Upload
anja
View
43
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Zastosowanie magnetycznego rezonansu do wykrywania materiałów wybuchowych i narkotyków. Mikołaj Siergiejew Zakład Fizyki Ciała Stałego, IF USz. Wstęp. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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