在体测量牙齿剂量专用EPR调制磁场装置的研制

发布时间：2016-09-28 06:33

前言

生物剂量学最重要的意义是能够迅速鉴定受到大于 1.5 Gy 的剂量的人员，确保可进行正确救治[2]。EPR 牙齿剂量测量的原理是辐射会在牙釉质中的钙羟基磷灰石中形成稳定的自由基，这些自由基的相对浓度可使用 EPR 测量，并且经过刻度可相关联于吸收剂量。根据 IAEA-TECDOC-1331 报告，在照射剂量为 50 mGy~100 Gy 范围内，自由基含量正比于辐射剂量[3]。所以用 EPR 技术可以通过检测牙齿或骨骼等水分较少的组织中的自由基含量来估算剂量[4]。该方法已被成功用于大规模受照事故的回顾剂量评估中。如: Gordy 等利用 EPR 技术测量获取了钙化组织中辐射导致的自由基信号 [5] Cole 等利用 EPR 技术测量得到了人牙齿中的辐射诱发信号 [6]，Brady 等对辐照后的大鼠的若干器官与组织进行了测量，并指出在未佩戴个人剂量计情况下，可利用牙齿中的釉质作为剂量估算材料[7]。杨英杰等研究了牙齿样品的选取制备对牙釉质 EPR 剂量测量的影响[8]。刘青杰等讨论了使用牙釉质电子自旋共振方法估算辐射损伤人员的受照剂量的方法[9]。吴可等对三起核与辐射事故的剂量评估进行了应用[10]。EPR 方法也被广泛应用于前苏联切尔诺贝利事故[11]、国内多起重大辐射事故[12,13]等核与辐射事故的剂量分析。

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第一章 电子顺磁共振剂量测量方法简介 

1.1  电子顺磁共振剂量测量原理

电子顺磁共振（Electron  Paramagnetic  Resonance，EPR）是磁共振波谱学的一个分支[28]。EPR 研究电子磁矩与外磁场的相互作用。外磁场所引起的能级劈裂，通常认为是塞曼（Zeeman）效应引起的，EPR 则是研究电子塞曼能级间的直接跃迁。1945 年，苏联科学家提出了检测 EPR 信号的实验方法，随着应用科学的发展，对检测顺磁共振信号的分辨率和灵敏度提出了更高的要求。随着计算机在各个行业的推广，利用其处理 EPR 数据，极大提高了 EPR 波谱仪的灵敏度和分辨率。EPR 研究的对象是具有不成对电子的原子、分子或固体。例如自由基、三重态分子、过渡金属分子等。从 EPR 波谱仪测出的参数和记录的线形，可以精确地分析这些不成对电子含量、所处的位置及其能态等信息。因此 EPR 技术是探索物质微观结构和运动状态的重要手段。目前，EPR 技术在物理学、化学、生物学和医学等方面已得到了广泛的应用[29,30]。

1.2 EPR 技术简介

检测电子顺磁共振吸收现象可以采用两种方法。方式一为扫频，即保持磁场强度不变，微波频率连续扫描，检测电子顺磁共振吸收；方式二为扫场，即保持微波频率不变，连续改变磁场强度，直至检测到电子顺磁共振吸收。由于在技术上，磁场可轻易实现连续、均匀变化（扫场的范围可以自零至共振磁场强度的几倍，磁场强度与微波发生器的输出不相互干扰），而微波频率不能在较大范围内连续、均匀变化（微波系统的调谐对频率是极为敏感的，并且在扫频过程中，不可能对频率敏感元件加以自动调谐，，其中包括谐振腔的尺寸、腔的膜片、滑动螺钉调配器、衰减器等，因为它们具有非线性响应，在操作过程中难以同时连续调整），因此现代的 EPR 波谱仪多采用方式二来检测电子顺磁共振吸收现象。

第三章  在体 EPR 调制磁场功率放大电路的研制 ............... 19 

3.1  调制磁场功率放大电路简介 ............... 19 
3.2  调制磁场功率驱动放大电路设计 ............... 20
3.3  谐振电路与频率选择 .......... 31 
3.4  调制磁场功率驱动放大电路输出状态的模拟计算 ......... 32 
3.5  调制线圈的设计 .................. 34 
3.6 调制磁场装置的供电模块 ..................... 39 
3.7  小结 .............. 39 
第四章  调制磁场调制幅度显示模块的研制 ................ 41 
4.1  调制幅度显示模块简介 ......... 41 
4.2  感应式调制幅度显示模块工作原理 .......... 41 
4.3  感应线圈的设计 ................ 42 
4.4  感应信号的仿真模拟 ......................... 42
第五章  在体 EPR 调制磁场装置性能试验........... 45 
5.1  功率驱动放大电路性能试验 ............... 45
5.2  调制磁场调制效率试验 ................. 48
5.3  人牙齿信号测量 ............................ 54

第五章  在体 EPR 调制磁场装置性能试验 

5.1  功率驱动放大电路性能试验 

由本文 3.4 模拟计算可知，功率驱动放大电路在 H 端的输出应为如图 3-20所示的方波。使用示波器观察观察功率驱动放大电路的输出性能。方法为：将示波器接在 H 桥输出端，对示波器的显示倍数与扫描时间进行相应的调整，观察 H桥端输出的信号。  测量参数为：输入信号：10-100 kHz 5 V 交变正弦信号，信号预处理电路与H 桥控制端供电电压：－12 V、0 V、＋12 V，N-MOSFET 管供电电压：0 V、10～60 V。其中 N-MOSFET 管供电电压可随时在所给范围内调制调整。 所得功率驱动放大电路 H 端输出波形如图 5-2 所示。在 H 桥输出端得到了连续方波信号，其幅度随 N-MOSFET 管供电电压值变化而变化。从本文 3.2.4 可知，芯片 IR2103 在输入信号状态改变时，会插入一个“死区”时间 DT，从而保证同侧上下两 N-MOSFET 管不会同时导通，增强电路可靠性。在图 5-2 中，每个方波峰峰值中间都有一个极短的时间间隔，即为“死区”时间DT 的体现。此外，输出的方波电压幅度随 N-MOSFET 管供电电压的改变而改变，由于 N-MOSFET 管在导通或关断的瞬间会产生“振铃”现象，瞬间电压很高，故将供电电压低于 N-MOSFET 管的最大电压耐受值，提高了电路的可靠性。

5.2  调制磁场调制效率试验

图 5-5 为谱线信号线宽与调制幅度的关系曲线。谱线信号线宽是指谱线信号峰峰值之间扫描磁场的宽度。该关系曲线为调制磁场装置驱动电流为 0.2～3.8A时谱线信号线宽值的连线，可近似拟合为一条直线，其相关系数为 0.9966，方差为 0.87。随着调制幅度逐渐增强，谱线线宽会逐渐增加。说明该调制磁场装置可提供足够的调制幅度来满足 EPR 测量的需求，并且在较宽的范围内可调。

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全文总结

利用 EPR 技术在体测量人牙齿剂量，是实现早期无损伤测量人体剂量的重要途径。在体测量条件下使用的专用调制磁场装置是在体测量 EPR 设备的重要组成部分。本工作针对在体测量调制线圈相距距离远，所需驱动功率高的应用特点，研制了适用于在体测量条件的专用调制磁场装置，装置由脉冲式功率放大器、调制磁场激励线圈、调制频率设定及信号预处理、感应型调制幅度显示等模块组成。研究工作具有以下特点：（1）功率放大器采用多 N-MOSFET 管 H 桥脉冲功率放大电路取代了传统的线性放大方式。该类型放大器输出效率高，功率容量大，工作性能稳定，结构相对简单，易于维护；通过对放大器各薄弱环节增加保护电路，提高了电路整体可靠性。实验证明，该放大器基本解决了在体测量时调制线圈远离谐振腔探测口造成的调制磁场幅度弱的问题，可以满足 EPR 在体测量人体牙齿剂量的需求。

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参考文献（略）

本文编号：125077