Zastosowanie magnetycznego rezonansu do wykrywania materiałów wybuchowych i narkotyków

1. Zastosowanie magnetycznego rezonansu do wykrywania materiałów wybuchowych i narkotyków Mikołaj Siergiejew Zakład Fizyki Ciała Stałego, IF USz

2. Wstęp Po pamiętnych atakach terrorystycznych, które zdarzyły się w ostatnich latach na całym świecie, znów wzrosło zainteresowanie poszukiwaniem nowych fizycznych metod do wykrywania materiałów wybuchowych ukrytych 1. w bagażu podręcznym; 2. w przesyłkach pocztowych; 3. w ubraniu pasażerów itp.

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

4. Przykłady min przeciwpiechotnych Masa – 200 g ÷ 10 kg Masa wybuchowego materiału - 10 g ÷ 500 g Wybuch następuje przy nacisku albo pociągnięciu za sznurek – 1,5 kg ÷ 25 kg

5. Niektóre wybuchowe materiały Trotyl Heksogen C3H6N3(NO2)3 C7H5(NO2)3

6. Wzory chemiczne niektórych narkotyków Kokaina Heroina C21H22NO5 C17H21NO4

7. Metody wykrywania • Promieniowanie jonizujące: gamma, alfa, beta, neutrony. Najszersze zastosowanie uzyskała metoda aktywacji neutronami termicznymi (TNA) • 14N + n15N*15N +  (10.08 MeV) • Jednak ta metoda wymaga bardzo kosztownej • aparatury jądrowej i wymaga dość dużo czasu.

8. Metody wykrywania 2. Metody oparte na analizie obecności śladowych ilości pewnych substancji w oparach wydzielanych przez narkotyki i materiały wybuchowe. Te metody są dobre do wykrycia „starych” narkotyków i materiałów wybuchowych (dynamit). Nowoczesne narkotyki i plastyczne materiały wybuchowe nie wydzielają takich substancji w wystarczającym stężeniu.

9. Metody wykrywania • 3. Metody radiospektroskopowe : • Magnetyczny Rezonans Jądrowy (NMR) • Magnetyczny Rezonans Kwadrupolowy (NQR ) • Elektronowy Rezonans Paramagnetyczny (EPR)

10. Podstawy radiospektroskopii

11. Podstawy radiospektroskopii

12. Właściwości magnetyczne jąderwchodzących w skład WM i N

13. NMR i EPR metody • NMR 1H nie jest dość informacyjną metodą , • ponieważ jądra 1H istnieją prawie „wszędzie”. • 2. NMR 14N wymaga wykorzystania dość • wysokiego i jednorodnego pola magnetycznego. • 3. EPR na paramagnetycznych centrach • jest mało informacyjny. Oprócz tego centra • paramagnetycznie również są wszędzie (nawet • w zabawkach, kosmetykach itd.)

14. Jądro 14N

15. Poziomy energetyczne 14N m = + 1 0 m = - 1 – + m = 0 0 = (3eQq/2h)  =(3eQq/4h)(1/3)

16. Trudności w obserwacji NQR jąder 14N Energia absorbowana Częstości rezonansowe NQR ±, 0 jąder azotu 14N grup NO2 są < 1 MHz. Częstość NMR protonów (1H)  100 MHz, a zatem sygnał NQR 14N ma amplitudę w ~ 10000 razy mniejszą niż sygnał NMR 1H.

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

18. Temperatura spinowa n- n- n+ n+

19. Metody zmiany TS n- n- n+ n+

20. Metody zmiany TS n- n- n+ n+ Adiabatyczne zmiany pola

21. Metody zmiany TS Sekwencja ujarzmiająca spiny – spin locking 90X t > T2 B1Y

22. Cieplny kontakt 1H – 14N TIS Jądra 1H (A) Jądra 14N (B) Warunek Hartmanna- Hahna

23. Cieplny kontakt 1H – 14N Warunek Hartmanna- Hahna EA = EB flip-flop term – ( IA+IB- + IB-IA+)

24. Podwójny spin-echo rezonans Jądra A – protony (1H), jądra B – jądra 14N Gdy częstość B pokrywa się z rezonansową częstością jąder B, maleje amplituda echa jąder A. Metoda ta jest efektywna w przypadku silnego sprężenia dipolowego jąder A i B.

25. Podwójny NMR - NQR w układzielaboratoryjnym

26. Podwójny NMR-NQR w wirującym układzie

27. Widmo 14N kokainy

28. Widmo 14N kodeiny

29. Widmo 14N heksogenu

30. Impulsowa sekwencja rejestracji czterech WM

31. Widma NQR 14N

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

33. Zależność natężenia sygnału NQR od l  = B l cewka

34. Sekwencje impulsowe a widma dwuwymiarowe NQR 14N

35. Widmo dwuwymiarowe NQR 14N heksogenu

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

37. Podsumowanie 3. Obecnie szereg firm produkuje urządzenia do wykrycia wybuchowych materiałów i narkotyków pracujących na podstawie rezonansu magnetycznego. Na przykład firma Quantum Magnetics (USA) produkuje urządzenie do wykrycia narkotyków w zamrożonych przetworach z ryb. Objętość cewki w tym urządzeniu wynosi 170 litrów ! Są również urządzenia do wykrycia min przeciwpiechotnych na odległości do 20 cm od powierzchni ziemi. Niestety dostęp do informacji o tej produkcji jest silnie ograniczony.

39. Na każdy wynalazek jest ...

40. Literatura • V.S.Grechishkin et al.(zespół z Kaliningradu) . UFN (Postępy nauk fizycznych) 167 (1997); 166 (1996) • 2. J.Nogaj et al. Zespół z zakładu kwadrupolowego rezonansu Instytutu Fizyki, UAM, Poland • 3. I.A.Safin, D.Ja.Osokin, Zespół z Instytutu fizyko-technicznego AN, Kazań. • 4. S.P.Gabuda, Yu.Kriger et al., Zespół z Instytutu chemii nieorganicznej AN, Novosibirsk • N.A.Sergeev, A.V.Yatcenko, • A.V.Sapiga, et al., Raporty z badań statutowych 1981-1989 - Uniwersytet Simferopolski.

41. Skrośna relaksacja 14N – 1H T1 H = N 

42. Wspomnienia 1981 - 1989