CN1215325C - 一种使用核共振探测物质的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种使用核四极共振或核磁共振探测样品中指定物质的方法和装置，用包含多脉冲的修改的稳态自由进动RF脉冲序列来辐照样品中的原子核。所述脉冲序列包含成对的以一定的相移相互分离开的脉冲，以从指定物质中产生多个核共振反射信号，如果该指定物质存在的话。该脉冲序列是由成对的脉冲组成的，相邻脉冲对的相位相差90°，如以下类型：[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n所述发射频率相对于指定物质的受辐照核的预定共振频率有一个偏移。使用付立叶变换和数字滤波技术分析反射信号，只记录所述指定物质的受辐照核的共振频率附近的那些反射信号。然后将所记录的反射信号与相应于所述指定物质的设置的参考值进行比较，以确定所述指定物质在所说的样品中是否存在。这种探测方法不受温度变化和其它产生强度异常的因素的影响。该脉冲序列产生附加的反射信号，它增加了观测信号的强度并由此增加信噪比。它还减弱了磁声减幅振荡。

Description

一种使用核共振探测物质的方法和装置
                        发明领域
本发明涉及核共振在材料辨别中的实际应用，特别是用核四极共振(NQR)和核磁共振(NMR)在其它物品中探测如爆炸物和麻醉品的应用。
在本说明书中，除非上下文另有要求，单词“comprise(包括)”及其变化形式如“comprises”″comprisin″将被理解为表示包含一个明示的整数或整数组但也不包括排斥其它的整数或整数组。
                        背景技术
由Carr在“steady-state free precession in nuclear magneticresonance，Physical Review(在核磁共振中的稳态自由进动，物理评论)，vol.112，NO.5，1958，p。1693-1701”一文中所描述的那样，带有所谓“稳态自由进动(SSFP)”多脉冲序列的指定物质在特定条件下会从被指定物质中产生一连串非衰减信号形式的的反射信号。其结果，这种多脉冲序列被有效地用在核四极共振(NQR)上，用来探测爆炸物和麻醉品，象苏联专利说明书，NO.1824559(Kuznetsov和Koblev)，美国专利说明书NO.5365171(Buess等)，以及在Kuznetsov和Koblev的文章中，“modifications of thesteady-state free precession sequence for the detecting of purenuclear quadrupole resonance(用于探测纯核四极共振(NQR)的稳态自由进动的变型)”，Journal of Physics，D，Applied Physics(物理期刊D：应用物理)，VOL.31，1998，1251-1256。
但是，SSFP多脉冲序列的应用由不希望的影响所妨碍，如强度异常等。这种强度异常来源于被观测的反射信号的信号幅值对从NQR共振频率的偏移的依赖性。这种依赖性本质上是周期性的，并且重复周期反比于脉冲间的间隔。
这种强度异常是不希望有的，特别当用NQR或NMR方法探测爆炸物和麻醉品时由于温度的变化，和/或其他的因素如温度梯度(在物质内)、晶体杂质、晶体相位和压力等，可能产生强度异常。
其原因是由于核四极共振的频率依赖于物质的温度，以及这些其他的因素，因此共振频率就随温度漂移。例如，三硝基甲苯(TNT)温度随NQR线的共振频率的变化大于100Hz/°k，并且对于三次甲基三硝基胺(旋风炸药)(RDX)大于400Hz/°k。
考虑到强度异常的影响，为了获得最大反射信号，需要非常精确地调谐与共振频率相关的发射频率。因此，虽然发射频率值是一样的，但信号的强度可随温度的变化而变化。
在Kuznetsov和Koblev的苏联专利NO.1824559中，提出了下列消除强度异常的方法。用一种翻转角度(flip angle)为θ，重复周期为τ的连续脉冲序列照射所指定的物质，提供一种SSFP类型的基本序列
[τ/2-θ-τ/2]n，
n是周期数目(或选择[θ-τ]n)。
采用相应于下列值的每一序列的载频，进行系列的照射：
f0和f0±2/τ，
f0接近于被探测物质的共振频率。
当用载波频率为f0的序列照射时，如果没有观测到信号，那么载波频率为f0±2/τ的时序就有用了。
这些载频的差相应于观测到最大的强度信号的频率和观测到最小的强度信号的频率之间的差。当在受检样品中没有发现所寻找的指定物质时，把观测时间增大两倍重复进行该方法。
Buess等在美国专利说明书NO.5365171中描述了采用相位改变脉冲序列的方法(PAPS)和非相位改变脉冲序列(NPAPS)的组合，它允许不用转换发射频率来照射受检样品，以探测样品中的指定物质。
在此情况中，如果在PAPS观测窗中观测到最大信号，那么在NPAPS观测窗中将观测到最小信号。由此，在采用下列序列时：[τ/2-θ-τ/2]n，总的信号强度为 倍小于(或近似70％的)获得的可能的最大信号。
换句话说，这种方法内在的限制在于：不管脉冲间距如何，由于两脉冲幅值的累加过程，它只能恢复最大可得信号的
Figure C0081604500082
倍或近似70％。
因此，使用以上方法对于预定数目的累积来减少引起密度异常的温度变化或其它效应，是与反射信号的净强度的减小相关联的，这种减小是与当使用下列类型的相同脉冲的序列类型时所观测到的最大值相比而言。
[τ/2-θ-τ/2]n，
但是，在NQR和NMR中使用多脉冲序列都有一个问题，就是，它们与一些不希望见到的现象相关联，如探针减幅振荡(ringing)(在共振电路中里由瞬态过程引起的)和磁声减幅振荡。
在NQR频率的探针减幅振荡中的瞬态过程的持续时间能达几百微秒，这在Rudakov和Mikhaitsevich的文章Instruments and ExperimentalTechniques(仪器和实验技术)Vol.38，NO.6，Part 1，744-745，1995，中有所讨论，并且振荡的频率和相位由RF脉冲的发射频率决定。
在NQR和NMR中磁声减幅振荡是由铁磁性(金属或陶瓷的)样品产生的，它能出现在被扫描以探测指定物质是否存在的样品中。
在NQR和NMR中的磁声减幅振荡的本质是与在射频脉冲磁场的作用下磁性材料的磁畴的重新取向相联系的。磁畴取向的变化以周期性振荡形式发生，其频率与RF脉冲的频率一致。磁畴振荡在RF脉冲结束后还继续，由于磁性材料内部的耗散力和电磁再发射的能损而逐渐衰减。这种再发射能持续几微秒。由再发射引起的信号值可以大于来自指定物质的NQR信号。这种信号的频率和相位只取决于发射频率。
在Buess等美国专利说明书NO.5365171中，建议用下列的将前面提到的NPAPS和PAPS组合的方法来消除探针减幅振荡和磁声减幅振荡：
[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n
由于在Buess等专利说明书中描述的，磁声信号与初始RF脉冲具有相同的相位。
NQR信号包含两部分：自由感应衰减(decay)和反射，感应信号与RF脉冲总是具有相同的相位，并且反射信号在用NPAPS照射时是180°反相于感应信号和在用PAPS照射时为同相。其所得信号是由感应信号、反射、探针减幅振荡和磁声减幅振荡组成的复杂信号，然后对它们进行数字处理。在NPAPSθ180°脉冲和两个PAPSθ0°脉冲之后接收的信号被加在一起，并从NPAPSθ0°脉冲之后接收的信号中减去。其结果是感应和减幅振荡输入被完全排除在总信号之外。
这种方法的缺点是由于排除了感应(induction)信号而使反射信号的强度进一步降低。更进一步说，脉冲序列：
[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n是SSFP类型的序列的组合，所观测到的相位异常包含在每个序列中。这样的相位异常在Ernst，Bodenhausen和Wokaun的著作：《Principle ofNuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions，一维和二维核磁共振原理》，第二章，Clarendon Press，Oxford，1987中有讨论。
由此，在Buess等的专利说明书NO.5365171中讲的感应信号和反射信号之间的相位关联，只对精确的共振才成立，以及对于与共振频率相差一Δf值使Δfτ＝m成立的发射频率才成立，这里m为一整数。假设以上相位关联在Δf·τ≠m处不满足，信号将进一步减小，因为所建议的累积方案不再是是最理想的。
在应用NMR来探测物质方面，强度随静磁场中的漂移和变化而变化，这也是一个问题，以上提及的脉冲序列均不能克服这个问题。
                    发明内容
本发明的目的在于与现有的使用核共振如NQR或NMR来探测爆炸物和麻醉品的方法相比，提高探测样品中指定物质的精度，指定物质如某些爆炸物和麻醉品但并不限于此。
本发明进一步的目的在于克服探针减幅振荡和磁声减幅振荡的干扰，以能够用核共振精确探测样品中指定物质，指定物质如某些爆炸物和麻醉品但并不限于此。
本发明的更进一步或另一个目的在于基本上克服或适应用多脉冲NQR或NMR探测物质中引起的温度的影响或其它强度变化机制的影响。
本发明的这些和其余目的是用以下手段完成的：用包含多个脉冲的脉冲序列来照射样品中的原子核，以从样品中探测指定物质，从而产生指定物质中的多个核共振的反射信号，如存在指定物质，它能被探测和分析。
因此，按照本发明的一个方面，提供一种探测样品中指定物质的方法，包括：用包含多个脉冲的脉冲序列来照射要从其中探测指定物质的样品中的原子核，其中所述脉冲序列包含成对的以一定的相移相互分离开的脉冲，以从指定物质中产生多个核共振反射信号，如果该指定物质存在的话；以及
分析所述反射信号，以探测所述指定物质的存在；其中所述脉冲序列是一种修改的稳态自由进动的脉冲序列，它包含成对脉冲，每个所说的脉冲序列中的成对脉冲具有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔。
与使用PAPS/NPAPS的组合或者基本SSFP脉冲序列所产生的单个核共振反射信号相反，通过使用产生多个核共振反射信号的脉冲序列，利用所产生的核共振信号可以获得更高的信噪比，因而能够分析所述反射信号，以探测标本中指定物质的存在，而不受温度和其他因素对核共振反射信号的强度的影响。
最好是，脉冲序列是由成对的脉冲组成的，相邻脉冲对的相位相差90°，如以下类型：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
并且发射频率相对于指定物质的受辐照原子核的共振频率有一偏移。
按照现发明的另一方面，提供一种探测样品中指定物质的存在的方法，包括：
在一设定的温度范围内，以发射频率反射一多脉冲序列来辐照样品中的原子核；
接收并分析由所述多脉冲序列辐照的所述样品中的任何共振核发出的核共振反射信号，以探测样品中所述物质的存在；并且
其中脉冲序列是由成对的脉冲组成的，相邻脉冲对的相位相差90°，如以下类型：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
所述发射频率相对于指定物质的受辐照核的预定共振频率有一个偏移；并且
所述分析包括对所接收的核共振反射信号进行付立叶变换，只记录落在与在该设置的温度范围内所述指定物质的受辐照核的共振频率相应的一个窄的频带范围内的那些反射信号，然后将所记录的反射信号与相应于所述指定物质的设置的参考值进行比较，以确定所述指定物质在所说的样品中是否存在。
以这种方式，多脉冲信号的成对的脉冲在该序列的观测窗中产生了附加的反射信号，这增加了接收信号的强度。
最好是，该方法包括相应于相邻脉冲对之间的时间间隔，在多脉冲序列的所有观测窗中接收所说的核共振反射信号，并且所述分析包括在每个窗口中对所述时间间隔求和，获得一合成信号，并对该合成信号进行付立叶变换。
以这种方式，付立叶变换靠频率上的差别将样品中任何存在的指定物质产生的核共振反射信号与探针和声减幅振荡区别开来。
按照本发明的进一步的，但不是必要的方面，提供一种用于探测样品中属于爆炸物和麻醉品类别的物质的方法，如那些含有14N，35Cl，39K或37Cl核素的物质，该方法采用核四极共振，并包括以下步骤：
(a)产生一修改的稳态自由进动RF脉冲序列，所说RF脉冲序列包含成对的脉冲，每对所说RF脉冲序列有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔；
(b)把所述RF脉冲序列发射到探针；
(c)用在(b)步骤发射到探针的所述RF脉冲序列辐照样品；
(d)响应于在步骤(c)对样品的辐照，探测在发射到所述探针的所述RF脉冲序列的成对脉冲之间的核四极共振反射信号；
(e)对所有所说的核四极共振反射信号求和得到一合成信号；
(f)对所说的合成信号进行付立叶变换；
(g)产生付立叶变换信号作为所说的付立叶变换的结果；
(h)频率过滤所说的付立叶变换信号；
(i)将在所说的步骤(h)中滤波后获得的信号与一个预定的参考幅值相比较，并且
(j)当所说的滤波后信号超出所说的参考幅值时发出提示信号。
最好是，所述成对脉冲内的所述脉冲间隔大大小于在相邻的所述成对脉冲之间的所述成对脉冲的间隔。
最好是，所述滤波后信号的最低频率大约为0.5-1.0kHz。
最好是，所述RF脉冲序列的所述预定频率被设置在四极原子核的核四极共振频率的附近，四极原子核如在被探测物质中的14N，35Cl，39K，或37Cl。
最好是，所述被探测物质包括含14N核素的爆炸物或麻醉品。
最好是，所述被探测物质包括含35Cl核素的爆炸物或麻醉品。
最好是，所述被探测物质包括含37Cl核素的爆炸物或麻醉品。
最好是，所述被探测物质包括含39K核素的爆炸物或麻醉品。
按照本发明的另一方面，提供一种装置，用于探测样品中指定物质的存在，包括：
脉冲发生器，用于产生包括多个脉冲的脉冲序列，其中所述脉冲序列包括成对的脉冲，相互之间偏移一指定的相移；
辐照器，用于采用所述脉冲序列来辐照要从其中探测指定物质的样品中的原子核；以及
分析仪，用于分析用所述脉冲序列辐照样品从样品中产生的任何反射信号，以探测指定物质的存在；
其中，所述脉冲序列是一种修改的稳态自由进动的脉冲序列，它包含成对脉冲，每个所说的脉冲序列中的成对脉冲具有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔，所述脉冲序列能够从指定物质产生多个核共振反射信号，假如它存在于样品中的话。
按照本发明的另一方面，提供一种装置，用于探测样品中指定物质的存在，包括：
多脉冲序列发生装置，用于产生多脉冲序列，其包括成对的脉冲，其相邻脉冲对的相位相差90°，类型如下：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
发射装置，用于以一发射频率发射所说的多脉冲序列以穿透一样品，并适应任何强度变化机制，该发射频率相对于指定物质被辐照原子核的预定共振频率有偏移；
接收装置，用于接收由所述多脉冲序列辐照的所述样品中的任何原子核发出的核共振反射信号；
分析装置，用于分析所述接收的共振反射信号并确定是否有任何接收的共振反射信号指示样品中指定物质的存在；以及
报警装置，用于响应于所述分析装置确定有某些所述接收的共振反射信号指示样品中指定物质的存在，发出报警信号；
其中所说的分析包括对所有的所述核共振反射信号求和以产生一合成信号，对所述合成的共振信号进行付立叶变换，只记录落在与在该设置的温度范围内所述指定物质的受辐照核的共振频率相应的一个窄的频带范围内的那些信号，然后将所记录的信号与相应于所述指定物质的设置的参考值进行比较，以确定所述指定物质在所说的样品中是否存在。
该方法与前面提及的现有技术相比较，信噪比大约提高了
Figure C0081604500141
倍，并且实际上排除了由于温度变化和其他强度变化机制而引起的强度变化。
                附图说明
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，其中：
图1示出了本发明以NQR系统形式实施的方框图；
图2示出了以下类型的SSFP序列类型的修改形式的定时图：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
图3a，3b和3c示出了对于两种不同的瞬时频率，分别使用NPAPS、PAPS和是本发明的主题的类型的SSFP序列的修改形式的在时域中的反射信号图；
图4a和4b展示了分别在对用相应于以下类型的多脉冲序列的频率偏移所接收的反射信号求和之后所得到的合成信号的性质：
[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n
和[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]。
图5示出了对于由以下序列激发的接收NQR反射信号所获得的付立叶变换的信号的付立叶谱：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
图6示出了在数字滤波后的落在一窄的指定物质的共振频带范围内的与图5中的信号相应的对于接收的NQR反射信号的经付立叶变换的信号的付立叶谱。
                  具体实施方式
本实施例是采用NQR的方法来探测四极矩物质的存在的方法和设备，这些物质呈现由温度变化和其他的因素，如温度的梯度(在物质内)，结晶杂质、晶体相位和压力等引起的NQR强度的变化。这些材料包括某些类型的爆炸物和麻醉品，其中包含四极核素，如：14N，35Cl，39K，或37Cl。具体的例子是RDX(C3H6N6O6)和可卡因(C17H21NO4)。
如图1所示，一般来讲，用于探测爆炸物和麻醉品物质的设备11包括一频率合成器(FS)1，它产生一频率为f0的振荡信号，该频率接近于要检测的指定物质的NQR频率。然后振荡信号被送到射频(RF)门2的输入端，该RF门由一个从脉冲编程设备3的信号来控制，在射频门2的输出产生一个编程的RF脉冲序列。该RF脉冲序列接着经过功率放大器4放大，然后送到发射和接收探针5，该探针被放置在正被该设备检测的样品附近。
探针5包括一感应线圈，它形成共振环路的一部分，使得在放大的RF脉冲序列通过探针后，在受检样品体内产生射频磁场。探针5的感应线圈被放置为能与样品中产生的射频磁场相耦合，并能接收任何由所检物质产生的NQR反射信号，假如它存在于受检样品体中。
接收到的NQR反射信号传到接收器6，它放大接收信号并进行积分检测。因此，接收器6包括数字滤波装置来滤波接收的反射信号。为了这目的，参考电压从频率合成器送到接收器6，其一个信号的相位与另一个信号的相位偏移90°。离子积分通道的输出的低频信号被传导到中央处理单元(CPU)7，它进行信号的模数A/D转换、相干(coherent)累积、付立叶变换和频率滤波。
CPU7也控制从FS1输出的振荡信号的频率，和从控制RF门2的切换的脉冲编程设备3输出的信号。
在将脉冲序列加到样品后，CPU7提取出与所检物质的NQR频率相近的预置频率范围中的NQR反射信号，并将取出信号的值与一预定的阈值相比较，该阈值对应于如果实际出现所检物质的最小量时所期望的数值。该阈值大小的设置要考虑检测的相对几率和误报率。
当超出该预定的的阈值量时，CPU7发出一报警信号，并传列报警模块8。
当检查几种类型的爆炸物和麻醉品物质时，把FS1和探针环5调谐到与所检物质的共振频率相应的频率，对每种要检查的物质重复以上方法。
现在详细描述本发明的优选实施例的方法，加到探针上的脉冲序列采用SSFP序列的修改的形式，由以下公式描述
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，
这里θ是翻转角，τ是脉冲对之间的间隔，Δτ是一对脉冲内的脉冲之间的间隔，Δτ比τ小得多，并且下标0°和90°表示发射脉冲频率的相位。
如上所述，图2是本实施例中采用的特定SSFP序列形式的的定时图。尽管图G2表示为矩形脉冲形状，但是其他形状的脉冲也可以使用。
图3a，3b和3c显示对于两个发射频率的值，分别使用以下三种序列在时域中的接收的NQR反射信号的曲线，它们是NPAPS、PAPS序列和
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，
这里子图(i)用发射频率f1＝5.1865MHz，和子图(ii)用发射频率f2＝5.1871MHz。这两个频率分别与NPAPS的信号强度的最大值和最小值相对应。
用设备11在温度为23C°的条件下，从对RDX获得的实验数据得出所用序列采用下列参数：θ＝30°，τ＝0.8，Δτ＝0.2ms，n＝50。
使用成对的脉冲在该序列的观测窗中产生了附加的反射信号，这增加了NQR信号的强度。例如，如图3c所示，信号的最大强度和信噪比要比用PAPS，NPAPS或[τ/2-θ-τ/2]m等任何其它序列时的类似值增加了30％。
应当注意当m＝2n时，最后的序列变成等效于NPAPS序列。
图3特别展示了当用下列组合时同PAPS和NPAPS相比较所获得的信噪比的提高：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，
将偏移从频率f1改变到f2，它可能由温度效应引起，会使f2对应于所比较序列的窗口中信号强度的最大变化。
当用PAPS和NPAPS的组合在频率f1照射RDX时，只在NPAPS窗口中获得最大强度。在这种情况中在PAPS窗口中的NQR信号的强度为最小，小于最大值的40％(图3a和3b)。因此合成信号的总值在从PAPS和NPAPS组合的2n个窗口的累积后，等于1.4nUmax，，这里Umax是在NPAPS窗口中的信号幅值。
在2n累积后噪声值等于：
Figure C0081604500171
(Un是噪声的幅值)。
结果，信噪比大约等于
当在频率为f2的PAPS和NPAPS的组合辐照时，能获得相同的信噪比，该频率对应于在NPAPS观测窗中获得的最大信号。
现在讨论当在频率f1或频率f2用下列脉冲序列时该实施例的操作：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，
如图3c所示。
在此情况中，在序列的每个第二窗口(例如所有偶数窗口)，观测到最大信号，而在另一窗口(奇数窗口)，观测到最小信号。最大信号值等于1.3Umax并且最小信号值等于0.7Umax(Umax为早先定义的)。
噪声值与前面的例子相似。
作为从2n个窗口累积的结果所获得的信噪比，等于
其结果，所给序列的使用增加了信噪比，特别是此方法的灵敏度同PAPS和NPAPS的组合比较增大
Figure C0081604500174
倍。
图4a，4b展示了合成信号同频率的关系，在把序列的频率偏移中的所有序列窗口相加后，分别有
(i)[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n(PAPS和NPAPS的序列)
(ii)[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，(优选实施例中使用的序列)。
可见，使用下列组合：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，
相对于PAPS和NPAPS的组合，用周期1/τ完全排除了温度的影响和其他变化引起的强度的变化。
应指出使用根据本实施例的修改的带有成对脉冲的SSFP序列，结合下列分析方法，还允许消除探针减幅振荡和磁声减幅振荡，该分析方法包括：
-在一个窗口中把所有的序列窗口的信号相加；
-进行所得相加信号的付立叶变换，并且
-进行付立叶变换信号的数字滤波，它将样品信号从其它信号成分中鉴别出来。
而且，探针减幅振荡和磁声减幅振荡的频率与多脉冲序列的RF脉冲的发射频率相符合。序列脉冲
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，的发射频率的最佳偏移是相对于共振频率差几kHz。因此在合成信号的付立叶变换后NQR反射信号和减幅振荡(ringing)在频域内分隔开该偏移值。因此使用频率带宽高于减幅振荡频谱的成分的频率的数字滤波装置，能够从信号中排除减幅振荡。
图5表示从由以下序列激励的并把从各观测窗中获得的信号相加后得到的从NQR反射信号接收的付立叶变换信号的付立叶频谱：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
在本例中，所用的反射信号是探测物质RDX在发射频率5.1865MHz和温度23°的条件下接收的。序列的参数与从图3c(i)中表示的接收反射信号的观测参数相一致。减幅振荡信号峰值与付立叶变换信号的零频率相对应。NQR反射信号的峰值移动一所述频率偏移值6.5kHz。
图6表示图5中所示的获得的付立叶变换信号在数字滤波后的付立叶频谱。滤波器的低频截止频率等于500Hz。图6的频谱示出了只有NQR反射信号的付立叶变换信号，减幅振荡信号完全被消除了。然后该区分开的NQR反射信号与RDX的温度为23C时的参考值相比较，该参考值按照所需的真/伪探测几率比来预先设置。
使用上述给定序列的本实施例的成功来源于下列方面：
(a)当发射频率与共振频率的偏移由温度效应和其他强度变化机制引起的不可控制的变化时，在一些观测窗中记录的信号强度的减弱由其它窗中信号强度的增加所补偿。
(b)当累积时序中所有窗中的信号而获得的总信号被处理时，在单信号窗中引起的强度的变化不影响净结果。
(c)使用成对脉冲在各个观测窗中产生了附加的反射信号，这增加了观测信号的强度和信噪比，这反过来又决定了探测方法的灵敏度。
本实施例的特别的优点在于：它减弱了在RF场中由金属或其他某些材料通常产生的磁声减幅振荡的影响，本发明做到这一点是从根本上认识到在磁声减幅振荡的干扰和NQR反射信号之间的衰减时间的不同。另外，从入射RF脉冲时序派生出来的NQR反射信号在磁声信号完全耗散后到达，因此允许NQR在没有磁声减幅振荡干扰下探测。
应指出，本发明的范围不局限于这里所描述的具体实施例。尤其，本发明不限于核四极共振探测技术的应用，而且也适用于核磁共振探测技术的应用。在这方面，NMR不限于那些包含四极矩核的物质。本发明仍然适用于所有NMR材料。更进一步，本发明不限于只探测包括N和Cl四极矩核的物质，而且同样可应用于其他包含其余特定四极矩核的物质的探测。

Claims (22)

1、一种探测样品中指定物质的方法，包括：
用包含多个脉冲的脉冲序列来照射要从其中探测指定物质的样品中的原子核，其中所述脉冲序列包含成对的以一定的相移相互分离开的脉冲，以从指定物质中产生多个核共振反射信号，如果该指定物质存在的话；以及
分析所述反射信号，以探测所述指定物质的存在；
其中所述脉冲序列是一种修改的稳态自由进动的脉冲序列，它包含成对脉冲，每个所说的脉冲序列中的成对脉冲具有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述成对脉冲内的所述脉冲间隔大大小于在相邻的所述成对脉冲之间的所述成对脉冲的间隔。
3、如权利要求1所述的方法，其中，脉冲序列是由成对的脉冲组成的，相邻脉冲对的相位相差90°，如以下类型：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
并且发射频率相对于指定物质的受辐照原子核的共振频率有一偏移。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲序列是射频(RF)脉冲序列。
5、一种探测样品中指定物质的存在的方法，包括：
在一设定的温度范围内，以发射频率反射一多脉冲序列来辐照样品中的原子核；
接收并分析由所述多脉冲序列辐照的所述样品中的任何共振核发出的核共振反射信号，以探测样品中所述物质的存在；并且
其中脉冲序列包括成对的脉冲，相邻脉冲对的相位相差90°，如以下类型：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
所述发射频率相对于指定物质的受辐照核的预定共振频率有一个偏移；并且
所述分析包括对所接收的核共振反射信号进行付立叶变换，只记录落在与在该设置的温度范围内所述指定物质的受辐照核的共振频率相应的一个窄的频带范围内的那些反射信号，然后将所记录的反射信号与相应于所述指定物质的设置的参考值进行比较，以确定所述指定物质在所说的样品中是否存在。
6、如权利要求5所述的方法，包括相应于相邻脉冲对之间的时间间隔，在多脉冲序列的所有观测窗中接收所说的核共振反射信号，并且所述分析包括在每个窗口中对所述时间间隔求和，获得一合成信号，并对该合成信号进行付立叶变换以靠频率上的差别将样品中任何存在的指定物质产生的核共振反射信号与探针和声减幅振荡区别开来。
7、如权利要求5所述的方法，其中所述成对脉冲内的所述脉冲间隔大大小于在相邻的所述成对脉冲之间的所述成对脉冲的间隔。
8、一种用于探测样品中属于爆炸物和麻醉品类别的物质的方法，如含有14N，35Cl，39K或37Cl核素的物质，该方法采用核四极共振，并包括以下步骤：
(a)产生一修改的稳态自由进动RF脉冲序列，所说RF脉冲序列包含成对的脉冲，每对所说RF脉冲序列有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔；
(b)把所述RF脉冲序列发射到探针；
(c)用在(b)步骤发射到探针的所述RF脉冲序列辐照样品；
(d)响应于在步骤(c)对样品的辐照，探测在发射到所述探针的所述RF脉冲序列的成对脉冲之间的核四极共振反射信号；
(e)对所有所说的核四极共振反射信号求和得到一合成信号；
(f)对所说的合成信号进行付立叶变换；
(g)产生付立叶变换信号作为所说的付立叶变换的结果；
(h)频率过滤所说的付立叶变换信号；
(i)将在所说的步骤(h)中滤波后获得的信号与一个预定的参考幅值相比较，并且
(j)当所说的滤波后信号超出所说的参考幅值时发出提示信号。
9、如权利要求8所述的方法，其中，所述成对脉冲内的所述脉冲间隔大大小于在相邻的所述成对脉冲之间的所述成对脉冲的间隔。
10、如权利要求8所述的方法，其中，所述滤波后信号的最低频率大约为0.5-1.0kHz。
11、如权利要求8所述的方法，其中，所述RF脉冲序列的所述预定频率被设置在四极原子核的核四极共振频率的附近，四极原子核如在被探测物质中的14N，35Cl，39K，或37Cl。
12、如权利要求8所述的方法，其中所述被探测物质包括含14N核素的爆炸物或麻醉品。
13、如权利要求8所述的方法，其中，所述被探测物质包括含35Cl核素的爆炸物或麻醉品。
14、如权利要求8所述的方法，其中所述被探测物质包括含37Cl核素的爆炸物或麻醉品。
15、如权利要求8所述的方法，其中所述被探测物质包括含39K核素的爆炸物或麻醉品。
16、一种用于探测样品中指定物质的存在的装置，包括：
脉冲发生器，用于产生包括多个脉冲的脉冲序列，其中所述脉冲序列包括成对的脉冲，相互之间偏移一指定的相移；
辐照器，用于采用所述脉冲序列来辐照要从其中探测指定物质的样品中的原子核；以及
分析仪，用于分析用所述脉冲序列辐照样品从样品中产生的任何反射信号，以探测指定物质的存在；
其中，所述脉冲序列是一种修改的稳态自由进动的脉冲序列，它包含成对脉冲，每个所说的脉冲序列中的成对脉冲具有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔，所述脉冲序列能够从指定物质产生多个核共振反射信号，假如它存在于样品中的话。
17、如权利要求16所述的装置，其中所述成对脉冲内的所述脉冲间隔大大小于在相邻的所述成对脉冲之间的所述成对脉冲的间隔。
18、如权利要求16所述的装置，其中，脉冲序列是由成对的脉冲组成的，相邻脉冲对的相位相差90°，如以下类型：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
并且发射频率相对于指定物质的受辐照原子核的共振频率有一偏移。
19、如权利要求16所述的装置，其中，所述脉冲序列是射频(RF)脉冲序列。
20、一种用于探测样品中指定物质的存在的装置，包括：
多脉冲序列发生器，用于产生多脉冲序列，其包括成对的脉冲，其相邻脉冲对的相位相差90°，类型如下：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
发射器，用于以一发射频率发射所说的多脉冲序列以穿透一样品，并适应任何强度变化机制，该发射频率相对于指定物质被辐照原子核的预定共振频率有偏移；
接收器，用于接收由所述多脉冲序列辐照的所述样品中的任何原子核发出的核共振反射信号；
分析仪，用于分析所述接收的共振反射信号并确定是否有任何接收的共振反射信号指示样品中指定物质的存在；以及
报警器，用于响应于所述分析装置确定有某些所述接收的共振反射信号指示样品中指定物质的存在，发出报警信号；
其中所说的分析包括对所有的所述核共振反射信号求和以产生一合成信号，对所述合成的共振信号进行付立叶变换，只记录落在与在该设置的温度范围内所述指定物质的受辐照核的共振频率相应的一个窄的频带范围内的那些信号，然后将所记录的信号与相应于所述指定物质的设置的参考值进行比较，以确定所述指定物质在所说的样品中是否存在。
21、一种用于探测样品中指定物质的存在的装置，包括：
产生部件，用于产生包括多个脉冲的脉冲序列，其中所述脉冲序列包括成对的脉冲，相互之间偏移一指定的相移；
辐照部件，用于采用所述脉冲序列来辐照要从其中探测指定物质的样品中的原子核；以及
分析部件，用于分析用所述脉冲序列辐照样品从样品中产生的任何反射信号，以探测指定物质的存在；
其中，所述脉冲序列是一种修改的稳态自由进动的脉冲序列，它包含成对脉冲，每个所说的脉冲序列中的成对脉冲具有相同的持续时间、成对脉冲间隔和预定的频率，并且所述RF脉冲序列的每个偶数成对脉冲的相位与所述RF脉冲序列的每个奇数成对脉冲相差90°，其中所述成对脉冲的每个脉冲在所述成对脉冲内具有相同的相位、持续时间和脉冲间隔，所述脉冲序列能够从指定物质产生多个核共振反射信号，假如它存在于样品中的话。
22、一种用于探测样品中指定物质的存在的装置，包括：
产生部件，用于产生多脉冲序列，其包括成对的脉冲，其相邻脉冲对的相位相差90°，类型如下：
[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n
发射部件，用于以一发射频率发射所说的多脉冲序列以穿透一样品，并适应任何强度变化机制，该发射频率相对于指定物质被辐照原子核的预定共振频率有偏移；
接收部件，用于接收由所述多脉冲序列辐照的所述样品中的任何原子核发出的核共振反射信号；
分析部件，用于分析所述接收的共振反射信号并确定是否有任何接收的共振反射信号指示样品中指定物质的存在；以及
报警部件，用于响应于所述分析装置确定有某些所述接收的共振反射信号指示样品中指定物质的存在，发出报警信号；
其中所说的分析包括对所有的所述核共振反射信号求和以产生一合成信号，对所述合成的共振信号进行付立叶变换，只记录落在与在该设置的温度范围内所述指定物质的受辐照核的共振频率相应的一个窄的频带范围内的那些信号，然后将所记录的信号与相应于所述指定物质的设置的参考值进行比较，以确定所述指定物质在所说的样品中是否存在。
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