KR100389809B1 - 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴퓨터 혹은 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 한 개 이상의 코일의 기하학적인 위치 배열, 형태 등을 이용하여 야지(野地) 탐색을 가능케 하는 펄스(Pulse) 형태의 RF(Radio Frequency) 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 장치에 관한 것으로, 이러한 본 발명은, 적정 RF 신호의 생성을 위한 신호 발생부의 증가 또는 감소를 위한 RF 제어신호를 발생하는 신호 발생부, 이 신호를 적절한 펄스형태로 변형하는 신호 변조부, 신호 증폭, 탐지 신호 전달을 위한 정합기능을 하는 탐지 전 처리부, 탐지신호를 외부로 발신하고 응답을 수신하는 탐지부, 획득된 응답신호를 필터링하고 증폭하는 응답신호 처리부, 탐지된 결과를 수치 해석, 결과를 출력하고, 신호 발생부와 신호 변조부, 탐지부 등을 제어하는 컴퓨터로 핵사중극 자기공명 장치를 구현하고, 이 기기의 탐지부의 탐지 코일은 한 개 혹은 복수의 코일을 적절한 배열 형태로 배치한 후 이의 움직임을 컴퓨터로 제어하여 탐지기 외부의 물질의 유무와 위치를 탐지할 수 있도록 한다.

Description

핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치{apparatus for detecting material in nuclear quadruple resonance}

본 발명은 펄스(Pulse) 형태의 RF(Radio Frequency) 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 장치에 관한 것으로, 특히 코일 외부의 탐지 효과를 극대화시켜 야지에서 탐지가 가능토록 하고, 탐지 장치의 휴대에 편리성을 도모토록 한 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 물질 탐지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명(Nuclear Quadruple Resonance : 이하 "NQR"이라 약칭함)의 기본 원리는 다음과 같다.

먼저, 자기공명은 전자나 원자핵 등이 가지고 있는 자기 모멘트에 자기장을 가하여 에너지 분리를 만들고, 이 에너지 차에 해당하는 전자기파를 입사시켜 공명흡수를 일으키는 현상을 말하며, 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance : NMR)은 원자핵이 가지고 있는 자기 모멘트에 자기장을 가하여 Zeeman 분리를 만들고, 전자기파를 입사시켜 이 에너지 준위 사이에 전이를 일으키는 공명현상을 말한다.

핵자기공명에서 핵 스핀 I가 1/2보다 큰 원자핵은 자기모멘트 뿐만 아니라 전기 사중극 모멘트도 갖는다. 이러한 원자핵이 결정 속에 놓이게 되면 그 원자핵의 궤도전자와 인접한 이온들이 만드는 전기장의 기울기(electric field gradient)와 핵의 전기사중극 모멘트 사이에 상호작용이 생긴다. 따라서 핵자기공명에서 이 상호작용은 공명신호를 여러 개의 성분으로 분리시키는 효과를 나타내므로, 자기장을 가하지 않고도 이 분리된 에너지 준위간의 전이가 가능하다.

핵사중극 공명장치는 전기장의 기울기와 핵사중극 모멘트와의 상호작용을 검출하는 장치이다. 핵자기공명이나 핵사중극 공명은 물질에 따라 그 반응이 다르며 이를 물질 탐지에 이용한다.

핵사중극 모멘트는 핵의 각 운동량 또는 스핀과 관계되므로 불연속적인 에너지 준위를 발생한다. 공명은 외부의 라디오파에 의해 한 에너지 준위로부터 다른 에너지 준위로 천이될 때 일어난다. 이러한 에너지 준위들은 전기장 기울기와의 결합에 관계되므로 공명 진동수의 측정은 핵이 위치하는 점의 전기장 기울기의 크기를 결정하는 것과 같다.

이와 같이 핵사중극 공명은 사중극핵 부근의 전하분포를 알아내는 데 아주 민감한 정보를 제공한다. 뿐만 아니라 온도 변화에 따른 공명 진동수 측정으로부터 사중극핵을 포함하는 화합물의 위상 천이 연구에도 이용된다.

다음으로 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

1) 핵사중극의 상호작용은 전기장 기울기의 최대 성분의 크기와 전기사중극모멘트와의 곱에 비례한다. 즉, 핵사중극공명은 원자핵이 입방대칭이 아닌 결정 속에 위치하게 됨으로써 결정장의 이차 미분, 즉 전기장의 기울기와 상호 작용하게 되어 분리된 에너지 준위가 생기고, 이 상태간의 전이를 일으키는 사중극 에너지 준위를 갖는다.

2) 에너지 준위 사이의 천이(transition)는 핵의 사중극 모멘트에 영향을 줄만한 크기의 전기장 기울기를 핵이 위치한 부근에 만들어서 일어나게 할 수 있다.

그러나 핵부근에 한 개의 전자에 의한 전기장 기울기는이고, 이러한 크기의 전기장 기울기를 만드는 것은 매우 어렵다. 따라서, 이러한 천이를 검출하기 위해서 RF로 진동하는 자기장을 대상 물질에 가해줌으로써 가능하다.

천이가 일어날 때 공명흡수선의 강도는 단위 시간당 천이에 참가하는 핵들의 수에 비례한다. 천이하는 스핀의 수를 증가시키기 위해 천이 에너지 사이에 존재하는 스핀 수를 증가시키는데 이것은 시료의 온도를 내림으로써 가능하다. 또, 흡수선의 강도는 전기장 기울기에서 주축에 대한 RF 자기장의 방향에 강하게 의존한다. 시료가 분말인 경우에는 공명선의 강도는 각도에 무관한 모든 각도에 대한 평균값으로 나타난다.

공명선의 크기와 모양을 결정하는 또 다른 요인은 각 물질에 따라 특정한 값을 갖는 완화시간이다. RF 자기장으로부터 전자파를 흡수하여 저에너지 준위에서 고에너지 준위로 올라가는 천이가 일어나면 포화상태(saturation)가 되어 더 이상의 에너지 흡수는 불가능하다. 고준위로 여기된 스핀은 곧 열에너지 형태로 스핀이 속한 결정 격자에게 에너지를 전달함으로써 저준위로 내려온다. 이것이 스핀-격자완화과정이다. 이러한 평형상태로의 회복에 기여하는 주요 작용의 하나는 격자진동인데 이 진동으로 말미암아 핵의 위치에서 전기장 기울기가 교란된다. 격자진동은 고체내부의 열 운동으로부터도 발생한다. 스핀-격자완화 과정은 공명조건이 충족되었을 때 RF 자기장으로부터 에너지 흡수를 관찰할 수 있다. 스핀-격자 완화시간(T₁)이 아주 작을 경우 스핀의 여기상태의 시간의 폭이 넓어지고 결과적으로 선 폭이 넓어지며, T₁이 클 경우에는 곧 포화상태에 도달하게 되어 신호의 크기가 매우 작아진다.

포화상태는 공명흡수가 일어나면 핵은 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 여기 되는데 이때 두 에너지 상태의 점유도가 같게되는 상태를 말한다.

이밖에 공명선 폭의 모양은 공명핵 주위의 다른 핵들과 격자 불순물, 결정격자의 변형(strain), 어긋나기(dislocation), 무질서(disorder) 및 분자의 내부 운동 등에 의한 섭동효과에 의해서 부가적인 공명선의 분리와 이동을 일으킴으로서 또한 달라진다. 작은 양의 불순물이라도 현저하게 선 폭을 증가시키며 순도가 높을수록 선 폭은 좁아진다. 이중 변형은 시료를 차게 할 때 일어날 수 있으며 시료의 온도가 감소함에 따라 공명선 폭이 증가한다.

3) 전기장의 기울기는 거리의 3승에 반비례하므로 핵에서 가장 가까운 전자들이 전기장 기울기에 기여한다. 전자의 파동함수는 원자의 궤도함수의 선형결합으로 쓸 수 있는 분자궤도함수로 나타난다. 이는 분자 궤도함수에 있는 하나의 전자에 의해 만들어진 핵에서의 전기장 기울기의 Z성분을 얻을 수 있고 핵에서의 총 전기장 기울기는 분자에서의 하나의 전자에 의한 것의 합과 다른 핵들에 의한 전기장 기울기의 합으로 나타난다.

4) 핵사중극 공명진동수는 일반적으로 온도가 증가함에 따라 감소한다. 이는 고체에서 분자 진동의 영향으로 설명된다. 분자가 결정속에서 비틀림 운동을 함에 따라 분자에서 전자분포는 변화할 수 있고 전기장의 기울기의 주축이 변하여 공명 진동수의 변화가 일어난다.

주지한 바와 같은 핵사중극 자기공명의 특징들을 이용한 종래의 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 공명장치의 구성이 첨부한 도면 도 1에 도시된다.

이에 도시된 바와 같이 신호 조정부(101)는 RF 신호 발생 및 신호 변조를 제어하는 신호를 발생하여 신호 발생부(102) 및 신호 변조부(103)에 해당 제어신호를 전달한다.

상기 신호 발생부(102)는 상기 신호 조정부(101)의 제어에 따라 특정 주파수의 RF신호를 발생시키고 이를 제어하여 신호 변조부(103) 및 응답신호 처리부(106)에 전달하게 되고, 상기 신호 변조부(103)는 상기 신호 발생부(101)에서 발생된 RF 신호를 펄스 형태의 신호로 변조하여 탐지 전 처리부(104)에 전달한다.

상기 탐지 전 처리부(104)는 상기 신호 변조부(103)에서 변조된 신호를 증폭기로 증폭시켜 탐지부(105)에 전달한다. 여기서 탐지 전 처리부(104)는 탐지 신호를 최대한 전달시키기 위한 정합장치, 응답신호의 수신을 거부하는 장치를 추가로 구비한다.

다음으로 탐지부(105)는 상기 탐지 전 처리부(104)에서 받은 탐지신호를 코일로 이루어진 탐지기에 인가하고 응답신호를 측정하여 응답신호 처리부(106)에 전달한다.

상기 응답신호 처리부(106)는 탐지신호를 차단하고 상기 탐지부(105)에서 측정된 응답신호 받고 이를 신호 발생기(102)에서 발생한 신호와 비교후, 저주파 통과 필터를 거쳐 순수 응답신호만을 검출하고, 증폭하여 출력부(107)에 전달한다.

상기 출력부(107)는 상기 응답신호를 시간응답형태로 출력하거나 FFT(Fast Fouier Transform)를 이용한 주파수 응답 형태로 출력하게 된다.

그러나 상기와 같은 종래의 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명장치내 탐지부는, 구조가 가변 불가능한 형태라는 단점이 있고, 또한 탐지코일은 도전체로 덥게를 씌워 신호의 누설을 막아야하는 불편함이 있으며, 시료를 탐지 코일 내부에 위치 시켜야 물질을 탐지할 수 있는 단점을 지니고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 장치에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 시료 채취 등의 행위가 필요 없이 직접 현장에서 물질의 탐지 및 위치 파악이 가능한 휴대형 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 물질 탐지장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 펄스 형태의 RF신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치는

신호 발생부, 신호 변조부, 탐지 전 처리부, 탐지부, 응답신호 처리부를 구비한 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치에 있어서,

상기 탐지부는,

원형 또는 나선 형태와 같은 기하학적 형상을 지니며, 형상 고정물질로 고정되고, 탐지 신호를 목표지점에 발신하고 응답신호를 수신하는 개방형 탐지 코일과;

상기 개방형 탐지 코일의 운동을 직접 제어하고 응답신호를 출력하는 모터, 유압/공압 장치를 포함하는 코일 구동부와;

상기 개방형 탐지 코일과 상기 코일 구동부를 고정시키며, 상기 탐지부를 보호하고 상기 개방형 탐지 코일에서 발생하는 자기장을 외부와 차폐시키며 외부 잡음을 차단하는 코일 케이스와;

상기 개방형 탐지 코일에 탐지 신호를 인가하고, 응답신호를 상기 응답신호 처리부에 전달하며, 상기 코일 구동부의 구동 전원 공급, 유압/공압 전달, 제어신호를 전달하며, 상기 코일 케이스를 본체와 연결해주는 배선관으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기에서, 본 발명에 의한 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치는,

상기 신호 발생부의 RF 발생을 제어하고, 상기 신호 변조부의 펄스 신호 변조를 제어하며, 상기 탐지부에 각각의 제어신호를 전달하고 상기 응답신호 처리부로부터 처리된 응답신호를 분석하여 대상 물질 탐지시 이를 사용자에게 알려주는 마이크로 프로세서 또는 전용 컴퓨터를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

도 1은 종래 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 장치의 구성을 보인 블록도이고,

도 2는 본 발명에 의한 펄스 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 장치의 구성을 보인 블록도이고,

도 3은 본 발명에서 탐지부의 일 실시예를 보인 도면이고,

도 4는 본 발명에서 탐지부내 탐지코일의 단면도이고,

도 5는 본 발명에 의한 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치의 동작을 보인 동작 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

201 ..... 신호 발생부

202 ..... 신호 변조부

203 ..... 탐지 전 처리부

204 ..... 탐지부

205 ..... 응답신호 처리부

206 ..... 마이크로 프로세서(또는, 전용 컴퓨터)

301 ..... 소형 배열 코일

302 ..... 코일 구동부

303 ..... 코일 케이스

304 ..... 배선관

이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면 도 2는 본 발명에 의한 펄스 형태의 RF 신호를 사용하는 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치의 구성을 보인 블록도이다.

여기서, 참조부호 201은 응답신호를 시간응답형태로 출력하거나 FFT(Fast Fouier Transform)를 이용하여 수치 해석하여 이를 주파수 응답 형태로 출력하는 등의 사용자 인터페이스와 탐지코일 및 신호 발생기, 신호 변조기를 제어하는 전용 컴퓨터 또는 마이크로 프로세서를 나타낸다.

또한, 참조부호 202는 특정 주파수의 RF신호를 발생시키고 이를 제어하기 위한 신호 발생부를 나타내고, 참조부호 203은 상기 신호 발생부(202)에서 발생된 RF 신호를 펄스 형태의 신호로 변조하는 신호 변조부를 나타내고, 참조부호 204는 상기 신호 변조부(203)에서 변조된 신호를 탐지부(205)에 인가하기 전에 증폭기로 증폭시키며, 탐지 신호를 최대한 전달시키기 위한 정합장치, 응답신호의 수신을 거부하는 장치로 구성된 탐지 전 처리부를 나타낸다.

또한 참조부호 205는 상기 탐지 전 처리부(204)에서 받은 탐지신호를 컴퓨터로 제어되는 한 개 이상의 코일의 배열로 이루어진 탐지코일에 인가하고, 획득되는 응답신호를 측정하는 탐지부를 나타내고, 참조부호 206은 탐지신호를 차단하고 상기 탐지부(205)에서 측정된 응답신호 받고 이를 신호 발생기(202)에서 발생한 신호와 비교후, 저주파 통과 필터를 거쳐 순수 응답신호만을 검출하고, 증폭하여 상기 마이크로 프로세서(201)에 전달하는 응답신호 처리부를 나타낸다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치에서, 신호 발생부(203), 신호 변조부(203), 탐지 전 처리부(204), 응답신호 처리부(206)는 도 1의 종래 펄스 형태의 핵사중극 가지공명 장치에 도시된 신호 발생부(102), 신호 변조부(103), 탐지 전 처리부(104), 응답신호 처리부(106)의 구성과 동일하고, 작용 역시 동일하므로 그의 자세한 설명은 생략한다.

그리고 본 발명은 도 1의 신호 조정부(101) 및 출력부(107)의 기능을 마이크로 프로세서(201)(또는, 전용 컴퓨터)로 통합한 것에 일부 특징이 있고, 또한, 탐지부(205)의 구성 및 작용에 특징이 있으므로, 이하에서는 상기 탐지부(205)의 구성 및 작용, 마이크로 프로세서(201)의 작용에 대해서만 구체적으로 설명한다.

첨부한 도면 도 3은 상기 도 2의 탐지부(205)의 일 실시예 구성을 보인 도면으로서, 이는 내부 소형 배열 코일 5개를 오각형 형태로 배열한 경우이며, 도 4는 상기 도 3의 개방형 탐지 코일(301)의 배열 형태 및 단면도를 보인 것이다.

여기서, 참조부호 301은 개방형 탐지 코일로서, 원형 혹은 나선 형태 등과 같은 기하학적 형상을 지니며, 탐지 신호를 목표지점에 발신하고 응답신호를 수신하는 개방형 배열 코일이며 이는 도 4와 같이 오각형 혹은 정방형 등의 기하학적 형태로 배치된다.

또한, 참조부호 302는 코일 구동부로서, 상기 마이크로 프로세서(201)의 제어에 따라 상기 개방형 탐지 코일(301)의 각도와 위치를 조정하는 작용을 하며,좌, 우 운동을 가능케 하는 모터, 기어박스 혹은 유압, 공압 장치를 포함한다.

또한, 참조부호 303은 코일 케이스로서, 상기 개방형 탐지 코일(301)과 상기 코일 구동부(302)를 고정시키며, 탐지부(205)를 보호하며, 상기 개방형 탐지 코일(301)에서 발생하는 자기장을 외부와 차폐하고 외부 잡음을 차단하는 역할을 한다.

또한 참조부호 304는 배선관으로서, 상기 개방형 탐지 코일(301)에 탐지 신호를 인가하고, 탐지된 신호를 응답신호 처리부(206)에 전달하며, 상기 코일 구동부(302)를 구동하는 전원 혹은 유압, 공압과 제어신호를 전달하며, 코일 케이스(303)를 본체와 연결하는 역할을 한다.

첨부한 도면 도 5는 본 발명에 의한 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치의 동작을 보인 동작 흐름도이다.

먼저, 단계 S101에서 마이크로 프로세서(201)는 기기의 동작이 시작되면, 탐지부(205)내의 개방형 탐지 코일(301)의 위치 및 각도를 초기값으로 조정하고, 신호 발생부(202) 및 신호 변조부(203)를 초기조건으로 초기화시킨다.

그리고 단계 S102에서 탐지 대상 물질의 응답주파수를 데이터 베이스(도면에는 미도시)에서 탐색하고, 지정 주파수의 RF 신호가 발생하도록 상기 신호 발생부(202)를 제어한다.

또한 단계 S103에서 상기 데이터 베이스에서 해당 탐지 물질에 대응하는 T1, T2 주기를 설정하고, 상기 신호 변조부(203)가 적합한 변조를 수행할 수 있도록 제어를 한다.

아울러 단계 S104에서는 탐지 전 처리부(204)에서 발생되는 탐지 신호가 탐지부(205)에 전달되도록 제어하고, 단계 S105에서는 상기 탐지부(205)내의 개방형 탐지 코일(301)들을 일부 또는 전체를 선택적으로 동작시켜 출력의 크기 조절이 이루어지도록 제어를 한다. 즉, 데이터 베이스에 기록된 자료를 통해 물질에 적절한 형태로 탐지 신호가 발생하도록 상기 5개의 개방형 탐지 코일(301)을 선택적으로 제어하게 된다.

다음으로 단계 S106에서는 응답신호 처리부(206)를 통해 초기 응답신호를 수신하고, 단계 S107에서는 상기 수신한 초기 응답신호로부터 크기 및 주파수 특징을 추출한다.

아울러 단계 S108에서는 상기 추출한 초기 응답신호의 크기 및 주파수 특징값에 따라 상기 신호 발생부(202) 및 신호 변조부(202)를 적절하게 제어한다.

이러한 과정으로 물질 탐지를 위한 초기 조건을 완료한 상태에서, 단계 S109에서는 상기 탐지부(205)내의 개방형 탐지 코일(301)들을 제어하면서 물질 탐지 동작을 수행한다.

그리고 단계 S110에서 상기 응답신호 처리부(206)에서 출력되는 응답신호를 검색하여 탐지 대상 물질이 탐지되는지를 확인하게 되고, 그 결과 탐지 대상 물질이 탐지되면 단계 S111에서 탐지 대상 물질이 탐지된다는 경고음을 발생해주고, 탐지 위치 등을 모니터(도면에는 미도시) 또는 LCD등에 디스플레이 해준다.

이상에서 상술한 본 발명 "핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치"에 따르면, 시료를 기기 내부에 탑재한 후 대상 물질을 탐지하는 방식과는 달리 간단하게 휴대하면서 현장에서 직접 물질의 탐지와 위치 파악이 가능한 이점이 있다.

이러한 이점으로 인해 야지 탐색도 가능한 장점이 있다.

Claims (3)

1. 신호 발생부, 신호 변조부, 탐지 전 처리부, 응답신호 처리부를 구비한 핵사중극 자기공명 물질 탐지 장치에 있어서,

   상기 탐지 전 처리부와 응답신호 처리부사이에 개재되며, 원형 또는 나선 형태와 같은 기하학적 형상을 지니며, 탐지 신호를 목표지점에 발신하고 응답신호를 수신하는 개방형 탐지 코일과; 상기 개방형 탐지 코일의 운동을 직접 제어하고 응답신호를 출력하는 모터, 유압/공압 장치를 포함하는 코일 구동부와; 상기 개방형 탐지 코일과 상기 코일 구동부를 고정시키며, 상기 탐지부를 보호하고 상기 개방형 탐지 코일에서 발생하는 자기장을 외부와 차폐시키며 외부 잡음을 차단하는 코일 케이스와; 상기 개방형 탐지 코일에 탐지 신호를 인가하고, 응답신호를 상기 응답신호 처리부에 전달하며, 상기 코일 구동부의 구동 전원 공급, 유압/공압 전달, 제어신호를 전달하며, 상기 코일 케이스를 본체와 연결해주는 배선관을 구비한 탐지부와;

   상기 신호 발생부의 RF 발생을 제어하고, 상기 신호 변조부의 펄스 신호 변조를 제어하며, 상기 탐지부에 각각의 제어신호를 전달하고 상기 응답신호 처리부로부터 처리된 응답신호를 분석하여 대상 물질 탐지시 이를 사용자에게 알려주는 마이크로 프로세서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 핵사중극 자기공명 물질 탐지장치.
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