活细胞微束辐照单质子计数装置及方法

本发明涉及辐照质子计数装置及方法，属于细胞生物学与光学精密测量交叉。

背景技术：

1、活细胞微束辐照单质子计数装置与方法在多个领域都有重要的背景和意义。在生物医学研究中具有重要应用价值，辐照技术是一种利用物理或化学方法对材料或细胞进行照射的技术，具有操作简单、快速、高度局部化等优点，在肿瘤治疗、放射生物学和放射化学等领域得到广泛应用；活细胞研究对于生物医学研究具有重要意义，因为在活细胞中进行研究可以更好地了解细胞的功能和变化，对于疾病的治疗和预防具有重要意义。现有技术中多采用光学成像方法对细胞进行观察观测，并不能进行精确质子计数功能。

2、因此，亟需提出活细胞微束辐照单质子计数装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术无法实现活细胞质子微束定量计数问题，提供活细胞微束辐照单质子计数装置及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、活细胞微束辐照单质子计数装置，包括垂直微束终端、束流光脉冲收集及转换模块、光电脉冲探测模块和单质子计数及辐射同步控制模块，垂直微束终端与束流光脉冲收集及转换模块建立配合，束流光脉冲收集及转换模块、光电脉冲探测模块、单质子计数及辐射同步控制模块顺次建立连接。

4、优选的：所述垂直微束终端包括真空窗、闪烁体和束流管道，所述束流管道的上部设置有真空窗和闪烁体。

5、优选的：所述束流光脉冲收集及转换模块包括反射式准直镜、收集透镜、多模光纤跳线纤芯和光电探测器，所述反射式准直镜、多模光纤跳线纤芯、光电探测器顺次连接，反射式准直镜通过收集透镜与闪烁体建立配合。

6、优选的：所述光电脉冲探测模块包括电容、放大器、比较器、辨别器和脉冲整形器，所述光电探测器、电容、放大器、比较器、脉冲整形器顺次连接，辨别器与比较器连接，脉冲整形器的输出端与单质子计数及辐射同步控制模块建立连接。

7、优选的：所述单质子计数及辐射同步控制模块包括高压偏置电源、工控机、输入缓冲器、ch340串口通信模块、fpga主控、展宽输出单元和计数触发控制单元，所述脉冲整形器、输入缓冲器、fpga主控、展宽输出单元、工控机顺次连接，脉冲整形器、ch340串口通信模块、fpga主控、计数触发控制单元、高压偏置电源顺次连接，计数触发控制单元与高压偏置电源相连，是由该单元输出高电平，输出到高压偏置电源，束流管道位于高压偏置电源的两个极板之间。

8、优选的：所述束流光脉冲收集及转换模块还包括固定件，固定件与反射式准直镜、收集透镜连接，固定件通过上端螺纹可装在通用物镜转盘上实现物镜和收集模块的自由切换。

9、优选的：活细胞微束辐照单质子计数装置还包括培养皿、生物样品托盘和高精度位移台，通用物镜与高精度位移台的固定支架固定连接，高精度位移台的活动台上放置有生物样品托盘，生物样品托盘的中部设置有培养皿放置槽，培养皿用于承载活细胞，培养皿放置于培养皿放置槽内，培养皿、位于束流管道、收集透镜之间。

10、活细胞微束辐照单质子计数方法，包括以下步骤：

11、步骤a：调节高精度位移台使培养皿与收集装置固定件和束流管道三者在一条垂直线上，调节光电探测器的增益电压，使其能够检测到微弱的束流光脉冲信号；

12、步骤b：光电脉冲探测模块将光电探测器的电流信号通过放大器放大，再通过比较器滤除低于辨别器电压的底噪，最终由脉冲整形器转换成用于单质子计数的+5v的10ns脉冲信号；

13、步骤c：工控机通过ch340串口通信模块下发数据“0”至单质子计数及辐射同步控制模块的fpga主控，对当前计数值进行清零和对触发标志的清除，产生开始标志信号；

14、步骤d：开启束流，产生质子束流，质子束流通过闪烁体时产生的束流光脉冲信号，先经过培养皿、反射式准直镜，再进入到光电探测器，光电探测器再将束流光脉冲信号转换为光电流信号；质子脉冲打到闪烁体之后变为光信号，光信号被光电探测器探测到后转换为光电流信号，光电流信号经过光电脉冲探测模块之后已经转换为电压信号，即输入到单质子计数及辐射同步控制模块的已经是电压信号；

15、步骤e：+5v的10ns脉冲信号经输入缓冲器将+5v coms电平转换为3.3v ttl电平，转换时间小于6ns，再接入fpga主控的输入引脚；

16、步骤f、工控机通过ch340串口通信模块发送计数值至单质子计数及辐射同步控制模块的fpga主控，此时计数和展宽使能；

17、步骤g、fpga主控将输入缓冲器的输出信号作为敏感信号，每有一个质子脉冲信号，fpga主控内部寄存器信号发生翻转；

18、步骤h、fpga主控对步骤g所述的内部寄存器信号进行上升沿和下降沿的检测，并输出宽度为500ns的脉冲信号，再通过展宽输出单元输出展宽信号，延迟时间为40ns，fpga时钟频率为200mhz；

19、步骤i、对步骤h所述的展宽信号进行累加，当累加值达到设定值后产生触发标志，由计数触发控制单元输出，使高压偏置电源产生强电场，使束流偏移，结束对生物活细胞的微束辐照，触发信号由低电平跳变为高电平。

20、本发明具有以下有益效果：

21、本发明通过装置将单质子的脉冲信号展宽，实现延迟，本发明的展宽信号可用于计数功能和实时监测；

22、本发明可设置定量计数值，通过串口发送计数值实现控制计数使能和清零，产生相应的触发标志，实现活细胞质子微束定量计数。

技术特征：

1.活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：包括垂直微束终端、束流光脉冲收集及转换模块、光电脉冲探测模块和单质子计数及辐射同步控制模块，垂直微束终端与束流光脉冲收集及转换模块建立配合，束流光脉冲收集及转换模块、光电脉冲探测模块(16)、单质子计数及辐射同步控制模块(13)顺次建立连接。

2.根据权利要求1所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：所述垂直微束终端包括真空窗(7)、闪烁体(8)和束流管道(9)，所述束流管道(9)的上部设置有真空窗(7)和闪烁体(8)。

3.根据权利要求2所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：所述束流光脉冲收集及转换模块包括反射式准直镜(2)、收集透镜(3)、多模光纤跳线纤芯(11)和光电探测器(12)，所述反射式准直镜(2)、多模光纤跳线纤芯(11)、光电探测器(12)顺次连接，反射式准直镜(2)通过收集透镜(3)与闪烁体(8)建立配合。

4.根据权利要求3所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：所述光电脉冲探测模块(16)包括电容(17)、放大器(18)、比较器(19)、辨别器(20)和脉冲整形器(21)，所述光电探测器(12)、电容(17)、放大器(18)、比较器(19)、脉冲整形器(21)顺次连接，辨别器(20)与比较器(19)连接，脉冲整形器(21)的输出端与单质子计数及辐射同步控制模块(13)建立连接。

5.根据权利要求4所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：所述单质子计数及辐射同步控制模块(13)包括高压偏置电源(10)、工控机(15)、输入缓冲器(22)、ch340串口通信模块(23)、fpga主控(24)、展宽输出单元(25)和计数触发控制单元(26)，所述脉冲整形器(21)、输入缓冲器(22)、fpga主控(24)、展宽输出单元(25)、工控机(15)顺次连接，脉冲整形器(21)、ch340串口通信模块(23)、fpga主控(24)、计数触发控制单元(26)、高压偏置电源(10)顺次连接，计数触发控制单元(26)与高压偏置电源(10)相连，是由该单元输出高电平，输出到高压偏置电源，束流管道(9)位于高压偏置电源(10)的两个极板之间。

6.根据权利要求5所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：所述束流光脉冲收集及转换模块还包括固定件(1)，固定件(1)与反射式准直镜(2)、收集透镜(3)连接，固定件(1)通过上端螺纹可装在通用物镜转盘上实现物镜和收集模块的自由切换。

7.根据权利要求6所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，其特征在于：活细胞微束辐照单质子计数装置还包括培养皿(4)、生物样品托盘(5)和高精度位移台(6)，通用物镜与高精度位移台(6)的固定支架固定连接，高精度位移台(6)的活动台上放置有生物样品托盘(5)，生物样品托盘(5)的中部设置有培养皿放置槽(14)，培养皿(4)用于承载活细胞，培养皿(4)放置于培养皿放置槽(14)内，培养皿(4)、位于束流管道(9)、收集透镜(3)之间。

8.活细胞微束辐照单质子计数方法，其特征在于：基于权利要求1-7任一项所述的活细胞微束辐照单质子计数装置，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及活细胞微束辐照单质子计数装置及方法，属于细胞生物学与光学精密测量交叉技术领域。解决现有技术无法实现活细胞质子微束定量计数问题。包括垂直微束终端、束流光脉冲收集及转换模块、光电脉冲探测模块和单质子计数及辐射同步控制模块，垂直微束终端与束流光脉冲收集及转换模块建立配合，束流光脉冲收集及转换模块、光电脉冲探测模块、单质子计数及辐射同步控制模块顺次建立连接。本发明通过装置将单质子的脉冲信号展宽，实现延迟，本发明的展宽信号可用于计数功能和实时监测；本发明可设置定量计数值，通过串口发送计数值实现控制计数使能和清零，产生相应的触发标志，实现活细胞质子微束定量计数。

技术研发人员：刘辰光,刘俭,陈钊,袁守国
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19