高压功率放大器在磁纳米温度测量交变磁场激励系统中的应用

实验名称：磁纳米温度测量系统对激励磁场的均匀性研究

研究方向：声磁纳米温度测量方法有望解决肿瘤热疗中无法实现实时准确的温度测量问题。针对磁纳米温度测量方法在实际应用过程中存在的交变磁场均匀性低、信噪比低、负载阻抗较大的问题展开分析。首先通过分析交变磁场激励系统信号链，提出采用亥姆霍兹线圈作为交变磁场发生装置并从理论分析、模拟仿真和实际测量等层面分析并验证其磁场均匀性;其次针对信噪比低的问题提出采用九阶椭圆无源滤波器，分别通过理论分析、数字模拟仿真和实际测量等方面验证信噪比达到100dB;最后依据阻抗匹配理论，提出利用串联谐振电路解决负载阻抗较大的问题，通过实际测量发现激励磁场强度达到20Gs;同时为了解决交变磁场激励系统稳定性问题，提出采用串联大功率电阻的方式实时监测激励电流以保证激励磁场的稳定性。

相对于现有的肿瘤癌症治疗手段，如手术切除和放化疗法，肿瘤癌症热疗法不仅减少患者治疗中的痛苦，而且治愈率较高，因此，肿瘤癌症热疗被誉为一种“绿色”疗法。然而温度测量问题是阻碍该疗法应用推广的最大瓶颈，其原因是目前现有的温度测量方法无法准确安全的实现人体机体组织细胞温度测量。磁纳米温度测量是一种全新的、非侵入式温度测量方法，可以实时准确的测量人体内部细胞温度的同时解决传统温度测量方法需要开腔带来的安全性问题。因此基于磁纳米温度测量的热疗方法有望解决人类面临的最大健康难题—肿瘤癌症，为当今肿瘤癌症根治提供一种全新的治疗手段。然而基于磁纳米温度测量的肿瘤癌症热疗方法中交变激励磁场对于磁纳米测温起着决定性作用，在实际应用中还存在若干问题，如交变磁场均匀性低、信噪比低、负载阻抗较大等问题，可行性还得需要实验去不断验证。

实验目的：验证选择亥姆霍兹线圈作为交变磁场发生装置，能否解决磁纳米温度测量系统对激励磁场的均匀性低的问题。

测试设备：功率放大器、信号发生器、示波器、亥姆霍兹线圈、滤波器、数据采集卡、计算机等。

实验过程：交变磁场激励系统工作原理是首先由计算机控制交流信号源产生一个频率单一、幅值稳定的正弦信号，然后经过ATA-4014C高压功率放大器进行功率放大，通过功率滤波器进行信号调理，最后驱动亥姆霍兹线圈产生激励磁场。同时为了实现交变磁场激励系统的实时的监测，使用示波器观察线圈两端的电压，电流监测回路中的电流，利用反馈控制方法实现系统的稳定性。由系统工作原理可知系统工作流程如图1-1所示。

图1-1磁场激励系统原理示意图

实验结果：亥姆霍兹线圈是电感元件，其感抗值与信号频率有极强的相关性，这将带来负载驱动问题。通过实际测量，当频率为375Hz时亥姆霍兹线圈的阻抗值为680Ω，产生20Gs磁场强度的交变磁场难度巨大。“串联谐振”解决亥姆霍兹线圈驱动困难的问题,串联谐振的电路原理图，如图1-2所示，其原理是当频率为谐振频率点时，其电容的容抗与电感的感抗相等，从二端口网络看其呈纯电阻特征。同时考虑到本交变磁场激励系统的激励信号频率为375Hz，把该频率设置成串联电路的谐振频率，通过实际匹配测量发现当匹配电容值为616.52nF时电路处于谐振状态，此时阻抗值为20.719Ω，匹配电容原理图为图1-3。

图1-2串联谐振电路图；图1-3匹配电容连接原理图

功率放大器推荐：ATA-4014C

图：ATA-4014C高压功率放大器指标参数

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