Zastosowanie magnetycznego rezonansu do wykrywania materiałów wybuchowych i narkotyków

Zastosowanie magnetycznego rezonansu do wykrywania materiałów wybuchowych i

narkotyków

Mikołaj Siergiejew

Zakład Fizyki Ciała Stałego, IF USz

Wstęp

Po pamiętnych atakach terrorystycznych, które zdarzyły się w ostatnich latach na całym świecie, znów wzrosło zainteresowanie poszukiwaniem nowych fizycznych metod do wykrywania materiałów wybuchowych ukrytych

1. w bagażu podręcznym;2. w przesyłkach pocztowych;3. w ubraniu pasażerów itp.

Aktualnymi pozostają również zagadnienia, związane z wykrywaniem narkotyków oraz min przeciwpiechotnych w obudowach niemetalicznych.Szacuje się, że obecnie ponad 150 mln takich min pozostało w różnych rejonach świata, co powoduje, że rocznie ginie ponad kilkadziesiąt osób (głównie dzieci).

Przykłady min przeciwpiechotnych

Masa – 200 g ÷ 10 kgMasa wybuchowego materiału - 10 g ÷ 500 g

Wybuch następuje przy nacisku albo pociągnięciu za sznurek – 1,5 kg ÷ 25 kg

Niektóre wybuchowe materiały

Trotyl Heksogen

C7H5(NO2)3C3H6N3(NO2)3

Wzory chemiczne niektórych narkotyków

Kokaina Heroina

C17H21NO4C21H22NO5

Metody wykrywania1. Promieniowanie jonizujące: gamma, alfa, beta,

neutrony. Najszersze zastosowanie uzyskała metoda aktywacji neutronami termicznymi (TNA)

14N + n15N*15N + (10.08 MeV)

Jednak ta metoda wymaga bardzo kosztownejaparatury jądrowej i wymaga dość dużo czasu.

Metody wykrywania2. Metody oparte na analizie obecności śladowych

ilości pewnych substancji w oparach wydzielanych przez narkotyki i materiały wybuchowe.

Te metody są dobre do wykrycia „starych” narkotyków i materiałów wybuchowych (dynamit). Nowoczesne narkotyki i plastyczne materiały wybuchowe nie wydzielają takich substancji w wystarczającym stężeniu.

Metody wykrywania

3. Metody radiospektroskopowe :

• Magnetyczny Rezonans Jądrowy (NMR)

• Magnetyczny Rezonans Kwadrupolowy (NQR )

• Elektronowy Rezonans Paramagnetyczny (EPR)

Podstawy radiospektroskopii

Podstawy radiospektroskopii

Właściwości magnetyczne jąderwchodzących w skład WM i N

Jądro Spin % 14N 1 99.63 0.14

13C 1/2 1.1 0.25

1H 1/2 99.985 1

17O 5/2 0.037 0.68

NMR i EPR metody

1. NMR 1H nie jest dość informacyjną metodą ,ponieważ jądra 1H istnieją prawie „wszędzie”.2. NMR 14N wymaga wykorzystania dośćwysokiego i jednorodnego pola

magnetycznego.3. EPR na paramagnetycznych centrach jest mało informacyjny. Oprócz tego centraparamagnetycznie również są wszędzie (nawet w zabawkach, kosmetykach itd.)

Jądro 14N

Poziomy energetyczne 14N

m = + 1

m = - 1

m = 0

0

– +

=(3eQq/4h)(1/3)

0 = (3eQq/2h)

Trudności w obserwacji NQR jąder 14N

Energia absorbowana

Częstości rezonansowe NQR ±, 0 jąder azotu 14N grup NO2 są < 1 MHz. CzęstośćNMR protonów (1H) 100 MHz, a zatem sygnał NQR 14N ma amplitudę w ~ 10000 razy mniejszą niż sygnał NMR 1H.

2 ~kTh

h

Podwójny rezonans

Jądra 1H Jądra 14N

1. Zmniejsza się temperatura spinowa jąder 1H. 2. Temperatura spinowa jąder 14N zwiększa się.3. Cieplny kontakt między jądrami 1H i 14N pro- wadzi do wyrównania spinowych temperatur.4. Rejestrują się zmiany w sygnale jąder 1H.

Temperatura spinowa

n-

n+

n-

n+

LkTexp

nn

SkTexp

nn

Metody zmiany TS

n-

n+

n-

n+

nn

ST

ST

nn

Metody zmiany TS

n-

n+

n-

n+

21

11

2

L

STT

Adiabatyczne zmiany pola B

Metody zmiany TS

Sekwencja ujarzmiająca spiny – spin locking

t > T2

10

1

0

1 B

BTT Y

L

S

B1Y

90X

Cieplny kontakt 1H – 14N

Jądra 1H (A) Jądra 14N (B)

TIS

Warunek Hartmanna- Hahna

BeffBBAeffAA )B()B(

)m(m)I(I 11

Cieplny kontakt 1H – 14N

Warunek Hartmanna- Hahna

BeffBBAeffAA )B()B(

EA = EB

flip-flop term – ( IA+IB- + IB-IA+)

Podwójny spin-echo rezonans

Gdy częstość B pokrywasię z rezonansową częstością jąder B, malejeamplituda echa jąder A.Metoda ta jest efektywnaw przypadku silnego sprężenia dipolowego jąder A i B.

Jądra A – protony (1H), jądra B – jądra 14N

Podwójny NMR - NQR w układzie laboratoryjnym

Podwójny NMR-NQR w wirującym układzie

Widmo 14N kokainy

Widmo 14N kodeiny

Widmo 14N heksogenu

Impulsowa sekwencja rejestracji czterech WM

Widma NQR 14N

Rysunek z http://www.staff.amu.edu.pl/~zsjrk/research.html

Zależność natężenia sygnału NQR od l

cewka

l

= B

Sekwencje impulsowe a widma

dwuwymiarowe NQR 14N

Widmo dwuwymiarowe NQR 14N heksogenu

Podsumowanie

1. Stosowanie różnych metod podwójnego rezonansu daje możliwość wykryć w bagażu podręcznym, w przesyłkach pocztowych, w ubraniu pasażerów itp. wybuchowe materiały oraz narkotyki masą rzędu 10 g w ciągu czasu około 10 s. 2. Stosowanie metod rejestracji NQR na odległości daje możliwość wykryć z prawdopodobieństwem 0.97 na polu o powierzchni 1 m2 w ciągu 10 s wybuchowy materiał o wadze > 10 g, który znajduje się na odległość 25 cm od cewki rejestracyjnej .

Podsumowanie

3. Obecnie szereg firm produkuje urządzenia do wykrycia wybuchowych materiałów i narkotyków pracujących na podstawie rezonansu magnetycznego.

Na przykład firma Quantum Magnetics (USA) produkuje urządzenie do wykrycia narkotyków w zamrożonych przetworach z ryb. Objętość cewki w tym urządzeniu wynosi 170 litrów !

Są również urządzenia do wykrycia min przeciwpiechotnych na odległości do 20 cm od powierzchni ziemi. Niestety dostęp do informacji o tej produkcji jest silnie ograniczony.

Na każdy wynalazek jest ...

Literatura 1. V.S.Grechishkin et al.(zespół z Kaliningradu) . UFN

(Postępy nauk fizycznych) 167 (1997); 166 (1996) 2. J.Nogaj et al. Zespół z zakładu kwadrupolowego

rezonansu Instytutu Fizyki, UAM, Poland3. I.A.Safin, D.Ja.Osokin, Zespół z Instytutu fizyko-

technicznego AN, Kazań.4. S.P.Gabuda, Yu.Kriger et al., Zespół z Instytutu chemii

nieorganicznej AN, Novosibirsk5. N.A.Sergeev, A.V.Yatcenko, A.V.Sapiga, et al., Raporty z badań statutowych 1981-

1989 - Uniwersytet Simferopolski.

V.N. Shcherbakov

Skrośna relaksacja 14N – 1H

H = N

T1

Wspomnienia

1981 - 1989