Способ дистанционного обнаружения вещества в неоднородном магнитном поле с использованием ядерного магнитного резонанса
Владельцы патента RU 2471177:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (RU)
Использование: для дистанционного обнаружения вещества в неоднородном магнитном поле с использованием ядерного магнитного резонанса. Сущность: заключается в том, что вводят исследуемый объект в неоднородное магнитное поле с импульсным возбуждающим воздействием искомого химического элемента в исследуемом объекте и получают отклик сигнала ЯМР от воздействия на объект в виде распределения зависимости интенсивности сигнала ЯМР от частоты, причем предварительно измеряют и запоминают распределение интенсивности неоднородного магнитного поля от координаты пространства по всем трем пространственным координатам и также предварительно запоминают характерное распределение интенсивностей отклика сигнала ЯМР от частоты от исследуемого объекта без скрытого вещества, затем на полученном отклике сигнала ЯМР от исследуемого объекта находят частоты νпик, на которых интенсивность отклика сигнала ЯМР отличается от запомненной интенсивности для данного объекта, затем по формуле Зеемана по частоте νпик находят Впик (где Впик - искомая интенсивность локального внешнего магнитного поля) и по предварительному распределению интенсивности неоднородного магнитного поля находят пространственное положение магнитных полей с интенсивностью, близкой к Впик, и таким образом устанавливают пространственное расположение скрытого в объекте вещества. Технический результат: обеспечение возможности получения пространственной картины распределения искомого химического вещества в объекте за как можно более короткий промежуток времени. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к средствам досмотра на пропускных пунктах для обнаружения скрытых веществ (например, наркотиков и/или взрывчатых веществ), в частности к системам обеспечения безопасности пассажирских перевозок.
Известны способы неразрушающего обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ (ВВ), основанные на применении физических методов, связанных с эффектами взаимодействия ядер атомов в молекулах вещества с электромагнитной волной. На практике применяется как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), так и ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР). Способы обнаружения скрытых веществ, основанные на явлении ЯКР, пригодны для веществ, имеющих достаточно сильный ЯКР отклик, и плохо подходят для обнаружения тротила или наркотических веществ. Обычно для использования явления ЯМР применяется однородное магнитное поле. Для способов, основанных на эффектах ЯКР и ЯМР, необходимо помещение досматриваемого объекта в контрольную зону.
Известен способ получения изображения внутренней структуры объекта с помощью ЯМР [1]. Изображение внутренней структуры объекта получают, используя ЯМР при синхронном выделении сигнала ЯМР, и дополнительно производят синхронное детектирование, при котором выделяют амплитуду второй гармоники модуляции и суммируют с амплитудой постоянной составляющей сигнала ЯМР. Для реализации этого способа требуется очень точная настройка внешнего магнитного поля и высокое спектральное разрешение, что предполагает высокую однородность магнитного поля и применение дорогостоящего оборудования.
Известен способ дистанционного обнаружения вещества в неоднородном магнитном поле с использованием ядерного магнитного резонанса [2], состоящий из введения исследуемого объекта в неоднородное магнитное поле. Для повышения вероятности обнаружения искомого химического элемента (при условии нахождения данного химического элемента в молекулах, имеющих ЯКР активность) проводится исследование на наличие искомого химического элемента в таком внешнем поле, в котором разница энергий между уровнями Зеемана для ЯМР совпадает с энергией поглощаемой молекулой, в состав которой входит искомый элемент, возбуждаемый ЯКР. Таким образом, время релаксации возбужденных уровней для ЯМР сокращается, что увеличивает уровень сигнала отклика ЯМР. Известный способ исследования пригоден не для всех молекул, а только для ЯКР активных молекул, т.е. не пригоден для тротила и наркотических веществ и требует дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ дистанционного обнаружения вещества в неоднородном магнитном поле с использованием ядерного магнитного резонанса [3], состоящий из введения исследуемого объекта в неоднородное магнитное поле с импульсным возбуждающим воздействием искомого химического элемента в исследуемом объекте и получения отклика сигнала ЯМР от воздействия на объект в виде распределения зависимости интенсивности сигнала ЯМР от частоты. В известном способе определяется количество резонирующих ядер внутри объекта, в котором нет возможности создать однородное поле. Данный способ не позволяет обнаруживать области повышенной/пониженной концентрации искомых химических элементов в исследуемом объекте, а дает возможность получить только количество искомых элементов во всем объеме объекта, что существенно снижает вероятность обнаружения искомых веществ.
Предлагаемым авторами способом решается задача получения пространственной картины распределения искомого химического вещества в объекте за как можно более короткий промежуток времени, что позволяет расширить номенклатуру исследуемых веществ, причем к используемому оборудованию не должны предъявляться высокие требования, что значительно снизит стоимость досмотра.
Технический результат достигается путем использования неоднородного магнитного поля с известным распределением интенсивности по пространству, тогда спектральная плотность ЯМР отклика от объекта однозначно связана с пространственной концентрацией искомого химического элемента в объекте.
Поставленная задача решается следующим образом.
В способе дистанционного обнаружения вещества в неоднородном магнитном поле с использованием ядерного магнитного резонанса, состоящем из введения исследуемого объекта в неоднородное магнитное поле с импульсным возбуждающим воздействием искомого химического элемента в исследуемом объекте и получения отклика сигнала ЯМР от воздействия на объект в виде распределения зависимости интенсивности сигнала ЯМР от частоты, согласно изобретению предварительно измеряют и запоминают распределение интенсивности неоднородного магнитного поля от координаты пространства по всем трем пространственным координатам и также предварительно запоминают характерное распределение интенсивностей отклика сигнала ЯМР от частоты от исследуемого объекта без скрытого вещества, затем на полученном отклике сигнала ЯМР от исследуемого объекта находят частоты νпик, на которых интенсивность отклика сигнала ЯМР отличается от запомненной интенсивности для данного объекта, затем по формуле Зеемана:
hνпик=Bпикµ,
где µ - магнитный момент ядра искомого вещества, h - постоянная Планка,
Впик - искомая интенсивность локального внешнего магнитного поля, по частоте νпик находят Впик и по предварительному распределению интенсивности неоднородного магнитного поля находят пространственное положение магнитных полей с интенсивностью, близкой к Впик, и таким образом устанавливают пространственное расположение скрытого в объекте вещества.
При этом исследуемым объектом является человек или животное, а искомым химическим элементом является азот.
Импульсное возбуждение в способе создают изменением полярности внешнего магнитного поля на противоположное, а импульсное возбуждающее воздействие проводят по меньшей мере два раза. Причем общая неоднородность магнитного поля для областей с повышенным содержанием азота составляет не более 34±0,1%.
Техническая сущность предложенного решения поясняется чертежами.
На фиг.1 дана схема ЯМР воздействия на объект, имеющий скрытое вещество, где 1 - электромагниты, создающие неоднородное магнитное поле, 2 - исследуемый объект (человек), 3 - искомое скрытое вещество, скрытое в одежде, например ВВ или наркотик, 4 - приемник отклика (анализатор спектра), 5 - излучатель электромагнитных сигналов, создающих импульсное возбуждающее воздействие.
На фиг.2 представлено распределение интенсивности неоднородного магнитного поля от координаты пространства, по всем трем пространственным координатам.
На фиг.3 приведен вид отклика при наличии исследуемого объекта (человека) в магнитном поле (без искомого вещества);
На фиг.4 приведен вид отклика при наличии искомого вещества в объекте, например азотосодержащее вещество (ВВ) или наркотическое вещество.
Способ обнаружения скрытого в объекте вещества осуществляется следующим образом.
Этап 1. Предварительно во всем объеме исследования датчиками измеряется интенсивность неоднородного магнитного поля и заносится в запоминающее устройство. По полученным данным строят пространственную картину интенсивности неоднородного магнитного поля (зависимость интенсивности магнитного поля от координаты пространства, по всем трем пространственным координатам) в досматриваемом пространстве (фиг.2).
Этап 2. Для создания неоднородного магнитного поля интенсивность магнитного поля, создаваемого электромагнитами 2, должна быть разной. Например, интенсивность поля верхнего магнита выше, чем интенсивность нижнего. Обозначим интенсивность магнитного поля верхнего магнита как Вmах, интенсивность магнитного поля нижнего магнита как Вmin. В ЯМР активных веществах 3 при воздействии внешнего поля внутри объекта 2 происходит образование Зеемановских уровней энергии. Пусть искомым веществом будет ВВ, все основные ВВ характеризуются повышенным (относительно тела человека) содержанием ядер азота. При помощи формулы Зеемана вычисляем частоты, на которых будет происходить ЯМР ядер азота при внешнем магнитном поле, лежащем в диапазоне (Вmin, Вmах):
для νmin/hνmin=µBmin,
для νmax/hνmax=µBmax
где µ - магнитный момент ядра, например, азота, h - постоянная Планка.
Этап 3. Исследуемый объект (например, человек) помещается между электромагнитами 1.
Проведенные исследования показали, что вносимые от человека изменения интенсивности магнитного поля не превышают 2-4%, которыми можно пренебречь.
После импульсного воздействия любым способом заселенность Зеемановских уровней энергии у всех ЯМР активных ядер объекта 2 изменяется и релаксирует к равновесному состоянию, что вызовет электромагнитное излучение в диапазоне частот (νmin, νmax). Это излучение принимается приемником 4, настроенным на диапазон частот (νmin, νmax). Для увеличения соотношения сигнал/шум процедуру можно повторить.
Создание импульсного воздействия может быть осуществлено следующими способами: резкой (менее чем за 1 мс) сменой полярности электромагнитов или путем выключения излучателя 5, излучающего во всем диапазоне частот (νmin, νmax), или другим импульсным воздействием.
Этап 4. Перед тем как проводить поиск скрытых веществ 3, по данным, полученным приемником 4, который настроен на диапазон частот (νmin, νmax), строят график зависимости интенсивности сигнала от его частоты и запоминают типовые картины отклика сигнала ЯМР от массогабаритных характеристик объекта без скрытых веществ 3. Характерная картина отклика сигнала ЯМР от человека без скрытого вещества (ВВ) представлена на фиг.3.
Этап 5. Характерная спектральная картина отклика сигнала ЯМР от человека со скрытым в одежде веществом 3 представлена на фиг.4. По графику, представленному на фиг.4, определяют частоты, на которых интенсивность полученного сигнала отличается от предварительно полученного на этапе 4 графика для объекта без скрытых веществ 3 (на фиг.4 это частота обозначена как νпик).
По формуле Зеемана hνпик=Bпикµ (где µ - магнитный момент ядра искомого вещества, h - постоянная Планка, Впик - искомая интенсивность локального внешнего магнитного поля) определяют интенсивность магнитного поля Впик, соответствующую частоте νпик, на которой интенсивность отклика сигнала ЯМР отличается от ранее измеренной и занесенной в память.
На предварительно построенной картине интенсивности неоднородного магнитного поля (этап 1) находят пространственное положение магнитных полей с интенсивностью, близкой к Впик, и судят о месте положения скрытых веществ в объекте. Точнее, определяют место, где локальное поле близко к Впик, т.е. где находится искомое вещество.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Способ относится к обнаружению скрытых веществ в объекте, в том числе ВВ или наркотиков. В основе способа лежит явление поглощения/излучения электромагнитного поля на переходах между уровнями, появляющимися в веществах во внешнем магнитном поле (эффект Зеемана). В данном способе используется неоднородное магнитное поле, которое играет роль пространственного разрешения, т.е. изучаются частоты отклика для получения информации - в какой области объекта концентрация искомых химических элементов выше/ниже, чем предполагаемая. Частота отклика однозначно связана с локальным магнитным полем. Если на какой-то частоте интенсивность ЯМР отклика отличается от ожидаемой, то, зная распределение интенсивности магнитного поля по пространству, можно определить местонахождение области с повышенной (или пониженной) концентрацией искомых химических элементов. Например, если на теле человека находится 30 грамм ВВ, то в таком взрывчатом веществе находится около 6 грамм азота. В человеческом теле находится от 1 до 2 кг азота. Если при исследовании объекта проводить общее суммирование находящегося в нем количества азота, то обнаружить изменение интенсивности отклика от 6 лишних граммов на фоне 1 кг будет крайне затруднительно. Однако, если характерный объем с условно однородным полем составит хотя бы 0.5 дм3 (это соответствует 14 г азота, распределенных в данном объеме тела человека), то распознавание 6 г на фоне 14 г намного проще, т.к. интенсивность отклика будет выше.
Существуют известные устройства, например импульсный спектрометр ядерного магнитного резонанса [4], которые позволяют осуществить предлагаемый способ.
Таким образом, измерение неоднородного магнитного поля с известным пространственным распределением позволит связывать частоты отклика с местоположением элементов (веществ), которые создают отклик. Это особенно существенно для обнаружения наркотических веществ, скрытых не на теле, а в пищеварительном тракте.
Импульсное возбуждение создается генератором или изменением полярности внешнего магнитного поля на противоположное, что позволяет возбудить ЯМР активные вещества.
Повторение импульсного возбуждающего воздействия и приема отклика несколько раз (по меньшей мере два раза) позволит улучшить соотношения сигнал/шум, т.е. повысит надежность метода обнаружения.
Общая неоднородность магнитного поля в человеке или животном для поиска областей с повышенным содержанием азота (ВВ или наркотических веществ) должна составлять не более 34±0,1%. При изменении неоднородности поля на 34% и выше, кроме азота ЯМР активность на частотах, соответствующих азоту, начнет проявлять калий, массовая доля которого в человеческом теле составляет 10% от массовой доли азота, и обнаружение станет недостоверным.
Источники информации
1. Патент РФ 1326971, МПК G01N 24/08, от 11.02.1986.
2. Патент США 4166972, НКИ 324/310, от 5.10.1977.
3. Патент США 4296378, НКИ 324/313, от 5.04.1979.
4. Патент РФ 1187042, МПК G01N 24/08, от 14.12.1983.
1. Способ дистанционного обнаружения вещества в неоднородном магнитном поле с использованием ядерного магнитного резонанса, состоящий из введения исследуемого объекта в неоднородное магнитное поле с импульсным возбуждающим воздействием искомого химического элемента в исследуемом объекте и получения отклика сигнала ЯМР от воздействия на объект в виде распределения зависимости интенсивности сигнала ЯМР от частоты, отличающийся тем, что предварительно измеряют и запоминают распределение интенсивности неоднородного магнитного поля от координаты пространства по всем трем пространственным координатам и также предварительно запоминают характерное распределение интенсивностей отклика сигнала ЯМР от частоты от исследуемого объекта без скрытого вещества, затем на полученном отклике сигнала ЯМР от исследуемого объекта находят частоты νпик, на которых интенсивность отклика сигнала ЯМР отличается от запомненной интенсивности для данного объекта, затем по формуле Зеемана
hνпик=Впикµ,
где µ - магнитный момент ядра искомого вещества, h - постоянная Планка, Впик - искомая интенсивность локального внешнего магнитного поля,
по частоте νпик находят Впик и по предварительному распределению интенсивности неоднородного магнитного поля находят пространственное положение магнитных полей с интенсивностью, близкой к Впик, и таким образом устанавливают пространственное расположение скрытого в объекте вещества.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исследуемым объектом является человек или животное, а искомым химическим элементом является азот.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное возбуждение создают изменением полярности внешнего магнитного поля на противоположное.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное возбуждающее воздействие проводят по меньшей мере два раза.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что общая неоднородность магнитного поля для областей с повышенным содержанием азота составляет не более (34±0,1)%.
