核与辐射突发事件发生后,快速判断人员受照剂量并对其进行伤情分类是事故救援和临床诊断的关键,也是目前放射医学研究领域急需解决的关键问题。利用电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance,EPR)技术,对人牙齿实施在体测量,是目前可实现在体、快速剂量测量的理想方法之一,研制可在口腔内使用的在体测量专用EPR探头是亟待解决的核心问题。常规电子顺磁共振牙齿剂量测量只能开展回顾性剂量评估,难以在事故后早期快速给出剂量,且取样方法有损伤,因此适用性受限。根据EPR原理,微波谐振腔是实施在体测量和提高谱仪探测灵敏度的核心部件,直接决定了在体测量的实施方式和可行性。本工作以特殊结构的开口式谐振腔研究为重点,设计了人牙齿在体测量实施方案及新型开口式X波段微波谐振腔,腔体采用X波段闭合金属腔结构,谐振腔金属壁上设置有样品探测口。微波磁场分量可以从谐振腔内泄漏进入探测口区域,同时扫描磁场装置和调制磁场发生装置在探测口处产生特定范围扫描磁场和调制磁场。实施在体测量时,谐振腔作为探头伸入人口腔中,人前牙尖端咬入谐振腔探测口,获得电子顺磁共振条件,从而获得牙齿中辐射诱发的EPR波谱,进行牙齿剂量分析。主要研究工作内容和结果如下:1、设计了三种模式X波段在体测量专用EPR谐振腔。选取了TE101型矩形谐振腔、TE111和TM010型圆柱形谐振腔三种特殊微波场模式和腔体结构。三种微波场模式具有以下特点:在谐振腔外周腔壁位置,均存在微波磁场分量集中区域,同时此区域避开微波电场分量集中位置。通过在此区域设置样品探测口,可使较强的微波磁场分量泄露进入样品探测口,同时不造成显著的微波能量损耗。通过数值计算、有限元仿真,形成了具体的设计方案。2、试制加工了系列不同结构的谐振腔体。对影响谐振腔性能的如下因素进行了加工工艺比较和优化,包括:腔体微波场型、腔体体积、探测口几何设计、耦合方式、调制磁场施加方法等。各腔体主要特征为:TE101型矩形谐振腔尺寸为22.8×10.1×21.4 mm,探测口位于矩形窄边中心位置;TE111型圆柱形谐振腔直径为22.0(27.0)mm,长度为28.2(21.2)mm,探测口位于腔体圆柱面中心或者位于柱面与底面交接处位置;TM010型圆柱形谐振腔直径24.0 mm,长12.0 mm,探测口贯穿腔体侧面窄边中心位置。3、开展了不同谐振腔的性能实验与比较。分别进行了物理参数测量、DPPH样品测量和整体牙齿样品测量实验。物理参数测量获得了谐振腔几何尺寸、谐振频率、谐振品质因数、耦合状态等特性。通过DPPH样品测量,验证了谐振腔的工作频率,获得了谐振腔的功率特性和调制特性。整体牙齿样品实验评估了谐振腔在体测量的可行性。结果表明:三类谐振腔谐振频率范围为9.50~9.60 GHz,有载谐振品质因数为2500~3500,达到了设计要求。微波功率在0.1~200 m W范围变化和调制磁场在0.1~1 m T范围变化的情况下,谐振腔均能正常工作并获得较弱的样品信号,三种腔体综合性能均适用于在体测量牙齿。不同种类谐振腔对比实验发现,三种谐振腔性能各具特点:(1)TE111型圆柱形谐振腔谐振品质因数高,便于口腔内牙齿咬入,调制磁场施加方便,但体积较大,存在同频率简并模式;(2)TM010型圆柱形谐振腔结构新颖,微波电磁场场结构简单稳定,但谐振腔机械结构复杂且需多次调整耦合匹配;(3)TE101型矩形谐振腔结构简单,体积较小,方便伸入口腔,微波电磁场泄露效率高,综合灵敏度较高,但功率容量相对较低。4、整体牙齿测量。利用完整人牙齿样品,均匀分组后在0~8 Gy范围照射,将牙齿固定于牙床模型模拟在体测量,对测量的EPR谱线进行信噪比分析并对样品体积和质量做归一化处理,获得了辐射诱发信号信噪比与照射剂量关系曲线。剂量响应呈良好的线性关系,线性回归相关系数为r=0.9884,在30秒的扫描时间内,探测下限不高于1 Gy,基本满足了事故剂量评估的要求。5、动物和人体实验初步验证了在体测量的可行性。对照射后大鼠和猴进行了在体测量实验,获得5~20 Gy照射后大鼠牙齿中的辐射诱发的信号和2Gy照射后猴牙齿中的辐射诱发信号。为进一步验证在体测量可行性,直接在体测量了人牙齿。结果表明,口腔中的水未造成显著的微波损耗和系统匹配调节的困难;心跳、呼吸等生理过程一定程度上增加了谱线背景噪音,但通过调整扫描时间和分次叠加扫描等措施可以克服这种影响,而且在人身体微颤的条件下,仍可开展实验。在体测量和离体测量相比,信号信噪比下降在20%以内。结论。本研究以在体测量专用X波段谐振腔研究为核心,提出了X波段在体EPR测量实施方案。通过选择谐振模式、数值计算、仿真模拟等方法,设计了三种微波模式具有不同开口结构的谐振腔,提出的腔外调制磁场施加方案,显著提高了调制磁场效率,减小了腔体体积和加工的复杂性,从根本上解决了腔内调制装置带来的谐振腔品质因数低和探测灵敏度低的问题;研制的TM010圆柱谐振腔和TE101型矩形腔具有稳定的微波模式和较高灵敏度,在EPR领域之前未见相关应用报道,具有创新性;其中,TE101型矩形腔结构简单,加工方便,体积小巧,探测口结构和腔体体积可根据在体测量需求灵活变化,能够充分适应在体测量需求。通过测量腔体的物理参数、DPPH样品实验和照射后牙齿测量实验,评估了谐振腔的各项性能,获得了整体牙齿的剂量响应关系;通过动物和人在体测量实验,验证了在体测量方案的可行性和腔体的实用性。利用目前研制的谐振腔,在口腔中水、呼吸、心跳和身体微颤等特殊条件下,仍能能够实施在体测量,获得信噪比较好的牙齿EPR信号,已基本达到利用在体EPR技术实现人体剂量评估和核与辐射突发事件中伤员早期分类的需求。