ГРЕЧИШКИН Вадим Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор
ШПИЛЕВОЙ Андрей Алексеевич, кандидат физико-математических наук, доцент
БУРМИСТРОВ Валерий Иванович

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЯКР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА

В последнее десятилетие в связи с возросшей угрозой со стороны террористических организаций и увеличением числа локальных военных конфликтов в развитых странах выделяются большие средства на развитие различных методов обнаружения и идентификации взрывчатых веществ (ВВ). В основном эти работы ведутся в двух направлениях: гуманитарное разминирование и разработка систем контроля багажа. Однако в последнее время все острее вырисовывается проблема, связанная с обнаружением ВВ на теле человека. И тут оказывается, что методы более или менее успешно используемые в целях контроля багажа и обнаружения скрытых закладок ВВ в почве и зданиях [1 – 4] мало эффективны или неприменимы вообще для использования в данном случае. Понятно, что методы рентгеноскопии и нейтронного анализа неприменимы вследствие их опасности для здоровья человека. Использование радиоволновых детекторов и нелинейных радаров также находится под вопросом. Кроме их недостаточной помехозащищенности необходимо учитывать тот факт, что СВЧ-излучение такой интенсивности может как нанести вред здоровью человека, так и оказать влияние на работоспособность окружающего оборудования. Для применения газоаналитических приборов и химических экспресс-тестов необходимо наличие определенного количества ВВ в воздухе или на исследуемой поверхности, что сильно ограничивает их использование. Эффективность использования собак минно-розыскной службы зависит от множества трудно контролируемых факторов и не позволяет добиться нужного результата, особенно при вакуумной упаковке ВВ в пластиковый пакет.

В этом отношении приборы, созданные на основе явления ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) [5] обладают рядом неоспоримых преимуществ [6]. Они не требуют непосредственного контакта с ВВ, интенсивность и частота электромагнитного излучения, необходимые для возбуждения исследуемого образца невелики и не оказывают влияния на здоровье человека и работоспособность электронных приборов. Частота ЯКР уникальна для каждого химического соединения и практически не зависит от примеси других химических веществ, небольшого изменения температуры или влажности. При грамотном конструировании аппаратуры минимальная масса обнаруживаемого вещества может составлять всего лишь несколько десятков граммов при достоверности обнаружения 97% [7]. Состояние дел в этой области исследований также мало соответствует современным требованиям. Существуют приборы для контроля багажа и почтовой корреспонденции: QR-160, QR-500, Qscan 2000, выпускаемые Quantum Magnetics (США), ЯКР обнаружители ВВ, разрабатываемые ООО “Логис” и ГП НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова. Quantum Magnetics в 1998 – 2000 годах проводила испытания ЯКР миноискателя. Таким образом, направления исследований те же самые – гуманитарное разминирование и контроль багажа, хотя метод ЯКР мог бы стать одним из наиболее эффективных при обнаружении ВВ на человеке.

Для создания системы обнаружения ВВ на теле человека можно использовать следующие методы:

- локального ЯКР [8];
- ЯКР с использованием объемной катушки [9, 10];
- метод дистанционного двойного ЯКР (ДЯКР) [11].

При дистанционном наблюдении ЯКР и для облучения исследуемой системы и для фиксирования ее отклика используются открытые колебательные системы: плоская спиральная катушка и катушки, намотанные на ВЧ-ферриты [12]. Поскольку возбуждающая катушка находится на некотором расстоянии от исследуемого образца, то амплитуда возбуждающего РЧ-поля в месте его расположения, особенно в условиях сильных помех, может быть сравнима с уровнем шума. В этом случае посторонние электромагнитные поля с частотами, близкими к частоте ЯКР могут оказывать значительное влияние на сигналы ЯКР.

Для выяснения характера и степени этих изменений рассмотрим ЯКР-систему со спином I = 1 (ядра азота ¹⁴N), возбуждаемую РЧ-полем и шумом одновременно. Шум учитывается и во время действия РЧ-импульсов, и в промежутках времени между ними, когда система стремится к равновесному состоянию. В качестве модели шума выбран белый гауссов шум, так как в этом случае можно провести усреднение [13] и решить задачу аналитически для одночастотного возбуждения исследуемой спиновой системы. Для решения уравнения Неймана в моменты действия РЧ-импульсов использовался метод канонического преобразования (переход во “вращающуюся” систему координат) вместе с классическим усреднением. В промежутках между РЧ-импульсами, когда происходит релаксация системы на фоне шума, необходимо использовать метод фиктивных спиновых операторов [14, 15]. В результате были получены выражения для сигналов индукции (СИ) и эха (СЭ). Усреднение по различным направлениям в порошке не производилось.

Для того, чтобы амплитуды сигналов индукции и эха были максимальны при заданной величине амплитуды РЧ-поля, необходимо использовать импульсы определенной (оптимальной) длительности. Величина интервала времени между импульсами должна быть больше, чем T₂, чтобы к моменту действия следующего импульса сигналы от предыдущего затухали. С другой стороны, этот интервал времени должен быть значительно меньше времен необратимого затухания T₁, T₂, иначе сигналы эха наблюдаться не будут. Таким образом, подобрав оптимальные значения длительностей возбуждаемых импульсов и интервалов времени между ними, можно наблюдать сигналы ЯКР. Однако в присутствии шума эти простые закономерности перестают выполняться.

Рассмотрим в качестве примера гексоген. При комнатной температуре частота перехода n₊ = 5192 кГц, времена релаксации T₁ = 10 мс, T₂ = 8 мс, величина РЧ-поля B₁ = 1,3 мТл, длительность интервала между импульсами t = 1 мс.

После окончания действия первого РЧ-импульса длительностью t₁ наблюдается затухающий сигнал свободной индукции. В отсутствии шума оптимальная длительность импульса составляет t_1опт = 31 мкс. Если этим импульсом возбуждать исследуемое вещество при наличии шума, то амплитуда сигнала будет зависеть от относительной величины спектральной мощности шума (СПМШ) X = S/B₁, где B₁ – амплитуда индукции магнитного поля в РЧ-импульсе, а S – спектральная плотность мощности шума. Эта зависимость представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость амплитуды СИ от величины шума

Видно, что при увеличении уровня шума Х амплитуда СИ начинает уменьшаться. Однако это уменьшение становится заметным лишь тогда, когда величина шума сравнима с амплитудой РЧ-поля в импульсе. Это происходит потому, что в присутствии шума изменяется величина t_1опт (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость оптимальной длительности возбуждающего импульса от величины шума

Но заметное изменение оптимальной длительности импульса также происходит лишь при достаточно высоком уровне шума. Если же при изменении шума изменять длительность импульса так, чтобы она всегда была оптимальной, то амплитуда сигнала индукции остается без изменений (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость амплитуды СИ от величины шума при оптимальных длительностях импульса

Оптимальные значения длительностей первого и второго импульсов для сигнала спинового эха при отсутствии шума составляют t_1опт = 31 мкс, t_2опт = 62 мкс. Зависимость амплитуды сигнала от шума при этих значениях длительностей возбуждаемых импульсов представлена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость амплитуды СЭ от величины шума

Видно, что амплитуда СЭ может изменяться в очень широких пределах при незначительном (порядка нескольких процентов) изменении относительной величины дисперсии шума. При значительном увеличении уровня шума величина сигнала сильно уменьшается. Как и для сигнала индукции, это обусловлено зависимостью оптимальных длительностей первого и второго возбуждаемых импульсов от шума (рис. 5).

а)

б)
Рис. 5. Зависимость оптимальной длительности первого (а) и второго (б) импульса от шума

На основании этого можно сделать вывод, что такое поведение СЭ обусловлено более сложной зависимостью оптимальных длительностей возбуждающих импульсов от шума. В отличие от СИ если при изменении шума изменять длительности импульсов так, чтобы они всегда были оптимальными, то амплитуда СЭ все равно будет изменяться очень сильно при малом изменении шума (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость амплитуды СЭ от величины шума при оптимальных длительностях импульсов

Зависимости амплитуды СЭ от интервала времени между импульсами при различных значениях Х при t_1опт = 31 мкс, t_2опт = 62 мкс представлены на рис. 7.

а)

б)

в)
Рис. 7. Зависимость амплитуды СЭ от t при разных значениях шума: Х = 0 (а); Х = 0,025 (б); Х = 0,1 (в)

В присутствии шума на зависимости амплитуда СЭ от t наблюдаются осцилляции, частота которых увеличивается пропорционально увеличению уровня шума. Это приводит к тому, что даже при правильно подобранных с учетом шума длительностях импульсов и при неудачно выбранном значении t сигнал наблюдаться не будет. Это объясняется тем, что в присутствии шума оптимальные длительности возбуждающих импульсов t₁ и t₂ и величина t между ними связаны сложной зависимостью, характер которой меняется при изменении Х (рис. 8, 9).

а)

б)
Рис. 8. Зависимость t_1опт от t при различных Х: Х = 0,01 (а); Х = 0,1 (б)

а)

б)
Рис. 9. Зависимость t_2опт от t при различных Х: Х = 0,01 (а); Х = 0,1 (б)

Такая разная зависимость сигналов индукции и эха от шума объясняется следующим образом. При образовании СИ шум воздействует на облучаемый образец в течение достаточно короткого промежутка времени, равного длительности РЧ-импульса, которая имеет величину порядка нескольких десятков микросекунд. Поэтому влияние шума становится ощутимым лишь при его больших значениях. Сигнал эха возбуждается двумя короткими импульсами, разделенными интервалом времени t величиной порядка единиц – десятков миллисекунд. Сам сигнал возникает через время t после окончания действия второго импульса. Воздействием шума в течение этих двух достаточно длительных интервалов времени t и определяется более сложная и сильная зависимость сигнала эха от шума. Таким образом, чтобы минимизировать влияние шума на сигналы ЯКР необходимо использовать как можно более короткие и мощные РЧ-импульсы и более короткие интервалы между ними.

Основной недостаток ЯКР – малая интенсивность сигналов. Для его преодоления обычно используют накопление сигналов. Чтобы уменьшить время, затрачиваемое на обнаружение сигналов ЯКР при накоплении, используются многоимпульсные последовательности [16]. Из приведенных выше рассуждений понятно, что влияние шума на параметры сигналов ЯКР, полученных в результате использования многоимпульсных последовательностей будет еще более сложным и более существенным, чем на сигналы одиночного эха.

Таким образом, получается, что амплитуды сигналов локального ЯКР зависят от параметров, контролировать значения которых в условиях значительных помех не представляется возможным. Малейшее изменение внешней электромагнитной обстановки может привести к такому изменению этих параметров, что амплитуда сигналов ЯКР станет близка к нулю. Кроме того, выделение сигналов ЯКР из шумов при высоком уровне шума также представляет серьезную проблему [17]. На основании выше изложенного можно утверждать, что метод локального ЯКР вряд ли можно использовать при создании прибора для обнаружения ВВ на теле человека, который должен работать в аэропортах, на железнодорожных вокзалах и т. д., то есть в местах с повышенным РЧ-фоном.

Аппаратура для дистанционного ДЯКР была описана в [11]. Квадрупольные моменты легких ядер, таких как азот ¹⁴N, значительно меньше, чем тяжелых, и их квадрупольные переходы, соответственно, расположены в более низкочастотной области [18]. Это обстоятельство зачастую оказывается существенным, поскольку чувствительность прямых методов ЯКР уменьшается с частотой и уже при n = 1 МГц наблюдение линий поглощения сопряжено со значительными трудностями. Кроме того, в состав четырех основных взрывчатых веществ: тротила, гексогена, октогена и ТЭНа входят NO₂-группы. Диапазон частот ЯКР ¹⁴N от NO₂-групп в органических соединениях попадает в диапазон средневолновых радиовещательных станций, что приводит к снижению чувствительности прямого метода детектирования. Ситуация осложняется еще больше в случае наличия в образце различных химически неэквивалентных ядер и кристаллической неэквивалентностью, которая приводит к мультиплетности линий. Кроме этого NO₂-группы в соединениях, входящих в ВВ, например в ТНТ, могут вращаться при комнатной температуре, уширяя линию ЯКР [19]. Все это приводит к невозможности наблюдения сигналов ЯКР прямым методом даже с накоплением и даже в отсутствии шума. В этой ситуации как нельзя кстати подходит метод дистанционного ДЯКР, который отличается высокой чувствительностью. Для демонстрации этого преимущества были получены спектры тринитротолуола и нитрата аммония при комнатной температуре после пяти накоплений (рис. 10, 11).

Рис. 10. Спектр ТНТ при комнатной температуре после пяти накоплений

Рис. 11. Спектр нитрата аммония при комнатной температуре после пяти накоплений

Константы квадрупольной связи eQq_zz и параметр асимметрии h для этих соединений, рассчитанные из полученных спектров, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Частоты ЯКР и параметры квадрупольной связи для ТНТ и нитрата аммония при комнатной температуре

Кроме того, поскольку сигнал ЯКР регистрируется косвенно по изменению сигнала ЯМР от протонов, можно предположить, что влияние шума при возбуждении квадрупольной системы будет сказываться значительно меньше, чем в случае прямого метода, что обусловлено высокой чувствительностью двойного резонанса. Это снижает требования по экранировке приемопередающей системы от внешних электромагнитных воздействий по сравнению с прямым методом. Таким образом, можно утверждать, что широкие возможности методов двойного ядерного квадрупольного резонанса в обнаружении наркотических и взрывчатых веществ заведомо оправдывают затраты и сложности, связанные с конструированием аппаратуры такого рода.

В работах [10, 20] описана аппаратура ЯКР для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в багаже. Было показано, что при использовании прямого импульсного метода с катушкой объемом 110 л при мощности в РЧ-импульсе Р = 5 кВт 30 г гексогена обнаруживается за несколько секунд. На базе прибора, предназначенного для контроля багажа, можно быстро и без особенных затрат сделать устройство, позволяющее эффективно обнаруживать ВВ на теле человека. Основой такого прибора служит катушка объемом 110 – 160 литров, ось которой перпендикулярна поверхности земли. Эта катушка является внутренней частью цилиндрической кабины, куда помещается человек. Внешняя часть этой кабины экранирует катушку от воздействия внешних РЧ-полей. Поскольку время обнаружения ВВ в таком устройстве не превышает несколько десятков секунд, а само устройство обладает достаточно высокой чувствительностью, этот способ позволит осуществить быструю и массовую проверку пассажиров на наличие ВВ и наркотиков, что необходимо в силу сложившейся в стране обстановки. Поскольку уже существуют серийно выпускаемые ЯКР-приборы для контроля багажа, разработка электронной части этого устройства не займет много времени. Проведенные испытания со 110-литровой соленоидальной катушкой в экране позволили за 10 секунд обнаружить 30 г гексогена на теле человека, который входил в устройство.

Таким образом, основываясь на изложенных выше соображениях, можно утверждать следующее. Для создания прибора, предназначенного для обнаружения на теле человека ВВ, дающих достаточно сильный сигнал ЯКР (гексоген, октоген) наиболее подходит прямой импульсный метод ЯКР с использованием хорошо экранированной объемной катушки. Метод дистанционного ДЯКР может использоваться в случаях, когда чувствительности прямого метода не достаточно для обнаружения ВВ, таких как тринитротолуол или наркотиков. Однако для создания работающего в реальных условиях устройства на основе дистанционного ДЯКР требуются дальнейшие исследования.

Литература.

1. Петров С. И. К оценке возможности обнаружения взрывчатых веществ и устройств, содержащих их.//Специальная техника, 2001, №4, с. 16 – 20.
2. Петренко Е. С. Средства поиска взрывоопасных предметов по косвенным признакам.//Специальная техника, 2002, №2,с. 28 – 34.
3. Петренко Е. С. Некоторые особенности поиска взрывчатых веществ и взрывоопасных предметов с помощью собак, газоаналитических приборов и химических экспресс-тестов.//Специальная техника, 2002, №4, с. 20 – 24.
4. Шелков В. А. Бесконтактный способ выявления взрывчатых и наркотических веществ.//Специальная техника, 2000, №6, с. 48 – 49.
5. Гречишкин В. С. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах. М., Наука, 1973.
6. Белый Ю.И. и др. Аппаратура для борьбы с терроризмом на основе эффекта ядерного квадрупольного резонанса.//Специальная техника, 2002, №2, с. 35 – 39.
7. Гречишкин В. С. Известия вузов. Физика. 1992, №7, с. 62 – 65.
8. Анферов В. П., Гречишкин В. С., Синявский Н. Я. Ядерный спиновый резонанс. Новые методы. Л., ЛГУ, 1990.
9. Гречишкин В. С., Гречишкина Р. В., Емельянов О. С. Известия вузов. Физика, 1996, №,10, с. 98 – 99.
10. Grechishkin V. S. J. Appl. Phys. 1994, v. A58, p. 63 – 65.
11. Гречишкин В. С., Гречишкина Р. В., Шпилевой А. А., Персичкин А. А., Хео Хун. Оптика и спектроскопия, 2003, т. 94, № 3, с. 392 – 393.
12. Гречишкин В. С., Синявский Н. Я. УФН, .1993, т. 163, № 10, с. 95 – 119.
13. Ахманов С. А. Введение в статистическую радиофизику и оптику, Москва, 1981.
14. Wokaun A., Ernst R. R. Selective excitation and detection in multilevel spin systems: Aplication of single transition operators, J. Chem. Phys., 1977, 67, p. 1752 – 1758.
15. Vega S. Fictitious spin ? operator formalism for multiple quantum NMR, J. Chem. Phys., 1978, 68, p. 5518 – 5527.
16. Ермаков В. Л., Осокин Д. Я. Радиоспектроскопия, 1985, Выпуск 16, с. 31 – 44., Пермь, ПГУ.
17. Гречишкин В. С., Анферова Л. В. Использование принципа Бора для сигналов ЯКР при разминировании.//Специальная техника, 2004, №3, с. 42 – 49.
18. Гречишкин B.C., Шпилевой А.А. УФН, 1996, №7, с.763 – 776.
19. Гречишкин В. С., Синявский Н. Я., Мозжухин Г. В. Известия вузов. Физика. 1992, №7, с. 58 – 61.
20. Grechishkin V. S. Appl. Phys. 1992, v. A55, p. 505 – 507.

Статья опубликована на сайте: 29.11.2006