一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器

1.一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，包括有显微镜，所述显微镜的物镜下方设置有单离子微束，所述单离子微束的出射口正对所述显微镜的物镜，待测样品放置于所述显微镜的物镜与单离子微束的出射口之间，其特征在于：还包括有压扁的塑料闪烁光纤、光电倍增管，所述塑料闪烁光纤压扁的部分位于所述单离子微束的出射口与待测样品之间，所述塑料闪烁光纤两端分别与光电倍增管耦合；单离子微束向待测样品发出离子，离子穿过塑料闪烁光纤时，塑料闪烁光纤产生光子，并将光子传输至光电倍增管，由光电倍增管将光信号转化为电信号，离子穿过塑料闪烁光纤后，轰击样品。
2.根据权利要求1所述的一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，其特征在于：所述塑料闪烁光纤采用热压成型技术进行压扁，其压扁部分的厚度小于50微米。
3.根据权利要求1所述的一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，其特征在于：所述塑料闪烁光纤压扁的部分与所述单离子微束的出射口之间的空隙越小越好。
4.根据权利要求1所述的一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，其特征在于：所述光电倍增管安装于密封盒内，密封盒内注入有光耦合剂，密封盒上开有小孔，所述塑料闪烁光纤的两端通过小孔伸入密封盒内，与光电倍增管的接收窗相接。

一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及离子探测及光学领域，尤其是一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器。\n背景技术\n[0002] 随着人类知识水平的不断积累，认识自然的能力进一步提高，人们越来越关注自身的生活环境，尤其是电离辐射对健康的影响。研究者为了探求由于电离辐射引起的生物体损伤，尤其是低剂量辐照与活体细胞或组织相互作用的内在机理，迫切的需要一种能够精确定位投射定量粒子的装置，即单离子微束。\n[0003] 单离子微束是一种能够精确产生单个离子、定位精度达微米尺度的辐照技术平台，可以准确地将确定数目的离子投射到目标样品细胞的特定位点，定位精度在微米至亚微米量级。迄今为止，世界上众多的微束装置中，只是把单粒子微束作为一种精密辐照源使用，发展方向是离子如何打得更准确、更快，而研究的目标仍然是生物学终点效应。倘若对现有的单离子微束平台的离子探测系统进行改进，构建基于单离子束装置的在线检测和分析平台，通过在线无损定量探测单离子束辐照环境下细胞内生理参量变化，如游离钙离子浓度、胞浆pH值、细胞膜电位、线粒体膜电位、细胞膜磷脂和受体流动性、细胞内蛋白变化过程等来研究确定数量的低能离子与活体细胞相互作用的原初过程，则不仅能对理解在外界扰动因子作用下，在细胞乃至分子水平上所发生的物理、化学和生物学效应具有十分重要的意义，而且必将对离子束生物学、放射医学、发育生物学、空间生命科学以及材料辐照损伤微观机理等研究有重大的推动作用(Kadhim et al.Transmission of Chromosomal Instability after Plutonium Alpha-Particle Irradiation.Nature(1992))。\n[0004] 当前在世界各国的微束平台上所使用的离子探测系统基本上可分为两种，一种为部分前置探测系统，英国著名的CRC Gray实验室的GCI microbeam和中国科学院等离子体物理研究所的CAS-LIBB microbeam均采用了这种模式，附图1(a)给出了其示意图(Hu ZW et al.High-localized cell irradiation at the CAS-LIBBsingle-particle microbeam.Nuclear Instruments & Methods m Physics ResearchSection B-Beam Interactions with Materials and Atoms 2006；244(2)：462-466.Folkard et al.The use of radiation microbeams to investigate the bystander effect incells and tissues.Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Sectiona-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment2007；580(1)：446-450.)，另 一种为后置探测系统，美国哥伦比亚大学著名的RARAFmicrobeam就采用了该种模式，附图\n1(b)给出了该种探测模式的示意图(Bigelow etal.Single-particle/single-cell ion microbeams as probes of biological mechanisms.Ieee Transactions on Plasma Science 2008；36(4)：1424-1431)。这两种探测模式的工作原理如下：\n[0005] (1)部分前置探测方式。采用薄膜闪烁体松耦合光电倍增管(PMT)组合探测单离子信号。束流从准直器发射出来，穿过包括塑料闪烁体在内的多层薄膜结构后，辐照细胞样品。离子穿过闪烁体产生光子，光子透过样品后由PMT收集并转化为电信号，经处理后转化为对应的粒子个数，待辐照样品的粒子个数达到预设值时，探测系统就会发出指令关闭束流。但在这种结构中，离子需经多层薄膜后才可以辐照样品，因此离子的单能性和束径都受到影响，在一定程度上影响了定位精度；又由于采用闪烁体探测器计数，单个离子产生的光信号很弱，因此探测室需要严格遮挡环境光线以降低干扰。由于闪烁体产生的光子需穿过样品，才能被光电倍增管收集转化为电信号，因此不能用于辐照不透明或较厚的样品的实验。\n[0006] (2)后置探测方式。该方式一般采用气体电离室探测器，电离室置于显微镜物镜口，由于探测器窗口是透明的，而且里面的气体也是无色的，不会阻挡从样品发出的光线进入物镜，所以该种探测模式在辐照样品的同时可以用显微镜来观察或记录样品在辐照过程中的实时变化信息。束流从瞄准器出口穿出，穿过薄的真空封膜后，直接辐照在样品上，离子穿过样品后再进入气体电离室，气体电离室的信号经处理后进入控制系统控制电子开关来通断束流。但该种探测模式的缺点是探测器位于样品的后面，样品不能过厚，否则离子无法穿过样品到达气体电离室。在实际操作中，被辐照细胞不可以带培养液，只能利用湿润的空气通过特设通道喷到细胞样品上，以防细胞样品脱水。\n[0007] 以上两种方法，虽然均能实现对单离子微束辐照样品实验实现计数，但均存在着一定的缺点，如不能辐照厚样品或不透明的样品，不能在辐照样品的同时进行荧光信息的捕捉和离子探测。\n发明内容\n[0008] 本发明提供了一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，以解决当前微束在辐照样品的同时无法检测样品荧光信号的实时变化的问题，而且还可以对不透明厚样品进行辐照，扩大了微束的应用范围，提高了实验效率。\n[0009] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：\n[0010] 一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，包括有显微镜，所述显微镜的物镜下方设置有单离子微束，所述单离子微束的出射口正对所述显微镜的物镜，待测样品放置于所述显微镜的物镜与单离子微束的出射口之间，其特征在于：还包括有压扁的塑料闪烁光纤、光电倍增管，所述塑料闪烁光纤压扁的部分位于所述单离子微束的出射口与待测样品之间，所述塑料闪烁光纤两端分别与光电倍增管耦合；单离子微束向待测样品发出离子，离子穿过塑料闪烁光纤时，塑料闪烁光纤产生光子，并将光子传输至光电倍增管，由光电倍增管将光信号转化为电信号，离子穿过塑料闪烁体后，轰击样品。\n[0011] 所述的一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，其特征在于：所述塑料闪烁光纤采用热压成型技术进行压扁，其压扁部分的厚度小于50微米。\n[0012] 所述的一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，其特征在于：所述塑料闪烁光纤压扁的部分与所述单离子微束的出射口之间的空隙越小越好。\n[0013] 所述的一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，其特征在于：所述光电倍增管安装于密封盒内，密封盒内注入有光耦合剂，密封盒上开有小孔，所述塑料闪烁光纤的两端通过小孔伸入密封盒内，与光电倍增管的接收窗相接。\n[0014] 本发明中，先将塑料闪烁光纤进行压制，使其厚度在50微米以下，把光纤的压制部分固定在束流出口的正上方，并尽可能的减少空气气隙。光纤的两端分别和固定于束流出口两侧的光电倍增管耦合，闪烁光纤把离子轰击纤芯产生的光子传至光电倍增管转化为电信号，信号经过后端电子学线路放大和整形，从而实现离子的探测和计数。\n[0015] 本发明有效地解决了当前单离子微束探测系统无法工作于实时在线探测的问题，并且可以对不透明的厚度较大的样品(如金属材料、半导体材料等)进行辐照计数，扩大了微束的应用范围。另外由于光纤本身即是光子的产生器件又是光子的传输介质，故传输效率高，结构简单。\n[0016] 本发明应用于单离子微束装置中，实现了微束平台的在线检测功能，并且可以对不透明的厚度较大的样品进行辐照计数，拓宽了微束应用范围。本发明利用了闪烁光纤作为信号的产生器件和信号的传输器件的特点，减少了光信号由于耦合造成的损失，增强了光信号的收集效率，提高了信噪比，有效的解决了光信号淹没于背景信号的问题。本发明结构简单，装配方便，易于维护且工作稳定可靠。\n附图说明\n[0017] 图1为当前微束平台上通常所使用的两种离子探测模式，其中：(a)为部分前置探测模式，(b)为后置探测模式。\n[0018] 图2为本发明系统示意图。\n具体实施方式\n[0019] 如图1所示。一种基于塑料闪烁光纤的新型单离子微束探测器，包括有显微镜，所述显微镜的物镜下方设置有单离子微束，单离子微束的出射口正对显微镜的物镜，待测样品放置于显微镜的物镜与单离子微束的出射口之间，还包括有压扁的塑料闪烁光纤、光电倍增管，塑料闪烁光纤压扁的部分位于单离子微束的出射口与待测样品之间，塑料闪烁光纤采用热压成型技术进行压扁，其压扁部分的厚度小于50微米，塑料闪烁光纤压扁的部分与单离子微束的出射口之间的空隙越小越好。塑料闪烁光纤两端分别与光电倍增管耦合；\n单离子微束向待测样品发出离子，离子穿过塑料闪烁光纤时，塑料闪烁光纤产生光子，并将光子传输至光电倍增管，由光电倍增管将光信号转化为电信号，离子穿过塑料闪烁体后，轰击样品。光电倍增管安装于密封盒内，密封盒内注入有光耦合剂，密封盒上开有小孔，所述塑料闪烁光纤的两端通过小孔伸入密封盒内，与光电倍增管的接收窗相接。\n[0020] 本发明中，光纤的压制如下：\n[0021] 由于塑料闪烁光纤的软化温度为70℃，故采用热压成型方案对光纤进行加工。加工方法是：1)将光纤切割成所需要的长度；2)把光纤放入自制光纤压制器底座的槽中，旋动压制器旋钮，使压锤轻轻的将光纤挤住；3)将整个光纤压制器放入水浴锅内；4)打开水浴锅开关，调温至所要温度，待温度升至预设温度后，按照预设时间旋动压制器旋钮，将压锤下压至设定长度，重复进行直至压至所需要的厚度；5)从水浴锅中取出光纤压制器，待完全冷却后取下光纤。\n[0022] 本发明中光纤与光电倍增管的耦合如下：\n[0023] 光纤和光电倍增管的装配：首先把光纤倍增管放入金属封套内，在封套内注满光学耦合剂，金属封套的盖子上开一个小孔，孔直径与光纤横截面直径相当。然后按照附图2把加工好的闪烁光纤固定于束流出口的正上方，使光纤的压制部分紧紧的贴在束流出口上方，尽可能减少束流出口与光纤之间的气隙，确保离子束穿过光纤后能够打在样品上。固定好塑料光纤后，把光纤的两端插入金属封套盖子的小孔中，保证光纤的两端与光电倍增管的接收窗紧密接触，尽可能提高耦合效率。