Устройство для обнаружения и распознавания веществ методом ядерного квадрупольного резонанса Российский патент 2018 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к области применения ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) для исследования и анализа веществ и может использоваться в исследовательских целях, в медицине, в установках таможенного досмотра багажа и осмотра входящей корреспонденции в почтовых учреждениях (письма, бандероли, посылки) без их вскрытия.

Известно устройство для исследования и анализа веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, импульсный модулятор, первую катушку индуктивности, датчик сигнала, малошумящий усилитель, логарифмический усилитель с амплитудным детектором и индикатор, причем управляющий вход импульсного модулятора объединен со стробирующим входом малошумящего усилителя и подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, см. RU №2190842, опубл. 10.10.02.

Недостатком данного устройства является невозможность на протяжении некоторого времени приема ЯКР-сигнала после окончания возбуждения из-за перегрузки высокочувствительного приемного тракта собственными колебаниями контура и паразитными резонансами на высших гармониках элементов связи.

Известно, что ЯКР-сигнал характеризуется возрастанием амплитуды индуцированного сигнала после окончания импульса возбуждения, при этом длительность ЯКР-сигнала невелика.

В данном известном устройстве в это время сигнальные цепи подавлены импульсом возбуждения и не могут выделить весь ЯКР-сигнал с наибольшим соотношением сигнала к шуму. Это приводит к невозможности обнаружения или значительному снижению чувствительности обнаружения ЯКР-сигнала, т.е. создает "мертвую" зону для приема.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является устройство для обнаружения и распознавания веществ методом ядерного квадрупольного резонанса, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, импульсный модулятор, первую катушку индуктивности, датчик сигнала, малошумящий усилитель, логарифмический усилитель с амплитудным детектором и индикатор, делитель сигнала, первый и второй управляемые аттенюаторы, первый и второй управляемые фазовращатели, вторую катушку индуктивности и осциллограф, причем управляющий вход импульсного модулятора объединен со стробирующим входом малошумящего усилителя и подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, а датчик сигнала выполнен в виде вычитающего трансформатора, при этом делитель сигнала, первый управляемый аттенюатор и первый управляемый фазовращатель последовательно соединены и включены между выходом модулятора и входом первой катушки индуктивности, второй управляемый аттенюатор, второй управляемый фазовращатель и вторая катушка индуктивности последовательно соединены, причем вход второго управляемого фазовращателя соединен со вторым выходом делителя сигнала, выход генератора модулирующих импульсов подключен к управляющим входам индикатора и осциллографа, а датчик сигнала индуктивно связан с первой и второй катушками индуктивности, при этом высокочастотный генератор выполнен перестраиваемым на основе синтезатора частот, см. RU №2488100, опубл. 10.08.11.

В данном известном устройстве устранена "мертвая" зона для приема, однако, в нем результат измерения сильно зависит от расположения, формы и количества исследуемого вещества в катушке индуктивности, что увеличивает погрешность обнаружения и распознавания веществ.

Технический результат предлагаемого устройства состоит в снижении погрешности обнаружения и распознавания веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство для обнаружения и распознавания веществ методом ядерного квадрупольного резонанса, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, импульсный модулятор, первую катушку индуктивности, датчик сигнала, малошумящий усилитель, логарифмический усилитель с амплитудным детектором и индикатор, причем управляющий вход импульсного модулятора объединен со стробирующим входом малошумящего усилителя и подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, введены делитель сигнала, первый и второй управляемые аттенюаторы, первый и второй управляемые фазовращатели, вторая катушка индуктивности и осциллограф, а датчик сигнала выполнен в виде вычитающего трансформатора, при этом делитель сигнала, первый управляемый аттенюатор и первый управляемый фазовращатель последовательно соединены и включены между выходом модулятора и входом первой катушки индуктивности, второй управляемый аттенюатор, второй управляемый фазовращатель и вторая катушка индуктивности последовательно соединены, причем вход второго управляемого фазовращателя соединен со вторым выходом делителя сигнала, выход генератора модулирующих импульсов подключен к управляющим входам индикатора и осциллографа, а датчик сигнала индуктивно связан с первой и второй катушками индуктивности.

При этом блок формирования управляющих импульсов содержит счетчик импульсов и дешифратор, выходы которого являются выходами блока формирования управляющих импульсов, вход которого является входом счетчика, выходы двух последних разрядов которого соединены с входами дешифратора.

Причем высокочастотный генератор выполнен перестраиваемым.

Поскольку полоса ЯКР крайне узкая, высокочастотный генератор выполнен на основе синтезатора частот.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для исследования и анализа веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса.

На фиг.2 представлена блок-схема устройства.

На фиг.3 представлена частотная диаграмма работы высокочастотного генератора на фоне отклика ЯКР и частотной характеристики измерительного тракта.

На фиг. 4 представлена временная диаграмма работы синхронного детектора.

Предлагаемое устройство содержит высокочастотный генератор 1, импульсный модулятор 2, делитель сигнала 3, первый и второй управляемые аттенюаторы 4 и 5, первый и второй управляемые фазовращатели 6 и 7, первую и вторую катушку индуктивности 8 и 9, датчик 10 сигнала, генератор 11 модулирующих импульсов, малошумящий усилитель 12, фильтр 13, логарифмический усилитель с амплитудным детектором 14 и индикатор 15. Осциллограф 16 подключен к выходу датчика 10 сигнала. Блок 17 формирования управляющих импульсов работает от генератора 11 модулирующих импульсов. Синхронный детектор 18 и интегратор 19 включены последовательно между выходом амплитудного детектора 14 и входом индикатора 15.

Блок 17 формирования управляющих импульсов содержит счетчик 20 и дешифратор 21.

Высокочастотный генератор 1, импульсный модулятор 2, делитель сигнала 3, первый управляемый аттенюатор 4, первый управляемый фазовращатель 6, первая катушка 8 индуктивности, датчик 10 сигнала, малошумящий усилитель 12, фильтр 13, логарифмический усилитель с амплитудным детектором 14 и индикатор 15 включены последовательно.

Генератор 11 модулирующих импульсов подключен к объединенным управляющим входам импульсного модулятора 2 и малошумящего усилителя 12.

Высокочастотный генератор 1 выполнен перестраиваемым.

Поскольку полоса 25 ЯКР крайне узкая, высокочастотный генератор выполнен на основе синтезатора частот.

Для наилучшего результата по соотношению сигнал/шум первая и вторая катушки индуктивности 8 и 9 расположены индуктивно симметрично относительно датчика 10 сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Перестраиваемый высокочастотный генератор 1 и импульсный модулятор 2, управляемый генератором 11 модулирующих импульсов, формируют высокочастотный (ВЧ) импульс необходимой длительности с регулируемой частотой повторения. Вследствие того, что полоса 25 ЯКР крайне узкая, внутриимпульсная частота должна быть стабильной. Поэтому высокочастотный генератор 1 выполнен на основе синтезатора частот. ВЧ-импульс подается на делитель сигнала 3, который синфазно делит уровень сигнала на 2, после чего он проходит по цепям двух идентичных каналов. Первый канал состоит из первого управляемого аттенюатора 4, первого управляемого фазовращателя 6 и первой катушки 8 индуктивности, второй - соответственно из второго управляемого аттенюатора 5, второго управляемого фазовращателя 7 и второй катушки 9 индуктивности.

Датчик 10 сигнала выполнен в виде вычитающего трансформатора и индуктивно связан как с первой, так и со второй катушками 8 и 9.

Полоса приемника ограничивается перестраиваемым фильтром 13.

С помощью управляемых аттенюаторов 4, 5, и управляемых фазовращателей 6, 7 подбирают амплитуды и фазы сигнала таким образом, чтобы минимизировать сигнал на выходе датчика 10, отображаемый на осциллографе 16. Для дополнительного подавления разностного импульса малошумящий усилитель 12 стробируется модулирующим импульсом.

Таким образом, на выходе амплитудного детектора 15 отклик на возбуждающий сигнал практически отсутствует.

В катушку индуктивности одного из каналов помещается исследуемое вещество. После прохождения ВЧ-импульса через некоторое время на частоте ЯКР образуется отклик, обусловленный ядерными процессами, который индицируется датчиком 10. С выхода датчика 10 сигнал усиливается малошумящим усилителем 12 и логарифмическим усилителем после чего детектируется амплитудным детектором 14.

Для снижении погрешности обнаружения и распознавания веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса производится периодическая манипуляция частоты высокочастотного генератора 1, как это показано на фиг.3 и на временной диаграмме (фиг. 4). В период времени от t0 до t0+T высокочастотный генератор 1 генерирует частоту f0- Δ/f (см. позицию 23 на фиг.3). В период времени от t0+T до t0+3T высокочастотный генератор 1 генерирует частоту f0 (см. позицию 22 на фиг.3), а в период от t0+3T до t0+4T - частоту f0+ Δ/f (см. позицию 24 на фиг.3). Синхронный детектор управляется в соответствии с временной диаграммой на фиг. 4. В период времени от t0 до t0+T и от t0+3T до t0+4T он передает сигнал с выхода амплитудного детектора 14 на интегратор 19 с множителем -1 (см. позицию 28 и 29 на фиг.4), а в период времени от t0+T до t0+3T - с множителем +1 (см. позицию 27 на фиг.4). Когда высокочастотный генератор 1 генерирует частоту f0, образуется отклик ЯКР (см. позицию 25 на фиг.3), обусловленный ядерными процессами, а когда высокочастотный генератор 1 генерирует частоты f0- Δ/f или f0+ Δ/f, отклик ЯКР отсутствует. При этом все помехи и паразитные сигналы, присутствующие на выходе амплитудного детектора, полностью компенсируются. Неоднородности частотной характеристики 26 измерительного тракта компенсируются за счет того, что манипуляция частоты осуществляется симметрично вверх и вниз по частоте. В синхронном детекторе 18 сигнал, вызванный неоднородностью частотной характеристики тракта, полностью компенсируется.

Для того чтобы время, в течение которого сигнал с выхода амплитудного детектора 14 передается на интегратор 19 с множителем -1, в точности равнялось времени, в течение которого сигнал передается с множителем +1, блок 17 формирования управляющих импульсов содержит счетчик 20 и дешифратор 21. Последние 2 разряда счетчика формируют четкое разбиение периода манипуляции на 4 части длительностью T, Использование двух симметричных частот f0- Δ/f и f0+ Δ/f позволяет компенсировать возможные частотные неоднородности тракта.

В результате на индикаторе 15 фиксируется только отклик ЯКР, а все мешающие отклики полностью скомпенсированы.

Экспериментальные исследования показали высокую эффективность предлагаемого устройства и отсутствие погрешности, зависящей от расположения, формы и количества исследуемого вещества.

Использование: для обнаружения и распознавания веществ методом ядерного квадрупольного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для обнаружения и распознавания веществ методом ядерного квадрупольного резонанса содержит высокочастотный генератор, индикатор, последовательно соединенные импульсный модулятор, первую катушку индуктивности, датчик сигнала, малошумящий усилитель, логарифмический усилитель и амплитудный детектор, причем управляющий вход импульсного модулятора объединен со стробирующим входом малошумящего усилителя и подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, делитель сигнала, первый и второй управляемые аттенюаторы, первый и второй управляемые фазовращатели, вторая катушка индуктивности и осциллограф, а датчик сигнала выполнен в виде вычитающего трансформатора, при этом делитель сигнала, первый управляемый аттенюатор и первый управляемый фазовращатель последовательно соединены и включены между выходом модулятора и входом первой катушки индуктивности, второй управляемый аттенюатор, второй управляемый фазовращатель и вторая катушка индуктивности последовательно соединены, причем вход второго управляемого фазовращателя соединен со вторым выходом делителя сигнала, выход генератора модулирующих импульсов подключен к управляющим входам индикатора и осциллографа, а датчик сигнала индуктивно связан с первой и второй катушками индуктивности, при этом дополнительно введены блок формирования управляющих импульсов, синхронный детектор и интегратор, причем вход блока формирования управляющих импульсов подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, первые три выхода блока формирования управляющих импульсов подключены к соответствующим управляющим входам высокочастотного генератора, а четвертый выход блока формирования управляющих импульсов подключен к управляющему входу синхронного детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход через интегратор подключен к входу индикатора. Технический результат: обеспечение возможности снижения погрешности обнаружения и распознавания веществ на основе ядерного квадрупольного резонанса. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для обнаружения и распознавания веществ методом ядерного квадрупольного резонанса, содержащее высокочастотный генератор, индикатор, последовательно соединенные импульсный модулятор, первую катушку индуктивности, датчик сигнала, малошумящий усилитель, логарифмический усилитель и амплитудный детектор, причем управляющий вход импульсного модулятора объединен со стробирующим входом малошумящего усилителя и подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, делитель сигнала, первый и второй управляемые аттенюаторы, первый и второй управляемые фазовращатели, вторая катушка индуктивности и осциллограф, а датчик сигнала выполнен в виде вычитающего трансформатора, при этом делитель сигнала, первый управляемый аттенюатор и первый управляемый фазовращатель последовательно соединены и включены между выходом модулятора и входом первой катушки индуктивности, второй управляемый аттенюатор, второй управляемый фазовращатель и вторая катушка индуктивности последовательно соединены, причем вход второго управляемого фазовращателя соединен со вторым выходом делителя сигнала, выход генератора модулирующих импульсов подключен к управляющим входам индикатора и осциллографа, а датчик сигнала индуктивно связан с первой и второй катушками индуктивности, отличающееся тем, что введены блок формирования управляющих импульсов, синхронный детектор и интегратор, при этом вход блока формирования управляющих импульсов подключен к выходу генератора модулирующих импульсов, первые три выхода блока формирования управляющих импульсов подключены к соответствующим управляющим входам высокочастотного генератора, а четвертый выход блока формирования управляющих импульсов подключен к управляющему входу синхронного детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход через интегратор подключен к входу индикатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формирования управляющих импульсов содержит счетчик импульсов и дешифратор, выходы которого являются выходами блока формирования управляющих импульсов, вход которого является входом счетчика, выходы двух последних разрядов которого соединены с входами дешифратора.

3. Устройство по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что высокочастотный генератор выполнен перестраиваемым.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что высокочастотный генератор выполнен на основе синтезатора частот.