DE69636625T2

DE69636625T2 - Gerät und verfahren zum testen einer probe durch kernquadripolresonanz

Info

Publication number: DE69636625T2
Application number: DE69636625T
Authority: DE
Inventors: Alec John SMITH; Peter Simon BEEVOR; David Michael Rowe
Original assignee: QRSciences Pty Ltd
Current assignee: QRSciences Pty Ltd
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: EP0838036B1; JP2006322948A; EP0838036B8; JPH11509624A; WO1997003366A1; GB9514142D0; DE69636625D1; IL122810A0; IL122810A; EP0838036A1; AU1197597A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Kernquadrupolresonanz-Untersuchung einer Probe, die eine bestimmte Quadrupolkernspezies enthält, und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Maßes für den Abstand einer Probe von einer Sonde, wobei die Probe eine bestimmte Quadrupolkernspezies enthält.
Die Erfindung betrifft vorzugsweise die Untersuchung von im Folgenden als „fern" bzw. „entfernt" bezeichneten Proben. Zwar ist die folgende Definition nicht exklusiv, aber ferne Proben sind in der Regel Proben, die außerhalb der Ebene der Anregungs-/Erkennungs- bzw. Ermittlungssonde liegen, häufig in einem Abstand zu der Sonde, der mit der größten Querschnittsabmessung der Sonde vergleichbar ist oder darüber liegt. Mit einer Fernuntersuchung ist die Probe häufig nur von einer Seite zugänglich, beispielsweise wenn die Probe vergaben oder verborgen ist. Die Untersuchung von entfernten Proben, die nur von einer Seite zugänglich sind, wird häufig „einseitige" Untersuchung genannt; bei solchen Untersuchungen wird nur das Feld von einer Seite der Sonde genutzt, wobei die Sonde normalerweise auf der anderen Seite geschirmt ist.
Genauer betrifft die Erfindung die Erkennung bzw. Ermittlung des Vorhandenseins von fernen Proben, die Quadrupolkerne enthalten.
Beispielsweise ist ein spezielles Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung die Erkennung von ¹⁴N-Quadrupolsignalen in Drogen, wie Kokain und Heroin, die an oder in einer Person versteckt sind, möglicherweise mittels einer Handsonde. In industriellen Prozessen kann sie wiederum verwendet werden, um Signale von quadrupolhaltigen Stoffen zu erhalten. Solche Stoffe können Proteine in Lebensmitteln sein oder quadrupolhaltige Substanzen auf Förderbändern, in Öfen oder Kernreaktoren oder in chemisch oder physikalisch gefährlichen Umgebungen, in denen die Sonde entfernt vom Rest der Testvorrichtung angeordnet werden muss, möglicherweise sogar nur auf einer Seite des Systems. Die Sonde kann in dem Druckgefäß des Kernreaktors angeordnet sein, in dem extreme Temperaturen und Drücke herrschen können.
Ein weiteres spezielles Anwendungsbeispiel ist die Erkennung von ¹⁴N-Quadrupolresonanz-Signalen von Sprengstoffen, wie TNT, RDX, HMX, PETN und Zusammensetzungen solcher Stoffe, beispielsweise Semtex, die in Objekten enthalten sind, die auf dem Boden liegen oder die vergraben sind, oder die Erkennung solcher Sprengstoffe, die unter oder hinter Hindernissen oder an der Person verborgen sind.
Im Fall von Sprengstoffen können diese, wenn sie in relativ kleinen Mengen bereitgestellt sind (vielleicht 10 g bis 100 g oder 1 kg), beispielsweise (a) auf dem Boden verstreut sein oder (b) von Hand in einer Tiefe von einigen Zentimetern (z.B. 2 bis 6 cm) unter die Oberfläche gelegt worden sein. Falls sie in größeren Mengen bereitgestellt sind (vielleicht 1 kg bis 10 kg oder 20 kg – Fall (c)), sind sie in der Regel in einer Tiefe von etwa 1 bis 20 oder 25 cm abgelegt. Die Sonde hätte normalerweise einen Abstand von etwa 5 bis 20 cm zum Boden, und die Sprengstoffe wären normalerweise zwischen 1 und 5 cm dick. Falls der Abstand von der Sonde zum Boden z.B. die typischen 10 cm betragen würde und die Dicke des Sprengstoffs etwa 3 cm betragen würde, dann müsste die Sonde für Fall (a) ungefähr eine Tiefe von 8,5 cm überprüfen, für Fall (b) von 13 cm und für Fall (c) von 10 bis 35 cm.
Andere mögliche Anwendungen der Erfindung sind Erkundungen, beispielsweise im Bergbau, in der Tiefe von Bohrlöchern (beispielsweise für die petrochemische Erkundung) oder im Hochbau, beispielsweise für die Erkennung von Fehlern in Beton- oder Zementstrukturen.
Zu den bemerkenswertesten Quadrupolkernen gehören ¹¹B, ¹⁴N, ²³Na, ²⁵Mg, ²⁷Al, ³⁹K, ⁵¹V, ⁵⁵Mn, ⁵⁹Co, ⁶³Cu, ⁷⁵As, ¹²¹Sb und ²⁰⁹Bi. Die Probe liegt normalerweise eher in Mehrkristall- oder Pulverform statt in Einkristallform vor.
Im Gegensatz zu Kernmagnetresonanz-(NMR-)Verfahren weisen Kernquadrupolresonanz-(NQR-)Verfahren den Vorteil auf, dass es bei ihnen nicht notwendig ist, die Probe in ein starkes statisches Magnetfeld zu bringen; sie funktionieren normalerweise ganz ohne die Anlegung eines Magnetfelds. Störungen von metallischen oder ferromagnetischen Objekten können eliminiert werden.
Auf einem anderen verwandten Anwendungsgebiet kann die Erfindung verwendet werden, um eine Schätzung der Menge an sensiblem Material, das sich in der untersuchten Probe befindet, und von dessen Abstand zur Sonde zu liefern, was weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin als Zusatz zur Magnetresonanz-Bildgebung liefert.
Ein Verfahren zur Erkennung des Vorhandenseins einer bestimmten Spezies von Quadrupolkernen in einer Probe ist aus WO 9509368 (British Technology Group Ltd.) bekannt, welche die Priorität der UK-Patentanmeldung Nr. 9319875.2 beansprucht. Die Probe wird RF-Anregungsimpulsen einer bestimmten Form ausgesetzt, und die NQR-Antwort wird als freier Induktionsabfall (free induction decay, FID) unmittelbar im Anschluss an einen solchen Impuls (oder an solche Impulse) und/oder als Echos, die durch die Anwendung von zwei oder mehr solchen Impulsen erzeugt werden, beobachtet. Die Impulse sind vorzugsweise so geformt, dass sie in der Frequenzdomäne im Wesentlichen rechteckig sind, und werden einer Phasenänderung unterzogen, die eine zeitabhängige nicht-lineare, vorzugsweise quadratische Änderung über die Dauer des Impulses aufweist.
Die genannte Patentanmeldung beschreibt zusammen mit WO 9217794 (ebenfalls British Technology Group Ltd.), wie die Anregungsimpulse manipuliert werden können, um die nachteiligen Wirkungen von Temperatur- und Druckänderungen, denen die Probe ausgesetzt ist, auf die Leistung und Empfindlichkeit der NQR-Untersuchung zu reduzieren.
WO 9221989 (ebenfalls British Technology Group, Ltd.) beschreibt, wie ein Quadrupolresonanz-Bild von Proben erhalten werden kann, die innerhalb von einander gegenüber liegenden Spulenanordnungen enthalten sind. Wie oben angegeben, betrifft die vorliegende Erfindung hauptsächlich Fälle, in denen die Probe nur von einer Seite zugänglich ist, wie es für vergrabene Sprengstoffe typisch ist.
WO 9221987 und eine eng damit verwandte Schrift („NQR Detection Using a Meanderline Surface Coil" von Buess, M.L. et al., J. Mag. Res. 92, 1991, 348-362) beschreiben eine Meanderlinien-Oberflächenspule, die bewusst für die Erkennung von Sprengstoffen und Betäubungsmitteln nur bis zu einer sehr geringen Tiefe ausgelegt ist, in der Regel 1 oder 2 cm, was ein sehr kleiner Bruchteil der Gesamtabmessung der Sondenspule ist. Die begrenzte Tiefe, bis zu der die Meanderlinienspule wirksam ist, ist völlig unzureichend für viele Zwecke von praktischem Interesse.
Eine Schrift von Hirschfeld et al. mit dem Titel „Short Range Remote NQR Measurements" (J. Mol. Struct. 58, 1980, 63-77) offenbart die Erkennung von vergrabenen Sprengstoffen mittels NQR-Verfahren. Es werden getrennte Versuche beschrieben, wobei in einem der Sprengstoff in einer Tiefe von 6 cm erkannt wird, und in einem anderen die Tiefe 10 cm beträgt. In jedem Fall ist die Untersuchungsvorrichtung für die spezielle Tiefe von Interesse optimiert. Es wird keinerlei Verfahren vorgeschlagen, um Sprengstoffe in einer anderen Tiefe zu erkennen, nicht einmal, dass eine Erkennung in anderen Tiefen wünschenswert wäre.
Eine Schrift von Rommel et al. mit dem Titel „Spectroscopic rotating-frame NQR imaging (NQRI) using surface coils" (Meas. Sci & Tech., 2, 1991, 866-871) offenbart ein NQR-Bildgebungsverfahren. Gradienten der Funkfrequenzamplitude, die für das Verfahren benötigt werden, werden von Oberflächenspulen erzeugt. In einem Abstandsbereich zu den Spulen wird der Gradient der Funkfrequenzamplitude als praktisch konstant beschrieben. Eine Funkfrequenzanregung wird von den Oberflächenspulen angelegt, um Kernquadrupolresonanz für einen ausgewählten Bereich des Abstands einer Probe zu den Spulen anzuregen, wobei der ausgewählte Abstandsbereich mehr als 1/10 der maximalen Spulenabmessungen beträgt. Das Verfahren erfordert die Anlegung einer großen Zahl von Impulsen mit inkrementell zunehmenden Impulsbreiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde nun erkannt, dass es bei der Untersuchung von entfernten Proben günstig ist, Untersuchungen über einen erheblichen ausgewählten Abstandsbereich zu der bzw. den Anregungs-/Erkennungssonde(n) statt nur in einem oder zwei festgelegten Abständen durchzuführen. Wie hierin in diesem Kontext verwendet, ist der Ausdruck „erheblich" so definiert, dass der Abstand z.B. mindestens ein Zehntel der maximalen Querschnittsabmessung der Anregungs-/Erkennungssonde ist. Natürlich sind auch andere Proportionen möglich, wie 1/5 der maximalen Abmessung oder 1/3 oder 1/2. Der ausgewählte Bereich kann sogar gleich groß oder größer als die maximale Abmessung sein. Bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder als Sonde eine flache Spiralspule mit einem Außendurchmesser (einer maximalen Querschnittsabmessung) von ungefähr 25 cm verwendet. Der ausgewählte Bereich lag etwa zwischen 5 und 25 cm von der Spule entfernt.
Es wurde ferner gefunden, dass herkömmliche Anregungsverfahren, wie sie von Hirschfeld et al. gelehrt werden, über die oben genannten erheblichen Bereiche nicht zufrieden stellend funktionieren. Wie nachstehend ausführlich erklärt wird, wurde überraschenderweise gefunden, dass herkömmliche Verfahren über jeden erheblichen Bereich erwarten lassen, dass sie eine mangelnde Gleichmäßigkeit der Erkennungsempfindlichkeit entstehen lassen, in einem Ausmaß, dass Proben in bestimmten Tiefen überhaupt nicht erfasst werden könnten.
Die vorliegende Erfindung versucht in verschiedenen bevorzugten Aspekten nicht nur für eine gute Empfindlichkeit über einen erheblichen Abstandsbereich zu sorgen, sondern auch bei einem ausgewählten Bereich, der in einem erheblichen Abstand (Entfernung) zu der oder den Sonde(n) beginnt. In diesem Zusammenhang bedeutet „erheblich" z.B. mindestens 1/10, 1/5, 1/3 oder 1/2 oder noch stärker bevorzugt mehr als die maximale Sondenabmessung. Dadurch wird berücksichtigt, dass in vielen Situationen von praktischem Interesse die Sonde(n) einen erheblichen Abstand zur Probe aufweisen kann bzw. können.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für die Erkennung einer entfernten Probe, die eine bestimmte Quadrupolkernspezies enthält, geschaffen, welche folgendes einschließt: mindestens eine Sonde mit einer gegebenen maximalen Querschnittsabmessung; Mittel zur Anregung der Sonde, um Kernquadrupolresonanz über einen ausgewählten Bereich des Abstands von der Probe zur Sonde anzuregen, wobei die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, ein nicht-uniformes bzw. nicht-gleichmäßiges Feld über den ausgewählten Bereich zu erzeugen; wobei der ausgewählte Bereich mindestens ein Zehntel der gegebenen maximalen Abmessung der Sonde beträgt und die Anregung mindestens einen Anregungsimpuls einschließt; und ein Steuermittel zur Steuerung der Anregung, wobei:
die Sonde so angeordnet ist, dass für jeden Anregungsimpuls der Anregung Resonanzantwortsignale, die an Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs angeregt werden, an der Sonde empfangen werden; und die Vorrichtung ferner Mittel zur Erkennung und Verarbeitung von Resonanzantwortsignalen, die an Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs angeregt und an der Sonde empfangen werden, einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung der Erkennung des Vorhandenseins einer vergrabenen oder verborgenen Probe dient, falls die vergrabene oder verborgene Probe in dem ausgewählten Abstandsbereich zur Probe vorhanden ist; das Steuermittel dafür ausgelegt ist, die Anregung so zu steuern, dass jeder Anregungsimpuls der Anregung eine aus gewählte Breite und Effektivwert- bzw. Effektivleistung aufweist, wobei die ausgewählte Breite und Effektivleistung ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass jeder Anregungsimpuls der Anregung Nichtnull-Resonanzantwortsignale jeweils an allen Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs anregt, wenn man unterstellt, dass die Probe an all diesen Abständen vorhanden ist; das Erkennungsmittel dafür ausgelegt ist, die Resonanzantwortsignale, die in Abständen im ausgewählten Bereich durch die Anlegung des oder der Anregungsimpulse(s) mit der ausgewählten Breite und Effektivleistung angeregt werden, unabhängig von etwaigen Resonanzantwortsignalen, die an Abständen in dem ausgewählten Bereich durch die Anlegung etwaiger anderer Anregungsimpulse angeregt werden, zu verarbeiten, wodurch das Vorhandensein der Probe in dem ausgewählten Abstandsbereich erkannt wird.
Die Beschränkung, dass die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, ein nichtgleichmäßiges Feld über den ausgewählten Bereich zu erzeugen, soll vorzugsweise so aufgefasst werden, dass Strukturen ausgeschlossen sind, wo die Probe von beiden Seiten zugänglich ist (beispielsweise Spulen in Helmholtz-Paaren), wobei paarige Spulen verwendet werden, um hoch gleichmäßige B₁-Felder zu erzeugen. Somit kann „nicht-gleichmäßig" eine Änderung von z.B. mehr als 3, 5 oder 10 % im Feld über den ausgewählten Bereich bedeuten.
Durch Anordnung des Mittels zur Anregungsanlegung, um Nichtnull-Resonanzantwortsignale an allen Abständen in dem ausgewählten Bereich zu erhalten, kann die vorliegende Erfindung bedeutend mehr gleichmäßige Empfindlichkeit bei der Untersuchung von entfernten Objekten über den ausgewählten Bereich liefern als es möglich wäre, wenn herkömmliche Verfahren für die Untersuchung der entfernten Proben verwendet würden.
Als Hinweis für die annehmbare Änderung der Empfindlichkeit über den ausgewählten Bereich ist die Anregung vorzugsweise so, dass für eine bestimmte Probe das über den ausgewählten Probenabstandsbereich erfasste minimale Reso nanzantwortsignal nicht unter einem Zwanzigstel des maximalen Resonanzantwortsignals liegt, vorzugsweise nicht unter 1/10, 1/5, 1/4, 1/3 oder 1/2.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass ein Puls- bzw. Flipwinkel erzeugt wird, der über den ausgewählten Bereich im Wesentlichen konstant ist, so dass die Antwortsignale über den ausgewählten Bereich so gleichmäßig wie möglich sind. Wie hierin gelehrt, kann dies auf verschiedene Weise erreicht werden, einschließlich der Verwendung einer Anregung in Form von geeignet geformten Impulsen.
Der Ausdruck „im Wesentlichen konstant" soll angesichts des allgemeinen Ungenauigkeitsgrads interpretiert werden, der einer NQR-Untersuchung innewohnt. Beispielsweise kann der niedrigste Flipwinkel geeigneterweise größer als 50 %, 75 % oder 90 % des höchsten Flipwinkels sein.
Ebenfalls bevorzugt ist, dass die Anregung so ist, dass in dem ausgewählten Bereich ein Flipwinkel von mindestes 90° effektiv an mindestens einem Ort erzeugt wird, vorzugsweise an mindestens zwei getrennten Orten. Wie nachstehen ausführlicher mit Bezug auf die drei bevorzugten Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert wird, kann dieses Merkmal eine wirksame Möglichkeit für die praktische Umsetzung der Erfindung liefern.
Die Sonde oder mindestens eine der Sonden kann die Form einer Spiralspule aufweisen, da diese Anregung in einem erheblichen Abstand von der oder den Sonde(n) und über einen erheblichen Abstandsbereich senden und empfangen kann.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass sie einen Flipwinkel von über 90°_effektiv, aber unter 180°_effektiv an dem äußersten Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das nahe an der Sonde oder der einen von den Sonden liegt, erzeugt. Durch dieses Merkmal kann, wie nachstehend ausführlich erklärt wird, eine bestimmte Region der Flipwinkel/Abstand-Kurve genutzt werden, wo der Flipwinkel mit zunehmendem Abstand von der Sonde oder von der einen dieser Sonden tatsäch lich wächst. Dies kann ein NQR-Untersuchungsverfahren ermöglichen, für das die Empfindlichkeit über den ausgewählten Bereich erheblich gleichmäßiger ist als dies bei Verwendung herkömmlicher Verfahren möglich wäre.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass das äußerste Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das näher an der Sonde oder der einen von den Sonden liegt, näher an dem Ort liegt, an dem der Flipwinkel 180°_effektiv beträgt, als an dem, wo der Flipwinkel 90°_effektiv ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Region, die für die Flipwinkel/Abstand-Kurve günstig ist, gut genutzt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Flipwinkel von 90°_effektiv einer ist, der einen maximalen freien Induktionsabfall an der Empfängerspule/-sonde erzeugt; ein Flipwinkel von 180°_effektiv ist einer, der null freien Induktionsabfall an der Empfängerspule/-sonde erzeugt. Für ein Spin-System mit I = 1 entsprechen diese Werte 119°(_aktuell) bzw. 257°_(aktuell).
Aus dem gleichen Grund ist die Anregung vorzugsweise so, dass das äußerste Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das weiter weg von der Sonde oder von der einen von den Sonden liegt, weiter weg als der Ort ist, an dem, zwischen einem Flipwinkel von 0 und 180°_effektiv, die Anregung das stärkste Resonanzantwortsignal in der Probe erzeugen würde.
Wiederum ist aus dem gleichen Grund die Anregung vorzugsweise so, dass der Flipwinkel an dem äußersten Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das weiter weg von der Sonde oder von der einen von diesen Sonden liegt, unter 90°_effektiv, vorzugsweise unter 75, 60 oder sogar 30°_effektiv liegt.
Vorzugsweise ist das Mittel zur Anregungsanlegung so, dass es, vorzugsweise bei der gleichen Anregungsfrequenz, mindestens eine erste und eine zweite Art der Anregung anlegt, wobei die erste Art der Anregung so ausgelegt ist, dass sie einen Flipwinkel erzeugt, der sich an jedem einzelnen Ort innerhalb des ausgewählten Bereichs von dem unterscheidet, der von der zweiten Art der Anregung an diesem speziellen Ort erzeugt wird.
Dies ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, eine Untersuchungsempfindlichkeit zu erhalten, die über den ausgewählten Bereich wesentlich gleichmäßiger ist als dies möglich wäre, wenn herkömmliche Verfahren angewendet würden, da die beiden (oder die mehreren) Arten der Anregung einzeln für zwei oder mehr Unterbereiche innerhalb des ausgewählten Bereichs optimiert werden können.
Vorzugsweise sind die Vielzahl von Anregungen miteinander überlappt bzw. verschränkt, um einen wiederkehrenden Anregungszyklus zu bilden, wobei jede Art der Anregung während jedem dieser wiederkehrenden Anregungszyklen angelegt wird. Auf diese Weise muss die Dauer der Untersuchung im Vergleich mit dem Fall, dass nur eine Art der Anregung verwendet wird, insgesamt nicht wesentlich erhöht werden.
Wenn die Vielzahl von Anregungsarten miteinander verschränkt sind, geht vorzugsweise in jedem dieser wiederkehrenden Zyklen die Anregung, die den niedrigeren oder den niedrigsten Flipwinkel erzeugt, der Anregung voran, die den höheren oder den höchsten Flipwinkel erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass dies ein Merkmal ist, das besonders wichtig ist, um eine ausreichend gleichmäßige Empfindlichkeit zu erzeugen.
Wiederum ist für eine gleichmäßige Empfindlichkeit das Erkennungsmittel so ausgelegt, dass es die Resonanzsignale, die als Antwort auf die jeweiligen Arten der Anregung erzeugt werden, getrennt aufnimmt und verarbeitet.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Bestimmung eines Maßes für den Abstand der Probe von der Sonde oder von der einen von den Sonden dienen, in welchem Fall sie vorzugsweise Mittel zur Vergleichung der Resonanzsignale, die als Antwort auf die jeweiligen Arten der Anregung erzeugt werden, und zur Bestimmung eines Maßes für den Abstand der Proben von der Sonde oder von der einen der Sonden anhand dieses Vergleichs einschließt.
Durch dieses Merkmal wird ein relativ einfaches, aber effizientes Verfahren zur Bestimmung des Abstands einer bestimmten entfernten Probe geschaffen. Diese Informationen könnten besonders nützlich sein, wenn die Probe in irgendeiner Weise verborgen ist.
Vorzugsweise ist das Vergleichs- und Bestimmungsmittel zusätzlich so ausgelegt, dass es aus dem Vergleich ein Maß für die Menge der vorhandenen Art quadrupolaren Kerns bzw. Quadrupolkernspezies bestimmt. Wiederum bevorzugt ist das Mittel zur Anregungsanlegung so ausgelegt, dass es mindestens zwei unterschiedliche Paare von erster und zweiter Art der Anregung anlegt, da die Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Anregungspaaren die Empfindlichkeit der Untersuchungen verbessern kann, insbesondere dann, wenn mehr als eine Probe im ausgewählten Bereich angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Erkennung des Vorhandenseins einer entfernten Probe, die eine bestimmte Spezies von Quadrupolkernen einschließt, und umfasst: die Bereitstellung mindestens einer Sonde mit einer gegebenen maximalen Querschnittsabmessung; die Anlegung von Anregung an die Sonde, um eine Kernquadrupolresonanz für einen ausgewählten Bereich des Abstands der Probe zu der Sonde anzuregen, wobei ein nicht-gleichmäßiges Feld über den ausgewählten Bereich erzeugt wird, wobei der ausgewählte Bereich mindestens ein Zehntel der gegebenen maximalen Abmessung der Sonde ist und die Anregung mindestens einen Anregungsimpuls einschließt; den Empfang von Resonanzantwortsignalen, die an Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs angeregt werden, an der Sonde für jeden Anregungsimpuls der Anregung; und die Erkennung und Verarbeitung von Resonanzantwortsignalen, die an Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs angeregt und an der Sonde empfangen werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der Erkennung des Vorhandenseins einer vergrabenen oder verborgenen Probe dient, wenn die vergrabene oder verborgene Probe in dem ausgewählten Bereich des Abstands zu der Sonde vorhanden ist, wobei das Verfahren ferner die Steuerung der Anregung einschließt, so dass jeder Anregungsimpuls der Anregung eine ausgewählte Breite und eine ausgewählte Effektivleistung hat, wobei Breite und Effektivleistung so ausgewählt sind, dass sie sicherstellen, dass jeder Anregungsimpuls der Anregung jeweils Nichtnull-Resonanzantwortsignale an allen Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs anregt, wenn man unterstellt, dass die Probe an all diesen Abständen vorhanden ist; die Verarbeitung der Resonanzantwortsignale, die an Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs durch Anlegen der Anregungsimpulse mit der ausgewählten Breite und der ausgewählten Effektivleistung angeregt werden, unabhängig von etwaigen Resonanzantwortsignalen, die an Abständen innerhalb des ausgewählten Bereichs durch Anlegen etwaiger anderer Anregungsimpulse angeregt werden, wodurch das Vorhandensein der Probe in dem ausgewählten Abstandsbereich erkannt wird.
Die Sonde(n) könnten im Allgemeinen (zum jeweiligen Zeitpunkt) nur auf einer Seite der Probe positioniert sein.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass für eine bestimmte Probe über den ausgewählten Probenabstandsbereich das minimale erfasste Resonanzantwortsignal nicht unter einem Zwanzigstel, vorzugsweise nicht unter 1/10, 1/5, 1/4, 1/3 oder 1/2 des maximalen Resonanzantwortsignals liegt.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass ein Flipwinkel erzeugt wird, der über den ausgewählten Bereich im Wesentlichen konstant ist.
Vorzugsweise ist die Anregung eine gepulste Anregung, die mit einem Impulswiederholungstakt τ wiederholt wird, wobei die Probe eine Spin/Gitter-Relaxationszeit T₁ aufweist und der Wert von τ/T₁ unter 5, vorzugsweise unter 2, 1, 0,5, 0,1 oder sogar 0,05 liegt. Es hat sich gezeigt, dass durch dieses Merkmal die Erkennungsempfindlichkeit über den ausgewählten Bereich einer Gleichmäßigkeit näher kommen kann.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass in dem ausgewählten Bereich ein Flipwlnkel von mindestens 90°_effektiv an mindestens einem Ort erzeugt wird, vorzugsweise an mindestens zwei getrennten Orten.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass ein Flipwinkel von mindestens 90°_effektiv, aber weniger als 180°_effektiv, an dem äußersten Ende des ausgewählten Abstandsbereichs, das der Sonde oder der mindestens eine Sonde näher liegt, erzeugt wird.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass das äußerste Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das sich näher an der Sonde oder der mindestens einen dieser Sonden befindet, sich näher an dem Ort befindet, an dem der Flipwinkel 180°_effektiv beträgt, als an dem Ort, an dem der Flipwinkel 90°_effektiv beträgt.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass das äußerste Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das weiter weg von der Sonde oder von der mindestens einen dieser Sonden liegt, weiter weg ist als der Ort, an dem, zwischen einem Flipwinkel von 0 und 180°_effektiv die Anregung das stärkste Resonanzantwortsignal in der Probe erzeugen würde.
Vorzugsweise ist die Anregung so, dass der Flipwinkel an dem äußersten Ende des ausgewählten Probenabstandsbereichs, das weiter von der Sonde oder der mindestens einen dieser Sonden weg ist, unter 90°_effektiv, vorzugsweise unter 75, 60 oder sogar 30°_effektiv liegt.
Vorzugsweise werden mindestens eine erste Art und eine zweite Art von Anregung angelegt, vorzugsweise bei der gleichen Anregungsfrequenz, wobei die erste Art der Anregung so ausgelegt ist, dass ein Flipwinkel erzeugt wird, der sich an jedem einzelnen Ort innerhalb des ausgewählten Bereichs von dem unterscheidet, der von der zweiten Art von Anregung an dem speziellen Ort erzeugt wird.
Vorzugsweise sind die mehreren Arten der Anregung untereinander verschränkt, um einen wiederkehrenden Anregungszyklus zu bilden, wobei jede der Anregungsarten während jedes einzelnen dieser Wiederholungszyklen angelegt wird.
Vorzugsweise geht in jedem dieser Wiederholungszyklen die Anregung, die den niedrigeren oder den niedrigsten Flipwinkel erzeugt, der Anregung, die den höheren oder den höchsten Flipwinkel erzeugt, voran.
Vorzugsweise werden die Resonanzsignale als Antwort auf die jeweiligen Arten der Anregung separat aufgenommen und verarbeitet.
Das Verfahren kann ein Verfahren zur Bestimmung eines Maßes für den Abstand der Probe von der Sonde oder einer von diesen Sonden sein, in welchem Fall vorzugsweise die Resonanzsignale, die als Antwort auf verschiedene Arten von Anregung erhalten werden, verglichen werden und ein Maß für den Abstand der Probe von der Sonde oder von einer von den Sonden anhand des Vergleichs bestimmt wird.
Vorzugsweise wird anhand des Vergleichs zusätzlich ein Maß für die Menge der gegebenen Quadrupolkernspezies bestimmt.
Vorzugsweise werden mindestens zwei verschiedene Paare aus ersten und zweiten Arten von Anregungen angelegt.
Als allgemeines Beispiel für die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wird das Beispiel der Erkennung des Vorhandenseins von Sprengstoffen (in diesem speziellen Fall des Sprengstoffs RDX) in einem bestimmten Bereich betrachtet. 5 : 1 wird allgemein als annehmbares Signal/Rausch-Verhältnis (definiert als RMS- Signal-Rauschspannung) betrachtet. Versuche, die gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, zeigen, dass ein Signal/Rausch-Verhältnis von 5 : 1 mit einer mäßig großen Probe von RDX bei einem realistischen Abstand zu einer Sonde (einige zehn Zentimeter) in wenigen Sekunden erhalten werden kann. Ähnliche Aufnahmezeiten würden auch für kleinere Proben in geringeren Tiefen und größere Proben in größeren Tiefen gelten. Innerhalb dieser Grenzen könnte tatsächlich eine gleichzeitige Erkennung von Sprengstoffen über einen Tiefenbereich innerhalb einer kurzen Aufnahmezeit erreicht werden. Es wird geschätzt, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte, um ein Gebiet in einer annehmbar kurzen Zeit von Sprengstoffen zu befreien.
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie Beispiele für deren Funktionsweise und die Theorie, die der Erfindung zugrunde liegt, werden nun – lediglich anhand von Beispielen – mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, worin:
1 eine Reihe von Diagrammen des von einer Sonde empfangenen Signals bei variierendem Probenabstand Z zeigt;
2 ein Blockschema einer bevorzugten Ausführungsform der Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Blockschema einer Impulsformungseinheit ist, die einen Teil der Untersuchungsvorrichtung darstellt;
4 eine Reihe von Diagrammen von Signalstärke versus Flipwinkel für die verschiedenen τ/T₁-Werte, die im Einsatz dargestellt sind, zeigt, wobei τ die Impulswiederholungszeit ist, T₁ die Spin/Gitter-Relaxationszeit ist;
5 eine Reihe von Diagrammen von Signalstärke gegen Abstand Z für die verschiedenen Werte des im Einsatz dargestellten Verhältnisses τ/T₁ zeigt;
6(a) und 6(b) Spektren für Proben des Sprengstoffs RDX an zwei verschiedenen Abständen zu einer RF-Sonde der Testvorrichtung sind;
7 ein Spektrum ist, das denen der 6 ähnlich ist, aber für einen anderen Abstand;
8 eine Impulssequenz zur Verwendung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 ein Konturendiagramm für Signalstärke gegen B₁-Feld und Frequenzverschiebung für eine adiabatische Half-Passage-Impulssequenz ist;
10 ein ähnliches Diagramm für eine BIR-4-Impulssequenz ist;
11 ein ähnliches Diagramm für eine einfache rechteckige Impulssequenz ist; und
12 ein Diagram von Signalstärke gegen Zeit für eine BIR-4-Impulssequenz ist.
Die Theorie, die der Erfindung zugrunde liegt, wird zunächst mit Bezug auf 1 beschrieben.
Bekannte Verfahren zur Erkennung des Vorhandenseins einer bestimmten Substanz in einer Probe, wie in WO-92/21989 beschrieben, werden herkömmlich durchgeführt, während sich die Probe auf einem Förderband oder dergleichen befindet, und so, dass ein Paar Helmholtz-RF-Spulen verwendet wird, wobei die Probe zwischen den Spulen und nahe an diesen angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein relativ gleichmäßiges RF-Feld über die ganze Probe und somit eine relativ gleichmäßige Erkennungsempfindlichkeit aufrechterhalten werden.
Bei der Erkennung von entfernten Proben, wie vergrabenen oder verborgenen Objekten, wäre andererseits der Abstand von der Probe zur Sonde in der Regel erheblich, beispielsweise größer als irgendein Maß der Größe der Sonde, wie deren maximale Abmessung (üblicherweise der Außendurchmesser der RF-Spule). Auch ist es generell nur möglich, eine oder mehrere Sonden auf einer Seite der Probe anzuordnen. Unter solchen Umständen ist die RF-Spule, wenn eine herkömmliche Anregung angewendet wird, generell nicht in der Lage, ein gleichmäßiges RF-Feld B₁ innerhalb des gesamten Sichtfeldes zu erzeugen, dies kann eine Erkennungsempfindlichkeit liefern, die sehr ungleichmäßig ist. Dies wird ausführlich durch die folgende Analyse erläutert.
Ein Anregungsimpuls bei der Resonanzfrequenz ω_α der relevanten Quadrupolkerne kann so betrachtet werden, als würde er einen nominalen Flipwinkel α erzeugen, der von dem RF-Feld B₁ und der Impulsbreite t_w abhängt. Solange der Kontext nichts anderes verlangt, bezeichnet der Ausdruck „Flipwinkel", wie hierin verwendet, den tatsächlichen und nicht den „effektiven" Wert. Beispielsweise ist 119° für Spin-1-Systeme der Flipwinkel, der das maximale Signal liefert, wodurch er einem wirksamen 90°-Flip entspricht.
Für Spin-1-Kerne α = 2 γ B1 tw (1)
Das Signal S_x, das durch eine polykristalline Probe in der Spule erzeugt wird, hängt von α ab, gemäß dem Ausdruck
der ein Maximum bei α = 119° (0,66 π Radiant), einen Wert null bei 257° (1,43 π Radiant) und das erste negative Maximum bei 340° (1,90 π) hat. Die Gleichung 2 wurde für den vollständig relaxierten Fall abgeleitet, wo τ größer oder gleich 5T₁ ist.
τ ist die Impulswiederholungszeit, die Zeit zwischen aufeinander folgend wiederholten Impulsen oder Impulssequenzen. T₁ ist die Spin/Gitter-Relaxationszeit für die relevanten Kernspezies.
Nun wird auf 1 Bezug genommen. 1 zeigt eine Reihe von Diagrammen des Signals, das von einer echten Spiral-RF-Spule empfangen wird, wenn der Probenabstand zur Ebene der Spule, Z, variiert wird; jedes einzelne Diagramm ist für einen Impuls, dessen Breite (Dauer) (als „t_p(119°") bezeichnet) so gewählt wurde, dass der optimale Flipwinkel von 119° in einem bestimmten Probenabstand Z erzeugt wird. Die t_p(119°)-Impulsbreite ist neben dem Probenabstand in dem Einsatz der Figur angegeben. Die Signalstärkenskala wurde bei Z = 0 auf 1 normalisiert. Somit stellt jedes Diagramm das Signal dar, das an der Spule empfangen wird, wenn die Probe aus ihrer 119°C-Position bewegt wird.
In 1 stellt die durchgezogene Linie, die mit („Spulenfunktion") bezeichnet ist, für eine echte Spiralspule das Signal dar, das von der Spule von der Antwort einer Probe bei Z auf einen t_p(119°)-Impuls erhalten wird, der für den speziellen Wert von Z geeignet ist. Da ein t_p(119°)-Impuls gewählt wurde, ist die in der Spule induzierte Magnetisierung für jeden Z-Wert gleich. Durch das Reziprozitäts-Gesetz für Senden und Empfangen von Magnetfeldern für eine Spule wäre dieses Diagramm, bei geeigneter Skalierung, einem Diagramm für die Verteilung des B₁-Feldes über den Abstand Z identisch. Die Änderung von B₁ mit Z für eine echte Spiralspule wird von der nachstehend gegebenen Gleichung 4 bestimmt.
Abgesehen von dem Spulenfunktionsdiagramm sind die übrigen Diagramme theoretische Diagramme, wobei sie Diagramme der relevanten Bessel-Funktionsantwortkurve sind. Jedoch wurden die speziellen Impulsbreiten t_p(119°) bei gegebenen Werten für Z experimentell für die spezielle Vorrichtung abgeleitet, die verwendet wird, um die Theorien, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, zu untersuchen. Genauer wurden die Diagramme von 1 abgesehen von dem „Spulenfunktion"-Diagramm durch eine gleichzeitige Auflösung der Gleichun gen 1, 2 und 4 abgeleitet. Bei gegebener Änderung für eine speziellen Impuls des B₁-Feldes mit Z aus Gleichung 4 kann B₁ dann mittels der Gleichung 1 in einen Flipwinkel umgewandelt werden, um die Abhängigkeit des Flipwinkels von Z zu erhalten; es ist offensichtlich, dass für einen speziellen Impuls der in den Proben erzeugte Flipwinkel abnimmt, wenn Z zunimmt. Die Signalstärke, die an der Probe für einen bestimmten Z erzeugt wird, kann dann bei gegebener Änderung des Flipwinkels mit Z aus Gleichung 2 abgeleitet werden. Schließlich kann das Signal, das an der (Empfänger-) Spule empfangen wird, aus der Änderung der Signalstärke an der Probe mit Z durch eine weitere Anwendung der Gleichung 4 erhalten werden.
Während die Diagramme von 1 für den speziellen Typ der verwendeten Spiralspule spezifisch sind, könnten natürlich analoge Diagramme für andere Spulenkonfigurationen unter Verwendung einer anderen Beziehung in Gleichung 4 abgeleitet werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in 1 dargestellten Kurven für die Situation abgeleitet wurden, wo τ/T₁ größer oder gleich 5 ist. Anders ausgedrückt, es wird angenommen, dass das Antwortsignal vollständig relaxiert ist, so dass das Signal nicht gesättigt ist.
Es wird nun angenommen, dass es gewünscht wird, vergrabene Proben bis zu maximalen Abständen von z.B. 25 bis 30 zur Ebene der Spule zu erkennen. Es wird ferner angenommen, dass, um das maximale Signal von einer Probe bei einer Tiefe von (z.B.) 30 cm zu erzeugen, das B₁-Feld und/oder die Impulsbreite t_w so angepasst werden, dass der optimale Flipwinkel (beispielsweise 119°) bei diesem Abstand erhalten wird. Dies würde durch Einstellen der Impulsbreite auf 1400 μs für eine Effektiv-Impulsleistung von 675 W unter Verwendung der speziellen Untersuchungsvorrichtung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, erreicht. Weiter zeigt 1 das Signal, das von der RF-Sonde mittels der Impulsdauer (1400 μs) empfangen wird, die für die Tiefe von 25 bis 30 cm optimiert ist, wenn der Probenabstand Z variiert wird (siehe die kurz gestrichelte Linie). Es be steht tatsächlich ein Maximum der Signalstärke zwischen 25 und 30 cm, aber bei dazwischen liegenden Abständen oszilliert das Signal in Bezug auf Größe und Vorzeichen, und bei einigen Abständen, beispielsweise 13,5 und 17,5 cm, ist das Signal tatsächlich null, so dass Proben, die nahe diesen Abständen zentriert sind, sehr schwache oder sogar Null-Antworten erzeugen würden. Es liegen tatsächlich nicht weniger als sieben Nullpunkte in der Region von Z = 10 cm bis zu der Region von Interesse vor, so dass daraus ein erheblicher Mangel an Empfindlichkeit entstehen könnte.
Wenn zwei Proben in dem Sichtfeld erkannt werden müssten, könnten ihre Signale außerdem, wenn eine neben einem positiven Peak liegt und eine neben einem negativen Peak liegt, fast oder genau entgegengesetzte Phasen bei der Resonanz haben. Somit könnten sich die Signale fast oder ganz auslöschen, wodurch eine falsche negative Antwort von der Untersuchungsvorrichtung erzeugt würde. In dem oben beschriebenen Beispiel ist aus 1 ersichtlich, dass, wenn eine Probe einen Abstand von 26 cm hätte und die andere einen Abstand von 14 cm, es zu einer Signallöschung kommen könnte. Ein ähnlicher Effekt könnte auch mit einer einzigen länglichen Probe auftreten.
Falls die Temperaturen der beiden Proben und damit ihre Resonanzfrequenzen unterschiedlich wären, beispielsweise aufgrund von Wärmegradienten im Boden oder in der Probe, könnte bei jedem Abstand eine teilweise oder vollständige Löschung auftreten. Das Problem könnte durch Verbessern der empfangenen Signalstärke in kürzeren Abständen, beispielsweise durch Verwendung kürzerer Impulse mit einer Dauer von z.B. 140 μs bei der gleichen Leistung nicht überwunden werden. 1 zeigt, dass dies annehmbare Signale in Abständen zwischen 8 bis 14 cm erzeugen würde, aber das empfangene Signal bei (z.B.) 30 cm unannehmbar schwach wäre.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Stärke eines Signals relativ zum Rauschen entsprechend der Zahl der Signalhäufungen verbessert werden kann. Unter „unannehmbar schwach" wird daher verstanden, dass ein angemessenes Signal/Rausch-Verhältnis nicht in einer bestimmten Aufnahmezeit erhalten werden kann. Eine solche Zeit ist üblicherweise durch physikalische Beschränkungen definiert, wie die Geschwindigkeit eines Förderbandes, das die Probe an der Untersuchungsvorrichtung vorbei führt, oder die Notwendigkeit, ein bestimmtes Gebiet in möglichst kurzer Zeit von Sprengstoffen zu befreien (beispielsweise in 1 oder 2 Minuten pro Quadratmeter).
Die vorliegende Erfindung versucht Lösungen für die oben beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit einem nicht-gleichmäßigen B₁-Feld und somit einer nicht-gleichmäßigen Erkennungsempfindlichkeit zu liefern. Zuerst wird eine bevorzugte Ausführungsform der Untersuchungsvorrichtung, um die Erfindung zu verwirklichen, beschrieben.
Die bevorzugte Ausführungsform wird mit Bezug auf 2 beschrieben. Die Ausführungsform ist besonders geeignet für die Erkennung von Objekten oder Proben, die im Boden oder unter oder hinter Hindernissen verborgen sind, wo es wichtig ist, die RF-Sonde während der Messung von NQR-Antworten bewegen zu können. Die Vorrichtung ist geeignet für die Anlegung von einfachen Anregungsimpulsen (d.h. solchen, die in der Zeitdomäne rechteckig sind). Sie ist jedoch besonders geeignet für die Anlegung von geformten adiabatischen Impulsen oder Impulsen, die in der Frequenzdomäne eine im Wesentlichen rechteckige Form haben. Dies liegt an ihrer Fähigkeit, gleichzeitig die Amplitude und die Phase/Frequenz des Impulses zu modulieren.
Die Vorrichtung schließt allgemein gesprochen einen Steuerrechner 100, Mittel 102 zur Anlegung eines oder mehrerer Funkfrequenz-Anregungsimpulse an die Probe, die einen gewählten Anregungsfrequenzbereich abdecken, für eine bestimmte Dauer, Mittel 104 zur Erzeugung von zusammengesetzten oder geformten Impulsen, d.h. Frequenz/Phase- und/oder Amplituden-modulierten Impulsen, die das Mittel zur Anregungsanlegung 102, ein Mittel 106 zur Erkennung des NQR-Antwortsignals und ein Mittel 108 zur Erzeugung eines Alarmsignals durchlaufen, abhängig davon, ob das Vorhandensein einer bestimmten Substanz oberhalb einer vorgegebenen Schwelle erfasst wird, ein. Dies kann einen akustischen oder optischen Alarm auslösen, der die damit befasste Person auf das Vorhandensein der zu erkennenden Probe hinweist.
Genauer schließt das Mittel zur Anregungsanlegung 102 einen Funkfrequenz-Leistungsverstärker 110 ein, dessen Ausgabe mit einer RF-Anregungs- und -Erkennungssonde 112 verbunden ist. Die Sonde enthält eine oder mehrere Spiralantennenspulen 114, deren Abmessungen von dem erforderlichen Sichtfeld abhängen. In vielen Anwendungen kann es notwendig sein, dass die Sonde zusammen mit den zugehörigen Vorverstärkern und Isolierschaltungen tragbar ist. Der Rest der Vorrichtung wäre normalerweise tragbar, aber wäre mit der Sonde über eine Kabelstrecke verbunden. Die Sonde kann ein offenes ungeschirmtes Ende zur Anlegung an die geprüfte Probe und ein geschlossenes Ende, möglicherweise geschirmt in einem geeigneten Schirmgehäuse, aufweisen. Es sollte ein ausreichender Abstand zwischen der Spule und dem Kasten gelassen werden.
Unter bestimmten Umständen kann ein Faraday-Schirm oder -Käfig an der offenen Seite der Sonde verwendet werden, um E-Feldeffekte zu verringern; in der Regel wäre dies ein dünnes Metallblech (Al, Cu) mit einem Schlitz unterhalb der Mitte, um Wirbelstromeffekte zu verringern. Die Breite des Schlitzes wäre entsprechend der Geometrie und Betriebsfrequenz optimiert. E-Feldeffekte würden mit piezoelektrischen Proben, wie Sand, entstehen.
Die Sonde bildet auch einen Teil des Erkennungsmittels 106, das eine RF-Vorverstärker-, Empfänger- und Erkennungsschaltung 120 einschließt. Die Frequenz/Phase- und Amplituden-modulierten Impulse werden durch das Formimpulserzeugungsmittel 104 unter der Steuerung des Steuerrechners 100 erzeugt.
Das Mittel 104 zur Erzeugung von geformten Impulsen (d.h. von Frequenz/Phasen- und/oder Amplituden-modulierten Impulsen) schließt eine Impulsprogrammiervorrichtung 130 und ein Spektrometer 132, Hersteller SMIS, UK, für die Erzeugung des RF-Trägersignals bei einer bekannten Träger-Bezugsfrequenz und fester Amplitude, wobei die Signale von den Triggersignalen von der Impulsprogrammiereinrichtung 130 ausgeblendet werden, und einen Signalfunktionserzeuger 134, Hersteller Farnell, UK (Modell SFG 25), ein. Der RF-Träger läuft zu einer Impulsformungseinheit 136. Der Funktionserzeuger 134 wird von einem TTL-Logiksignal vom Impulsprogrammierer 130 betätigt.
Die Impulsformungseinheit 136 wird nun ausführlicher mit Bezug auf 3 beschrieben. Ein 0–90 Grad/5 MHz-Zweiwege-Kombinierer, Hersteller Mini Circuits (UK) Modellnr. PSCQ-2-5, der seinerseits mit dem RF-Signal vom Spektrometer 132 versorgt wird, versorgt zwei Mischerschaltungen 142 und 144. Jede dieser Mischerschaltungen wird auch über einen Kanal A bzw. B vom Funktionserzeuger 134 versorgt.
Die aktuell verwendeten Mischerschaltungen bestanden aus Doppel-Gegentaktmischerschaltungen von Hatfield (UK) (Modell 1754). Es sind jedoch auch andere geeignete Schaltungen verfügbar, wie ein Präzisions-Analogmultiplizierer von Burr-Brown, Modell MPY 634, der auf einem Funkfrequenzmischer beruht. Das Hauptkriterium ist, das die Modulation der RF-Eingabe durch den Funktionsgenerator über den größtmöglichen Spannungsbereich linear ist; ein zusätzlicher Verstärker mit schwacher Leistung kann erforderlich sein, um dies zu erreichen. Falls ein Präzisions-Analogmultiplizierer verwendet wird, kann es notwendig sein, Kondensatoren zwischen die Leistungsquellen und die Masse aufzunehmen und Trimmerkondensatoren aufzunehmen, um niederfrequente Spannungs-Offsets aus der Mischerschaltung zu entfernen, die andernfalls eine Impulsverzerrung bewirken könnten. Zwei andere mögliche Ursachen für eine Nicht-Linearität müssen ebenfalls eliminiert werden, nämlich die Verzerrung des Impulses aufgrund der beschränkten Bandbreite der RF-Sonde und die Verzerung aufgrund der Nichtlinearität im RF-Leistungsverstärker.
Die Ausgabe von den Mischerschaltungen 142 und 144 wird über einen Kombinierer 146 zum Verstärker 110 geschickt. Der Kombinierer ist eine Komponente von Hatfield (UK), Modell Nr. DR102 oder 3320.
Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise in der Lage, Proben in erheblichem Abstand zu der Ebene der Spule(n) 114 und über einen erheblichen Abstandsbereich zu erkennen. Ein typischer Abstandsbereich ist 8 bis 35 cm. Um diesen Erkennungsbereich zu erhalten, wird in der vorliegenden Ausführungsform eine flache archimedische Spiralspule verwendet, mit einem Außendurchmesser und einer Anzahl von Windungen, die von der Tiefe bestimmt werden, die sondiert werden soll. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform eine flache Spiralspule verwendet wird, würde sich jede Form von Oberflächenspule eignen. Aufgrund der Notwendigkeit einer Fernerkennung sind Spulen in Solenoid-, Sattel- oder Helmholtz-Form generell nicht geeignet.
Es hat sich gemäß der Erfindung gezeigt, dass für Proben, die wahrscheinlich in Abständen von nicht über z.B. 30 bis 50 cm von der Spulenebene zu finden sind, eine archimedische Spirale der Form
mit a (Abstand zwischen Leitermitten) = 1,5 cm eine zufrieden stellende Leistung zeigt, wenn er mit einem röhrenförmigen Leiter mit einem Durchmesser von 0,8 cm verwendet wird.
Insgesamt 7,75 Windungen können eine Spirale mit einem Außendurchmesser von etwa 25 cm und einer Gesamtlänge von 3,4 m erzeugen. Angenommen, die Wellenlänge λ der RF-Trägerfrequenz ist 5,2 MHz, ist die Gesamtlänge λ/17. Dies kommt der Faustregelgrenze von λ/20 nahe, von der allgemein angenommen wird, dass sie nötig ist, um Phaseneffekte zu vermeiden.
Eine flache archimedische Spirale erzeugt ein RF-Feld B₁ mit zusammenfallenden Achsen bzw. on-axis, (⊥), das durch den Ausdruck
gegeben ist, wobei θ in der vorliegenden Ausführungsform zwischen 1,5 π (θ₁) bis 17 π (θ₂) Radiant variiert, b = a/2π, a = 1,5 cm und I der RF-Strom ist. Das wirksame Sichtfeld bei einem bestimmten Abstand Z, was die Abmessungen des Kreises in einer Ebene parallel zu der der Spiralebene bedeutet, für die das gesamte Feld B₁ um 25 % relativ zu seinem Wert im Mittelpunkt abfallt, hängt von dem Abstand Z zwischen den beiden Ebenen ab; er ist 14 cm für Z = 3,2 cm und 20 cm für Z = 28,2 cm, was sich entsprechend der vorliegenden Erfindung als geeignet für eine annehmbare Leistung bei der Erkennung von Sprengstoffen im Bereich von z.B. 8 bis 35 cm Abstand zur Ebene der RF-Sonde erwiesen hat.
Die Funktion der Gleichung 4 ist in 1 als „Spulenfunktion"-Kurve gezeichnet.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, unter anderen Zielen, die Probleme zu lösen, die sich im Stand der Technik stellen und die bereits erörtert wurden. Diese Probleme hängen mit der Erkennung von Proben zusammen, die in einem nicht-gleichmäßigen RF-Feld innerhalb des betrachteten Gesamtfeldes angeordnet sind. Nun werden bevorzugte Ausführungsformen in der Reihenfolge der Erhöhung der RF-Impulsleistung beschrieben.
Für alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen wurden Beispiele für die Funktionsweise der Erfindung mit Bezug auf eine spezielle Resonanzfrequenz (5,2 MHz) des Sprengstoffs RDX bereitgestellt. Die Erfindung würde natürlich auch bei anderen Resonanzfrequenzen und für andere NQR-Substanzen zufrieden stellend funktionieren.
In einer ersten Ausführungsform wird aufgrund von minimalen RF-Leistungsanforderungen in der Regel eine Impulssequenz verwendet, die einen einzigen RF-Impuls beinhaltet, der in einem Zeitraum in der Größenordnung von höchstens T₁ wiederholt wird, wobei die Spin/Gitter-Relaxationszeit der Kernspezies angeregt ist Es wird eine strenge Steuerung der Impulsbreite und der Leistung durchgeführt.
Um den Hintergrund zu erläutern, sei erklärt, dass, falls die Impulswiderholungszeit τ in der Größenordnung von T₁ liegt (in der Regel unter 5 T₁), die Antwort dann nicht vollständig relaxiert ist. (Eine Folge von Wiederholungsimpulsen, für die τ in der Größenordnung von T₁ liegt, wird hierin als „T₁-beschränkter Zyklus" bezeichnet. In diesem Fall gilt die Gleichung 2 nicht mehr. Tatsächlich wurde von Vega (J. Chem. Phys. 61, 1093 (1974)) gezeigt, dass das Peak-Signal schwächer wird und zu einem niedrigeren Flipwinkel übergeht, wenn τ/T₁ unter einen Wert 5 sinkt. Die verschiedenen von Vega präsentierten Gleichungen wurden entsprechend der vorliegenden Erfindung numerisch für den Fall einer Quadrupolresonanz einer pulverförmigen Probe mit I = 1 gelöst. Die Ergebnisse sind in 4 dargestellt. Diese Figur zeigt eine Reihe von Diagrammen von Signalstärke gegen Flipwinkel für die in dem Einsatz angegebenen τ/T₁-Werte; die Signalstärke ist auf eine maximale Gleichmäßigkeits-Signalstärke, die bei einem Flipwinkel von 119° erhalten wird, für den Fall τ/T₁ = 5 (als völlig relaxiert angenommen) normalisiert. Es ist zu sehen, dass das Peak-Signal schwächer wird und zu einem niedrigeren Flipwinkel übergeht, wenn τ/T₁ unter einen Wert 5 sinkt. Für alle Diagramme wird die Null-Signalstärke bei α = 257° erreicht. Es sei darauf hingewiesen, dass 4 die Signalstärke bei der Probe und nicht bei der (Empfänger-)Spule zeigt.
Aus dem Echtspiralen-„Spulenfunktions"-Diagramm von 1 geht hervor, dass, wenn alle anderen Faktoren gleich sind, ein Signal, das an einer Empfängerspule von einer weiter entfernten Probe empfangen wird, schwächer ist als eines, das von einer näheren Probe empfangen wird. Dagegen geht aus 4 hervor, wenn diese gemeinsam mit den Gleichungen 1 und 4 betrachtet wird, dass über einen Flipwinkelbereich (der bis 257° geht), und somit über einen Abstandsbereich, das an der Probe erzeugte Signal für einen bestimmten Impuls tatsächlich umso stärker werden kann, je weiter entfernt die Probe ist. Die erste Ausführungsform versucht, diese beiden Wirkungen auszugleichen, um eine Empfangssignalstärke zu erzeugen, die über einen festgelegten Abstandsbereich (welcher Bereich seinerseits so groß wie möglich ist) möglichst nicht abstandsabhängig variiert. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass diese Wirkungen umso besser ausgeglichen werden können, je niedriger der Wert des Verhältnisses τ/T₁ ist, anders ausgedrückt, dass für niedrigere Werte des Verhältnisses τ/T₁ das beobachtete Signal eine verringerte Änderung mit dem Probenabstand zeigt.
Genauer ist in der ersten Ausführungsform der (üblicherweise) einzige Impuls in der Impulsfrequenz von solcher Breite und einer solchen Effektivleistung, dass in einem Abstand, der nur etwas geringer ist als der minimale Wert, bei dem die Probe(n) erkannt werden sollen, eine Null in der Signalantwort (was α = 257°) erzeugt wird. Dies stellt sicher, dass der gewünschte Bereich dem geeigneten Flipwinkelbereich entspricht, wie er aus 4 bestimmt wird, und dass keine Nullpunkte oder negativ gerichtete Signale vorhanden sind, die von dem minimalen Abstand nach außen gehen.
Ferner ist der Wert für das Verhältnis τ/T₁ relativ niedrig angesetzt (unter 5, vorzugsweise unter 2, 1 oder sogar 0,5), so dass die maximale Signalantwort an der Probe bei einem ausreichend niedrigen Wert des Flipwinkels erhalten wird. Bei Werten für den Flipwinkel von unter dem Wert, der diesem Maximum entspricht, sinkt die Signalstärke rapide. Somit ist der nutzbare Flipwinkelbereich (und somit der wünschbare Abstandsbereich von der Ebene der Spule) auf der einen Seite durch den Flipwinkel beschränkt, der dem maximalen Signal entspricht, und auf der anderen Seite durch den Nulldurchgangs-Flipwinkelwert von 257°. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der nutzbare Flipwinkelbereich bei niedrigeren Werten für τ/T₁ größer.
Nun wird beispielsweise angenommen, dass die Impulsbreite t_w so eingestellt ist, dass sie einen 257°-Impuls bei einem on-axis-Abstand von 2,05 cm zur Ebene der Sonde und einen 119°-Impuls bei 5,2 cm aufweist und dass τ/T₁ bei 0,5 eingestellt ist. Bei Abständen von über 2,05 cm wird der Flipwinkel kleiner, und die Stärke des Signals für den freien Induktionsabfall, das in einer Sonde erzeugt wird, die theoretisch an der Probe angeordnet ist, würde zunehmen. Bei der wirklichen, entfernten RF-Sonde würde das empfangene Signal, wenn alle anderen Faktoren gleich wären, entsprechend der Gleichung 2 abnehmen. Es wurde gefunden, dass der Nettoeffekt eine teilweise oder vollständige Löschung der beiden miteinander in Konflikt stehenden Wirkungen über einen begrenzten Bereich ist, so dass über eine Strecke von z.B. 2,5 bis 13 cm das empfangene Signal nur sehr wenig variiert.
Nun wird auf 5 Bezug genommen, um diesen Punkt zu erläutern. 5 zeigt die Änderung der Signalstärke (wie von der Sonde empfangen) mit dem Abstand Z von der Ebene der Sonde entlang der Spulenachse für verschiedene Werte des Verhältnisses τ/T₁. Wie oben angegeben, wird der RF-Impuls so ausgewählt, dass er bei Z = 2,05 cm einen Flipwinkel von 257° ergibt und bei Z = 5,2 cm einen Flipwinkel von 119°. In 5 sind die verschiedenen Kurven theoretische Vorhersagen, während die Datenpunkte experimentell abgeleitete Werte sind, wie in dem Einsatz der Figur dargestellt.
Die theoretischen Diagramme wurden von den Diagrammen von 4 auf eine Weise abgeleitet, die derjenigen analog ist, die für die Ableitung der Diagramme von 1 beschrieben wurden, außer dass die Gleichung 2 durch die oben erörterten Vega-Gleichungen (oder deren graphische Lösung, wie in 4 dargestellt) ersetzt wurden.
Die Versuchsergebnisse wurden mittels einer 38 g-Probe von „PE-4" (auf der Grundlage des Sprengstoffs RDX) bei zwei verschiedenen Werten für das Verhältnis τ/T₁, d.h. 4 und 0,5, entsprechend den dreieckigen bzw. kreisförmigen Symbolen abgeleitet. In 5 wurden die theoretischen Diagramme auf den Peak der vollständig relaxierten Versuchsdaten (τ/T₁ = 4) skaliert.
Es zeigt sich, dass die Versuchsergebnisse gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen.
Aus 5 ist ersichtlich, dass für τ/T₁ = 5 die maximale Signalstärke nicht an der α = 119°-Position auftritt, sondern bei einem etwas näheren Z-Wert. Dies geht auf die Dämpfung des Signals bei größeren Abständen zu den Proben, wie es von der Sonde empfangen wird, zurück.
Von den Versuchsdaten in 5 kann abgeleitet werden, dass die τ/T₁ = 4-Antwort zwischen Z = 3 und Z = 13 cm um einen Faktor 10 variiert, während die τ/T₁ = 5-Antwort um einen Faktor von nur 2,4 variiert. Allgemeiner ist aus den verschiedenen theoretischen Kurven ersichtlich, dass für niedrigere τ/T₁-Werte, beispielsweise von 0,5 oder weniger, das beobachtete Signal, das durch Fourier-Transformation des FID erhalten wird, mit dem Abstand über 3 cm eine beträchtlich verringerte Änderung zeigt als dies für höhere Werte des Verhältnisses gilt. Somit werden vorzugsweise diese niedrigeren Werte für das Verhältnis τ/T₁ verwendet.
Für bestimmte Substanzen, z.B. den Sprengstoff RDX, kann jedoch eine praktische Untergrenze für den Wert des Verhältnisses τ/T₁ durch die Dauer des freien Induktionsabfalls, T₂*, auferlegt werden. Es wird üblicherweise gedacht, dass die Impulswiederholungszeit τ nicht sehr viel weniger als 5T₂* sein sollte, damit der freie Induktionsabfall ordnungsgemäß erkannt werden kann. Für RDX bei Raumtemperatur ist T₂* ungefähr 1,5 ms, während T₁ ungefähr 15 ms ist. Somit könnte der niedrigste zufrieden stellende Wert für τ von RDX bei Raumtemperatur 7,5 ms sein, was einem Wert für τ/T₁ von 0,5 entspricht.
In dem oben beschriebenen Beispiel könnte in der Regel ein positives Signal von erheblicher Signalstärke über einen Bereich von 2,5 bis 13 cm erhalten werden. Als weiteres Beispiel könnte für einen Impuls, der so eingestellt ist, dass er einen Flipwinkel von 119° bei 14 cm und einen geeigneten Wert für das Verhältnis τ/T₁ erzeugt, ein positives erkennbares Signal über einen Bereich von ungefähr 10 bis 20 cm erhalten werden, wobei die Stärke des empfangenen Signals um einen Faktor von etwa fünf variiert.
Es wird geschätzt, dass RMS-Impulsleistungen von unter 100 W nötig wären, um ein Signal/Rausch-Verhältnis von 5 : 1 für eine RDX-Probe von etwa 40 g zwischen 9 und 16 cm von der Ebene der Sonde in einer Zeit von unter 10 s zu erreichen. Für die gleiche Leistung wären längere Zeiten nötig, um eine 1 kg-Probe in einem Abstand von 30 cm zu erkennen. Während die Reduzierung der Signalstärke bei sinkendem τ/T₁ teilweise durch die Verwendung von mehreren Impulszyklen in einer bestimmten Aufnahmezeit verschoben werden kann, kann ein T₁-beschränkter Zyklus wie im ersten bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben relativ langsam arbeiten. Man braucht jedoch nur niedrige RF-Leistungen. Es wäre unter Umständen, wo es notwendig ist, das Vorhandensein von entfernten Objekten über einen relativ kleinen Abstandsbereich zu erkennen, besonders geeignet.
In einer zweiten Ausführungsform werden zwei oder mehr Impulse (oder Impulssequenzen) bei der gleichen Anregungsträgerfrequenz, aber mit unterschiedlichen Leistungen und/oder mit unterschiedlichen Impulsbreiten, verwendet. Die Leistungen und/oder Breiten werden so ausgewählt, dass der optimale Flipwinkel von 119° bei zwei oder mehr unterschiedlichen Abständen von der Ebene der RF-Sonde erzeugt wird, wobei eine bestimmte Leistung/Breite einem bestimmten Abstand entspricht. Die FID-Antworten von jedem der Impulse werden unabhängig voneinander aufgenommen und verarbeitet und so angepasst, dass nach einer Fourier-Trans formation die gleiche Phase erhalten wird. Die resultierenden Absorptionsspektren werden dann addiert, oder vorzugsweise wird die Fläche unter jedem resultierenden Absorptionsspektrum addiert.
Eine besonders schnelle Sequenz nutzt nur zwei unterschiedliche Impulstypen und wird hierin als Zweiimpulssequenz bezeichnet. Dieses Prinzip des Verfahrens wird zuerst mit Bezug auf 1 in Beziehung zu einer Zweiimpuls-Beispielssequenz beschrieben, obwohl die Beschreibung natürlich genauso auf Sequenzen mit einer größeren Zahl von unterschiedlichen Impulstypen angewendet werden könnte.
Die Impulssequenzen könnten T₁-begrenzte Zyklen sein, wie mit Bezug auf die oben erörterte erste Ausführungsform beschrieben. Es kann jedoch gewünscht sein, keine schnellen Pulsierungssequenzen zu verwenden; die Impulstrennung, τ, kann in dieser Ausführungsform vorzugsweise über dem 3- oder sogar 5-fachen von T₁ liegen, so dass ein vollkommen relaxierter Zustand vor jedem neuen Impuls erreicht wird.
In der Beispielssequenz wird der Impuls 1 in der Zweiimpulssequenz für die Vorrichtung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, so gewählt, dass er eine Breite t_w zwischen 100 und 140 μs und eine RMS-Leistung von etwa 675 W aufweist; aus 1 kann abgeleitet werden, dass solch ein Impuls, ausreichende Mengen an zu erkennender Substanz vorausgesetzt, zufrieden stellende Signalantworten in Abständen von z.B. 8 und 15 cm von der Ebene der RF-Sonde (die in der bevorzugten Ausführungsform die Spiralspule ist, die bereits besprochen wurde) erzeugen könnte. Impuls 2 weist eine Breite zwischen 200 und 450 μs bei der gleichen RMS-Leistung, oder alternativ die gleiche Breite auf wie der Impuls 1, aber mit einer RF-Leistung, die so angepasst ist, dass das B₁-Feld proportional erhöht ist. Aus 1 kann abgleitet werden, dass der Impuls 2 zufrieden stellende Antworten bei Abständen zwischen 15 und 30 oder 35 cm von der Ebene der RF-Sonde erzeugen würde. Somit können die beiden unterschiedlichen Impulse zusammen (falls auf geeignete Weise angeordnet) zufrieden stellende Antworten in Abständen zwischen etwa 8 und 35 cm von der Ebene der RF-Sonde erzeugen, ohne dass irgendwelche Nullpunkte oder negativ gerichteten Signale in diesem Bereich vorkämen. Die Zweiimpuls-Beispielssequenz ist daher besonders gut geeignet für die Erkennung von vergrabenen oder verborgenen Sprengstoffen.
Versuchsspektren, die unter Verwendung der oben beschriebenen Zweiimpuls-Beispielssequenz erhalten werden, um unterschiedliche Mengen des Sprengstoffs RDX in unterschiedlichen Abständen zur Ebene der RF-Sonde zu erkennen, sind in den 6 und 7 dargestellt. In den 6(a) und (b) sind die FIDs der ¹⁴N-Antwort von der 5,19 MHz-Linie von RDX mit einem 100 μs-Impuls mit einer RMS-Leistung von 675 W dargestellt. Für 6(a) lag das RDX in einer Menge von wenigen Gramm in einem Abstand von 9 cm von der Ebene der RF-Sonde vor, während für 6(b) die entsprechenden Werte vier Zehntel Gramm in einem Abstand von 13,65 cm waren. Ein annehmbares Signal/Rausch-Verhältnis wurde für beide Fälle erreicht. Ebenso zeigt 7, dass ein annehmbares Signal/Rausch-Verhältnis mit RDX in einer wesentlich größeren Menge in einem Abstand von 30 cm mit einem 200 μs-Impuls mit der gleichen RMS-Leistung und Frequenz erhalten wurde. 200 μs ist der Wert von t_p(119°) für 13,65 cm.
Tatsächlich hat man entsprechend der vorliegenden Erfindung gefunden, dass mit den beiden oben beschriebenen Impulssequenzen (insbesondere einer, bei der ein Impuls eine Breite von 100 μs und der andere eine Breite von 450 μs hat) gute Ergebnisse über einen Bereich Z von 8 bis 35 cm erhalten werden können.
Selbstverständlich sind auch andere Impulskombinationen außer der oben beschriebenen Zweiimpuls-Beispielssequenz entsprechend der Natur des zu lösenden Problems möglich. Die Impulsbreiten können so angepasst werden, dass sie die Anforderungen der speziellen Suche erfüllen, d.h. die Menge des zu erkennenden Materials und die Abstände, in denen diese wahrscheinlich zu finden sind. Es kann nötig sein, mehr als zwei unterschiedliche Impulse zu verwenden, wenn die zu erkennenden Proben über einen großen Abstandsbereich angeordnet sind.
Eine mögliche Impulskombination verwendet einen Impuls, der so geformt ist, dass er eine im Wesentlichen rechteckige Form zumindest in der Frequenzdomäne als der längere oder der längste der Impulse hat. Ein solcher Impuls hätte eine bessere Bandbreitenleistung als ein einfacher rechteckiger Impuls, was bei größeren Abständen von Wert wäre. Der Einfachheit halber könnten einer oder mehrere einfache Rechteckimpulse für die anderen Impulse verwendet werden.
Die Verwendung von zwei oder mehr Impulssequenzen mit unterschiedlichen Breiten muss die Aufnahmezeit nicht proportional erhöhen. Dies wird durch die Verschränkung der beiden oder der mehreren Impulssequenzen erreicht. Falls die Pulssequenzen so verschränkt sind, ist es wichtig, dass sie in der richtigen Reihefolge angelegt werden, falls wahrscheinlich mehr als eine Probe im Sichtfeld liegt.
In einer Zweiimpulssequenz sollte beispielsweise, weil T₂*, die FID-Zeit, unveränderlich viel kürzer ist als T₁, die Spin/Gitter-Relaxationszeit, der kürzere Impuls dem längeren vorangehen. Dieser Punkt wird zuerst mit Bezug auf 8 erläutert, die eine bevorzugte verschränkte Impulssequenz für die Zwecke dieses Aspekts der Erfindung zeigt.
Der erste Impuls ist ein kurzer Impuls mit der Breite t₁, auf den hin der erste FID, S₁, aufgenommen und digitalisiert wird. Dann kommt ein Zeitintervall von etwa τ₁ = 2T₂*, während dem die von diesem Impuls angeregten Kerne, die vorwiegend näher an der Sonde angeordnet sind, dephasieren. τ₁ kann geeigneterweise so niedrig wie ungefähr T₂* bis so hoch wie ungefähr 3 oder ST₂* sein. Die Dephasierung kann teilweise oder vollständig sein (so dass im letzteren Fall keine transversale Magnetisierung vorhanden ist), abhängig von dem Abstand der Probe von der Ebene der RF-Sonde und somit dem Flipwinkel (der bei den maximalen 119° oder etwas darunter liegen kann). Da T₂* < T₁, hat sich außerdem die longitudinale Magnetisierung nicht in nennenswerter Weise erholt.
Der zweite, längere Impuls mit einer Breite t₂ (oder die RF-Leistung kann variiert sein und die Breite kann konstant gehalten sein) wird nun angelegt und sein FID S₂ wird aufgenommen und digitalisiert. Das Signal von diesem Impuls würde in erste Linie von einer Probe oder von Proben kommen, die weiter weg von der Ebene der RF-Sonde sind.
Die Zweipulssequenz wird nach einem Intervall τ₂ nach dem zweiten Puls wiederholt, das bei der Temperatur der Probe oder Proben in der Größenordnung von T₁ bis 2T₁ (etwa zwischen 0,5 und 3T₁) liegt. Die Impulswiderholungsrate, τ, ist somit τ₁ + τ₂. Nach N solchen Wiederholungen werden die summierten Signale S₁ und S₂ getrennt ermittelt, verarbeitet und von dem Rechner untersucht, wobei die getrennt Fourier-transformierten Daten schließlich addiert werden, falls zweckmäßig. Eine getrennte Verarbeitung ist wichtig, um eine Löschung eines positiven Signals durch ein negatives Signal zu vermeiden.
Falls zwei oder mehr Proben in unterschiedlichen Tiefen vorliegen, ist es, wie oben angegeben, wichtig, dass der frühere kürzere Impuls vor dem späteren längeren Impuls angelegt wird. Auf diese Weise besteht keine Gefahr, dass die (z.B.) zwei Proben einander stören, so dass nur ein vernachlässigbares Antwortsignal erzeugt wird. Dies wird nun mit Bezug auf eine 140/450 μs-Impulskombination näher erläutert (siehe 1).
Es wird zuerst der Fall betrachtet, in dem die nähere Probe in der Region liegt, wo der spätere, längere 450 μs-Impuls ein negatives Signal an der Sonde (zwischen Z = 10 und 13 cm) erzeugen würde, während die weiter entfernte Probe in erheblich größerer Tiefe liegt. Der frühere, kürzere 140 μs-Impuls würde fast einen 119°-Flipwinkel an der näheren Probe erzeugen, so dass keine nennenswerte longitudinale Magnetisierung verbleiben würde, die von dem späteren Puls angeregt werden könnte. Somit würde die nähere Probe keine Antwort an den späteren Puls erzeugen, und es gäbe keine Interferenz zwischen der näheren und der weiter entfernten Probe, wobei die weiter entfernte Probe von dem späteren Impuls erkannt wird.
Nun wird der Fall betrachtet, dass die nähere Probe in der positiven Antwortregion des späteren, längeren Impulses (Z > 13 cm, jenseits des Nulldurchgangspunkts des späteren Impulses) liegt, aber entweder im Anregungsbereich des kürzeren Impulses (z.B. Z < 20 cm) oder näher als das Maximum für den längeren Impuls (z.B. / < 8 cm) liegt. Die weiter entfernte Probe liegt wiederum in einer wesentlich größeren Tiefe. Falls die nähere Probe in dem Anregungsbereich des früheren, kürzeren Impulses liegen würde, würde der frühere Impuls einen Flip von weniger als 119° erzeugen, und daher würde einige longitudinale Magnetisierung zurückbleiben, die vom späteren Impuls angeregt werden könnte. Da die Signale, die von der Sonde von den beiden Proben erhalten werden, jedoch beide positiv wären, gäbe es keine Interferenz, weder teilweise noch vollständig, zwischen den Antworten, die von den beiden Impulsen erzeugt würden, falls zwei oder mehr Proben vorhanden wären.
Wenn man den letzten Fall betrachtet, wo die nähere Probe entweder außerhalb des Anregungsbereichs des kürzeren Impulses (z.B. Z > 20 cm) oder weiter weg als das Maximum für den längeren Impuls (z.B. Z > 18 cm) liegt, so ist klar, dass die Antwort vom späteren, längeren Impuls im Hinblick auf beide Proben dominant wäre, so dass wiederum eine zufrieden stellende Erkennung der beiden Proben gegeben wäre.
Im Gegensatz zu der bevorzugten Art und Weise der praktischen Umsetzung der Erfindung, wird nun angenommen, dass die beiden Impulse in der umgekehrten Reihenfolge angelegt werden, wobei der längere zuerst kommt, und dass wiederum zwei oder mehr Proben im Sichtfeld vorhanden sind.
Wie bereits mit Bezug auf 1 beschrieben, könnte zunächst das Antwortsignal von der näheren Probe dasjenige von der weiter entfernten teilweise oder vollständig löschen. Das Signal S₂ (in Bezug auf den längeren, aber nun früheren Impuls) könnte daher schwach oder zumindest nicht zu erkennen sein, trotz des Vorhandenseins von zu erkennenden Substanzen in der nahen Region. Somit könnte, wenn zwei (oder mehr) Proben in unterschiedlichen Tiefen vorhanden sind, eine Situation entstehen, in der in keiner Tiefe ein Signal mit einem der Impulse erfasst werden kann.
Kurz gesagt führt dann die Anlegung der beiden Impulse in umgekehrter Reihenfolge zu Problemen aufgrund der Möglichkeit, dass der längere Impuls in Zwischentiefen Signale entstehen lassen kann, die negativ sind und die somit Signale von dem kürzeren Impuls löschen können.
Aus der vorangehenden Erörterung geht hervor, dass es nicht nur wichtig ist, dass die kürzeren und längeren Impulse in der richtigen Reihenfolge angelegt werden, sondern auch, dass sie so angepasst werden, dass sie einen maximalen 119°-Flipwinkel bei den richtigen relativen Abständen erzeugen. Genauer ist es bevorzugt, dass die 119°-Flipwinkelposition des kürzeren Impulses im ersten Abstandsbereich liegt, von unendlich, wofür der längere Impuls eine Signalstärke mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt. Falls die 119°-Position des kürzeren Impulses entweder weiter entfernt von der Ebene der Sonde oder näher an dieser wäre, wäre dieser Impuls nicht in der Lage, die notwendige Kompensation für den negativ gerichteten Bereich des längeren Impulses zu bewirken.
Falls mehr als zwei verschiedene Impulsarten (z.B. drei oder vier) verwendet werden, wobei jeder Impuls für eine andere Tiefe optimiert ist, dann könnte die Erkennungsempfindlichkeit über die Tiefe gleichmäßiger sein. Dagegen könnten die Löschungseffekte, die bereits erwähnt wurden, erheblicher sein, und es kann besonders wichtig sein, sicherzustellen, dass der kürzeste Impuls in der Sequenz zuerst angelegt wird, wobei aber Impulse, die für benachbarte Abstände optimiert sind, voneinander getrennt sind. Falls z.B. mindestens vier Impulse verwendet werden, dann könnte es von Vorteil sein, die Impulse in der Reihenfolge erster, dritter, zweiter, vierter (wobei erster den kürzesten bezeichnet) anzulegen, vorausgesetzt, dass der erste und der dritte und der zweite und der vierte Puls keiner gegenseitigen Löschung unterliegen würden.
Als Beispiel für die Anwendung einer verschränkten Zweiimpulsfrequenz wird der Sprengstoff RDX bei 295 K betrachtet, dessen ¹⁴N-Signal bei 5,19 MHz T₂* = 1,4 ms und T₁ = 12 ms aufweist. Ohne Verschränkung der beiden Impulse t₁ und t₂ würde jede Sequenz 1,5 s für 100 Akkumulierungen einnehmen, wodurch die Pulswiederholungszeit auf 15 ms gesetzt würde. Somit wäre die Gesamtdauer beider Impulssequenzen 3 s (wenn man die Impulsbreiten vernachlässigt). Bei verschränkten Impulsen ist die Gesamtzeit mit τ₁ = 3 ms und τ₂ = 15 ms dagegen 1,8 s.
Dieses Prinzip kann, als weiteres Merkmal, verwendet werden, um eine Schätzung des Abstands einer Probe von der Ebene der RF-Sonde und/oder der ungefähren Menge der Substanz von Interesse durchzuführen. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass bei konstanter RF-Impulsleistung und somit konstantem RF-Strom zu der Sonde sowohl das B_I-Feld als auch das RF-Signal, das in der Sonde induziert wird, nur vom Abstand der Probe von der Sondenebene abhängen. Dieser Schluss trifft streng genommen nur für on-axis-Anordnungen zu, aber die Modifikationen, die notwendig sind, damit off-axis-Proben zulässig sind, sind nicht groß und aus Schriften wie der von C.B. Bosch und J.J.H. Ackerman, „NMR Basic Principles and Progress", Bd. 27, Springer-Verlag, 1992, S. 3–44 (siehe insbesondere die 3a bis 3d auf den Seiten 8 und 9) bekannt.
Mit diesem zusätzlichen Merkmal ist es wichtig, dass das Signal nach jedem Impuls aufgefangen und auf die gleiche Weise verarbeitet wird. Beispielsweise sollten der gleiche Empfänger, der gleiche Rechner, die gleiche Phasenverstärkung usw. verwendet werden, ansonsten könnte die Genauigkeit der Abstands- oder Mengenschätzung beeinträchtigt sein.
Wenn dieses Merkmal in die Praxis umgesetzt wird, werden zwei unterschiedliche Sequenzen verwendet, wobei beide Sequenzen vollständig relaxiert sind (d.h. mit τ ≥ 3 oder 5 T₁). Eine dieser Sequenzen enthält Impulse mit der Breite t₁ und die andere Impulse mit der Breite t₂, wobei jeder Impuls die gleiche RMS-Leistung aufweist. Jede Sequenz liefert für sich starke Signale von an unterschiedli chen Stellen befindlichen Proben in Abständen zwischen 8 und 14 cm, während der entsprechende Abstandsbereich für einen Impuls mit der Breite 450 μs zwischen 14 und 35 cm liegt. Der Abstand zur Probe wird durch Vergleich des akkumulierten Signals nach (z.B.) 100 Pulsen mit einer Breite t₁, was als S₁ bezeichnet wird, mit demjenigen nach der zweiten Zahl von Pulsen mit einer Breite t₂, z.B. S₂, bestimmt. Das S₁/S₂-Verhältnis ist eine Empfindlichkeitsfunktion des Abstands über einen erheblichen Bereich. Aus 1 ist ersichtlich, dass S₁ = S₂ bei einem Abstand (z) von 15,6 cm zu der Ebene der RF-Sonde. Bei anderen Abständen kann dieser Wert sowohl positiv als auch negativ sein, wenn man die Phasen der akkumulierten Signale berücksichtigt. Die folgende Tabelle gibt Werte für das S₁/S₂-Verhältnis für verschiedene Z-Werte an.
Das oben beschriebene spezielle Paar von Pulsarten liefert vernünftige räumliche Anordnungen über Abstände von 8 bis etwa 20 cm zur Ebene der RF-Sonde; andere Kombinationen weisen andere Abstandsbereiche auf.
Sobald die Tiefe der Sonde bekannt ist, kann das stärkere Signal verwendet werden, um eine Mengenschätzung zu liefern. Dies kann beispielsweise von den theoretischen Diagrammen in 1 und einer vorangehenden Kalibrierung des Signals, die von der Untersuchungsvorrichtung anhand einer bekannten Menge der zu erkennenden Substanz bei einem bekannten Abstand zur RF-Sonde zu erwarten ist, abgeleitet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Genauigkeit der Schätzung durch die Größe und die Form der Sonde beeinflusst werden, wobei die Unsicherheit umso größer ist, je größer die Ausdehnung der Probe entlang des B₁-Gradienten ist.
Falls mehr als eine Probe im Sichtfeld liegt, sind mindestens zwei unterschiedliche Paare von Pulssequenzen erforderlich, um eine Schätzung ihrer Abstände und Mengen durchzuführen. Ein Rechnerprogramm oder dergleichen, das auf den graphischen Daten von 1 beruht, bestimmt anhand von zwei unterschiedlichen Werten der Signalverhältnisse (S₁/S₂)₁ und (S₁/S₂)₂ von jedem Sequenzpaar, welche Kombination von Mengen und Abständen am besten zu den experimentellen Verhältnissen passt. Wenn zwei (oder mehr) Proben vorhanden sind, liegt jedoch eine entsprechend größere Unsicherheit vor und eine schlechtere Auflösung als im Fall einer Einzelprobe.
Wenn es notwendig ist, die räumliche Lokalisierung in kürzester Zeit durchzuführen, kann das Paar aus Pulssequenzen verschränkt sein, unter den gleichen Bedingungen, wie sie vorstehend mit Bezug auf den zweiten bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung erörtert wurden. Es ist nun jedoch erforderlich, die Wirkung der unterschiedlichen Flipwinkel, die von Impuls 1 in dem Signal, das von Impuls 2 erzeugt wird, induziert werden, zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise Impuls 1 eine Breite von 140 μs aufweist, zeigt 1, dass bei Abständen von über (z.B.) 13 cm in jeder Probe, die in dieser Region angeordnet ist, immer noch eine finite Magnetisierung vorhanden ist, die die Antwort des folgenden Impulses 2 beeinflusst, wie bereits erörtert wurde. Falls die Spin/Gitter-Relaxationszeit T₁ der Quadrupolkerne bekannt ist, kann diese Wirkung mittels der üblichen Relaxationsgleichungen berücksichtigt werden, und das S₁/S₂-Verhältnis kann immer noch eine Abstandsschätzung liefern, aber bei einer größeren Unsicherheit als wenn die beiden Impulssequenzen separat unter vollständig relaxierten Bedingungen durchgeführt würden.
In der bevorzugten Ausführungsform kann eine etwaige Unsicherheit bezüglich der Temperatur der Probe berücksichtigt werden wie zum Beispiel in WO 9217794 (British Technology Group Limited) gelehrt. Es ist besonders bevorzugt, Anregungsimpulse zu verwenden, die so geformt sind, dass sie eine quadratische Phasen- oder Frequenzänderung und eine fast rechteckige Amplitudenänderung in der Frequenzdomäne aufweisen. Solche Impulse können einen vergleichsweise niedrigen Leistungsverbrauch haben, während sie eine vergleichsweise große Bandbreite aufweisen. Sie sind ausführlich in WO 9509368 (British Technology Group Ltd.) erörtert, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist und die die Priorität der UK-Patentanmeldung 9319875.2 beansprucht.
Falls die zu erkennende Substanz im Boden vergraben ist, ist es wahrscheinlich, dass die Temperatur auf relativ vorhersagbare Weise entsprechend der Bodentiefe, in der sie sich befindet, variiert. Die Erfindung kann unter solchen Umständen einen oder mehrere Temperatursensoren zusammen mit einer Nachschlagtabelle verwenden, um die Resonanzfrequenz der Substanz vorherzusagen.
Im Fall der zweiten Ausführungsform kann, falls die Temperatur mit dem Abstand der Probe zur Sonde tatsächlich auf vorhersagbare Weise variiert, eine Kompensation eines etwaigen Temperaturunterschieds durchgeführt werden, indem die erste Art von Anregung auf eine erste Resonanzfrequenz und einen Wert von T₁, der für eine erste Temperatur (und somit für einen Probenabstand) relevant ist, optimiert wird, und die zweite Art von Anregung auf eine zweite Resonanzfrequenz und einen Wert für T₁, der für diese zweite Temperatur relevant ist, optimiert wird, indem die rechteckigen oder geformten Impulse durch zwei andere Arten von adiabatischen Impulsen ersetzt werden, die für andere Temperaturen (und Tiefen) maßgeschneidert wurden.
In dem Fall der Erkennung von vergrabenen Objekten ist es außerdem wahrscheinlich, dass eine etwaige Temperaturunsicherheiten mit zunehmender Tiefe immer unbedeutender wird, da die Temperaturbedingungen im Boden bei größerer Tiefe tendenziell stabiler werden. Dagegen ist aufgrund der Anforderungen der Untersuchungsvorrichtung die Anregungsbandbreite in größeren Tiefen eher begrenzt, und somit können temperaturinduzierte Frequenzverschiebungen, wie sie vorhanden sein können, schwieriger zu handhaben sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung obenstehend nur anhand von Beispielen beschrieben wurde und dass Modifizierungen von Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Gerät zum Ermitteln des Vorliegens einer fernen Probe mit einer vorgegebenen Art quadrupolaren Kerns, das aufweist: wenigstens eine Sonde (112) mit einer vorgegebenen maximalen Querschnittsgröße; eine Einrichtung (110) zum Anlegen von Anregung an die Sonde (112), um nukleare Quadrupolresonanz für einen ausgewählten Entfernungsbereich der Probe von der Sonde anzuregen, wobei das Gerät so ausgelegt ist, dass es über den ausgewählten Bereich ein nicht-uniformes Feld erzeugt, wobei der ausgewählte Bereich wenigstens ein Zehntel der vorgegebenen maximalen Größe der Sonde (112) umfasst, und wobei die Anregung wenigstens einen Anregungspuls umfasst; und eine Steuereinrichtung (106) zum Steuern der Anregung, wobei: die Sonde so angeordnet ist, dass für jeden Anregungspuls der Anregung Resonanzantwortsignale, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs angeregt werden, an der Sonde empfangen werden; und das Gerät des Weiteren eine Einrichtung aufweist zum Ermitteln und Verarbeiten von Resonanzantwortsignalen, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs an der Sonde empfangen werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät zum Ermitteln des Vorliegens einer verdeckten oder verborgenen Probe dient, wenn sich die verdeckte oder verborgene Probe innerhalb des ausgewählten Entfernungsbereichs von der Sonde (112) befindet; die Steuereinrichtung (106) so ausgelegt ist, dass sie die Anregung so steuert, dass jeder Anregungspuls der Anregung eine ausgewählte Breite und Effektivwert-Leistung aufweist, wobei die ausgewählte Breite und Effektivwert-Leistung so ausgewählt werden, dass sichergestellt ist, dass jeder Anregungspuls der Anregung entsprechende Nicht-Null Resonanzantwortsignale an allen Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs anregt, unter der Annahme, dass sich die Probe an all diesen Entfernungen befindet; die Ermittlungseinrichtung (106) so ausgelegt ist, dass sie die Resonanzantwortsignale verarbeitet, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs durch Anlegen des Anregungspulses oder der Anregungspulse der ausgewählten Breite und Effektivwert-Leistung angeregt werden, unabhängig von Resonanzantwortsignalen, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs durch Anlegen anderer Anregungspulse angeregt werden, um dadurch das Vorliegen der Probe innerhalb des ausgewählten Entfernungsbereichs zu ermitteln.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Anregung so ist, dass für eine vorgegebene Probe über den ausgewählten Bereich der Probenentfernung ein minimales Resonanzantwortsignal von nicht weniger als einem Zwanzigstel, vorzugsweise nicht weniger als 1/10, 1/5, ¼, 1/3 oder ½ des maximalen Resonanzantwortsignals erzeugt wird.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anregung so ist, dass ein kleinster Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt wird, der größer ist als 50%, 75% oder 90% des größten Pulswinkels (Flip Angle) über den ausgewählten Bereich.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anregung eine gepulste Anregung ist, die bei einer Pulswiederholungszeit τ wiederholt wird, die Probe eine Spin-Gitter-Relaxationszeit T₁ hat, und der Wert von τ/T₁ kleiner ist als 5, vorzugsweise kleiner als 2, 1, 0,5, 0,1 oder sogar 0,05.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anregung so ist, dass ein Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt wird mit einem Wert, der wenigstens der Wert des Pulswinkels (Flip Angle) ist, der das maximale Resonanzantwortsignal an wenigstens einer Stelle, vorzugsweise an wenigstens zwei getrennten Stellen, in dem ausgewählten Bereich ergibt.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sonde (112) oder wenigstens eine der Sonden (112) in Form einer gewundenen Spule (114) vorliegt.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anregung so ist, dass ein Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt wird mit einem Wert, der größer ist, als der Wert des Pulswinkels (Flip Angle), der das maximale Resonanzantwortsignal ergibt, jedoch mit einem Wert, der kleiner ist, als der kleinste Wert eines Pulswinkels (Flip Angle) von größer als 0°, der ein Null-Resonanzantwortsignal ergibt, an dem äußersten Rand des ausgewählten Proben-Entfernungsbereichs, der der oder der einen derartigen Sonde (112) näher liegt.
Gerät nach Anspruch 7, wobei die Anregung so ist, dass der äußerste Rand des ausgewählten Proben-Entfernungsbereichs, der der oder der einen derartigen Sonde (112) näher liegt, näher an der Stelle liegt, für die der Pulswinkel (Flip Angle) der kleinste Wert des Pulswinkels (Flip Angle) größer als 0° ist, der ein Null-Resonanzantwortsignal ergibt, als an der Stelle, für die der Pulswinkel (Flip Angle) so ist, dass er ein maximales Resonanzantwortsignal ergibt.
Gerät nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anregung so ist, dass der äußerste Rand des ausgewählten Proben-Entfernungsbereichs, das weiter von der oder der einen derartigen Sonde (112) entfernt ist, weiter als die Stelle entfernt ist, für die, für einen Pulswinkel (Flip Angle) mit einem Wert zwischen 0° und dem kleinsten Wert des Pulswinkels (Flip Angle) größer als 0°, der ein Null-Resonanzantwortsignal ergibt, die Anregung so ist, dass das intensivste Resonanzantwortsignal in der Probe erzeugt wird.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Anregung so ist, dass der Pulswinkel (Flip Angle) an dem äußersten Rand der ausgewählten Probenentfernung, der weiter von der oder der einen derartigen Sonde (112) entfernt ist, kleiner ist, als der Wert des Pulswinkels (Flip Angle), der das maximale Resonanzantwortsignal ergibt.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anregung eine erste Art von Anregung umfasst und die Einrichtung (110) zum Anlegen der Anregung so ausgelegt ist, dass sie auch eine zweite Art von Anregung, vorzugsweise mit derselben Anregungsfrequenz, anlegen kann, wobei die erste Art von Anregung so ist, dass sie einen Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt, der sich an jeder Stelle innerhalb des ausgewählten Bereichs von demjenigen unterscheidet, der von der zweiten Art von Anregung an dieser bestimmten Stelle erzeugt wird, und wobei die Ermittlungseinrichtung (106) so ausgelegt ist, dass sie die Antwortsignale von jeder der ersten und zweiten Art von Anregung ermittelt.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Anregung eine erste Art von Anregung umfasst und die Einrichtung (110) zum Anlegen der Anregung so ausgelegt ist, dass sie auch eine zweite Art von Anregung anlegen kann, die einen Puls oder Pulse aufweist, die eine andere Breite und/oder Effektivwert-Leistung haben, als die der ersten Art von Anregung, wobei die zweite Art von Anregung vorzugsweise dieselbe Anregungsfrequenz aufweist wie die erste Art von Anregung.
Gerät nach Anspruch 12, wobei die Ermittlungseinrichtung so ausgelegt ist, dass sie die Resonanzantwortsignale von der ersten Art von Anregung unabhängig von den Resonanzantwortsignalen von der zweiten Art von Anregung verarbeitet, und dass sie die Resonanzantwortsignale von der ersten Art von Anregung und/oder die Resonanzantwortsignale von der zweiten Art von Anregung abgleicht, um dieselbe Phase nach Fourier-Transformation zu erzeugen.
Gerät nach Anspruch 13, wobei die Ermittlungseinrichtung so ausgelegt ist, dass sie die sich aus der Fourier-Transformation der Resonanzantwortsignale von der ersten Art von Anregung und der Fourier-Transformation der Resonanzantwortsignale von der zweiten Art von Anregung ergebenden Absorptionsspektren hinzufügt, und wobei die Ermittlungseinrichtung vorzugsweise so ausgelegt ist, dass sie den Bereich unter jedem Absorptionsspektrum hinzufügt.
Gerät nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zum Bestimmen des Grads der Entfernung der Probe von der oder der einen derartigen Sonde (112), die eine Einrichtung (100) aufweist zum Vergleichen der im Ansprechen auf die entsprechenden Arten von Anregung erzeugten Resonanzsignale und zum Bestimmen des Grads der Entfernung der Probe von der oder der einen derartigen Sonde (112) aus dem Vergleich.
Gerät nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Einrichtung (110) zum Anlegen von Anregung derart ist, dass sie eine Vielzahl von miteinander überlappenden Arten von Anregung anlegt, um einen sich wiederholenden Anregungszyklus zu bilden, wobei jede der Arten von Anregung während jedes derartigen sich wiederholenden Zyklus angelegt wird.
Gerät nach Anspruch 16, wobei in jedem derartigen sich wiederholenden Zyklus die Anregung, die den kleineren oder den kleinsten Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt, der Anregung vorangeht, die den größeren oder größten Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Vergleichs- und Bestimmungseinrichtung (100) so ausgelegt ist, dass sie zusätzlich aus dem Vergleich den Grad der Quantität der vorgegebenen Art quadrupolaren Kerns bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Einrichtung (110) zum Anlegen von Anregung so ausgelegt ist, dass sie wenigstens zwei unterschiedliche Paare erster und zweiter Arten von Anregung anlegt.
Gerät nach Anspruch 11, wobei die erste Art von Anregung so ist, dass an allen Entfernungen innerhalb des ausgewählten Entfernungsbereichs Nicht-Null Resonanzantwortsignale erzeugt werden, und die zweite Art von Anregung so ist, dass an allen Entfernungen innerhalb eines weiteren ausgewählten Entfernungsbereichs Nicht-Null Resonanzantwortsignale erzeugt werden.
Gerät nach Anspruch 20, wobei der ausgewählte Entfernungsbereich und der weitere ausgewählte Entfernungsbereich benachbart sind oder einander überlappen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren eine Einrichtung zum Erzeugen eines Alarmsignals in Abhängigkeit davon, ob das Vorliegen einer vorgegebenen Substanz über einer vorgegebenen Schwelle ermittelt wird, aufweist.
Verfahren zum Ermitteln des Vorliegens einer fernen Probe mit einer vorgegebenen Art quadrupolaren Kerns, das umfasst: Bereitstellen wenigstens einer Sonde (112) mit einer vorgegebenen maximalen Querschnittsgröße; Anlegen von Anregung an die Sonde, um nukleare Quadrupolresonanz für einen ausgewählten Entfernungsbereich der Probe von der Sonde (112) anzuregen, wobei über den ausgewählten Bereich ein nicht-uniformes Feld erzeugt wird, wobei der ausgewählte Bereich wenigstens ein Zehntel der vorgegebenen maximalen Größe der Sonde (112) umfasst, und wobei die Anregung wenigstens einen Anregungspuls umfasst; für jeden Anregungspuls der Anregung Empfangen von Resonanzantwortsignalen, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs angeregt werden, an der Sonde; und Ermitteln und Verarbeiten von Resonanzantwortsignalen, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs an der Sonde (112) empfangen werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Ermitteln des Vorliegens einer verdeckten oder verborgenen Probe dient, wenn sich die verdeckte oder verborgene Probe innerhalb des ausgewählten Entfernungsbereichs von der Sonde (112) befindet; das Verfahren des Weiteren das Steuern der Anregung so umfasst, dass jeder Anregungspuls der Anregung eine ausgewählte Breite und Effektivwert-Leistung aufweist, wobei die ausgewählte Breite und Effektivwert-Leistung so ausgewählt werden, dass sichergestellt ist, dass jeder Anregungspuls der Anregung entsprechende Nicht-Null Resonanzantwortsignale an allen Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs anregt, unter der Annahme, dass sich die Probe an all diesen Entfernungen befindet; die Resonanzantwortsignale, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs durch Anlegen der Anregungspulse der ausgewählten Breite und Effektivwert-Leistung angeregt werden, unabhängig von Resonanzantwortsignalen, die an Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs durch Anlegen anderer Anregungspulse angeregt werden, verarbeitet werden, um dadurch das Vorliegen der Probe innerhalb des ausgewählten Entfernungsbereichs zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Anregung so ist, dass für eine vorgegebene Probe über den ausgewählten Bereich der Probenentfernung das minimale Resonanzantwortsignal, das ermittelt wird, nicht weniger als ein Zwanzigstel, vorzugsweise nicht weniger als 1/10, 1/5, ¼, 1/3 oder ½ des maximalen Resonanzantwortsignals beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Anregung so ist, dass ein kleinster Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt wird, der größer ist als 50%, 75% oder 90% des größten Pulswinkels über den ausgewählten Bereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die Anregung eine gepulste Anregung ist, die bei einer Pulswiederholungszeit τ wiederholt wird, die Probe eine Spin-Gitter-Relaxationszeit T₁ hat, und der Wert von τ/T₁ kleiner ist als 5, vorzugsweise kleiner als 2, 1, 0,5, 0,1 oder sogar 0,05.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Anregung so ist, dass ein Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt wird mit einem Wert, der wenigstens der Wert des Pulswinkels (Flip Angle) ist, der das maximale Resonanzantwortsignal an wenigstens einer Stelle, vorzugsweise an wenigstens zwei getrennten Stellen, in dem ausgewählten Bereich ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei die Anregung so ist, dass ein Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt wird mit einem Wert, der größer ist, als der Wert des Pulswinkels (Flip Angle), der das maximale Resonanzantwortsignal ergibt, jedoch mit einem Wert, der kleiner ist, als der kleinste Wert eines Pulswinkels (Flip Angle) von größer als 0°, der ein Null-Resonanzantwortsignal ergibt, an dem äußersten Rand des ausgewählten Proben-Entfernungsbereichs, der der oder der einen derartigen Sonde (112) näher liegt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Anregung so ist, dass der äußerste Rand des ausgewählten Proben-Entfernungsbereichs, der der oder der einen derartigen Sonde (112) näher liegt, näher an der Stelle liegt, für die der Pulswinkel (Flip Angle) der kleinste Wert des Pulswinkels (Flip Angle) größer als 0° ist, der ein Null-Resonanzantwortsignal ergibt, als an der Stelle, für die der Pulswinkel (Flip Angle) so ist, dass er ein maximales Resonanzantwortsignal ergibt.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei die Anregung so ist, dass der äußerste Rand des ausgewählten Proben-Entfernungsbereichs, der weiter von der oder der einen derartigen Sonde (112) entfernt ist, weiter als die Stelle entfernt ist, für die, für einen Pulswinkel (Flip Angle) mit einem Wert zwischen 0° und dem kleinsten Wert des Pulswinkels (Flip Angle) größer als 0°, der ein Null-Resonanzantwortsignal ergibt, die Anregung so ist, dass das intensivste Resonanzantwortsignal in der Probe erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Anregung so ist, dass der Pulswinkel (Flip Angle) an dem äußersten Rand der ausgewählten Probenentfernung, der weiter von der oder der einen derartigen Sonde (112) entfernt ist, kleiner ist, als der Wert des Pulswinkels (Flip Angle), der das maximale Resonanzantwortsignal ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 31, wobei die Anregung eine erste Art von Anregung umfasst und das Verfahren des Weiteren das Anlegen einer zweiten Art von Anregung, vorzugsweise mit derselben Anregungsfrequenz, umfasst, wobei die erste Art von Anregung so ist, dass sie einen Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt, der sich an jeder Stelle innerhalb des ausgewählten Bereichs von demjenigen unterscheidet, der von der zweiten Art von Anregung an dieser bestimmten Stelle erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei die Anregung eine erste Art von Anregung umfasst und das Verfahren des Weiteren das Anlegen einer zweiten Art von Anregung umfasst, die einen Puls oder Pulse aufweist, die eine andere Breite und/oder Effektivwert-Leistung haben, als die der ersten Art von Anregung, wobei die zweite Art von Anregung vorzugsweise dieselbe Anregungsfrequenz aufweist wie die erste Art von Anregung.
Verfahren nach Anspruch 33, das des Weiteren das Verarbeiten der Resonanzantwortsignale von der ersten Art von Anregung unabhängig von den Resonanzantwortsignalen von der zweiten Art von Anregung umfasst, und das Abgleichen der Resonanzantwortsignale von der ersten Art von Anregung und/oder der Resonanzantwortsignale von der zweiten Art von Anregung, um dieselbe Phase nach Fourier-Transformation zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 34, das des Weiteren das Hinzufügen der sich aus der Fourier-Transformation der Resonanzantwortsignale von der ersten Art von Anregung und der Fourier-Transformation der Resonanzantwortsignale von der zweiten Art von Anregung ergebenden Absorptionsspektren umfasst, und vorzugsweise umfasst das Verfahren das Hinzufügen des Bereichs unter jedem Absorptionsspektrum.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, wobei die Vielzahl von Arten von Anregung miteinander überlappt werden, um einen sich wiederholenden Anregungszyklus zu bilden, wobei jede der Arten von Anregung während jedes derartigen sich wiederholenden Zyklus angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei in jedem derartigen sich wiederholenden Zyklus die Anregung, die den kleineren oder den kleinsten Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt, der Anregung vorangeht, die den größeren oder größten Pulswinkel (Flip Angle) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, wobei die im Ansprechen auf die jeweiligen Arten von Anregung erzeugten Resonanzsignale separat erhalten und verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38 zum Bestimmen des Grads der Entfernung der Probe von der oder der einen derartigen Sonde (112), wobei die im Ansprechen auf die entsprechenden Arten von Anregung erzeugten Resonanzsignale verglichen werden und der Grad der Entfernung der Probe von der oder der einen derartigen Sonde (112) aus dem Vergleich bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei zusätzlich aus dem Vergleich der Grad der Quantität der vorgegebenen Art quadrupolaren Kerns bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 40, wobei wenigstens zwei unterschiedliche Paare erster und zweiter Arten von Anregung angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die erste Art von Anregung so ist, dass an allen Entfernungen innerhalb des ausgewählten Bereichs Nicht-Null Resonanzantwortsignale erzeugt werden, und die zweite Art von Anregung so ist, dass an allen Entfernungen innerhalb eines weiteren ausgewählten Entfernungsbereichs Nicht-Null Resonanzantwortsignale erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der ausgewählte Entfernungsbereich und der weitere ausgewählte Entfernungsbereich benachbart sind oder einander überlappen.