СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗВРЫВЧАТЫХ И НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО КВАДРУПОЛЬНОГО РЕЗОНАНСА Российский патент 2005 года по МПК G01N24/00 G01R33/20 

Изобретение относится к области радиоспектроскопии. Преимущественная область его использования - обнаружители взрывчатых и наркотических веществ (ВВ и НВ) на основе ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР).

Известны аналогичные способы обнаружения ВВ и НВ на основе явления ЯКР /1-5/, где облучение исследуемого образца ведется с помощью радиочастотных (РЧ) импульсов, заполненных резонансной частотой или близкой к резонансной частоте ЯКР искомого вещества.

Устройство для обнаружения ВВ и НВ с реализацией импульсного способа идентификации /1/ содержит несколько измерительных камер, в первую из которых помещен анализируемый объект, а в остальные - эталонные вещества, совпадающие по своему химическому составу с веществами, которые необходимо идентифицировать, при этом идентификация осуществляется путем сравнения спектров исследуемого и эталонных образцов. Устройство содержит синтезатор, модулятор, усилитель мощности, нагруженный на две передающие антенны, генератор импульсов, микропроцессорный контроллер, синтезатор, индикатор, электронный коммутатор, аналого-цифровой преобразователь. По результатам сравнения спектров принимается решение о присутствии или отсутствии наркотических и взрывчатых веществ.

Устройство /2/ для детектирования присутствия выбранных ядер в более крупном изделии специфического вещества, содержащего квадрупольные ядра. Оно включает в себя проведение исследований участков изделия путем размещения изделия в катушке, возбуждения с помощью радиочастотного источника обмотки в период циклической последовательности, соединение обмотки в остальные периоды последовательности с фазочувствительной схемой детектирования и измерения ответных выходных сигналов, связанных с ядерными квадрупольными резонансами. Суммирование ответных выходных сигналов, детектированных в соответствующие моменты времени циклической последовательности.

Система для обнаружения мин и контроля багажа /3/ позволяет детектировать малые количества ВВ и НВ в грунте, стенах и багаже. Аппаратура содержит радиотехническую головку, представляющую собой систему облучения вещества импульсными сигналами с частотой заполнения, равной частоте резонанса во взрывчатом веществе или наркотике. Эта система содержит последовательный резонансный контур с поверхностной катушкой, расположенной вблизи пластмассового дна цилиндрического экрана. Сигнал от вещества принимается ферритовыми антеннами, находящимися также внутри названного экрана.

Устройство для обнаружения вещества с использованием ЯКР /4/ позволяет обнаруживать присутствие в образце заранее заданных веществ, имеющих известные характеристические частоты ЯКР. Содержит контроллер последовательности, источник высокочастотных сигналов с изменяемой частотой, множество конденсаторов постоянной емкости и множество индивидуально управляемых средств переключения для выборочного подключения указанных конденсаторов в цепь высокочастотной катушки. Одновитковая распределенная высокочастотная катушка имеет такую форму, что она ограничивает полость заранее заданного объема для приема исследуемого образца и для подачи в нее высокочастотных сигналов от указанного высокочастотного источника, при этом высокочастотные сигналы подаются на находящийся в полости образец, формируя поле внутри полости. Указанная катушка предназначена также для приема сигналов ЯКР из образца с формированием выходного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является система обнаружения контрабанды с использованием ЯКР /5/. Предназначена для обнаружения в образце заданного вещества из класса ВВ и НВ. Содержит контроллер последовательности, радиочастотную подсистему, содержащую генератор переменной радиочастоты, радиочастотную катушку для подачи радиочастотного возбуждения, являющуюся также приемной катушкой для приема сигналов ЯКР от исследуемого образца с формированием выходного, устройство для настройки радиочастотной катушки, подсистему приема сигнала и обработки данных, а также устройство отображения для приема окончательного выходного сигнала от подсистемы приема и обработки данных. Подсистема детекторной головки, образующая сканер, содержит плоскую распределенную радиочастотную катушку, ограничивающую две торцевые стороны полости заданного объема для приема в нее всего исследуемого образца и для подачи в нее от генератора радиочастоты радиочастотного сигнала, который подается на исследуемый образец и создает внутри полости переменное магнитное поле. Электропроводящей радиочастотный экран, который имеет такую форму и конструкцию, чтобы обеспечить электромагнитное и радиочастотное экранирование от внешних шумов и предотвратить выход радиочастотного магнитного поля из полости радиочастотной катушки с экраном, при этом радиочастотный экран способствует повышению однородности поля. Известные характеристики сигналов ЯКР для заданных веществ вводят в память процессора сигнала данных в системе обнаружения, вставляют исследуемый образец в полость, сформированную в радиочастотной катушке. Радиочастотные импульсы передаются в полость, образованную радиочастотной катушкой, и создают поле внутри радиочастотной катушки, воздействию которого подвергается образец, обрабатывают сигналы ЯКР и сравнивают их с характеристиками сигналов, хранящихся в памяти, чтобы определить, указывают ли обнаруженные сигналы ЯКР на присутствие заданного вещества.

Недостатком таких устройств /1-5/ является то, что у них неравномерная чувствительность обнаружителя в разных областях объема рабочей камеры, наличие “мертвых” областей, резко снижающих вероятность обнаружения малых объемов ВВ и НВ. Это следствие того, что при разработке устройств для обнаружения ВВ и НВ не уделяется внимания влиянию на интенсивность сигнала ЯКР неоднородности возбуждающего РЧ поля датчика. Вместе с тем, такая неоднородность переменного магнитного поля (осевая и поперечная) является значительной и для ЯКР - обнаружителя с большой катушкой /1, 2, 4, 5/ и в особенности для односторонних миноискателей с поверхностной катушкой /3/, что не позволяет создание максимальной ядерной намагниченности и тем самым снижает эффективность устройства.

Настоящее изобретение представляет способ компенсации падения интенсивности сигнала, вызванной неоднородностью РЧ поля, с учетом используемой расстройки несущей частоты от частоты резонанса. Это достигается тем, что для компенсации падения чувствительности датчика в областях досматриваемого объема с высоким и низком значениями амплитуды РЧ поля при накоплении сигнала длительность зондирующих импульсов изменяется программирующим устройством так, что оптимальные условия возбуждения выполняются в процессе измерения поочередно для всех областей досматриваемого объема.

Изобретение основано на полученных зависимостях интенсивности сигнала ЯКР, наводимого ВВ в катушке датчика, от амплитуды РЧ поля, длительности возбуждающих импульсов и величины расстройки частоты обнаружителя от резонанса. Решение нестационарного уравнения Шредингера в интервале времени 0≤ t≤ t_w дает для описания реакции системы ядерных спинов ¹⁴N(I=1) на РЧ импульс длительностью t_w с расстройкой частоты Δ ω относительно точного резонанса ω ₊ следующее выражение для ядерной намагниченности:

Усреднение намагниченности по углам θ и ϕ для порошка в объеме шара единичного радиуса для нулевой расстройки Δ ω =0 приводит к функции Бесселя J₁(z), которая есть суть - элементарная трансцендентная функция:

При наличие расстройки частоты (Δ ω ≠ 0) усреднение по порошку с применением компьютера позволяет получить зависимость интенсивности сигнала ЯКР ¹⁴N от длительности РЧ импульса и расстройки частоты от резонанса.

Пусть условие “90-градусности” возбуждающего импульса (максимума выражения (2)) γ B₁₀t_w0≈_{0.66π выполняется при нулевой расстройке Δ ω =0. Здесь tw0 - оптимальная длительность импульса, а В10 - амплитуда РЧ поля при нулевой расстройке. Величину, пропорциональную скорости нутации ядерной намагниченности, обозначим: ω r0=γ В10. Если не учитывать резонансные свойства приемо-передающего колебательного контура, то зависимость интенсивности сигнала от относительной длительности РЧ импульсов tw/tw0 и относительной расстройки частоты их несущей Δ ω /ω r0 имеет вид, показанный на фиг.1.}

Легко видеть, что уменьшение длительности по сравнению с t_w0 сопровождается уменьшением амплитуды сигнала, которое не может быть скомпенсировано увеличением расстройки частоты. Увеличение длительности импульса по сравнению с t_w0 также вызывает уменьшение сигнала, но вплоть до t_w≈_{2tw0 это уменьшение можно полностью скомпенсировать увеличением расстройки частоты до Δ ω ≈ 0.8ω r0.}

Рассмотрим теперь возможности компенсации интенсивности сигнала при уменьшении амплитуды РЧ поля с помощью увеличения длительности импульса при наличии расстройки частоты. Фиг.2 иллюстрирует связь между оптимальными относительными длительностями импульсов и относительными величинами поля B₁, приводящими к компенсации величины сигнала. Прямая 1 соответствует нулевой расстройке, где длительность и амплитуда РЧ импульса обратно пропорциональны друг другу.

Пусть длительность импульса имеет типичную для ЯКР ¹⁴N величину t_w0=10 мкс. Тогда ω _r0≈_{2π · 33 кГц и при добротности контура датчика Q=100 величина расстройки не может быть больше Δ ω max/ω r0=0.7-0.8, или Δ ω max≈2π · 25 кГц. Если Δ ω /ω r0=0.1, т.е. Δ ν =3.3 кГц (типичная величина расстройки, применяемая при измерениях в ЯКР ¹⁴N), то зависимость для оптимальной длительности РЧ импульса показывает кривая 2. Чем больше величина расстройки, тем быстрее растет величина оптимальной длительности при падении уровня РЧ поля B1.}

Однако как видно из графиков, при больших расстройках уменьшение радиочастотного поля B₁ нельзя скомпенсировать увеличением длительности импульса t_w (на графиках области, где происходит лишь частичная компенсация, показаны пунктиром).

Таким образом, для получения максимальной интенсивности сигнала от образца, находящегося в неоднородном облучающем РЧ поле, следует использовать импульсы разной длительности, оптимальные для разного уровня поля B₁. Приводимые здесь условия компенсации интенсивности сигнала позволят повысить вероятность обнаружения малых объемов вещества и выравнить чувствительность обнаружителя для разных областей рабочего пространства датчика.

Примеры конкретного выполнения изобретения

Способ осуществляется следующим образом. Пусть имеется произвольный обнаружитель на основе импульсного метода ЯКР с большой катушкой. Размеры катушки в форме параллелепипеда, например, 12× 24× 33 см, что соответствует стандартной досмотровой камере для почтовых отправлений /6/. Катушка содержит 8 витков, с шагом намотки 4.7 см. Пусть взрывчатое вещество представляет собой тротиловую шашку массой 50 г с габаритами 1× 6× 5 см в форме параллелепипеда (стандарт “чемодан IKAO”,

выработанный специалистами группы экспертов Международной Комиссии Авиационной Безопасности /7/). Фиг.3а иллюстрирует различные, возможные положения ВВ в рабочем объеме досмотровой камеры. На фиг.3б показана зависимость наводимой в катушке ЭДС от ВВ при разных положениях шашки в камере в зависимости от длительности зондирующего РЧ импульса. Облучение пространства камеры полем “90-градусного” РЧ импульса с длительностью (t_w)_opt=0.66π /γ В₁₀ /8/ не дает максимума сигнала для вариантов расположения ВВ 3, 4 и 5. Здесь γ - гиромагнитное отношение ядер ¹⁴N, В₁₀ - амплитуда РЧ поля в центре катушки. При выборе величины срабатывания порогового устройства на уровне 0.5 шашка ВВ, находящаяся в положении 5, при данных условиях обнаруживаться не будет. При уменьшении длительности облучающего импульса до величины t_w=0.7(t_w)_opt происходит увеличение наводимой в катушке ЭДС до уровня, достаточного для надежного срабатывания порогового устройства обнаружителя.

Предлагаемый способ предполагает облучение камеры РЧ импульсами не постоянной длительности, а менять их в данном конкретном случае в пределах от 0.6(t_w)_opt до 1.2(t_w)_opt с помощью программирующего устройства в процессе накопления сигнала, для того чтобы устранить негативное влияние неоднородности РЧ поля на вероятность обнаружения.

Все вышесказанное относится к любым используемым для детектирования импульсным последовательностям (одиночные импульсы, последовательности спин-локинг, SORC и т.п.). Необходимость в предлагаемом способе становится неизбежной с увеличением размеров досмотровой камеры (увеличивается неоднородность поля) и с уменьшением размеров ВВ). Еще большую неоднородность РЧ поля дают плоские поверхностные катушки для одностороннего обнаружения (миноискатели). Пределы варьирования длительности t_w здесь могут быть значительными и определяются величиной активной области, прилегающей к поверхностной катушке.

Аналогичные результаты можно получить и для НВ.

Таким образом изобретение позволяет достичь выравнивания чувствительности для разных областей исследуемого объема без применения длительного накопления, исключить из исследуемого объема “мертвые” зоны. Использование изобретения уменьшит время обнаружения и повысит вероятность обнаружения закладок взрывчатых и наркотических веществ.

Источники информации

1. Патент RU 99102859 А, 7 G 01 N 24/00, 20.12.2000.

2. Патент GB 92/00577 А, 6 G 01 R 33/44, 01.04.1992.

3. Патент RU 2165104 С2, 7 G 08 В 13/00, 10.04.2001.

4. Патент SU 96/03075 А, 6 G 01 R 33/36, 05.03.1996.

5. Патент SU 96/03286 А, 7 G 01 R 33/44, 05.03.1996.

6. Прибор “ОВВ - ЯКР-10”. www.mtu-net./logis.

7. Отчет по НИР "Исследование свойств маркирующих добавок и их применение" ФГУП ГосНИИ “Кристалл”, 2002, г. Джержинск, 26 с.

8. Гречишкин B.C., Синявский Н.Я. Локальный ЯКР в твердых телах. Успехи физических наук, 1993, т.163, №10, с.95-120.

Изобретение относится к области радиоспектроскопии. Преимущественная область его использования - обнаружители взрывчатых и наркотических веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса. Способ обнаружения взрывчатых и наркотических веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса, заключающийся в том, что на предполагаемое место закладки веществ, находящихся в неметаллической оболочке, воздействуют радиочастотными импульсами изменяемой длительности высокочастотного магнитного поля, с частотой несущей, близкой к частоте ядерного квадрупольного резонанса обнаруживаемого вещества. Снятие наводимой электродвижущей силы индукции происходит в периоды отсутствия импульсов с фазочувствительной схемы детектирования, с последующим суммированием ответных входных сигналов, детектированных в соответствующие моменты времени, при этом искомые вещества имеют заранее заданные известные характеристики ядерного квадрупольного резонанса. Изменение длительности облучающих импульсов происходит с целью компенсации падения чувствительности, вызванной неоднородностью радиочастотного поля облучающей катушки и повышения вероятности обнаружения веществ в исследуемом объеме. 3 ил.

Способ обнаружения взрывчатых и наркотических веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса, заключающийся в том, что на предполагаемое место закладки вещества, находящегося в неметаллической оболочке, воздействуют радиочастотными импульсами высокочастотного магнитного поля с несущей частотой, близкой к частоте ядерного квадрупольного резонанса обнаруживаемого вещества, отличающегося тем, что при одновременной расстройке несущей частоты от частоты резонанса изменяют длительность высокочастотных импульсов таким образом, чтобы достичь максимального значения сигнала ядерной намагниченности вещества в месте его расположения в неоднородном высокочастотном магнитном поле.