JPS6327666B2

JPS6327666B2 -

Info

Publication number: JPS6327666B2
Application number: JP54111862A
Authority: JP
Inventors: Deii Kingu Jeemuzu; Ee Matsukanin Jooji; Eru Rooruitsutsu Uiriamu
Original assignee: Southwest Research Institute SwRI
Current assignee: Southwest Research Institute SwRI
Priority date: 1979-08-30
Filing date: 1979-08-30
Publication date: 1988-06-03
Also published as: JPS5636076A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、核磁気共鳴の増強技術を用いた元素
探知器に係り、主として隠された秘密の爆発物の
探知、さらにその量的測定にも使用できる弁別装
置とその方法に関するものである。本発明は、ま
た、広範な状況における他の物質の探知にも容易
に適用され得る。爆発物は航空会社、郵便局、輸
送会社等の従業員やその他の人々にとつて、近年
ますます大きな問題になつて来ている。小包や手
紙その他に隠されている爆発物を探知すること
は、今や焦眉の問題である。爆発物が相当量の金
属を含有している場合は金属探知器を用いて容易
に探知できる。この種の爆発物は、公知技術を用
いて金属を探知することによつて、所在を突きと
められる。しかし、いわゆる手紙爆弾等の非金属
爆弾を製造することも可能である。この爆弾は比
較的軽量で公知の金属探知器では探知不可能であ
り、しかも極めて危険性が高い。この爆弾の危険
性は、手紙を開封するまでは爆発しないことにあ
り、その結果人の両手や上半身に重傷を負わせる
ことになる。この爆弾は非常に小型であるため、
郵便物の束の中にあつても、殆ど探知できない。探知技術は、爆発物を、独特の方法で表示でき
なければならない。レスポンスの独特な性質は、
どんな種類の爆発物や爆弾でもその基本成分は事
実上、爆発性物質自体であるという事実に関係す
る。本発明は、増強された核磁気共鳴による探知
装置を提供し、疑わしい物質と探知装置とを物理
的に直接接触させないで、爆発物を探知すること
を可能にするものである。本発明は容易に得られ
る電磁界を、荷物や疑わしい小包に透徹させて利
用する。実際、磁界は、地面や非金属性低伝導率
物質を貫通することができる。非金属性低伝導率
物質とは、木材、プラステイツク、ガラス等をさ
しており、例えば手紙爆弾などは、本発明装置を
使用して容易に探知できる。本発明はまた、荷物
や小包の中の爆発物も探知できる。地中に埋まつ
ている、爆発性物質やプラスチツク部品から成る
地雷等の探知も可能である。うなり周波発振器を
含む通常の金属探知器には、金属以外の材料から
成る爆弾を探知することはできない。核磁気共鳴（以下、NMRと略す）とは、共鳴
が達せられることによつて、RF（高周波）磁界と
原子核を少なくとも部分的にその軌道電子から分
離させるに十分な強度を有する定磁界内に配置さ
れた原子核との間をエネルギーが移動することで
ある。最大エネルギーが元素の原子核に吸収され
る時の周波数すなわち共鳴周波数と磁界強度との
関係が、特定の関連元素を識別する手がかりにな
る。NMR探知技術は従来からあり、種々の探知
器に利用されているが、NMR探知技術における
難題の１つは、換算係数にある。例えば、相当量
のレスポンスを得るためには、関連元素を集結さ
せるために、非常に大量の物質が必要である。
NMRによつて得られる信号は、一般に非常に小
さく、上質の探知装置を必要とする。このことは
特に、微量しか入手できない同位元素を有する元
素にあてはまる。その上、NMR信号を活用する
ためには、密接な結合が必要とされて来ている。爆発物探知は一般的に数種の元素を同時に探知
するものである。好運にも探知する元素は異なる
爆発物では異なる割合をもつて表われるので、結
果的に異なる特徴を有することになる。一般的に
爆発性化合物は水素、窒素、炭素及び酸素を含
む。各元素の量は相対的に変化するが、これらの
元素の１つを含まない爆発物もある。水素の
NMR技術へのレスポンスは、窒素に比して最大
である。残念ながら、水素は検査試料付近の物質
の成分であることが多い。従つて、疑わしい爆発
物内の元素の様々な組み合わせのレスポンスを考
慮しなくてはならないこともある。本発明の好適な実施例においては、探知の増強
を行ない定常状態の探知装置の問題点を克服する
ため、過渡レスポンスが利用されている。上記の
問題点とは、探知器の感度不足、試料に対する適
切な磁界強度及び均質性を得ることの難しさ、及
び木材、プラステイツク、土などの支持物質内の
水素核から信号を分離することの難しさなどであ
る。過渡装置を使用すれば上質且つ均質な磁界の
必要性が減少される。これにより、装置の大き
さ、費用及び複雑さが軽減される。更に、核相互
間又は核と格子との結合が緩和時間に関連するた
め、固体（爆発性物質など）中の水素核を、プラ
ステイツクや水などの流体性物質、又は木材、
紙、布などのパルプ性物質中の水素核から区別す
るには、過渡NMR信号の方が分析しやすい。過渡又は定常状態レスポンスを利用するNMR
技術に難問を提供する１つの要素は、多くの化合
物におけるいわゆる縦緩和時間すなわちスピン格
子緩和時間がしばしば非常に大きい値を示すとい
うことである。これらの時間は固体中では数十
分、或は数時間の単位で測定される。その様な物
質のNMRレスポンスを探知するには、該物質
が、検査及び観察に先立ち、スピン格子の緩和時
間に匹敵する時間中妨害されずに分極して磁界内
に維持される必要がある。該物質中では緩和時間
が非常に長いため、NMR探知及び測定は研究実
験以外には使用できない。この要素のため、実際
の適用は禁止されている。本発明においては、選択した化合物の縦緩和時
間（以下T1と記載する）は一定条件下で減少可
能である。試料に適用した分極磁界を調整するこ
とによつて、試料中の２つの元素を相互作用させ
ることが可能であることが発見されている。例と
して、窒素と水素を有する爆発性物質をあげる。
陽子（水素核）に対するゼーマンエネルギーレベ
ル間の分離と、窒素スピン系に対する四極子（又
は四重極）エネルギーレベル間の分離とが一致す
るように分極磁界を調整することが可能である。
一定の化合物においては、水素と窒素とは格子に
関連して位置づけられるため窒素核と水素核との
間のエネルギー移動結果、水素のT1は減少する。
このエネルギー移動は、水素のNMR周波数と窒
素のNQR周波数（核四極子共鳴周波数）とが一
致した時に、増強される。本発明においては、更に、別の物質中の同種の
核のNMRレスポンスを弁別することも可能であ
る。例えば、固体中の水素核のNMRレスポンス
は、液体中の水素核のNMRレスポンスとは典型
的に異なつている。別例としては、ある爆発物質
中の水素のNMRレスポンスが、他の多くの非爆
発物質中の水素のNMRレスポンスから弁別され
ることが挙げられる。このことは隠された爆発物
の探知などの際に異なる物質間の弁別を行なうの
に役立つ。 NMRレスポンスは第２の時定数を有し、これ
は横時間レスポンスつまりスピン−スピン緩和時
定数を指す（以後T2と記載する）。ほとんどの元
素の縦時間レスポンス即ちT1をT2の探知と対比
させて探知することが非常に望ましいことが発見
された。本発明は物質中のT1を小さい値に修正、
減少させそれにより、より速いレスポンスを得る
ことに成功した。こうすれば、種々の物質の
NMRレスポンスを他の物質から区別することが
できる。又、種々の爆発性物質の特性を、迅速に
識別することも可能である。２つの異なつた種類の核間にNMR−NQRを
使用しない別の方法では、磁界が固定されてお
り、試料からの連続NMRレスポンス間の時間は
様々に変化する。異なる緩和時間T1を有する化
合物はこちらの方法で弁別しうる。特定の化合物
中の一定の元素に関しては、レスポンスはレスポ
ンス時間の連続的観察に費される時間によつて変
化する。本発明による装置及び方法はNMR探知技術の
増強に関るものである。１つの実施例において、
第１及び第２元素は潜在的爆発物である試料内で
互いの存在下で検査される。２つの元素を有する
試料の検査において、検査試料には磁界が賦課さ
れる。もし第１元素が核磁気双極子モーメントを
有すれば、外部から適用された磁界に比例した周
波数で核磁気共鳴が起こる。磁界強度を高めて、
第１元素のNMR周波数と第２元素のNQR周波
数とを、一致させると、核間の結合が増強され、
T1はかなり減少する。この様な条件下では、エ
ネルギーは、より自由且つ迅速に、２つの元素間
を移動する。これにより元素のどちらか一方或は
両方のT1が特徴的に減少する。本発明は上記の特徴を利用して、NMRレスポ
ンス探知に必要な時間を減少し、一定の物質の核
によつて発生したNMRレスポンスを、異なつた
物質中の同じ種類の核の発生するNMRレスポン
スから分離する手段を提供する。NMRレスポン
スの振幅は、核の量又は集中度、核の型及びその
他の要素によつて左右されることに注意せねばな
らない。同じく、レスポンスとは、検査に先立つ
て、試料が適切な磁界内に維持されていた時間
（T1に関する）量の関数である。最大のNMR効
果を得るのに必要であるとの同様に、磁界に核が
配列するには一定の時間が必要である。時間が増
加すればする程分極磁界に核は更に配列してい
く。試料からのNMRレスポンスを得る過程で送
信装置が発生する交番電磁界は、核配列を妨害す
る。これは相当な妨害になり得る。次期検査で相
当量のNMRレスポンスを得るのに必要な再配列
は核の時定数に制限される。もし、検査間の、
T1より短い時限により分割されている試料の
NMRレスポンスを、くり返し検査すればNMR
出力信号は大幅に減少する。本発明の装置は、核
の時定数を制御しながら変化させて、適切な振幅
を持つNMRレスポンスを得るのに必要な時間及
び選択された物質の核から増強レスポンスを引き
出すのに必要な時間を減少させる。試料が、探知
されるべき核のNMR周波数と、同一化合物中の
第２の核のNQR周波数とを一致させるような強
度を有する磁界中に配置されると、第１の核の
T1は、かなりの率で減少する。本発明に於て、
検査される化合物に適用される磁界は、変化し
て、化合物内でNMR周波数とNQR周波数とが
一致するような磁界強度に、物質をさらす。この
磁界強度は、最大効果を得るために、化合物の短
くされたT1より長い一定時間、維持される。化
合物の選択された核中のNMRレスポンスはこう
して検査される。異なる第２の磁界強度に同磁界
強度における核のT1より短い時間、化合物をさ
らした後選択された核のNMRレスポンスが再度
検査される。第１の磁界強度にさらした後に得ら
れたNMRレスポンスは、第２磁界強度にさらし
た後のNMRレスポンスと比較される。もし疑わ
しい化合物が特に選んだ特定の強度（第２レベ
ル）の磁界にさらされた後に、NMR周波数と
NQR周波数とを一致させるならば、この化合物
はその第１及び第２のNMRレスポンスを比較し
て明らかとなる振幅差の存在によつて、疑わしい
物質を弁別・探知されるであろう。別の方法は磁界を固定し、速度を変化させた
RFパルスで試料を検査することである。緩和時
間T1は化合物によつて変化し、検査間の時間変
化が特定の化合物の存在を表示する。次に添付の図面を参照して本発明実施例の説明
を行なう。第１図において番号１０は、本発明による核磁
気共鳴探知器を示す。この検査器にはコイル１４
が巻かれた試料ホルダー１２が組み込まれてい
る。コイル１４は、結合回路網１６と連結する回
路に接続されている。コイル１４と結合回路網１
６とが、主にRF（無線周波数）信号を処理する。結合回路網１６には送信装置１８が接続されて
いる。また、結合回路網１６は、関係周波数のレ
シーバ２０に接続されている。このレシーバ２０
は、弁別器２２に送られる出力信号を発生するよ
うになつており、弁別器２２は、表示器２４に接
続されている。全装置の時限操作はシークエンサ
ー２６によつて行なわれる。シークエンサー２６
は、導体を通じて送信装置１８へ信号を送つて、
送信装置１８を作動させて、出力パルスを発生さ
せる。この時限操作は、弁別器２２及び表示器２
４にも伝えられる。シークエンサー２６は磁石制
御装置３０にも接続されている。磁石制御装置３
０は、大磁石３２の両極に磁界を形成する適切な
直流レベルを形成する。大磁石３２には、制御装
置３０に接続される巻線３４が取り付けられてい
る。巻線３４を流れる電流は大磁石３２の両極間
に特定の磁界を形成する。次に本発明による装置の操作を、調時チヤート
（表）及びチヤートに示される信号によつて説明
する。第１に、大磁石３２は固定磁界を形成す
る。この固定磁界は、多様なレベルに調節可能な
直流磁界である。また、一般的には低レベル磁界
で、その範囲は2000〜3000ガウス以内にある。
NMR信号レスポンスの振幅は試料に加えられた
磁化時間に左右されることが観察されている。前
述した如くNMR現象は固定磁界内で起るが、こ
の磁界は大磁石３２によつて形成されたものであ
る。 NMR出力は更に固定磁界に対して直角をなす
RF磁界を必要とする。従つてコイル１４の軸は
大磁石３２の両極間の磁束線に対し、ほぼ直角を
なしている。核が、試料中で配列する速度は時定数T1で表
わされる。試料が、磁界中に配置され、磁界が作
用すると、NMRレスポンスの振幅は時間関数的
に増加していく、全振幅出力は、試料がT1の数
倍以上の時間、連続的に磁界にさらされた後でな
ければ得られない。元素の格子に対する結合の緻密さによつて磁界
に対し時間的に変化していく元素の配列がおき
る。非常に近接結合した元素はゆつくりと配列
し、１時定数（63％）配列に達するのに数百秒を
必要とする。その上、レスポンスを得るための各
呼掛け信号は核配列に対して分裂作用を有し、
RF磁界が、さきに磁気的に配列された元素核の、
無作為に占めた方位位置からRF磁界の力線に向
かつて、前進運動（precession）を開始させるの
に対して、各RFパルスが上述のように核配列を
乱す妨害で信号もあるので、RFパルスのバース
ト（非常に大きな電気パルス）をもつ過度の送信
は望ましくない。 NMRレスポンス信号のサンプリングはコイル
１４に接続した結合回路網１６を通る送信装置１
８からの送信バーストによつて引き起こされる。
しかし各々の送信バーストが、先の核配列を分裂
させるため、次のRFパルスに備え再配列を行わ
ねばならない。これにより配列に比例した全振幅
NMRレスポンスに必要な時間が延長される。従
つて、過度のサンプリングは、高度配列の到達に
要する時間が延長されるという点により、意図と
反対に作用することになる。即ち、コイル１４に
適用された送信エネルギーバーストによつて引き
起こされる配列妨害の結果、配列を再度しなけれ
ばならなくなる。大磁石３２の磁界とコイル１４が形成する磁界
の周波数との間には一定の関係がある。この関係
は方程式１によつて次のように示される。周波数＝Ｋ×Ｈ周波数＝送信装置周波数Ｋ＝定数Ｈ＝静磁界強度磁界強度値を選択することによつて、NMR励
起元素の特定の周波数が得られる。NMR周波数
は、磁界強度を調節することによつて変化させる
ことができる。NQRモードにおける第２サンプ
ル元素の周波数に適合させるという観点から磁界
強度調節を行えば、試験は成功である。最初の元素がNQRモードの第２の元素と共に
存在すると仮定すれば、２つの元素は共通の周波
数を有することになる。励起したNQRモードは、
全元素に共通するものではない。NQRモードは
核スピン数が1/2以上の元素に限られており塩素、
沃素、窒素等の同位元素を含む。NQR周波数は
外部磁界により、わずかに変更可能であるが
NMR周波数の様に外的手段によつて広範囲に調
節することはできない。NQRは先在しており、
その周波数は物質の分子構造内の内部電界に左右
される。従つてNMR周波数は、磁界の調節によ
つて変更させられる。格子内の第１元素に非常に
近接して存在する第２元素のNQR周波数は固定
されているためNMR周波数がこれと合致するよ
うに調節される。第１元素と第２元素との結合が
起ると、第１元素の配列を促進すべく、元素間に
エネルギー変換が行われる。周波数は完全に調和
する必要はないが、配列速度は調和が進む程、速
くなる。NQRは格子物質に固有であり基本的に
外的刺激からは独立している。第１元素の励起
NMRモードが得られると、２つの元素間で相互
代替が行われ、相互間でエネルギーの交換及び第
１元素の縦緩和時間の修正が行われる。この時
間、即ち修正された縦緩和時間は、以後、記号
（T3）で示される。次に、２つの元素の関係を例にとる。爆発性
RDX（爆発性有機化合物、シクロナイト）のサン
プルとして、窒素１４はNQRが発信する場に３
つの周波数集合を形成するが第１の周波数は
1.830〜1.733メガヘルツ、第２の周波数は約3.359
〜3.410メガヘルツ、第３の周波数は約3.192〜
5.240メガヘルツの範囲内にある。爆発性RDX内
における、前記の３つの周波数範囲に対応する水
素のNMR周波数は各々約400、800、及び1200ガ
ウスの磁界強度で得られる。このデータは、爆発
性RDX内で、水素、及び窒素につき、それぞれ
互いの存在下で分子量14の窒素同位元素を使用し
て得られたものである。爆発性RDX内における
各周波数は単一の共鳴周波数ではなく、近接し
て、群を形成した複数の周波数の集合体である。
例えば、前述の周波数の各群には、少なくとも２
つ以上の周波数が存在する。ある元素のNMR
が、別の元素のNQRと調和するところにより高
い周波数が存在することもあるが、前述の低周波
数を使用する方が容易である。しかし、より高い
クロスオーバー周波数を使用すれば、NMRレス
ポンスが改善される。以上のデータでわかる様に、爆発性RDX内に
は多重周波数が存在し、この爆発性RDX内で、
水素−窒素間のエネルギー伝達が行なわれる。第
６図には、RDX内の水素のNMR周波数と磁界強
度との関係及び窒素１４のNQR周波数との一致
が起るクロスオーバー領域が示されている。
NQR線の広がりは磁界強度によるゼーマン効果
の結果である。第２図は、時限操作を示す調時表（チヤート）
である。番号４０は磁石３２から試料に適用され
た第１の磁気レベルを示す。当座は定磁界を確保
することが望ましい。送信装置１８は、ある特定
の長さの第１のRFバースト４２を形成するよう
に作動する。一休止後、次のバースト４４が送信
装置１８から形成される。RFバーストの長さは
約10マイクロセコンドで同じ長さのバースト間に
休止期間が挿入される。これら２つのバースト形
成後、レシーバ２０は、第２のパルスに続いて出
力パルス４６を発生する。このパルス４６は、磁
界内に存在する物質の単一元素からのNMRエコ
ー信号を表示している。この時点では、第２元素
のNQR効果は作用していない。パルス４２と４４とは互いに共通した固定周波
数持続の時間及び振幅を有するものと仮定して、
以下の励起を試料に適用する。レベル４８は異な
る磁界強度を示している。この異なつた固定磁界
は、互いに密接に、混合しあつた第１と第２の元
素を有する試料に作用する。これは第１元素の
NMR周波数を第２元素のNQR周波数に適合さ
せる磁界レベルである。磁界強度は、再びレベル４０に戻されNMRエ
コーはバースト５０と第２パルスバースト５２の
送信呼掛け信号パルスにより得られる。パルス５
０と５２はパルス４２，４４と周波数、出力レベ
ル、間隔及び長さが同じである。上述の特徴を有
する物質を試料にして検査した場合レシーバの出
力はNMR信号５４として増大又は増強したもの
となる。時定数T1をT3へと減じる磁界レベル４
８において第１及び第２元素の結合が起りNMR
信号が増強されると最初に磁界４０と第１バース
ト群４２，４４間の時限でおきた時より大規模
な、第１元素の核配列、又は分極化が、バースト
群４２，４４と５０，５２群間の時限内に起こ
る。より大きい振幅は増強されたNMRエコー振
幅を示している。第２図の調時表は、この様に増強された受信信
号を示している。増強が起きるのは、NMR周波
数とNQR周波数との合致により緩和時間が短縮
された結果、適時間内に第１元素内で、分極化が
大幅に進行するためである。第２元素のNQR周
波数と、第１元素のNMR周波数が合致すると、
両元素間をエネルギーが容易に移動する。NMR
周波数は磁界強度によつて変化するという点に注
目すべきである。概してNQR周波数は外部から
の刺激によつて変化することはほとんどなく、元
素の分子構造によつて固定されている。 NMR振幅は磁界の形成初期にはほとんど探知
されない。これは、初期においては、磁界内での
核の配列がほとんどおこらないためである。配列
の起きる速度はスピン格子の緩和時間T1の限定
に関係する。初期の振幅が小さいため、この間の
NMR信号探知も困難である。第２図では磁界はレベル４０まで戻されてい
る。再び２つのバースト発信がコイル１４に伝え
られる。これが第２図のパルスバースト５６，５
８である。レシーバ２０は再び出力パルス６０を
発生する。ここでは振幅が減じている。これは、
先回の妨害、パルス群５０，５２が起つた後の緩
和時間に比べて短い時間でおきた、小核再配列の
結果である。パルス群５０，５２とパルス群５
６，５８との間の時限における磁界強度は、
NMR周波数とNQR周波数の合致も起らず、緩
和時間も減じられない程度のものであることに注
目すべきである。パルス群４２，４４とパルス群５０，５２との
間の時限（t1）は、パルス群５０，５２とパルス
群５６，５８との間の時限（t2）と同じでもよい
ということも銘記すべきである。時限（t1）中に
は、核は大規模な配列又は分極化を行う。これは
時定数T1がT3へと減じるためである。この減数
は前述した様に磁界強度が、第１元素のNMR周
波数と第２元素のNQR周波数を合致させた時、
第１元素の核と第２元素の核との結合が増強され
るためにおこる、時定数T3は時定数T1よりずつ
と短かくてもよく、従つて、核配列は、時定数が
長い場合よりも、短かい場合に、より高速度で行
われる。時限（t1）と（t2）を時定数T1より短
かく、時定数T3よりは長くすると、時限（t1）
の間に起こる核配列は時限（t2）の間に起る核配
列よりずつと大きくなる。このため、NMRエコ
ー５４は、物質中に、磁界強度４８が時定数T1
を減少させるような化合物が含まれている場合、
NMRエコー６０より大きくなる。前述の様な性
質の化合物を含まない物質からの２つのNMR信
号５４，６０は殆ど同じ振幅を有する。この２つ
の信号の振幅を比較すると、検査中の物質の関連
化合物の存在が明らかになる。第３図には弁別器２２が詳細に示されている。
弁別器２２はシークエンサー２６によつて始動
し、３つの殆ど全く同じサンプルアンドホールド
増幅器（sample and hold amplifier）７２，７
４，７６に接続されているレシーバ２０から入力
信号を得る。各増幅器はパルス発信機により作動
する。パルス発信機６２，６４，６６は、それぞ
れ増幅器７２，７４，７６に接続されている。第
１及び第２の増幅器は、第１の比較測定器６８に
接続されており、第２の比較測定器７０は第２及
び第３の増幅器に接続されている。比較測定器６
８，７０は、サンプルアンドホールド増幅器から
の信号の差を測定し第１及び第２の信号シエーパ
ー７８，８０に出力信号を送る。信号シエーパー
７８，８０は、表示器８２，８４を駆動する。第
３図において、シークエンサー２６が試料パルス
発信機６２，６４，６６を始動させると、第２図
の波形８６，８８，９０によつて示される各試料
の信号が時間順に得られる。これらの信号は、比
較測定器に送られる入力信号である。サンプルア
ンドホールド増幅器の時限操作により、信号が発
せられ、従来の基準と比較して、検査試料中の特
定の化合物の存在を識別する。多種多様な爆発性物質については、発信信号が
爆発物の化学的及び結晶の構造に左右されるとい
う点が有利である。いくつかの爆発性物質の緩和
時間は、第４図に示されるように、やや長い。第
４図は、レスポンスがどのように異なるかを示し
ている。第４図の縦座標は、送信装置からの適切
なRFエネルギーの単一バーストに続いて起る水
素遊離誘導崩壊核磁気レスポンス（hydrogen
free induction decay nuclear magnetic
response）の振幅最高値である。第４図と同様の
プロツトを、前述の二重パルスバーストに続いて
起るNMRエコーにも適用することができる。第
４図は、このように、水素NMRレスポンスが時
間関数的に増加していく様子を示している。時間
とは、磁界に試料を最初にさらした後の時間、即
ち先の妨害送信装置バーストに続く時間をさす。
第４図には、爆発性物質RDXは同じ図内に10倍
のスケールでも示されている。RDXのレスポン
スは非常に遅いため、時間的観点から見て、本発
明による増強レスポンスなしにはNMR探知技術
を使用することができない。換言すれば、本発明
によるレスポンスの増強は適度に短い時間内に
RDXを探知するには不可欠なのである。第５図は、磁界に対する時間別のパルス形（第
２図のレベル４８）を示しており、これにより少
なくとも水素及び窒素からなる種々の爆発性物質
の、比較的固定したNQRレスポンス間のNMR
周波数レベル交差がわかる。第５図では磁界はガ
ウスで測定され、表示レベルにまで、進めたり変
えられたりする。変えられる際に磁界は水素
NMR周波数が表示された爆発性化合物の窒素
NQR周波数と同一である崩壊曲線上に示される
種々の磁界強度を通過する。この曲線は、水素核
のNMR周波数が化合物内で結合した窒素核の
NQR周波数に合致していく過程及び短時間内に
核が配列して探知を可能にしていく位置を示して
いる。第２図に戻り、関連元素の緩和時間を変えない
で弁別する方法を説明するため、表に表われたレ
シーバのレスポンスをみていく。試料には、探知
すべき元素が含まれていると仮定する。この元素
は同時に含まれる干渉物質の緩和時間よりも比較
的長い特定の緩和時間を有している。第１パルス
群４２，４４と第２パルス群５０，５２との間の
時間は緩和時間より長くされている。第２バース
ト群と第３バースト群との間の時間は第１回の時
間よりも短く、検査する物質の時定数T1よりも
短いことが望ましい。第２バースト群に続く、
NMRレスポンスの振幅は最大であるが、第３バ
ースト群に続く振幅は比較的小さくてもよい。２
つの異なる受信レスポンスにより弁別の基礎がで
きる。以上の測定のためには第３図に示される装置が
用いられる。送信装置からのバースト群用の周波
数は、磁界がレベル４０である時に、探知される
べき核が共鳴する様に選定する（第２図参照）。
異なつた磁界強度４８は、この弁別技術には必要
ない。本発明の方法及び装置は主として爆発性物質の
探知に用いられるが、その他の化合物中の元素の
存在を探知するのに用いてもよい。本発明は無機
物に対する作用において非常に優れており、ま
た、有機物に対しても、同様である。別の水素−
窒素結合を示す探知可能な非爆発性物質の例とし
ては、ヘクサメチレンテトラミンが挙げられる。本発明は、選定された化学化合物の特徴を示す
出力データーを提供する爆発性物質を探知すると
いう意味では、幾許かの不確かさもあるが、この
不確かさは問題ではない。こうして、爆発性
RDXは、非爆発性化合物と類似した特徴を有す
ることもありうるわけである。従つて爆弾などの
探知に使用する際は、非爆発性化合物を、爆発物
として扱う方が賢明である。その様なことは、ど
れ程注意しても起り得る事なので、その点からす
ると、上述の不確かさは、不便ではあるが、危険
にまで至ることはない。更に重要なのは、この不
確かさは小包、手紙その他郵便物を調べる際には
全く問題にはならないということである。従つ
て、データの中の多少の不確かさが存在しても深
刻な事態には至らない。意味があるのはRDXが、
爆発性物質内の水素と窒素のNMR−NQRの交
差結合の媒介変数に、独特の特徴を有していると
いうことである。言うまでもなく物質中の他の元
素も同様に励起し検査することができる。水素と
窒素のみの検査に使用するのでなく、水素、窒素
の検査後、水素−塩素の相互作用の再検査をする
ことも可能である。何れの場合も、異なる特徴を
明らかにしたり実験測定の基準と比較することが
可能である。種々の物質に於ける窒素14NQR周波数に合致
した水素NMR周波数の検査データ例は以下の通
りである。

【表】

【表】上記爆発物は磁界強度レベル範囲を表わした、
第５図の磁気パルスによつて走査されうる。磁界
強度を変化することにより、上表の爆発性物質に
応じた呼掛け信号が発せられる。HMT（ヘクサ
メチレンテトラミン）は、爆発物ではないが、非
爆発物のレスポンスを示すためにデータに加え
た。実際、２元素（１同位元素NQRレスポンス
元素）化合物又は複合物の特徴が分析できる。特
徴は迅速に得られ着実に、予期したデータと比較
される。これらの検査において、587ガウスにお
ける水素のNMRは、約2.5メガヘルツの周波数で
ある。周波数は他の結合NQR元素の走査には重
要ではないので、その値は任意であり、例えば
2.0〜5.0メガヘルツでも良い。最良の弁別をする
には周波数が探知する物質のNQR周波数に合致
しないようにすることである。緩和時間の減少だ
けを望む場合には、NQR周波数と合致するよう
に選択してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による試料検査装置を示す図
である。第２図は、増強信号を得る過程を示した
調時表である。第３図は、データ分析機器を詳細
に示したブロツク線図である。第４図は、種々の
緩和時間を示す、種々の化学物質の時間と出力信
号（ピーク振幅）との関係を示すグラフである。
第５図は時間別の磁界によつて爆発性物質を検査
するための磁界強度と時間との関係を示すグラフ
である。第６図は、水素のNMR周波数と窒素の
NQR周波数との一致が起きる地点の周波数と磁
界強度との関係を示すグラフである。１４……RFコイル、１８……送信装置、２０
……レシーバ、２２……弁別器、２４……表示
器、２６……シークエンサ、３０……磁石制御装
置、３２……大磁石（第１磁石）、４０……第１
レベル磁界強度、４８……第２レベル磁界強度。

Claims

【特許請求の範囲】１少なくとも第１の元素と第２の元素とを含む
選ばれた化合物の存在を自動的に探知する磁気的
探知装置であつて、 (a) 疑わしい化合物を含む試料に作用させる特定
強度の磁界を形成可能に制御される第１磁石手
段と、 (b) 核双極子を有する第１元素の核磁気共鳴周波
数と核四極子を有する第２元素の核四極子共鳴
周波数とを互いに不整合とする第１レベルと前
記２つの周波数を実質的に合致させるための第
２レベルとの間で第１磁石手段の磁界強度を切
換えるための磁石制御手段と、 (c) 第１磁石手段の形成する磁界にほぼ直角に作
用するRF磁界を試料のまわりに形成するため
のRFコイル手段と、 (d) RFコイル手段に接続されて、少なくとも２
つの送信パルスバーストを特定の振幅及び持続
時間のNMR周波数で、それぞれ第１レベルの
磁界強度のもとで、しかも前記パルスバースト
の１つだけでは第２レベルの磁界強度が適用さ
れたのに後続して、試料に作用するように自動
的に発生するための送信手段と、 (e) RFコイル手段及び送信手段に接続されて各
送信パルスバーストに対応して、化合物中の第
１元素の核の核磁気共鳴レスポンスに振幅を比
例させた出力信号を生じかつその出力信号を前
記の選ばれた化合物の存在を決定するために比
較させるためのレシーバ手段とを含んで成る核磁気共鳴弁別装置。２前記レシーバ手段が振幅比較測定器を有する
弁別器を含む特許請求の範囲第１項記載の核磁気
共鳴弁別装置。３前記振幅比較測定器が表示手段に接続されて
いる特許請求の範囲第２項記載の核磁気共鳴弁別
装置。４前記弁別器はサンプルホールド増幅器を含む
特許請求の範囲第２項記載の核磁気共鳴弁別装
置。５前記レシーバ手段は弁別器に、レシーバ部分
に接続された第１、第２及び第３のサンプルホー
ルド増幅器を有し、各サンプルホールド増幅器に
は時間的に次々と信号を送るための第１、第２及
び第３の試料パルス発信機が接続され、かつその
結果として生ずる複数の核磁気共鳴の異なる対間
の差異を示す比較出力信号を形成するための振幅
比較測定器が前記３個のサンプルホールド増幅器
のなす２つの組にそれぞれ接続されて成る特許請
求の範囲第２項記載の核磁気共鳴弁別装置。６前記第１磁石手段の磁界強度を切換えるため
の磁石制御手段が、第１磁石手段の磁界を２つ以
上の所定レベルにそれぞれ所定の時間、保持する
ように設定されている特許請求の範囲第１項記載
の核磁気共鳴弁別装置。７前記磁石制御手段は、第１磁石手段の磁界強
度を前記送信手段より第１の送信パルスバースト
が発せられる期間には第１の強度レベルに保ち、
次いで所要時間この第１レベルより大きい第２の
強度レベルに保ち、第２の送信パルスバーストが
発せられる以前に第１の強度レベルに復帰するよ
うにシークエンサーに連係されている特許請求の
範囲第１項記載の核磁気共鳴弁別装置。８前記磁石制御手段が、選ばれる異種化合物に
対応するための複数の第２の磁界強度レベルを与
えるように、第１磁石手段への励磁電流を可変に
設定されている特許請求の範囲第１項記載の核磁
気共鳴弁別装置。９前記磁石制御手段に連係されたシークエンサ
ーは、第１磁石手段の磁界強度の変化に対応して
前記送信パルスバーストを発するために前記送信
手段に接続されている特許請求の範囲第７項記載
の核磁気共鳴弁別装置。１０前記送信手段が発する前記の各送信パルス
バーストが、それぞれ短い休止期をはさんだ同じ
特定長さの２つのパルスバーストの対より成る特
許請求の範囲第１項記載の核磁気共鳴弁別装置。１１前記送信手段が前記第１パルスバーストと
第２パルスバーストとを距てる時間を、その時間
内に前記第２レベルの磁界強度が第１磁石手段に
一時的に保持されかつ第１、第２の各パルスバー
ストに続く前記レシーバ手段の各磁気共鳴レスポ
ンスの振幅が互いに相違するように設定されてい
る特許請求の範囲第７項記載の核磁気共鳴弁別装
置。１２前記振幅比較測定器が、第２の送信パルス
バーストの送信に続く所定時間の後に、第１及び
第２の送信パルスバーストのそれぞれに対応した
核磁気共鳴レスポンスの振幅を比較するよう設定
されている特許請求の範囲第１１項記載の核磁気
共鳴弁別装置。１３前記化合物は第１の元素として水素を、第
２の元素として窒素を含み、これら２つの元素が
爆発性物質中に存在している特許請求の範囲第２
項記載の核磁気共鳴弁別装置。１４少なくとも第１の元素と第２の元素とを含
む選ばれた化合物の存在を自動的に探知する磁気
的探知方法であつて、 (a) 適正な強度を有する磁界中に、化合された２
つの元素を有する可能性のある試料を配置する
段階と、 (b) 前記磁界が核磁気共鳴モードで第１元素と相
互に作用し合つて、その共鳴相互作用の周波数
が第２元素の核四極子共鳴周波数に近い周波数
を有するとともに、両周波数が２つの元素の間
のエネルギー変換を許すほど十分に近接してい
てその移動されたエネルギーが第１元素の核磁
気共鳴のレスポンス時間を短縮するように特に
選定された第２レベルの磁界強度と、前記のよ
うな２元素間のエネルギー交換を抑止するよう
選ばれている第１レベルの磁界強度との間で磁
界の強度を変化させる段階と、 (c) NMR周波数にて特定の持続時間と振幅とを
有する１対のパルスバーストより成るバースト
群を送信可能に選定しておき、第１レベルの磁
界強度のもとで、前記磁界にほぼ直角な少なく
とも２群のRF送信パルスバーストによつて前
記試料に対して呼掛け信号を発しかつ第２元素
の化合物中の存在確定のため第１元素の核磁気
共鳴レスポンス信号を第１群のパルスバースト
に対するレスポンス信号よりも高めるように第
２群のパルスバースト送信に先立つて前記磁界
を一時期第２レベルの強度に高めておくパルス
バースト送信段階と、 (d) 前記呼掛け信号発信の後、選ばれた化合物の
存在を確定するため、前記２つの群の送信パル
スバーストそれぞれに対する第１元素の核磁気
共鳴レスポンス信号の振幅を比較することによ
つて化合物の存在を探知する段階とを含む核磁気共鳴弁別方法。１５前記の磁界強度変化段階では、試料を最
初、第１レベルの磁界強度のもとに置き、特定の
時間第２レベルの磁界強度にさらして後、再び磁
界強度を第１レベルに戻す特許請求の範囲第１４
項記載の核磁気共鳴弁別方法。１６前記パルスバースト送信段階では、各パル
ス群はNMRレスポンス信号を探知する以前に、
次のパルス群に追随されている特許請求の範囲第
１４項記載の核磁気共鳴弁別方法。１７前記第１の元素が水素である特許請求の範
囲第１４項記載の核磁気共鳴弁別方法。１８前記第２レベルの磁界強度は、試料が
RDX爆発物を含む可能性のあるときには、ほぼ
1220ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記載
の核磁気共鳴弁別方法。１９前記第２レベルの磁界強度は、試料が
RDX爆発物を含む可能性のあるときには、ほぼ
790ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記載
の核磁気共鳴弁別方法。２０前記第２レベルの磁界強度は、試料が
RDX爆発物を含む可能性のあるときには、ほぼ
420ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記載
の核磁気共鳴弁別方法。２１前記第２レベルの磁界強度は、試料が
PETN爆発物を含む可能性のあるときには、ほ
ぼ210ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記
載の核磁気共鳴弁別方法。２２前記第２レベルの磁界強度は、試料が
PETN爆発物を含む可能性のあるときには、ほ
ぼ120ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記
載の核磁気共鳴弁別方法。２３前記第２レベルの磁界強度は、試料が
PETN爆発物を含む可能性のあるときには、ほ
ぼ104ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記
載の核磁気共鳴弁別方法。２４前記第２レベルの磁界強度は、試料が
TNT爆発物を含む可能性のあるときには、ほぼ
204ガウスとされる特許請求の範囲第１７項記載
の核磁気共鳴弁別方法。２５２種以上の爆発性化合物を試料が含む場合
には、前記磁界強度を変化させる段階において、
当初磁界強度は第１レベルに保たれ、その後、化
合物の各異種の一つに対応するそれぞれの第２レ
ベルに次々と変更される特許請求の範囲第１４項
記載の核磁気共鳴弁別方法。２６前記第２レベルの磁界強度は、一連の短い
時間中に各異種化合物に対応する所定の強度に順
次減少するよう切換えられる特許請求の範囲第２
５項記載の核磁気共鳴弁別方法。２７探知すべき化合物がダイナマイト系の爆発
物である特許請求の範囲第１４項記載の核磁気共
鳴弁別方法。２８探知すべき化合物がTNT系の爆発物であ
る特許請求の範囲第１７項記載の核磁気共鳴弁別
方法。２９探知すべき化合物がPETN系の爆発物で
ある特許請求の範囲第１７項記載の核磁気共鳴弁
別方法。