CN104570134A - 一种基于四极矩的核磁共振爆炸物探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四极矩的核磁共振爆炸物探测方法，包括如下步骤：步骤一，将被测物放入均匀分布静磁场中；步骤二，将被测物套在一个微射频线圈中，所述微射频线圈与被测物一同在常规核磁共振谱仪探头中做自旋运动，并与探头中谐振电路进行能量耦合，通过射频功率放大器和核磁共振谱仪做信号的放大和解调，将该进动频率或氮原子磁化强度矢量的失共振恢复时间以曲线的形式表示出来，就得到爆炸物的核磁共振弛豫时间谱，横向弛豫时间T2分布曲线，就可以定性和定量地分析爆炸物分子组成和结构信息。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸物探测技术领域，尤其涉及黑索金、TNT的基于四极矩的核磁共振爆炸物探测方法。
背景技术
进入21世纪，恐怖主义已成为人类所面临的新的威胁，在过去几年内频发恐怖袭击，例如，2001年9月11日的纽约双塔袭击事件，2002年的巴厘岛爆炸案，2004年马德里火车爆炸案，2005年7月7日的伦敦地铁和公交车爆炸案，在以色列，一系列在公交车、酒吧、商场和酒店内的人肉炸弹袭击事件等；2013年10月28日12时许，吾斯曼·艾山伙同他人驾驶越野车，连续冲撞天安门广场前的行人，造成3名无辜群众死亡，39人受伤。纵观这些恐怖活动，爆炸物仍旧是恐怖分子使用的最主要方式。上述恐怖袭击事件表明，如今爆炸恐怖活动的隐蔽性越来越高，这使得探测隐藏爆炸物成为至关重要的话题，并急需快速、灵敏、可靠以及非接触探测方法来探测隐藏爆炸物。
目前用于爆炸物探测技术主要有以下几种[1,2,3,4]：(1)基于X射线衍射成像的探测技术。主要通过对物体密度的测量，辅以成像手段测得物体的体积、形状来进行探测。该方法所用的判决特征具有非唯一的缺点，即一些非爆炸物具有和爆炸物类似的密度值，且随着爆炸物外形设计的多样性，通过形状、体积来进行判断存在困难。(2)热中子分析技术。通过测量物体的含氮量来确定爆炸物，由于许多物体的含氮量和爆炸物相当，因此，采用该方法容易产生误报。(3)气相分析法。通过分析爆炸物分子来判断爆炸物的存在，该方法对挥发性较差的爆炸物检测比较困难。(4)无线电波探测技术，包括电磁感应技术(ElectroMagnetic
Induction, EMI)和地面穿透雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)等。该类方法是通过探测爆炸物的金属成分来探测爆炸物，其缺点是对不含金属成分或金属成分较少的爆炸物探测较为困难，存在原理性虚警干扰。总的来看，上述方法或多或少都存在一些局限性。
在当前新的反恐形势下，面临着恐怖爆炸隐蔽性更强、危害性更大的特点，迫切需要研究新的、高效爆炸物探测技术。原子核四极矩共振(Nuclear Quadrupole Resonance, NQR)技术在 20 世纪 90 年代取得了较大的突破，成为一种具有良好发展潜力的爆炸物探测技术。
[1] Jehuda
Yinon. Counter-terrorist
detection techniques of explosives [M]. London: Elsevier B V, 2007:
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[2] 房旭民,徐政,徐玉清,张国进. 核四极矩共振炸药探测技术在探雷中的应用[J]. 同济大学学报, 2003, 31(6): 719-723.
[3] Anthony
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University of California, 1994.
[4] A N Dovbnya, A M Yegorov,
et al. Detection of explosives [J]. Problems of Atomoc
Science and Technology, 2006, 47(3): 186-190。
发明内容
氮14是一种稳定的同位素，自然丰度高，而且具有核自旋量子数为奇数的特点，因此能够形成核磁共振。针对上述几种现有技术在爆炸物探测中存在的缺点，本发明核磁共振含氮化合物的检测、要解决的技术问题包括：
1. 包括爆炸物在内，密度属性显然不能作为物质识别的必要条件，而核磁共振探测法在于对直接获取化合物分子组成与结构方面的信息；
2. 不论是绝对含氮量还是相对含氮量，都无法作为爆炸物的特征属性，含氮量与物质的成分、质量都有关系；核磁共振探测方法不仅能够定量、而且能够定性地识别包括爆炸物在内的各种物质的化学属性；
3. 由于大多数爆炸物为固态物质，所谓气相色谱分析法显然无能为力；而核磁共振波谱分析的优势就在于，对固态和液态物质、由于其分子-晶格作用的特点决定了化学位移谱的分辨率和灵敏度较高；
4. 类似于核磁测井方法，将核磁共振用于爆炸物探测时、不受金属导体涡流对信号干扰的影响。
本发明基于NQＲ信号的爆炸物探测技术，具有非接触探测、探测物质的唯一性和虚警概率小的优点，是一种理想的爆炸物探测手段。且实现过程中主要涉及电子技术，使用中不存在放射性物质污染和防护等问题。NQＲ信号反映了爆炸物的唯一性，为爆炸物的探测与识别提供了新的途径。
采用基于四极矩的核磁共振方法进行爆炸物探测的具体技术方案是，先将被测物放入均匀分布静磁场中，然后将被测物套在一个微射频线圈中，该射频微线圈与同步旋转，并与外部常规核磁共振波谱仪射频探头的射频线圈发生磁场能量耦合，和直接将样品放入非旋转探头的传统方法相比，新方法可以消除样品中自旋各向异性而造成的检测信噪比降低；所述线圈与射频功率放大器和核磁共振谱仪相连，谱仪的作用是发射激励脉冲序列和接收/处理被测物产生的磁共振信号。所述脉冲序列的正弦波频率等于氮14在给定静磁场下的进动频率，以便满足形成共振的条件。核四极矩磁共振方法探测爆炸物的基本原理是，氮14原子在特定分子结构中，例如2，4，6-三硝基甲苯（TNT）的苯环上的位置交错的3个氮原子，由于受到相邻或相近化学键原子团的影响，例如苯环上的CH2或1位的CH3，而感受到略微区别于外加磁场的局部磁场，该局部磁场与氮原子的进动频率成正比；所述进动频率是氮原子、进而被测爆炸物的一一对应的特征信息，将该进动频率或氮原子磁化强度矢量的失共振恢复时间以曲线的形式表示出来，就得到了爆炸物的核磁共振弛豫时间谱。
本发明给出两种探测爆炸物的核磁共振执行序列，单90度脉冲重复序列和CPMG自旋回波序列，如附图1和2所示。前者的工作方式为，对被测物施加一个90度脉冲之后，氮原子的宏观磁化强度矢量随即偏转90度，但脉冲过后又立刻向平衡态恢复，恢复过程中由于磁力线切割检测线圈作用而产生的感应电流，即磁共振自由感应衰减信号，由谱仪接收、放大、解调、模数转换和正交检波，最后经过拉普拉斯变换，就得到爆炸物的“身份”识别信息——氮原子T2弛豫时间谱；如果被测物的谱线与某种爆炸物的标准谱线吻合度大于50%，就应被要求复检。或者CPMG序列的工作方式与单90度的基本相同，只是磁共振信号变成了一串由FID信号开头、后面若干由小到大又由大到小的回波，而信号处理过程和数据反演、探测解释与单脉冲序列的相同。二者使用或者适用爆炸物的范围略有不同：对于横向弛豫时间和纵向弛豫时间较为接近的爆炸物，应该采用单脉冲序列，而对于T2明显小于T1的情形，则采用CPMG序列。
本发明的有益技术效果是：本发明由于采用了基于氮14原子的核电四极矩磁共振爆炸物探测方法，而非密度、含量等“非指纹”识别方法，所以降低了探测的虚警概率，另外本发明还具有高特异性、不存在电离辐射与强电磁辐射等优点。
附图说明
图1单90度脉冲序列、自由感应衰减磁共振信号采集方法
图2（一个90度+若干180度）脉冲序列产生自旋回波信号及其采集方法
图3三硝基甲苯的分子结构。
具体实施方式
实施例1
将被测物放入均匀分布静磁场中，然后将被测物套在一个微射频线圈中，该射频微线圈与同步旋转，并与外部常规核磁共振波谱仪射频探头的射频线圈发生磁场能量耦合，所述线圈与射频功率放大器和核磁共振谱仪相连，所述脉冲序列的正弦波频率等于氮14在给定静磁场下的进动频率，以便满足形成共振的条件。2，4，6-三硝基甲苯（TNT）的苯环上的位置交错的3个氮原子，由于受到相邻或相近化学键原子团的影响，苯环上的CH2或1位的CH3，而感受到略微区别于外加磁场的局部磁场，该局部磁场与氮原子的进动频率成正比；所述进动频率是氮原子、进而被测爆炸物的一一对应的特征信息，将该进动频率或氮原子磁化强度矢量的失共振恢复时间以曲线的形式表示出来，就得到了爆炸物的核磁共振弛豫时间谱。
本发明可以使用两种探测爆炸物的核磁共振执行序列，单90度脉冲重复序列和CPMG自旋回波序列，如附图1和2所示。前者的工作方式为，对被测物施加一个90度脉冲之后，氮原子的宏观磁化强度矢量随即偏转90度，但脉冲过后又立刻向平衡态恢复，恢复过程中由于磁力线切割检测线圈作用而产生的感应电流，即磁共振自由感应衰减信号，由谱仪接收、放大、解调、模数转换和正交检波，最后经过拉普拉斯变换，就得到爆炸物的“身份”识别信息——氮原子T2弛豫时间谱；如果被测物的谱线与某种爆炸物的标准谱线吻合度大于50%，就应被要求复检。或者CPMG序列的工作方式与单90度的基本相同，只是磁共振信号变成了一串由FID信号开头、后面若干由小到大又由大到小的回波，而信号处理过程和数据反演、探测解释与单脉冲序列的相同。
Claims (3)
1.一种基于四极矩的核磁共振爆炸物探测方法，包括如下步骤：步骤一，将被测物放入均匀分布静磁场中；步骤二，将被测物套在一个微射频线圈中，所述微射频线圈与被测物一同在常规核磁共振谱仪探头中做自旋运动，并与探头中谐振电路进行能量耦合，通过射频功率放大器和核磁共振谱仪做信号的放大和解调，将该进动频率或氮原子磁化强度矢量的失共振恢复时间以曲线的形式表示出来，就得到爆炸物的核磁共振弛豫时间谱，横向弛豫时间T2分布曲线，就可以定性和定量地分析爆炸物分子组成和结构信息。
2.根据权利要求1所述的基于四极矩的核磁共振爆炸物探测方法，其特征在于所述脉冲序列的正弦波频率等于氮14在给定静磁场下的进动频率。
3.根据权利要求1所述的基于四极矩的核磁共振爆炸物探测方法，其特征在于有两种探测爆炸物的核磁共振执行序列，单90度脉冲重复序列和CPMG自旋回波序列。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN2919245Y (zh) * | 2006-06-15 | 2007-07-04 | 中国电波传播研究所 | 一种爆炸物探测装置 |
| CN102608663A (zh) * | 2012-03-23 | 2012-07-25 | 西安电子科技大学 | 一种适用于核四极矩共振信号检测的干扰对消器 |
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2015
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Non-Patent Citations (2)
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