引言

在体电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）技术可对不方便取样的较大体积样品实施无损测量.当核与辐射突发事件发生时，可通过此技术对人牙齿实施在体测量，从而实现现场、快速的外照射剂量评估，对大批量伤员的快速筛查和救治具有重要意义^[1].

连续波EPR中使用的磁场调制技术可以通过相敏检波滤去与信号无关的干扰与噪声，提高信号检测灵敏度.通用X波段EPR谱仪采用封闭谐振腔及其整合在一起的调制线圈，但在体测量情况下，受谐振腔结构和磁场空间的限制，通用谱仪的调制磁场装置无法适用^[2].

在前期研究中，我们研制了X波段在体EPR测量谱仪的关键部件，包括专用磁场和谐振腔等.为了提高谐振腔性能，降低谐振腔结构复杂度，使谐振腔更适用于置于口腔中实施在体测量，所以必须采用谐振腔与调制线圈分离的方式，即调制线圈处于扫描磁场的磁极头位置，而不再与谐振腔组合在一起.调制线圈与谐振腔分离的调制方式有以下特点：（1）调制线圈可适当放大，不再受腔体积的限制；（2）调制线圈距离样品位置较远，谐振腔壁和半封闭的探测口结构对调制磁场形成了阻碍，磁场调制效率降低，需要更大的驱动功率.这些特点对调制功率放大器的效率提出了更高要求.本工作针对在体EPR测量这种特殊应用的特点，研制了脉冲工作模式的新型磁场调制装置.

1 系统组成 1.1 调制磁场原理

连续波EPR谱仪磁场部分包括静磁场、扫描磁场和调制磁场^[3].调制磁场的调制方式是利用调制线圈在样品区域产生高频小幅度调制磁场，即在主磁场上叠加一个高频小幅度交变磁场，当共振发生时，被测信号便被其所调制.检波后的信号经窄带放大器放大和相敏检波，获得低噪声EPR信号^[4].

1.2 调制磁场激励线圈

调制磁场激励线圈设计为空心圆饼形线圈，中心孔直径为1 cm、外周直径为5 cm、厚度为3 mm，均匀缠绕120匝.两个线圈以样品为中心对称放置，中心轴线位于谐振腔探测口中心处.

1.3 功率放大器

调制功率放大器采用多N-MOSFET管H桥电路^[5].栅极（G极）控制信号控制N-MOSFET管导通与关断，当栅极与源极（S极）之间的电压差达到特定值，N-MOSFET管漏极（D极）与源极之间阻值接近0，N-MOSFET管导通.如图 2所示，当S1管和S3管导通且S2管和S4管关断时，输出电压（V）为高电平；当S1管和S3管关断且S2管和S4管导通时，输出电压（V）为低电平.若控制信号为特定频率的开关信号，输出电压则为特定频率的方波电压.

放大器工作状态时，N-MOSFET管以约10 kHz频率不断导通与关断，图 2中Q点电位会随之变化，无法满足N-MOSFET管栅极与源极间电压差这一导通条件，导致N-MOSFET管无法工作.为使N-MOSFET管正常工作，必须确保其栅极电位始终高于源极电位，N-MOSFET管S1源极电位等于Q点电位，当Q点电位变高时，N-MOSFET管S1栅极电位也必须相应升高.所以在N-MOSFET管控制端，需使用升压电路.本装置采用IR2013芯片作为N-MOSFET管控制器，该芯片内部集成升压模块，外部与自举电容和自举二极管共同组成升压电路.

为提高电路的可靠性，在电路正常工作中，应确保同一侧上下两个N-MOSFET管不能同时导通.若图 2中S1与S2同时导通，即电源（VCC）到地短路，会因电流过大导致N-MOSFET管烧毁且供电电源损坏.利用IR2013芯片内置的“死区控制”功能，在每次状态转换时插入一个时间间隔，保证S1与S2管的状态相反，S1与S2不能同时导通（S3与S4管类似）.

此外，在每个N-MOSFET管的漏极与源极之间、栅极与源极之间，都加入了短路保护.如图 3所示，以S1为例，S1为H桥中某一个N-MOSFET管，漏极与源极之间接入了电容（C9）、电阻（R16）、二极管（D13）来避免出现高压击穿S1漏极与源极.同理，栅极与源极之间接入了电容（C5）、电阻（R12）避免栅极与源极之间短路. H桥中其它N-MOSFET管的保护方式与S1相同.

1.4 输出回路

输出回路由调制线圈和匹配电容C组成.当调制线圈确定后，需通过实验确定输出回路匹配电容C值.

如设调制线圈直流电阻为r，电感为L，匹配电容为C，调制信号频率为f，调制信号角频率为$\omega \ (\omega =2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }f)$，则调制回路总阻抗R为：

$R=r+j\omega L+\frac{1}{j\omega C}$

(1)

当$R=r$，即$j\omega L+\frac{1}{j\omega C}=0$时，输出回路可视为处于谐振状态，此时谐振频率$f=\frac{1}{2\mathrm{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\sqrt{LC}}$.负载阻抗最小，即同样驱动电压时，负载电流最大.

功率放大器输出电压为交变方波电压.设该方波电压为F(t)，振幅为E，方波电压信号的傅里叶展开为：

$F(t)=\frac{2E}{\pi }[\sin \omega t+\frac{1}{3}\sin 3\omega t+\frac{1}{5}\sin 5\omega t+\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\omega t+\cdots ],\text{ }n=1,2,3,\cdots $

(2)

由(2) 式可知，方波信号傅里叶级数展开后包含各奇次谐波分量.输出回路可视为LC滤波器，具有带通滤波特性，当调整LC回路使其谐振频率恰好等于调制信号的基频时，则高次谐波分量可被大幅衰减，而基波（一次谐波）分量得以保留，最终在负载上得到近似正弦电流信号，在调制线圈中激励产生正弦变化的调制磁场.

电容C的选择需根据调制线圈电感L确定，但因自制的电感分布参数较大，所以靠计算确定电容C的误差较大，本工作是通过实验确定电容C，即同时配合调整电容C和调制频率，当观测到输出电流幅度达到最大时，确定此时的C值.本工作当调制频率f = 10.4 kHz时，电容C = 0.33 μF.为满足高功率输出要求，选用高频，高功率，耐高压性能的电容器件，在输出电流大于5 A时，可确保电路长时间稳定工作且没有明显升温.

1.5 调制幅度显示

调制幅度显示采用双端双路交叉指示的方式.在线圈驱动回路中，串入低阻值电阻，在不显著影响驱动回路阻抗的情况下，通过观察电阻两端电压，实现观测线圈中电流的波形和幅值.同时，在绕制调制线圈时，每个线圈中绕入10匝独立线圈，当调制激励线圈激励出调制磁场时，便在独立线圈中感应出相同频率一定幅值的信号.利用两个调制线圈中的感应线圈，可以观察和交叉验证调制磁场的状态.

2 实验与结果 2.1 基本性能测试

通过调整调制频率，当频率为10.4 kHz，输出回路阻抗达到匹配，在同样驱动电压下激励线圈中的驱动电流达到最大.本装置驱动电压输出范围可在0~16 V调整, 对应的驱动电流为0~4 A.

显示模块的信号来源于调制线圈中预设的感应线圈，为获得客观的调制磁场幅值显示，对显示模块进行了校正.当线圈中驱动电流幅值为4 A时，调整模块增益使其达到满量程，即显示1.999；当调制线圈中驱动电流为0 A时，使其显示为0.000. 图 4为显示值与调制电流大小的关系图.经计算，当调制磁场激励线圈中驱动电流幅值为1 A时，磁极中心位置产生的调制磁场幅值约为0.2 mT.

2.2 调制效果实验

利用此调制磁场装置和在体测量谐振腔配合使用，测量了1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼（1, 1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）点状样品谱线随调制幅度变化情况.在微波功率为5 mW的条件下，测量结果如图 5所示. 图 5(a)为当调制幅度分别为0~0.8 mT时，获得的DPPH点状样品谱线.

图 5(b)为谱线信号强度与调制幅度关系曲线.随着调制幅度逐渐增强，谱线信号强度先逐渐增加，达到最大值后逐渐减弱.

图 5(c)为谱线信号线宽与调制幅度的关系曲线.随着调制幅度逐渐增强，谱线线宽逐渐增加.该调制磁场装置可提供足够的调制磁场幅度来满足EPR测量时磁场调制的需求，并且在较宽的范围内可调.

为进一步研究调制磁场强度在开放式在体测量谐振腔测量口不同区域的分布状态，测量了DPPH点状样品在测量口不同位置的信号变化特性.某种在体测量谐振腔测量口长12 mm、宽3 mm，将腔口长端等分为12段，每段长1 mm，位置7（第7段）为中心位置，测量时将样品放置在腔口各分割点处如图 6(a)所示，DPPH样品为直径1.5 mm、高1 mm的点源样品.测量条件为：微波功率5 mW；调制磁场驱动电流1 A. 图 6(b)为DPPH点状样品处于谐振腔探测口不同位置时谱线信号强度.结果表明样品在越靠近谐振腔腔口中心位置，样品信号强度则越大.在体测量牙齿的实际应用中，整个测量口中都将分布有样品，得到的是测量口中样品总的信号强度.

2.3 牙齿样品测量结果

用此调制磁场装置测量了6 Gy辐照（Co⁶⁰γ射线装置）后人门牙样品的自由基信号.测量参数为：微波功率为10 mW；磁场调制幅度为0.11~0.88 mT.获得谱线如图 7所示.从图可见，利用本装置测量牙齿可以得到清晰稳定的谱线，因此装置调制幅度较以前有较大提高，下步可利用该装置进行测量更低剂量照射的牙齿中弱信号情况.

3 结论

本工作利用多N-MOSFET管H桥功率放大电路，针对EPR在体测量的应用特点，试制了脉冲工作模式的EPR调制磁场驱动装置.与传统的线性功率放大模式相比，具有结构简单、抗干扰能力强、场调制效率高、调制频率调整自如等优势.调制磁场激励线圈与匹配电容在调制频率下谐振，阻抗最小，同时还可利用其选频特性，在驱动电压为方波条件下，保留一次谐波成分并抑制掉高次谐波成分，使驱动电流近似为正弦波，激励出正弦变化的调制磁场.

实验结果表明，此装置可以在开放式在体测量谐振腔的开口处产生0~0.9 mT的调制磁场，能够满足在体测量牙齿信号的特殊需求和一般样品测量需求.