一种用于粒子束辐射样品的自动换样装置及方法与流程

文档序号：17983636发布日期：2019-06-22 00:15阅读：195来源：国知局

本发明涉及一种自动换样装置及方法，具体是关于一种用于粒子束辐射样品的自动换样装置及方法。

背景技术：

随着核科学与核技术的发展，辐射在生物及材料科学中的应用日益广泛。生物方面，可进行植物及微生物的诱变育种，与常规育种相比，辐射诱变育种具有简单、安全、突变率高、节省人力和物力等优势，目前已成为改良性状、创新种质的有效手段。此外，还可应用于粒子束治癌及空间生物学研究，开展肿瘤放射治疗及载人航天生物学效应的地面模拟工作。亦可开展药物分子的辐射分子改性研究，有助于开发新的药物分子。材料方面，可在材料改性、抗辐射特性、纳米材料制备、半导体元器件辐射耐受等多个领域开展研究。

粒子束辐射不同于电磁辐射，其与靶物质作用方式有很大的不同，具有辐射效应强的特点。粒子束包含轻子及强子，轻子可以为电子或正电子，强子包括质子、轻离子(例如氦离子)以及重离子(例如碳离子、氧离子、氖离子、氩离子和铁离子等)。粒子束的能量范围可以从数千电子伏特直到接近光速的数百万甚至千兆电子伏特范围。粒子束作为新兴的物理诱变源之一，在辐射诱变育种中发挥越来越重要的作用。与传统光子辐射，如γ射线、x射线相比，粒子束辐射诱变育种具有突变效率高、突变谱广、稳定周期短的特点，在新品种/新菌种开发及种质资源创制中有越来越广的应用。粒子束在肿瘤治疗领域，具有靶区相对生物学效应高的特点。粒子束在贯穿或注入化合物过程中，具有能量沉积、质量沉积的特点，造成原子或分子损伤，使部分分子的结构发生重排，亦可形成新的分子基团，可改变原有材料的物理及化学性质，在材料学基础及应用研究中有广泛的用途。粒子束通常采用反应堆和粒子加速器等装置来获得。

现有的转盘式样品换样系统存在通量低、效率低的不足之处，无法满足日益增长的国内用户需求。由于转盘式样品换样系统一次换样的样品数较少，导致换样次数较多，因此增加了由于转盘换样而产生的束流时间的浪费。与此同时，高能粒子加速器运行成本高，运行一小时的费用为数万元。因此，提高换样效率、增加换样通量格外重要。为了充分利用加速器产生的束流，减少成本昂贵的束流的浪费，必须充分着眼于辐射样品的换样系统，极大的提高换样效率，增加一次换样的样本通量，才有可能满足粒子束辐射生物及材料样品的产业化需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于粒子束辐射样品的自动换样装置及方法，以实现样品盘间的自动更换，代替人工手动更换，无需等待辐射间的环境辐射剂量下降至安全范围内，节省粒子束束流时间，提高束流的利用效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于粒子束辐射样品的自动换样装置，包括样品盘单元、样品盘运输单元、样品盘搬运单元和样品盘辐射台单元；其中，所述样品盘单元用于装载待辐射样品，所述样品盘运输单元用于搭载所述样品盘单元并将其送入辐射间；所述样品盘搬运单元设置在所述样品盘运输单元和样品盘辐射台单元之间，用于将所述样品盘运输单元上的所述样品盘单元移送到所述样品盘辐射台单元上或者将所述样品盘辐射台单元上的所述样品盘单元送回到所述样品盘运输单元上；所述样品盘辐射台单元用于搭载所述样品盘搬运单元移送的所述样品盘单元并将所述样品盘单元上的所述待辐射样品移动到粒子束辐射区域接受辐射。

所述的自动换样装置，优选的，所述样品盘运输单元包括：推车机构，所述推车机构上设有沿高度方向布置的层架机构，用于容纳至少一层所述样品盘单元；推车定位机构，所述推车机构滑动设置在所述推车定位机构上，通过所述推车定位机构将所述推车机构送入并固定在辐射间指定位置；肘夹定位机构，设置在所述层架机构上，用于确保所述样品盘单元在运输过程中不发生滑动。

所述的自动换样装置，优选的，所述样品盘搬运单元包括：机器人机构，所述机器人机构上设有样品盘托取支架机构，用于抓取并转移所述层架机构或所述样品盘辐射台单元上的所述样品盘单元；机器人高度调节机构，沿z轴方向设置在搬运底座上并与所述机器人机构连接，用于调节所述机器人机构的z轴高度。

所述的自动换样装置，优选的，所述样品盘辐射台单元包括：y轴移动机构，设置在辐射台底座上并沿y轴方向延伸；x轴移动机构，滑动设置在所述y轴移动机构上并沿x轴方向延伸；辐射台支架机构，所述辐射台支架机构的下端滑动设置在所述x轴移动机构上，所述辐射台支架机构的上端用于搭载所述机器人机构移送的所述样品盘单元；辐射台高度调节机构，设置在所述辐射台支架机构上，用于调节所述辐射台支架机构上端与束流真空窗的距离。

所述的自动换样装置，优选的，所述样品盘单元上设有凹槽型托盘和刻度型托盘，用于装载不同类型的所述待辐射样品。

所述的自动换样装置，优选的，所述样品盘单元所容纳待辐射样品的数量为1-24个；所述推车机构上的所述层架机构所容纳样品盘单元为1-10层；所述机器人机构根据待辐射样品的相态来设置移动速度：固态样品移动速度为50-120mm/s，液态样品移动速度为10-60mm/s；所述辐射台支架机构在x轴方向的移动距离为-200mm至500mm，在y轴方向的移动距离为-100mm至300mm；所述辐射台高度调节机构在z轴方向的高度调节范围为-200mm至600mm；所述样品盘辐射台单元具备零点定位功能。

一种用于粒子束辐射待辐射样品的自动换样方法，采用上述的自动换样装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：将样品盘辐射台单元安装在束流真空窗前；

步骤二：将待辐射的待辐射样品安置在样品盘单元上，将样品盘单元逐层插入推车机构的层架机构上，使用肘夹定位机构固定，将推车机构推到推车定位机构上送入并固定在辐射间指定位置；

步骤三：机器人机构将处于不同层架机构的样品盘单元从推车机构上移送到辐射台支架机构上，并根据辐射的粒子能量和射程通过辐射台高度调节机构调节束流真空窗与待辐射样品的距离，使辐射达到最佳条件；

步骤四：通过x轴移动机构和y轴移动机构调节辐射台支架机构位置，从而使辐射台支架机构上的样品盘单元中的所有待辐射样品按照预设坐标进行序列移动，粒子束通过束流真空窗和空气层对每个待辐射样品进行单个样品依顺序辐射；

步骤五：样品盘单元上所有待辐射样品被辐射后，样品盘单元通过样品盘搬运单元从辐射台支架机构送回推车机构的指定层架机构上；

步骤六：重复步骤三至步骤五，直至推车机构上所有待辐射样品完成辐射，将推车机构推出到辐射间外进行下一轮换样。

所述的自动换样方法，优选的，所述粒子束包括能量范围为8–400mev/u的核子粒子和/或带电粒子。

所述的自动换样方法，优选的，所述待辐射样品在大气条件下进行辐射。

所述的自动换样方法，优选的，所述待辐射样品包括植物种子、组培苗、组织块、根、茎、叶、芽、花粉、藻液、孢子、微生物菌液、菌落、孢子、哺乳动物贴壁、悬浮培养细胞、小型动物、化合物、金属或非金属。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的样品盘单元、样品盘运输单元、样品盘搬运单元和样品盘辐射台单元相互配合操作，实现了待辐射样品的自动化换样，换样通量显著提高，大幅减少了人工频繁进出照射间更换样品引起的束流浪费，节约了粒子束束流时间，实现了待辐射样品辐射的高效换样过程。2、经多次实践验证，本发明适用于粒子束辐射待辐射样品，具有通量高、可以在大气中辐射的优势，操作人员进出一次辐射间可以实现数百个待辐射样品辐射换样，每小时可以完成数百个照射样品的换样，完全适用于待辐射样品的粒子束高效辐射处理，极大的提高换样效率，并且克服了高能粒子加速器成本过高的缺点，推动了粒子束辐射生物及材料样品的产业化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明样品盘单元的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

实施例1：如图1、图2所示，本实施例提供的一种用于粒子束辐射样品的自动换样装置，包括样品盘单元1、样品盘运输单元2、样品盘搬运单元3和样品盘辐射台单元4；其中，样品盘单元1用于装载待辐射样品5，样品盘运输单元2用于搭载样品盘单元1并将其送入辐射间；样品盘搬运单元3设置在样品盘运输单元2和样品盘辐射台单元4之间，用于将样品盘运输单元2上的样品盘单元1移送到样品盘辐射台单元4上或者将样品盘辐射台单元4上的样品盘单元1送回到样品盘运输单元2上；样品盘辐射台单元4用于搭载样品盘搬运单元3移送的样品盘单元1并将样品盘单元1上的待辐射样品5移动到粒子束辐射区域6接受辐射。

在本实施例中，优选的，样品盘运输单元2包括：推车机构2.1，推车机构2.1上设有沿高度方向布置的层架机构2.2，用于容纳至少一层样品盘单元1；推车定位机构2.4，推车机构2.1滑动设置在推车定位机构2.4上，通过推车定位机构2.4可将推车机构2.1送入并固定在辐射间指定位置；肘夹定位机构2.3，设置在层架机构2.2上，用于确保样品盘单元1在运输过程中不发生滑动。

在本实施例中，优选的，样品盘搬运单元3包括：机器人机构3.1，机器人机构3.1上设有样品盘托取支架机构3.2，用于抓取并转移层架机构2.2或样品盘辐射台单元4上的样品盘单元1；机器人高度调节机构3.3，沿z轴方向设置在搬运底座3.4上并与机器人机构3.1连接，用于调节机器人机构3.1的z轴高度。

在本实施例中，优选的，样品盘辐射台单元4包括：y轴移动机构4.3，设置在辐射台底座4.5上并沿y轴方向延伸；x轴移动机构4.2，滑动设置在y轴移动机构4.3上并沿x轴方向延伸；辐射台支架机构4.1，辐射台支架机构4.1的下端滑动设置在x轴移动机构4.2上，辐射台支架机构4.1的上端用于搭载机器人机构3.1转移的样品盘单元1；辐射台高度调节机构4.4，设置在辐射台支架机构4.1上，用于调节辐射台支架机构4.1上端与束流真空窗的距离。

在本实施例中，优选的，样品盘单元1上设有凹槽型托盘1.1和刻度型托盘1.2，用于装载不同类型的待辐射样品5。

在本实施例中，优选的，样品盘单元1也可以根据实验需求自行设计凹槽的大小、形状等，以兼容多种规格的样品容器，包括直径30-60mm培养皿，t12.5、t25细胞培养瓶，0.2-50ml离心管，植物组织培养瓶以及待辐射样品实体等。

在本实施例中，优选的，样品盘单元1所容纳待辐射样品5的数量为1-24个。

在本实施例中，优选的，推车机构2.1上的层架机构2.2所容纳样品盘单元1为1-10层，每层样品盘单元1之间距离可根据具体情况进行调节。由此，单个推车机构2.1可容纳数百个待辐射样品5，工作人员一次进出辐射间推入推出一个推车机构2.1，可完成数百个的待辐射样品5的辐射换样。

在本实施例中，优选的，机器人机构3.1可根据待辐射样品5的相态(如固态样品或液态样品)来设置移动速度：固态样品移动速度为50-120mm/s，液态样品移动速度为10-60mm/s，从而确保样品在换样过程中不会倾倒或晃出。

在本实施例中，优选的，辐射台支架机构4.1在x轴方向的移动距离为-200mm至500mm，在y轴方向的移动距离为-100mm至300mm，并且可以按照预设坐标移动，从而实现样品的序列照射；辐射台高度调节机构4.4在z轴方向的高度调节范围为-200mm至600mm；同时，样品盘辐射台单元4还具备零点定位功能，以实现束流监测和剂量标定的需要。

实施例2：一种用于粒子束辐射样品的自动换样方法，包括以下步骤：

步骤一：将样品盘辐射台单元4安装在束流真空窗前；

步骤二：将待辐射的植物种子、花粉、组织块，微生物菌落及孢子等待辐射样品5置于24个35mm培养皿后，安置在1个样品盘单元1上，将10个样品盘单元1逐层插入推车机构2.1的层架机构2.2上，使用肘夹定位机构2.3固定，将推车机构2.1推到推车定位机构2.4上送入并固定在辐射间指定位置；

步骤三：机器人机构3.1将处于不同层架机构2.2的样品盘单元1从推车机构2.1上移送到辐射台支架机构4.1上，移动速度选取100mm/s；辐射台支架机构4.1通过辐射台高度调节机构4.4调节束流真空窗与待辐射样品5的距离为800mm；

步骤四：通过x轴移动机构4.2和y轴移动机构4.3调节辐射台支架机构4.1位置，从而使辐射台支架机构4.1上的样品盘单元1中的所有待辐射样品5按照预设坐标进行序列移动，并采用80mev/u的中能碳离子束通过束流真空窗和空气层对每个待辐射样品5进行单个样品依顺序辐射；

步骤五：样品盘单元1上所有待辐射样品5被辐射后，样品盘单元1通过样品盘搬运单元3从辐射台支架机构4.1送回推车机构2.1的指定层架机构2.2上，移动速度选取100mm/s；