La présente invention concerne: des procèdes et appareils de détection magnétique de substances inconnues.
Elle concerne plus précisément la détection des explosifs.,
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détection, d'autres substances*
La détection des explosifs contenus dans des
'lettres, ou des paquets, a pose récemment un problème très
ardu aux lignes aériennes aux services postaux, aux
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autres personnes. Des dispositifs explosifs contenant
des métaux peuvent être détectés de façon relativement
facile à l'aide de détecteurs de métaux comprenant par
exemple des oscillateurs à fréquence de battement. Cepen-
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non métal1igues qui sont relativement légers et ne peuvent
pas être révélés par les techniques classiques de détec-
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Lors de la détection des dispositifs explosifs
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identifié sans ambiguïté car le même élément est souvent
présent dans une composition légèrement différente de
matière qui entoure la substance explosive ou qui en est
très proche. Ainsi, des substances explosives contiennent
par exemple de l'hydrogène, de l'azote, du carbone et de l'oxygène, et ces éléments se trouvent aussi dans une
matière plastique couramment utilisée pour envelopper la substance explosive.
On utilise maintenant des techniques de détec-
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explosifs non métalliques. Ces. techniques comprennent essentiellement l'exposition du paquet suspect à un champ magnétique constant et à des radiations magnétiques à
haute fréquence formant une impulsion, et la détection de
la réponse de résonance magnétique nucléaire de l'élément
à détecter. La résonance magnétique nucléaire est la
résonance obtenue lorsque de l'énergie est échangée entre
un champ magnétique à haute fréquence et un noyau placé <EMI ID=7.1>
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atomiques de l'élisent, la fréquence de résonance et
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ion de l'élément particulier impliqué.
La difficulté présentée par les techniques connues
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crue la réponse obtenue soit assez importante. Les signaux obtenus par résonance magnétique nucléaire sont habituel-
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age de détection de tonne qualité. Les signaux de. résonance magnétique nucléaire donnés par certains éléments sont notablement supérieurs à ceux que donnent d'autres éléments 9-. et ce phénomène est surtout important dans le cas de cartains éléments lorsque, l'isotope intéressant de l'élément recherché n'est présent qu'en très petites quantités. Il .:faut aussi un couplage 'étroit des éléments intéressants .peur que le signal de résonance magnétique nucléaire ait
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L'invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés permettant une augmentation de l'amplitude
<EMI ID=14.1>
et la réduction du temps nécessaire à l'obtention d'une réponse détectable.
L'invention concerne plus précisément la détection d'un premier élément en présence d'un second. La combinaison du premier et du second élément est connue comme devant être présente dans une substance explosive connue,
<EMI ID=15.1>
Dans un mode de réalisation avantageux, un procédé et un appareil selon l'invention permettent une
<EMI ID=16.1> Un échantillon contenant un premier élément est place dans un champ magnétique ayant une première intensité. Une réaction entre les noyaux du premier élément atomique et le champ électromagnétique de l'appareil provoque une réponse de résonance magnétique nucléaire qui peut être accordée avec l'intensité du champ.
Lorsque le premier élément atomique intéressant est intimement mélangé à un second élément atomique intéressant, par exemple dans des composés, lorsque le second élément a un moment quadripolaire nucléaire,, et lorsque la structure moléculaire se prête à la manisfestation, par cet élément, d'une résonance quadripolaire nucléaire, le réglage de l'intensité du champ magnétique modifie la fréquence de résonance magnétique nucléaire du premier élément afin qu' elle coïncide pratiquement avec la fréquence de résonance quadripolaire nucléaire du second élément intéressant. L'énergie est alors échangée de façon accrue entre les noyaux du premier élément et ceux du second. Ce transfert accru d'énergie entre les deux types de noyaux réduit le temps de réponse
de résonance magnétique nucléaire du premier élément et accroît ainsi considérablement les possibilités de détection de cet élément. La mise en oeuvre de cet effet est
la raison de la réduction de la durée de la détection et de l'amélioration de la discrimination obtenue à l'aide de l'appareil selon l'invention.
On peut aussi obtenir une meilleure discrimination avec l'appareil selon l'invention par variation du temps écoulé entre des observations successives de la réponse de résonance magnétique nucléaire du premier élément. Le premier élément présent dans un composé particulier peut alors être déterminé par discrimination, avec rejet de la réponse de résonance magnétique nucléaire du même élément présent dans des composés différents.
Etant donné l'excellente sensibilité, l'appareil selon l'invention peut être réalisé sous forme peu encom-
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terrestres non métalliques aussi bien que des explosifs disposés dans des lettres, etc.
Plus précisément, dans un. mode de réalisation avantageux. l'invention met en oeuvre la réponse transitoire pour l'amélioration de la détection et la résolution des problèmes poses par un appareil 'de détection en régime permanent. Ces problèmes sont notamment la faible sensibilité du détecteur, les difficultés d'obtention d'un champ magnétique d'intensité convenable et l'homogénéité de l'échantillon suspect, de même que la difficulté de
la séparation des signaux provenant de noyaux d'hydrogène présents dans des matières de support telles que le bois,
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appareil à réponse transitoire réduit la nécessité de l'utilisation de champs magnétiques ayant , une très bonne homogénéité. La dimension, le coût et la complexité de l'appareil peuvent alors être réduits. En outre, comme le couplage entre les noyaux d'une,part ou entre les noyaux et le réseau d'autre part est relié au temps de relaxation, le signal transitoire de résonance magnétique nucléaire peut être analysé aisément pour la distinction entre les noyaux d'hydrogène présents dans une matière solide (éventuellement l'explosif) et les noyaux d'hydrogène présents dans des matières plastiques ou fluide, par exemple des
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bois, le papier ou une étoffe.
Un autre facteur d'échelle qui présente des difficultés importantes dans les techniques de résonance magnétique nucléaire mettant en oeuvre une réponse transitoire ou, de régime permanent est la valeur extrêmement importante du temps de. relaxation longitudinal ou spin-réseau, souvent observée dans de nombreux composés. Ces temps peuvent atteindre des valeurs de quelques dizaines de minutes et parfois exprimées en heures, dans le cas des. matières solides. La détection de la réponse de résonance magnétique nucléaire de ces matières nécessite que cellesci restent dans un champ magnétique de polarisation, sans perturbation pendant un temps comparable au temps de rela-xation spLn-réseau avant l'analyse et l'observation. Le temps de relaxation présenté par ces matières est si
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cations pratiques ne sont pas possibles à cause de ce facteur d'échelle.
Le temps de relaxation longitudinale (désigné
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être réduit par mise en oeuvre de l'invention, dans le cas de composés choisis. On a découvert que le champ magnétique de polarisation appliqué à l'échantillon intéressant pouvait être réglé afin que deux éléments atomiques de l'échantillon présentent une réaction mutuelle . Par exemple, on peut considérer le cas d'une matière explosive contenant de l'azote et de l'hydrogène. On peut régler le champ magnétique de polarisation de manière que la séparation entrât les niveaux d'énergie de Zeeman, pour
le proton (noyau d'hydrogène) coïncide avec celle des niveaux quadripolaires du système de spins de l'azote. Dans certains composés, l'hydrogène et l'azote sont dis.posés par rapport au réseau de manière que le temps de
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transfert d'énergie entre les noyaux d'azote et ceux d'hydrogène. Ce transfert est accentué par réglage de
la fréquence de résonance magnétique nucléaire de l'hydrogène afin qu'elle coïncide pratiquement avec la fréquence de résonance quadripolaire nucléaire de l'azote.
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panses de résonance magnétique nucléaire données par des noyaux
<EMI ID=25.1>
exemple simple, la réponse de résonance magnétique nucléaire des noyaux d'hydrogène dans une matière solide est différente de celle "îles noyaux d'hydrogène dans un liquide. Dans un autre exemple, la réponse de résonance magnétique nucléaire de l'hydrogène dans certains explosifs peut
être distinguée de celle de cet élément dans de nombreuses matières non explosives. Cette caractéristique est utile :
pour faire la distinction entre des matières de types ':différents, par exemple pour la détection des explosifs
<EMI ID=26.1>
a une seconde constante de temps, représentative de son comportement et qui est la constante de temps de relaxa-
<EMI ID=27.1>
du présent mémoire. On constate qu'il est -très souhaitable
<EMI ID=28.1>
des éléments soit recherché 3 la place de la détection
<EMI ID=29.1>
object de façon originale car elle permet de modifier et
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valeur plus faible si bien que la .réponse peut être obte-
<EMI ID=31.1>
distinction de la réponse de résonance magnétique nucléaire
<EMI ID=32.1>
spectre caractéristique de diverses matières explosives
peut être reconnu de façon rapide et immédiate.
Dans une variante, le champ magnétique reste constant, et le temps compris entre des réponses successives de résonance magnétique nucléaire tirées de l'échantillon, varie. Des composés ayant des temps différents
de relaxation T, peuvent ainsi être séparés, par mise en oeuvre du mode de réalisation de l'invention. Pour un élément donné présent dans un composé particulier, la réponse varie avec-le temps écoulé entre les observations successives du temps de réponse.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure *1 -est un diagramme synoptique en partie <EMI ID=33.1>
lon selon l'invention ; la figure 2 est un diagramme des temps illustrant l'obtention d'un signal accentue ; la figure 3 est un diagramme synoptique détaille représentant un dispositif d'analyse de données ou résultats ; <EMI ID=34.1>
ordonnées, la variation du signal de .sortie* en fonction du temps porté en abscisses, pour divers produits chi- <EMI ID=35.1> la figure 5 est un graphique représentant la variation de l'intensité du champ magnétique, portée en ordonnées, en fonction du temps porté en abscisses, cette figure montrant la mise en oeuvre d'essais d'analyse de diverses matières explosives à l'aide d'un champ magnétique variant au cours du temps ; et <EMI ID=36.1> variations de la fréquence, en ordonnées en fonction de l'intensité du champ magnétique, en abscisses, cette figure indiquant plusieurs fréquences auxquelles une coïncidence apparaît.
L'appareil et le procédé selon l'invention mettent en oeuvre une technique perfectionnée de détection de résonance magnétique nucléaire. Dans un premier mode de réali- sation, un premier et un second élément, en présence
l'un de l'autre, sont analysés dans un échantillon qui peut être un explosif. Un champ magnétique est appliqué à l'échantillon suspect pendant l'analyse de celui-ci, contenant les deux éléments. Lorsque le premier élément a un moment .dipolaire magnétique nucléaire, il présente une
<EMI ID=37.1>
nelle à un champ magnétique appliqué extérieurement. Dans l'appareil de.la figure 1, le champ magnétique est réglé à une intensité telle que la fréquence de résonance magnétique nucléaire du premier élément coïncide avec
la fréquence de résonance quadripolaire nucléaire du second élément si bien que le couplage entre les noyaux d'espèces différentes est accru et permet une réduction
<EMI ID=38.1> <EMI ID=39.1>
L'invention met en oeuvre cette caractéristique pour la réduction du temps nécessaire 3 la détection
d'une réponse de résonance magnétique nucléaire et elle permet la séparation de la réponse de résonance magnétique nucléaire due à des noyaux présents dans certaines matières
<EMI ID=40.1> .tique nuclaire donnée par des noyaux de même type mais présents dans des matières différentes et habituellement plus courantes. Il faut se rappeler que l'amplitude de la réponse de résonance magnétique nucléaire dépend de la quantité ou de la concentration des noyau::, de leur nature <EMI ID=41.1>
: un champ magnétique approprié avant l'analyse, ce temps
<EMI ID=42.1>
certain temps pour que les noyaux s'alignent sur le champ magnétique, de manière que les effets de résonance magnétique nucléaire obtenus soient les plus grands possible. L'augmentation du temps provoque normalement l'alignement d'un plus grand nombre des noyaux sur le champ de polarisation. Le champ électromagnétique alternatif produit par l'émetteur, lors de l'obtention de réponses de résonance magnétique nucléaire de l'échantillon, provoque une perturbation de l'alignement nucléaire. Cette perturbation peut Être importante. Le réalignement nécessaire à l'obtention d'une réponse appréciable de résonance magnétique nucléaire dans des analyses ultérieures est limité par la constante de temps des noyaux. Lorsqu'on essaie d'analyser de façon répétée la réponse de résonance magnétique nucléaire de
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<EMI ID=44.1>
le signal de résonance magnétique nucléaire obtenu est
<EMI ID=45.1>
tion de la constante de temps des noyaux, de manière réglée <EMI ID=46.1>
temps du composé afin que l'effet soit maximal.- La réponse de résonance magnétique nucléaire présentée par les noyaux
<EMI ID=47.1> .. cette . intensité, là réponse de résonance magnétique des noyaux choisis est à nouveau analysée. La réponse obtenue après exposition au champ ayant la première intensité est <EMI ID=48.1>
champ ayant la seconde intensité. Lorsque le composé a des fréquences .de résonance magnétique et de résonance quadripolaire nucléaires qui coïncident pour les champs ayant les deux intensités, ce phénomène est révélé par
<EMI ID=49.1>
de résonance magnétique nucléaire, indiquée par comparaison.
<EMI ID=50.1> <EMI ID=51.1>
et: la variation de temps .antre les analyses indicée Ici présence d'un compose particulier,
<EMI ID=52.1>
l'appareil décrite en référencée -au diagramme des temps,
de la figure 2, représentant différents Signaux. Initiale-
<EMI ID=53.1> valeur faible, par exemple pouvant atteindre au maximum une valeur de l'ordre du tesla. On note que l'amplitude
<EMI ID=54.1>
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cet effet, la bobine 14 a un axe sensiblement perpendicu- laire aux lignes de :flux magnétique formées entre les deux
<EMI ID=56.1>
lorsque l'échantillon est placé dans le champ magnétique . et lorsque celui-ci est appliqué, l'amplitude de la réponse prévue de' résonance magnétique, nucléaire augmente en fonction de la durée. Le signal d'amplitude maximale <EMI ID=57.1>
Suivant l'étroitesse du couplage de l'élément au réseau dans (lequel il se trouve, l'alignement sur le champ varie au cours du temps. Les éléments très liés s'alignent lentement et nécessitent des centaines de
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tante de temps :(63 %) soit obtenu. En outre, chaque interrogation a un ejffet perturbateur. Le champ 3 haute fré-
<EMI ID=59.1>
L'échantillonnage du signal de réponse par résonance magnétique nucléaire est obtenu par l'émetteur <EMI ID=60.1> .au récepteur 20. Chaque salve émise perturbe de façon importante l'alignement nucléaire obtenu antérieurement <EMI ID=61.1>
suite en vue de La préparation d'une autre impulsion à haute fréquence. De cette manière, le temps pendant lequel une réponse de résonance magnétique nucléaire d'amplitude maximale (proportionnelle a l'alignement) peut être at- teinte est allongé. Ainsi, un échantillonnage excessif
<EMI ID=62.1>
tention d'un alignement poussé est accru. Le processus d'alignement doit recommencer entièrement à la suite de toute perturbation de l'alignement provoquée par la
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<EMI ID=64.1>
fréquence = k x H
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La sélection d'une valeur de l'intensité du champ magnétique permet l'obtention d'une fréquence particulière pour la résonance magnétique nucléaire de l'élément
<EMI ID=66.1>
<EMI ID=67.1>
de l'échantillon en mode de résonance quadripolaire nucléaire.
<EMI ID=68.1> <EMI ID=69.1>
adaptées afin qu'elles soient égales. Le mode de résonance quadripolaire d'excitation n'est pas applicable à tous
les éléments. Il est limité à ceux qui ont un spin nucléaire supérieur à 1/2, notamment aux isotopes du chlore, de l'iode, de l'azote et d'autres éléments . Il s'agit finalement de phénomènes à fréquence fixe. La fréquence de résonance quadripolaire nucléaire peut être légèrement modifiée par des.champs magnétiques externes, mais elle
ne peut pas être accordée dans une grande mesure par un dispositif extérieur comme la fréquence de résonance magnétique. Elle existe préalablement et le fréquence dépend des champs électriques internes de la structure moléculaire de la matière. En conséquence, le champ magnétique Test'modifié afin que la fréquence de résonance magné- . tique nucléaire varie. La fréquence de résonance quadri-
<EMI ID=70.1>
dans le réseau, est fixe et la fréquence de résonance magnétique est réglée afin qu'elle donne un accord. Le couplage entre le premier et le second élément est obtenu de manière que l'énergie s' 'échange entre les éléments et accélère L'alignement du premier élément. L'accord de fréquence n'est 'Pas obligatoirement parfait, mais la vitesse d'alignement augmente lorsque l'accord est amélioré. La résonance quadripolaire nucléaire est propre à la matière du réseau et elle ne dépend pas essentiellement d'une stimulation extérieure. Lorsque le mode de résonance magnétique nucléaire d'excitation dû premier élément est obtenu, il existe un échange entre les deux éléments, si bien que de l'énergie est échangée entre eux et provoque la modification du temps .de relaxation longitudinale du premier élément.
Ce temps est représenté dans la suite du présent
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<EMI ID=72.1>
entre deux éléments. Dans un échantillon de l'explosif -
<EMI ID=73.1> de fréquences auxquels la résonance quadripolaire nucléaire
<EMI ID=74.1>
troisième compris entre environ 5 , 192 et 5 ,240 MHz. La fréquence de résonance magnétique nucléaire de l'hydrogène
<EMI ID=75.1>
fréquences de résonance quadripolaire nucléaire, est
<EMI ID=76.1>
<EMI ID=77.1>
tats pour l'hydrogène et l'azote lorsqu'ils sont présents tous deux dans la cyclonite, par utilisation de l'isotope de l'azote ayant une masse moléculaire de 14: On note que,
<EMI ID=78.1>
fréquence unique de résonance mais correspond; à un en- semble de plusieurs fréquences étroitement groupées. Par exemple, les fréquences indiquées précédemment sont des plages comprenant aux moins deux fréquences dans chaque groupement. Bien qu'il puisse exister des fréquences plus élevées auxquelles la résonance magnétique nucléaire d'un élément corresponde à la résonance quadripolaire nucléaire d'un autre élément, l'utilisation des fréquences les plus
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des fréquences plus élevées de recoupement donnent une meilleure réponse de résonance magnétique nucléaire..
Comme l'indique les résultats déjà obtenus, il
<EMI ID=80.1>
quelles il existe des transferts d'énergie entre les atomes d'hydrogéné et d'azote. La relation entre la fréquence de résonance magnétique nucléaire de l'hydrogène dans la cyclonite et l'intensité du champ magnétique est ainsi repré-
<EMI ID=81.1>
<EMI ID=82.1>
<EMI ID=83.1>
ments sont indiqués par les accolades. L'étalement des raies de résonance quadripolaire est dû 1 'effet, Zeeman
<EMI ID=84.1>
On considère maintenant la figure 2 qui repré-sente plusieurs événements synchronisés. Il s'agit d'un. diagramme des temps. La référence 40 désigne un premier niveau de champ magnétique, appliqué à l'échantillon par l'aimant 32, comme indiqué par la courbe C. De préférence;, un champ magnétique constant est utilisé pour le moment.
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courbe A du signal de l'émetteur. Après une pause, une autre salve 44 est transmise par l'émetteur. Par exemple,
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durée des pauses entre salves peut être analogue. Après 'application des deux salves, le récepteur 20 forme, une impulsion 46 de sortie qui apparaît âpres la seconde impulsion comme indiqué sur la courbe B qui représente le ' signal de sortie du récepteur. Cette impulsion 46 est représentative du signal d'écho de résonance magnétique nucléaire provenant d'un élément unique de la matière présente dans le champ. Jusqu'à présent, l'effet de résonance quadripolaire nucléaire du second élément n'est pas
<EMI ID=87.1>
On suppose que les impulsions 42 et 44 ont une
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Le niveau 48 identifie un niveau différent d'intensité
du champ magnétique. Ce champ fixe mais différent agit sur l'échantillon qui contient le premier et le second élément
<EMI ID=89.1>
du niveau de champ magnétique qui porte la fréquence de résonance magnétique nucléaire du premier élément à une'
<EMI ID=90.1>
nucléaire du second élément.
L'intensité du champ est ramenée alors au niveau
40 et l'écho de résonance magnétique nucléaire est obtenu. par les impulsions émises d'interrogation représentées par la salve 50 et une seconde salve portant la référence
52.. Les impulsions. 50 et 52 sont identiques aux impulsions
42 et 44 par leur fréquence, leur niveau d'énergie, leur espacement et leur longueur. Le signal de sortie du récep-
<EMI ID=91.1>
agrandi ou accentuée lorsqu'une matière ayant les caractéristiques décrites dans le paragraphe précédent, est présente dans l'échantillon, analysé. Ce signal est accentué du fait du couplage entre le premier et le second
<EMI ID=92.1>
alignement ou une meilleure polarisation des noyaux du premier élément pendant la période séparant la paire de salves 42 et 44 de la paire de salves 50 et 52, par rapport à l'alignement obtenu pendant la période comprise entre la première application du champ 40 et la première paire de salves 42 et 44. L'amplitude accrue est repré- ' sentative de l'augmentation de 1[deg.] amplitude de l'écho de résonance magnétique nucléaire. Le diagramme des temps de la figure 2 représente ainsi un signal reçu accentué. Cette accentuation' est le résultat de la polarisation accrue dans le premier élément, pendant le temps disponible du fait du raccourcissement du temps de relaxation, dû à l'accord des fréquences de résonances magné- tique et quadripolaire.
La fréquence de résonance quadripolaire du second élément et la fréquence de résonance magnétique du premier élément sont accordées et l'énergie se transmet alors facilement entre les deux éléments. Il
<EMI ID=93.1>
cléaire varie avec l'intensité du champ. De façon générale, la fréquence de résonance quadripolaire nucléaire ne
varie que peu sous l'action de stimuli extérieurs et elle est fixée par la structure moléculaire de l'élément..
L'amplitude détectable de résonance magnétique nucléaire est très faible au début de l'application du champ magnétique car l'alignement initiai des noyaux dans le ch'ainp est très faible. La vitesse d'alignement est reliée à la définition du temps de relaxation spin-rêseau
<EMI ID=94.1>
d'un signal de résonance magnétique nucléaire à ce moment <EMI ID=95.1>
<EMI ID=96.1>
tion écoulé depuis la dernière perturbation, c'est-à-dire
<EMI ID=97.1>
accru desnoyaux du premier élément avec ceux du second élément lorsque l'intensité du champ magnétique est telle que la fréquence de résonance magnétique nucléaire du premier élément coïncide avec la fréquence de résonance quadripolaire nucléaire du second élément comme décrit
<EMI ID=98.1>
l'alignement nucléaire est alors réalisé bien plus rapidement, avec cette constante de temps réduite, que dans le cas de la plus grande constante de temps. La sélection
<EMI ID=99.1> <EMI ID=100.1>
contiennent pas un compose présentant: ces caractéristiques, ont des amplitudes très proches. La comparaison des ampli-
<EMI ID=101.1>
présente plus sa détail le circuit discriminateur. Celuici est déclenché par le 'circuit: 26 de séquence. Il reçoit
<EMI ID=102.1> <EMI ID=103.1>
<EMI ID=104.1>
<EMI ID=105.1>
amplificateurs. Les comparateurs mesurent la différence entre les signaux des amplificateurs -formant circuits d'échantillonnage et de maintien et transmettent des signaux
<EMI ID=106.1>
alimentent à leur tour, des dispositifs, indicateurs 82 et 84. Comme indiqué sur la figure 2, le circuit 25 de séquence <EMI ID=107.1> afin que les échantillons soient prélevés suivant une séquence synchronisée représentée par les formes d'onde
<EMI ID=108.1>
<EMI ID=109.1>
Etant donné' le fonctionnement synchronisé des amplificateurs d'échantillonnage et de maintien, les signaux sont transmis pour la comparaison avec des propriétés connues permettant l'identification de la présence d'un composé particulier
<EMI ID=110.1>
Dans le cas d'explosifs divers 1 il 1 est avantageux que le signal transmis dépende de la constitution chimique et cristalline des explosifs , Le temps de relaxation de plusieurs explosifs est relativement long. Cette caractéristique est indiquée sur la figure 4 qui montre comment
la réponse varie. Les ordonnées de cette figure représentent l'amplitude de crête de la réponse magnétique nucléaire de <EMI ID=111.1> suivant une salve. unique d'énergie -convenable à haute fréquence provenant de l'émetteur. Une courbe analogue correspond à l'écho de résonance magnétique nucléaire suivant une double salve d'impulsions comme décrit précé-
<EMI ID=112.1>
résonance magnétique nucléaire de l'hydrogène augmente en fonction du temps, Le temps indiqué est celui qui suit une première exposition de l'échantillon au champ magnétique ou le temps écoulé âpres la première salve de désorientation
<EMI ID=113.1>
<EMI ID=114.1>
pour l'échelle. Il faut noter que la réponse est si lente que le temps écoulé ne permet pas habituellement l'utilisation des techniques de détection par résonance magnétique nucléaire, si l'accentuation de la réponse obtenue selon
<EMI ID=115.1>
La figure 5 représente une Impulsion synchronisée et conformée du champ magnétique (niveau 48 sur la figure 2) donnant des recoupements des' niveaux pour la fréquence de résonance magnétique nucléaire* avec les réponses rela-tivement fixes de résonance quadripolaire nucléaire dans
,le cas de divers explosifs qui comportent des composés contenant au moins de l'hydrogène et de l'azote. La figure 5 indique l'intensité du champ magnétique, en ordonnées, pour les recoupements de niveaux. Sur la figure 5, le champ. magnétique est exprimé en tesla et il varie par paliersafin qu'il ait les niveaux indiqués, Lorsqu'il varie, il prend diverses intensités indiquées sur la courbe de décroissance, la fréquence de résonance magnétique nu-
<EMI ID=116.1>
de résonance magnétique nucléaire des noyaux d'hydrogène est rendue, égale aux fréquences de résonance quadripolaire nucléaire des noyaux couplés d'azote dans le composé, les noyaux étant alignés après un court intervalle de temps afin qu'ils permettent la détection.
On se réfère 3 nouveau à la figure 2 pour l'explication d'une autre possibilité de discrimination selon laquelle le temps de relaxation de l'élément inté-
<EMI ID=117.1>
récepteur, représentée sur le diagramme, qui est prise en considération. On suppose, que l'échantillon contient un élément qui doit être détecté. L'élément a un temps spécifié de relaxation qui est relativement long par rapport. à celui des matières perturbatrices qui peuvent être présentes. Le temps compris entre le premier doublet .42, 44 et le second 50, 52 est rendu long par rapport au temps de relaxation. Le temps compris entre la salve du second doublet et la salve du troisième doublet est inférieur au premier temps et de préférence inférieur
<EMI ID=118.1>
L'amplitude de la réponse de'résonance magnétique nucléaire suivant la salve du second doublet est maximale alors que l'amplitude suivant la salve du troisième doublet peut <EMI ID=119.1>
être relativement faible. Les deux réponses reçues qui
S!
diffèrent permettent une discrimination.
L'appareil représenté sur la figure 3 est utilisé pour l'obtention de cette mesure. La fréquence choisie
<EMI ID=120.1>
noyaux a détecter sont en résonance lorsque le champ
<EMI ID=121.1>
<EMI ID=122.1>
pas nécessaire selon cette technique de, discrimination.
Le procédé et l'appareil selon l'invention, décrits précédemment,. ont essentiellement des applications
pour la détection des explosifs, mais ils conviennent aussi à la détection de la présence d'éléments dans ! d'autres types de composés. Ils donnent tout à fait satisfaction dans le cas des matières minérales. Les matières organiques ne présentent cependant pas de difficultés.
Un exemple de matière non explosive qui peut être détectée, correspondant à un autre couplage hydrogène-azote est
<EMI ID=123.1>
L'invention donne des résultats qui peuvent être comparés aux spectres caractéristiques de composés chimiques choisis. Bien qu'il puisse apparaître une certaine ambiguïté, pour la détection des explosifs, cette ambiguïté ne pose
<EMI ID=124.1>
analogue à celui d'un composé non explosif. Lors de l'utilisation de l'appareil et du procédé pour la recherche de bombes ou analogue, il est sage de considérer que le composé non explosif est en fait un explosif. Ce comportement ne nécessite pas une abondance de précautions et, dans cette mesure, l'ambiguïté peut ne pas être bien commode mais elle n'est certainement pas dangereuse. Il est plus important de noter: que cette ambiguïté est extrêmement improbable lors ,de l'inspection des paquets, des lettres et des autres
<EMI ID=125.1>
dans les résultats n'est pas significative. Ce qui compte
<EMI ID=126.1>
qui concerne les paramètres de couplage mutuel de résonance magnétique nucléaire et de résonance quadripolaire entre l'hydrogène et 1: azote dans l'explosifs Néanmoins,
d'autres éléments des matières peuvent être excités et analysés. L'analyse de l'hydrogène et de l'azote-seulement n'est pas non plus nécessaire. Les essais peuvent être réalisés pour la détermination d'hydrogène et d'azote puis réalisés à nouveau pour l'analyse de l'interaction de l'hydrogène et du chlore, etc. Dans tous les cas, un
spectre caractéristique différent peut être formé et comparé à des références obtenues par des mesures en laboratoire.
On considère maintenant des résultats d'analyses représentatives correspondant à l'égalité de la fréquence
de résonance magnétique nucléaire de l'hydrogène et de là fréquence de résonance quadripolaire nucléaire de l'azote
14 pour plusieuris matières.
<EMI ID=127.1>
Les explosifs indiqués précédemment peuvent être balayés par l'impulsion magnétique conformée dans le temps, représentée sur la figure 5 et représentative d'une plage de variations ou de niveaux d'intensité. Les variations de l'intensité du champ assurent l'interrogation pour les
<EMI ID=128.1>
pas un explosif et elle n'est incorporée que pour la représentation de la réponse d'une matière non explosive. En fait, le spectre caractéristique d'un compose ou d'un
<EMI ID=129.1>
pable de présenter une résonance quadripolaire nucléaire) peut être analysé. Le spectre caractéristique est obtenu rapidement et il peut être facilement compare au résultat
<EMI ID=130.1>
tion soit la meilleure. Lorsque seule la réduction du temps de relaxation est souhaitable, elle peut être choisie en coïncidence avec la fréquence de résonance' quadripolaire
<EMI ID=131.1>
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils et procédés qui -viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples- non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention;
<EMI ID=132.1> <EMI ID=133.1>
ayant une fréquence , une amplitude et une dures spécifiées, <EMI ID=134.1>
5. la réponse de résonance magnétique des noyaux d'un premier élément présent dans le composé, et une commande destinée a régler l'intensité du champ magnétique du premier dispositif à aimant.
The present invention relates to: methods and apparatus for magnetic detection of unknown substances.
It relates more specifically to the detection of explosives.
<EMI ID = 1.1>
detection, other substances *
The detection of explosives contained in
letters, or packages, have recently posed a very serious problem.
difficult for airlines, postal services,
<EMI ID = 2.1>
other people. Explosive devices containing
metals can be detected relatively
easy using metal detectors including by
example of beat frequency oscillators. However
<EMI ID = 3.1>
non-metallic which are relatively light and cannot
not be revealed by conventional detection techniques
<EMI ID = 4.1>
When detecting explosive devices
<EMI ID = 5.1>
unambiguously identified because the same element is often
present in a composition slightly different from
material that surrounds or is an explosive substance
very close. Thus, explosive substances contain
for example, hydrogen, nitrogen, carbon and oxygen, and these elements are also found in a
plastic material commonly used to wrap the explosive substance.
Detection techniques are now being used.
<EMI ID = 6.1>
explosives, not of metal. These. techniques essentially include exposing the suspect packet to a constant magnetic field and to magnetic radiation at
high frequency pulse forming, and the detection of
the nuclear magnetic resonance response of the element
to detect. Nuclear magnetic resonance is the
resonance obtained when energy is exchanged between
a high frequency magnetic field and a placed core <EMI ID = 7.1>
<EMI ID = 8.1>
atoms of the elect, the resonant frequency and
<EMI ID = 9.1>
ion of the particular element involved.
The difficulty presented by the known techniques
<EMI ID = 10.1>
<EMI ID = 11.1>
believed the response obtained is significant enough. The signals obtained by nuclear magnetic resonance are usual-
<EMI ID = 12.1>
age of detection of ton quality. The signals of. nuclear magnetic resonance given by some elements are notably superior to those given by other elements 9-. and this phenomenon is especially important in the case of several elements when the interesting isotope of the element sought is only present in very small quantities. There is also a need for tight coupling of the interesting elements. Fear that the nuclear magnetic resonance signal will have
<EMI ID = 13.1>
An improved method and apparatus for increasing amplitude.
<EMI ID = 14.1>
and reducing the time required to obtain a detectable response.
The invention relates more precisely to the detection of a first element in the presence of a second. The combination of the first and the second element is known to be present in a known explosive substance,
<EMI ID = 15.1>
In an advantageous embodiment, a method and an apparatus according to the invention allow a
<EMI ID = 16.1> A sample containing a first element is placed in a magnetic field having a first intensity. A reaction between the nuclei of the first atomic element and the device's electromagnetic field causes a nuclear magnetic resonance response which can be tuned with the strength of the field.
When the first atomic element of interest is intimately mixed with a second atomic element of interest, for example in compounds, when the second element has a nuclear quadrupole moment ,, and when the molecular structure lends itself to the manifestation, by this element, of nuclear quadrupole resonance, adjusting the strength of the magnetic field changes the nuclear magnetic resonance frequency of the first element so that it nearly coincides with the nuclear quadrupole resonance frequency of the second element of interest. The energy is then exchanged in an increased way between the nuclei of the first element and those of the second. This increased transfer of energy between the two types of cores reduces the response time.
magnetic resonance of the first element and thus considerably increases the possibilities of detection of this element. The implementation of this effect is
the reason for the reduction of the detection time and the improvement of the discrimination obtained with the aid of the apparatus according to the invention.
Better discrimination can also be obtained with the apparatus according to the invention by varying the time elapsed between successive observations of the nuclear magnetic resonance response of the first element. The first element present in a particular compound can then be determined by discrimination, rejecting the nuclear magnetic resonance response of the same element present in different compounds.
Given the excellent sensitivity, the apparatus according to the invention can be produced in a compact form.
<EMI ID = 17.1>
non-metallic land as well as explosives arranged in letters, etc.
More precisely, in a. advantageous embodiment. the invention implements the transient response for the improvement of detection and the resolution of problems posed by a steady state detection apparatus. These problems are in particular the low sensitivity of the detector, the difficulties in obtaining a magnetic field of suitable intensity and the homogeneity of the suspect sample, as well as the difficulty of
separation of signals from hydrogen nuclei present in support materials such as wood,
<EMI ID = 18.1>
Transient response apparatus reduces the need for the use of magnetic fields having very good homogeneity. The size, cost and complexity of the apparatus can then be reduced. Furthermore, since the coupling between the nuclei on the one hand or between the nuclei and the network on the other hand is related to the relaxation time, the transient nuclear magnetic resonance signal can be easily analyzed for the distinction between the nuclei of 'hydrogen present in a solid material (possibly the explosive) and the hydrogen nuclei present in plastics or fluid, for example
<EMI ID = 19.1>
wood, paper or a cloth.
Another scaling factor which presents significant difficulties in nuclear magnetic resonance techniques employing a transient or steady state response is the extremely large value of the time of. longitudinal relaxation or spin-lattice, often observed in many compounds. These times can reach values of a few tens of minutes and sometimes expressed in hours, in the case of. solids. Detection of the nuclear magnetic resonance response of these materials requires them to remain in a polarizing magnetic field, undisturbed, for a time comparable to the spLn-grating rela-xation time prior to analysis and observation. The relaxation time exhibited by these materials is so
<EMI ID = 20.1>
<EMI ID = 21.1>
Practical cations are not possible because of this scale factor.
The longitudinal relaxation time (designated
<EMI ID = 22.1>
be reduced by implementing the invention, in the case of selected compounds. It has been found that the polarizing magnetic field applied to the sample of interest can be adjusted so that two atomic elements of the sample react with each other. For example, we can consider the case of an explosive material containing nitrogen and hydrogen. The polarizing magnetic field can be adjusted so that the separation enters the Zeeman energy levels, to
the proton (hydrogen nucleus) coincides with that of the quadrupole levels of the nitrogen spin system. In some compounds, hydrogen and nitrogen are arranged with respect to the network so that the time of
<EMI ID = 23.1>
energy transfer between the nuclei of nitrogen and those of hydrogen. This transfer is accentuated by adjusting the
the nuclear magnetic resonance frequency of hydrogen so that it practically coincides with the quadrupole nuclear resonance frequency of nitrogen.
<EMI ID = 24.1>
nuclear magnetic resonance paunch given by nuclei
<EMI ID = 25.1>
simple example, the nuclear magnetic resonance response of hydrogen nuclei in solid matter is different from that of hydrogen nuclei in liquid. In another example, the nuclear magnetic resonance response of hydrogen in some explosives can
be distinguished from that of this element in many non-explosive materials. This feature is useful:
to distinguish between materials of types': different, for example for the detection of explosives
<EMI ID = 26.1>
has a second time constant, representative of its behavior and which is the relaxation time constant
<EMI ID = 27.1>
of this brief. We see that it is very desirable
<EMI ID = 28.1>
elements is sought 3 instead of detection
<EMI ID = 29.1>
object in an original way because it allows to modify and
<EMI ID = 30.1>
lower value so that the answer can be obtained.
<EMI ID = 31.1>
distinction of nuclear magnetic resonance response
<EMI ID = 32.1>
characteristic spectrum of various explosive materials
can be recognized quickly and immediately.
In a variant, the magnetic field remains constant, and the time between successive nuclear magnetic resonance responses drawn from the sample varies. Compounds with different times
relaxation T, can thus be separated, by implementing the embodiment of the invention. For a given element present in a particular compound, the response varies with the time elapsed between successive observations of the response time.
Other characteristics and advantages of the invention will be better understood on reading the following description of exemplary embodiments and with reference to the appended drawings in which: FIG. * 1 -is a partly synoptic diagram <EMI ID = 33.1>
lon according to the invention; Fig. 2 is a timing diagram illustrating obtaining an enhanced signal; FIG. 3 is a detailed block diagram showing a device for analyzing data or results; <EMI ID = 34.1>
ordinates, the variation of the output signal * as a function of time plotted on the abscissa, for various products chi- <EMI ID = 35.1> FIG. 5 is a graph representing the variation in the intensity of the magnetic field, plotted on the ordinate, as a function of the time plotted on the abscissa, this figure showing the implementation of analysis tests of various explosive materials using a magnetic field varying over time; and <EMI ID = 36.1> variations of the frequency, on the ordinate as a function of the intensity of the magnetic field, on the abscissa, this figure indicating several frequencies at which a coincidence appears.
The apparatus and method according to the invention use an improved technique for detecting nuclear magnetic resonance. In a first embodiment, a first and a second element, in the presence
each other, are analyzed in a sample which may be an explosive. A magnetic field is applied to the suspect sample during analysis of the sample, containing both elements. When the first element has a nuclear magnetic dipole moment, it exhibits a
<EMI ID = 37.1>
nelle to an externally applied magnetic field. In the apparatus of Figure 1, the magnetic field is set to such an intensity that the nuclear magnetic resonance frequency of the first element coincides with
the nuclear quadrupole resonance frequency of the second element so that the coupling between the nuclei of different species is increased and allows a reduction
<EMI ID = 38.1> <EMI ID = 39.1>
The invention uses this characteristic to reduce the time required for the detection
of a nuclear magnetic resonance response and it allows the separation of the nuclear magnetic resonance response due to nuclei present in certain materials
<EMI ID = 40.1>. Nuclear tick given by nuclei of the same type but present in different and usually more common materials. It should be remembered that the amplitude of the nuclear magnetic resonance response depends on the amount or concentration of the nuclei ::, their nature <EMI ID = 41.1>
: an appropriate magnetic field before the analysis, this time
<EMI ID = 42.1>
time for the nuclei to align with the magnetic field, so that the nuclear magnetic resonance effects obtained are the greatest possible. The increased time normally causes more of the nuclei to align with the bias field. The alternating electromagnetic field produced by the emitter, upon obtaining nuclear magnetic resonance responses from the sample, causes disruption of nuclear alignment. This disturbance can be significant. The realignment required to obtain an appreciable nuclear magnetic resonance response in subsequent analyzes is limited by the time constant of the nuclei. When attempting to repeatedly analyze the nuclear magnetic resonance response of
<EMI ID = 43.1>
<EMI ID = 44.1>
the nuclear magnetic resonance signal obtained is
<EMI ID = 45.1>
tion of the time constant of the cores, in a controlled manner <EMI ID = 46.1>
time of the compound for the effect to be maximum - The nuclear magnetic resonance response exhibited by the nuclei
<EMI ID = 47.1> .. this. intensity, the magnetic resonance response of the selected nuclei is again analyzed. The response obtained after exposure to the field with the first intensity is <EMI ID = 48.1>
field having the second intensity. When the compound has nuclear magnetic resonance and quadrupole resonance frequencies which coincide for fields having both intensities, this phenomenon is revealed by
<EMI ID = 49.1>
nuclear magnetic resonance, shown by comparison.
<EMI ID = 50.1> <EMI ID = 51.1>
and: the variation in time before the analyzes indexed Here the presence of a particular compound,
<EMI ID = 52.1>
the apparatus described with reference to the timing diagram,
of Figure 2, showing different Signals. Initial-
<EMI ID = 53.1> low value, for example up to a maximum value of the order of Tesla. We note that the amplitude
<EMI ID = 54.1>
<EMI ID = 55.1>
For this purpose, the coil 14 has an axis substantially perpendicular to the magnetic flux lines formed between the two
<EMI ID = 56.1>
when the sample is placed in the magnetic field. and when this is applied, the magnitude of the predicted nuclear magnetic resonance response increases with time. The maximum amplitude signal <EMI ID = 57.1>
Depending on the closeness of the coupling of the element to the network in which it is located, the alignment on the field varies over time. Closely linked elements align themselves slowly and require hundreds of
<EMI ID = 58.1>
time aunt: (63%) be obtained. In addition, each query has a disruptive effect. Field 3 high fre-
<EMI ID = 59.1>
Sampling of the response signal by nuclear magnetic resonance is obtained by the transmitter <EMI ID = 60.1> at receiver 20. Each burst emitted significantly disturbs the nuclear alignment obtained previously <EMI ID = 61.1>
continued in preparation for another high frequency pulse. In this way, the time during which a nuclear magnetic resonance response of maximum amplitude (proportional to alignment) can be achieved is lengthened. Thus, excessive sampling
<EMI ID = 62.1>
tention of deep alignment is increased. The alignment process must be restarted entirely following any alignment disturbance caused by the
<EMI ID = 63.1>
<EMI ID = 64.1>
frequency = k x H
<EMI ID = 65.1>
The selection of a value of the magnetic field strength allows obtaining a particular frequency for the nuclear magnetic resonance of the element
<EMI ID = 66.1>
<EMI ID = 67.1>
of the sample in quadrupole nuclear resonance mode.
<EMI ID = 68.1> <EMI ID = 69.1>
adapted so that they are equal. The quadrupole resonance mode of excitation is not applicable to all
the elements. It is limited to those with a nuclear spin greater than 1/2, including isotopes of chlorine, iodine, nitrogen, and other elements. These are ultimately fixed frequency phenomena. The nuclear quadrupole resonance frequency may be slightly altered by external magnetic fields, but it
cannot be tuned to a great extent by an external device such as magnetic resonance frequency. It exists beforehand and the frequency depends on the internal electric fields of the molecular structure of matter. As a result, the Test'magnetic field changed so that the magnetic resonance frequency. nuclear tick varies. The four-resonant frequency
<EMI ID = 70.1>
in the network, is fixed and the magnetic resonance frequency is adjusted so that it gives a tuning. The coupling between the first and the second element is obtained in such a way that energy is exchanged between the elements and accelerates the alignment of the first element. The frequency tuning is not necessarily perfect, but the speed of alignment increases as the tuning is improved. Nuclear quadrupole resonance is specific to lattice matter and does not depend primarily on external stimulation. When the nuclear magnetic resonance mode of excitation of the first element is obtained, there is an exchange between the two elements, so that energy is exchanged between them and causes the modification of the longitudinal relaxation time of the first element.
This time is represented in the rest of the present
<EMI ID = 71.1>
<EMI ID = 72.1>
between two elements. In a sample of the explosive -
<EMI ID = 73.1> of frequencies at which the nuclear quadrupole resonance
<EMI ID = 74.1>
third between about 5, 192 and 5, 240 MHz. The nuclear magnetic resonance frequency of hydrogen
<EMI ID = 75.1>
nuclear quadrupole resonance frequencies, is
<EMI ID = 76.1>
<EMI ID = 77.1>
states for hydrogen and nitrogen when both present in cyclonite, using the isotope of nitrogen having a molecular mass of 14: Note that,
<EMI ID = 78.1>
single resonant frequency but matches; to a set of several tightly grouped frequencies. For example, the frequencies indicated above are ranges comprising at least two frequencies in each grouping. Although there may be higher frequencies at which the nuclear magnetic resonance of one element matches the nuclear quadrupole resonance of another element, the use of the higher frequencies
<EMI ID = 79.1>
higher crossover frequencies give better nuclear magnetic resonance response.
As the results already obtained indicate, it
<EMI ID = 80.1>
which there are transfers of energy between the atoms of hydrogen and nitrogen. The relationship between the nuclear magnetic resonance frequency of hydrogen in cyclonite and the strength of the magnetic field is thus shown.
<EMI ID = 81.1>
<EMI ID = 82.1>
<EMI ID = 83.1>
ments are indicated by braces. The spread of the quadrupolar resonance lines is due to the Zeeman effect
<EMI ID = 84.1>
We now consider Figure 2 which represents several synchronized events. This is a. time diagram. Reference 40 denotes a first level of magnetic field, applied to the sample by magnet 32, as indicated by curve C. Preferably, a constant magnetic field is used for the moment.
<EMI ID = 85.1>
curve A of the transmitter signal. After a pause, another burst 44 is transmitted by the transmitter. For example,
<EMI ID = 86.1>
duration of pauses between bursts can be similar. After application of the two bursts, receiver 20 forms an output pulse 46 which appears after the second pulse as shown on curve B which represents the output signal of the receiver. This pulse 46 is representative of the nuclear magnetic resonance echo signal from a single element of matter present in the field. So far, the nuclear quadrupole resonance effect of the second element is not
<EMI ID = 87.1>
It is assumed that the pulses 42 and 44 have a
<EMI ID = 88.1>
Level 48 identifies a different level of intensity
of the magnetic field. This fixed but different field acts on the sample which contains the first and the second element
<EMI ID = 89.1>
of the magnetic field level which brings the nuclear magnetic resonance frequency of the first element to a '
<EMI ID = 90.1>
nuclear power of the second element.
The intensity of the field is then reduced to the level
40 and the nuclear magnetic resonance echo is obtained. by the emitted interrogation pulses represented by the burst 50 and a second burst bearing the reference
52 .. The impulses. 50 and 52 are identical to the pulses
42 and 44 by their frequency, energy level, spacing and length. The output signal of the receiver
<EMI ID = 91.1>
enlarged or accentuated when a material having the characteristics described in the previous paragraph is present in the sample analyzed. This signal is accentuated due to the coupling between the first and the second
<EMI ID = 92.1>
alignment or better polarization of the cores of the first element during the period separating the pair of bursts 42 and 44 from the pair of bursts 50 and 52, compared to the alignment obtained during the period between the first application of the field 40 and the first pair of bursts 42 and 44. The increased amplitude is representative of the 1 [deg.] increase in amplitude of the nuclear magnetic resonance echo. The timing diagram of FIG. 2 thus represents an accentuated received signal. This emphasis is the result of the increased polarization in the first element, during the time available due to the shortening of the relaxation time, due to the tuning of the magnetic and quadrupole resonance frequencies.
The quadrupole resonance frequency of the second element and the magnetic resonance frequency of the first element are matched and energy is then easily transmitted between the two elements. he
<EMI ID = 93.1>
key varies with field strength. In general, the nuclear quadrupole resonance frequency does not
varies little under the action of external stimuli and is fixed by the molecular structure of the element.
The detectable amplitude of nuclear magnetic resonance is very low at the start of the application of the magnetic field because the initial alignment of the nuclei in the ch'ainp is very low. The alignment speed is related to the definition of the spin-network relaxation time
<EMI ID = 94.1>
of a nuclear magnetic resonance signal at this time <EMI ID = 95.1>
<EMI ID = 96.1>
tion elapsed since the last disturbance, i.e.
<EMI ID = 97.1>
increase of the cores of the first element with those of the second element when the strength of the magnetic field is such that the nuclear magnetic resonance frequency of the first element coincides with the nuclear quadrupole resonance frequency of the second element as described
<EMI ID = 98.1>
nuclear alignment is then achieved much faster, with this reduced time constant, than in the case of the larger time constant. The selection
<EMI ID = 99.1> <EMI ID = 100.1>
not contain a compound exhibiting: these characteristics have very similar amplitudes. Comparison of ampli
<EMI ID = 101.1>
presents the discriminator circuit in more detail. This is triggered by sequence circuit: 26. He receives
<EMI ID = 102.1> <EMI ID = 103.1>
<EMI ID = 104.1>
<EMI ID = 105.1>
amplifiers. Comparators measure the difference between the signals of the amplifiers - forming sample and hold circuits and transmit signals
<EMI ID = 106.1>
in turn feed devices, indicators 82 and 84. As shown in Figure 2, the sequence circuit 25 <EMI ID = 107.1> so that the samples are taken in a synchronized sequence represented by the waveforms.
<EMI ID = 108.1>
<EMI ID = 109.1>
Due to the synchronized operation of the sample and hold amplifiers, signals are transmitted for comparison with known properties allowing identification of the presence of a particular compound.
<EMI ID = 110.1>
In the case of various explosives 1 it is advantageous that the transmitted signal depends on the chemical and crystalline constitution of the explosives. The relaxation time of several explosives is relatively long. This characteristic is shown in figure 4 which shows how
the answer varies. The ordinates in this figure represent the peak amplitude of the nuclear magnetic response of <EMI ID = 111.1> following a burst. Unique high-frequency energy-suitable coming from the transmitter. An analogous curve corresponds to the nuclear magnetic resonance echo following a double burst of pulses as described above.
<EMI ID = 112.1>
hydrogen nuclear magnetic resonance increases as a function of time, The time indicated is that following a first exposure of the sample to the magnetic field or the time elapsed after the first burst of disorientation
<EMI ID = 113.1>
<EMI ID = 114.1>
for the scale. It should be noted that the response is so slow that the elapsed time does not usually allow the use of nuclear magnetic resonance detection techniques, if the increased response obtained according to
<EMI ID = 115.1>
Figure 5 shows a synchronized and shaped pulse of the magnetic field (level 48 in Figure 2) giving cross-checks of the levels for the nuclear magnetic resonance frequency * with the relatively fixed nuclear quadrupole resonance responses in
, the case of various explosives which contain compounds containing at least hydrogen and nitrogen. FIG. 5 indicates the intensity of the magnetic field, on the ordinate, for the level overlaps. In figure 5, the field. magnetic is expressed in tesla and it varies in steps so that it has the levels indicated, When it varies it takes various intensities indicated on the decay curve, the magnetic resonance frequency nu-
<EMI ID = 116.1>
The nuclear magnetic resonance frequency of the hydrogen nuclei is made equal to the nuclear quadrupole resonance frequencies of the nitrogen coupled nuclei in the compound, the nuclei being aligned after a short time interval so that they allow detection.
Reference is again made to FIG. 2 for the explanation of another possibility of discrimination according to which the relaxation time of the internal element.
<EMI ID = 117.1>
receiver, shown in the diagram, which is taken into consideration. It is assumed, that the sample contains an element which must be detected. The element has a specified relaxation time which is relatively long. to that of the disturbing materials that may be present. The time between the first doublet .42, 44 and the second 50, 52 is made long compared to the relaxation time. The time between the burst of the second doublet and the burst of the third doublet is less than the first time and preferably less
<EMI ID = 118.1>
The amplitude of the nuclear magnetic resonance response following the burst of the second doublet is maximum while the amplitude following the burst of the third doublet can <EMI ID = 119.1>
be relatively weak. The two responses received which
S!
differ allow discrimination.
The apparatus shown in FIG. 3 is used to obtain this measurement. The chosen frequency
<EMI ID = 120.1>
nuclei to be detected are in resonance when the field
<EMI ID = 121.1>
<EMI ID = 122.1>
not necessary according to this technique of discrimination.
The method and apparatus according to the invention, described above ,. mainly have applications
for detecting explosives, but they are also suitable for detecting the presence of elements in! other types of compounds. They are quite satisfactory in the case of mineral materials. Organic matter does not present any difficulty, however.
An example of a non-explosive material that can be detected, corresponding to another hydrogen-nitrogen coupling is
<EMI ID = 123.1>
The invention gives results which can be compared with characteristic spectra of selected chemical compounds. Although there may appear some ambiguity, for the detection of explosives, this ambiguity does not pose
<EMI ID = 124.1>
analogous to that of a non-explosive compound. When using the apparatus and method for searching for bombs or the like, it is wise to consider that the non-explosive compound is in fact an explosive. This behavior does not require an abundance of precautions and, to this extent, ambiguity may not be very convenient, but it is certainly not dangerous. It is more important to note: that this ambiguity is extremely unlikely when inspecting packages, letters and the like.
<EMI ID = 125.1>
in the results is not significant. What matters
<EMI ID = 126.1>
which concerns the mutual coupling parameters of nuclear magnetic resonance and quadrupole resonance between hydrogen and 1: nitrogen in explosives Nevertheless,
other elements of matter can be excited and analyzed. Analysis of hydrogen and nitrogen-only is not necessary either. The tests can be carried out for the determination of hydrogen and nitrogen and then carried out again for the analysis of the interaction of hydrogen and chlorine, etc. In all cases, a
Different characteristic spectrum can be formed and compared to references obtained by laboratory measurements.
We now consider representative analysis results corresponding to the equality of the frequency
of hydrogen nuclear magnetic resonance and the nuclear quadrupole resonance frequency of nitrogen
14 for several subjects.
<EMI ID = 127.1>
The explosives indicated above can be scanned by the magnetic pulse conformed over time, shown in Figure 5 and representative of a range of variations or levels of intensity. The variations of the field strength ensure the interrogation for the
<EMI ID = 128.1>
not an explosive and it is included only to represent the response of a non-explosive material. In fact, the characteristic spectrum of a compound or a
<EMI ID = 129.1>
pable to present a nuclear quadrupole resonance) can be analyzed. The characteristic spectrum is obtained quickly and it can be easily compared with the result
<EMI ID = 130.1>
tion is the best. When only the reduction of the relaxation time is desirable, it can be chosen to coincide with the quadrupole resonant frequency.
<EMI ID = 131.1>
Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to the apparatus and methods which have just been described by way of nonlimiting examples without departing from the scope of the invention;
<EMI ID = 132.1> <EMI ID = 133.1>
having a specified frequency, amplitude and duress, <EMI ID = 134.1>
5. the magnetic resonance response of the nuclei of a first element present in the compound, and a control for adjusting the magnetic field strength of the first magnet device.