CN103018269B - 一种腔外测量样品的矩形电子顺磁共振探头 - Google Patents
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Abstract
本项发明涉及一种可以对外置样品进行电子顺磁共振测量的探头。该探头外形和内部微波谐振腔均为矩形，谐振模式为TE101型，在微波谐振腔顶面开设有开放的多边形样品探测口。样品探测口沿壁厚方向纵向贯通至微波谐振腔内部空间，沿探头厚度方向贯穿。此样品探测口的长边与微波谐振腔内微波磁场分量在该处的方向垂直并与微波谐振腔内壁上该处电流线方向相平行。样品探测口的两侧放置提供调制磁场的一对线圈，该线圈在样品探测口位置产生顺磁共振所需的调制磁场。耦合与调谐单元采用带有耦合孔的耦合膜片耦合，用耦合孔外的调谐螺栓调节微波谐振腔与微波系统的耦合常数。本发明主要用于对不方便取样和制样的样品进行局部检测。
Description
技术领域
本项发明涉及一种电子顺磁共振探测装置，具体地说，涉及一种可以对外置样品进行电子顺磁共振探测的探头。该探头内的微波工作在X波段矩形TE101模式，探头内腔和外体主要形状均为矩形。这种特殊的电子顺磁共振探头可以对不方便取样和制样的待测样品表面进行直接探测，从而获取样品局部的电子顺磁共振波谱，所属技术领域为生物物理新技术与新方法。
背景技术
电子顺磁共振(简称EPR)是一种技术，它使研究者得以探测和表征具有不成对电子的分子，而不改变或破坏这些分子。利用这一技术可以分析物质中含有的自由基、过渡金属元素、晶格缺陷等顺磁性中心的含量和性质。因此EPR被广泛地应用于物理、化学、地质、考古、材料科学以及生物医学等许多领域。
常规EPR谱仪的探测装置多为样品置入型谐振腔，需要将被测样品置于腔的中心，因而对样品的形状和体积都有较大的限制。例如在对牙齿进行测量时，首先将牙粉碎处理后置入样品管中，然后将样品管置入谐振腔，进行电子顺磁共振研究。因此传统的EPR分析只能探测离体牙齿，而且需要将牙齿从口腔取出并粉碎制样后进行测量。这种方法由于取样和实验条件的问题，在实际应用中存在较大限制。
本项发明就是针对上述问题，建立了一种可以在腔外进行电子顺磁共振测量的方法，从而实现对样品的局部测量和外部测量。该方法主要用来对体积较大且不允许破坏整体结构的样品进行局部顺磁共振探测，例如在体测量人牙齿实现人员受电离辐射剂量估算。
发明内容
本项发明提供了一种可以实施外置样品电子顺磁共振测量的探头，探头由微波谐振腔、样品探测口和耦合与调谐单元组成，其中微波谐振腔工作在矩形TE101模式。具体方案如下：微波谐振腔壳体7外形为矩形，长度小于30毫米，宽度小于18毫米，高度小于30毫米，壁厚1～2毫米。微波谐振腔为矩形腔体或者为便于加工而改进的有圆角的矩形腔体。在微波谐振腔壳体7的顶面开设有样品探测口8，位于顶面中心位置或靠近中心位置。样品探测口沿壁厚方向纵向贯通至微波谐振腔内空间，使得微波谐振腔体内谐振时的场可以通过样品探测口泄露出来。为了更加有利于样品的放置与调制场的施加，该样品探测口呈开放的多边形状，与微波谐振腔重合部分为矩形，与微波谐振腔壳体重合部分为梯形。该样品探测口长边贯穿探头宽度方向，宽边为3～8毫米。此样品探测口的长边与微波谐振腔内微波磁场分量在该处的方向垂直并与微波谐振腔内壁上该处电流线方向相平行。样品探测口的两侧放置提供调制磁场的一对线圈，该线圈在探测口位置产生顺磁共振所需的一定强度的调制磁场。探头的底座6利用螺钉通过螺孔与耦合与调谐单元2和耦合膜片10连接。耦合与调谐单元与微波谐振腔使用带有耦合孔9的耦合膜片10进行耦合，其厚度小于0.5毫米，耦合片上有装配用的孔5。耦合与调谐单元2通过设置在耦合孔外的调谐螺栓1对耦合常数进行调节，调谐螺栓顶部带有金属小帽11。耦合与调谐单元的另一侧与波导利用螺丝通过螺孔12进行连接，并通过波导连接至谱仪微波桥单元，耦合与调谐单元上还有进行装配用的孔3和孔4。探头整体结构用导电性良好的金属加工制作，表面镀银或者金来提高导电性。
本探头在加载特定频率的微波后，能够在微波谐振腔内部激发产生微波谐振。通过特殊设计谐振模式和探测孔位置与尺寸可以使探测孔切割腔内微波磁场分量集中的位置，同时避开了腔内微波电场分量较集中位置，使得谐振品质因数无较大损失。微波谐振腔内的微波磁场分量可以从探测口位置泄露出来。探测口两侧的调制线圈通入驱动电流后可以在探测口处提供顺磁共振所需的高频调制磁场。
在应用本探头测量在体牙齿时，探头置入被测者口腔，被测者将牙齿咬入样品探测口。此时腔内的微波和外部施加的调制磁场能够同时在样品探测口处作用于牙齿，腔外再施加以相应的扫描磁场就能够实现牙齿的在体EPR测量。
本发明的探头结构比较简单，便于加工和制作；体积小，有利于置入口腔内部。将调制磁场装置置于样品探测口外侧，最大程度减小了对微波谐振腔内部电磁特性的影响。
本发明可以对不方便破坏整体结构或体积较大不方便置入微波谐振腔内部的样品在腔外实施顺磁共振探测，如考古定代用化石样品或地质研究用稀有样品，尤其是针对人牙齿的在体EPR测量，以实现辐射剂量的快速估算。
附图说明
图1为本发明电子顺磁共振矩形谐振探头实施结构示意图。
1为调谐螺栓；2为耦合与调谐单元；3、4、5为装配孔；6为底座；7为外壳主体；8为样品探测口；9为耦合孔；10为耦合膜片；11为调谐钉；12为装配螺孔。
具体实施方式
探头内微波谐振腔长度为22.86毫米，宽度为10.16毫米，高度为21.40毫米，壁厚度为1.50毫米，结构材料为铜，表面镀银。样品探测口长方形纵向贯通口处宽度为3毫米，深为2毫米，开放梯形宽边为6毫米。调制线圈固定在样品探测口中心两侧5cm处，施加100k赫兹调制电流。将该探头通过耦合与调谐单元和波导与顺磁共振谱仪的微波系统相连接，微波谐振频率为9.55G赫兹，微波场型为矩形腔TE101型。实际应用效果如下：利用本发明所述的探头检测二苯基苦基肼自由基(DPPH)点状样品，可以获得良好的EPR谱线。利用本发明所述的探头检测γ射线辐照的人体牙齿，可以探测出牙齿的顺磁共振信号。
Claims (3)
1.一种腔外测量样品的矩形电子顺磁共振探头，由微波谐振腔、样品探测口(8)和耦合与调谐单元(2)组成，探头的底座(6)利用螺钉通过螺孔与耦合与调谐单元(2)和耦合膜片(10)连接，耦合与调谐单元与微波谐振腔使用带有耦合孔(9)的耦合膜片(10)进行耦合，其厚度小于0.5毫米，耦合与调谐单元(2)通过设置在耦合孔外的调谐螺栓(1)对耦合常数进行调节，调谐螺栓顶部带有金属小帽(11)，耦合与调谐单元的另一侧与波导利用螺丝通过螺孔(12)进行连接，并通过波导连接至谱仪微波桥单元，其特征在于：微波谐振腔工作在矩形TE101模式，在微波谐振腔壳体(7)的顶面开设有样品探测口(8)。
2.根据权利要求1的矩形电子顺磁共振探头，其特征在于所述微波谐振腔壳体外形为矩形，长度小于30毫米，宽度小于18毫米，高度小于30毫米，壁厚1～2毫米，微波谐振腔为矩形腔体或者为便于加工而改进的有圆角的矩形腔体。
3.根据权利要求1的矩形电子顺磁共振探头，其特征在于所述样品探测口位于微波谐振腔壳体顶面中心位置或靠近中心位置，样品探测口沿微波谐振腔壳体壁厚方向纵向贯通至微波谐振腔内，使得微波谐振腔内谐振时的场可以通过样品探测口泄露出来，该样品探测口呈开放的多边形状，与微波谐振腔重合部分为矩形，与微波谐振腔壳体重合部分为梯形，长边贯穿微波谐振腔壳体宽度方向，宽边为3～8毫米，长边与微波谐振腔内微波磁场分量在该处的方向垂直并与微波谐振腔壳体内壁上该处电流线方向相平行。
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