重离子诱导的水分子与氙原子之间能量传递过程的实验研究

Although heavy ion radiotherapy has obvious advantages compared with conventional radiotherapy, the heavy ion induced fragmentation mechanisms of biological molecules are still unclear. The reason is that, the biological molecules are embedded in the environment constituted by water clusters, the environment will transfer energy to the biological molecules during heavy ion ionizing radiation. This application is intended to carry out the fragmentation experiment of (H2O)Xe induced by heavy ion impact. This experiment can simulate the energy transfer process between Xe atoms and water environment, and identify the whether the water environment can transfer virtual photon to the Xe atom by Interatomic Coulombic Decay. In the view of radiation damage, this process can lead to emission of low-energy electrons from biological molecules, and resulting in the break of their own DNA strand. Our study can effectively promote the understanding of the radiation damage process. At the same time, we intend to carry out the (H2O)Xe fragmentation experiment induced by highly charged ion impact. Through Two-Site Double Ionization, the collision parameter and orientation of H2O+ ions can be determined, and the correspondence between the H2O molecular orientation and single ionization dynamics can be obtained.

与传统放疗技术相比，重离子治癌技术优势明显。但是由于生物分子普遍存在于由水团簇构成的环境中，当发生重离子电离辐射时，该环境会与其中的分子发生能量传递，并引起复杂的物理现象。这就导致生物组织的电离解离机理至今尚不清楚。本申请拟利用反应显微成像谱仪开展重离子诱导的水氙混合团簇(H2O)Xe的解离实验，确定水分子是否可以通过原子间库仑退激（Interatomic Coulombic Decay）向Xe原子传递能量，使其发射低能电子，用以模拟水环境与生物分子之间的能量传递过程。该过程可以使生物分子自身发射低能电子，导致自身DNA链的断裂。同时，我们拟开展高电荷态离子与水氙混合团簇的碰撞实验，通过双点双电离（Two-Site Double Ionization）得到水分子和Xe原子对应的碰撞参数分布；同时确定H2O分子的空间取向，研究H2O分子的空间取向与单电离反应动力学的依赖关系。

为了深入理解重离子相关的辐射损伤机理，模拟生物细胞与水环境之间的能量传递过程，本项目利用兰州重离子加速器国家实验室的反应显微成像谱仪开展了N4+离子和电子碰撞Ne2团簇、NeXe团簇和水分子诱导的电离解离实验，对相关电离机理、解离机理、以及低能电子的产生机理进行了系统研究。1.为了有效收集高能离子和低能电子，我们首先研制了脉冲飞行时间谱仪。结果表明：将离子动能释放( Kinetic Energy Release (KER))与电子能量加和之后，得到的总能量的分辨可以达到0.5 eV，这使得我们的反应显微成像谱仪成为世界上少有的几台能同时测量低能电子和高能离子且性能良好的谱仪。2.前期研究表明，X射线、重离子等入射粒子可以有效的诱导原子间库仑退激( Interatomic Coulombic Decay(ICD))过程，从而产生低能电子，随后这些低能电子通过贴附解离诱导DNA双链的断裂，但是很少有人关注次级电子的作用。我们开展了Ne2团簇的电离解离实验，发现次级电子也可以有效诱导ICD效应，且ICD电子的总产额占总低能电子产额的80%以上。鉴于入射粒子在其路径上可以产生多个次级电子，由此会引起ICD的级联放大效应，因此ICD在辐射损伤中的作用，远比以前认为的要大。3.为了更进一步模拟细胞与水环境之间的能量传递过程，项目开展了混合团簇NeXe的碎裂实验，利用N4+离子和电子碰撞诱导其碎裂，同时符合测量KER和一个低能电子，我们观测到明显的ICD效应，且发现实验结果与同核团簇存在很大的不同，前者包含更多的ICD通道，同时ICD电子的能量分布范围更广。4.开展了水分子的碎裂实验，明显区分了直接双电离和次序双电离过程，发现次序双电离诱导的电子都集中低能区域，且其产额占总产额的50%以上，说明该机制是继ICD以后，又一个非常重要的低能电子源，鉴于人体70%的成分为水，那么由水的次序双电离所产生的低能电子将不可忽略。这些结果为人们加深辐射损伤过程，提供了很好的实验依据。