Sobre la posibilidad de utilizar NQR para detectar explosivos en el cuerpo humano .
GRECHISHKIN Vadim Sergeevich, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor
SHPILEVOY Andrey Alekseevich, Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor Asociado
BURMISTROV Valery Ivanovich
ACERCA DE LA POSIBILIDAD DE UTILIZAR NUCLEARES PARA DETECTAR
EXPLOSIVOS EN EL CUERPO HUMANO
En la última década, debido a la creciente amenaza de las organizaciones terroristas y al aumento del número de conflictos militares locales en los países desarrollados, se han asignado grandes fondos para el desarrollo de diversos métodos para detectar e identificar explosivos.
Básicamente, este trabajo se lleva a cabo en dos direcciones: el desminado humanitario y el desarrollo de sistemas de control de equipaje.
Sin embargo, recientemente el problema asociado con la detección de Los explosivos en el cuerpo humano se han vuelto cada vez más graves.
Y aquí resulta que los métodos utilizados con mayor o menor éxito para el control de equipajes y la detección de explosivos ocultos en el suelo y los edificios [1 – 4] son poco efectivos o generalmente inaplicables para su uso en este caso.
Está claro que los métodos de fluoroscopia y análisis de neutrones no son aplicables debido a su peligro para la salud humana. El uso de detectores de ondas de radio y radares no lineales también es cuestionable.
Además de su insuficiente inmunidad al ruido, es necesario tener en cuenta el hecho de que la radiación de microondas de tal intensidad puede dañar la salud humana y afectar el rendimiento de los equipos circundantes.
Para el El uso de instrumentos de análisis de gases y pruebas químicas rápidas requiere la presencia de una cierta cantidad de explosivos en el aire o en la superficie que se está probando, lo que limita en gran medida su uso.
La eficacia del uso de perros detectores de minas depende de muchos factores difíciles de controlar y no permite lograr el resultado deseado, especialmente cuando se envasan explosivos al vacío en una bolsa de plástico.
En este caso En este sentido, los dispositivos creados sobre la base del fenómeno de la resonancia cuadrupolar nuclear (NQR) [5] tienen una serie de ventajas innegables [6].
No requieren contacto directo con explosivos; la intensidad y frecuencia de la radiación electromagnética necesaria para excitar la muestra en estudio son pequeñas y no afectan la salud humana ni el rendimiento de los dispositivos electrónicos.
La frecuencia NQR es única para cada compuesto químico y prácticamente no depende de la mezcla de otros químicos, pequeños cambios de temperatura o humedad.
Con un diseño adecuado del equipo, la masa mínima de la sustancia detectada puede ser sólo unas pocas decenas de gramos con una confiabilidad de detección del 97% [ 7].
La situación en esta área de investigación tampoco cumple con los requisitos modernos.
Existen dispositivos para facturar equipaje y correo: QR-160, QR-500, Qscan 2000, fabricados por Quantum Magnetics (EE. UU.), detectores de explosivos NQR, desarrollados por Logis y el Instituto de Investigación Empresarial Estatal de Ingeniería de Instrumentos que lleva su nombre. V.V. Tikhomirov. Quantum Magnetics probó el detector de minas NQR entre 1998 y 2000.
Por lo tanto, las direcciones de la investigación son las mismas: desminado humanitario y control de equipaje, aunque el método NQR podría convertirse en uno de los más efectivos para detectar explosivos en humanos.
Crear un sistema de detección Se pueden utilizar los siguientes métodos en el cuerpo humano:
— NQR local [8];
— NQR usando una bobina volumétrica [9, 10];
— método de doble NQR remoto (DNQR) [11].
Durante la observación remota de NQR, se utilizan sistemas oscilatorios abiertos para irradiar el sistema en estudio y registrar su respuesta: una bobina espiral plana y bobinas enrolladas en ferritas de RF [12].
Desde Si la bobina excitadora se encuentra a cierta distancia de la muestra en estudio, la amplitud del campo de RF excitante en su ubicación, especialmente en condiciones de fuerte interferencia, puede ser comparable al nivel de ruido.
En este caso, los campos electromagnéticos extraños con frecuencias cercanas a la frecuencia NQR pueden tener un efecto significativo en las señales NQR.
Para aclarar la naturaleza y el alcance de estos cambios, considere un sistema NQR con espín I = 1 (núcleos de nitrógeno 14N), excitados por el campo de RF y el ruido simultáneamente.
El ruido se tiene en cuenta tanto durante la acción de los pulsos de RF como en los intervalos de tiempo entre ellos, cuando el sistema tiende a un estado de equilibrio. Se eligió el ruido blanco gaussiano como modelo de ruido, ya que en este caso es posible realizar un promedio [13] y resolver analíticamente el problema para la excitación de una sola frecuencia del sistema de espín en estudio.
Para resolver la ecuación de Neumann en los momentos de acción Para los pulsos de RF se utilizó el método de transformación canónica (transición a un “sistema de coordenadas giratorio”) junto con el promedio clásico. En los intervalos entre pulsos de RF, cuando el sistema se relaja frente al ruido de fondo, es necesario utilizar el método de operadores de espín ficticios [14, 15].
Como resultado, se obtuvieron expresiones para las señales de inducción (SI) y eco (SE). No se realizó un promedio en diferentes direcciones en el polvo.
Para que las amplitudes de las señales de inducción y eco sean máximas en una amplitud de campo de RF determinada, es necesario utilizar pulsos de una determinada duración (óptima).
El intervalo de tiempo entre pulsos debe ser mayor que T2, de modo que cuando se aplique el siguiente pulso, las señales del anterior se hayan desvanecido. .
Por otro lado, este intervalo de tiempo debe ser significativamente menor que los tiempos de atenuación irreversible T1, T2, de lo contrario no se observarán las señales de eco.
Seleccionando así los valores óptimos de las duraciones de los pulsos excitados y los intervalos de tiempo entre ellos, se pueden observar señales NQR. Sin embargo, en presencia de ruido, estas simples leyes ya no son válidas.
Considere RDX como ejemplo.
A temperatura ambiente, frecuencia de transición n+ = 5192 kHz, tiempos de relajación T1 = 10 ms, T2 = 8 ms, valor de campo RF B1 = 1,3 mT, duración del intervalo entre pulsos t = 1 ms.
Después del final del primer pulso de RF de duración t1, se observa una señal de inducción libre que decae.
En ausencia de ruido, la duración óptima del pulso es t1opt = 31 μs.
Si este pulso excita la sustancia en estudio en presencia de ruido, entonces la amplitud de la señal dependerá del valor relativo de la potencia espectral del ruido (SPNR) X = S/B1, donde B1 es la amplitud de la señal magnética. inducción de campo en el pulso de RF, y S es la densidad de potencia espectral del ruido. Esta dependencia se presenta en la Fig. 1.
Fig. 1. Dependencia de la amplitud del SI del nivel de ruido
Se puede observar que a medida que aumenta el nivel de ruido X, la amplitud del SI comienza a disminuir. Sin embargo, esta reducción se vuelve perceptible sólo cuando la magnitud del ruido es comparable a la amplitud del campo de RF en el pulso.
Esto sucede porque en presencia de ruido el valor t1opt cambia (Fig. 2).
Fig. 2. Dependencia de la duración óptima del impulso excitante del nivel de ruido
Pero también se produce un cambio notable en la duración óptima del impulso sólo con un nivel de ruido suficientemente alto.
Si, cuando cambia el ruido, la duración del pulso cambia para que siempre sea óptima, entonces la amplitud de la señal de inducción permanece sin cambios (Fig. 3).
Fig. 3. Dependencia de la amplitud SR del valor del ruido en duraciones de pulso óptimas
Los valores óptimos de las duraciones del primer y segundo pulso para la señal de eco de espín en ausencia de ruido son t1opt = 31 μs, t2opt = 62 μs.
La dependencia de la amplitud de la señal sobre el ruido a estos valores de la duración de los pulsos excitados se presenta en arroz. 4.
Fig. 4. Dependencia de la amplitud SE de la magnitud del ruido
Se puede observar que la amplitud del SE puede variar en un rango muy amplio con un ligero cambio (del orden de varios por ciento) en el valor relativo de la dispersión del ruido. Con un aumento significativo en el nivel de ruido, la magnitud de la señal disminuye considerablemente.
En cuanto a la señal de inducción, esto se debe a la dependencia de la duración óptima del primer y segundo pulso excitado. sobre el ruido (Fig. 5).
b)
Fig. 5. Dependencia de la duración óptima del primer (a) y segundo (b) pulso del ruido
Basado en esto, podemos concluir que esto El comportamiento del SE se debe a una dependencia más compleja de la duración óptima de los impulsos excitantes respecto del ruido.
A diferencia del SI, si, cuando cambia el ruido, las duraciones de los pulsos se modifican para que siempre sean óptimas, entonces la amplitud del SE seguirá cambiando muy fuertemente con un pequeño cambio en el ruido (Fig. 6).
Arroz. 6. Dependencia de la amplitud SE del nivel de ruido en duraciones de pulso óptimas
Las dependencias de la amplitud SE en el intervalo de tiempo entre pulsos para diferentes valores de X en t1opt = 31 μs, t2opt = 62 μs se muestran en la Fig. 7.
a)
b)
c)
Fig. 7. Dependencia de la amplitud SE de t para diferentes valores de ruido: X = 0 (a); X = 0,025 (b); X = 0,1 (c)
En presencia de ruido, la dependencia de la amplitud SE de t presenta oscilaciones, cuya frecuencia aumenta en proporción al aumento del nivel de ruido. Esto lleva al hecho de que incluso con duraciones de pulso seleccionadas correctamente teniendo en cuenta el ruido y con un valor t seleccionado incorrectamente, la señal no se observará.
Esto se explica por el hecho de que en presencia de ruido, las duraciones óptimas de los impulsos excitantes t1 y t2 y el valor t entre ellos están conectados por una relación compleja, cuya naturaleza cambia a medida que cambia X (Fig. 8, 9).
a)
b)
Fig. 8. Dependencia de t1opt de t para diferentes X: X = 0,01 (a); X = 0,1 (b)
a)
b)
Esta diferente dependencia de las señales de inducción y de eco con respecto al ruido se explica a continuación. Durante la formación de SR, el ruido afecta a la muestra irradiada durante un período de tiempo bastante corto, igual a la duración del pulso de RF, que es del orden de varias decenas de microsegundos.
Por lo tanto, la influencia del ruido sólo se nota cuando se trata de valores grandes.
La señal del eco se excita mediante dos impulsos cortos separados por un intervalo de tiempo t del orden de unos pocos a decenas de milisegundos.
La señal en sí aparece después de un tiempo t después del final del segundo impulso.
La exposición al ruido durante estos dos intervalos de tiempo suficientemente largos determina una dependencia más compleja y fuerte de la señal de eco con respecto al ruido.
Así, para minimizar la influencia del ruido en las señales NQR , es necesario utilizar tantos pulsos de RF cortos y potentes e intervalos más cortos entre ellos.
La principal desventaja de NQR es la baja intensidad de las señales. Para superarlo se suele utilizar la acumulación de señal.
Para reducir el tiempo dedicado a detectar señales NQR durante la acumulación, se utilizan secuencias de pulsos múltiples [16].
De las consideraciones anteriores queda claro que la influencia del ruido en los parámetros de Las señales NQR obtenidas como resultado del uso de secuencias de pulsos múltiples serán incluso más complejas y significativas que las señales de un solo eco.
Por tanto, resulta que las amplitudes de las señales NQR locales dependen de parámetros cuyos valores no se pueden controlar en condiciones de interferencia significativa. El más mínimo cambio en el entorno electromagnético externo puede provocar tal cambio en estos parámetros que la amplitud de las señales NQR se acerque a cero.
Además, separar las señales NQR del ruido a altas Los niveles de ruido también plantean un problema grave [17].
Con base en lo anterior, se puede argumentar que el método NQR local difícilmente se puede utilizar al crear un dispositivo para detectar explosivos en el cuerpo humano, que debería funcionar en aeropuertos, estaciones de tren, etc., es decir, en lugares con una alta Antecedentes de RF.
El equipo para DNCR remoto se describió en [11].
Los momentos cuadrupolares de núcleos ligeros, como el nitrógeno 14N. , son significativamente más pequeños que los de los pesados y, por lo tanto, sus transiciones cuadrupolares se encuentran en la región de frecuencia más baja [18].
Esta circunstancia a menudo resulta significativa, ya que la sensibilidad de los métodos NQR directos disminuye con la frecuencia y ya en n = 1 MHz la observación de las líneas de absorción se asocia con importantes dificultades.
En Además, la composición de los cuatro explosivos principales: TNT, hexógeno, octógeno y PETN incluyen grupos NO2. El rango de frecuencia del 14N NQR de los grupos NO2 en compuestos orgánicos se encuentra dentro del alcance de las estaciones de radiodifusión de onda media, lo que conduce a una disminución de la sensibilidad del método de detección directa.
La situación se complica aún más en el caso de la presencia de varios núcleos químicamente no equivalentes en la muestra y de la no equivalencia cristalina, lo que conduce a la multiplicidad de líneas. Además, los grupos NO2 en compuestos incluidos en explosivos, por ejemplo en TNT, pueden girar a temperatura ambiente, ampliando la línea NQR [19].
Todo esto conduce a la imposibilidad de observar señales NQR mediante el método directo, incluso con acumulación e incluso en ausencia de ruido. En esta situación, el método NQR remoto, que es muy sensible, resulta útil.
Para demostrar esta ventaja, se obtuvieron los espectros de trinitrotolueno y nitrato de amonio a temperatura ambiente después de cinco acumulaciones. (Fig. 10, 11).
Fig. 11. Espectro de nitrato de amonio a temperatura ambiente después de cinco acumulaciones
Las constantes de acoplamiento cuadrupolar eQqzz y el parámetro de asimetría h para estos compuestos, calculados a partir de los espectros obtenidos, se dan en Mesa. 1.
Tabla 1. Frecuencias NQR y parámetros de acoplamiento cuadrupolo para TNT y nitrato de amonio a temperatura ambiente
| Sustancia | n+ kHz | n-, kHz | eQqzz, kHz | h |
| TNT | 878 843 |
768 743 |
1097 1057 |
0,201 0,189 |
| Nitrato de amonio | 475 | 445 | 613 | 0.098 |
Además, dado que la señal NQR se registra indirectamente mediante cambios en la señal NMR de los protones, se puede suponer que el efecto del ruido durante la excitación del sistema cuadrupolar será significativamente menor que en el caso del método directo, lo que se debe a la alta sensibilidad de la doble resonancia. Esto reduce los requisitos para proteger el sistema transceptor de influencias electromagnéticas externas en comparación con el método directo.
Por lo tanto, se puede argumentar que las amplias posibilidades de los métodos de resonancia de doble cuadrupolo nuclear en el La detección de sustancias estupefacientes y explosivas justifica claramente los costes y las dificultades asociadas a la construcción de equipos de este tipo.
Los trabajos [10, 20] describen equipos NQR para detectar explosivos y sustancias narcóticas en el equipaje.
Se demostró que cuando se utiliza el método de pulso directo con una bobina de 110 litros a potencia de RF , impulso P = 5 kW, se detectan 30 g de hexógeno en unos segundos. A partir de un dispositivo diseñado para el control de equipaje, se puede fabricar de forma rápida y económica un dispositivo que permita detectar explosivos de manera efectiva en el cuerpo humano.
La base de dicho dispositivo es una bobina con un volumen de 110 a 160 litros, cuyo eje es perpendicular a la superficie de la tierra. Esta bobina es la parte interior de una cabina cilíndrica donde se coloca a una persona.
La parte exterior de esta cabina protege la bobina de campos de RF externos.
Dado que el tiempo para detectar explosivos en un dispositivo de este tipo no supera varias decenas de segundos y que el dispositivo en sí tiene una sensibilidad bastante alta, este método permitirá realizar un control rápido y masivo de los pasajeros para detectar la presencia de explosivos y drogas, lo cual es necesario. debido a la situación actual en el país.
Dado que ya existen dispositivos NQR producidos en masa para el control de equipaje, el desarrollo de la parte electrónica de este dispositivo no llevará mucho tiempo.
Las pruebas realizadas con una bobina solenoide de 110 litros en la pantalla permitieron detectar 30 g de hexógeno en 10 segundos en el cuerpo de una persona que entró en el dispositivo.
Así, con base en las consideraciones anteriores, se puede afirmar lo siguiente. Para crear un dispositivo diseñado para detectar explosivos en el cuerpo humano que proporcionen una señal NQR suficientemente fuerte (RDX, HMX), el método NQR de pulso directo que utiliza una bobina volumétrica bien protegida es el más adecuado.
El método NQR remoto se puede utilizar en casos en los que la sensibilidad del método directo no es suficiente para detectar explosivos como trinitrotolueno o drogas.
Sin embargo, se requiere más investigación para crear un dispositivo basado en DNCR remoto que funcione en condiciones reales.
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