Обнаружение взрывчатых веществ методом ядерного квадрупольного резонанса

Hideo Itozaki and Go Ota

Перевод: Ищенко А.А.

Ссылка на источник: http://www.s2is.org/Issues/v1/n3/papers/paper8.pdf

Аннотация: был разработан прибор для обнаружения ядерного квадрупольного резонанса. Этот прибор предназначен  для определения гексогена, ВВ внутри противопехотных мин на глубине до 15 см.

Указатель терминов: ядерный квадрупольный резонанс, ЯКР, гексоген, датчик, обнаружение мин.

I. Введение

Метод ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) является одним из перспективных методов обнаружения мин. Широко используемый детектор металла имеет большой процент ложных срабатываний. Высокочувствительный детектор металла, выдает сигнал тревоги каждый раз, когда  сталкивается с несколькими граммами металлического мусора, что приводит к плохой производительности. Датчик ЯКР, напротив, идентифицирует взрывчатую внутреннюю часть мин резонансной частотой, уникальной для каждого материала.

Разработки минного ЯКР-детектора велись  во всем мире [1-3] с целью определения  14N, который входит в состав большинства ВВ. Однако, весьма ограниченное количество документов было опубликовано касательно этой темы. В данной статье описывается разработка прототипа минного ЯКР-детектора и анализ результатов его работоспособности.

II.Обнаружение взрывчатых веществ методом ЯКР

ЯКР является своего рода взаимодействием между радиочастотной (РЧ) волной и спинами ядер. Схематическое представление обнаружения ЯКР показано на рис. 1.

Рис. 1 Схематическое изображение обнаружения сигнала ЯКР. Спин 14N внутри ВВ мины подвергается воздействию РЧ волны, и затем испускает сигнал ЯКР.

Когда происходит облучение РЧ волной на определенной частоте, волна адсорбирована ядерными спинами, затем повторно испущена после иррадиации. Уравнение (1) показывает ЯКР гамильтониана 14N, который является резонансным спином при обнаружении ЯКР сигнала мины [4].

. (1)

Q - ядерная квадрупольная постоянная взаимодействия резонансного спина. Ix, Iy и Iz операторы ядерного спина, Vxx, Vyy и Vzz электрические напряженности поля вокруг спина. Так как электрическая напряженность поля уникальна для каждой структуры молекулы, частота ЯКР также уникальна для каждой молекулы.

На рис. 2 показаны частоты ЯКР основных взрывчатых веществ, гексогена (cyclo–trimethylenetrinitramine), октогена (cyclo-tetramethylenetetranitramine) и ТНТ (trinitrotoluene). По частоте можно идентифицировать ВВ. На рис. 3 показан один из сигналов ЯКР 300 г гексогена (Рис.3 (а)) и 300 г тротила (рис. 3 (б)). 1 000 данных были усреднены, чтобы улучшить соотношение сигнал-шум. Последовательности импульса измерения - сильная нерезонансная гребенка (SORC) для RDX и спина, запирающего спиновое эхо (SLSE) для TNT, соответственно.

Рис. 2 Частоты ЯКР основных ВВ

Рис. 3 ЯКР сигналы, полученные от 300 г ВВ. (a) RDX, (b) TNT

Время измерения составило 2 секунды для RDX и 200 секунд для TNT. Это происходит из-за разности времени релаксации каждого материала. Есть два типа времени релаксации в ЯКР: времена Т1 и Т2, характеризующие независимые процессы обмена энергией между спиновой системой и решеткой и перераспределение энергии в спиновой системе, соответственно. Т1 называется временем спин-решеточной, а Т2 – временем спин-спиновой релаксации.

На рис.4 показаны времена релаксации RDX, TNT, HMT (hexamethylenetetramine), и PNT (para-nitrotoluene). HMT and PNT- сырье RDX и TNT соответственно.

Рис. 4 ЯКР времена релаксации взрывчатых веществ и их сырья.

Как показано на рис. 4, гексоген имеет довольно долгий промежуток T2 и короткий T1, а ТНТ имеет очень короткий T2 и долгий T1. Таким образом, гексоген легче обнаружить, чем ТНТ. ЯКР детектор для гексогена была в первую очередь разработан для оценки ЯКР обнаруживаемости в этой области.

III. Обнаружение мин методом ЯКР

Опытный образец миноискателя ЯКР был разработан благодаря поддержке Агентства науки и техники Японии.

Детектор, W570mm*D285mm*H290mm, состоит из датчика, корпуса, и нескольких небольших электрических цепей, таких как предусилитель. Этот датчик-голова весит 10 кг, и подготовлен к использованию транспортным средством.

Рис. 5 Прототип ЯКР-миноискателя.

Была произведена оценка работы датчика. Был измерен сигнал ЯКР от RDX, погруженного в грунте. Образец, 100 г RDX были упакованы в цилиндрическом пластиковом чехле радиусом 110 мм и высотой 80 мм. Расстояние от основания датчика ЯКР до образца составило 7, 12, и 17 см. Влажность грунта - 10 %. 220 000 данных были усреднены, чтобы оценить отношения времени измерения и соотношения сигнал-шум. Измерение повторяли 7 раз для каждого из условий эксперимента. Один из сигналов ЯКР, обнаруженный на глубине 7 см, и фоновый шумом показаны в рис. 6.

Сигнал ЯКР ясно виден на рис. 6 (a). Зависимость интенсивности сигнала ЯКР на типовой глубине была измерена и оценена. Была проведена обработка результатов измерения (рис. 7). Квадратная точка показывает среднее значение на каждой глубине обнаружения. Когда квадратная точка помещена выше нуля, сигналы были обнаружены значительно. Если минимум помещен выше, чем ноль, обнаружения были достаточно успешны.

Рис. 6 Обнаружение сигнала ЯКР от 100 граммов гексогена погруженного на 7 см в почве при 10% влажности. Время накопления сигнала 13 минут. (а) образeц присутствует. (б) образец отсутствет.

Рис. 7 Обнаружение сигнала ЯКР от 100 граммов гексогена погруженного на 7 см в почве. Время накопления сигнала на 13 минут.

Как показано в рис. 7, обнаружение ЯКР сигнала на глубине от 7 до 17 см было успешным. Образец погруженный на 7 или 12 см был явно обнаружен. Обнаружение на 20 см было, однако, почти случайным. Это решительное уменьшение чувствительности может произойти из-за сигнальной диффузии и уменьшения области возбуждения увеличением глубины обнаружения. Последнее может быть улучшено с помощью новшеств системы, которые приведут к усовершенствованию чувствительности обнаружения для глубины 17 и 22 см.

IV. Демонстрация обнаружения мин методом ЯКР

Датчик ЯКР был установлен на транспортное средство, разработанное Hirose Lab. in Tokyo Institute of Technology [5]. Этим транспортным средством можно управлять на расстоянии. Разработка была продемонстрирована общественности в сентябре и декабре 2007. Интегрированная система обнаружения мин была настолько стабильной, что она обнаружила сигнал ЯКР от 100 г гексогена спустя 1 минуту во время демонстрационного периода.

Рис. 10 ЯКР детектор смонтированный на транспортное средство, разработанный Hirose Lab. in Tokyo Institute of Technology [5].

VI. Заключение

В статье был описан ЯКР-миноискатель. Разработанный миноискатель с высокой точностью способен обнаружить 100 г гексогена погруженного в землю на глубине до 12см.

Обнаружение мин методом ЯКР было продемонстрировано общественности. Во время демонстрации прибор показал себя с лучшей стороны. Результаты опыта ясно свидетельствуют о перспективах работы в данном направлении.

Перечень ссылок

1. R. A. Marino, “Detection and identification of explosives by nitrogen-14 NQR,” Proc. New Concepts Sym. Workshop on Detection and Identification of Explosives, Quantico, VA , pp. 399, 1978.

2. V. S. Grechishkin and N. Y. Sinyavskii, “New technologies: nuclear quadrupole resonance as an explosive and narcotic detection technique,” Phys. Usp., vol. 40, pp. 393-406, 1997.

3. A. N. Garroway, M. L. Buess, J. B. Miller, B. H. Suits, A. D. Hibbs, G. A. Barrall, R. Matthews, and L. J. Burnett, “Remote sensing by nuclear quadrupole resonance,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 39, pp. 1108-1118, January 2001.

4. J. A. S. Smith, “Nuclear quadrupole resonance spectroscopy,” J. Chem. Edu., vol. 48, pp. 39-49, 1971.

5. M. Freese, E. F. Fukushima, S. Hirose and W. Singhose,” Endpoint vibration control of a mobile mine-detecting robotic manipulator,” Proc. 2007 American Control Conf., pp. 6-12, July 2007.