肿瘤工作的现状以及近几年的发展。为了促进国内癌症治疗的进一步发展，研究设计了国内第一台离子治癌专用装置。它由一台注入器（回旋加速器）、一台主加速器 (同步加速器)和若干治疗终端组成，能够把质子束加速到250MeV或者把碳离子束加速到430MeV/u，用于治疗人体内任意深度的肿瘤。 论文的重点是同步加速器的磁聚焦结构、注入和引出系统的设计。 商业化运行的治癌专用离子同步加速器通常采用紧凑性结构，要求操作简单，运行稳定可靠。论文根据治癌专用离子同步加速器的这些要求，研究设计了磁聚焦结构。 由于直线加速器的高流强特性，目前已有的国外离子治癌专用装置，几乎全部使用直线加速器作为同步加速器的注入器，同时采用多圈注入方式。考虑到直线加速器高的投入，借鉴大科学工程CSR束流累积的经验，论文以回旋加速器为注入器，采用剥离注入模式设计了治癌同步加速器的注入系统。另外，还对剥离注入期间离子束发射度、动量分散等参数的变化进行了较为详细的研究。 离子束治癌一般要求小剂量连续照射（1-10s），因此治癌专用离子同步加速器均采用三阶共振引出方式。论文详细阐述了三阶共振引出的基本理论与设计方法，在此基础上设计了离子束引出系统。通过磁聚焦结构、注入及引出设计的整体优化，提出了磁铁好场区和真空室孔径的参数。 最后，论文对慢引出的两种激发方式进行了理论探讨，并对纵向激发元件——磁电感应器（Betatron-core）的电流、阻抗和电压等参数的变化，以及电源纹波对引出束均匀性的影响进行了较为详细的分析计算

CSRe束流动力学研究

非线性动力学对于环形加速器，尤其是对现代新型的加速器来说，起着越来越重要的作用。非线性力的引入使得束流在真空管道中的稳定性大大降低，对物理实验产生较大的影响。所以对束流动力学尤其是非线性动力学的研究已成为加速器研究中的一个必要的、重要的课题。 本文首先对加速器物理的基础知识和兰州重离子加速器冷却储存环及其实验环（HIRFL-CSRe）做了一定的介绍。然后给出了非线性力存在时的动力学孔径的理解和此时动力学孔径的多种研究方法。 接着本论文对束流的共振情况做了推导和描述，用映射的观点，通过Normal Form这一数学工具研究了CSRe的非线性动力学。然后用加速器常用的软件（COSY INFINITY）研究了HIRFL-CSRe在各种状态下由于高阶场误差带来的非线性力对各阶共振力的影响。 最后，也是本文的核心部分。用MAD程序研究了CSRe横向动力学。对CSRe色品进行了校正，并计算了色品六极铁对CSRe Lattice的影响。对CSRe理想Lattice的动力学孔径进行了计算，然后根据实际测磁数据计算了CSRe在有二极铁和四极铁高阶误差等多种情况下的动力学孔径，最后通过实际实验时的束流的各种参数的测量说明了理论计算和实际情况一致，强度和稳定性都能够满足物理实验的要求。 本论文对CSRe系统的运行和CSRe各项实验有着一定的实际意义

CSRe横向动力学研究

随着现代加速器向高能、强流、长寿命束流方向的发展，非线性动力学已经成为现代加速器研究中一个非常重要的课题。非线性力的引入使得束流在真空管道中的稳定性大大降低，对物理实验产生较大的影响。因此束流动力学尤其是非线性动力学，在现代加速器的研究中已经起着日益重要的作用。 本文首先对束流横向动力学的基础理论进行了介绍。然后通过实际的测量数据，利用MAD程序对CSRe的二极铁离散性误差和四极铁的安装误差所引起的闭轨畸变进行了模拟和校正，并比较了不同的校正方案，将CSRe的闭轨畸变均方根校正到了0.1mm以下。 接着本文介绍了动力学孔径的概念，并给出了非线性力存在时的动力学孔径的理解和此时动力学孔径的多种研究方法。 最后，本文利用MAD程序对CSRe的横向动力学进行了研究。对CSRe色品进行了校正，并计算了色品六极铁对CSRe Lattice的影响，分析了CSRe的色差效应。对CSRe理想Lattice的动力学孔径进行了跟踪模拟。 并对粒子能量为400MeV和600MeV时，存在二极铁和四极铁高阶场误差情况下的动力学孔径进行了跟踪研究。

环境样品的低水平放射性测量

环境样品中的低水平放射性测量在环境放射性现状调查和探矿中有广泛的应用。本论文对CSR环境水样品的放射性利用γ能谱方法进行了测量；对铀矿坑水样铀电沉积层用红外谱图和扫描电镜进行了表征，并且对其进行了α能谱测量；对便携式钾40探测器样机在不同条件下进行了测试。 CSR环境水样品经过采集，静置，预处理和封装，用高纯锗探测器在低本底大铅室内对水样品进行了测量，每个样品测量86400秒。标准源由中国原子能科学研究院提供，用相对比较的方法，给出样品中天然铀、钍、镭和钾的放射性活度。测量结果表明，CSR环境水样品中的放射性处于兰州地区本底水平，在样品中没有发现人工放射性核素。 对铀矿坑水样中的铀进行离子交换化学分离，在0.8M的硫酸铵溶液中进行电沉积，电流密度为0.6A cm-2,pH值为2.5；和同样条件下电沉积的硝酸铀酰进行对比，并对二者分别作了红外光谱、扫描电镜、元素分析以及α能谱测量，红外谱上铀酰离子的反对称伸缩振动峰在887cm-1附近，电沉积在不锈钢片上的铀主要以铀酰离子水合物的形式存在，电沉积层中铀化合物形式为UO2(OH)2•xNH3•yH2O或者UO2(OH)2-x•(ONH4)x•yH2O。扫描电镜照片显示电沉积层均匀，没有成团现象出现。α谱表明电沉积层中铀的同位素主要是238U和234U，相应的α能量峰分别为4198keV和4773keV。 对研制的40K探测器样机在屏蔽和未加屏蔽的条件下进行了测试，测量配制的40K标准源，绘出标准曲线，在同样的条件下测量未知钾含量的样品，根据峰面积计算40K的含量。研制的40K探测器样机基本满足样品中钾含量测量的需要，在野外测量时，在一定程度上受本底的影响

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。

重离子诱导正常组织细胞的突变及损伤效应

对于重离子束辐照诱导的人类肝L02细胞hprt基因突变和DNA损伤效应目前还很少有报导。在重离子治癌和载人空间飞行当中，评价重离子辐照对病灶周围正常组织的辐射危害和空间重离子射线对宇航员的辐射风险越来越重要。本论文通过研究hprt基因突变频率、突变谱以及DNA损伤情况，为正确评价重离子对人体正常组织细胞的辐射风险及危害提供基础数据和依据。利用兰州重离子研究装置（HIRFL）提供的12C6+离子束(到达细胞样品处的能量为83.6MeV/n，对应的LET值约为30keV/m)和医用电子直线加速器提供的X射线（8MV，对应的LET值约为0.2keV/m）对体外培养的L02细胞进行0~6Gy照射后，在含有6-TG的培养基中克隆、6-TG筛选hprt突变细胞株，细胞克隆法测定hprt基因突变频率。各照射剂量分别随意挑取9~10个hprt基因突变株扩大培养，分别提取DNA后用多重PCR法扩增hprt基因的九个外显子，利用琼脂糖凝胶电泳观察其缺失突变谱。利用常规彗星电泳方法检测12C6+离子束（LET为30 keV/μm）辐照后人类肝L02细胞的DNA损伤情况，以CASP软件逐个分析彗星图像，主要检测头部DNA（HDNA％）尾部DNA（TDNA％）、彗星全长（CL）、尾长（TL）、尾矩（TM）和Olive尾矩（OTM）等指标的剂量-效应关系，并用SPSS11.5软件进行统计学分析。最后绘制出并线性拟合TM-剂量曲线。实验结果显示，人类肝细胞L02细胞系hprt基因对12C6+离子束和X射线辐照是敏感的。L02细胞对12C6+离子的存活分数明显低于对X射线的存活分数，即12C6+离子对L02细胞的致死效应强于X射线。两种射线照射后，每106个存活细胞中突变克隆的个数随照射剂量增大而增大。受致死效应影响，受照细胞的突变频率先增大后减小，都在1Gy处达到最大值，与文献报道的其他重离子辐照细胞诱导突变的结果相似。在所分析的突变细胞克隆中，发生缺失突变的概率最大，且大多数为大片段缺失突变。文献报道X射线多诱导微小突变和小片段缺失突，说明高LET的重离子辐射比低LET的X射线所引起的细胞损伤更大。另外，随着照射剂量的增加，完全缺失突变几率呈逐渐增大的趋势。但由于能够分析的细胞克隆数有限，进一步的研究是必要的。彗星电泳实验结果发现辐照以剂量依赖的方式引起L02细胞彗星图像TDNA％、CL、TL、TM和OTM等指标的增大，且TM值与剂量成线性正相关。说明该LET的12C6+离子束对DNA有较强的致损伤效应，且与剂量成正相关。本文实验所用碳离子束的LET(30keV/m)恰处于重离子治癌当中离子束贯穿健康组织到达肿瘤靶区之前入射通道上所具有的LET范围之内。本文的突变频率实验结果显示重离子束诱导正常组织细胞hprt基因突变的频率要高于X射线，也就是重离子束辐射对正常组织的远后效应及辐射风险与危害要大于X射线。突变谱实验结果表明单次大剂量碳离子照射对于hprt基因乃至细胞和组织都会造成很大的损伤。彗星电泳的结果也显示重离子对正常细胞一定的致DNA损伤效应。因此，应在充分考虑重离子束对正常组织辐射风险的前提条件下合理地制订治疗计划，在治疗当中应尽量避免对正常细胞组织的单次大剂量照射，使得重离子治癌成为一种最有效且安全的放射治疗模式。另外，在宇宙空间中，碳离子虽然在空间重离子中所占的比例较小，但从本文结果可以看到其也存在一定的辐射风险。因此，在载人空间飞行当中也应充分考虑其对宇航员的辐射风险及危害，并制定相应的辐射防护计