在體測量牙齒劑量專用EPR調(diào)制磁場裝置的研制.pdf

1、核與輻射突發(fā)事件下快速判斷傷員受照射劑量并迅速進行傷員分類是實施救援與臨床診斷的關(guān)鍵，也是目前輻射事故應(yīng)急領(lǐng)域尚未解決的難題。常規(guī)電子順磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR）牙齒劑量測量方法只能開展事故后回溯性劑量評估，其適用性受到限制。利用EPR技術(shù)在體測量人牙齒劑量，是實現(xiàn)早期快速劑量測量的重要途徑之一，目前受到了極大關(guān)注。調(diào)制磁場裝置是實施在體測量和提高EPR譜儀探測靈敏度的關(guān)鍵部件。本工

2、作設(shè)計并制作了可滿足在體測量牙齒劑量所需的專用調(diào)制磁場裝置，包括功率放大器、調(diào)制磁場激勵線圈、調(diào)制頻率設(shè)定模塊、感應(yīng)型調(diào)制幅度顯示模塊等。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1、專用調(diào)制磁場功率驅(qū)動放大電路。調(diào)制磁場功率放大電路采用脈沖數(shù)字功率放大方式取代傳統(tǒng)的線性放大方式，在多N-MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）管H橋電路基礎(chǔ)

3、上，通過改進設(shè)計，實現(xiàn)了適用于在體測量牙齒劑量條件并可在寬磁極間距情況下使用的專用調(diào)制磁場功率驅(qū)動放大器，該調(diào)制磁場功率放大電路功率容量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單，能在10-100kHz范圍內(nèi)改變調(diào)制頻率；當(dāng)驅(qū)動電流為0～9A時，可在大于9cm磁極間距的中心區(qū)域產(chǎn)生調(diào)制幅度為0～2mT的調(diào)制磁場。為保護H橋的功率管，在放大器前端增加了信號控制器，該控制器使用半橋控制芯片IR2103，當(dāng)輸入信號發(fā)生改變時，會自動調(diào)整間隔時間，可避免放大電路H橋

4、同側(cè)的兩個N-MOSFET管同時導(dǎo)通燒毀電路。對每個N-MOSFET管均增加了專用的保護器件，既避免了功率輸出管反向擊穿，也可防止靜電及電源漏電等對電路造成損壞，有效提高了電路的安全性和可靠性。通過以非常規(guī)方式反復(fù)開啟電路測試，附加的保護機制均可瞬間發(fā)揮作用，在誤操作情況下，仍能保證功率放大電路正常運轉(zhuǎn)。
　　2、在體測量專用調(diào)制線圈及調(diào)制幅度顯示裝置。為適應(yīng)有限的磁極空間和不大于磁極頭尺寸，調(diào)制磁場激勵線圈設(shè)計為空心圓餅形線圈，

5、線圈外周直徑5cm，厚度3mm，均勻纏繞120匝，線圈中心預(yù)留直徑1cm空心，用于安置顯示感應(yīng)線圈。兩個線圈相距8cm對稱放置，中心軸線貫穿于諧振腔探測口中心。調(diào)制幅度顯示采用雙路交叉驗證的指示方式。為實現(xiàn)實時準(zhǔn)確觀測調(diào)制磁場狀態(tài)和調(diào)制幅度大小，在每個調(diào)制線圈中心均設(shè)置一個10匝的獨立感應(yīng)線圈，與激勵線圈相隔離，當(dāng)調(diào)制信號加到激勵線圈中時，可在感應(yīng)線圈中感應(yīng)出相關(guān)頻率的信號。利用兩個線圈中反饋的感應(yīng)信號實現(xiàn)對調(diào)制磁場信號狀態(tài)的實時觀察和

6、對其調(diào)制幅度的交叉驗證。這種顯示方式避免了由于放大器輸出狀態(tài)的變化可能導(dǎo)致的實際調(diào)制磁場值與預(yù)設(shè)值之間產(chǎn)生較大偏差的現(xiàn)象。將反饋的弱感應(yīng)信號通過預(yù)放大和幅度刻度等處理，分別輸入到數(shù)字化顯示模塊和數(shù)字示波器，實現(xiàn)了對調(diào)制磁場信號的實時顯示。
　　3、調(diào)制磁場裝置性能測試。（1）將此調(diào)制磁場裝置配合在體測量諧振腔，利用DPPH點狀樣品，測量了EPR波譜隨調(diào)制幅度變化情況和測量口不同位置的信號變化特性。結(jié)果表明，該調(diào)制磁場裝置的調(diào)制幅度

7、和頻率均可在較寬范圍內(nèi)調(diào)整，實際調(diào)制幅度為0～2mT調(diào)制頻率為10～100kHz可調(diào)；利用該裝置可以明顯觀測到DPPH樣品譜線隨調(diào)制幅度增強而增寬的過程，因此可以提供足夠的調(diào)制幅度來滿足EPR在體測量時對調(diào)制磁場的需求；調(diào)制幅度的分布特性表明，在諧振腔測量口內(nèi)調(diào)制幅度分布不均勻，在測量口中心位置調(diào)制幅度較強。（2）測量了照射劑量為1～8Gy范圍內(nèi)的人前牙整體牙齒樣品。在調(diào)制幅度分別為0.11mT，0.22mT，0.33mT，0.44mT

8、，0.55mT，0.66mT，0.77mT和0.88mT時，均可得到清晰穩(wěn)定的EPR譜線，且量效關(guān)系明顯，表明調(diào)制效率較以前有較大提高，基本可滿足事故劑量在體測量評估的需求。
　　結(jié)論:本工作針對用EPR在體測量牙齒劑量的特殊需求，設(shè)計研制了專用調(diào)制磁場裝置所需的功率驅(qū)動放大電路、調(diào)制磁場激勵線圈和調(diào)制幅度顯示模塊。采用脈沖式功率放大器取代了傳統(tǒng)的線性放大方式，電路結(jié)構(gòu)簡單，解決了調(diào)制線圈遠(yuǎn)離諧振腔探測口導(dǎo)致的調(diào)制磁場幅度弱及其大

9、功率驅(qū)動下放大器穩(wěn)定性和安全性的問題；設(shè)計的新型組合式調(diào)制磁場激勵線圈不僅可激勵出調(diào)制磁場，還可同時感應(yīng)出相關(guān)的調(diào)制信號信息，實現(xiàn)了對調(diào)制磁場狀態(tài)和幅度的實時客觀觀測及其幅度的交叉驗證和顯示，避免了可能出現(xiàn)調(diào)制磁場實際值與預(yù)設(shè)值之間不一致的現(xiàn)象；利用該裝置與在體測量EPR諧振腔配合使用，可以觀測到DPPH樣品譜線隨調(diào)制幅度增強而增寬的過程和輻射誘發(fā)的整體牙齒中的自由基信號，說明該裝置具有較高的磁場調(diào)制效率和實用性，能夠滿足在體測量牙齒的