DE69634036T2

DE69634036T2 - System und verfahren zur entdeckung von schmuggelware mittels kernquadrupolresonanz

Info

Publication number: DE69634036T2
Application number: DE69634036T
Authority: DE
Inventors: E. Erik MAGNUSON; R. Charles MOELLER; D. Julian SHAW; G. Alan SHELDON
Original assignee: Quantum Magnetics Inc
Current assignee: Quantum Magnetics Inc
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: EP0813685B1; EP0813685B9; IL117388A; WO1996030913A3; AU6673796A; CA2214742C; JPH11500827A; WO1996030913A2; US6194898B1; EP0813685A2; DE69634036D1; AU699588B2; US5592083A; IL117388A0; CA2214742A1

Description

Gebiet der Technik
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Detektionssystem für Stückgut zur Detektion von verborgenen Explosivstoffen und Narkotika, und im Besonderen auf ein System für den praktischen Einsatz und Verfahren zur Detektion derartiger Schmuggelware unter Einsatz von Nuklearquadrupolresonanz (NQR).
Hintergrund der Erfindung
Vorangegangene Arbeiten zur Detektion von Substanzen in Schmuggelgut bezogen sich auf das Gebiet der Nuklearmagnetresonanz (NMR). Arbeiten auf diesem Gebiet haben sich niedergeschlagen in den US-Patenten Nr. 4,166,972, 4,296,378 und 4,514,691. Ein Nachteil des NMRs ist es, dass hier relativ große Magnete erforderlich sind. Diese Magnete sind relativ teuer und würden dazu führen, dass das Personal großen statischen Magnetfeldern ausgesetzt ist und führen zu Schäden in Materialien der Magnetaufzeichnung.
Ein weiterer Ansatz zur Detektion von Explosivstoffen bezog sich auf den Einsatz der Thermalneutronen Analyse (TNA), welche Nitrogen in jeder Form erkennen kann. Obwohl es jeden Explosivstoff erkennen kann, wird dieser auch durch nitrogenreichen Nylon oder Wolle und andere unverdächtige Gegenstände angeregt. Diese Unzulänglichkeiten resultieren in einer hohen Rate von falsch positiven Alarmen. Weil es potenziell gefährliche radioaktive Strahlung produziert, müssen TNA-Systeme zudem stark abgeschirmt werden. Als Konsequenz daraus sind TNA Systeme sehr groß und sehr teuer und produzieren eine hohe Rate von falsch positiven Alarmen.
Röntgenscanner, welche im Allgemeinen in Flughäfen benutzt werden, hat insgesamt nicht die gleichen Begrenzungen wie TNA. Jedoch können diese den Bediener nicht auf Explosivstoffe und Drogen aufmerksam machen, und sie noch weniger identifizieren. Röntgenscanner können nur „Bilder sehen, welche der Bediener schnell interpretieren muss". Des Weiteren emittiert der Röntgenscanner potenziell gefährliche ionisierende Strahlung.
Mit Bezug auf Explosivstoffe, Plastiksprengstoffe wie z. B. C-4 und Semtex, welche RDX und PETN enthalten, können beinahe jede beliebige Form annehmen und von Terroristen zum Bau von taktischen Bomben herangezogen werden. Plastiksprengstoffe sind hoch stabil, haben eine Lehm ähnliche Formbarkeit und sind in relativ kleinen Mengen tödlich. Ein kleines Stück Plastiksprengstoff, ein Zünder und ein Zünddraht innerhalb eines Briefumschlags kann eine tödliche Explosion hervorrufen. Leider können ohne nähere Betrachtung und potenziell gefährliche Sichtbetrachtung Plastikexplosivstoffe nicht erkannt werden; aufgrund der Nachteile von TNA, NMR und Röntgenstrahlen, wie bereits erwähnt wurde, haben sich diese Verfahren für die praktische Erkennung von diesen Arten von Sprengstoffen in Stückgut als uneffektiv erwiesen, insbesondere die Detektion von Plastiksprengstoffen in Blattform, welche typischerweise eine Dicke von weniger als ¼ Zoll haben, kann durch die bisherige Technologie nicht effektiv erfasst werden.
Großangelegte Anstrengungen zur Bekämpfung von illegalem Drogenhandel zeigen, dass die Detektion von Narkotika extrem wichtig ist. Die Notwendigkeit einer einfachen Prozedur zur Erkennung von Drogen innerhalb verschlossener Behälter, Postsendungen, Paketen und anderen kleinen Verpackungen in schneller und zuverlässiger Weise ist unermesslich groß. Konventionelle Erkennungsmethoden sind zeitaufwendig, kostenintensiv und haben nur eine bestenfalls marginale Zuverlässigkeit.
NQR ist ein Zweig der Hochfrequenzspektroskopie, welche eine dem Atomkern innewohnende Eigenschaft ausnutzt. Kerne mit nicht sphärischen Ladungsverteilungen bilden elektrische Quadrupolmomente. Quadrupolresonanz entsteht aus der Interaktion der Nuklearquadrupolmomente der Kerne mit einem lokal zugefügten elektrischen Feldgradienten, welcher durch die gegebene Atomanordnung gebildet wird.
Jeder Kern eines chemischen Elements, welcher eine Spin Quantenzahl größer als 1/2 aufweist zeigt eine Quadrupolarresonanz. Viele Substanzen (ungefähr 10.000) wurden aufgrund ihrer Quadrupolarresonanz identifiziert, unter jenen sind solche Kerne wie: ⁷Li, ⁹Be, ¹⁴N, ¹⁷O, ²³Na, ²⁷Al, ³⁵Cl, ³⁷Cl, ³⁹K, ⁵⁵Mn, ⁷⁵As, ⁷⁹Br, ⁸¹Br, ¹²⁷I, ¹⁹⁷Au und ²⁰⁹Bi.
Deshalb kommt es vor, dass einige dieser Quadrupolarkerne auch in Explosivstoffen und Betäubungsmitteln vorkommen unter jenen sind Nitrogen (¹⁴N), Chlor (³⁵Cl, ³⁷Cl), Sauerstoff (¹⁷O), Natrium (²³Na) und Kalium (³⁹K). Der am besten untersuchte Kern der Explosivstoffe und Narkotika ist Nitrogen.
In den meisten Feststoffen produzieren Elektronen und Atomkerne einen elektrischen Feldgradienten, diese Gradienten modifizieren das Energieniveau des Quadrupolarkerns, und regen dadurch ihre charakteristische Transitionsfrequenz an. Die Messungen dieser Frequenzen oder Relaxationszeitkonstanten oder beider, kann anzeigen nicht nur welcher Kern vorliegt, sondern auch dessen chemischer Umgebung.
Wenn ein atomarer Quadrupolarkern innerhalb eines elektrischen Feldgradienten auftritt, treten Variationen in dem damit assoziierten lokalen Feld auf, wenn der Feldgradienten verschiedene Teile des Kerns in unterschiedlich anregt. Die kombinierte Kraft dieser Felder führt dazu, dass der Quadrupol eine Drehung erfährt, welche dazu führt, dass er eine Präzession mit dem Feldgradienten ausführt. Die Präzessionsbewegung generiert ein schwingendes nuklearmagnetisches Moment. Ein dem Kern mit der Quadrupolfrequenz zugefügtes Magnetfeld kann die Orientierung des Kernmoments auslenken. Der Energiepegel ist für kurze Zeit nicht im Gleichgewicht und beginnt sofort wieder in das Gleichgewicht überzugehen. Wenn der Kern wieder in das Gleichgewicht zurückfällt, sendet er ein HF Signal, was als freier Induktionsverfall (FID) bekannt ist. Eine Aufnahmespule detektiert das Signal, welches anschließend verstärkt wird und durch einen empfindlichen Empfänger zur Auswertung seiner Charakteristik gemessen wird.
Eine bestimmte Eigenschaft der NQR Antwort ist seine Präzessionsfrequenz. Zwei voneinander unabhängige Faktoren bestimmen die Präzessionsfrequenz: (1) der Quadrupolarkern und (2) seine lokale kristalline Umgebung. Es können eine oder mehrere charakteristische NQR Frequenzen für jede Substanz vorhanden sein, welche den Quadrupolarkern enthält.
Eine zweite herausragende Eigenschaft ist die NQR Relaxationszeit. Relaxationszeiten sind eine messbare kernabhängige Größe zur Wiedererlangung des Gleichgewichtszustands in der Folge von Störungen durch Hochfrequenzpulse. Relaxationszeiten sind bindungs-, temperatur- und druckspezifisch. Relaxationszeiten bestimmen zudem die Wiederholrate und die Zeitabfolge von HF Pulsen, welche zur Anregung der Detektion von spezifischen NQR Signalen notwendig sind. Relaxationszeiten können so kurz wie einige 100 ms, oder auch so lang wie einige Sekunden andauern. Die Detektion eines NQR Signals erfordert normalerweise eine Hochfrequenzsende und -empfangsapparatur. Zur Minimierung des Rauschens, zur Verbesserung der Hochfrequenz Leistungsanforderungen und zur Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit benutzen konventionelle NQR Systeme eine Schmalband (high Q) Testspule von hoher Güte, sowohl für die Sende- als auch die Empfangseinrichtung. Trotzdem können einige Faktoren die Effektivität zur Detektion des NQR Signals signifikant abschwächen. Unter diesen Faktor sind (1) die Anwesenheit von metallischen Leitermaterial innerhalb der Testspule (2) die Anwesenheit von Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante innerhalb der Testspule; (3) die Temperatur, welche den Kapazitätswert, welche in der Abstimmung und in der Anpassung der HF Spule genutzt wird veränderten; und (4) mechanische Bewegung der Spule in Bezug auf ihre Umgebung. Alle diese Faktoren können ernsthafte Fehlabstimmung des Detektionsapparats bewirken, welches im Gegenzug die Verringerung der Detektionsemfindlichkeit des Apparats zur Folge hat. Entsprechend sind NQR Systeme bisher nur als Laborgeräten im Einsatz mit einer kleinen oder gar keiner Aussicht auf Einsatz unter "praxisgerechten" Bedingungen.
Die NQR Energiepegelübertragungen werden vornehmlich im Hochfrequenzbereich beobachtet. Die Detektion dieser Übergänge erfordert eine HF Quellen zur Anregung der Transition und eine HF Empfangseinrichtung zur Detektion der Signale, welche von dem Kern zurückkommen. Normalerweise erscheinen die Signale zu vorbestimmten Frequenzen. Wird eine HF Spule auf die oder nahe bei der vorbestimmten Frequenz abgestimmt, kann dieses Signal anregen oder detektieren. Diese Signale sind von sehr niedriger Intensität und können nur für eine kurze Zeit beobachtet werden und ungefähr 10 μs bis 10 ms. Als eine Konsequenz daraus ist es gewöhnlicherweise eine Notwendigkeit für einen NQR Empfänger, dass er mit einer hohen Güte (high Q) abgestimmt werden kann, das er ein geringes Rauschen aufweist, und dass er nach einem Puls von hoher Spannung sofort und schnell verfügbar ist.
Vorangegangene Arbeiten in diesem Gebiet haben sich in den US-Patenten 4,887,034, 5,206,592, 5,233,200 und 5,265,171 niedergeschlagen. Die Benutzung von NQR zur Detektion von Explosivstoffen und Narkotika ist zudem in Buess et al., Explosives Detection By @14 N Pure NQR, Advances in Analysis and Detection of Explosives (J. Yinon (ed.)) pp. 361–368 (1993), und Shaw, Narcotics Detection Using Nuclear Quadrupole Resonance (NQR), Contraband and Cargo Inspection Technology International Symposium, Washington, D. C., pp 333–341 (1992) diskutiert worden.
Die Detektion durch NQR ist möglich für sowohl Explosivstoffe als auch Narkotika, insbesondere weil sie als gemeinsamen Bestanteil das Element ¹⁴N in kristalliner Form enthalten. Insbesondere mit Bezug auf Narkotika ist dieses zutreffende für Mittel auf Kokainbasis, Kokainhydrochlorid und auf Heroin basierten Narkotika. Hydrochloridform von Narkotika, wie z. B. Kokainhydrochlorid enthalten zudem den Quadrupolarkern ³⁵Cl und ³⁷Cl. Ein signifikanter Faktor der Schmuggelgutdetektion durch NQR ist dass die NQR Quadrupolarkerne immer präsent sind, und potentiell in den Narkotika und Explosivstoffen mit dem Inhaltsstoff Nitrogen (¹⁴N) und Chlor (³⁵Cl und ³⁷Cl) unter allen vorhandenen Kernen nachweisbar sind. Für kommerzielle Anwendung ist es notwendig, Quadrupolarkerne in Postsendungen, Postsäcken oder Luftfracht durch ein durchlaufendes Verfahren zu erkennen. Während die Resonanzfrequenz in diesen Substanzen für jede chemische Struktur differiert, sind diese Resonanzfrequenzen wohl definiert und konsistent. Durch Anwendung eines HF Signals auf einen Behälter, welcher einen dieser verdächtigen Substanzen beinhaltet und durch die anschließende Detektion von Quadrupolarresonanzen, angeregt durch HF Pulse ist die Identifikation von Schmuggelsubstanzen einfach möglich. Für die weitere Beschreibung gilt 1 Zoll = 2,54 cm.
Offenbarung der Erfindung
Allgemein gesprochen sieht diese Erfindung ein praktisches Kernquadrupol-Resonanzdetektorsystem zur Verbesserung der Schmuggelgutdetektion vor. Genauer gesagt wendet die Erfindung das Prinzip der NQR an, welches einfach und relativ kostengünstig mit einer sehr niedrigen Falschalarmrate ist, um das Vorkommen von Explosivstoffen und/oder Narkotika innerhalb geschlossener oder versiegelter Gebinde oder innerhalb von Gepäck aufweist, welches verschiedene andere Artikel oder Materialien beinhaltet. Es ist vorzugsweise effektiv einsetzbar zur Erkennung von Schmuggelmaterialien in Blattform von ¼ Zoll oder geringerer Dicke. Die Erfindung vermeidet die Nachteile eines Laboraufbaus und erstellt ein praktisch einsetzbares NQR System.
Die Erfindung ist ein System nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10.
Der Erfindung bietet ein kommerziell ausgereiftes System zur Anwendung von bekannten Eigenschaften von Substanzen mit den Prinzipien des NQRs zur Detektion und die Identifikation von Schmuggelware, welche in Luftfracht geprägt oder verdeckt in eine Vielzahl von Verpackungen versteckt sein können. HF Pulse werden einer HF Spule zugeführt, in welcher sich zum Zwecke der Überprüfung die Testmuster befinden. Eine angepasst, gebildete HF Abschirmung verhindert, dass Streusignale in den Spuleninnenraum eindringen oder herauskommen können, so dass die Zuverlässigkeit der Testresultate gewährleistet ist und externe Hochfrequenzstrahlung ohne Einflüsse bleibt. Weil die Einführung von Proben in die HF Spule einen Fehler verursacht, ist ein automatisches Abstimmsystem vorgesehen, zur Wiederabstimmung der HF Spule, um so eine optimale Ausführung in einem Rahmen der Spulenkonditionen zu gewährleisten. Dieses Abstimmungssystem wird korrigiert auch die mögliche Entartung der NQR Resonanzantwortsignale aufgrund von Temperaturschwankungen und anderen Faktoren, wie sie zuvor in der Beschreibung des Hintergrundes gegeben worden sind.
Ein analoges Signal wird in eine digitale Form umgewandelt und einem digitalen Signalprozessor zugeführt. Die digitalisierten Signale werden digital gefiltert und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Alternativ kann das Signal apodisiert und fouriertransformiert werden und erscheint dann als "Spitzen" bei oder in der Nähe von 0 Hz im Frequenzspektrum, dieses wird dann gefiltert und verglichen mit dem Signal des zu erkennenden Materials. Das Signal von einem digitalen Signalprozessor wird einer Anzeigevorrichtung zugeführt, welche anzeigt, ob das Paket sauber ist, Schmuggelware enthält oder einer weiteren Betrachtung bedarf.
In einem praktischen System kann die Anwesenheit von anderem leitfähigen Material zu den Paket, welches inspiziert wird, zu einem akustisch Klingeln führen, welches als Resultate zu geführten HF Pulse entsteht. Das System nach der Erfindung hatte Vorrichtungen, um ein solches akustische Klingeln auszufilter, wenn es entsteht, so dass das NQR Signal isoliert ist und nicht von einem Klingelsignal verdeckt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale, Vorzüge und Eigenschaften dieser Erfindung werden deshalb abschätzt sein in den darauf folgenden detaillierten Beschreibungen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in welchem sind:
1 ist ein Blockdiagramm eines Grundsystems der Erfindung;
2 eine perspektivische Darstellung einer gegebenen Einrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung für schmale Pakete unter Einbeziehung des Systems in 1;
3 ist ein teilweiser Ausschnitt in perspektivischer Ansicht eines Scanner-Teilstücks aus der Vorrichtung in 2;
4 ein teilweiser Ausschnitt in perspektivischer Ansicht einer Stückgutuntersuchungsvorrichtung, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
5 zeigt ein automatisches Abstimmteilsystem in grober schematischer Darstellung;
6 ist ein Flussdiagramm des Betriebes des automatischen Abstimmteilsystems aus 5; und
7 ist eine perspektivische Ansicht der HF Spule, dass Kerns und des Innenraumes der Erfindung, welches die Festwertabstimmkondensatoren in der Spulenlücke zeigt.
NQR ist eine lineare Spektroskopie, bei welcher die Signalstärke direkt proportional zu der Menge an Schmuggelware ist, welche Quadrupolarkerne aufweist. Weil die NQR Frequenzen von verschiedenen Komponenten sich voneinander unterscheiden, wird in diesem System nach dieser Erfindung kein falscher Alarm von dem NQR-Signal und von anderen Materialien ausgehen. So sind zum Beispiel die NQR Absorptionsfrequenzen von kristallinem Material ¹⁴N einzigartig. Wenn das Nitrogensignal bei der NQR Frequenz des RDXs gesucht wird, wird zum Beispiel in dem RDX nur Nitrogen detektiert. In einer anderen Zusammensetzung, in welcher ¹⁴N in dem gleichen Paket wie das RDX ist, werden solche Zusammensetzungen nicht identifiziert. Die Frequenz, welche aus dem NQR in der Zielsubstanz resultiert, ist schart abgegrenzt während andere ¹⁴N enthaltenden Substanzen keinen starken Ausschlag des NQR Antwortsignals auslösen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass das NQR Signal ein masseunabhängiger Detektor ist, welcher Stoff in Blattform, als lose Stücke oder als verteiltes Material gleichermaßen detektiert.
Die einzelnen NQR Resonanzfrequenzen von einer Vielzahl von Stoffen ist bereits identifiziert und aufgezeichnet. Dieser Frequenzinformationen sind in einem Speicher in dem System dieser Erfindung abgelegt und sehen eine Datenbanken zum Vergleich mit dem detektierten Signal vor. Als allgemeine Vergleichquelle liegen die NQR Frequenzen von Quadrupolkernen im Wesentlichen im Bereich von 0,5 MHz bis 5 MHz vor.
Es ist dabei wichtig zu wissen, dass Explosivstoffe und Narkotika spezifische "Fingerabdrücke" haben, welche sich von harmlosen Stoffen deutlich unterscheiden. Um eine NQR Analyse zu vereiteln, ist es notwendig, die unmögliche Aufgabe durchzuführen, die chemische Struktur der Schmuggelware zu verändern, welche aufgrund der Naturgesetze nicht verändert werden kann. Deshalb würde eine Veränderung einer Substanz, so dass die interessierenden Elemente in der einzelnen Schmuggelware nicht durch NQR Mittel detektiert werden können, erfordern, dass die chemische Zusammensetzungen geändert werden muss, in einer Weise, dass diese sich von der Schmuggelware selber unterscheiden.
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1, welche das System zeigt, wobei der Block 21 das Sequenzsteuerungsteilsystem zeigt.
Dieses Teilsystem sieht ein präzises Timing und andere Kontrollfunktionen für alle anderen Elemente des Teilssystems der Erfindung vor. Dies besteht hauptsächlich aus einer mikroprozessorbasierten Vorrichtung, welche Mittel zum Herunterladen und Initialisieren einer Kontrollsequenzinformation für alle anderen Untersysteme vorsieht, und eine angemessene Datenspeicherkapazität vorsieht. Es werden ebenfalls Informationen über das Ergebnis der einzelnen Abtastvorgänge für zukünftige Referenzen vorgesehen. In einer spezifischen Ausführungsform kann die Mikroprozessor begründete Steuer- und Speichereinheit aus einem Personalcomputer (PC) mit einer Festplatte gebildet sein.
Das Sequenzsteuerung-Teilsystem schließt einen von dem Standardcomputerbus gesteuerten hoch präzisen und hoch auflösenden Pulsweitenprogrammierer ein. Der Pulsweitenprogrammierer sieht eine präzise Sequenzsteuerung vor, welche für den korrekten Betrieb aller wesentlichen Komponenten des NQR Scanners der Erfindung erforderlich ist. Zusammen mit dem Personalcomputer, liefert dieser präzise definierte Pulse und löst Synchronsignale aus, um das Teilsystem, welches damit verbunden ist, zu aktivieren, wie im Detail weiter unten diskutiert werden wird.
Das Hochfrequenz-Untersystem 22 besteht aus verschiedenen Funktionselementen einschließlich einer HF Quelle variabler Frequenz 23, einem HF Leistungsverstärkter 24, einem HF Empfangsvorverstärker 25, einem HF Empfangsverstärkter 26 und Detektoren 27 und 28. Die Detektoren sind hier als phasensensitive Detektoren dargestellt. Ein 90 Grad Phasenschubgenerator 31 ist ebenfalls Teil des HF-Untersystems. Andere Arten von Detektoren können eingesetzt werden, der Phasenschubgenerator würde dann entfallen. Konventionelle Verstärkerschutzvorrichtungen 29 sind ebenfalls Teil des HF-Untersystems. Diese sind für HF Verstärker typische Elemente und brauchen deswegen nicht weiter beschrieben zu werden.
Die HF Quelle variabler Frequenz 23 liefert sowohl kontinuierliche als auch gepulste HF Ansteuerung mit einer Frequenz, welche der Resonanzfrequenz der Materialprobe entspricht. Zum Beispiel haben Plastiksprengstoffe auf RDX Basis eine Resonanzfrequenz von ungefähr 3,410 MHz, während die PETN basierte Plastiksprengstoffe eine Resonanzfrequenz von ungefähr 890 kHz aufweisen. Die Quelle der Erregung wird in dem HF Leistungsverstärker 24 mit einer genügend hohen Leistung verstärkt, um ungefähr ein Gauß magnetischer HF Feldstärke innerhalb der Spule zu erzeugen. Die Anregungsfrequenz braucht nicht exakt die gleiche NQR Frequenz wie die der Zielsubstanz zu sein, sollte aber im Bereich von 500 Hz bis 1000 Hz liegen. Die HF Anregung zur NQR Detektion kann ein einzelner Puls von 10 μs bis 500 μs Dauer sein, abhängig von der zu testenden Substanz. Ein solcher einzelner Impuls kann eine NQR Anregung oder Auslegung erzeugen, aber wird den Kern nicht zu einer stetigen Schwingung veranlassen, so dass eine einzelne NQR Anregung nicht genügend stark sein wird, um detektierbar oder nutzbar zu sein. Für einen Briefbombenscanner werden etwa drei Sekunden von HF Impulsen mit einer Wiederholungsrate von 667 Pulsen pro Sekunde, welches bedeutet einen Zug von 2000 Pulsen mit einer Pulsweite von jeweils 200 μs, vorzugsweise eingesetzt. Die Pulswiederholungsrate kann zwischen 300 Hz und 2 kHz variieren. Dieses würde zu eine serielle von NQR Signalen führen, welche in einem digitalen Signalprozessor 44 zusammengefügt und gemittelt werden. Dieses ist eine Anwendung herkömmlicher Technik, wobei die Zielsignale linear aufsummiert werden während das Rauschsignal sich zufällig aufsummiert, wodurch sich klar definierbare Größen ergeben und sich dadurch das Signal zur Rauschverhältnis (SNR) verbessert. Jede Methode zur Verbesserung des SNRs kann vorteilhafterweise eingesetzt werden.
Die Leistungsanforderungen der Erfindung sind grundsätzlich proportional zu der Größe der Detektionsspule. Ein Scanner für Explosivstoffe in Postpaketen mit 25 Liter Detektorspulenvolumen sollte zum Beispiel eine HF-Verstärker Ausgangsleistung von ungefähr 25 Watt Spitzenwert haben. Der Verstärker produziert ein uniformes HF Feld von ungefähr einem Gauß über das gesamte 25 Liter Volumen. In einer anderen Anwendung wie z. B. einem Betäubungsmitteldetektor kann das HF Feld größer als dieser Wert sein. Für die Untersuchung von Luftfracht benötigt ein Explosivstoff Detektorkopf von ungefähr 300 Litern (10 Kubik Fuß) Inhalt innerhalb der Spule eine HF Leistung von ein bis zwei Kilowatt. Diese Parameter werden zum Referenzzwecken angegeben und sind nicht begrenzend für oder limitieren die tatsächlichen Kenngrößen eines praktischen NQR Systems.
Die HF Anregungsgrößen werden von dem HF-Leistungverstärkter 24 in das Detektionskopf-Untersystem 33 eingespeist, wobei dieser Betriebsschritt weiter unten diskutiert werden wird.
Nachdem die Probe in dem Detektionskopf durch einen HF Puls angeregt worden ist, tritt eine Abklingzeit der HF Spule oder Todzeit auf, während welcher der Empfänger "taub" ist, bevor die Aufnahme oder die Erkennung beginnen kann. Diese Abklingzeit kann z. B. 500 μs betragen. Danach erkennt die HF Spule 34 das NQR Signal, und die Antwort wird durch einen rauscharmen, hochgradig verstärkenden Vorverstärker 25 mit einem Verstärkungsgrad von 20 bis zu 30 dB und einer Rauschzahl von 1 bis 2 dB verstärkt. Ein Beispiel für einen solchen Vorverstärker sind Anzac Typ AM-110 und Mini-Circuits Typ ZFL-500 LNS.
Für eine Anordnung der Erfindung in der Größe eines Paket- oder Briefscanners wird, nachdem das empfangene Signale durch die HF Empfangsvorverstärker 25 verstärkt worden sind, welche zusammen mit einer Verstärkerschutzkomponenten 29 eine angepasste konventionelle Filterfunktion bilden, das empfangene Signal in zwei Phasensensitive Detektoren 27 und 28 eingespeist, welche jeweils durch ein Phasenschubelement 31 um jeweils um 90 Grad versetzte Referenzsignale aufweisen. Es sei angemerkt, dass das Referenz HF Signal von der HF Quelle variabler Frequenz 23 zu einem phasensensitiven Detektor 27 geleitet wird, während das Referenzsignal zu den phasensensitiven Detektor 28 durch einen Phasenschubelement geleitet wird. Die zwei zueinander Phasen verschobenen analog Signale werden kann in ein Signalaufspürung und Datenverarbeitung-Untersystem 41 geleitet, wie dieses weiter unten diskutiert werden wird.
Das Detektionskopf-Untersystem 33 besteht aus vier Hauptkomponenten. Zum einen aus der HF Spule 34, einer HF Sondierungsschaltung, welche die Hochfrequenz einstellt und das Netzwerk 35 anpasst, ein automatisch abstimmendes Teilsystem 36 und eine elektrisch leitende HF Abschirmung 37. Das Detektionskopf-Untersystem dient vornehmlich zwei Zwecken. Zum Einen produziert dieses ein homogenes HF Feld in der HF Spule. Zum Anderen empfängt es das NQR Signale, so weit vorhanden, vom zu untersuchenden Gegenstand.
Die HF Spule 34, welche zugleich als eine Antenne benutzt wird, ist aus hoch leitendem Material wie z. B. Kupfer hergestellten. Der Leiter sollte eine Dicke in der Größenordnung von 5-mal der Eindringtiefe des Materials des Leiters bei der Betriebsfrequenz aufweisen. Dieses stellt einen minimalen Widerstandswert für den Stromfluss sicher, wenn die Spule mit Hochfrequenz betrieben wird. Ein 25 Liter Detektionsvolumenscanner für eine Postscannvorrichtung hat eine Spule mit einer einzelnen Windung, von hoher Güte (high Q), welche von nur 0,01 Zoll dickem Kupferdraht aus einer einzigen Schicht hergestellt ist. Die Eindringtiefe für Kupfer 3,4 MHz liegt bei etwa 0,001 Zoll und die Eindringtiefe von Kupfer 900 kHz liegt bei ungefähr 0,002 Zoll. Das direkte Abstimmen der Spule erhöht die Gesamteffizienz der Ausführungsform des Postscanners nach dieser Erfindung. Wenn kein Muster anwesend ist, hat diese Spule mit einfacher Wicklung und hoher Güte ungefähr eine Kapazität von 30.000 pF beim Abstimmen mit einer Frequenz von ungefähr 3.4 MHz, um die ¹⁴N Resonanzfrequenz von RDX Explosivstoffen zu detektieren. Bei Verwendung einer Reihe von Umschaltern zum Zufügen oder Entfernen von Kapazitätswerten zum Zwecke der Wiederanpassung der Spule unter verschiedenen Lastkonditionen wurde herausgefunden, dass es für das System sehr nützlich ist, wenn es mit einer Änderung von 10% der Abstimmkapazität verstimmbar sei. In dieser bestimmten Anwendung umfasst die Grobabstimmung ungefähr Kapazitätwerte von ungefähr 80 pF und die Feinabstimmung von 10 pF. Die HF Signalquelle variabler Frequenz und der HF Leistungsverstärker 23, 24 des HF-Untersystems 22, welcher im automatischen Abstimmungs-Untersystem benutzt wird, sind die Gleichen, wie sie zur Anregung einer HF Spule zu detekieren von Substanzen gebraucht werden. Die Details eines automatischen Abstimmungs-Untersystems werden hiernach beschrieben.
Die grundlegende Abstimmung der Spule zum Erzeugen eines uniformen Feldes innerhalb der HF Spulenöffnung während des Sendemodus ist dazu notwendig, um einen optimalen Betrieb und optimale Empfindlichkeit des Systems zu gewährleisten. Diese Homogenität ist deshalb wichtig, weil es im höchsten Grade wünschenswert ist, einheitliche Anstoßwinkel der Kerne im zu messenden Raum zu gewährleisten. Natürlich ist das interessierende Messvolumen die Zielsubstanz (Schmuggelgut) innerhalb der Probe oder in dem Muster im Spuleninneren. Eine einheitliche Sensitivität in dem Empfangsmodus aufgrund der Reziprozität in Hinblick auf die Kernbewegung erzeugte Feld ist gleichfalls wichtig. Ein "Loch" in dem Feld kann die Schwierigkeiten der Erkennung einer Zielsubstanz durch die Reduktion des Effekts des generierten Signals (weniger noch als das komplette und einheitliche Anstoßen der Kerne) erschweren und sich zur gleichen Zeit in einen reduzierten Empfangssignal äußern. Weitere Einzelheiten des Konzeptes werden nun folgen.
Es ist wünschenswert, dass ein Volumendetektionssystem innerhalb des Detektionsvolumens eine einheitliche Empfindlichkeit besitzt. Dieses kann durch ein einheitliches HF Flussfeld in dem Detektionsvolumen für das NQR sichergestellt werden. Ein abgeschwächtes Feld in einer Region kann eine Abschwächung der Empfindlichkeit zur Folge haben, aufgrund des reduzierten Anstoßes der Kerne während der Zeit der Anregung und der Pulsaussendung. Reziprok dazu wird die Antenne in Bezug auf die in diesen Regionen reduzierten Kernsignalen wegen der Reduktion des Feldes in den Empfangmodus weniger sensitiv sein. Die Effekte des Wechsels der Anstoßwinkel und Veränderungen der Empfängerempfindlichkeit sind kumulativ. Deshalb bewirkt eine 25-prozentige Reduktion des Effekts des Anregungspulses etwa eine 50-prozentige Reduktion in dem Empfangseffekt über die gesamte Empfindlichkeit.
Bezug nehmend auf 7, existiert ein uniformes HF Feld in dem zentralen Gebiet 52 für eine vielfach gewundene Spule 34 mit einer Länge L und einer dagegen wesentlich größeren Ausdehnung X oder Weite Y, welches vorsieht dass die statische Abstimmungskapazität hauptsächlich uniformen entlang der Lücke 101 der Spule verteilt oder beabstandet ist. Die ungenaue Platzierung der (räumlich) verteilten statischen Abstimmkapazitäten in der zentralen Gegend kann Veränderungen in dem Feld in dieser Gegend hervorrufen. Für eine Spule mit einer Länge von nicht mehr als der kleineren der beiden Abmessungen Länge oder Weite ist, wird das Feld in der Nähe der Enden geringer sein, wenn die Kapazität gleichmäßig entlang der gesamten Öffnung verteilt ist. Das Feld an den Enden kann durch die Steigerungen des relativen Teilstücks der Gesamtkapazität platziert der Nähe des Endes der Lücke gestaltet werden. Eine Vervielfachung der statischen Abstimmungskapazität 102 ist in der Lücke 101 dargestellt. Sie sind hier gleichmäßig beabstandet dargestellt, zum Zwecke der Vereinfachung, und verlieren ihre Platzierung und ihre jeweiligen Werte werden dann bestimmt, wenn ein Detektionssystems konstruiert wird. Als Referenzen wurde bereits vorher erwähnt, dass die Gesamtkapazität einer leeren HF Spule rund 30.000 pF bei einem statischen Abstimmung einer Frequenz von 3,41 MHz, der ¹⁴N Resonanzfrequenz von der RDX Explosivstoffen beträgt. Natürlich haben verschiedene Zielsubstanzen verschiedene kristalline Strukturen und verschiedene ¹⁴N Resonanzfrequenz an, so dass die verteilten statischen Abstimmkapazitäten unterschiedlich sein werden. Die Größe und die Bereitstellung von Kapazitäten 102 wird nach der folgenden Prozedur bestimmt.
In einem Beispiel sei der ideale Anregungswinkel für RDX 117° und seine NQR Resonanzfrequenz Länge bei 3,410 MHz. Die notwendige Gesamtkapazität in der Spule bestimmt sich nach der folgenden Gleichung:
Die Prozedur zum Bestimmen von C_Total der gewünschten Kapazität, ist es eine Sonde, verbunden mit einem Induktionsmeter über die Spulenlücke 101 zu verbinden und die Induktion zu messen. Eine Vielzahl von Kapazitäten wird durch Annäherung über die Lücke verteilt bis zu einer ungefähren Gesamtgröße von 30.000 pF verbunden, wie dieses in 7 dargestellt ist. Dann wird durch ein Impedanzmeter die Resonanzfrequenz der Spule gemessen, um f_actual zu bestimmen. Die Frequenz wird in Gleichung 1 eingesetzt, die Division wird durchgeführt und das Ergebnis quadriert, und diese Zahl wird mit 30.000 (C₀) multipliziert, um eine dichtere Annäherung an C_Total zu erhalten. Dieses statische Abstimmen wird solange wiederholt bis die Resonanzfrequenz der Spule bei ungefähr 3,410 MHz liegt. Danach wird die Kondensatorverteilung derart angepasst, dass eine Homogenität des Feldes innerhalb des Spuleninnenraumes erreicht wird, wie dieses weiter unten dargestellt ist.
Um zu bestimmen, ob die Kapazität bei der Platzierung in dem leeren Spuleninnenraum korrekt ist, wird die HF Spule mit einem Signalgenerator verbunden, welcher über die Resonanzfrequenz der Spule für eine spezifische Zielsubstanz abgestimmt wird, und eine kleine Aufnahmeschleife wird mit einem gewöhnlichen Impedanzmeter, wie es zum Aufnehmen des HF Flussfeldes innerhalb der Spule benutzt wird, verbunden (die Achse der Schleife parallel ist zu der Achse der Spule). Wenn das Feld entlang der Achse ist nicht ausreichend uniform ist, werden einige Kapazitäten aus der Gegend hoher Feldstärke entfernt und in Regionen niedriger Feldstärke transferiert. Der Prozess der Kapazitätsmessung und des Transfers von Kapazitäten wird solange durchgeführt, bis die gewünschte Homogenität erreicht ist.
Automatisch abstimmendes Teilsystem
Eine Vorrichtung zum automatischen Feinabstimmung der NQR der Detektionsspule/-kopf unter den entgegenstehenden Bedingungen wird in 5 gezeigt. Innerhalb der Sequenzsteuerung 21 gibt es eine Software oder ein Steuermittel 91 für das automatisch abstimmende Teilsystem 36. Das automatisch abstimmende Teilsystem ist vorzugsweise innerhalb der HF Schirmung 37 integriert, so dass die HF Spule 34 und das anpasst Netzwerk 35 angepasst wird. Die Eingangs/Ausgangsleitung 92 verbindet die abgestimmte HF Spule mit dem verstärkten HF Anregungssignal und verbindet die Spule als einen Empfänger des NQR Signals mit einer ¼ Wellenlängen-Leitung 38 (1).
Das System besteht aus eine Reihe von Festwertkondensatoren 93, welche durch eine gleich hohe Anzahl von Vakuumrelais 94 geschaltet werden. Die Anzahl der geschalteten Festwertkondensatoren in dem Abstimmungsschaltkreis wird durch die Messung der durch den HF Verstärker transferierten Leistung (oder präziser gesagt, die Menge der "vorwärtsgerichteten" oder "reflektierten" Leistung) dem zu der HF Detektorspule 34 bestimmt. Die Mittel zum Messung dieser Leistungsübertragungseffizienz bestehend aus einer vielfältigen Anwendung der herkömmlichen HF Technik. Für eine Anwendung wird ein Richtkoppler mit Wattmeter benutzt, um die Größe der "vorwärtsgerichteten" oder der "reflektierten" Leistung zu bestimmen. Basierend auf der Leistungsübertragungseffizienzbilanz werden die Kapazitäten von dem Schaltkreis ein- oder ausgeschaltet, um die Leistungsübertragungseffizienz des HF Verstärker zu der HF Spule zu maximieren. Das System wird deshalb wiederabgestimmt, um eine höchst effektiv und höchst empfindliche HF Spule zu erhalten. Ein Zustand der Abstimmung der HF Spule wurde durch die "vorwärtsgerichtete" und die "reflektierte" Leistung bestimmt, die Spule wird durch Schalten von Kapazitäten entsprechend einem Algorithmus, wie er weiter unten beschrieben wird, angepasst. Das Abstimmen der HF Spule besteht aus zwei Phasen: die Grobabstimmung und die Feinabstimmung. Ein Flussdiagramm für den Sequenzablauf ist in 6 dargestellt. Der Wert von "C" in 5 wurde zur 10 pF gewählt, so dass jeder Kondesatorwert ein Vielfaches von "C" darstellt. Andere Werte können, wenn gewünscht, zugewiesen werden.
Grobabstimmung
Sowohl die vorwärtsgerichtete als auch die reflektierte Leistung wird gemessen. Wenn die reflektierte Leistung größer ist als eine vorbestimmte Prozentzahl der vorwärts gerichtete Leistung, passt sich das System selbstständig durch Grobabstimmung in großen Schrittweiten, wie bereits oben beschrieben wurde, ab (durch Erhöhen der Kapazität wird die reflektierten Leistung bis zu einem geringeren als den maximalen Wert der reflektierten Leistung gesenkt, was durch die Feinabstimmung weiter verändern kann). Wenn dieser Zustand erreicht ist, geht das System in den Feinabstimmungszustand über. Das obere Limit der Größe des Kapazitätssprungwertes bestimmt sich durch den Kapazitätsbereich des Feinabstimmungsteilsystems. Wenn die reflektierte Leistung unter einen bestimmten Wert fällt, wird das System anfangen sich abzustimmen, dieses ist der "Anfang der Feinabstimmungsbetriebsart".
Feinabstimmung
Nach einem Schritt (entweder der Steigerung oder der Verkleinerung der Kapazität) wird die reflektierte Leistung wieder gemessen. Wenn die reflektierte Leistung sich erhöht hat und die Richtung (zum Beispiel von einer Erhöhung zu einer Verringerung der Kapazität), sich gegenüber dem vorangegangenen Schritt umgekehrt hat, geht das System einen Schritt zurück zu dem "Anfang des Feinabstimmungsmodus". Die Feinabstimmung beginnt damit wieder, nur das diesmal in die entgegen gesetzte Richtung abgestimmt wird (dieses geschieht durch Zufügen von Kapazitäten anstatt durch Wegnehmen dieser). Wenn jedoch die reflektierte Leistung sich nicht erhöht wird ein anderer Schritt in dieselbe Richtung vorgenommen (durch Zufügen oder Wegnehmen von Kapazitäten). Dieser Prozess schreitet solange fort bis ein anderer Prozess bei Umkehrung der Richtung aufgenommen wird. In dieser Phase geht das System einen Schritt zurück und die Feinabstimmung ist abgeschlossen. Die reflektierte Leistung ist nun an einem Minimum. Die vorwärts gerichtete Leistung wird gemessen, und mit einem vorbestimmten Wert verglichen, um die korrekte Funktionsweise des HF Senders zu gewährleisten.
Das automatisch abstimmende Teilsystem 36 führt zwei Hauptfunktionen aus. Die eine ist das Wiederabstimmen der HF Spule, um eine optimale Ausführung in einem Bereich der Spulenlastkonditionen zu gewährleisten. Zweitens bestimmt es den Zustand der Einstellung durch einen Vergleich mit einer vorbestimmten "Null"-Einstellung. Das System besteht das einer Hochfrequenzleistungsquelle, einem gerichteten Wattmeter und schaltbaren Kondensatoren zur Veränderung der Abstimmreaktanz. Die Steuereinheit 21 misst bei der Hochfrequenzleistungsquelle die reflektierte Leistung und verändert die Abstimmreaktanz bis ein Minimum der reflektierten Leistung erreicht ist. Die Möglichkeiten des Systems einer Musterspule direkt gerichtet abzustimmen, erhöht als Resultat die Gesamteffizienz. Antennenabstimmsysteme, welche gewöhnlich in der HF Elektronik benutzt werden, sind für die Feinabstimmung der Spule in NQR Applikationen unnötig kompliziert. Sie sind zudem für eine Reihe von NQR Applikationen ineffizient: sie können die Spule nicht direkt abstimmen und sie haben höhere Speiseleitungsverluste, welche zu einer Erhöhung des Rauschens führen. Zudem neigen Antennenabstimmsysteme im Sinne der Abstimmung dazu oberflächlich zu sein (zum Beispiel im Abstimmungsbereich).
Die Hochfrequenzsonde 35 ist ein Anpassnetzwerk und ein BALUN, welche die Abstimmung und Anpassung der Spule vorsieht, und zudem die Vorverstärker 25 vor dem Auftreten von hohen Spannungen in der Spule während der HF Anregung schützt. Die HF Sonde 35 passt die HF Spule 34 auf einen unbalancierten 50 Ohm Eingang an. Es führt dazu, dass die Spule wie ein 50 Ohm Sendeempfänger aussieht und an konventionelle Technik angepasst ist. Die Funktion der Speiseleitung 38 mit halber Wellenlänge ist jene diesen Empfänger von dem Sender zu isolieren. Die Senderisolationsdioden 39 und 40 haben ähnliche Funktion. Das automatisch einstellende Teilsystem bestimmt den Zustand der Abstimmung der HF Spule 34 in dem Detektorkopf durch Anpassen der HF Spule zu ihrer Last in den Detektorvolumen, bis zu dem Wert der direkt an die HF Spule verabreichten Leistung (die "vorwärts gerichtete" Leistung), und den Wert der reflektierten Leistung aufgrund von Verlusten der Spule und Fehlanpassung (die "reflektierte" Leistung). Wenn der Anpasszustand einmal durch Vergleichen der Werte der vorwärtsgerichteten und der reflektierten Leistungen bestimmt ist, wird die Spule durch Schaltung der Kapazitäten entsprechend einer vorbestimmten Sequenz wieder angepasst, wie weiter oben bereits diskutiert wurde.
Wenn die Spule 34 mit einem Paket von unbekanntem Inhalt befüllt ist, ist sie fehlabgestimmt. In einer Anwendung dieser Erfindung wird die Spule wieder abgestimmt durch acht Vakuumrelais-Schalter, welche die Kondensatoren, welche in einer aufsteigenden Reihe angeordnet sind, in Pikofarad-Werten mit quadratischen Vielfachen, wie z. B. 10, 20, 40, 80 schalten wird. Diese bestimmte Anordnung ist dazu fähig 256 Werte von Kapazitäten zum Wiederabgleich des Systems bereitzuhalten mit einer maximalen Gesamtkapazität von 3000 pF. Anders als das Überladen des Systems mit einem Relais für jeden Kapazitätwert, minimiert dieser Kapazitätsanordnung die Anzahl der benötigten Relais, um die gegebenen Wertigkeiten von Kondensatoren (z. B. 10 + 20 = 30; 20 + 80 = 100, etc.) zu produzieren, und weist eine sehr hohe Betriebsgeschwindigkeit auf. Es soll angemerkt sein, dass ein vergleichbarer Algorithmus mit kontinuierlich werigen Kondensatorwerten angewandt werden kann. Ein Schrittmotor könnte eingesetzt werden und die jeweilige Abstimmsequenz wäre sehr ähnlich zu dem, was hier über das diskrete direkte Kondensatorabstimmen gesagt wurde. Die Anordnung von Kondensatoren als direkte Spuleabstimmung, wie bereits beschrieben, wird in dieser Erfindung bevorzugt.
Das Benutzen von durch Vakuumrelais gestalteten Kondensatoren erfordert eine "Einstellzeit" von ungefähr 6 ms oder weniger, um es den Relais zu ermöglichen zu arbeiten und zu einem eingeschwungenen, stabilen Zustand bezüglich der reflektierten Leistung zu gelangen. Der Vorteil für das Gesamtsystem in Bezug auf die Unempfindlichkeit, Effizienz, Zuverlässigkeit und Kleinheit der Baugröße, aufgrund der Benutzung von festen Schaltkondensatoranordnungen, übertrifft jeden möglichen Vorteil in der Einstellpräzision, welcher durch die Benutzung von konventionellen variablen Kondensatoren erreicht werden kann. Weil das System jedoch von Einschaltbefehlen gesteuertes, durch eine computerbetriebenes Sequenzsteuerung betrieben wird, kann eine exakte Information aus der Anzahl der Systemabstimmungen erlangt werden.
Dieses Abstimmteilsystem bietet eine verbesserte Sensitivität für NQR Systeme durch eine optimale, automatische Feinabstimmung der Probespule (HF Spule). Vorangegangene Entwicklungen der Spulenfeinabstimmung erforderten eine manuelles Feinabstimmen des Systems, welches für einen Laboraufbau akzeptabel ist, aber ungeeignet ist für den Praxiseinsatz. Dieses System bietet die Vorteile einer automatischen Abstimmung basierend auf Festwertkondensatoren, geschaltet durch Vakuumrelais (welche für hohe Hochfrequenzschaltungen entworfen sind) als im Vergleich dazu, klobigeren und langsameren variablen Kondensatoren. Das vorgeschlagene System registriert Veränderungen in der Spulenbeladung, eine Eigenschaft, welche durch alle anderen Detektionssystem nicht verfügbar ist. Das System ist schneller und einfacher zu benutzen als manuell abzustimmende Probespulen und liefert Informationen über den Status der Abstimmung der HF Spule, welches wiederum über den Inhalt der Spule (die Probe) Aufschluss geben kann. Das System gibt der Steuereinheit eine Rückmeldung über die Tätigkeit des HF Verstärkers.
Physikalische Konfiguration des Scanners des Systems wird nun in Bezug auf die 2, 3 und 4 beschrieben. Die HF Spule 34 ist eine innen hohle rechteckigen Röhre mit einem dünnen Belag von leitfähigen Materials, wie bereits vorhin beschrieben wurde, der auf einem dünnwandigen rechteckigen Isolator 51 aufgebracht ist (siehe 3). Die Schirmung 37 ist ein Leiter in Form einer rechteckigen Kupfermanschette (oder ein anderes hochleitfähiges Material), welche die Spule einschließt und von dieser in einer Distanz von etwa der halben Länge der kürzesten Seite der Spule entfernt ist. Die kürzeste Seite der Spule ist durch die Distanz "X" in 3 gekennzeichnet und der Abstand ist vorzugsweise X/2. Als ein Beispiel für die tatsächliche Größe beträgt X 5 bis 6 Zoll, so dass der Abstand zwischen der Spule 34 und der Schirmung 37 etwa 2½ bis 3 Zoll sein wird.
Die HF Abschirmung beinhaltet die Spule und Sondenanordnungen vor, welche die Konstruktion innerhalb der HF Schirmung bilden, mit der notwendigen EMV-Schirmung (EMI/RFI)(elektromagnetische Störungen/Hochfrequenzstörungen) von externen Quellen. Gleichzeitig unterbindet die Konstruktion, dass Hochfrequenzstörungen aus der Probenuntersuchung Vorrichtung nach außen aufdringen. Diese Einordnung wurde so optimiert, dass sie den besten Ausgleich zwischen der Isolation von Störungen der Spule, der Beladung der Spule und der Verkleinerung des Gesamtsystemsvolumens bildet.
Die Gesamtabmessungen des Scanners aus 3 beträgt zum Beispiel in der Längendimensionen der rechteckigen Mulde an der Öffnung ungefähr 16 Zoll, die Länge des Raumes innerhalb der Spule soll 24 Zoll sein. Die umgebende Abschirmung 37 soll eine Tiefe von 10 bis 11,5 Zoll haben eine Weite von ungefähr 20 bis 22 Zoll und eine Länge von vorne bis hinten von mindestens 27 Zoll. Das Volumen des Raumes ist dabei 2000 Quadratzoll (26 Liter). Der oben beschriebene Scanner kann unteren anderem beschrieben, als eine Kiste mit einem Raum, welche eine externe Zugangsöffnung 53 zum Raum aufweist.
Unterschiedliche Anordnungen sind notwendig für die Vorder- und die Rückseite der Spule. Die beste Hochfrequenzstörungsabschirmung ist normalerweise eine elektrisch verbundene und geerdete Kiste, welche die HF Spule komplett einschließt, so dass von außen eindringende Störungen die HF Spule nicht direkt erreichen können. Für die meisten gebräuchlichen Applikationen dieser Technologie ist diese Anordnung nicht immer möglich ein Hochfrequenzstörungssperrkreis oder eine Abweisevorrichtung wird dazu benutzt eine oder beide Enden der Spule zur Bewegung einer Probe Gegenstandes in oder aus der Spule vorzusehen und gegen eine HF Störung abzuschirmen. Ein Anwendung dieser Erfindung wird ein transportabler, von Hand beschickbare Post oder Paketabtastvorrichtung mit nur einen offenen Ende sein und dieses Ende, Tür 85 (siehe 2) wird nach dem Einführen des Pakets geschlossen, bevor die Untersuchung beginnt. Diese geschlossen Konfiguration stellt eine HF Störungsabschirmung dar. Für ein Förderbandsystem zum Abtasten von Luftfracht ist es notwendig, dass beide Enden der HF Abschirmung offenen sind, wie in 4 gezeigt ist. Um die notwendige HF Abschirmung zu erreichen, wird ein Tunnel, welcher im allgemein als ein Wellenleiter unterhalb der „Cut-off Frequenz" dimensioniert ist, von einer maximalen Größe ist, welche die gleiche Querschnittsdimensionen hat wie die Spule, notwendig sein. Bezugszeichen 66 und 71 stellen einen Wellenleiter unterhalb der Cut-off Frequenzen für diese Konfiguration der Erfindung dar. Während die Gesamtabmessungen größer sind, hat die Spule, die Schirmung und das Öffnungsverhältnis im Wesentlichen die gleiche Größenordnung. In diesem Fall ist die Größendimension „X" zwischen der Spule 61 und der Schirmung 62 X/2, von der gleichen Größe wie der Raum zwischen dem Rand 63 der Spule und dem Ende 64 des Hauptteils, der an die Größe der Gepäckstücke angepassten Konstruktion 67. Zum Beispiel können die Längendimensionen „X" 18 Zoll betragen und die Weitendimension "Y" kann rund 28 Zoll betragen. Die Querschnittsgröße der Öffnung 65 hat entlang des gesamten Wellenleiters bzw. der gesamten Tunnelenderweiterung 66, wie der entlang des gesamten Haupttunnels (nicht dargestellt), entlang der gesamten Abtastvorrichtungskiste 67, entlang dem gesamten Wellenleiter und der Tunnelendausdehnung 71 die gleiche Größendimensionierung.
Zur Vervollständigung sind hier einige zusätzliche exemplarische Größenordnungen angegeben. Die Länge des Raumes von vorne nach hinten in der Abtastvorrichtungskiste 67 ist ungefähr 36 Zoll und das Raumvolumen beträgt ungefähr 10,5 Kubikfuß (305 Liter).
Während X/2 der bevorzugte Abstand in der obigen Darstellung ist, braucht dieses im Verhältnis zu der kleinen Größenordnung der des Spulenraums nicht exakt zu sein. Die Abschirmungsabstände sollen im Bereich zwischen X/3 und X liegen, wobei X/2 derweil bevorzugt wird.
Zusätzlich zu der Spule und Abschirmung sind einige typische Materialien für die Verkleidung 53 und für den inneren rechteckförmigen Rahmen 51 Holz und Plastik. Wie sollen relativ leicht, unempfindlich und elektrisch isolierend sein. In der größeren, mit zwei Enden ausgestatteten Version nach 4 sind die äußeren Oberflächen 72 und 73 des Tunnelendes 66 und 71 aus Kupfer oder Aluminium, während die Innenseite und die Verkleidung aus Plastik oder Holz hergestellt ist.
Ein kleinerer oder portabler für den praktischen Einsatz konstruierter Postscanner 81 ist in 2 dargestellt. Die Elektronik und die Steuerfunktionselemente können in dem Kasten 82 untergebracht werden. Der Scanner selber befindet sich in dem Kasten 83, welcher auf der Oberseite des Kastens 82 durch Abstandshülsen 84 befestigt ist. In die Vorderseite das Scanners 83 wird normalerweise durch eine Vordertür oder einen Verschluss 85 geschlossen, welcher an der Vorderseite des Kastens eingehängt ist. Ein Paket 86 ist in der Öffnung 52 dargestellt, welches sich, zum Scannen vorbereitet, innerhalb der HF Spule befindet.
Zur Wiederholung wird in dem portablen Postscanner nach 2 und 3 nur ein Ende der Spule benötigt, um einen Zugang zu dem Spulenteil oder Raum zu schaffen. Die Abschirmung umgibt die Spule vollständig bis auf die Öffnung, welche die gleiche Querschnittsfläche hat wie die Spule. Diese Öffnung bildet einen Schlitz, durch welchen die Pakete eingebracht werden. Diese Öffnung in der Abschirmung ist in einer solchen Weise angebracht (ungefähr 2 bis 3 Zoll von dem Ende der Spule), dass der magnetischer Fluss von der Spule dazu "gezwungen" wird, innerhalb der Schirmung selbst zu verbleiben. Jedoch kann von der Schirmungsöffnung ein geringer Fluss entweichen und ein geringer Fluss kann in den Innenraum eindringen. Um ferner die elektromagnetischen Einflüsse EMI/RFI durch Störungseinbringung zu verringern, wird eine zweite Abschirmung in der Form eines Aluminiumverschlusses mit EMI/RFI Dichtungen und einer Tür, welche Schirmung überlappt, benutzt. Dieses ist ein Aluminiumgehäuse, welches die umgebende Schirmung 37 umschließt und in der gesamten Ausdehnung einen geringen Anteil beifügt, außer einem Überhang 68, wenn dieses gewünscht wird (dargestellt in 3). Dieser Überhang ist sowohl ästhetisch angenehm, und verbessert zudem die EMI/RFI Abschirmungseigenschaften für äußere HF Felder. Der Verschluss 85 bedeckt die Öffnung 52 mit dem Aufsatz 86, welcher an Scharnieren angebracht ist. Geeignete Gummidichtungen, welche mit einem leitfähigen Material beschichtet sind, vervollständigen die elektromagnetische Schirmung.
Wenn die automatische Abstimmungsprozedur durchlaufen wurde, beginnt die Abtastprozedur. Die Abtastprozedur ist ein Standardverfahren zur Erkennung von NQR Signal in realen Detektionsanwendungen. In einer Anwendung dieser Erfindung besteht die Prozedur aus einer Kombination von HF Pulsen allgemein bekannt als PAPS (phasenalternierende Pulssequenzen) und in der NPAPS (nicht phasenalternierende Pulssequenzen) Versionen von SSFP (zustandsstatische freie Präzession) Pulssequenzen. Diese Frequenzen werden in dem US-Patent Nr. 5,365,171 beschrieben, welche hierin zum besseren Verständnis als Referenzen beigefügt ist. Jedoch gibt es andere Pulssequenzen von HF Pulsen, welche im Allgemeinen in NQR Prozeduren benutzt werden, welche ebenso gut für den Gebrauch in dieser Erfindung akzeptabel sind. Diese werden eingesetzt und sind für einen Fachmann in diesen technischen Gebiet einfach zu erkennen.
Wenn der Testknopf 87 gedrückt wird, wird die Spule abgestimmt und die Abtastung des Pakets wird vollzogen und mindestens eines der Signallichter wird Anfangen zu leuchten. Das weiße Signallicht 91 blinkt während der Abstimmung und wenn die Überprüfung vollendet ist. Das Aufleuchten des grünen Signallichts 92 zeigt an, dass keine Schmuggelware zum Testen vorhanden ist. Das Aufleuchten des roten Signallichts 93 zeigt an, dass die Zielsubstanz in einer signifikanten Menge vorgefunden worden ist. Wenn das gelbe Signallicht 94 leuchtet bedeutet dieses, dass etwas vorliegen könnte, jedoch nochmals genau überprüft werden sollte. Dieses kann bedeutendes eine signifikante Menge von Metall in der Probe vorliegt. Wenn beide, sowohl gelbe als auch grüne Signallichter leuchten bedeutet dieses, dass kein klares NQR Signal aufgenommen wurde, und das Metall oder andere leitfähige Metallmaterialien vorhanden sind. Wenn sowohl rote als auch gelbe Signallichter aufleuchten, zeigt dieses an, dass die Zielsubstanz vorhanden ist, jedoch teilweise von Metall überlagert ist. Dieses sind so genannte unbestimmte Ergebnisse. Nicht dargestellt ist der Ein/Ausschaltknopf an einem nicht sichtbaren Teil der Einheit 81.
Eine Herausforderung, welcher beim Übergang von einem Laboraufbau zu einem praktischen NQR Detektionssystem zur Abtastung von Luftfracht begegnet werden, muss ist das akustische Klingeln. Eine stehende Welle kann in einem Leiter durch ein gepulstes HF Feld aufgebaut werden. Diese akustische Welle wird durch die HF Spule aufgenommen. Das produzierte Signal ist häufig nahe der Stärke und genügend nahe der Charakteristiken des NQR Signals, um einen falschen Alarm herbeizuführen. Das akustische Signal ist häufig kohärent mit dem existierenden HF Puls und kann daher potenziell für ein NQR Signal gehalten werden, welches auch kohärent mit dem anregenden HF Puls ist. Ferner ist es eine gewöhnliche Methode zur Reduktion von beiläufigen Klingeleffekten in NQR Laboraufbausystemen, dass das Mitteln der Signale oder Verändern der Phase häufig genug das Problem nicht genügend reduziert. Bestimmte Arten von häufig vorkommenden Materialien wie z. B. Stahlfedern neigen zudem zu akustischen Klingelgeräuschen.
In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist ein einfaches aber effektives Verfahren zur Reduzierung von akustischen Klingeleffekten in NQR Detektoranwendungen eingesetzt. Die primär unterschiedlichen Charakteristik eines NQR Signals zu einem akustischen Klingelsignal ist, dass das NQR Signal nur bei vorbestimmten Frequenzen erscheint. Akustische Klingelsignale andererseits können bei jeder Frequenz durch den HF Anregungspuls gebildet werden, deshalb werden bei dem Betrieb der NQR Abtastsystems in einer Frequenz außerhalb des Bereichs der NQR Probenfrequenz unter Benutzung einer Standard- oder modifizierten Pulsfrequenzsequenz kein Signal generiert oder von einem Zielmaterial detektiert. Wenn unter diesen Bedingungen ein Signal aufgenommen wird, kann eines nur von einem akustischen Klingeln stammen. Die Einsetzung dieses Verfahrens ist zügig möglich. Die "Klingeldetektierungs"-Sequenz kann vor oder nachdem die Hauptprüfungen der Detektionssystemsequenz eingesetzt werden, und ist ein Teil des Programmablaufs und deshalb ein Teil der HF Signalerzeugung. Dieser Sequenzverlauf kann durch den automatischen Abstimmvorgang der Erfindung einfach gebildet werden.
Als eine Alternative zur Erkennung des akustischen Klingelns kann ein standardisierter Zielsubstanzdetektionszyklus eingesetzt werden. Es ist ein Prinzip des akustischen Klingelns, dass sich das Klingelsignal mit der Zeit abschwächt. Innerhalb einer beliebigen begrenzten Zeitperiode zwischen den jeweiligen HF Pulsen wird das NQR Signal mit der Zeit erhöht. Diese Eigenschaft kann dazu dienen, die Natur der Signalantwort zu bestimmen. Diese Prozedur kann in einigen Instanzen eingesetzt werden und ist begrenzt auf die höchsten Empfindlichkeitsgrade, wenn der Rauschpegel beinahe vergleichbar ist mit dem Signalpegel.
In einer Paket- oder Briefscanneranordnung nach dieser Erfindung mit dem Einsatz analoger Detektoren werden Signalaufbereitung und Datenverarbeitungsteilsysteme 41, zwei Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 42 und 43 und einen digitalen Signalprozessor 44 einschließen. Die empfangenen Signale von den Phasenerkennungsdetektoren 27 und 28 werden jeweils in die A/D-Wandler 42 und 43 eingespeist. Alle Signale, welche durch die Probenabtastung und die Klingeldetektionsfrequenzen aufgenommen werden, werden in den A/D-Wandler gespeist und durch den digitalen Signalprozessor prozessiert. Durch die Probenabtastsequenz können Signale entweder zugefügt oder abgezogen werden entsprechend dem Algorithmus, welcher in dem US-Patent 5,365,171 dargestellt ist. Die Zufügungs- und Abzugsalgorithmen reduziert den Effekt des Klingelns in der HF Spule und des elektroakustischen Klingelns.
In einer in der Praxis ausgeführten Konfiguration diese Teils der Erfindung werden das Signalaufspüren und der größte Teil der Signalaufbereitung auf einer eingesteckten A/D-Wandlerkarte durchgeführt. Die Karte hat zwei Kanäle, 14 Bit Auflösung und 2 MHz Abtastrate. Das Datenverarbeitungs-Untersystem 41 führt kartenintegrierte digitale Signalprozessoroperationen und -Funktionen durch, so wie z. B. die Addition oder Subtraktion von konsekutiven Datensätzen, wenn dieses erforderlich ist. Wenn einmal das bevorzugte Ausgangssignal zu Ende ,3prozessiert ist, wird digital gefiltert und mit einem vorbestimmten Schwellenwerte verglichen. Alternativ wird das Signal apodisiert und fouriertransformiert, treten Quadratur"spitzen" bei oder nahe 0 Hz in dem Frequenzspektrum auf und dieses wird dann gefiltert und verglichen mit bekannten "Signal des Materials", welches detektiert wurde.
In dem Frequenzbereich wird das Signalaufspür- und Datenverarbeitungssystem andere Signalfaktoren mit den erwarteten Signalfaktoren vergleichen. Zum Beispiel soll die Signalform (Lorentzsch oder Gaußsch) mit der Linienweite bei halber Höhe verglichen werden. Eine Kombination der oben stehenden Signalfaktoren kann dazu eingesetzt werden die Präsenz oder Abstinenz von Zielsubstanzen zu bestimmen. Der Ausgang des digitalen Signalprozessors wird dann zu einer Darstellungsvorrichtung 46 zugeführt. Das NQR Detektionssignal wird mit einem vorbestimmten Schwellenwert, welcher in den Speicher. des digitalen Signalprozessors 44 abgelegt ist, verglichen. Wenn das detektierte Signal gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, leuchtet das rote Signallicht 93 auf dem Bedienfeld oder der Darstellungsvorrichtung 46 auf, und zeigt damit das Vorhandensein der Zielsubstanz an. Wenn das Signal weniger als die vorbestimmte Schwelle ist, wird das grüne Signallicht 92 aufleuchten und anzeigen, dass die Zielsubstanz nicht anwesend ist. Wenn der automatische Abgleichalgorithmus feststellt, dass ein zu großer Aufwand zum Abstimmen der Spule notwendig ist, bezogen auf die mittlere Einstellungsdauer oder auf einer vorbestimmten Schwelle, oder dass ein akustisches Klingelsignal aufgenommen wird, wird dieses ausgegeben und ein gelbes Warnlicht 94 zum Leuchten gebracht. Das gelbe Warnlicht zeigt an: (1) Es gibt einen unnormal hohen Anteil von Metallen der Spule, (2) ein hoher Anteil an hoch dielektrischem Material wurde festgestellt, oder (3) aufgenommene akustische Signale wurden detektiert. Eine weitere Untersuchung oder eine Sichtprüfung kann zur Aufdeckung der nicht zuordbaren Ergebnisse des NQR Tests herangezogen werden.
Zusätzlich zu der Leuchtanzeige, welcher oben beschrieben wurde, kann eine Anzeigevorrichtung optional ein grafisches Display 95 zum Zeigen eines Signals in Phase, des Quadratursignals, sowie anderer Signale und Systemcharakteristiken herangezogen werden. Optional können auch ausgedruckte Ausgaben 96, welche die Zeit, das Datums, die Frequenz als auch den Spulenabstandparameter oder -Informationen, sowie das akustische Signale eines Lautsprechers 97 vorgesehen sein.
Die Faktoren, welche die Effizienz von den vorherigen NQR Signaldetektoren detektiert haben, werden in diesem System reduziert oder eliminiert. Wenn ein leitfähiges oder hoch dielektrisches Material in der Probe vorliegt wird das automatisch abstimmende Teilsystem dazu eingesetzt, diesen Effekt von Fremdmaterial zu neutralisieren. Dann kann eine Sichtprüfung vorgenommen werden, wenn es einen Grund dazu gibt. Die automatischen Abstimmungsmöglichkeiten können schnelle Änderungen der Temperatur, welche sich auf die Abstimmkapazität auswirkt als auch Bewegung oder Störung der Spule hervorrufen, welche dann auftritt, wenn die Probe in den Innenraum eingeführt wird.
Beispiele für zwei Ausführungsformen der Erfindung wurden oben beschrieben. Es ist wahrscheinlich, dass Modifikationen und Verbesserung durch einen Normalfachmann auf diesem technischen Gebiet durchgeführt werden können, welche innerhalb des Gebiets der beigefügten Ansprüche verbleiben.

Claims

„System zur Erkennung einer Zielsubstanz innerhalb einer Klasse von Explosivstoffen und Betäubungsmitteln (Narkotika), welche in einem Prüfmuster Quadrupolare-Kerne enthalten, unter Einsatz des Phänomens der Kernquadrupolresonanz (NQR), wobei das System umfasst: • eine Sequenzsteuerung (21), welcher Mittel aufweist, um dem System Takt- und Programmierimpulse zur Verfügung zu stellen; • ein Hochfrequenz (HF) Untersystem (22), welches umfasst: • eine HF-Quelle variabler Frequenz (23), um gepulste HF-Anregung in einer Frequenz, welche im Allgemeinen mit einer vorbestimmten Charakteristik der Kernquadrupolarresonanzfrequenz des Prüfmusters übereinstimmt, zur Verfügung zu stellen, wobei die Kernquadrupolarresonanzfrequenz diejenige Frequenz der Kernpräzession ist, infolge welcher es eine Quadrupolar-Wechselwirkung mit dem molekularen elektrischen Feldgradienten gibt; • ein Detektionskopf-Untersystem (33), welches umfasst: • eine HF-Spule, um die HF-Anregung auszusenden und welche als Aufnahmespule für die NQR-Signale des Prüfmusters dient und ein NQR-Ausgangssignal liefert, welche aus einer einzigen Windung einer HF-Spule besteht, welche aus einem Einzelblech (34) eines Materials von hoher Leitfähigkeit gefertigt ist, welches so geformt und angeordnet ist, dass sie darin einen Hohlraum (52, 65) von vorbestimmtem Volumen bildet, um das Prüfmuster innerhalb des Hohlraum aufzunehmen, welches durch die HF-Spule definiert ist, wobei die HF-Spule auf einem Isolierstoffrahmen (51) ausgeformt ist, mit einem linearen Spalt (101) zwischen den gegenüberliegenden Ecken des HF-Spulenblatts, wobei das HF-Signal von der HF-Quelle in den Hohlraum gesendet wird und gleichmäßig auf das Prüfmuster wirkt, welches in dem HF-Spulenhohlraum liegt; • einer Vielzahl von statischen Abstimmungskondensatoren (102), welche zwischen den gegenüberliegenden Enden der HF-Spule verschaltet sind, wobei die statischen Abstimmungskondensatoren derart angeordnet und beabstandet sind, dass sie ein einheitliches HF-Flussdichtefeld innerhalb des HF-Spulenhohlraums bilden, wenn diese durch HF-Pulse erregt werden; und • eine elektrisch leitende HF-Abschirmung (37), welche die HF-Spule umgibt und beabstandet und elektrisch isoliert von dieser ist und diese umgibt, wobei die HF Abschirmung derartig geformt und angeordnet ist, dass von externen Störungen verursacht, elektromagnetische Interferenzen und Radio- und Hochfrequenzinterferenzen (EMG/RFI) abgeschirmt werden und sie das Entweichen von magnetischer HF-Flussdichte aus dem HF-Spulenhohlraum und der HF-Abschirmungskonfiguration unterbindet, wobei die HF-Abschirmungskonfiguration länger ist als die HF-Spule, dabei sich über ein erstes und ein zweites Ende der Spule hin ausdehnt, worin der Hohlraum ein erstes und ein zweites Ende hat und eine rechteckige Form aufweist, dessen kurze Seite eine erste Dimension aufweist, wobei der Abstand zwischen der HF-Spule und der HF-Abschirmung etwa die Hälfte der ersten Dimension ist, und wobei die HF-Abschirmung sich mindestens weiter als das offene Ende der HF-Spule ausdehnt in einer Distanz, welche im wesentlichen gleich der Hälfte der ersten Dimension ist, die HF-Schirmung ist ein elektrisch integraler Teil der HF-Spule zu verbessern, um die Güte und die Effizienz der HF-Spule und die einheitliche Verteilung des Flussdichtefeldes, welches mit dem Prüfmuster praktiziert wird, innerhalb der HF-Spule beizutragen, sodass der Spule und die HF-Abschirmung einen Scanner bilden; • mindestens einen Hohlraumerweiterungselement (66, 71), welches mit den Scanner verbunden ist und einen Wellenleiter unterhalb der Grenzfrequenz aufweist, dass Erweiterungselement hat eine Öffnung, welche den die gleichen Querschnittsabmessungen wie der Hohlraum aufweist; • automatische Mittel zur Abstimmung der HF-Spule über die gewünschte Charakteristik der Kernquadrupolarresonanzfrequenz des Prüfmusters unter Prüfbedingungen und enthaltend: • einer Reihe von Festwertkondensatoren (93), geschaltet durch regelbare Schaltmittel (94); und • Steuermittel (91) zum Steuern der Schaltsequenz der Kondensatoren, um eine maximale Leistungsübertragungseffizienz der HF-Spule zu gewährleisten; • ein Signalaufnahme- und Datenverarbeitungs-Untersystem (41), welches einen digitalen Signalprozessor (44) aufweist und umfasst: • Mittel zum Empfang des NQR-Ausgangssignals der HF-Spule und • Mittel zur Verarbeitung des NQR-Ausgangssignals der HF-Spule; • Speichermittel, welche die Charakteristik des NQR-Signals einer Zielsubstanz der Klasse der Explosivstoffzutaten und Betäubungsmittelzutaten speichert; • Mittel zum Vergleich der Charakteristika des verarbeiteten NQR-Ausgangssignals mit der Speichercharakteristik und Aussendung eines End-Ausgangssignals; • eine Anzeigevorrichtung (46), welche von dem Signalaufnehmer und Prozess-Untersystem das End-Ausgangssignal empfängt, welche Mittel zum selektiven Anzeigen aufweist: • der Anwesenheit der Zielsubstanz, • der Abwesenheit der Zielsubstanz, und • eines dazwischen gelegenen Ergebnisses, wenn die Bedingungen des empfangenen Signals von dem Prüfmuster anzeigen, dass eine weitere Prüfung notwendig ist; und • Mittel zur Identifikation und zur Unterscheidung zwischen akustischen Klingelsignalen und NQR-Signalen, wobei die Identifikations- und Unterscheidungsmittel enthalten: • die Sequenzsteuerung der HF-Quelle, in Kombination mit dem Detektionskopf-Untersystem, um die HF-Spule durch HF-Impulse anzuregen, welche separiert und abgesetzt von den HF-Anregungspulsen der Quadrupolar-Resonanzfrequenz sind, wobei das System mit einer Frequenz außerhalb des Bereichs der NQR-Probenfrequenz arbeitet, oder • Mittel zur Bestimmung der Eigenschaft der Signalantwort, basierend auf dem Prinzip von akustischen Klingelsignalen, so dass die Klingelsignale mit der Zeit abnehmen, und innerhalb einer begrenzten Zeitperiode, zwischen den einzelnen HF-Pulsen zunehmen, wenn das NQR-Signal mit der Zeit ansteigt.
Das System nach Anspruch 1, wobei der HF-Spulenhohlraum so ausgestaltet ist, dass ein Ende zugänglich ist, durch welches ein Prüfmuster eingeführt werden kann.
System nach Anspruch 2, wobei beide Enden des Hohlraums offen sind, um es zu ermöglichen, dass Prüfmuster in einer kontinuierlichen Weise an einem Ende eingeführt werden und das andere Ende verlassen können.
System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein Hohlraumerweiterungselement (66, 71) aufweist, das mit jedem Ende des Scanners verbunden ist und das eine Öffnung hat von der gleichen Größe wie der Hohlraum, wobei das Erweiterungselement Wellenleiter unterhalb der Grenzfrequenz umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstimmapparat Mittel zum automatischen Abstimmen der HF-Spule aufweist, nach dem das Prüfmuster eingeführt ist, um eine maximale Leistungsübertragungseffizienz zu gewährleisten.
System nach Anspruch 5, wobei die automatischen Abstimmmittel folgendes enthalten: • Eine Reihe von Festwertkondensatoren (93), welche durch steuerbare Schaltmittel (94) geschaltet werden; und • Steuermittel (91) zur Steuerung der Schaltsequenz der Kondensatoren, um eine maximale Leistungsübertragungseffizienz der HF-Spule zu gewährleisten.
System nach Anspruch 6, wobei jeder der aufeinander folgenden Kondensatoren einen Kapazitätswert aufweist, welcher um Faktor 2 größer ist als derjenige des Vorgängers.
System nach Anspruch 6, wobei die steuerbaren Schaltmittel eine Reihe von Vakuumrelais aufweisen, eines für jeden Kondensator, wobei die Vakuumrelais individuell durch die Steuermittel gesteuert werden.
System nach Anspruch 8, wobei die statischen Abstimmungskondensatoren so beabstandet sind, dass die Kapazitätswerte konzentriert und weiter auseinander gesteuert werden, wie es zum Erreichen eines gleichförmigen HF-Flussdichtefeldes erforderlich ist.
Eine Methode zum Aufspüren einer Zielsubstanz innerhalb der Klasse der Explosivstoffe und Betäubungsmittel, welche Quadrupolar-Kerne in einem Prüfmuster aufweisen, unter Benutzung eines Systems nach Anspruch 1, wobei die Methode folgende Schritte enthält: • Anlegen eines präzise programmierten, zeitabgestimmten Pulses an das Detektionssystem; • Anlegen von HF-Anregungspulsen einer vorbestimmten Frequenz an die HF-Spule; • Erfassen von NQR-Signalen durch die HF-Spule, welche durch die Zielsubstanzen innerhalb eines Prüfmusters emittiert werden; • Eingabe der bekannten Charakteristika von NQR-Signalen von Zielsubstanzen in einen Speicher eines digitalen Signalprozessor (44) in dem Detektionssystem; • Einbringen des Prüfmusters in den Hohlraum, welche in der HF-Spule ausgebildet ist; dann • automatisches Abstimmen der HF-Spule zu einer maximalen Leistungsübertragungseffizienz von HF-Signalen, welche in den Hohlraum ausgesendet werden; • Aussenden von HF-Pulsen in den Hohlraum, welcher durch die HF-Spule gebildet wird, und Erzeugung eines gleichförmigen Flussdichtfeldes innerhalb der HF-Spule, in dem das Prüfmuster getestet wird; • Identifizierung von akustischen Klingelsignalen und Unterscheidung der Klingelsignale von NQR-Signalen, wobei der Identifizierungs- und Unterscheidungsschritt die folgenden Schritte enthält: • Anlegen eines HF-Signals an die HF-Spule, welcher getrennt und abgesetzt von dem NQR-Anregungssignal ist, und • Bestimmung der Anwesenheit eines Klingelsignals beim Betrieb des Systems bei einer Frequenz außerhalb des Bereiches der NQR-Testfrequenzen oder durch Bestimmung der Eigenschaft der Signalantwort, basierend auf dem Prinzip eines akustischen Klingelns, bei dem das Klingelsignal mit der Zeit abnimmt und innerhalb einer begrenzten Zeitdauer, zwischen dem einzelnen HF-Pulsen, steigt das NQR-Signal mit der Zeit an; • Verarbeitung der NQR-Signale und deren Vergleich mit in einem Speicher vorhandenen Signalcharakteristika, zum Zwecke der Erkennung ob die NQR-Signale eine Anwesenheit einer Zielsubstanz anzeigen; und • Anzeigemittel, ob der Zustand des Empfangsignals anzeigt, ob eine weitere Untersuchung notwendig ist, oder wahlweise anzeigt, ob die Zielsubstanz in den vorliegenden Prüfmuster vorhanden ist, oder ob die Zielsubstanz in den vorliegenden Prüfmuster nicht vorhanden ist.
Methode nach Anspruch 10, wobei der Abstand der statischen Abstimmungskondensatoren bestimmt wird durch: • Anregen der HF-Spule bis ungefähr zur Zielsubstanz-Resonanzfrequenz; • Abtasten der Intensitäten des HF-Flussfeldes an Positionen durch den gesamten HF-Spulen-Hohlraum, um die relativen Feldintensitäten zu erfassen; • Lineares Einstellen der Kapazität im Spalt; • nochmaliges Erfassen des Feldes innerhalb des HF-Spulen-Hohlraums und nochmaliges Einstellen der Kapazität im Spalt, um eine Gleichförmigkeit des Feldes im HF-Spulen-Hohlraum zu erreichen, wenn die HF-Spule durch HF-Impulse angeregt wird.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Kapazität eingestellt wird durch verändern der relativen Positionen der statischen Abstimmungskondensatoren im Spalt.