Способ и устройство для сканирования неметаллических объектов на наличие в них веществ, содержащих ядра с квадрупольным моментом

Использование: для обнаружения веществ, содержащих атомы, ядра которых обладают квадрупольным моментом. Сущность: заключается в том, что сканирование исследуемого объема на наличие взрывчатых и наркотических веществ, содержащих ядра азота ¹⁴N, в среде, содержащей ядра водорода ¹Н, осуществляется методом идентификации и определения местоположения искомого вещества с помощью ЯМР визуализации на ядрах ¹Н с использованием импульсного возбуждения ¹⁴N на частоте ЯКР. Технический результат: повышение достоверности обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области применения ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) для обнаружения веществ, содержащих атомы, ядра которых обладают квадрупольным моментом. Изобретение может быть использовано, например, для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ в багаже при транспортировке или при проведении досмотра пассажиров в аэропорту, а также для обнаружения инородных объектов в теле человека.

Предложена система, исключающая влияние индивидуальных особенностей объекта на результаты сканирования. Сканирование производится посредством изменения градиента импульсного магнитного поля при воздействии на объект электромагнитных полей с частотами ЯМР на протонах водорода ¹Н и ЯКР на искомых ядрах ¹⁴N. Детектирование возможно как на частоте ЯМР протонов ¹H, так и на частоте ЯКР ¹⁴N.

Близким по техническому решению является устройство [1], взятое в качестве прототипа, работающее в импульсном режиме и содержащее генератор радиочастоты, управляемый компьютером (микропроцессорным контроллером), формирователь радиочастотных импульсов (электронный ключ), усилитель мощности, нагруженный на передающую антенну (катушку), приемную антенну (катушку), подключенную к входу приемника, цифровой выход которого соединен с входом компьютера.

Недостатком данного устройства является невозможность визуализации веществ, содержащих ядра азота. Устройство [1] позволяет только обнаружить искомые вещества в исследуемом объеме, оно не может определять местоположение и форму искомого объекта.

В предлагаемом устройстве для обнаружения и визуализации азотосодержащих соединений в среде, включающей в себя ядра водорода, применяются радиочастотное облучение с частотой, равной частоте квадрупольного резонанса ядер азота ¹⁴N, и радиочастотное облучение с частотой, равной частоте магнитного резонанса ядер водорода ¹Н. Это достигается тем, что в передающем канале спектрометра формируются радиочастотные импульсы, заполнение которых соответствует спектрам ЯКР ядер азота ¹⁴N и ЯМР ядер водорода ¹H в искомом веществе. Пространственное сканирование с использованием специальных импульсных последовательностей осуществляется методом получения ЯМР-изображений объектов с пространственной локализацией в слабом магнитном поле, обладающем пространственным градиентом в лабораторной системе координат, как это описано в [2]. Детектирование возможно как на частоте ЯМР протонов ¹H, так и на частоте ЯКР ¹⁴N, как показано на фиг.2. Визуализация искомых веществ позволяет существенно повысить достоверность обнаружения и идентификации искомых веществ по сравнению с прототипом.

Предлагаемое устройство (фиг.1) для обнаружения и визуализации объектов содержит синтезатор радиочастоты 1, подключенный к первому входу формирователя радиочастотных импульсов 2, спектр которых совпадает со спектром ЯМР ¹H ядер водорода, выход которого соединен с первым входом усилителя мощности 4, нагруженного на передающую антенну 5; цифровой приемник 7 с двухканальным аналого-цифровым квадратурным преобразованием, первый вход которого соединен с приемной антенной 6, второй вход соединен со вторым выходом синтезатора радиочастот 1, а выход с входом микропроцессорного контроллера 8, первый выход которого соединен с входом индикатора (дисплея) 10, а второй выход со вторым входом формирователя радиочастотных импульсов 2, дополнительно в устройство введены генератор градиента магнитного поля 9, вход которого соединен с третьим выходом микропроцессорного контроллера 8; и второй формирователь радиочастотных импульсов 3, спектр которых совпадает со спектром ЯКР ¹⁴N ядер азота, первый вход которого соединен с третьим выходом синтезатора радиочастот 1, второй вход соединен с четвертым выходом микропроцессорного контроллера 8, а выход соединен со вторым входом усилителя мощности 4.

Устройство работает следующим образом. Из сигналов с выходов синтезатора (генератора) радиочастот 1 формирователи радиочастотных импульсов 2 и 3, управляемые микропроцессорным контроллером 8, вырабатывают радиочастотные импульсы, частота заполнения которых определяется частотой ЯКР ¹⁴N и ЯМР ¹Н. Сигналы с выходов формирователей 2 и 3, усиленные усилителем мощности 4, излучаются антенной 5 на анализируемый объект X. В анализируемом объекте Х происходит энергетический обмен между ядрами водорода ¹H и азота ¹⁴N, входящими в состав искомого вещества, в момент, когда действуют импульсные последовательности ω(

1

н

) и ω(

14

N

) одновременно (см. фиг. 2). Это приводит к изменению сигнала ядерной индукции в приемной антенне 6 устройства (момент на фиг. 2, когда сигналы Инф(

1

н

) Инф(

14

N

) регистрируются одновременно). В данном устройстве регистрируется энергетический обмен между двумя группами ядер, что повышает достоверность детектирования. Далее сигнал преобразуется приемником 7 и поступает на вход контроллера 8. Для идентификации и определения местоположения искомого вещества применен метод ЯМР визуализации на ядрах ¹Н [2] с использованием импульсного возбуждения ¹⁴N на частоте ЯКР. Для этой цели в устройстве используется генератор градиентов магнитного поля 9 и второй формирователь радиочастотных импульсов 3, управляемые микропроцессорным контроллером. После накопления и обработки сигнала результат отображается на индикаторе (дисплее) 10.

Источники информации:

1. Erik E. Magnuson et al., US Pat. 5592083 Jan. 7, 1997, Quantum Magnetics, Inc., San Diego, Calif.

2. Лич М. Получение ЯМР изображений с пространственной локализацией. Под редакцией С. Вебба. "Физика визуализации изображений в медицине". Стр.105-231, Мир, 1991.

1. Устройство для обнаружения и визуализации объектов, содержащее синтезатор радиочастоты, подключенный к первому входу формирователя радиочастотных импульсов, выход которого соединен с первым входом усилителя мощности, нагруженного на передающую антенну; цифровой приемник, первый вход которого соединен с приемной антенной, второй вход соединен со вторым выходом синтезатора радиочастот, а выход со входом микропроцессорного контроллера, первый выход которого соединен со входом индикатора (дисплея), а второй выход со вторым входом формирователя радиочастотных импульсов, отличающееся тем, что в устройство введены генератор градиента магнитного поля, вход которого соединен с третьим выходом микропроцессорного контроллера; и второй формирователь радиочастотных импульсов, первый вход которого соединен с третьим выходом синтезатора радиочастот, второй вход соединен с четвертым выходом микропроцессорного контроллера, а выход соединен со вторым входом усилителя мощности.

2. Способ обнаружения и визуализации объектов, заключающийся в использовании метода ядерного квадрупольного резонанса, отличающийся тем, что сканирование исследуемого объема на наличие взрывчатых и наркотических веществ, содержащих ядра азота ¹⁴N, в среде, содержащей ядра водорода ¹Н, осуществляется методом идентификации и определения местоположения искомого вещества с помощью ЯМР-визуализации на ядрах ¹H с использованием импульсного возбуждения ¹⁴N на частоте ЯКР.

3. Способ обнаружения и визуализации объектов по п.2, заключающийся в использовании метода ядерного квадрупольного резонанса на ядрах азота ¹⁴N, отличающийся тем, что для идентификации и визуализации азотосодержащих соединений в среде, включающей в себя ядра водорода ¹H, применяется облучение радиочастотными импульсами, спектр которых совпадает со спектром квадрупольного резонанса ядер азота ¹⁴N, что увеличивает достоверность обнаружения и визуализации.