Temperature annealing of tracks induced by ion irradiation of graphite

Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) samples were irradiated by Xe ions of initial kinetic energy of 3 MeV/u. The irradiations were performed at temperatures of 500 and 800 K. Scanning tunneling microscopy (STM) images show that the tracks occasionally have elongated structures under high-temperature irradiation. The track creation yield at 800 K is by three orders of magnitude smaller compared to that obtained during room-temperature irradiation. STM and Raman spectra show that amorphization occurs in graphite samples irradiated at 500 K to higher fluences, but not at 800 K. The obtained experimental results clearly reveal that the irradiation under high temperature causes track annealing.

SEU ground and flight data in static random access memories

This paper presents the vulnerabilities of single event effects (SEEs) simulated by heavy ions on ground and observed oil SJ-5 research satellite in space for static random access memories (SRAMs). A single event upset (SEU) prediction code has been used to estimate the proton-induced upset rates based oil the ground test curve of SEU cross-section versus heavy ion linear energy transfer (LET). The result agrees with that of the flight data.

An online monitor ionization chamber used in particle therapy

The clinical trials of tumor therapy using heavy ions beam C-12 are now in progress at Institute of Modem Physics in Lanzhou. In order to achieve the precise radiotherapy with the high energy C-12 beam in active pencil beam scanning mode, we have developed an ionization chamber(IC) as an online monitor for beam intensity and also a dosimeter after calibration. Through the choosing of working gas and voltage, optimizing of the electrics and the read-out system, calibrating the linearity, the detector system provide us one of the simple and highly reliable way to monitoring the beam during the active pencil beam scanning treatments. The measurement results of this detector system show that it could work well under the condition of high energy C-12 beam in active pencil beam scanning mode.

ATOMIC PHYSICS RESEARCHES AT COOLER STORAGE RING IN LANZHOU

The commissioning of the cooler storage rings (CSR) was successful, and the facility provides new possibilities for atomic physics with highly charged ions. Bare carbon, argon ions, were successfully stored in the main ring CSRm, cooled by cold electron beam, and accelerated up to 1 GeV/u. Heavier ions as Xe44+ and Kr28+ were also successfully stored in the CSRs. Both of the rings are equipped with new generation of electron coolers which can provide different electron beam density distributions. Electron-ion interactions, high precision X-ray spectroscopy, complete kinematical measurements for relativistic ion-atom collisions will be performed at CSRs. Laser cooling of heavy ions are planned as well. The physics programs and the present status will be summarized.

Spectra of identified high-p(T) pi(+/-) and p((p)over-bar ) in Cu + Cu collisions at root s(NN)=200 GeV

We report new results on identified (anti) proton and charged pion spectra at large transverse momenta (3 < p(T) < 10 GeV/c) from Cu + Cu collisions at root s(NN) = 200 GeV using the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). This study explores the system size dependence of two novel features observed at RHIC with heavy ions: the hadron suppression at high-p(T) and the anomalous baryon to meson enhancement at intermediate transverse momenta. Both phenomena could be attributed to the creation of a new form of QCD matter. The results presented here bridge the system size gap between the available pp and Au + Au data, and allow for a detailed exploration of the onset of the novel features. Comparative analysis of all available 200 GeV data indicates that the system size is a major factor determining both the magnitude of the hadron spectra suppression at large transverse momenta and the relative baryon to meson enhancement.

PIC mode simulation of solenoid collimation channel

A new SSC (Separated Sector Cyclotron)-Linac is being designed to serve as an injector for the SSC at the HIRFL (Heavy Ion Research Facility Lanzhou). The beam intensity at the LEBT (Low Energy Beam Transport) for the heavy ions after the selection is typically low and the space charge effects are inconspicuous. The space charge effects become obvious when the beam current increases to a few hundred microamperes. The emittance growth deriving from the space charge effects may be particularly troublesome for the following linac and cyclotron. An optical system containing three solenoids has been designed for the LEBT to limit the beam emittance and to avoid the unnecessary beam loss in the cyclotron, as well as for the purpose of immunizing the LEBT emittance growth due to the space charge effects. The results of the PIG (Particle-In-Cell) mode simulation illustrate that this channel could limit the beam emittance growth and increase the beam brightness.

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.

金属固体在重离子轰击下发射的特征X射线的能移研究

本论文的实验工作，是在兰州重离子加速器国家实验室完成的。实验中，使用ORTEC公司生产HPGe探测器测量了84MeV的12C4+重离子轰击系列金属箔生成的特征X射线。本论文研究了金属薄靶Ag、Cd、In和Sn产生的特征KX射线的能移现象。实验发现Ag、Cd、In和Sn的Kα1和Kα2X射线没有明显的能移现象，而Kβ1X、Kβ2X射线的能移却有100～200eV。对此，应用经典电磁理论详细地解释了该问题。在多组态Dirac-Fock（MCDF）程序计算的单空穴能移的基础上，分别根据实验中测量的特征KX射线的能移值和“几何”模型研究了重离子轰击下Ag、Cd、In和Sn的L、M壳层的多重电离。另外，在相同的条件下，实验测量的厚靶Au的特征LX射线能移不明显，而薄靶Au的特征LX射线却有1.5keV以上的能移。本文定性解释了该实验现象

中低能重离子碰撞中x-射线产生截面的理论研究

本工作应用Visual Fortran编写了ECPSSR理论计算程序，修正了ISICS程序中的错误，本程序可以对各种入射离子与靶原子的组合进行计算，给出K，L，M的壳层及次壳层电离截面以及相应的x-射线产生截面，并根据需要选择是否对入射离子运动进行相对论修正。采用所编写的程序计算了一些碰撞体系的电离截面和x-射线产生截面，并与其他程序的计算结果和实验数据分别进行了比较。对于低能离子入射， ECPSSR计算的x-射线产生截面值明显低于实验值。考虑到低能入射离子可能会与靶原子形成准分子，本工作采用联合分离原子(USA, united and separated atom)模型替代ECPSSR中的PSS模型，考虑分子轨道(M)效应得到了基于联合分离原子模型的电离模型－MECUSAR。编写了相应的程序并对部分碰撞系统进行了计算，将计算得到的碰撞截面与实验进行比较，发现对于较低能量重离子碰撞，MECUSAR计算值好于ECPSSR计算值，对于轻离子入射，MECUSAR计算值与ECPSSR值基本相符，而计算K壳层x-射线产生截面时，ECPSSR计算值好于MECUSAR计算值

低剂量重离子辐射诱导小鼠的适应性反应和褪黑素的辐射保护作用研究

研究目的： 1.研究碳离子辐射对小鼠不同组织抗氧化酶活性及细胞周期进程的影响。 2.研究低剂量碳离子预辐射对离体培养的黑色素瘤B16细胞及正常小鼠诱导的适应性反应。 3. 研究褪黑素（MLT）对碳离子的辐射损伤防护效应。 4. 研究碳离子层叠法辐照对H22荷瘤小鼠的治疗效果。研究方法： 1.采用不同剂量的碳离子辐照小鼠，用黄嘌呤氧化酶法检测外周血、肝脏及脑组织中抗氧化酶活性变化，流式细胞仪检测细胞周期阻滞情况。 2.采用低剂量碳离子预辐射离体培养的黑色素瘤B16细胞及正常小鼠，间隔4h后再以攻击剂量辐照，常规组织切片染色观察各组织器官病理变化，流式细胞仪检测细胞周期阻滞情况，黄嘌呤氧化酶法检测小鼠胸腺、脾脏及B16细胞中抗氧化酶活性，Western-blot法检测胸腺细胞及B16细胞中P53及P21蛋白表达情况，RT-PCR法检测CHK2及CDC25mRNA的表达水平。 3.在碳离子辐照小鼠1h前腹腔注射褪黑素，单细胞电泳方法检测胸腺、脾脏细胞的DNA损伤情况，微核法表征外周血的染色体损伤，黄嘌呤氧化酶法测定胸腺、脾脏细胞的抗氧化酶活性。 4.以碳离子层叠法辐照H22荷瘤小鼠，统计不同剂量照射后的肿瘤体积变化、肿瘤抑制率、肿瘤生长延迟天数及治愈率。结果： 1、小鼠血清和肝脏组织在辐射剂量较低（≤0.75Gy）时SOD活性高于对照组，随着辐射剂量的增高，SOD活性趋于降低；MDA含量在辐射剂量较低（≤0.3Gy）时低于对照，随着辐射剂量的增高其含量趋于升高；脑组织GSH浓度在照射剂量较低（≤0.5Gy）时大于对照组，随着照射剂量的升高其浓度趋于降低；低剂量辐射小鼠引起胸腺G2期细胞比例增加，脾脏G1期细胞比例增加。 2、小鼠肝脏、脾脏、肺脏及脑组织在攻击剂量辐射后，出现明显的病理变化，低剂量预辐射处理后病理变化减轻；低剂量预辐射增加胸腺G2期细胞及脾脏G1期细胞比例；相对于单纯攻击剂量辐射组，低剂量预辐射组胸腺组织P53及P21蛋白表达升高；CHK2 mRNA水平升高，CDC25 mRNA水平降低；脾脏及胸腺组织中SOD活性降低程度减弱，MDA含量升高趋势减弱。B16细胞经低剂量预辐射处理后上述指标均未发生明显变化。 3、与辐照处理组相比，褪黑素处理后小鼠的脾脏胸腺细胞DNA损伤拖尾率及彗尾长度明显降低；SOD活性升高，MDA含量降低，外周血微核率降低。 4、在不同剂量的碳离子辐照处理后观察的12天内，各组肿瘤生长速度减慢，生长延迟，肿瘤抑制率随时间而增加。15Gy照射组肿瘤生长速度最慢，肿瘤抑制率最大，肿瘤生长延迟最为明显，而且肿瘤治愈率达到30%。结论： 1． 低剂量12C6+离子全身辐照小鼠应激激活机体抗氧化系统，随辐射剂量的增加，机体抗氧化能力明显降低，导致脂质过氧化发生；低剂量的碳离子辐射导致小鼠胸腺细胞G2期阻滞，脾脏细胞发生G1期阻滞。 2． 低剂量12C6+离子预辐射引发小鼠正常机体产生适应性反应，减轻随后的大剂量辐射造成的损伤；低剂量12C6+离子预辐射对小鼠黑色素瘤B16细胞未引发适应性反应。 3． 15mg/kg的MLT可以对小鼠的重离子辐射损伤产生明显的防护效果。 4． 12C6+离子适形治疗小鼠移植性肿瘤H22，荷瘤鼠的存活时间、肿瘤体积变化、肿瘤的控制率、治愈率等结果显示，15Gy为最佳治疗剂量

重离子相对生物学效应的实验测定及生物有效剂量的验证

重离子高的相对生物学效应（relative biological effectiveness ，简称RBE）是将其应用于放疗治癌的生物学优势。生物有效剂量(GyE) = RBE

重离子照射后肿瘤细胞辐射敏感性和DNA双链断裂及修复的研究

本论文的实验内容立足于我所重离子治癌研究的基础之上，本着进行基础研究的目的，研究了肿瘤细胞对于重离子的辐射敏感性和重离子引起肿瘤细胞DNA双链断裂(DSB)及修复的情况，这可为我所开展重离子治癌提供有效的基础数据和理论参考，对于治疗计划的制定也具有重要的意义。实验从四个方面开展，首先考察了不同肿瘤细胞对低LETγ射线的辐射敏感性差异及其与修复可能存在的联系，其次考察了重离子在放射治疗中的优势及重离子用于肿瘤放射治疗的优越性，第三为了进一步寻求重离子对肿瘤细胞强杀伤能力的原因所在，对重离子引起的肿瘤细胞DSB及修复水平进行了研究，最后通过分次照射实验，考察细胞存活与细胞DSB修复水平之间可能存在的相关性。实验取得了一系列有意义的结果和结论： 1． 低LET电离辐射作用后，不同组织来源的肿瘤细胞的辐射敏感性有较大差 异，其各自的修复功能也有相应的差异，且肿瘤细胞的辐射敏感性与其修复能力呈负相关。 2．重离子具有的独特物理特性及其高LET下对肿瘤细胞的强杀伤作用，使得重离子成为肿瘤治疗的热点。与此同时，重离子还显示出其它值得关注的优势，它可以同样有效的杀伤不同肿瘤细胞，减弱了细胞间的敏感性差异，这对于治疗计划的制定和治疗对常规辐射抗性较高的肿瘤来说，具有重大的意义。对于临床的分次照射，重离子治疗时，细胞的亚致死修复明显降低，可以采取较少的照射次数就达到杀伤肿瘤的目的，这样大大提高了肿瘤治疗效率，同时减轻了病人的痛苦。 3．在两种高LET重离子引起细胞DSB及其修复实验中，初始DSB量均与剂量呈线性关系。 DSB的片段分布检测结果显示两种重离子辐照后DSB的分布呈明显的非随机分布，剂量增大时，大片段的DSB和小片段的DSB变化趋势不同：剂量超过一定数值后，小片段的DSB随剂量增大而呈现出高的增加速度，而大片段的DSB则呈现微弱增加甚至减少。同时LET变化对于这一现象存在影响。除了离子种类和LET之外，剂量也影响了DSB分布形式。修复实验结果显示4h后，残余的DSB相差不大。由于氩离子引起的初始DSB高于碳离子，在相同时间内，高LET的氩离子完成了对DSB更多的修复，这似乎提示，LET升高引起了更强的修复，但是这里值得考虑的有两点，一是慢修复的DSB所占的比例，二是错修复的问题，即使高LET的氩离子照射后DSB得到了更多的修复，但是其修复的忠实性并未得到证明，更多的工作还需要进行。 4．分次照射实验发现高LET的碳离子辐照后的剂量存活曲线不再存在明显肩区，分次照射细胞的存活也没有明显上升，这与光子辐照情况不同，应证了随着LET升高，分次效应降低的结论。同时检测DSB的引入情况，发现分次照射和单次照射时，DSB的引入并未发生明显变化，这显示在分次照射的间隙中，重离子引入的DSB并未得到明显的修复。提示细胞对高LET照射更为敏感与其对高LET辐照引起的DSB修复能力降低之间的相关性

重离子辐照粘红酵母诱变育种及其产油条件的优化

本论文以在微生物油脂生产中较具潜力的粘红酵母为材料，利用兰州近代物理研究所重离子研究装置（HIRFL）产生的80 MeV/u碳离子束对产油菌株粘红酵母进行辐照诱变, 采用含有脂肪酸合成酶抑制剂cerulenin的培养基进行高产油脂突变株的初选, 并通过磷酸香草醛反应和氯仿甲醇抽提法对初筛菌株油脂含量进行分析，复选出油脂产量和质量都有较大提高的突变菌株，并对其产油条件进行优化，以期获得一些其它诱变方法难以获得的高产油脂微生物突变株，大力开发离子束辐照技术在解决能源危机中的应用。通过本论文的实验研究，得到了以下初步结果 ： 1．液体培养基中，粘红酵母菌在接种后的40h－80h处于对数生长期，此时菌体的生长繁殖比较旺盛，活力最佳，为辐照诱变的最适时期。辐照后，不同来源的菌株对重离子辐射的敏感性有所不同，然而其存活趋势却大致相当。菌体的存活率都呈现出随辐照剂量的增加先减小后增加，再减小的马鞍型剂量－效应曲线。 2．cerulenin对酵母细胞的生长具有较好的抑制作用，浓度为8.96×10-6 mol/L时，抑制率达98%以上，可作为高产油脂粘红酵母菌的筛选浓度。通过磷酸香草醛反应法和氯仿－甲醇抽提法对初筛菌体油脂含量进行定量分析，结果表明初筛菌株的正突变率达66%以上。该方法快速方便，是一种较为理想的高产油脂酵母菌的筛选方法。通过这些方法，筛选出了2株油脂含量明显高于对照的突变株。 3．经实验发现，菌体培养物与磷酸香草醛试剂反应后在530nm的光吸收与氯仿－甲醇抽提法所测得的菌体油脂含量成正比，其标准曲线方程为y=38.2257x+0.67314，R2为0.995，从而建立起一种方便快捷的油脂定量测量方法，有望实现自动化分析。 4．通过对影响粘红酵母菌生长和油脂合成的几个主要因素(葡萄糖浓度、碳氮比、接种量、培养时间、温度、PH值)的初步探讨研究，得出了粘红酵母突变株的最佳产脂条件为: 葡萄糖浓度10％，碳氮比40:1，接种量10%，温度28℃，PH=5.0，培养时间为6天

注碳二氧化硅中高能重离子辐照效应研究

本论文工作采用“低能离子注入+高能重离子辐照”实验方法，通过建立注 碳二氧化硅（SiO2）中结构变化和新结构形成与高能重离子辐照参数的关系，比 较系统地研究了注碳SiO2中高能重离子辐照效应， 并对辐照效应产生机理进行了 初步探讨。 实验中，先将120keV的C离子注入SiO2样品，再用Xe、Pb、U等多种高能 重离子辐照，然后用FTIR、Raman谱和TEM等分析技术对样品进行表征。 实验结果表明， 高能离子辐照注碳非晶SiO2在注碳区形成管状径迹， 在高能 离子引起的离子径迹及其附近区域形成了SiC、 碳团簇、 SiOC结构和CO/CO2分子 并观察到了局域纳米晶化现象，形成的 SiOC 和 SiC 具有链式和笼式结构。新结 构的形成与碳离子注入剂量、高能离子辐照剂量、电子能损以及总沉积能量密度 有关，并存在相应的阈值。根据实验结果并结合热峰模型，我们认为高能重离子 辐照可能在注碳SiO2中引起了一系列化学反应， 其驱动力来自于强电子激发引起 的热峰过程。研究结果还表明，“低能离子注入+高能重离子辐照”是合成具有 特殊功能材料的一种有效手段，通过选择合适的高能重离子辐照，实现有选择结 构相变，可以合成新型功能材料。

快重离子在SiO2基材料中引起的强电子激发效应研究

具有特殊结构的SiO2基材料与Si平面工艺具有好的兼容性，在光电技术中的发光二极管、固体显示屏等器件的研制方面有巨大的潜在应用价值。本论文以快重离子与物质相互作用的特点为依据，选择具有重要应用价值的SiO2基材料，研究快重离子辐照在SiO2基材料中引起的强电子激发效应，特别是辐照相变等现象，探索制备具有特殊功能的新型材料的方法，主要开展了如下研究： 1）在单晶Si衬底上通过高温湿法氧化一层SiO2薄膜，制备出SiO2/Si样品；在室温条件下，用能量为100 keV的碳离子注入样品，注入剂量分别为2.0×1017、5.0×1017和1.2×1018 ions/cm2，使样品SiO2薄膜中一定区域内C、Si和O原子达到适当的原子浓度配比；再用能量为308 MeV的Xe和853 MeV的Pb离子在室温下对注碳后的SiO2/Si样品进行辐照，Xe离子辐照是在兰州重离子加速器国家实验室的扇聚焦回旋加速器（HIRFL-SFC）的重离子辐照终端上完成，辐照剂量分别为1.0×1012、5.0×1012、1.0×1013、1.0×1014 Xe-ions/cm2，Pb离子辐照实验是在法国重离子激光交叉学科研究中心(CIRIL,Caen)的中能离子辐照终端（IRASME）完成的，辐照剂量分别为5.0×1011、1.0×1012、2.0×1012、5.0×1012 Pb-ions/cm2；最后用荧光光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱和透射电子显微镜分析等技术对样品进行了表征。研究了样品发光与注碳剂量、辐照剂量和离子在薄膜中电子能损值的依赖关系，辐照引起SiO2薄膜中微结构改变与实验参数的依赖关系。发现快重离子辐照能显著改变注碳SiO2/Si样品的发光特性，如在5.0×1012 Pb-ions/cm2辐照的注碳2.0×1017 ions/cm2的样品中，探测到了很强的位于456、484和563nm的发光；在电镜照片中观察到了8H-SiC纳米晶及其他微结构的形成。基于实验结果，对薄膜发光特性与微结构改变之间的关系进行了初步探讨。 2）利用磁控溅射在单晶SiO2表面沉积Ni薄膜，制备了Ni/SiO2样品；在室温下用能量为308MeV的Xe和853MeV的Pb离子辐照Ni/SiO2样品，离子穿透Ni薄膜和Ni/SiO2界面，Xe、Pb离子辐照分别在HIRFL-SFC和法国CIRIL的IRASME辐照终端上完成，辐照剂量为1.0×1012、5.0×1012 Xe/cm2和5.0×1011Pb/cm2；用卢瑟福背散射技术和X射线衍射谱对样品进行了分析，研究了界面原子混合及相变效应与辐照剂量、电子能损值的依赖关系。发现快重离子辐照能引起Ni/SiO2样品界面处原子的混合，并导致界面形成NiSi2或Ni3Si新相，且原子扩散量随辐照剂量和电子能损值的增大而增大。 3）以热峰模型原理为基础，对实验观测到的快重离子辐照效应特别是电子能损效应的产生机理进行了探讨