CN107255790B - 一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，包括环绕在检测系统通道上的发射天线和接收天线，所述的发射天线主要由两个同轴平行且等状的发射线圈组成，其形成了赫姆霍兹线圈，赫姆霍兹线圈内的磁场强度均匀，且形成赫姆霍兹线圈的两个发射线圈的同轴距离由发射线圈的尺寸决定；所述的发射天线还包括至少一个导电线圈，其与所述两个发射线圈分别同轴平行且等状，使两两相邻的发射线圈或导电线圈分别形成同样的赫姆霍兹线圈，用以延长发射天线内均匀磁场的长度；所述的接收天线包括至少一个接收线圈，其位于发射天线之间。其效果是，延长检测通道长度的同时，又使检测通道内的磁场强度均匀，使核电四极矩技术能正常检测爆炸物和毒品。

Description

一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分

技术领域

本发明涉及爆炸物和毒品检测领域，尤其是一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分。

背景技术

金属探测技术，太赫兹探测技术，X光透射式检测技术，中子探测技术，等传统的毒品爆炸物检测技术，虽然在一定程度上能够发现安全隐患，但是它们在应用的过程中也存在很大的局限性。金属探测仪只能探测带有金属装置的爆炸物，并且常常对非危险品的金属如钥匙、手机、拉链等产生误报；太赫兹探测技术成像效果差，技术难度很大，而且成本很高；X光透射式检测技术，只能区分有机物、无机物、金属；中子探测技术电离辐射防护困难，防护成本很高。并且这几种检测技术都不能定性检测毒品爆炸物等危险品，无法清楚的知道检测的是何种物质。而采用核四极矩共振检测技术，简称NQR检测技术，不仅可以对毒品爆炸物进行检测，还可以避免上述传统毒品爆炸物检测技术的不足。

NQR检测技术，是通过一个发射天线提供磁场来激发样品中的四极核，一定时间后撤去激发场，利用接收天线来接收其产生的特征共振信号。发射天线提供的磁场，必须是场强大，均匀度高的磁场，这样的均匀磁场通常是通过一个赫姆霍兹线圈构建的，但是赫姆霍兹线圈的同轴尺寸受线圈大小的限制，对于行李机来说，赫姆霍兹线圈尺寸大小受到限制，线圈间距也被限制，那么它均匀磁场的空间也被限制。而我们的接收线圈采用的窄带接收，当均匀磁场的空间比较小的时候，多样品检测的窄带接收天线的布局就会非常紧密，而窄带接受线圈相距比较近的时候，尤其是共振频点相距不远的时候，就会有非常严重的互耦。

为了解决这个问题，我们就需要构造一个比较大区域的均匀磁场。为此我们发明了一种与赫姆霍兹线圈相似的结构来延长线圈内均匀磁场的长度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供了基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，能延长其检测通道上发射天线内均匀磁场的长度，避免窄带接收天线的互耦情况发生。

本发明所采用的技术方案是：一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其包括环绕在检测系统通道上的发射天线和接收天线，所述的发射天线主要由两个同轴平行且等状的发射线圈组成，其形成了赫姆霍兹线圈，赫姆霍兹线圈内的磁场强度均匀，且形成赫姆霍兹线圈的两个发射线圈的同轴距离由发射线圈的尺寸决定；所述的发射天线还包括至少一个导电线圈，其与所述两个发射线圈分别同轴平行且等状，使两两相邻的发射线圈或导电线圈分别形成同样的赫姆霍兹线圈，用以延长发射天线内均匀磁场的长度；

所述的接收天线包括至少一个接收线圈，其位于发射天线之间。

进一步的，所述的发射天线的两个发线线圈和至少一个导电线圈为环状结构，或者为多边形结构。

进一步的，所述的发射天线的两个发射线圈和至少一个导电线圈结构为长方形。

进一步的，所述的发射天线的两个发射线圈和至少一个导电线圈可由一根金属线绕制而成，或由几根金属绕制而成。

进一步的，所述的发射天线采用宽带发射；所述的接收天线采用窄带接收。

进一步的，所述的接收线圈为2个及2个以上，其分别位于相邻的发射线圈或导电线圈的正中间。

进一步的，所述的发射线圈和导电绕圈由一根空心粗铜管线绕制而成。

本发明利用赫姆霍兹线圈内的磁场均匀这一优点，使利用赫姆霍兹线圈形成的发射天线内的磁场均匀，以能应用核四极矩共振技术检测爆炸物和毒品；同时，赫姆霍兹线圈又因其自身缺点-赫姆霍兹线圈的同轴距离由组成赫姆霍兹线圈的两个线圈的尺寸所决定，也即是说，发射天线环绕在检测通道上的距离因检测通道的宽度决定，因而对检测系统而言，检测区域可能只能占检测通道一部分，其缺点有三：第一点，因为接收天线窄带接收，当检测区域比较窄的情况下，当对多种样品检测时，其多个接收线圈布局会非常紧密，相邻的接收线圈之间，会产生非常严重的互耦，严重干扰检测结果，特别是共振频点相距不远的时候，互耦情况更甚。第二点，为了避免或削弱多个接收线圈之间的耦合，接收线圈之间要保持一定的距离，其导致的结果是，有一部分接收线圈会远离发射线圈，当发射线圈激发样品后，样品与多个接收线圈都相距较远，导致接收线圈无法接收样品退激过程中产生的共振信号；二、为了避免或削弱多个接收线圈之间的耦合，接收线圈之间要保持一定的距离，这样导致的结果是，有一部分接收线圈会远离发射线圈，当发射线圈激发样品后，样品与多个接收线圈都相距较远，导致接收线圈无法接收样品退激过程中产生的共振信号；第三点，无法将检测通道变成较为完整的检测区域，检测范围受限。

由上述分析可知，根据检测通道宽度，以及检测通道的长度，从而调整发射天线的导电线圈数量，延长检测系统其检测通道内的检测区域，其产生的优点是：第一点，保证整个检测区域内的磁场均匀，以满足应用基于核四极共振的检测技术；第二点，将每个接收线圈分别位于两两相邻发射线圈或导电线圈的正中间，使所有线圈均拉开距离，避免互耦，检测结果不受干扰；第三点，在多样品检测时，样品在每个频点的接收线圈附近，都能处于均匀磁场中，接收该频点的检测；第四点，将检测通道变为较完整的检测区域，提高检测准确度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的发射天线示意图；

图3为图2的发射线圈1和2的示意图；

图4为图3的发射线圈1和2区间内各点磁场强度随其中心o点距离变化的坐标图；

图5为图1的发射线圈1、2和3的示意图；

图6为在图5的发射线圈1、2和3内，各点磁场强度随距线圈1和2中心点0距离变化的坐标图；

图7为图3中内部磁场的均匀性仿真图；

图8为图5中内部磁场的均匀性仿真图；

图9为图2中内部磁场的均匀性仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，包括环绕在检测系统其检测通道上的发射天线和接收天线，其发射天线主要由至少三个同轴平行且等状的发射线圈1，2，3，4等等组成，其由同一根金属线绕制而成，也可由多根金属线绕制而成，根据赫姆霍兹线圈原理，两两相邻的发射线圈1和2、2和3、3和4分别形成同样的赫姆霍兹线圈组，由于每组赫姆霍兹线圈内的磁场均匀，那同样的赫姆霍兹线圈组内的磁场也都是均匀，使得发射天线内的磁场都是均匀的。

由于每组赫姆霍兹线圈的同轴尺寸由其发射线圈尺寸决定的，所以在检测系统其检测通道宽度一定的条件下，可增加发射天线的发射线圈数量，使发射天线尽可能宽的环绕在检测通道上，使发射天线的磁场长度尽可能在检测通道上延长。

接收天线包括至少两个接收线圈22，图1中所示为3个接收线圈22，只标出其中一个接收线圈22，3个接收线圈22分别位于发射线圈1和2、2和3、3和4之间，由于上述发射天线的结构布局延长了在检测通道上的宽度，使得相邻的发射线圈和接收线圈之间距离拉开，避免相互靠的太近，产生耦合，影响应用核四极矩共振技术的检测结果。

为达到较好的检测效果，每个接收线圈22最好位于发射天线的每相邻发射线圈之间，且为正中间位置，使被测物品随着检测系统的传送带运到任何位置时，在撤去发射线圈的磁场后，接收线圈都能接收到被测物品自发辐射出的核四极矩信号。

另外，发射天线采用宽带发射，由于核四极矩信号非常弱，如果采用宽带接收的话，信号往往淹没在噪音里面不能被发现，所以接收线圈只能采用窄带接收，而核四极矩共振检测技术是利用磁场激发被测样品的四极核，由接受线圈接收被测样品自发辐射出的共振信号，因此能够对被测物定性检测。对于多样品检测，不同的样品，其四极核共振频率也不相同，因此必须采用多个窄带线圈接收。

为证明本发明形成的发射天线内磁场均匀，现通过计算证明：

如图2所示，发射线圈1，2，3，4几何结构完全相同，为长方形且均同轴平行于xoy平面，且中心都在z轴上，由于四个发射线圈的每相邻线圈形成一组赫姆霍兹线圈，即发射线圈1，2形成第一组赫姆霍兹线圈，即发射线圈2，3形成第二组赫姆霍兹线圈，即发射线圈3，4形成第三组赫姆霍兹线圈。由于赫姆霍兹线圈原理，所以四个线圈之间的距离相同。

如图3所示，计算第一组赫姆霍兹线圈内Z轴上一点的磁场

根据毕奥萨伐尔定律，可以计算出Z轴上一点的磁场

因此可以画出第一组赫姆霍兹区间内各点的场强随发射线圈1和2中心0点距离变化的坐标图，如图4。

再如图5所示，计算线圈3对第一组赫姆霍兹线圈内部磁场的影响

根据Bz的关系式可知，d与a，b之间的关系，并且线圈3产生的磁感应强度随着距离线圈3越远，磁场强度越小，因此，线圈3距离第一组赫姆霍兹线圈越远，对第一组赫姆霍兹线圈内部的场强影响就越小，如图6所示，发射线圈3随第一组赫姆霍兹线圈内部磁场距离变化的坐标图。

将代入上式，且在赫姆霍兹线圈内|z|≤d，

因此可推导出

所以

因此第三个线圈对第一组赫姆霍兹线圈内的磁场强度影响非常小，根据三分之一原则，即可忽略不计，因此第一组赫姆霍兹线圈内的场强仍然是均匀的，同理线圈1和线圈4对第二组赫姆霍兹线圈内磁场的影响也可以忽略不计，因此线圈1到线圈4之间的磁场是均匀的。所以用这种方法加长均匀磁场的距离是可行的。

针对本公司此款基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测产品，其检测通道的尺寸为600(长)*500(宽)mm，可计算出环绕本产品检测通道上的发射线圈之间的最佳距离2a＝300mm，可计算线圈3对第一组赫姆霍兹线圈内部中心点磁场的影响，为说明线圈3对第一组赫姆霍兹线圈内部磁场没有影响。

现对发射天线内部磁场的均匀性仿真，根据上述可知

2a＝500mm，2b＝600mm，2d＝300mm，r＝5mm

针对发射天线的每一组赫姆霍兹线圈，计算Z轴磁场的梯度由图7可以看出，Hz磁场强度最大值

Hmax＝2.17*10^(-5)

Hmin＝2.07*10^(-5)

磁场均匀性

针对发射天线的第一组和第二组赫姆霍兹线圈，计算Z轴磁场的梯度由图8可以看出，Hz磁场强度最大值

Hmax＝8.36*10^(-6)，Hmin＝5.77*10^(-6)

磁场均匀性

针对发射天线的第一组、第二组和第三组赫姆霍兹线圈，计算Z轴磁场的梯度由图9可以看出，Hz磁场强度最大值

Hmax＝8.41*10^(-6)

Hmin＝5.96*10^(-6)

磁场均匀性

由上述仿真可知，发射天线其内部磁场均匀。

针对本发明的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，最好的技术方案是，发射天线是将空心粗铜管绕制在检测系统的检测通道上，其通道尺寸为600(长)*500(宽)mm。我们采用空心粗铜管直径5mm，厚度1mm，是因为导线在高频情况下的趋肤效应，电流流过导体时，电流密度集中在导体表面，等效电阻增大。空心粗铜管增加导体表面积，降低线圈由于趋肤效应在高频情况下的等效电阻值，因为基于核四极矩共振检测系统需要的激发场强很大，空心铜管有相对面积很大，散热效果良好，克服了由于热量累积对发射器件的影响。并且铜管易弯曲，延展性好，易沿检测通道绕成线状，容易定型，并且铜管强度高。空心粗铜管绕成相邻两个圈的中间是一个接收线圈。通过计算公式因2a＝500mm，2b＝600，得到空心粗铜管绕成的两圈之间的距离为/>选取空心粗铜管绕成的两圈之间距离为300mm，其距离散热面积大。

相应的，空心粗铜管可根据检测通道的长度绕成两圈，三圈或都更多圈，接收线圈位于两邻两圈的正中间，用来检测被测品；不管空心粗铜管绕几圈，只要接收线圈与空心粗铜管不发生耦合即可。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其包括环绕在检测系统通道上的发射天线和接收天线，所述的发射天线主要由两个同轴平行且等状的发射线圈组成，其形成了赫姆霍兹线圈，赫姆霍兹线圈内的磁场强度均匀，且形成赫姆霍兹线圈的两个发射线圈的同轴距离由发射线圈的尺寸决定；其特征在于：所述的发射天线还包括至少一个导电线圈，其与所述两个发射线圈分别同轴平行且等状，使两两相邻的发射线圈或导电线圈分别形成同样的赫姆霍兹线圈，用以延长发射天线内均匀磁场的长度；

所述的接收天线包括至少一个接收线圈，其位于发射天线之间。

2.根据权利要求1所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其特征在于：所述的发射天线的两个发射线圈和至少一个导电线圈为环状结构，或者为多边形结构。

3.根据权利要求2所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其特征在于：所述的发射天线的两个发射线圈和至少一个导电线圈结构为长方形。

4.根据权利要求1或3所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其特征在于：所述的发射天线的两个发射线圈和至少一个导电线圈可由一根金属线绕制而成，或由几根金属绕制而成。

5.根据权利要求4所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其特征在于：所述的发射天线采用宽带发射；所述的接收天线采用窄带接收。

6.根据权利要求5所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其特征在于：所述的接收线圈为2个及2个以上，其分别位于相邻的发射线圈或导电线圈的正中间。

7.根据权利要求6所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统的天线部分，其特征在于：所述的发射线圈和导电绕圈由一根空心粗铜管线绕制而成。