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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Detektion von Materialien, und insbesondere eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Detektion der Anwesenheit eines vorgegebenen
Materials an irgendeinem Ort unter Verwendung einer charakteristischen
Frequenz des Materials.
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2. Umfang
des Standes der Technik
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Die Fähigkeit, das Vorhandensein
eines Materials an irgendeinem Ort zu erfassen ist eine Anforderung
in vielen Gebieten und Industrien. Zu bestimmen, ob ein bestimmtes
Material in großer
oder kleiner Menge an irgendeinem Ort vorhanden ist, ist eine Frage
in der Medizin, in der Forschung, in der Erkundung, in der Kriminalistik,
der Sicherheit, bei der Durchsetzung des Rechts und aus Sicherheitsgründen. Beispielsweise
kann es an Eintrittspunkten von nationalen Grenzen und bei gewissen
Komplexen und Gebäuden
notwendig sein, daß der
Inhalt von Koffern und Kästen
und anderen derartigen Transportbehältern identifizierbar ist durch
Inspektions- oder Detektionsverfahren, wenn nach Schmuggelware,
wie beispielsweise Drogen, gestohlenen Waren, unerlaubten Medikamenten
und Pflanzen, Sprengstoffen und Beschleuniger, Flüssigkeiten,
chemischen Stoffen und anderen Materialien gesucht wird. Es gibt ähnliche
Anforderungen für
unauffälliges
Suchen von Menschen, sowie für
das Suchen von verschiedenen Transportmitteln, wie beispielsweise Kraftfahrzeuge,
Flugzeuge und Schiffe für
Schmuggelware einschließlich
dem Vorhandensein von versteckter menschlicher Fracht. Die Detektionstechnologie
ist anwendbar in der Medizin zum Erfassen von Giftstoffen, gebrochenen
Knochen, Tumoren und fremden in den Körper eingeführten Objekten. Kriminalwissenschaften
und andere Suchfelder verwenden ebenfalls eine Detektionstechnologie
für Gründe sowohl
der Verifizierung als auch der Ausforschung.
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Zum Erfassen von Objekten, Materialien
und Dingen, die durch das menschliche Auge aus welchen Gründen auch
immer nicht erfaßbar
sind, wurden viele verschiedene Typen von Vorrichtungen und Verfahren
entwickelt. Eines der bekanntesten ist die Röntgenstrahlentechnologie. Die
Röntgenstrahlen werden
verwendet, um Gepäck
und andere Behälter zu
untersuchen. Während
die Röntgenstrahlentechnologie
in einigen Fällen
gut funktioniert bei der Identifizierung der Form von Objekten innerhalb
eines Behälters,
fehlt es ihr an der Möglichkeit
einige Materialien zu erfassen oder einige Behältermaterialien zu durchdringen.
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Die Röntgenstrahlentechnologie wird
ebenfalls in der Medizin verwendet, um die innere Struktur von menschlichen
oder tierischen Körpern
zu untersuchen. Ähnlich
wird die Magnetresonanzbild (MRI)-Technologie und die Kernmagnetresonanz (NMR)-Technologie
in der Medizin und anderen Felder verwendet, welche jeweils Vorteile
aufweisen. CAT-Abtastungen,
die die NMR-Technologie verwendet, und MRIs werden von einigen bei
Anwendung beim Menschen als sicherer angesehen, als die Röntgenstrahlentechnologie.
Jedoch auch wie mit der Röntgenstrahlentechnologie
sind die Geräte,
die diese oder andere Technologien verwenden teuer und können nicht
alle Materialien an allen Orten erfassen. Die NMR wurde verwendet,
um Schmuggelmaterial zu erfassen. Um bei der Erfassung von Materialien
effektiv zu sein, benötigt
die NMR relativ große
Magneten, die teuer sind. Eine weitere Begrenzung der NMR ist, daß sie Menschen
starken Magnetfeldern aussetzt. Ein Nachteil von NMR ist, daß ihre Magneten
magnetisch gespeicherte Information zerstören können, die gewöhnlich in
Computern vorhanden sind.
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Kernquadrupol-Resonanz (NQR) ist
ein weiteres Verfahren zum Erfassen von Material. NQR ist ähnlich zu
NMR, erfordert jedoch nicht die Verwendung von großen Magneten.
Sie verwendet einen Bereich einer Strahlenfrequenzspektroskopie,
die die inherenten elektrischen Eigenschaften von Atomkernen auswertet.
So emittiert ein Atomkern eine Quadrupolresonanz, wenn der Kern
auf ein spezifisches vorgegebenes elektrisches Feld trifft, das
von einer umschließenden
Umgebung erzeugt wird. Typischerweise antwortet ein Material, wenn
es einer vorgegebenen Frequenz ausgesetzt wird, und emittiert ein NQR-Signal.
Jedes bestimmte Material hat einen Satz von bestimmten NQR-Frequenzen,
die von der chemischen Struktur des Materials abhängen. Beispielsweise
ist Stickstoff (14N) eine chemische Struktur,
die in einigen Drogen und Sprengstoffen gefunden wird. Wenn die
passende Strahlungsfrequenz für Stickstoff
(14N) auf einen Sprengstoff oder eine Droge aufgebracht
wird, die Stickstoff (14N) enthalten, wird das
Material ein NQR-Signal emittieren.
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Verschiedene Typen von Vorrichtungen
wurden entwickelt, um die NQR von Stickstoff (14N)
zu verwenden, um das Vorhandensein von Sprengstoffen, insbesondere
in Fluggepäck
und anderen Transportbehältern
zu erfassen. Um effektiv zu sein verwenden die meisten Vorrichtungen,
die mittels NQR arbeiten, eine Ausrüstung, die sowohl Strahlungsfrequenzen übertragen
als auch aufnehmen kann. Diese Vorrichtungen benötigen ebenfalls relativ hohe Energiequellen,
um wirksam ein NQR-Signal zu erzeugen, das von dem Material erfaßt werden
kann. Sogar mit den Hochenergiequellen weist das NQR-Signal, das
von dem Material emittiert wird, eine niedere Energie auf, die relativ
schwierig zu erfassen ist. Beispielsweise kann eine NQR-Erfassungsvorrichtung,
die eine 2 kW-Quelle aufweist, das Vorhandensein eines bestimmen
Materials nur einige Zentimeter davon entfernt erfassen. So müssen der Sender
und der Empfänger
relativ nah an der Substanz sein, um deren Vorhandensein zu erfassen. Aufgrund
der von der Substanz relativ niedrigen emittierten Energie können NQR-Erfassungsvorrichtungen
wirksam nur das Vorhandensein von Sprengstoffen oder anderen Materialien
an einem vorbestimmten Ort erfassen. So müssen Koffer und dergleichen in
einen relativ engen Raum plaziert werden, damit NQR verwendet werden
kann, um das Vorhandensein von Schmuggelware zu erfassen.
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Zusätzlich zu NMR und NQR haben
Materialien andere Typen von spektralen Fingerabdrücken. Diese
spektralen Fingerabdrücke
hängen
von den chemischen Komponenten ab, die das Material bilden. Wenn
ein bestimmtes Material einem Energiesignal einer bestimmten Frequenz
ausgesetzt ist, das einem der spektralen Fingerabdrücke entspricht,
einer sogenannten charakteristischen Frequenz, wird das Material
ein entsprechendes Energiesignal aussenden, das im wesentlichen
dieselbe Frequenz hat. Wie in dem Fall mit Fluoreszenz, kann die
Frequenz der Spiegelenergie, die von einem Material emittiert wird,
sich leicht von der Orginalfrequenz unterscheiden. Die meisten bekannten
Recherchen in diese charakteristischen Frequenzen wurden mit Energiequellen
durchgeführt,
die eine Frequenz von weniger als 10 MHz haben, was in dem Frequenzbereich liegt,
den das Material mit NQR erfährt.
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NQR wirkt auf den Atomkern ein, bezüglich der
Elektronen, die den speziellen Kern schützen, die gemessen werden.
Wenn jedoch Atome anderen Energieniveaus ausgesetzt werden, erzeugt
die Energie Reaktionen bei den Elektronen. Die Elektronenenergie
in einem Molekül
beträgt
1 – 100
Elektronenvolt (eV). Diese Energie wird auch in Teilen pro eV dargestellt;
beispielsweise wird die "Vibrationsenergie" eines Elektrons
in Zehnereinheiten eines Elektronenvolts gemessen, und die "Rotationsenergie" eines Elektrons
wird in Tausenden eines Elektronenvolts gemessen. In der NQR kann
der Kern Niveaus ändern,
wenn der Kern in Berührung
mit einer äußeren Energiequelle
kommt. Es wird davon ausgegangen, daß jedoch das Aussetzen gegenüber jeder
Energiequelle einen Effekt auf die Energie der Elektronen hat. Es
wird ebenso angenommen, daß die
Niederniveauenergie auf die Elektronenbahnen einwirkt.
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Aus der FR-A-1 105 325 ist eine Vorrichtung zur
Detektion einer unmagnetischen Mine, die im Boden eingegraben ist,
bekannt, die einen Oszillator und eine mit dem Oszillator verbundene
Antenne aufweist. Die Vorrichtung macht Gebrauch von einem elektromagnetischen
Koppeleffekt zwischen der Antenne und einem Schwingkreis, der Teil
der eingegrabenen Mine ist. Wenn es eine Interaktion zwischen diesem
Resonanzkreis und der Antenne des Gerätes gibt, ändert sich die Gitterspannung
einer elektronischen Röhre
des Oszillators, so daß das
Vorhandensein der eingegrabenen Mine detektiert wird. Demzufolge
ist der Oszillator gleichzeitig ein Detektor.
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Aus der WO 97/07416 ist ein System
zur Bestimmung des Ortes eines metallischen Objekts in einem Medium
beispielsweise im Untergrund bekannt, bei dem die Tiefe des metallischen
Objekts in dem Untergrund bestimmt wird durch Messen der Übertragungszeiten
von elektromagnetischer Strahlung, die in zwei unterschiedlichen
Wegen sich innerhalb des Bodens bewegt, jeweils von einem Übertragungsort über Reflektion
von dem Objekt zu einem Empfangsort. Durch mathematisches Bewerten
der Übertragungszeiten
für reflektierte
Signale, die in unterschiedlichen Wegen sich bewegen, kann die Abhängigkeit
von der Durchlässigkeit
des Grundes selbst von der Tiefenberechnung eliminiert werden.
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Aus "Microwaves", Vol. 15, Nr. 8, Ausgabe 01, 1976,
Seiten 12–14,
ist ein Metalldetektionsradar bekannt, das einen Einzelfrequenztransmitter
und einen zugehörigen
harmonischen Empfänger
oder einen Dualfrequenztransmitter und einen Empfänger verwendet,
der auf ein starkes Kreuzprodukt eingestellt ist. Dadurch wird es
möglich,
metallische Ziele zu erfassen, die aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen
Teilen gebildet sind, derart, daß eine nichtlineare Leitung
dazwischen erzeugt wird. Mit dieser Art von Radar können verschiedene
Typen von Metallzielen voneinander unterschieden werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Anbetracht der obigen Ausführungen
betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Detektion der Anwesenheit von Materialien. Es ist ein Ziel der
vorlie genden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, sowohl in
der Lage zu sein, ein bestimmtes Material in einem unentdeckten
Platz zu detektieren, als auch die Fähigkeit zu haben, ein Material
an einem bestimmten Ort zu erfassen. Es ist auch ein Ziel der vorliegenden
Erfindung das Vorhandensein eines Materials zu erfassen, das Energie
verwendet, das von einem Atom erzeugt wird, wenn dieses charakteristischen
Frequenzen des bestimmten Materials ausgesetzt ist. Zusätzlich sollte
die Vorrichtung in der Lage sein, Materialien über einen weiteren Bereich zu
erfassen, mit einer Energiequelle von verhältnismäßig niedrigem Niveau.
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Um das Vorhandensein eines bestimmten Materials
in einem großen
Abstand zu ermitteln bzw. zu erfassen, erfaßt die vorliegende Erfindung
die Interferenz die zwischen der Energiequelle und der charakteristischen
Energie erzeugt wird, die von dem Material emittiert wird. Das Interferenzsignal,
das zwischen der Quellenenergie und der Energie, die von einem Material
emittiert wird, erzeugt wird, ist eine Reihe von Pulsen, die auftritt,
wenn sich zwei Signale kreuzen. Die beiden Signale werden unzweifelhaft
untereinander außer
Phase sein. Da die beiden Signale sich bei derselben allgemeinen
Frequenz befinden, wird sich das Interferenzsignal jedoch ebenso bei
dieser Frequenz befinden. Da die charakteristische Energie, die
von dem Zielmaterial emittiert wird, eine Ableitung der charakteristischen
Energie ist, tritt die Interferenz bei bestimmten Intervallen auf.
Sogar wenn das Energieniveau des von dem Zielmaterial emittierten
Signals relativ niedrig ist, und es schwierig ist es selbst zu erfassen,
ist das Interferenzsignal konstant und hängt nicht von dem Energieniveau
des von der Zielquelle ausgegebenen Signals ab. Das Interferenzsignal
ist über
einen weiten Bereich konstant und kann aufgrund der bekannten Parameter des
Quellensignals und des Signals, das von der Zielquelle emittiert
wird, ermittelt werden.
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Demzufolge umfaßt die vorliegende Erfindung
ein Quellenmodul und Detektionsmodul. Das Quellenmodul erzeugt ein
Energiesignal mit einer bestimmten Frequenz, die der charakteristischen
Frequenz des zu erfassenden Materials entspricht. Das Detektionsmodul
erfaßt
das Vorhandensein des Interferenzsignals, das zwischen dem Quellenenergiesignal
und der Energie erzeugt wird, die von dem Zielmaterial bei derselben
Frequenz wie das Quellensignal emittiert wird. Das Interferenzsignal
hängt von
der charakteristischen Frequenz des Zielmaterials ab.
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Das Quellenmodul umfaßt einen
Frequenzgenerator der mit einer Antenne verbunden ist, die eine
bestimmte Größe oder
Länge aufweist,
die von der Wellenlänge
des Energiesi gnats abhängt.
Das Quellenmodul kann auch einen Induktor umfassen, so daß ein Multiphasensignal
emittiert wird.
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Das Erfassungsmodul umfaßt eine
drehbare Antenne. Um die Leistung zu erhöhen, kann die Antenne zu einem
Signalgenerator verbunden sein, der vorzugsweise auf eine charakteristische
Frequenz gesetzt ist. Es wird davon ausgegangen, daß der mit dem
Erfassungsmodul verbundene Generator als ein Verstärker des
Interferenzsignals und ein Filter für Umgebungsfrequenzen dient.
Die Detektionsmodulantenne ist auch mit einer Spule verbunden, die
eng gewunden sein kann und in eine vertikale Richtung bezüglich des
Bodens und senkrecht zu der Antenne ausgerichtet sein kann. Das
Erfassungsmodul kann einen Modulator umfassen, der auf eine relativ
enge Frequenz gesetzt ist, bezogen auf das Quellensignal. Der Modulator
verstärkt
die Erfassung des Interferenzsignals durch die Antenne durch Veränderung des
Interferenzfeldes. Die Größe und Ausrichtung der
Antennen, des Modulators und des Detektionsmodulquellengenerators
werden alle so ausgestaltet, daß sie
das Vermögen
des Erfassungsmoduls, das Vorhandensein eines Materials an einem
jeglichen bestimmten Ort zu erfassen, verstärken. Es wurde festgestellt,
daß die
Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung optimal arbeitet,
wenn der Quellengenerator ein Energiesignal zwischen 100 MHz und
1,5 GHz emittiert.
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Im Betrieb wird der Quellengenerator
dazu angeregt, ein Energiesignal einer Zielmaterialcharakteristikfrequenz
zwischen 100 MHz und 1,5 GHz zu emittieren. Abhängig von dem Energieniveau
der Energiequelle wird das Quellenmodul beginnen die Elektronen
eines jeglichen Materials zu aktivieren, das die charakteristische
Frequenz aufweist, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs nach
ein paar Sekunden erzeugt wird. Wenn das Zielmaterial aktiviert
ist, wird es auch beginnen, ein Signal zu emittieren, das die charakteristische
Frequenz aufweist. Wie vom Durchschnittsfachmann verstanden, wird ein
Interferenzsignal bei der charakteristischen Frequenz auftreten,
zwischen dem Quellensignal und dem Zielmaterialsignal, sogar wenn
das Energieniveau des Zielmaterialsignals relativ schwach ist. Das Erfassungsmodul
wird über
einen Bereich zwischen dem Quellenmodul und dem Zielmaterial bewegt. Wenn
das Erfassungsmodul auf die höchste
Energielinie zwischen dem Quellenmodul und dem Zielmaterial trifft,
welches die kürzeste
Linie zwischen den beiden Energiequellen ist, wird sich die Antenne
drehen, um anzuzeigen, daß die
Linie überschritten
wurde. Abhängig
von der Ausrichtung in der die Detektionsmodulspule gewikkelt ist,
wird die Antenne sich in Richtung des Zielmaterials oder der Quelle
drehen. Da die Antenne fortfährt,
sich über
einen Bereich zu bewegen, wird sie fortfahren in die Richtung des Quellenmoduls
und des Zielmaterials zu zeigen. Wenn ein Satz von Koordinaten des
Zielmaterials erzeugt wurde, kann der exakte Ort des Ziels berechnet werden.
Wenn der exakte Ort des Materials bekannt ist, wie beispielsweise
in einem Koffer, können
die Grundsätze
der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, zu erfassen, ob
ein Zielmaterial sich an dem Ort befindet. Die schiere Erfassung
des Interterenzsignals wird angeben, das der Ort das Zielmaterial
enthält.
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Diese und eine Vielzahl weiterer
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sofort ersichtlich
aus der nachfolgenden Beschreibung, der beigefügten Zeichnungen und der dazugehörigen Ansprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung einer Vorrichtung, die dazu verwendet wird, das
Vorhandensein eines Materials an einem unbekannten Ort, gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung, zu erfassen;
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2 ist
eine Darstellung des Generators, der bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 ist
ein elektrisches Diagramm des Detektors gezeigt in 3;
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4 ist
eine Darstellung des Detektors, der in der Ausführungsform gemäß 2 Verwendung findet;
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5 ist
eine Darstellung des Generators einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine Darstellung des Modulators, der von dem Generator, dargestellt
in 5, verwendet wird;
und
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7 ist
ein elektrisches Diagramm des Detektors, dargestellt in 6.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 gezeigt,
die das Vorhandensein eines Zielmaterials 11 an einem unspezifizierten
Ort erfaßt,
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Wie ausführlicher
unten beschrieben, umfaßt
die vorliegende Erfindung ein Quellenmodul 12 und ein Erfassungsmodul 14.
Das Quellenmodul 12 erzeugt ein Energiesignal, das eine Frequenz
aufweist, die der charakteristischen Frequenz des bestimmten Materials
entspricht, nach dem die Vorrichtung sucht. Solche Materialien können sein
Polyethylen, Schmerzmittel, Sprengstoffe, Drogen und andere Materialien.
Das Detektormodul umfaßt
eine Antenne, die die Interferenz erfassen kann, die von dem Signal,
das von dem Quellengenerator emittiert wird und dem Signal, das
von dem Ziel 11 emittiert wird, erzeugt wird.
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2 ist
eine schematische Ansicht des Quellenmoduls 12 einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Quellenmodul 12 umfaßt einen
Frequenzgenerator 16. Vorzugsweise ist der Generator 16 präzise und
kann ein Frequenzsignal erzeugen, das annähernd identisch zu dem gesetzten Signal
ist. Es wurde festgestellt, daß wenn
der Generator 16 ein Energiesignal mit einer Abweichung
von ±1
kHz und in manchen Fällen ±2 kHz
von der gewünschten
charakteristischen Frequenz emittiert, eine Vorrichtung, die in Übereinstimmung
mit den Grundzügen
der vorliegenden Erfindung gemacht ist, irreguläre Ergebnisse für die vorliegende
Erfindung erzeugen kann. In der bevorzugten Ausführungsform sollte der Quellenfrequenzgenerator 16 in
der Lage sein, Signale zwischen 100 MHz bis 1,5 GHz zu erzeugen.
Selbstverständlich
können
die Grundsätze der
vorliegenden Erfindung innerhalb von Frequenzbereichen geringer
als 100 MHz und größer als
1,5 GHz funktionieren. Zusätzlich
wird davon ausgegangen, daß die
vorliegende Erfindung prinzipiell mit Frequenzen im Mikrowellenbereich
betrieben werden kann.
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Der Generator 16 ist mit
einer Antenne 18 verbunden, die eine Standard-Stabantenne
sein kann. Die Länge
der Stabantenne 18 hängt
von der Wellenlänge
des Signals ab. So ist es bevorzugt, daß die Antenne 18 einstellbar
ist, um akkurat das bestimmte Frequenzsignal zu emittieren.
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3 ist
eine Darstellung des Erfassungsmoduls 14, das in der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Verwendung findet. Das Erfassungsmodul 14,
wie in 3 bis 4 gezeigt, weist eine Antenne 23 zur
Erfassung des Interferenzsignals auf, das zwi schen dem Quellensignal,
das von dem Quellenmodul 12 erzeugt wird, und dem Signal auftritt,
das von dem Ziel 11 erzeugt wird. Für den optimalen Betrieb des
Erfassungsmoduls 14 sind die Abmessungen der Antenne 23 abhängig von
der Wellenlänge
des charakteristischen Signals des Materials. Eine Antenne 23,
die eine Länge
aufweist, die gleich ¼ der
Wellenlänge
der charakteristischen Frequenz ist, kann verwendet werden, um ein
bestimmtes Material zu erfassen. Ein anderes Beispiel der Antenne 23,
die in dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Verwendung findet, ist eine Sternantenne,
die sechs Seiten aufweist. Die Sternantenne ist mit zwei Dreiecken 25 erzeugt,
wobei jede der Dreieckseiten eine Länge aufweist, die einem Achtel der
Wellenlänge
entspricht. Der Aufbau sieht eine Antenne 23 mit der maximalen
Ausbeute zum Erfassen des Interferenzsignals bei einem minimalen
Volumen vor. Jeder Dreiecksbereich 25 der Sternantenne 23 weist
ein Verbindungsende auf.
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Die Antenne 23 ist mit einem
Rotatorabschnitt 27 verbunden. Der Rotatorabschnitt 27 umfaßt eine
Lagereinheit 29 und einen Dreharm 31. Der Dreharm 31 ist
mit der Antenne 23 über
einen Spulenabschnitt 33 verbunden, der nachfolgend beschrieben
ist. Wie von einem Durchschnittsfachmann ersichtlich, erlaubt die
Lagereinheit 29 den Dreharm 31 um die vertikale
Achse 35 des Rotatorabschnitts 27 zu drehen. Das
andere Ende des Rotatorabschnitts 27 ist mit dem Signalgenerator über eine
Leitung 37 verbunden.
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Weiterhin umfaßt das Erfassungsmodul 14 einen
Spulenabschnitt 33. Bei der Sternantenne gibt es zwei Verbindungspunkte
in den Spulenabschnitt 33 hinein. Die Spulen 39 sind
vertikal gewickelt und von jeglicher bestimmter Länge. Es
wurde festgestellt, daß die
optimale Länge
der Wicklungen 39 von der Wellenlänge des charakteristischen
Signals abhängt.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Wicklung 39 aus einem Draht gebildet, der eine
Dicke von 0,05 mm mit einem Widerstand von ungefähr 20 kΩ aufweist. Die Kapazität des Drahtes
kann unterschiedlich sein. In der bevorzugten Ausführungsform ist
der Draht eng zwischen 4.000 und 5.000 mal gewickelt, um die Spule 39 zu
bilden.
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Das Erfassungsmodul 14 weist
vorzugsweise zwei Spulen 39 auf, wie oben beschrieben.
Eine Spule 39 ist nach links gewickelt, und die andere Spule
(nicht dargestellt) ist nach rechts gewickelt. Die beiden Spulen 39 sind
in einem Kunststoffgehäuse 41 aufgenommen
und durch eine Metallplatte 43 getrennt. Ein Ende einer
jeden Spule ist mit dem Quellengenerator 16 durch die Leitung 37 verbunden.
Das andere Ende einer jeden Spule 39 ist mit dem Boden bzw.
der Erde durch eine Kapazität 45 verbunden. Die
Spulen 39 sind derart angeordnet, daß sie sich senkrecht zur Antenne 23 und
der Erde befinden. In der bevorzugten Ausführungsform können die
Spulen eingestellt werden, so daß sie sich innerhalb von 5
bis 10 Grad von der Senkrechten mit dem Boden befinden, um immer
noch das Vorhandensein von Zielmaterial 11 zu erfassen.
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Das Erfassungsmodul 14 ist
mit dem Quellenmodul 12 unter Verwendung der Leitung 37 verbunden,
was bevorzugt ein abgeschirmtes Koaxialkabel ist. Das Kabel 37 kann
jegliche Länge
aufweisen, hat jedoch vorzugsweise die Länge, die abhängig ist
von der Wellenlänge
des Quellensignals. Es wurde festgestellt, das ein Kabel, das die
Hälfte
der Wellenlänge
aufweist, optimal ist für
die Erfassung eines bestimmten Materials. Dies sollte jedoch so
verstanden werden, daß es
für das
Erfassungsmodul 14 nicht notwendig ist, mit dem Quellengenerator 16 oder
einem jeden anderen Signalgenerator verbunden sein, um richtig zu
funktionieren. Ein nicht dargestelltes passives Detektionsmodul,
das nicht mit einem Signalgenerator verbunden ist, wird immer noch das
Vorhandensein von Materialien erfassen und in Übereinstimmung mit den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung arbeiten. Die Verbindung zu einem Signalgenerator,
wie beispielsweise einem Quellengenerator 16, der auf die
charakteristische Frequenz des Zielmaterials 11 gesetzt
ist, erscheint als ein Verstärker
des erfaßten
Interterenzsignals sowohl als ein Filter gegenüber anderen Umgebungssignalen
in dem Bereich in dem die Vorrichtung arbeitet, zu dienen. Ein Modulator 69,
wie nachfolgend beschrieben, kann ebenfalls verwendet werden.
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Die 5 bis 7 zeigen eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform umfaßt ebenfalls
ein Quellenmodul 12, dargestellt in 5, und ein Erfassungsmodul 14, dargestellt
in den 6 und 7. Das Quellenmodul 12 umfaßt einen
Signalgenerator 50, der ebenfalls ein präzises Signal
einer gewählten
Frequenz erzeugen soll. Der Generator 50 ist mit wenigstens
einer Antenne 52 verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Generator mit zwei Antennen 52a und 52b,
die parallel sind, verbunden. Es wurde weiterhin festgestellt, daß der Abstand
zwischen den beiden Antennen 52a und 52b sehr
klein sein sollte, und insbesondere klein sein sollte, verglichen
mit der Wellenlänge
des erzeugten Signals. Wenn der Abstand zwischen den Antennen 52a, 52b ansteigt,
kann die Präzision
bei der ein Erfassungsmodul 14 das Vorhandensein von Material
erfaßt,
beeinträchtigt
sein. Es ist ebenso wünschenswert,
daß die
Antennen 52a, 52b parallel sind, und ein Ende
aufweisen, das in den Boden eindringen kann.
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Zwischen dem Generator 16 und
den Antennen 52a, 52b umfaßt das Quellenmodul 12 ei nen
Induktor 54, wie in 6 dargestellt,
um ein Multiphasensignal zu erzeugen. Der Zweck des Induktors 54 ist,
das Vorhandensein des Interferenzsignals zum Erfassen durch das
Erfassungsmodul 14 zu steigern. Der Induktor 54 ist
mit zwei Spulen 56, 58 gebildet, die zueinander
senkrecht angeordnet sind. Die erste Spule 56 ist mit der
Quelle 50 verbunden und der Spulenmittelpunkt ist mit der
Erde verbunden. Die zweite Spule 58 ist senkrecht zur ersten
Spule 56 angeordnet. Der Mittelpunkt ist mit einer gemeinsamen Erde
verbunden und beide Enden sind mit einer Antenne 52a bzw. 52b verbunden.
Der Zweck des Induktors 54 ist, das Vermögen des
Quellenmoduls 12 und des Erfassungsmoduls 14 zu
erhöhen,
das Vorhandensein der Interferenz zu erfassen.
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Das Erfassungsmodul 14 der
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt.
Diese Ausführungsform
umfaßt
zwei Antennen 65a, 65b, die einzeln mit einer
Spule 67 und einem Quellengenerator 69 eines Signals
des Erfassungsmoduls 14 verbunden sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform
weist das Erfassungsmodul 14 auch einen Modulator 71 auf.
Die Antennen 65a, 65b sind typische einstellbare
Stabantennen. Wie vorstehend bereits erläutert wurde, können die
Antennen 65a, 65b von jeglicher bestimmter Länge sein.
Es wurde jedoch beobachtet, daß die
optimale Länge der
Antennen 65a, 65b abhängig ist von der Wellenlänge der
charakteristischen Frequenz. Die Antenne 65 ist mit der
Spule 67 verbunden. Die Spule 67 ist ihrerseits
mit dem Quellengenerator 69 verbunden.
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Die Spule 67 ist senkrecht
zur Antenne 65 und ist ähnlich
zu der Spule 39 aufgebaut, wie diese in der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde. Es wurde festgestellt, daß andere Typen von Spulen (nicht
dargestellt) verwendet werden können,
jedoch ist die vertikal ausgerichtete Spule von Vorzug. Eine Antenne 65a ist
mit einer Spule 67 verbunden, die nach rechts gewickelt
ist, und die andere Antenne 65b ist mit eine Spule 67 verbunden,
die nach links gewickelt ist. Die Spulen sind in einem Gehäuse 73 eingeschlossen.
Die Rechtshandspule 67 ist in der rechten Seite der Erfassungsmoduls 14 angeordnet und
die Linkshandspule ist auf der linken Seite mit dem Erfassungsmodul 14 verbunden.
Bei jeder Spule 67 ist ein Ende mit der Antenne 65 und
das andere mit der Erde verbunden. Eine Kapazität 75 ist parallel zwischen
das zweite Ende und die Quelle gesetzt. Die Quelle 65 und
die Spule 67 sind zu einer Drehverbindung verbunden, die
ihrerseits mit der Quelle verbunden ist, wie das bei dem Ausführungsbeispiel beschrieben
wurde.
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Die Betriebsmodi für die oben
beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfin dung werden nunmehr beschrieben. Wie ausgeführt ist
der Zweck der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein von Zielmaterialien
an einem jeglichen Ort festzustellen. Der Betrieb der bevorzugten
Ausführungsformen
hängt nicht
von dem Zielmaterial 11 ab, das an einem jeglichen Ort
sein kann. So kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden
festzustellen, ob eine bestimmte Substanz, wie beispielsweise Polyethylen,
Sprengstoffe, Drogen an einem bestimmten Ort sich befindet. Ein
Beispiel ist die Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in einem Flughafen, um Gepäck und andere Transportstücke abzutasten,
die in Flugzeugen transportiert werden. Die vorliegende Erfindung kann
auch dazu verwendet werden, um spezifische Materialien an einem
geschlossenen Ort zu lokalisieren. Gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung kann die Fähigkeit Materialien an unspezifizierten
Orten aufzuspüren
sich über
große
Distanzen und Höhen
bis zu 10.000 m erstrecken. Die Fähigkeit Materialien bei großen Abständen zu
detektieren erfordert nur, daß das
Energieniveau des Quellenmoduls 12 um einen vernünftigen Betrag, beispielsweise bis
zu 10 Watt, erhöht
wird.
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Bei der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Generator 16 bei dem
Quellenmodul 12 auf eine spezifische charakteristische Frequenz
des bestimmten Materials gesetzt. Beispielsweise beträgt eine
Frequenz für
ein Analgesikum, wie beispielsweise Acetaminophen, 146.4677 MHz.
Polyethylen hat eine Frequenz von 438.54045 MHz. In seiner einfachsten
Form sind das Quellenmodul 12 und das Erfassungsmodul 14 von
Hand gehalten. Die Quelle wird in einer Hand gehalten, so daß die Antenne 18 sich
in einer Richtung befindet. Das Erfassungsmodul 14 wird
in der anderen Hand gehalten, so daß die Antenne 23 sich
allgemein senkrecht zu der Quellenmodul 12-Antenne 18 erstreckt. Das
Quellenmodul 12 und das Erfassungsmodul 14 sind
auch über
das Kabel 37 verbunden, so daß das Erfassungsmodul 14 mit
der Signalquelle verbunden ist. Das Energieniveau des Quellenmoduls 12 wird auf
das geeignete Energieniveau gesetzt, um Zielmaterialien 11 innerhalb
eines bestimmten Abstandes zu erfassen. Beispielsweise kann ein
Quellengenerator 16, der ein 1 Watt Energieniveau aufweist,
Zielmaterial 11 bis zu 1.000 Meter entfernt erfassen und eine
10 Watt Energiequelle kann Materialien bis zu 10.000 Meter erfassen.
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Nachdem der Quellengenerator 16 aktiviert ist,
wird das Zielmaterial 11, sofern innerhalb des Bereichs
des Quellengenerators 16, beginnen, seine charakteristische
Frequenz zu emittieren, die das Quellensignal spiegelt. Selbstverständlich hängt das von
dem Zielmaterial 11 emittierte Signal von der Frequenz
ab auf die der Quellengenerator 16 gesetzt ist. Es wurde
festgestellt, daß das
Zielmaterial 11 3–5 Sekunden
braucht, um zu beginnen, jegli che Energie bei seiner charakteristischen
Frequenz zu emittieren. Für
den Fachmann ist es klar, daß das
Energieniveau der charakteristischen Frequenz, die von einem Zielmaterial 11 ausgesendet
wird, relativ niedrig ist. Weiterhin wurde eine Standardabweichung
der von dem Material emittieren Frequenz festgestellt. Sogar wenn
das Energieniveau der Frequenz, die von dem Zielmaterial 11 emittiert
wird, gering und schwer zu erfassen ist, ist ein Interferenzsignal,
das von dem Signal erzeugt wird, das durch das Quellenmaterial und das
Signal gesendet wird, das von den Zielmaterialien 11 emittiert
wird, vorhanden und kann über
größere Entfernungen
erfaßt
werden.
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Wenn das Zielmaterial 11 beginnt
die charakteristische Frequenz zu emittieren und ein Interferenzsignal
vorhanden ist, ist das Erfassungsmodul 14 in der Lage das
Vorhandensein des Interferenzsignals zu erfassen. Das von Hand gehaltene
Quellenmodul 12 und Erfassungsmodul 14 werden
von einem Punkt zu einem anderen Punkt bewegt, um zu bestimmen,
ob das Erfassungsmodul 14 das Vorhandensein des Interferenzsignals
erfassen kann. Die Antenne 18 des Quellenmoduls 12 ist
parallel zu der Erde und in die Richtung gerichtet, das das Zielmaterial 11 lokalisiert
werden kann.
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Die Antenne 23 des Erfassungsmoduls 14 verläuft senkrecht
zur Erde bzw. dem Boden und der Antenne 18 des Quellenmoduls.
Angenommen daß das
Zielmaterial 11 sich innerhalb des Bereiches der Vorrichtung
befindet, wird das Erfassungsmodul 14 die Grenze zwischen
dem Zielmaterial 11 und dem Quellengenerator 16 erfassen,
der das höchste
Energienieveau aufweist. Diese Linie bzw. Grenze ist in 1 dargestellt. Die Interferenzlinie
ist der kürzeste Abstand
zwischen der Quelle und dem Ziel 11. Wenn die Antenne 23 des
Erfassungsmoduls 14 durch diese Interferenzlinie durchtritt,
dreht sich die Antenne 16, um sich selbst in Ausrichtung
mit der Interferenzlinie zu bringen. Abhängig von der Polarisation der Spulen 39 innerhalb
des Erfassungsmoduls 14, wird sich die Antenne entweder
zu dem Quellengenerator 16 oder dem Zielmaterial 11 drehen.
Wenn das Erfassungsmodul 14 die geeignete Größe für alle Wellenlängen des
Signals ist, wird die Antenne 23 des Erfassungsmoduls 14 sich
abrupt und bestimmt bewegen, wenn sie sich über die Interferenzlinie bewegt. Da
das Erfassungsmodul 14 fortfährt die Interferenzlinie zu
passieren, wird die Antenne 23 fortfahren sich zu drehen
und in die Richtung auf den Quellengenerator 16 oder das
Zielmaterial 11 zeigen, zu dem es ursprünglich gezeigt hat. Es wurde
festgestellt, daß die
Antenne 23 sich ebenfalls auf den Quellengenerator 16 oder
das Zielmaterial 11 weiterdreht, zu dem es ursprünglich gezeigt
hat, wenn es sich einmal über die
Interferenzlinie in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Um den
exakten Ort des Zielmaterials 11 zu be stimmen, kann der
beschriebene Erfassungsprozeß von
einem unterschiedlichen Startort wiederholt werden, um einen Satz
von Koordinaten zu erhalten, aus dem der Ort des Zielmaterials 11 bestimmt
werden kann, unter Verwendung der standardisierten Dreiecksberechnungen.
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Es wird davon ausgegangen, daß die Antenne 23 des
Erfassungsmoduls 14 sich aufgrund der Interaktion in den
Spulen 39 des Erfassungsmoduls 14 des elektromagnetischen
Feldes des Interferenzsignals und des elektrischen Erdmagnetfeldvektors dreht.
Wie vom Durchschnittsfachmann verstanden, ist das Erdmagnetfeld
konstant und in senkrechter Richtung zum Boden ausgerichtet. Dies
ist dieselbe allgemeine Richtung in der die Spulen 39 ausgerichtet
sind. Das elektromagnetische Feld des Interferenzsignals ist senkrecht
zu dem Erdmagnetfeldvektor, und wenn die Spule auf das elektromagnetische Feld
des Interferenzsignals auftrifft, dreht sich die Antenne 23 in
einer bestimmten Richtung, abhängig
von der Rechtehandregel der elektromagnetischen Induktion.
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Die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform
stimmt mit jener der ersten Ausführungsform überein. Das Quellenmodul 12 wird in einem
vorbestimmten Ort plaziert durch Plazieren der Antennen 52a, 52b in
dem Boden. Selbstverständlich
können andere
Verfahren zum Fixieren des Quellenmoduls 12 an einem vorbestimmten
Ort verwendet werden. Der Quellengenerator 16 in dem Quellenmodul 12 und
der Signalgenerator in dem Erfassungsmodul 14 werden beide
auf die spezifische Frequenz des Zielmaterials 11 gesetzt.
Der Modulator 71 in dem Erfassungsmodul 14 wird
auf eine andere spezifische Frequenz gesetzt zur spezifischen Frequenzmodulation, die
für ein
jedes Zielmaterial 11 gefordert wird. Für Acetaminophen wird der Modulator 71 auf
74,7 Hz und für
Polyethylen wird der Modulator auf 184,1 Hz gesetzt.
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Wie oben beschrieben wird das Zielmaterial 11 beginnen
seine charakteristische Frequenz nach ungefähr 3 bis 5 Sekunden der Aktivierung
durch das Quellenmodul 12 zu emittieren. Wenn das Zielmaterial 11 einmal
seine charakteristische Frequenz emittiert, ist die Interferenzlinie
erzeugt. Das Erfassungsmodul 14, das von Hand gehalten
werden kann, wird bewegt und gegebenenfalls wird es durch die Interferenzlinie
treten. Wenn das Erfassungsmodul 14 einmal auf die Interferenzlinie
trifft, werden die Antennen 65 in entgegengesetzte Richtungen
drehen. Die Antenne 65, die am nächsten zum Quellenmodul 12 ist, wird
auf das Modul zeigen und die Antenne 65 am nächsten zum Zielmaterial 11 wird
auf das Ziel zeigen. Wie oben beschrieben, fahren die Antennen 65 fort
in Richtung auf das Quellenmo dul 12 bzw. das Zielmaterial 11 zu
zeigen. Wenn benötigt
kann das Quellenmodul 12 neu angeordnet werden und der Vorgang
wiederholt werden, so daß weitere
Koordinaten des Zielmaterials 11 erhalten werden könne. Der
exakte Ort des Zielmaterials 11 kann dann bestimmt werden
unter Verwendung von Dreiecksberechnungen.
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Im Lichte des obigen, können die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um das Vorhandensein
von Materialien an bestimmten Orten zu erfassen. Das Quellenmodul 12 fährt fort, die
charakteristische Frequenz von der Quelle innerhalb eines bestimmten
Bereichs zu emittieren. Das Erfassungsmodul 14 bewegt sich
zwischen der Position des Quellenmoduls 21 und dem zu untersuchenden
Objekt. Wenn das Testobjekt irgendeine der Substanzen enthält, auf
die es getestet wird, wird das Erfassungsmodul 14 sich
drehen und dabei das Vorhandensein dieses Materials anzeigen. Als
ein spezielles Beispiel kann ein Fahrzeug, das einen Plastiksprengstoff
enthält
in einem Bereich beobachtet werden. Das Quellenmodul 12 kann
an irgendeinem Ort um das Fahrzeug plaziert werden und das Erfassungsmodul 14 kann
zwischen der Quelle und dem Fahrzeug bewegt werden. Wenn das Fahrzeug
den Plastiksprengstoff enthält
wird sich die Erfassungsmodulantenne drehen, um anzuzeigen, daß das Zielmaterial 11 vorhanden
ist. Das Fahrzeug kann dann später
für den
Plastiksprengstoff inspiziert werden.
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Wie vom Durchschnittsfachmann erkannt werden
kann, kann das Erfassungsmodul 14 auch noch das Vorhandensein
von Materialien an einem jeglichen Ort erfaßt werden, ohne mit der Quelle
verbunden zu sein. In dieser Ausführungsform wurde festgestellt,
daß der
Detektor nicht die scharte Erfassungseigenschaft wie oben beschrieben
haben wird, obwohl die Erfassungsmodulantenne auf das Interferenzsignal
antwortet. Durch Verbinden des Erfassungsmoduls 14 mit
einem Quellensignal, das auf die charakteristische Frequenz gesetzt
ist, enthält
das Erfassungsmodul 14 einen Verstärker des Interterenzsignals
und einen Filter von Umgebungssignalen.
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Es wird vorausgesetzt, daß jedes
vorgegebene Material eine Mehrzahl von charakteristischen Frequenzen
aufweist, von denen die Interferenz erfaßt werden kann. Es wurde festgestellt,
daß jedoch die
Frequenzen zwischen 100 MHz und 1,5 GHz mit den vorbeschriebenen
Geräten übereinstimmen.
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Selbstverständlich erkennt der Fachmann viele Änderungen
und Modifikation der bevorzugten und alternativen Ausführungsform,
die beschrieben sind. Derartige Änderungen können vorgenommen werden
ohne aus dem Schutzumfang der Erfindung herauszugelangen und ohne
die erwarteten Vorteile zu verringern. Es ist demzufolge beabsichtigt,
das derartige Änderungen
und Modifikationen durch die zugehörigen Ansprüche abgedeckt sind.