前言

生物劑量學(xué)最重要的意義是能夠迅速鑒定受到大于 1.5 Gy 的劑量的人員，確�？蛇M(jìn)行正確救治[2]。EPR 牙齒劑量測量的原理是輻射會在牙釉質(zhì)中的鈣羥基磷灰石中形成穩(wěn)定的自由基，這些自由基的相對濃度可使用 EPR 測量，并且經(jīng)過刻度可相關(guān)聯(lián)于吸收劑量。根據(jù) IAEA-TECDOC-1331 報告，在照射劑量為 50 mGy~100 Gy 范圍內(nèi)，自由基含量正比于輻射劑量[3]。所以用 EPR 技術(shù)可以通過檢測牙齒或骨骼等水分較少的組織中的自由基含量來估算劑量[4]。該方法已被成功用于大規(guī)模受照事故的回顧劑量評估中。如: Gordy 等利用 EPR 技術(shù)測量獲取了鈣化組織中輻射導(dǎo)致的自由基信號 [5] Cole 等利用 EPR 技術(shù)測量得到了人牙齒中的輻射誘發(fā)信號 [6]，Brady 等對輻照后的大鼠的若干器官與組織進(jìn)行了測量，并指出在未佩戴個人劑量計情況下，可利用牙齒中的釉質(zhì)作為劑量估算材料[7]。楊英杰等研究了牙齒樣品的選取制備對牙釉質(zhì) EPR 劑量測量的影響[8]。劉青杰等討論了使用牙釉質(zhì)電子自旋共振方法估算輻射損傷人員的受照劑量的方法[9]。吳可等對三起核與輻射事故的劑量評估進(jìn)行了應(yīng)用[10]。EPR 方法也被廣泛應(yīng)用于前蘇聯(lián)切爾諾貝利事故[11]、國內(nèi)多起重大輻射事故[12,13]等核與輻射事故的劑量分析。

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第一章 電子順磁共振劑量測量方法簡介 

1.1  電子順磁共振劑量測量原理

電子順磁共振（Electron  Paramagnetic  Resonance，EPR）是磁共振波譜學(xué)的一個分支[28]。EPR 研究電子磁矩與外磁場的相互作用。外磁場所引起的能級劈裂，通常認(rèn)為是塞曼（Zeeman）效應(yīng)引起的，EPR 則是研究電子塞曼能級間的直接躍遷。1945 年，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了檢測 EPR 信號的實(shí)驗(yàn)方法，隨著應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展，對檢測順磁共振信號的分辨率和靈敏度提出了更高的要求。隨著計算機(jī)在各個行業(yè)的推廣，利用其處理 EPR 數(shù)據(jù)，極大提高了 EPR 波譜儀的靈敏度和分辨率。EPR 研究的對象是具有不成對電子的原子、分子或固體。例如自由基、三重態(tài)分子、過渡金屬分子等。從 EPR 波譜儀測出的參數(shù)和記錄的線形，可以精確地分析這些不成對電子含量、所處的位置及其能態(tài)等信息。因此 EPR 技術(shù)是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動狀態(tài)的重要手段。目前，EPR 技術(shù)在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等方面已得到了廣泛的應(yīng)用[29,30]。

1.2 EPR 技術(shù)簡介

檢測電子順磁共振吸收現(xiàn)象可以采用兩種方法。方式一為掃頻，即保持磁場強(qiáng)度不變，微波頻率連續(xù)掃描，檢測電子順磁共振吸收；方式二為掃場，即保持微波頻率不變，連續(xù)改變磁場強(qiáng)度，直至檢測到電子順磁共振吸收。由于在技術(shù)上，磁場可輕易實(shí)現(xiàn)連續(xù)、均勻變化（掃場的范圍可以自零至共振磁場強(qiáng)度的幾倍，磁場強(qiáng)度與微波發(fā)生器的輸出不相互干擾），而微波頻率不能在較大范圍內(nèi)連續(xù)、均勻變化（微波系統(tǒng)的調(diào)諧對頻率是極為敏感的，并且在掃頻過程中，不可能對頻率敏感元件加以自動調(diào)諧，，其中包括諧振腔的尺寸、腔的膜片、滑動螺釘調(diào)配器、衰減器等，因?yàn)樗鼈兙哂蟹蔷�性響應(yīng)，在操作過程中難以同時連續(xù)調(diào)整），因此現(xiàn)代的 EPR 波譜儀多采用方式二來檢測電子順磁共振吸收現(xiàn)象。

第三章  在體 EPR 調(diào)制磁場功率放大電路的研制 ............... 19 

3.1  調(diào)制磁場功率放大電路簡介 ............... 19 
3.2  調(diào)制磁場功率驅(qū)動放大電路設(shè)計 ............... 20
3.3  諧振電路與頻率選擇 .......... 31 
3.4  調(diào)制磁場功率驅(qū)動放大電路輸出狀態(tài)的模擬計算 ......... 32 
3.5  調(diào)制線圈的設(shè)計 .................. 34 
3.6 調(diào)制磁場裝置的供電模塊 ..................... 39 
3.7  小結(jié) .............. 39 
第四章  調(diào)制磁場調(diào)制幅度顯示模塊的研制 ................ 41 
4.1  調(diào)制幅度顯示模塊簡介 ......... 41 
4.2  感應(yīng)式調(diào)制幅度顯示模塊工作原理 .......... 41 
4.3  感應(yīng)線圈的設(shè)計 ................ 42 
4.4  感應(yīng)信號的仿真模擬 ......................... 42
第五章  在體 EPR 調(diào)制磁場裝置性能試驗(yàn)........... 45 
5.1  功率驅(qū)動放大電路性能試驗(yàn) ............... 45
5.2  調(diào)制磁場調(diào)制效率試驗(yàn) ................. 48
5.3  人牙齒信號測量 ............................ 54

第五章  在體 EPR 調(diào)制磁場裝置性能試驗(yàn) 

5.1  功率驅(qū)動放大電路性能試驗(yàn) 

由本文 3.4 模擬計算可知，功率驅(qū)動放大電路在 H 端的輸出應(yīng)為如圖 3-20所示的方波。使用示波器觀察觀察功率驅(qū)動放大電路的輸出性能。方法為：將示波器接在 H 橋輸出端，對示波器的顯示倍數(shù)與掃描時間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，觀察 H橋端輸出的信號。  測量參數(shù)為：輸入信號：10-100 kHz 5 V 交變正弦信號，信號預(yù)處理電路與H 橋控制端供電電壓：－12 V、0 V、＋12 V，N-MOSFET 管供電電壓：0 V、10～60 V。其中 N-MOSFET 管供電電壓可隨時在所給范圍內(nèi)調(diào)制調(diào)整。 所得功率驅(qū)動放大電路 H 端輸出波形如圖 5-2 所示。在 H 橋輸出端得到了連續(xù)方波信號，其幅度隨 N-MOSFET 管供電電壓值變化而變化。從本文 3.2.4 可知，芯片 IR2103 在輸入信號狀態(tài)改變時，會插入一個“死區(qū)”時間 DT，從而保證同側(cè)上下兩 N-MOSFET 管不會同時導(dǎo)通，增強(qiáng)電路可靠性。在圖 5-2 中，每個方波峰峰值中間都有一個極短的時間間隔，即為“死區(qū)”時間DT 的體現(xiàn)。此外，輸出的方波電壓幅度隨 N-MOSFET 管供電電壓的改變而改變，由于 N-MOSFET 管在導(dǎo)通或關(guān)斷的瞬間會產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，瞬間電壓很高，故將供電電壓低于 N-MOSFET 管的最大電壓耐受值，提高了電路的可靠性。

5.2  調(diào)制磁場調(diào)制效率試驗(yàn)

圖 5-5 為譜線信號線寬與調(diào)制幅度的關(guān)系曲線。譜線信號線寬是指譜線信號峰峰值之間掃描磁場的寬度。該關(guān)系曲線為調(diào)制磁場裝置驅(qū)動電流為 0.2～3.8A時譜線信號線寬值的連線，可近似擬合為一條直線，其相關(guān)系數(shù)為 0.9966，方差為 0.87。隨著調(diào)制幅度逐漸增強(qiáng)，譜線線寬會逐漸增加。說明該調(diào)制磁場裝置可提供足夠的調(diào)制幅度來滿足 EPR 測量的需求，并且在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)。

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全文總結(jié)

利用 EPR 技術(shù)在體測量人牙齒劑量，是實(shí)現(xiàn)早期無損傷測量人體劑量的重要途徑。在體測量條件下使用的專用調(diào)制磁場裝置是在體測量 EPR 設(shè)備的重要組成部分。本工作針對在體測量調(diào)制線圈相距距離遠(yuǎn)，所需驅(qū)動功率高的應(yīng)用特點(diǎn)，研制了適用于在體測量條件的專用調(diào)制磁場裝置，裝置由脈沖式功率放大器、調(diào)制磁場激勵線圈、調(diào)制頻率設(shè)定及信號預(yù)處理、感應(yīng)型調(diào)制幅度顯示等模塊組成。研究工作具有以下特點(diǎn)：（1）功率放大器采用多 N-MOSFET 管 H 橋脈沖功率放大電路取代了傳統(tǒng)的線性放大方式。該類型放大器輸出效率高，功率容量大，工作性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對簡單，易于維護(hù)；通過對放大器各薄弱環(huán)節(jié)增加保護(hù)電路，提高了電路整體可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，該放大器基本解決了在體測量時調(diào)制線圈遠(yuǎn)離諧振腔探測口造成的調(diào)制磁場幅度弱的問題，可以滿足 EPR 在體測量人體牙齒劑量的需求。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：125077