专利名称：核四极共振检查系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及核四极共振(nuclear quadrupole resonance)检查系统的领域，特别涉及用于同时检测多个目标物质的存在的多共振系统。
背景技术：
核的电四极矩(electric quadrupole moment)与核周围的电场梯度的相互作用使得磁核能级分裂。当施加共振射频(RF)场以激励这种能级之间的跃迁时，发生核四极共振(NQR)。NQR检查是用于探测由共振RF场激励的产生RF谱的分裂能级间跃迁从而使得能够检测物质范围的技术。然而，只有那些诸如14N和35Cl的自旋量子数I大于1/2的核具有电四极矩并由此展现NQR响应。因为四极相互作用对分子内的四极核位置以及物质的晶体结构敏感，所以能级间的特征性迁跃发生于对特定物质唯一的频率。因此，可以将NQR用于对包含四极核的化合物的可能明确的识别。对返回信号应用信号处理和阈值处理意味着只需要很少的操作者训练就可以使检测过程完全自动化。这给予NQR检测对已知目标物质以低错误警报率进行检测的概率很高的可能性。
例如，已知使用NQR检查在机场检测行李中的诸如毒品、药品、或爆炸物的物质的存在，不过原则上可以使用NQR检测包括四极核的任何物质的存在。
常规地，对待检查样品施加针对所关心物质的特定共振频率的射频(RF)脉冲。如果存在所关心物质，则激励起能级间的跃迁，在驰豫期间可以检测到对应的返回信号。然而，会遗漏可能也关心的其它物质，因为NQR装置没有被调谐为检测它们。换句话说，提供理想的低错误警报率的样品检测的高专一性意味着目前不能使用NQR作为通用检测器。为了检测不同的物质，每个频率都需要优化的发送器/接收器。实践中，这需要快速的电子和机械切换以对装置进行重新调谐，或者，更可能的是需要针对各个频率调谐的分立装置。
使用单个NQR装置同时检测多个物质而不需要电子或机械切换，将使得NQR检查系统的部署对各种应用更有吸引力。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于同时检测多个目标物质的存在的多共振NQR检查系统。
由此，本发明提供了一种用于同时检测多个目标物质的存在的核四极共振(NQR)检查系统，其包括用于向样品施加脉冲化射频信号的发送装置以及用于接收返回信号的接收器电路，其中，发送装置和接收器电路包括调谐为在多个预定频率同时发送和接收多个信号的多共振电路，所述多个预定频率基本与多个目标物质的特征共振频率匹配，并且接收器电路进一步包括使得可以同时接收多个返回信号的无源电路保护装置。
多共振探测与无源电路保护的组合使得本发明能够起作用。有源电路保护(即切换)产生掩盖一些信号从而降低系统灵敏度的“阻尼振荡(ringing)”。为了保持比得上单调谐装置的灵敏度，必须通过选择高质量元件和优化电路设计来最小化电路中的损耗。
系统优选地包括能够在单个脉冲序列内的多个频率进行操作的频谱仪(spectrometer)。频谱仪可能具有单个通道或多个通道。
接收器电路优选地包括适于对广泛分离的返回信号进行调整以使得可以由频谱仪同时监视所述返回信号的信号处理装置。信号处理装置可以包括信号发生器，信号发生器在使用中产生预定频率的相位相干混频信号以使多个返回信号在频谱仪的最大带宽内。
无源电路保护装置优选地包括调谐为在信号发送期间提供对接收器电路的保护同时允许接收多个返回信号的集总元件四分之一波长单元。它对于低压信号用作低通滤波器，并阻断所有频率的高压信号。因此它提供无源保护，即不需要电子切换，因此最大化灵敏度。
存在产生多共振电路的几种设计。这些设计包括交织的取样线圈、串联调谐线圈和抽头线圈，其中在沿其长度的中点连接到取样线圈，有效地将单个线圈分离为两个电感器。
以使得可以同时接收多个返回信号的方式理想地施加多个发送信号以激励目标物质。如果使用多通道频谱仪，则可以将信号作为单独的同时信号来发送。然而，如果使用单通道频谱仪，则必须对发送信号进行交织从而在由于施加一个频率的脉冲而产生的线圈阻尼振荡衰减(ringdown)期间施加另一个频率的脉冲。
NQR检查的一个理想应用是通用爆炸物检测。能够同时对分别发现于几种塑性合成物(例如PE-4和Detasheet)中的环三甲撑三硝胺(RDX)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)的存在进行检测有着重要的好处。这两种物质也作为可变比例的混和物发现于塑性炸药塞姆汀(Semtex)中。和许多爆炸物一样，RDX和PETN包含氮，由于它们是固态化合物，这使得可以对这些物质进行14N NQR。RDX中的三环14N核在固态中不等价，给出九种可能跃迁。这些跃迁的室温频率是5.239MHz；5.190MHz；5.044MHz；3.458MHz；3.410MHz；3.359MHz；1.781MHz(两个跃迁)；1.685MHz。还存在由三硝基14N核引起的九种其它可能跃迁，但这些迁跃具有低得多的频率并且在这里不予考虑。固态PETN的分子对称性引起三种可能的跃迁。由硝酸盐14N核引起的室温频率是0.890MHz；0.495MHz；0.395MHz。
这些跃迁的一个重要性质是它们的温度依赖性，这牵涉到该技术的实际应用。虽然该技术的灵敏度随频率而增大，但是监视较低频率的跃迁可能更适当。例如，在RDX的情况下，3.41MHz跃迁的温度依赖性(≈-100Hz K-1)是5.19MHz跃迁的温度依赖性的五分之一。应该理解，在指定了室温共振频率的情况下，实际上需要调整发送频率以考虑温度依赖性。
用于激励的脉冲序列的类型取决于驰豫参数(在实际应用中抑制乱真响应的功效)。对于诸如PETN的自旋晶格驰豫时间(T1)长的物质，脉冲化自旋锁定(PSL)脉冲序列(以准备脉冲为先导的脉冲列，其中列脉冲的相位相对于准备脉冲的相位相差90°)可能是合适的。对于诸如RDX的T1短的物质，稳态自由进动(SSFP)脉冲序列(等长度的等间隔脉冲列)可能是合适的。然而，应该理解，可以同样地选择不同类型的脉冲序列。
NQR检查系统可以发送与0.890MHz脉冲化自旋锁定脉冲序列相交织的3.410MHz稳态自由进动脉冲序列以用于同时检测RDX和PETN。这些频率假定室温条件但是对于更高或更低的环境温度应该进行调整。
现在参照附图通过示例来说明本发明，在附图中图1是根据本发明的检查系统的示意图；图2提供了根据本发明适于使用的两个另选双共振电路的示意图；图3示出了本发明使用的交织脉冲序列；以及图4示出了当用图3c的交织脉冲序列进行激励时的塞姆汀的NQR频谱。
具体实施例方式
参照图1，多共振NQR检查系统的实施例包括单通道频谱仪(美国休斯顿Tecmag公司的Apollo LF 0.5-10MHz)2，通过PC(与Apollo频谱仪一起发行的NTNMR控制软件)控制该单通道频谱仪2。NTNMR软件包括提供用于快速展开脉冲序列的环境的图形编辑器。
为了使信号在频谱仪2的相同音频频带内，将前置放大器4的输出与信号发生器(PTS 040)6的适当频率的输出进行混频。通过Apollo频谱仪2的10MHz时钟输出外部地提供该信号发生器的时钟。使用的混频器8是Mini-Circuits ZAD-6混频器。
通过在前置放大器4之前直接插入四分之一波长集总等效电路10和接地的交叉二极管12，提供接收器保护。四分之一波长集总等效电路具有如下特性(除了阻断所有频率的高压信号之外)对于低压信号是低通滤波器。因此，调谐到3.41MHz的四分之一波长元件可以用于使得既可以接收RDX信号又可以接收PETN信号。在频谱仪接收器输入之前的对NQR信号的前置放大是通过商业前置放大器(Miteq AU-1464-8276，0.4-200MHz)4进行的。使用对于脉冲化操作具有门控输入的商业宽带功率放大器(Kalmus LA100HP-CE，100W，50dB)14放大向探测器16的发送器脉冲。
使用可变衰减器19来改变向功率放大器14发送的信号的电压并确保探测器16没有过载。交叉二极管18在发送模式运作以去除高压噪声，在接收模式运作以将功率放大器14与返回信号隔离。
在此实施例中，发送装置包括频谱仪2、可变衰减器19、功率放大器14、交叉二极管18和双共振探测器16。接收器电路包括双共振探测器16、交叉二极管18、四分之一波长集总等效电路10、交叉二极管12、前置放大器4、频谱仪2、以及包括信号发生器6和混频器8的信号处理装置。
图2a表示双共振探测器16的一个实施例的示意性电路图。探测器包括取样线圈28、辅助电感器26以及可变电容器21至24以产生希望的共振频率。辅助电感器26为手卷绕并且包括空气磁心而不是铁氧体磁心以减少信号损耗。使用阻抗增益相位分析仪(HP 4194A)，通过调节可变电容器21至24，可以将取样线圈28调谐并匹配到需要的频率和阻抗(50Ω)。可以小心地将探测器输入/输出的阻抗在0.89MHz和3.41MHz同时匹配到49Ω。根据网络分析仪(HP 8752C)测得的功率响应曲线，由Q＝v0/Δv(3dB)来确定在各个调谐频率的品质因数(Q)，其中v0是调谐频率，Δv(3dB)是在响应曲线上的半功率点测得的带宽。发现在0.89MHz的Q是75，在3.41MHz的Q是65，其中有意将双调谐探测器制成在0.89MHz更灵敏，以在某种程度上补偿该频率固有的较低灵敏度。这样，在各个频率同时获得的灵敏度与对应的单共振探测器在这些频率通常获得的灵敏度(即，对于相似尺寸并且我们使用了相似的材料和元件的螺线管在60-90范围内的Q)相比是有利的。包含取样的螺线管线圈28的尺寸是直径53mm
长度 70mm线直径1.25mm(18标准规)匝数 49匝间隔相邻匝之间无间隙图2b表示双共振探测器16的另选实施例的示意性电路图。探测器包括抽头线圈设计，其只用3个电容器31至33以及单个电感器38就可以产生双共振电路。取样线圈38卷绕为两个独立的电感器，随后这两个独立的电感串联连接以形成具有抽头点的一个电感器。这使得能够测量要制造的各个线圈的电感。发现当两个取样线圈电感器的值相等时可以将两个共振频率匹配到50Ω。在这种情况下，取样线圈由两个线圈组成，各个线圈的电感为大约25μH。
在实践中，发现两种探测器设计都能够同时检测RDX和PETN。
用于激励的脉冲序列的类型依赖于驰豫参数(在实际应用中，抑制乱真响应的功效)。对于T1长的PETN，选择脉冲化自旋锁定(PSL)脉冲序列(以准备脉冲为先导的脉冲列，其中列脉冲的相位相对于准备脉冲的相位相差90°)。如果脉冲列内的脉冲间隔是2τ，则准备脉冲与脉冲列中的第一脉冲之间的脉冲间隔等于τ。将准备脉冲的脉冲长度选择为有效90°并且列脉冲的脉冲长度典型地是有效90°或有效180°。图3a示出了PSL序列。对于T1短的RDX，选择稳态自由进动(SSFP)脉冲序列(等长度的等间隔脉冲列)。图3b示出了SSFP序列。使用的交织PSL/SSFP脉冲序列的定时和相位循环如下PSL脉冲长度；准备脉冲＝160μs，列脉冲＝200μsSSFP脉冲长度准备脉冲＝N/A，列脉冲＝400μs，2τ＝2msτ＝1msPSL相位循环Tx[+X，(+Y)n|-X，(+Y)n]Rx[(+X)n|(-X)n]SSFP相位循环Tx[(+X)n|(-X)n|(+X)n|(-X)n]Rx[(+X)n|(-X)n|(-X)n|(+X)n]
对于PSL序列，我们还在列的各个激励脉冲之后实施“反相”脉冲。以此方式我们能够减少在0.89MHz的停滞时间(停滞时间∝1/频率)，由此减小脉冲间隔，随后各种物质的信号取得率增大。将各个频率的脉冲幅度调节为提供下列激励场在3.41MHz为215μT，在0.89MHz为650μT。使用上面的激励场通过实验确定两种物质的脉冲长度。
图3c示出了交织的0.89MHz PSL序列和3.41MHz SSFP序列，其用于检测PETN和RDX。
图4示出了当用图3c所示的交织序列进行激励时的塞姆汀的室温NQR频谱。在有意选择中间混频(1.22MHz)以使得RDX线和PETN线呈现为分别偏离频谱仪解调频率(2.15MHz)+40kHz和-40kHz的各种情况下，清楚地看到由于14N引起的NQR信号。RDX线和PETN线的实际频率分别是3.41MHz和0.89MHz，如前所述，这对应于室温共振频率。对偏移频率的选择在一些程度上是任意的，但是使其足够大以使两条线充分分离。
虽然所述实施例涉及同时检测RDX和PETN，但是本领域技术人员可以理解，本发明同样适用于其它物质对，例如海洛因和可卡因。此外，通过仔细调谐多共振电路并开发适当的脉冲序列，本发明可以应用于多于两个的共振。
权利要求
1.一种用于同时检测多个目标物质的存在的核四极共振检查系统，包括用于向样品施加脉冲化射频信号的发送装置以及用于接收返回信号的接收器电路其中，发送装置和接收器电路包括被调谐为在多个预定频率同时发送和接收多个信号的多共振电路，所述多个预定频率与多个目标物质的特征共振频率大致匹配，并且，发送器电路进一步包括使得可以同时接收多个返回信号的无源电路保护装置。
2.根据权利要求1所述的核四极共振检查系统，包括能够在单个脉冲序列内的多个频率进行操作的频谱仪。
3.根据权利要求2所述的核四极共振检查系统，其中，接收器电路进一步包括适于对多个返回信号进行调整以使得可以由频谱仪同时监视所述多个返回信号的信号处理装置。
4.根据权利要求3所述的核四极共振检查系统，其中，信号处理装置包括信号发生器，所述信号发生器在使用中产生预定频率的相位相干混频信号以使所述多个返回信号处于在频谱仪的最大带宽内。
5.根据任一前述权利要求所述的核四极共振检查系统，其中，无源电路保护装置包括被调谐为在信号发送期间提供对接收器电路的保护同时允许接收所述多个返回信号的集总元件四分之一波长单元。
6.根据任一前述权利要求所述的核四极共振检查系统，其中，多共振电路包括抽头线圈。
7.根据任一前述权利要求所述的核四极共振检查系统，其中，以使得可以同时接收所述多个返回信号的方式施加所述多个发送信号以激励目标物质。
8.根据权利要求7所述的核四极共振检查系统，其中，对所述多个发送信号进行交织。
9.根据任一前述权利要求所述的核四极共振检查系统，其中，发送装置施加在RDX的一个特征共振频率的稳态自由进动脉冲序列。
10.根据任一前述权利要求所述的核四极共振检查系统，其中，发送装置施加在PETN的一个特征共振频率的脉冲化自旋锁定脉冲序列。
11.根据任一前述权利要求所述的核四极共振检查系统，其中，所述多个发送信号包括与0.890MHz脉冲化自旋锁定脉冲序列相交织的3.410MHz稳态自由进动脉冲序列以用于同时检测RDX和PETN。
12.一种实质上如本文参照附图所述的核四极共振检查系统。
全文摘要
公开了一种多共振核四极共振检查系统。该系统包括被调谐为同时发送和接收多个信号的多共振电路(16)。接收器电路包括以集总元件四分之一波长单元(10)形式的无源电路保护部，信号发生器(6)和混频器(8)用于对返回信号进行调整以便于信号监视。该系统被示出为同时检测RDX和PETN。
文档编号G01R33/44GK1820209SQ200480019542
公开日2006年8月16日 申请日期2004年5月20日 优先权日2003年6月6日
发明者加思·奈杰尔·希尔斯通, 约翰·迈克尔·布拉德利, 理查德·伊恩·詹金森 申请人:英国国防部