MX2012008949A - Metodo y sistema para detectar materiales. - Google Patents

Abstract

Se describe un método para detectar uno o ambos del material nativo en un objeto y cualquier material extraño en el objeto por espectroscopia de modo paralelo, que comprende adquisición de datos en modo paralelo, procesamiento de señal y reducción de datos y proporcionar resultados. La adquisición de datos en modo paralelo comprende producir una señal de interrogación simultáneamente que contiene radiación electromagnética de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a aproximadamente 25 THz, para permitir detección simultánea de una pluralidad de señales en una pluralidad de frecuencias, cada señal está a cierta amplitud, que proporciona en forma colectiva una firma espectral única de un material cuya detección se desea. El procesamiento de señal y reducción de datos comprenden procesar una señal que resulta de la exposición del objeto a la radiación interrogante para producir una matriz de datos tridimensional representativa de al menos cualquier material extraño o nativo asociado con el objeto. La técnica de correlación se emplea para comparar la matriz de datos con una biblioteca de referencia.

Description

MÉTODO Y SISTEMA PARA DETECTAR MATERIALES REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD RELACIONADA Esta solicitud reclama prioridad de la Solicitud de Patente Provisional- de los E.U.A. No. de Serie 61/304,318, presentada el 12 de febrero del 2010. La solicitud anterior se incorpora aquí por referencia, en su totalidad.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método y sistema para detectar la presencia de materiales nativos o extraños a un objeto, y más particularmente a un método y sistema que utilizan espectroscopia de modo paralelo, para incrementar la rapidez de detección.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Hay necesidad substancial por métodos no invasivos de alta velocidad para analizar o cribar personas y otros objetos por la presencia de materiales extraños o nativos. Materiales extraños incluyen pero no están limitados a - Explosivos y sus precursores e intermediarios Productos químicos y sus precursores e intermediarios · Productos farmacéuticos y sus precursores e intermediarios Armas Químicas y Biológicas y sus precursores e intermediarios Formas bacterianas, virales y otras formas de vida Materiales nativos pretendidos incluyen aquellos que pueden haber sido entremezclados con materia extraña pero no están limitados a — • Productos farmacéuticos y sus precursores e intermediarios • Productos químicos y sus precursores e intermediariós Alimentos y Productos Alimenticios y sus precursores e intermediarios Ha habido una cantidad de intentos por producir técnicas de análisis y criba que se avocan al requerimiento anterior respecto al análisis de objetos por la presencia de materia extraña, pero por una razón u otra, dichos intentos han sido inadecuados. Ejemplos incluyen espectroscopia de masas, con activación de neutrones, rayos-X con dispersión retrógrada, (diversas variedades) y formación de imagen mmWave . Estas técnicas ya utilizan radiación ionizante, se basan en detección de vapores, o utilizan técnicas de formación de imagen invasiva que mientras que son capaces de "ver" a través de las prendas de vestir, todavía son severamente limitadas y susceptibles de proporcionar resultados falsos positivos o falsos negativos.

La técnica previa en tecnología mmWave ha consistido en sistemas de formación de imagen, que han sido algo controversiales . La controversia surge debido a que al operador del sistema se le da la capacidad para "ver a través" de la ropa de las personas, para determinar si hay algo oculto. Muchas personas encuentran estos dispositivos altamente invasivos de su privada . Adicionalmente, su capacidad limitada para discernir diversos tipos de explosivos o contrabando es una desventaja seria.

Otra área de interés es la detección de enfermedades contagiosas transportadas en el aire. Una de las amenazas más grandes enfrentadas por una sociedad con viajes globales extensos habilitados por aeronaves de gran capacidad, es la susceptibilidad a enfermedades transportadas por el aire. Un viajero aéreo,, en un viaje con dos o más vuelos conectados puede exponer a una cantidad de personas potencialmente enorme a una enfermedad contagiosa, haciendo de esta manera la fuente de la enfermedad extremadamente difícil de dar seguimiento mientras que arriesga simultáneamente una diseminación epidérmica de la enfermedad. Evidentemente, los viajeros aéreos en un vuelo directo con una enfermedad contagiosa todavía presentan un riesgo significante, ya que muchos pasajeros todavía estarán expuestos a la enfermedad antes y durante el vuelo, y entonces esos pasajeros expuestos expondrán a otras personas durante su periodo de incubación contagiosa subsecuente.

La espectroscopia tiene muchas ventajas como una técnica analítica y de criba, pero como se practica típicamente es un proceso lento debido a adquirir datos en una forma serial. Sería conveniente el tener un método y sistema espectroscópicos capaces de operación cercana a tiempo real para propósitos de criba tales como aquellos descritos anteriormente. Hay muchas aplicaciones para' este sistema para detectar materiales extraños en, o sobre un objeto. Ejemplos de materiales extraños a un objeto son explosivos o componentes de explosivos, contrabando, armas químicas y biológicas, productos farmacéuticos, contaminantes en alimentos que se procesan, contaminantes en productos químicos legítimos, y materiales asociados con enfermedades en humanos y animales.

BREVE COMPENDIO DE LA INVENCIÓN En una forma preferida, en conexión con un objeto que tiene material nativo y' potencialmente tiene material extraño, la presente invención proporciona un método para detectar uno o ambos del material nativo y el material extraño por espectroscopia 'en modo paralelo. El método comprende (1) adquisición de datos en modo paralelo, (2) procesamiento de señal y reducción de datos y (3) proporcionar resultados. La adquisición de datos en modo paralelo comprende producir una señal de interrogación simultáneamente que contiene radiación electromagnética, de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a aproximadamente 25 THz para permitir detección simultánea de una pluralidad de señales en una pluralidad de frecuencias, cada señal está a cierta amplitud, que proporcionan colectivamente una firma espectral única de un material cuya detección se desea. El objeto y cualquier material extraño asociado se. exponen a una señal de interrogación para provocar interacción entre la señal y el objeto y cualquier material extraño asociado. Se detecta una señal modificada que resulta de la interacción de la señal de interrogación con el objeto y cualquier material extraño asociado. El procesamiento de señal y la reducción de datos comprende procesar la señal resultante para producir una matriz de datos tri-dimensional representativa de al menos cualquier material extraño o nativo asociado con el objeto. Una biblioteca de referencia de datos que representan materiales químicos o biológicos conocidos de interés se proporciona. Técnicas de correlación se emplean para comparar la matriz de datos con la biblioteca de referencia, para producir al menos un pico de correlación correspondiente a cuando menos un material asociado extraño o nativo de los datos de biblioteca de referencia. Los resultados de la comparación anterior se proporcionan.

El método anterior . proporciona un método espectroscópico que puede hacerse capaz de operación cercana a tiempo real para detectar materiales extraños o nativos a un objeto.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema preferido para implementar la presente invención.

La Figura 2 muestra una vista primordialmente en sección transversal del Oscilador Lineal ' Aislado Magnéticamente mejorado Smith-Purcell Cilindrico que puede emplearse en la fuente de radiación de interrogación de la Figura 1, con la rejilla' 44 que se muestra parcialmente despiezada.

La Figura 3 muestra una presentación o versión de la técnica previa del proceso de generación Smith-Purcell de RF.

La Figura 4 muestra en forma simplificada la relación de un haz de electrones a rejillas planares y cilindricas con el propósito de generación Smith-Purcell RF en conexión con la fuente de radiación interrogante de la Figura 2.

La Figura 5 muestra un elemento cuasi-óptico para corrección de haz reflejante fuera de eje que puede emplearse en el sistema de la Figura 1, y está parcialmente en forma de bloques y parcialmente en sección transversal.

La Figura 6 muestra un circuito regulador de corriente implementado con triodos de emisión de campo de cátodo frió que pueden emplearse en la fuente de radiación interrogante del sistema de la Figura 1.

La Figura 7 muestra en sección transversal una superficie de rejilla electromagnética en la cara interior de un tubo de desplazamiento que puede emplearse en la fuente de radiación interrogante del sistema de la Figura 1.

La Figura 8 es una vista en detalle agrandada de aquella porción de la Figura 7 que se ilustra en un circulo marcado de la Figura 8, que no está a escala.

La Figura 9 muestra en diagramas de bloques un espectroscopio de modo serial de la técnica previa.

La Figura 10 muestra en diagramas de bloque un espectroscopio de modo paralelo, que puede emplearse en el sistema de la Figura 1.

La Figura 11 muestra una representación esquemática del concepto de espectroscopia de fluorescencia que puede emplearse en el sistema de la Figura 1.

La Figura 12 muestra un montaje de matriz de datos bi-dimensional representativo de una imagen sintética que puede emplearse en el sistema de la Figura 1.

La Figura 13 muestra en vista en planta superior un procesador de Señal de Correlación Óptica que puede emplearse como el correlacionador óptico en el sistema de la Figura 1.

La Figura 14 muestra una gráfica que ilustra una operación de formación de umbral.

Las Figuras 15-19 muestran varios paneles de ' control para interfase de operador posibles que pueden emplearse en la exhibición del sistema de la Figura 1.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Aquí se emplean diversas definiciones como sigue: Definiciones Fuente de Radiación Interrogante: Por "fuente de radiación interrogante" se entiende aqui una radiación electromagnética de banda amplia que contiene simultáneamente radiación electromagnética de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a aproximadamente 25 THz para permitir detección simultánea de una pluralidad de señales en una pluralidad de frecuencias, cada señal está a cierta amplitud, que proporcionan colectivamente una firma espectral única de un material cuya detección se desea.

Banda Amplia: Una expresión del ancho de banda de una señal respecto a su frecuencia central. "Banda Amplia" se define aqui como una señal cuya frecuencia es mayor que aproximadamente 25% de la frecuencia central respecto a la más alta frecuencia.

Material extraño: Como se emplea aqui, un "material extraño" es aquel que se asocia en forma indeseable con un objeto. Ejemplos de materiales extraños son: explosivos, drogas ilegales, agentes químicos y biológicos, contaminantes de alimentos, contaminantes químicos, contaminantes farmacéuticos, materiales asociados con enfermedades, y patógenos incluyendo pero no limitados a virus, bacterias, proteínas, priones, hongos y esporas. Materias extrañas pueden tener múltiples constituyentes, con lo que la firma espectral que se obtiene refleja los múltiples constituyentes y las cantidades de cada uno.

Material: Como se emplea aquí, "material" puede constituir una substancia sola o múltiples substancias.

Objeto: Como se emplea aquí, un "objeto" connota una entidad que puede o no tener un material extraño asociado con él. Ejemplos de objetos en este contexto incluyen, pero no están limitados a: personas, personas y ropa o equipaje, alimentos, vehículos, productos farmacéuticos, productos químicos, animales y entidades biológicas. Un "objeto" puede ser una sola entidad (por ejemplo, persona) o puede comprender múltiples entidades (una persona que trae ropa) .

Material Nativo: Como se emplea aquí, "material nativo" connota el material del cual un objeto, como se definió anteriormente, está compuesto, excluyendo materia extraña. El material nativo puede tener múltiples, constituyentes, con lo que la firma espectral que se obtiene refleja los múltiples constituyentes y las cantidades de cada uno. Un ejemplo se refiere a un objeto que comprende, una persona y la ropa de esa persona, en donde tanto la persona como la ropa de la persona son innocuos cuando se criban por explosivos. Otro ejemplo se refiere a un objeto que comprende un automóvil, que tiene muchos componentes inocuos que se consideran nativos cuando se criban por explosivos.

Materia Extraña o Nativa: Como se emplea aquí, "materia extraña o nativa" o frases similares significan cualquiera o tanto material extraño como nativo, excepto cuando el contexto lo requiera de otra forma.

Tener: Cuando se emplea con referencia un objeto "que tiene" un material extraño o nativo, se entiende aquí que el objeto soporta o incorpora físicamente en forma directa o indirecta a dicho material. Por ejemplo, un material extraño puede consistir de un reactivo explosivo contenido en la ropa de una persona en donde la persona y cualquier ropa inocua de la persona (1) en conjunto comprenden un objeto bajot prueba y (2) se consideran nativos cuando se criban por explosivos. Otros ejemplos incluyen material contenido en el propio objeto, tal como material extraño de una bacteria o virus contenido en el cuerpo humano, o un contaminante tal como salmonella contenida dentro de una pieza de carne roja o pollo.

Señal de interrogación resonante: Como se emplea aquí, una señal de interrogación resonante es aquella en donde una o más frecuencias de la señal interrogante están a frecuencias de resonancia de una materia extraña potencialmente presente. Estas frecuencias de resonancia pueden estar asociadas con transiciones moleculares de vibración, rotación u otras, por ejemplo, de un material extraño potencialmente presente.

Configuración de Sistema Total La Figura 1 muestra un sistema 10 para detectar material extraño o material nativo por espectroscopia de modo paralelo en conexión con un objeto 12 bajo prueba que tiene material nativo y potencialmente tiene un material extraño. En revisión general, una fuente 14 de radiación interrogante se emplea para exponer el objeto 12 bajo prueba a radiación electromagnética ("EM") interrogante 16. Después de pasar a través del objeto 12, esta radiación 18 contiene una firma espectral del objeto y si se desea, de cualquier material extraño, de estar presente, que entonces es detectada por el sistema detector 20. Un correlacionador óptico 24 realiza diversas funciones, incluyendo procesamiento previo de señal, correlación de preferencia utilizando substracción, y formación de umbral; estas operaciones se realizan con el propósito de distinguir las firmas espectrales del objeto y de material nativo y de cualesquiera materiales extraños presentes. Una computadora hospedera 26 interactúa con la fuente 14 de la radiación Interrogante, el sistema detector 20 y el correlacionador óptico 24, y también proporciona una exhibición de los datos de salida.

Modos de Operación Como se describirá con más detalle a continuación, el sistema de la Figura G puede operarse en diversos modos, incluyendo pero no limitados a: • Modo de análisis de materia extraña. En este modo, un objeto 12 bajo prueba se analiza para determinar si está presente materia extraña en el objeto y en qué cantidad o cantidades por comparación con una firma espectral de referencia de una biblioteca.

Modo de criba de material nativo. En este modo, un objeto 12 bajo prueba de criba para determinar si el material nativo está presente en el objeto y en qué cantidad o cantidades por comparación con una firma espectral de referencia de una biblioteca. Un subconjunto de este modo involucra comparación de un objeto 12 bajo prueba con un objeto · conocido de referencia que deberá carecer de material extraño.

Modos de operación secuencial. El sistema de la invención (por ejemplo, Figura 1) puede operarse en modos secuenciales . Un ejemplo de modo secuenciales es primero comparar un objeto 12 con un objeto de referencia, como se mencionó justo anteriormente, seguido por un modo de operación de análisis de materia extraña, si el objeto no corresponde con el objeto de referencia.

Modo 'de análisis simultáneos. Este modo permite analizar o cribar un objeto 12 bajo prueba tanto de materiales nativos como extraños. "Simultáneo" como se emplea en "modo de análisis simultáneos" se refiere á la simultaneidad de interrogar el objeto por materiales nativos y extraños al mismo tiempo y no se relaciona al proceso de correlación óptico subsecuente que se realiza por el correlacionador óptico 24 que por necesidad debe realizarse en una forma serial'.

Modo de fluorescencia. En este modo, la detección de material extraño o nativo se lleva a cabo al interrogar el objeto 12 bajo prueba con una primera frecuencia conocida que excita a radiación secundaria a una segunda frecuencia resonante en material extraño o nativo que se somete a resonancia a esta segunda frecuencia resonante. En este modo, típicamente sólo las señales a la segunda frecuencia o frecuencias resonantes son el objeto de detección.

• Modo de aprendizaje. En este modo, el sistema de la invención (por ejemplo, 10, Figura 1) analiza o barre material conocido con el propósito de crear una biblioteca de datos de matriz para usar en analizar o cribar objetos subsecuentes, o agregar a una biblioteca existente previa de datos de matriz.

La siguiente descripción abunda en el diagrama de bloques de la Figura 1 de una modalidad preferida de la presente invención en los siguientes tópicos: • Fuente de radiación interrogante 14 • Objeto 12 a probar • Sistema Detector 20 • Las funciones del procesador de correlación óptico 24 de - o Reprocesamiento de señal o Correlación • Substracción o Formación de umbral • Proporcionar datos de salida por la computadora hospedera y exhibidor 26 Fuente de Radiación Interrogante 14 Con referencia a la Figura 1, el objeto 12 y cualquier material extraño a probarse se exponen a una señal de interrogación de una fuente de banda amplia 14 de radiación interrogante como se define anteriormente, de manera tal que la señal- interrogante interactúa con el objeto. La Figura 2 muestra un aparato preferido 30 para la fuente 14 de radiación interrogante, que es un Oscilador Lineal Aislado Magnéticamente mejorado con una estructura Cilindrica Smith-Purcell. Esta estructura se define en forma más correcta .aquí como un Oscilador Lineal Aislado Magnéticamente mejorado Cilindrico Smith-Purcell 30 (CSP-MILO = Cylindrical Smith-Purcell enhanced Magnetically Insulated Linear Oscillator) , y se describe con cierto detalle a continuación. Mayores detalles del aparato 30 de la Figura 2 se discuten a continuación.

El efecto Smith-Purcell primero se describió por S. J. Smith and E. M. Purcell, Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating, Phys Rev 92, 1069 (1953). Smith y Purcell han mostrado que cuando un electrón pasa cerca de la superficie de una rejilla de difracción de metal, moviéndose en ángulos rectos a las reglas, el movimiento periódico de la carga inducida en la superficie de la rejilla deberá dar lugar a radiación. La Figura 3 muestra el proceso de generación Smith-Purcell RF y se deriva del articulo anterior. En1 particular, esta figura muestra una construcción de Huygens simple en donde la longitud de onda fundamental es ???/ß-??e?), 1 es la distancia entre reglas, ß representa v/c como es usual (en donde v es la velocidad del haz de electrones y c es la velocidad de la luz) y T es el ángulo entre la dirección de movimiento del electrón y el rayo de luz.

El presente inventor se dio cuenta que el Efecto Smith-Purcell no era excesivamente eficiente, debido al número limitado de electrones que se llevaban en proximidad apropiada de la superficie de rejilla por la geometría tangente descrita por Smith y Purcell. La Figura 4 muestra la relación del haz de electrones a una superficie planar (técnica previa) en el montaje 34, y en forma alterna a las rejillas cilindricas en el montaje 36, para los propósitos de generación Smith-Purcell de RF. Ya que la Figura 4 simplificada, es importante notar que el haz de electrones (haz E) hace contacto a toda la superficie interior de una rejilla cilindrica. La variante Cilindrica Smith-Purcell como se describe por el presente inventor en la Publicación de la Solicitud de Patente de los E.U.A. Número 2008/0063132 Al tiene la siguiente ventaja significante: Con referencia a las vistas en sección transversal de las Figuras 2, 7 y 8, toda la superficie del haz de electrones en contacto con la superficie interior de una rejilla cilindrica 38 cuadricula la superficie interior de un tubo de desplazamiento 40. Esto aumenta la eficiencia de generar RF por órdenes de magnitud, en comparación con un dispositivo Smith-Purcell planar convencional. Se nota que al colocar una carga eléctrica apropiada en el tubo de desplazamiento 40 (Figuras 2, 7 y 8)·, el haz de electrones puede dirigirse a contacto intimo con la superficie de la rejilla cilindrica 38 en el interior del tubo de desplazamiento. El voltaje requerido es proporcional al voltaje empleado para formar el haz de electrones.

Con referencia a la- Figura 2, un haz de electrones se forma por el cátodo 42 y la rejilla 44 que forman una Pistola de Electrones de Onda Viajera 46 y se acelera hacia un ánodo 48 en una trayectoria que lo lleva a través del tubo de desplazamiento mejorado. Una ventana 50, transparente a radiación RF, por ejemplo superpone al ánodo 48 y proporciona un sello de vacio asi como un medio para permitir que RF salga del aparato CSP- ILO 30. El diámetro externo del haz y el diámetro interior de rejilla/tubo de desplazamiento se ajustan para ser aproximadamente los mismos, para asegurar que la superficie exterior del haz este en contacto intimo con la superficie de la rejilla, pero no tanto que la rejilla se erosione por el haz de electrones. Estos puntos se refieren a la descripción anterior de la Figura 4.

El haz electromagnético producido por la estructura descrita anteriormente es divergente. Como se muestra en la Figura 5, esto puede ser corregido a un haz parcial o totalmente colimado o enfocado 52 por el uso de un reflector de tipo parabólico descentrado o fuera del eje 54. La corrección del haz es un proceso cuasi-óptico utilizando el elemento reflejante del reflector 54. , Ahora con referencia a la Figura 2, hay una interacción adicional entre el haz de electrones y la sección de cavidad resonante 56 del aparato CSP-MILO 30. Una oscilación ocurre entre el extremo de la pistola de electrones 46 y el ánodo 48, provocando que los electrones oscilen en ambos sentidos a través del tubo de desplazamiento 40. Esto tiene el efecto .de (a) ensanchar el ancho de banda, (b) establecer la. menor frecuencia de RF radiada, y (c) incrementar la eficiencia del proceso Smith-Purcell al provocar que los electrones interactúen repetidamente con la rejilla. RF sólo se emite en una dirección, a través de la ventana 50, debido al ángulo del costado menos inclinado de la ranura de la rejilla.

La frecuencia del aparato CSP-MILO 30 puede ser controlada de dos formas, (1) por un ajuste grueso y (2) por un ajuste fino. El ajuste grueso puede lograrse al controlar el tamaño y geometría de la rejilla 38 y el tamaño de la cavidad 55 del aparato 30. El ajuste fino puede lograrse por ajuste del alto voltaje en conexión con el efecto Smith-Purcell. El aparato CSP- ILO 30 de preferencia se diseña de manera tal que su señal de salida o radiación interrogante 16 (Figura 1), constituye radiación electromagnética de banda amplia que contiene simultáneamente radiación electromagnética de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a aproximadamente 25 THz, para permitir detección simultánea de una pluralidad de señales a una pluralidad de frecuencias, cada señal está a cierta amplitud, que proporcionan colectivamente una firma espectral única de material cuya detección se desea.

Con respecto a la radiación interrogante 16 (Figura 1), el intervalo de frecuencias sobre 1 THz proporciona una interrogación espectroscópica única de los modos de materiales de vibración de baja frecuencia. Una amplia variedad de propiedades moleculares, a partir de la estructura terciaria de proteínas y polinucleótidos a mecanismos de agotamiento de ozono, puede caracterizarse por sus espectros modales. Esta espectroscopia especifica molecular requiere (a) resolución espectral en o por debajo de aproximadamente 2 MHz, que proporciona partes por mil millones (1 x 109) de resolución, (b) un intervalo espectral que se extiende a varios THz, y (c) la capacidad de ajuste de frecuencia .

La Figura 6 muestra un circuito regulador de corriente 90 que puede emplearse para regular la energía del aparato CSP-MILO 30 (Figura' 2) en una forma algo análoga al regulador de corriente clásico transistor de efecto de campo Two-FET (FET = Field Effect Transistor) que se encuentra en fuentes de energía de bajo voltaje. En la Figura 6, el circuito regulador de corriente 90 se implementa con triodos de emisión de campo de cátodo frío' 92 y 100, cualquiera o ambos de los cuales puede comprender tubos Pulsatron, como se describe en la Patente de los E.U.A. Número 4,950,962, con titulo "High Voltage Switch Tube", por ejemplo, por el presente inventor y otros. El problema atendido por el actual circuito regulador de la Figura 6 es que no hay dispositivos de tubo de vacío convencionalES o estado sólido que sean capaces de operar en los regímenes de voltaje o corriente contemplados para este diseño. Esta topología de circuitos se describió por el presente inventor en la Publicación de Solicitud de Patente de los E.U.A. Número 2009/0190383 Al, publicada en julio 30, 2009. Adicionales detalles del circuito regulador de corriente 90 se describen a continuación .

Con referencia a la Figura 2, un pulso de alto voltaje se aplica directamente al cátodo 42 del aparato CSP-MILO 30. El cuerpo del aparato 30 forma una cavidad resonante 56 que oscila cuando se dispara el cátodo. Una rejilla 44 controla el disparo del aparato CSP-MILO 30. Un pulso activador se aplica a la rejilla 44 para iniciar el proceso de regeneración de RF.

El aparato CSP-MILO 30, considerado por si mismo, se conoce y describe en la Publicación de Solicitud de Patente de los E.U.A. Número 2008/0063132 Al, publicada en marzo 13, 2008, por el presente inventor (C.A. Birnbach) , y es una fuente de RF de alta potencia o de alta energía. Incorpora el tubo de desplazamiento 40 con una rejilla cilindrica 38 en su superficie interior y utiliza una Pistola de Electrones de Onda Viajera (TWEG = Traveling Wave Electron Gun) 46 descrita originalmente en la Patente de los E.U.A. Número 4,950,962 por C.A. Birnbach. Con referencia a la Figura 2, las dimensiones de la cavidad resonante 56 en conjunto con las dimensiones del tubo de desplazamiento 40 determinan el intervalo de salida. Dispositivos MILO convencionales, específicamente aquellos que carecen de la estructura CSP, tienen salidas entre 300 MHz y 3.5 GHz. El presente inventor ha verificado experimentalmente que al colocar una superficie con rejilla cilindrica electromagnética 38 en la cara cilindrica interior del tubo de desplazamiento 40, como se muestra en las Figuras 7 y 8, dispuesto de manera tal que la superficie exterior del haz de electrones esté en contacto íntimo con la rejilla 38 en la superficie interior del tubo de desplazamiento, es posible generar RF a frecuencias muy superiores que aquellos disponibles de un tubo de desplazamiento de perforación lisa. La fuente de esta RF se debe al efecto Smith-Purcell como se describió anteriormente, que se relaciona a la interacción de un haz de electrones relativistico con una superficie de rejilla. Son posibles salidas en frecuencias también dentro del intervalo de THz.

La superficie de rejilla 38 de las Figuras 7 y 8 puede formarse por muchos métodos. Con referencia a la Figura 8, el espaciamiento 60, ángulo de frente 62 y geometría de la rejilla 38 todos son determinantes en la frecuencia lograda. Se ha determinado que la modalidad preferida de la rejilla 38 de la rejilla de tubo de desplazamiento es una rosca interna como mejor se muestra en las Figuras 7 y 8. Al alterar los parámetros de la rosca, la frecuencia de salida se cambia. Los extremos de un Tubo de Desplazamiento 40 son radiados para reducir al mínimo la formación de perturbaciones de campo eléctrico indeseables dentro de la Cavidad Resonante.

Regulador de Corriente 90 Como se mencionó anteriormente, una fuente de radiación interrogante conveniente 14 (Figura 1) para el sistema 10 de la Figura 1, es un Oscilador Lineal Aislado Magnéticamente que se ha mejorado por la adición de una estructura Cilindrica Smith-Purcell, tal como el aparato CSP-MILO 30 de la Figura 2. Es necesario regular cuidadosamente la potencia o la energía de salida de la fuente de radiación Interrogante 14, que se logra al limitar la corriente limitada al cátodo 42. En el circuito regulador de corriente 90 de la Figura 6, introducido anteriormente, la corriente a través de un dispositivo modulador principal 92 conectado entre un nodo de alimentación 94 y un nodo de salida 96 se modula en respuesta a un dispositivo de control 100.

El circuito regulador de corriente 90 de la FIGURA 4 es algo análogo al regulador de corriente clásico de Transistor Efecto de Campo (FET = Field Effect Transistor) que se encuentra en fuentes de energía de bajo voltaje. El problema atendido por el circuito regulador actual 90 es que no hay dispositivos de tubo de vació convencional o de estado sólido que sean capaces de operar en los regímenes de voltaje o corriente contemplados para este diseño. De acuerdo con esto, el principal dispositivo modulador 92 de preferencia son tubos de electrones controlables por emisión de campo de cátodo frío de estructura de triodo, tetrodo o pentodo. El dispositivo de modulación principal 92 puede tener la estructura geométrica mostrada en la FIGURA 15 y como se describe finalmente en la- Patente de los E.U.A. anteriormente mencionada 4,950,962. En forma alterna, el dispositivo de modulador principal 92 puede comprender un dispositivo semiconductor de alto voltaje tal como un tiristor. El dispositivo de control 100 puede implementarse en la misma forma que el dispositivo modulador principal 102 para diversidad de partes requeridas, o puede ser implementado por un dispositivo con requerimientos de corriente y voltaje relativamente menores.

En el circuito regulador de corriente de la FIGURA 4, la siguiente descripción de operación considera una fuente de voltaje positivo en el nodo de alimentación 94. Un resistor 98 establece un voltaje de derivación para la rejilla del dispositivo modulador principal 92, que se muestra como un primer tubo de electrones, que funciona como un regulador de corriente en serie. El dispositivo modulador principal 92 es funcionalmente análogo a un FET en el circuito .

La corriente que fluye del dispositivo modulador 92 fluye a través de un resistor de derivación 102 para desarrollar un voltaje a través del resistor. Este voltaje se alimenta a través de un divisor de voltaje que comprende primeros y segundos resistores divisores de voltaje 104 y 106, respectivamente. El dispositivo de control 100 para el dispositivo de modulación principal 92 de preferencia es un segundo tubo de electrones empleado como un tubo de control, y puede ser un tubo de electrones con emisión de campo de cátodo frió. La rejilla del dispositivo de control 100 se conecta a la unión del primer y segundo resistores divisores de voltaje 104 y 106. Se aplica un voltaje de control al otro lado del resistor 104; esto es al nodo 108. En la proporción entre el voltaje del resistor de derivación 102 y el voltaje de referencia producido por el divisor de voltaje resistivo en el nodo 108, determina el grado de conducción del dispositivo de control 100, que a su vez controla la conducción del dispositivo modulador principal 92. Un capacitor 110 establece una constante de tiempo con el resistor 104, para asegurar que el circuito permanece en conducción hasta el punto de cruce a cero. Al ajustar los valores de voltaje de referencia en el nodo 108 y los valores de resistor del divisor de voltaje formado de los resistores 104 y 106, pueden implementarse diferentes modos para regulación de corriente.

Exponer el Objeto 12 a Radiación Con referencia de nuevo a la FIGURA 1, en la modalidad preferida, se proporciona una señal de interrogación 16 que contiene simultáneamente radiación electromagnética de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a aproximadamente 25 THz para permitir detección simultánea de una pluralidad de señales en una pluralidad de frecuencias, cada señal está a cierta amplitud, que proporciona colectivamente una firma espectral única de un material del cual se desea detección. Este haz EM 16 de preferencia tiene la más baja posible energía mientras que todavía mantiene , una proporción de señal-a-interferencia deseada, y típicamente está por debajo de uno a cinco Watts. Un Oscilador Lineal Aislado Magnéticamente Mejorado Cilindrico Smitch-Purcell (Cylindrical Smith-Purcell Enhanced Magnéticoally Insulated Linear Oscillator (CSP-MILO) 30 (FIGURA 2)), como se describió anteriormente, es la fuente preferida, ya que cumple con los requerimientos de frecuencia y salida que se definieron previamente. De nuevo con referencia a la FIGURA 5, como se mencionó anteriormente, el haz de salida de preferencia se colima en forma completa o parcial o enfoca por un reflector parabólico fuera del eje 54.

Detección de Presencia y Cantidad de Materia Extraña o Nativa Con referencia a la FIGURA 1, la detección de la presencia y cantidad de materia extraña o nativa de preferencia se logra por el uso de un sistema detector 20 utilizando un detector piroeléctrico . Mientras que es posible incluir detección de imagen en esta invención, en la modalidad preferida, esto no se realiza en deferencia a los sentimientos predominantes respecto a la naturaleza invasiva y ofensiva de la criba de seres humanos por materias extrañas. Los sentimientos predominantes contra formación de imagen del cuerpo humano se han observado repetidamente en la prueba y uso de sistemas de formación de imagen de mmWave de la técnica previa para criba. La eliminación de la función de formación de imagen en una modalidad preferida elimina las consideraciones anteriores del público en general. Además, la implementación de la capacidad de detección espectroscópica proporciona información significativamente más útil al operador. En forma adicional, los niveles de resultados falso positivo y falso negativo ambos se reducen al usar detección espectroscópica.

Una modalidad preferida comprende un sistema detector 20 (FIGURA 1), elaborado de un material Ferroeléctrico Quántico (QFE = Quantum Ferroelectric) . Los detectores QFE son de banda amplia y son capaces de operar a temperatura ambiente. Los detectores QFE se distinguen de detectores convencionales en que los fotones incidentes a temperaturas sobre la temperatura del fotocátodo detector se representan como cargas positivas, mientras que los fotones a temperaturas por' debajo de la temperatura del fotocátodo se representan como cargas negativas. El único sitio en el espectro en donde el detector QFE no funciona es cuando los fotones incidentes están a la misma temperatura que el fotocátodo. La temperatura del fotocátodo puede desplazarse al calentar o enfriar una pequeña cantidad para desplazar esta región nula. Una material QFE típico es una película delgada de Fluoruro de PoliVinilideno (PVDF = PolyVinylidene Fluoride) . PVDF se fabrica bajo las marcas KYNAR y HYLAR. KYNAR PVDF es un producto de Arkema, Inc. de Filadelfia, Pensylvania, E.U.A., a manera de ejemplo, y HYLAR PVDF es un producto de Solvay Chemical S.A. de Bruselas, Bélgica, a manera de ejemplo. La selección de un detector conveniente será aparente para una persona con destreza ordinaria en la especialidad con base en la presente especificación.

Espectroscopia Paralela La FIGURA 9 muestra un espectroscopio de modo serial 120 de acuerdo con la técnica previa, y la FIGURA 10 muestra un espectroscopio de modo paralelo 122 empleados de preferencia en la invención. En el espectroscopio de modo serial 120 de la FIGURA 9, un objeto 12 bajo prueba es barrido con exploraciones · secuenciales sobre un intervalo de frecuencias, como se indica por las flechas 124. El bloque 127 indica las funciones de detectar una señal modificada, procesamiento de señal y exhibición. Sin embargo, el uso de un espectroscopio de modo serial 120 resulta en lenta velocidad de adquisición y procesamiento de datos. Para incrementar la velocidad de adquisición y procesamiento de datos, para hacer la invención más práctica y más económica de uso, es conveniente convertir los datos recibidos del objeto de barrido 12 bajo prueba, en un formato paralelo lo más pronto posible, en el proceso de procesamiento de señal; esto permite que se realicen en paralelo las operaciones más intensas matemáticamente. Esto se indica en la FIGURA 10 por flechas 128, que indican la iluminación (o barrido) del objeto 12 bajo prueba por todas o las muchas frecuencias de radiación interrogante, en forma simultánea. Esto acelera significantemente el proceso espectroscópico y habilita que se presenten datos en un estado tri-dimensional al correlacionador óptico 24 de la FIGURA 1 para procesamiento de señal, indicado en la FIGURA 10 por "SIGNAL PROC." 24. Por "estado tridimensional" se entiende que los datos se presentan como un conjunto o matriz en donde cada punto tiene una representación de entero de la amplitud de una salida de detector es respuesta a una señal interrogante. Una definición adicional de "estado tridimensional" se establece a continuación. Otra razón que la espectroscopia de modo paralelo es substancialmente más rápida que la espectroscopia de modo serial convencional en el contexto de una modalidad de la invención se debe al ancho de banda extremadamente alto del correlacionador óptico 24 (FIGURA 1) empleado en la modalidad preferida. Como se conoce por aquellos con destreza ordinaria en la técnica, los procesadores de señal óptica, tales como el correlacionador óptico 24 (FIGURA 1), son inherentemente rápidos y de esta manera de amplio anchó de banda. La selección de un ancho de banda especifico para iluminar un objeto 12 depende del material extraño o nativo especifico que se busca, como será aparente para una persona con destreza ordinaria en la técnica de la presente especificación.

Procesadores ópticos de modo paralelo (por ejemplo, 24, FIGURA 1) tienen un típico tiempo de rendimiento de entrada-a-salida para operaciones de correlación complejas en el orden de 2 a 20 nanosegundos . Este es el tiempo total requerido para una operación de correlación completa. El rendimiento finalmente se limita por la velocidad a la cual pueden alimentarse los datos a un modulador de luz espacial de entrada (SLM = Spatial Light Modulator) (no mostrado en la FIGURA 1) del procesador de correlación óptica 24. Los componentes electrónicos modernos permiten que miles de operación de correlación sean realizadas en cuestión de segundos, permitiendo de esta manera más que un tiempo amplio para barrido, por ejemplo para todas las amenazas conocidas más barrido por contrabando y una cantidad de patógenos, incluyendo pero no limitados a virus, bacterias, proteínas, priones, hongos, esporas, que se diseminan por transferencia del aire.

Modo de Fluorescencia El espectroscopio de modo paralelo 122 mostrado en la FIGURA 10 opera en el modo de absorción. Además de utilizar un espectroscopio de modo paralelo que opera en el modo de absorción, es posible excitar el objeto 12 bajo prueba, como se muestra en la FIGURA 11, por radiación 132 en la misma banda, pero a una frecuencia específica fi que se conoce excita una radiación secundaria 134 a una frecuencia f2 si el material extraño o nativo con esta frecuencia de resonancia conocida está presente. Esta reacción produce la segunda radiación 134 de energía electromagnética de características conocidas, cuya identificación y detección permiten un análisis de datos más simplificado. Esto es semejante a espectroscopia de fluorescencia convencional pero se lleva a cabo a una menor frecuencia que con el equivalente óptico convencional.

La señal de estímulo (o interrogación) ya puede ser de banda estrecha, en o cerca de la frecuencia de resonancia exacta de los materiales extraños que se prueban, o puede ser una señal de banda ancha que también producirá la salida secundaria (es decir, estimulada) deseada en la presencia del material extraño mencionado en el objeto 12 que se prueba. Estas señales de interrogación pueden producirse por el aparato CSP-MILO 30 de la FIGURA 2 en la modalidad preferida o por otras fuentes de RF conocidas de frecuencia y de salida apropiadas.

Representación de Datos Tridimensional En la modalidad preferida, se alimentan datos en paralelo de puntos en el sistema detector 30 (FIGURA 1) con amortiguadores correspondientes en un conjunto de almacenamiento de datos de matriz bidimensional 136, en donde cada punto en este conjunto de almacenamiento de datos de matriz bidimensional contiene un valor numérico equivalente a la fuerza de la señal recibida por el punto correspondiente en el detector. También es posible transferir los datos en una forma paralelo-a-serial-a-paralelo, aunque esto no es tan efectivo como la modalidad preferida.

Cada sitio de almacenamiento de datos en el conjunto de almacenamiento de datos de matriz bidimensional 136 es capaz de contener un valor numérico en el intervalo de 0 a x, en donde x es un entero igual al intervalo dinámico del sistema. La distribución de datos ya puede ser de exploración o en zigzag. El valor de cada amortiguador es representativo de la amplitud de la señal del detector en una frecuencia muestreada determinada. Datos formateados de esta manera se refieren como "imagen sintética". Una imagen sintética no tiene propiedades de formación de imagen reconocibles, es solo capaz de ser leída por una máquina, y aparece al ojo humano como una rejilla X-Y de cuadrados con tonos variantes de gris o de color variante (otra técnica de codificación posible) . La FIGURA 12 muestra una matriz 136 representativa de la imagen sintética, en donde cada celda contiene un valor numérico que está a una frecuencia, tal como fi, 2, * * * fn. Como es aparente de la explanación anterior, cada celda en la matriz 136 puede elaborarse para que aparezca al ojo humano que tiene un tono diferente de gris o un color.

Correlacionador Óptico El procesador de correlación óptica 24 de la FIGURA 1 puede ser incorporado por el correlacionador óptico análogo 140 descrito respecto a la FIGURA 13. Un correlacionador óptico analógico es un dispositivo para comparar dos señales al utilizar las propiedades de transformación Fourier de un lente. Se ha utilizado para hacer blanco en el seguimiento e identificación en sistemas de blanco de misiles. Tiene la ventaja de tener un ancho de banda aparente que es substancialmente superior que su contraparte electrónica.

Mientras que la operación matemática realizada por los correlacionadores ópticos analógicos y los correlacionadores electrónicos, esencialmente es la misma, sus implementaciones físicas son muy diferentes. Un correlacionador electrónico comprende circuitos electrónicos convencionales montados en tarjetas de circuito impreso. En contraste, un correlacionador óptico analógico tal como se muestra en 140 en la FIGURA 13, incluye lentes 142, 144 y 146, espejos 148 y 150, separadores de haz polarizante 152 y 154 y dispositivos electro-ópticos, tales como modulador de luz espacial de entrada (SLM) 156. Las partes anteriores se emplean en la transición del dominio electrónico, mediante el modulador de luz espacial de entrada SLM 156, al dominio óptico y de regreso al dominio electrónico mediante una cámara de dispositivo acoplado de carga (CCD = Charge-Coupled Device) 158. El correlacionador óptico analógico 140 además incluye una fuente de luz de longitud con coherencia variable 160, lector del haz 162, y un filtro espectral monocromatizante 164.

Como un fondo general, un correlacionador óptico analógico tiene una señal de entrada que se transforma por alguna función de filtro en el dominio Fourier. Un filtro ejemplar en el dominio Fourier es un filtro acoplado como se presenta al correlacionador óptico ¦ analógico 140 por el modulador de luz espacial 155. Este filtro acoplado en el dominio Fourier correlaciona en forma cruzada la señal de filtro en 155 con una imagen sintética de entrada (por ejemplo, 138, FIGURA 12) presentada al correlacionador 140 en el modulador de luz espacial de entrada 156. El proceso de correlación se discute como sigue.

Se nota que la matriz de datos como s.e define aquí se refiere como una matriz tridimensional. Sin embargo, en las siguientes ecuaciones matemáticas, la matriz de datos se muestra como una entidad bidimensional [ (xfy) ] . Esto se debe al hecho de que las ecuaciones matemáticas aqui no muestran el valor de amplitud para cada elemento (x,y).

La correlación cruzada, c(x,y) de una señal bidimensional i(x,y) con h(x,y) es: c(x, y) = i{x, y) ® h*(-x, ~y) Esto puede ser expresado de nuevo en espacio Fourier como - ?(?,?) = ?(?,?)? * ( ?, - ?) en donde las letras con mayúsculas denotan la transformada Fourier de las letras con minúsculas. Así, la correlación puede ser calculada por transformación inversa Fourier del resultado.

De acuerdo con la teoría de Difracción Fresnel, un lente doble convexo de longitud focal f producirá la transformada Fourier exacta a una distancia f tras el lente de un objeto colocado a una distancia f frente al lente. Para que se transformen las amplitudes complejas, la fuente de luz debe ser coherente y típicamente es de un láser. La señal de alimentación en la forma de un filtro digital, típicamente se escribe sobre un modulador de luz espacial ("SLM = Spatial Light Modulator") (por ejemplo, 156, Figura 13) . La correlación óptica realizada con un láser como la fuente de luz tiene ciertas desventajas que incluyen formación de artefactos y señales falsas debido a la alta longitud de coherencia del láser. Es preferible utilizar una fuente de luz 160 de longitud de coherencia parcial, de preferencia ajustable de manera tal que la longitud de coherencia óptima pueda ajustarse para un sistema particular.

El procesador óptico analógico 140 de la Figura 13 opera como sigue. La señal de alimentación se escribe electrónicamente a un primer SLM 156 situado en el plano de alimentación, este plano se ilumina por una fuente de luz (no mostrada) de longitud de coherencia apropiada. El plano de alimentación se forma en imagen en el plano Fourier por un lente doble convexo 142, en donde las distancias de un plano de imagen a este lente y de este lente al plano. Fourier son iguales a la longitud focal de este lente 142. Un segundo SLM 155 se ubica en el plano Fourier, tal que SLM es un filtro acoplado dinámico que retira selectivamente información de la alimentación, con base en las características Fourier de este filtro acoplado. La señal resultante es transformada de Fourier con un segundo lente 144, situado a una distancia igual a la longitud focal del lente 144. La señal resultante de nuevo se transforma Fourier produciendo la transformación inversa del plano Fourier y la salida del lente 144 se forma en imagen sobre la cámara CCD 158, que se ubica a una distancia del doble de la longitud focal del lente 144. La imagen resultante formada en la cámara CCD 158 es la imagen alimentada que se transforma por el filtro acoplado. El lente 146 se proporciona para enfocar la luz colimada modulada que proviene del lente 144 sobre la cámara CCD 158.

Como se muestra en la Figura 13, el procesador de correlación óptica 140 tiene su ruta óptica doblada por los tres espejos 148, 149 y 150 y los dos separadores de haz polarizante 152 y 154. El primer separador de haz 152 puede ser un cubo, y realiza las funciones duales de doblar el haz óptico y polarizarlo simultáneamente. El segundo separador de haz 154 tiene un filtro Fourier SLM 155 unido ópticamente a una superficie del segundo cubo separador de haz 15 . Esta configuración permite la combinación del segundo cubo separador de haz 154 y el segundo SLM 155 para que actúen tanto como un espejo de doblado y filtro Fourier activo. El segundo SLM 155 puede unirse ópticamente al segundo separador de haz 154 si este separador de haz es un cubo. En forma alterna, el segundo SLM 155 puede estar formado directamente en la superficie apropiada del cubo separador de haz 154. El primero, segundo y tercer espejos 148, 149 y 150 son espejos de pila dieléctricos monocromáticos y se utilizan para doblar el haz.

La fuente de luz de coherencia variable 160 se proporciona para permitir que la longitud de coherencia del haz de iluminación se ajuste a un valor deseado para óptimo desempeño de correlación. El requerimiento de longitud de coherencia varia con los valores específicos selectos para el procesador de correlación óptica, pero típicamente está el intervalo de 0.25 mm a 10 mm.

La SLM 156 de entrada en la ruta del haz antes del segundo separador de haz 154 permite la introducción en el correlacionador óptico 140 de la imagen sintética 138 (Figura 12) derivada de los datos que se toman del objeto 12 bajo prueba. El filtro Fourier 155 en el segundo separador de haz 154, se proporciona con otras imágenes sintéticas 138 (Figura 12) de una biblioteca de referencia que de preferencia se almacena en la computadora hospedera 26 (Figura 1) . Esta biblioteca contiene imágenes sintéticas 138 (Figura 9) de cada amenaza u otro material extraño o nativo que se va analizar. La biblioteca de referencia puede contener datos de material extraño solamente, sólo material nativo o una combinación de materiales extraños y nativos.

La salida del procesador de correlación óptica se dirige a una cámara CCD 158 que convierte de regreso la señal óptica a una señal electrónica para utilizar por la computadora hospedera 26 (Figura 1) para la Operación de Formación de Umbral descrita a continuación. De preferencia, no se forman imágenes actuales del objeto bajo prueba en el sistema 10 (Figura 1) para protección de privacia del objeto bajo prueba, cuando el objeto es un ser humano, y también para mantener el costo del sistema dentro de niveles razonables. Pero, es posible agregar una función de formación de imagen que proporcionará una imagen con materiales extraños o nativos detectados, superpuestos en la imagen.

El sistema 10 como se describe, proporciona la capacidad de realizar múltiples operaciones Fourier que incluyen el descartar materiales que no son extraños o que no son nativos a un objeto bajo prueba.

Aunque el correlacionador óptico anterior 140 de la Figura 13 se prefiere, pueden emplearse correlacionadores que utilizan otras tecnologías. Por ejemplo, correlacionadores convenientes incluyen aquellos que utilizan una computadora digital y aquellos que utilizan soporte lógico inalterable.

Procesamiento de señal substraeti o Un problema que se encuentra en el presente tipo de procesamiento de señal, es la presencia de información que no se relaciona específicamente a la detección de materiales' extraños o materiales nativos-, y como tal constituye un componente de interferencia. Para eliminar esta interferencia, es posible sustraer espectros directamente asociados con estos componentes de interferencia, para simplificar el conjunto de datos restantes. Esto se refiere aquí como "procesamiento de señal sustractivo", que es una técnica por la cual un conjunto de datos se sustrae en una base punto-por-punto de un segundo conjunto de datos. Por ejemplo, cuando se criba o analiza un objeto por materia extraña, un conjunto de datos que contiene información espectral de material puramente nativo en un objeto, se sustrae de un conjunto de datos que tiene información combinada de material nativo en el objeto y cualquier material extraño a'sociado. El resultado de este proceso es un espectro de sólo cualquier material extraño asociado contenido en el conjunto de datos de muestra original.

Operación de Formación de Umbral Una vez que el o los picos de correlación de datos totalmente procesados se obtienen como se describió anteriormente, es conveniente comparar sus amplitudes con aquellas contenidas en los espectros de referencia en la biblioteca de firmas. Cualquier pico que surja sobre un nivel determinado activará una indicación en la interfase del operador.

La presencia de múltiples picos puede exhibirse en una forma similar en la forma en la que picos sencillos se manejan. La Figura 14 muestra una gráfica que ilustra la operación de Formación de Umbral. Como se ilustra en la Figura 14, las condiciones de formación de umbral ¦ se satisfacen si la señal está al menos sobre el nivel de "DEBE SER SOBRE", que es una indicación ejemplar para buscar el objeto como manualmente. . A la señal se le da peso extra si está al menos sobre el nivel de "DEBERÁ SER SOBRE", que es una indicación ejemplar que el objeto deberá detenerse ya que definitivamente puede tener materia extraña 'por ejemplo. De esta manera, una señal "DEBE ESTAR SOBRE" indica la presencia probable de materia extraña o nativa, mientras que una señal "DEBERÁ SER SOBRE" indica la presencia definitiva de una baja cantidad de materia extraña o inesperada de material nativo.

Las técnicas de Formación de Umbral diferentes a aquellas mostradas en la Figura 14 pueden emplearse si se desea.

Proporcionar Resultados de Detección Los resultados de la determinación anterior de la presencia de material extraño, pueden emplearse en diversas formas. Por ejemplo, los resultados pueden proporcionarse a un operador humano, o presentarse a un sistema secundario para tomar acción correctiva automatizada.

Hay una cantidad de posibles técnicas de interfase de operador que pueden aplicarse a la presente invención. Estas técnicas están en el intervalo desde una sola lámpara piloto indicadora que se requiere adicional atención a este objeto particular bajo prueba, a un · banco de luces que indican la presencia de materiales extraños específicos de interés, hasta exhibidores numéricos de las cantidades de materias extrañas específicas de interés, hasta exhibidores con trazo de espectro íntegro. O, los resultados pueden ser presentados a un sistema secundario en una interfase de nivel de máquina totalmente automatizada. La selección de la técnica de interfase varía con la razón específica para utilizar este sistema, el nivel de competencia o pericia del operador, etc.

La Figura 15 muestra varios paneles de control de interfase de operador posibles. En la Figura 16, se muestran cinco interfases de operador humano potencial. La Figura 15 muestra la versión más simple. Sólo tiene dos lámparas indicadoras principales, Pasa y Búsqueda. Cuando se busca materia extraña, una lámpara indicadora de Pasa iluminada indica que el objeto bajo prueba no contiene ninguna materia extraña. Cuando se busca material nativo, una lámpara indicadora de Pasa iluminada indica que una cantidad aceptable de materiales nativos está presente. Si se ilumina la lámpara indicadora Búsqueda, el objeto bajo prueba deberá someterse a más cercano escrutinio.

La Figura 16 es ligeramente más sofisticada. Tiene cuatro lámparas indicadoras mayores: Explosivos, Contrabando, Enfermedad y Pasa. Esta versión está orientada específicamente hacia aplicaciones de criba de pasajeros, aunque son posibles otras aplicaciones. La función Pasa es la misma que en las Figuras 15 y 16. Las tres lámparas indicadoras (para Explosivos, Contrabando y Enfermedad) se iluminan si se detecta cualquier material extraño cae dentro de esas descripciones. Es obvio, que cualquiera de estas categorías puede ser cualquier material químico deseado, y que el número de lámparas indicadoras para esta función no se limita a tres.

La Figura 17 es una expansión del diseño de la Figura 16. Agrega exhibidores alfa numéricos para indicar que materia extraña específica se detecta en cada categoría.

La Figura 18 expande sobre el diseño de la 17. Agrega exhibidores que proporcionan cuantificación numérica de la cantidad de una materia extraña determinada que se detecta.

La Figura 19 muestra un enfoque de interfase de operador humano totalmente diferente. Se diseña para un operador sofisticado quien está entrenado para reconocer espectros específicos de un amplio intervalo¦ de materias extrañas. Este exhibidor es comparable con aquel de un espectroscopio grado de laboratorio típico y exhibe directamente el espectro.

Es obvio que muchas otras variaciones y combinaciones son posibles para la interfase de operador humano. Esta función se ajusta a la medida para satisfacer el nivel de competencia del operador y las circunstancias específicas de la tarea de criba o filtrado.

Comparación con Material Conocido en un Modo de Análisis Nativo Aunque algunos aspectos de la descripción anterior han enfatizado la detección de presencia y cantidad de materia extraña, por ejemplo otra característica de la invención es comparar un objeto bajo prueba con un objeto conocido que carece de materia, extraña. En este aspecto, es conveniente poder cuantificar las cantidades de materiales nativos para un objeto cuando se prueba o se analiza objetos de muestra, ya que hay muchas situaciones en donde no hay un conocimiento a priori de la presencia potencial de materias extrañas, haciendo de esta manera difícil si no imposible una búsqueda por las mismas. Sin embargo, si hay un conocimiento a priori de la cantidad exacta de material nativo, una señal que no corresponde a esos criterios, exitosamente indica en forma inferencial la presencia de material extraño, aun cuando un sistema no puede identificar específicamente lo que es material extraño. En este contexto, la correspondencia de señales se determina por operación de Formación de Umbral tal como se describió anteriormente.

Como un ejemplo de la característica anterior del método, se puede comparar un objetó farmacéutico bajo prueba con un objeto farmacéutico de referencia de ingrediente activo farmacéutico conocido para ver si el ingrediente farmacéutico activo del objeto bajo prueba corresponde con el farmacéutico de referencia.

En la comparación anterior, para mejor precisión, tanto la composición como el peso del ingrediente farmacéutico activo de un objeto farmacéutico se comparan con la referencia. Sin embargo, una comparación de sólo la composición del ingrediente farmacéutico activo del objeto puede ser útil por igual, aunque con menor posible precisión. Mientras que este enfoque no proporciona información específica respecto a la naturaleza de cualquier desviación de una correspondencia perfecta del objeto bajo prueba, la simple desviación en composición o en composición en cantidad, es suficiente para activar una alarma o de otra forma indicar la desviación. En este contexto, una "correspondencia perfecta" está dentro de la tolerancia de fabricación del objeto que se prueba. Este nivel de prueba puede conducirse a muy altas velocidades, proporcional con las tecnologías de líneas de producción modernas. Un objeto farmacéutico por ejemplo que falla en corresponder a un objeto de referencia puede entonces someterse a adicionales técnicas analíticas para identificar en forma específica la razón para la desviación, tal como la inclusión de materia extraña. Esto puede lograrse con el sistema 10 de la Figura 1, al analizar la materia extraña. Técnicas similares pueden aplicarse a otros materiales nativos.

Modo de Análisis Simultáneo Una extensión adicional del concepto anterior de comparar un objeto bajo prueba con un. objeto de referencia conocido, permite análisis simultáneos tanto de materiales nativos como extraños.

Modo de Análisis Secuenciales Una extensión aún adicional del concepto anterior de comparar un objeto bajo prueba con un objeto de referencia conocido, empieza al realizar dicha comparación, como se detalla bajo "Comparación con Material Conocido en Modo de Análisis Nativo". Si se determina que el objeto bajo prueba se desvía del objeto de referencia conocido, entonces se realiza un análisis secuencial, al cambiar el modo de operación del sistema de la invención, para entonces analizar materiales extraños específicos.

Modo de Operación de Aprendizaje para Biblioteca de Referencia En ocasiones, es conveniente agregar datos para otros materiales a la biblioteca de referencia. Esto ya puede ser cuando el sistema 10 (Figura 1) primero se inicia después de construcción o en cualquier puntó cuando es necesario agregar datos adicionales por otros materiales a la biblioteca. Éste método más rápido para crear nuevos datos de biblioteca es como sigue: una muestra de referencia del material se expone a radiación de interrogación en el sistema 10 de la Figura 1. Una salida se toma directamente de los datos de matriz 136 (Figuras 1 y 12) y se suministra a la biblioteca por la computadora hospedera 26 (Figura 1) . Mientras que hay otros métodos para lograr el mismo resultado final, el método preferido es el anteriormente mencionado.

La siguiente lista de números de referencia de dibujos tiene tres columnas. La primer columna incluye números de referencia del dibujo; la segunda columna especifica las partes asociadas con los números de referencia; y la tercera columna menciona un material preferido (si aplica) por las partes.

Lo anterior describe un método y sistemas espectroscópicos capaces de operación cercana a tiempo real para propósitos de criba o filtrado tales como se describió anteriormente. Seis modos de operación que se han descrito son: (1) modo de criba o de análisis de material extraño; (2) modo de criba o análisis de material nativo; (3) modos secuenciales de operación del sistema de la invención; (4) un modo de operación simultáneo para analizar o cribar tanto materiales nativos como extraños; (5) modo de fluorescencia; y (6) modo de aprendizaje para adquirir una biblioteca de datos de matriz para utilizar cuando se barren objetos subsecuentes .

Mientras que la invención se ha descrito con respecto a modalidades especificas a manera de ilustración, se les ocurrirán muchas modificaciones y cambios a aquellos con destreza en la técnica. Por ejemplo, un sistema de la complejidad de la presente invención tendrá una pluralidad de modos de operación además de los diversos modos descritos anteriormente. Por lo tanto habrá de entenderse que las reivindicaciones anexas se pretende que cubran todas estas modificaciones y cambios que caen dentro del espíritu real y alcance de la invención.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. En conexión con un objeto que tiene material nativo y potencialmente tiene material extraño, un método para detectar uno o ambos del material nativo y el material extraño mediante espectroscopia de modo paralelo, caracterizado porque comprende: a) adquisición de datos de modo paralelo que comprende: i) producir una señal de interrogación que contiene simultáneamente radiación electromagnética de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a aproximadamente 25 THz, para permitir detección simultánea de una pluralidad de señales en una pluralidad de frecuencias, cada señal está a cierta amplitud, que proporcionan en forma colectiva una firma espectral única de un material cuya detección se desea; ii) exponer el objeto y cualquier material extraño asociado, a la señal de interrogación para provocar interacción entre la señal y el objeto y cualquier material extraño asociado; iii) detectar una señal modificada que resulta de la interacción de la señal de interrogación con el objeto y cualquier material extraño asociado; y b) procesamiento de señal y reducción de datos, que comprende: i) procesar la señal modificada para producir una matriz de datos representativa de al menos cualquier material extraño o nativo asociado con el objeto, en donde cada punto en la matriz de datos contiene una representación respectiva de una amplitud de la señal modificada a una frecuencia muestreada determinada; ii) proporcionar- una biblioteca de referencia de datos que representan materiales de interés químicos o biolóqicos conocidos; iii) seguir el procesamiento de la señal modificada y proporcionar una biblioteca de datos de referencia, utilizar la técnica de correlación para comparar la matriz de datos con la biblioteca de referencia para producir al menos un pico- de correlación que corresponde a cuando menos un material extraño o nativo asociado de los datos de biblioteca de referencia; y c) proporcionar los resultados de la comparación anterior.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la técnica de correlación comprende un dispositivo de correlación óptica de modo paralelo.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el procesamiento de señal y reducción de datos comprenden determinar si cualesquiera picos de correlación producidos suben a un nivel suficiente para indicar presencia y cantidad de material extraño o nativo asociado con el objeto.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque: a) la biblioteca de referencia de datos representa un objeto de composición y peso conocidos; b) el procesamiento de señal y reducción de datos comprende determinar si la matriz de datos tridimensional corresponde a la' biblioteca de referencia de datos con respecto a composición; y c) proporcionar los resultados de la anterior determinación .

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el procesamiento de señal y reducción de datos comprenden determinar si la matriz de datos tridimensional corresponde a la biblioteca de datos de referencia con respecto tanto a composición como peso.

6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la biblioteca de datos de referencia se refiere sólo a material nativo.

7. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la biblioteca de datos de referencia contiene una pluralidad de datos tanto de materiales extraños como conocidos, permitiendo una pluralidad de modos de operació .

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende descartar materiales nativos al objeto.

9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de interrogación contiene simultáneamente radiación electromagnética de ancho de banda suficiente en el intervalo de aproximadamente 10 GHz a 25 THz y cubre colectivamente las frecuencias resonantes de materiales extraños o nativos anticipados.

10. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la producción de ' la señal de interrogación de radiación electromagnética se realiza con un oscilador lineal aislado magnéticamente mejorado cilindrico Smith-Purcell .

11. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque: a) el procesamiento de la señal resultante comprende procesar la señal resultante para producir una matriz de datos tridimensional representativa de la composición química combinada del objeto y cualesquiera materiales nativos y extraños asociados; y b) además comprende el uso de una técnica de procesamiento de señal sustractiva, para extraer el espectro, o espectros de interés desde una señal de interrogación de banda amplia que contiene información del objeto y cualquier material extraño o nativo asociado.

12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque: a) la señal de interrogación comprende una señal de interrogación resonante que provoca una reacción secundaria conocida única de uno o más materiales químicos específicos . que corresponden a uno o ambos del material nativo y el material extraño si uno o ambos de los materiales están presentes, en donde la reacción secundaria produce radiación de energía electromagnética de características conocidas; y b) la detección incluye detectar la reacción secundaria.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso se configura para cribar material nativo.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el procesamiento de señal y reducción de datos además comprenden analizar la señal modificada sólo a frecuencias especificas que se relacionan a la emisión de fluorescencia del material.

15: El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque un modo de aprendizaje para la biblioteca de referencia se habilita al extraer datos directamente de la matriz de datos y proporcionarlos en la biblioteca de referencia.

16. El método de conformidad . con la reivindicación 1, caracterizado porque la representación respectiva es una sombra de gris o uno de un intervalo de colores variantes.