КВАДРУПОЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ МИН Российский патент 2000 года по МПК G08B13/26 F41H11/12 

Изобретение относится к области ядерно-магнитных измерений, касается импульсной аппаратуры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР¹⁴N) и предназначено для дистанционного обнаружения мин.

Наиболее близкими по техническим решениям являются системы с большой катушкой в качестве облучателя и с ферритовыми приемными антеннами [1-3].

Недостатком этих систем является:
- невозможность дистанционного обнаружения,
- влияние металлических деталей.

Целью настоящего изобретения является:
- устранение указанных выше недостатков;
- повышение степени достоверности обнаружения мин в пластиковых корпусах;
- увеличение дальности обнаружения мин.

Цель достигается тем, что в предлагаемое устройство введены параллельный рабочий контур, сквид постоянного тока - сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор, катушка связи сквида с рабочим контуром, катушка подмагничивания сквида, низкошумящий предусилитель.

Совокупность существенных признаков заявляемых устройств обеспечивает обнаружение мин в пластиковых корпусах на глубине залегания в грунте ~ 30 см.

Авторам не известны технические решения из области ядерно-магнитных измерений и из других областей техники, обладающие техническими свойствами заявляемого технического объекта изобретения. Таким образом, заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию существенных отличий.

На чертеже приведено двухчастотное устройство для дистанционного обнаружения мин в пластиковых корпусах, где:
1 - поверхностная катушка,
2 - ферритовые катушки,
3 - конденсатор последовательного контура,
4 - конденсатор параллельного контура.

5 - сквид постоянного тока,
6 - катушка связи сквида с параллельным контуром,
7 - катушка подмагничивания сквида,
8 - предусилитель приемника,
9 - криостат для жидкого гелия,
10 - Q - спойлер,
11 - катушка подмагничивания Q-спойлера.

Рассмотрим работу устройства, приведенного на чертеже.

Плоская поверхностная катушка 1 располагается на тележке, которая может перемещаться над грунтом, где могут быть мины. Вместе с конденсаторов 3 эта катушка образует последовательный колебательный контур, питание которого осуществляется от специального генератора импульсов. Над поверхностной катушкой располагаются ферритовые катушки 2, так, чтобы обеспечить взаимоиндукцию. Конденсатором 4, который является высокодобротным, и ферритовые катушки образуют параллельный приемный контур. Облучение мины полем поверхностной катушки производится на частоте ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР)¹⁴ Nf= 5192 кГц для гексогена и f=860 кГц для тринитротолуола (TNT). Приемный контур фиксирует слабый резонансный сигнал и с помощью катушки связи 6 передает его на сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор-сквид 5, который этот сигнал усиливает и детектирует. Следовательно сквид регулирует добротность приемного контура. Со сквида сигнал поступает на низкошумящий предусилитель 8 приемника. Катушка 7 служит для подмагничивания сквида. Для защиты сквида и уменьшения звона приемного контура используется выключатель добротности (Q - спойлер), Q - спойлер (10) состоит из 20 переходов Джозефсона. Критический ток каждого перехода 4 мкА, и его можно варьировать наложением слабого постоянного магнитного поля параллельно поверхности пленок Q - спойлера. Это поле подается на Q - спойлер с помощью катушки (II). Добротность приемного контура при выключенном спойлере равна 2500, при включенном 0,5.

Параллельный контур, включающий ферритовые катушки 2, Q - спойлер 10, конденсатор 4 и катушку 6, сквид 5 и катушка 7 помещается в криостат с жидким гелием.

Предусилитель 8 приемника находится вне криостата.

Таким образом, благодаря низкой шумовой температуре сквида и высокой добротности приемного контура, чувствительность детектора увеличивается в 100 раз, а время накопления сигнала при накоплении импульсов с расстройкой [3] уменьшается до 10 с. Связь приемной антенны со сквидом осуществляется через катушку 6, что обеспечивает достижение технического результата - увеличение дальности обнаружения. Это позволяет детектирвоать сигналы как гексогена, так и TNT дистанционно.

Поверхностная катушка 1 представляет собой плоскую спираль, диаметр которой выбирается примерно равным диаметру мины, т.е. 20 см. Поверхностную катушку следует изготавливать с помощью технологического лазера CO₂, прорезая с его помощью в посеребренном медном листе на поверхности полистироловой пластины 30 витков спирали.

Величина сигналов, наводимых прецессирующими намагниченностями M₁ взрывчатого вещества будут в (1) и во (2) катушках:
V₁ = Q₁E₁ , V₂=Q₂E₂.

где Q₁ и Q₂ добротности катушек 1 и 2 соответственно. Следовательно, ЭДС индукции в катушках 1 и 2 и E₂ равны:
E₁ = π³ω₀M₁d21

n₁,
E₂ = π³ω₀M₁d22n₂,
где ω₀ - частота ¹⁴N в образце, n₁, n₂ - число витков в спиральной и ферритовой катушках соответственно, а d₁, d₂ - их средние диаметры
Обычно L₁C₁= L₂C₂ R₁ω₀C₁ = R₂ω₀C₂, а коэффициент связи между катушками где M - коэффициент взаимоиндукции катушек, причем на его величину влияет взрывчатое вещество. Если принять K_cв = δβ, где β - степень связи, а δ - декремент затухания контуров, то коэффициент передачи системы (K) будет равен

Здесь K₀ = const, α = 2Ω/δω₀ - безразмерная расстройка, Ω - расстройка относительно ω₀. Если β > 1, то координаты горбов резонансной кривой [2] будут Для повышения чувствительности необходимо выбрать Ω ≃ 1 - 2,5 кГц. Некоторое повышение чувствительности может быть достигнуто за счет увеличения n₁, так и применением методов выделения сигналов из шумов [3].

Но главный выигрыш, то есть увеличение расстояния обнаружения, может дать применение ферритовой катушки. Обычно добротность ферритовых катушек Q₂~ 80-100. Тогда можно применить схему гашения звона контура. Если же Q₂ = 300 при длине ферритового стержня l₂ = 20 см и при намотке катушек на стержни по две соединенные последовательно, и при использовании четырех стержней с катушками, соединенными в параллель, эффективная длина приемной антенны, образованной параллельным контуром, становится равной Q₂ l₂ = 60 м, что совпадает с длиной волны в гексогене.

Использование предлагаемых устройств позволяет:
- обнаруживать дистанционно мины на глубине залегания в грунте до 30 см, т.е. увеличить дальность обнаружения мины;
- повысить достоверность обнаружения;
- избавиться от пьезоэффектов;
- повысить чувствительность приемного устройства, а следовательно, время обнаружения мины.

Технические решения, приведенные в [1-3] и выбранные в качестве прототипов, позволяют обнаруживать мины только на расстоянии 10-12 см. Кроме того, время измерения ЯКР¹⁴N сигнала TNT достигает 5 минут.

Использование предлагаемых устройств сократит время обнаружения до 10 с, повысит достоверность обнаружения до 97-99% увеличит дальность обнаружения до 30 см.

Источники информации
1. Гречишкин В.С. и др. Оптимальные условия наблюдения локального ЯКР. ВИНИТИ N 4791-В88, 1988 (прототип).

2. V.S. Grechishkin. NQR Device for Detecting Plastic Explosives, Mines and Drugs. Appl. Phys. A55,505-507. 1992 (прототип).

3. V. S. Grechishkin. Application of Multipulse Sequences in Remote NQR. Appl. Phys. A58,63-65, 1994.

Изобретение относится к области ядерно-магнитных измерений и предназначено для дистанционного обнаружения мин. Техническим результатом является повышение степени достоверности обнаружения мин в пластиковых корпусах и увеличение дальности обнаружения мин. Детектор содержит поверхностную возбуждающую катушку и приемный параллельный контур с ферритовыми катушками, предназначенный для подачи сигнала, наводимого в указанных катушках, через катушку связи на сквид постоянного тока, поверхностная катушка связана с указанными ферритовыми катушками взаимной индукцией, на величину которой влияет намагниченность взрывчатого вещества мины. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для дистанционного обнаружения мины в пластиковом корпусе, содержащее поверхностную возбуждающую катушку и приемный параллельный контур с ферритовыми катушками, предназначенный для подачи сигнала, наводимого в указанных катушках, через катушку связи на сквид постоянного тока, поверхностная возбуждающая катушка связана с указанными ферритовыми катушками взаимной индукцией, на величину которой влияет намагниченность взрывчатого вещества мин. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ферритовые катушки приемного параллельного контура расположены на четырех ферритовых высокочастотных стержнях по две, соединенные последовательно на каждом указанном стержне. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход указанного сквида через конденсатор подключен к предусилителю. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что указанный контур и сквид находятся в жидком гелии. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что устройство содержит спойлер для указанного сквида, выполненный с возможностью изменения добротности указанного контура.