在体测量牙齿剂量专用EPR调制磁场装置的研制

摘要

核与辐射突发事件下快速判断伤员受照射剂量并迅速进行伤员分类是实施救援与临床诊断的关键，也是目前辐射事故应急领域尚未解决的难题。常规电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR）牙齿剂量测量方法只能开展事故后回溯性剂量评估，其适用性受到限制。利用EPR技术在体测量人牙齿剂量，是实现早期快速剂量测量的重要途径之一，目前受到了极大关注。调制磁场装置是实施在体测量和提高EPR谱仪探测灵敏度的关键部件。本工作设计并制作了可满足在体测量牙齿剂量所需的专用调制磁场装置，包括功率放大器、调制磁场激励线圈、调制频率设定模块、感应型调制幅度显示模块等。主要研究内容和结果如下：
　　1、专用调制磁场功率驱动放大电路。调制磁场功率放大电路采用脉冲数字功率放大方式取代传统的线性放大方式，在多N-MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应管）管H桥电路基础上，通过改进设计，实现了适用于在体测量牙齿剂量条件并可在宽磁极间距情况下使用的专用调制磁场功率驱动放大器，该调制磁场功率放大电路功率容量大、效率高、结构简单，能在10-100kHz范围内改变调制频率；当驱动电流为0～9A时，可在大于9cm磁极间距的中心区域产生调制幅度为0～2mT的调制磁场。为保护H桥的功率管，在放大器前端增加了信号控制器，该控制器使用半桥控制芯片IR2103，当输入信号发生改变时，会自动调整间隔时间，可避免放大电路H桥同侧的两个N-MOSFET管同时导通烧毁电路。对每个N-MOSFET管均增加了专用的保护器件，既避免了功率输出管反向击穿，也可防止静电及电源漏电等对电路造成损坏，有效提高了电路的安全性和可靠性。通过以非常规方式反复开启电路测试，附加的保护机制均可瞬间发挥作用，在误操作情况下，仍能保证功率放大电路正常运转。
　　2、在体测量专用调制线圈及调制幅度显示装置。为适应有限的磁极空间和不大于磁极头尺寸，调制磁场激励线圈设计为空心圆饼形线圈，线圈外周直径5cm，厚度3mm，均匀缠绕120匝，线圈中心预留直径1cm空心，用于安置显示感应线圈。两个线圈相距8cm对称放置，中心轴线贯穿于谐振腔探测口中心。调制幅度显示采用双路交叉验证的指示方式。为实现实时准确观测调制磁场状态和调制幅度大小，在每个调制线圈中心均设置一个10匝的独立感应线圈，与激励线圈相隔离，当调制信号加到激励线圈中时，可在感应线圈中感应出相关频率的信号。利用两个线圈中反馈的感应信号实现对调制磁场信号状态的实时观察和对其调制幅度的交叉验证。这种显示方式避免了由于放大器输出状态的变化可能导致的实际调制磁场值与预设值之间产生较大偏差的现象。将反馈的弱感应信号通过预放大和幅度刻度等处理，分别输入到数字化显示模块和数字示波器，实现了对调制磁场信号的实时显示。
　　3、调制磁场装置性能测试。（1）将此调制磁场装置配合在体测量谐振腔，利用DPPH点状样品，测量了EPR波谱随调制幅度变化情况和测量口不同位置的信号变化特性。结果表明，该调制磁场装置的调制幅度和频率均可在较宽范围内调整，实际调制幅度为0～2mT调制频率为10～100kHz可调；利用该装置可以明显观测到DPPH样品谱线随调制幅度增强而增宽的过程，因此可以提供足够的调制幅度来满足EPR在体测量时对调制磁场的需求；调制幅度的分布特性表明，在谐振腔测量口内调制幅度分布不均匀，在测量口中心位置调制幅度较强。（2）测量了照射剂量为1～8Gy范围内的人前牙整体牙齿样品。在调制幅度分别为0.11mT，0.22mT，0.33mT，0.44mT，0.55mT，0.66mT，0.77mT和0.88mT时，均可得到清晰稳定的EPR谱线，且量效关系明显，表明调制效率较以前有较大提高，基本可满足事故剂量在体测量评估的需求。
　　结论:本工作针对用EPR在体测量牙齿剂量的特殊需求，设计研制了专用调制磁场装置所需的功率驱动放大电路、调制磁场激励线圈和调制幅度显示模块。采用脉冲式功率放大器取代了传统的线性放大方式，电路结构简单，解决了调制线圈远离谐振腔探测口导致的调制磁场幅度弱及其大功率驱动下放大器稳定性和安全性的问题；设计的新型组合式调制磁场激励线圈不仅可激励出调制磁场，还可同时感应出相关的调制信号信息，实现了对调制磁场状态和幅度的实时客观观测及其幅度的交叉验证和显示，避免了可能出现调制磁场实际值与预设值之间不一致的现象；利用该装置与在体测量EPR谐振腔配合使用，可以观测到DPPH样品谱线随调制幅度增强而增宽的过程和辐射诱发的整体牙齿中的自由基信号，说明该装置具有较高的磁场调制效率和实用性，能够满足在体测量牙齿的特殊需求。本装置有效改善了核与辐射突发事件人体剂量在体测量专用EPR波谱仪的测量灵敏度和工作可靠性。

目录

声明

缩 略 词 表

前言

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

1.2 EPR技术简介

第二章 在体EPR调制磁场装置方案设计

2.1 EPR磁场系统组成

2.2 在体测量调制磁场装置组成与结构设计

2.3 功率放大器的脉冲输出工作方式

2.4 小结

第三章 在体EPR调制磁场功率放大电路的研制

3.1 调制磁场功率放大电路简介

3.2 调制磁场功率驱动放大电路设计

3.3 谐振电路与频率选择

3.4 调制磁场功率驱动放大电路输出状态的模拟计算

3.5 调制线圈的设计

3.6调制磁场装置的供电模块

3.7 小结

第四章 调制磁场调制幅度显示模块的研制

4.1 调制幅度显示模块简介

4.2 感应式调制幅度显示模块工作原理

4.3 感应线圈的设计

4.4 感应信号的仿真模拟

4.5 调制幅度显示模块的校准

4.6 小结

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

5.2 调制磁场调制效率试验

5.3 人牙齿信号测量

5.4 小结

全文总结

参考文献

附录

在学期间发表的与学位论文密切相关的代表性论著

个人简历

致谢