(57)【要約】多共振の核四重極共振（ＮＱＲ）検査システムが開示される。このシステムは、複数の信号を同時に送信及び受信するようにチューニングされた多共振回路１６を備えている。受信回路は、集中エレメント四半波長ユニット１０の形態の受動的回路保護を備え、又、信号ジェネレータ６及び周波数ミクサ８は、戻り信号を変更して信号の監視を容易にするのに使用される。このシステムは、ＲＤＸ及びＰＥＴＮを同時に検出するように示されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の高周波信号をサンプルに印加する送信手段と、戻り信号を受信する受信回路とを備えていて、複数のターゲット材料の存在を同時に検出するための核四重極共振（ＮＱＲ）検査システムにおいて、
前記送信手段及び受信回路は、複数の所定周波数における複数の信号を同時に送信及び受信するようにチューニングされた多共振回路を備え、前記周波数は、複数のターゲット材料の特性共振周波数に実質的に一致するものであり、且つ前記受信回路は、更に、複数の戻り信号の同時受信を許すために受動的回路保護手段を備えている検査システム。
【請求項２】
単一パルスシーケンス内の複数の周波数で動作できる分光計を備えた、請求項１に記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項３】
前記受信回路は、更に、複数の戻り信号を変更してそれらを前記分光計によって同時に監視できるように適応された信号処理手段を備えた、請求項２に記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項４】
前記信号処理手段は、複数の戻り信号を前記分光計の最大帯域巾内にもっていくために、使用中に所定周波数の位相コヒレント混合信号を発生する信号ジェネレータを備えた、請求項３に記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項５】
前記受動的回路保護手段は、複数の戻り信号の受信を許しながら信号送信中に前記受信回路の保護を与えるようにチューニングされた集中エレメント４分の１波長ユニットを備えた、請求項１から４のいずれかに記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項６】
前記多共振回路は、タップ付きコイルを備えた、請求項１から５のいずれかに記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項７】
前記複数の送信信号は、ターゲット材料を励起するように印加され、前記複数の戻り信号を同時に受信できるようにされる、請求項１から６のいずれかに記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項８】
前記複数の送信信号はインターリーブされる、請求項７に記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項９】
前記送信手段は、ＲＤＸの特性共振周波数の１つにおいて定常自由歳差運動パルスシーケンスを印加する、請求項１から８のいずれかに記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項１０】
前記送信手段は、ＰＥＴＮの特性共振周波数の１つにおいてパルス状スピンロックパルスシーケンスを印加する、請求項１から９のいずれかに記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項１１】
前記複数の送信信号は、ＲＤＸ及びＰＥＴＮを同時に検出するために、３．４１０ＭＨｚの定常自由歳差運動パルスシーケンスと０．８９０ＭＨｚのパルス状スピンロックパルスシーケンスとをインターリーブしたものを含む、請求項１から１０のいずれかに記載のＮＱＲ検査システム。
【請求項１２】
実質的に添付図面を参照して説明したＮＱＲ検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核四重極共振（共鳴）検査システムの分野に係り、より詳細には、複数のターゲット材料の存在を同時に検出するための多共振システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
原子核の電気四重極モーメントと原子核の周りの電界勾配との相互作用で磁気核エネルギーレベルが分割される。共振高周波（ＲＦ）フィールドを印加してこのようなエネルギーレベル間の遷移を励起するときに核四重極共振（ＮＱＲ）が生じる。ＮＱＲ検査は、分割エネルギーレベル間の遷移を探知するための技術であり、これらの遷移は、共振ＲＦフィールドにより励起されてＲＦスペクトルを発生し、これにより、ある範囲の材料を検出することができる。しかしながら、スピン量子数Ｉが１／２より大きい核、例えば、14Ｎ及び35Ｃｌでなければ、電気四重極モーメントをもたず、ひいては、ＮＱＲ応答を表示しない。エネルギーレベル間の特性遷移は、特定の材料にとって独特の周波数で発生する。というのは、四重極相互作用が、分子内の四重極核の位置に敏感であると共に、及び物質の結晶構造にも敏感だからである。それ故、ＮＱＲは、四重極核を含む化合物を潜在的に明確に識別するのに使用できる。戻り信号の信号処理及びスレッシュホールドを適用することは、オペレータのトレーニングの必要性がほとんどない状態で検出プロセスを完全に自動化できることを意味する。これは、ＮＱＲ検査に、既知のターゲット材料に対して低い偽警報率で潜在的に高い検出確率を与える。
【０００３】
例えば、空港でＮＱＲ検査を使用して、荷物の中の麻薬や医薬品や爆発物等の物質の存在を検出することが知られているが、原理的には、ＮＱＲは、四重極核を合体する材料の存在を検出するのに使用することができる。
【０００４】
当該材料に対して特定の共振周波数にある従来の高周波（ＲＦ）パルスが被検査サンプルに適用される。当該材料が存在する場合には、エネルギーレベル間の遷移が励起され、弛緩中に、それに対応する戻り信号を検出することができる。しかしながら、当該材料である他の材料は、ＮＱＲ装置がそれらを検出するようにチューニングされていないために、見逃すことがある。換言すれば、希望の低偽警報率を与えるサンプル検出の高い特殊性は、一般的な検出器としてのＮＱＲの使用が現在は不可能であることを意味する。異なる材料を検出するためには、各周波数に対して最適化された送信器／受信器が必要とされる。実際に、これは、装置を再チューニングするための高速な電子的及び機械的スイッチングを必要とし、又はほとんどの場合に、各周波数にチューニングされた個別の装置を必要とする。
【０００５】
電子的又は機械的なスイッチングを必要とせずに、単一のＮＱＲ装置を使用して複数の材料を同時に検出できれば、ＮＱＲ検査システムの配備が種々の用途にとって魅力的なものになるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、複数のターゲット材料の存在を同時に検出するための多共振ＮＱＲ検査システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明は、パルス状の高周波信号をサンプルに印加する送信手段と、戻り信号を受信する受信回路とを備えていて、複数のターゲット材料の存在を同時に検出するための核四重極共振（ＮＱＲ）検査システムであって、前記送信手段及び受信回路は、複数の所定周波数において複数の信号を同時に送信及び受信するようにチューニングされた多共振回路を備え、前記周波数は、複数のターゲット材料の特性共振周波数に実質的に一致するものであり、且つ前記受信回路は、更に、複数の戻り信号の同時受信を許すための受動的回路保護手段を備えている検査システムを提供する。
【０００８】
本発明を機能できるようにするのは、多共振プローブと受動的回路保護との組み合せである。能動的回路保護、即ちスイッチングは、信号をある程度マスクする「リンギング」を発生し、従って、システムの感度を下げる。単一チューニング装置と同等の感度を維持するために、高クオリティ成分を選択しそして回路設計を最適化することにより回路のロスを最小にする必要がある。
【０００９】
このシステムは、好都合にも、単一パルスシーケンス内で複数の周波数において動作できる分光計を備えている。この分光計は、単一のチャンネルを有してもよいし、多数のチャンネルを有してもよい。
【００１０】
受信回路は、好ましくは、広く分離された戻り信号を変更してそれらを分光計により同時に監視できるように適応された信号処理手段を備えている。この信号処理手段は、複数の戻り信号を分光計の最大帯域巾内にもっていくために、使用中に所定周波数の位相コヒレント混合信号を発生する信号ジェネレータを備えてもよい。
【００１１】
受動的回路保護手段は、好ましくは、複数の戻り信号の受信を許しながら信号送信中に受信回路の保護を与えるようにチューニングされた集中(lumped)エレメント４分の１波長ユニットを備えている。これは、低電圧信号に対してローパスフィルタとして働き、全ての周波数における高電圧信号を阻止する。それ故、受動的保護を与え、即ち電子的スイッチングを必要とせずに、感度を最大にする。
【００１２】
多共振回路を形成する設計は多数ある。これらは、インターリーブされたサンプルコイル、直列チューニングコイル、及びタップ付きコイルを含み、その長さに沿った中間点でサンプルコイルに接続がなされ、単一のコイルを２つのインダクタに有効に分離する。
【００１３】
複数の送信信号は、理想的には、ターゲット材料を励起するように印加され、複数の戻り信号を同時に受信できるようにされる。多チャンネル分光計が使用される場合には、信号を個別の同時信号として送信することができる。しかしながら、単一チャンネル分光計が使用される場合には、送信信号をインターリーブして、１つの周波数のパルスを、別の周波数で印加されたパルスから生じるコイルリングダウン時間中に印加することが必要となる。
【００１４】
ＮＱＲ検査の１つの望ましい用途は、一般的な爆発物検出である。多数のプラスチック組成、例えば、ＰＥ−４及びデータシートに各々見られるサイクロトリメチレントリニトラミン（ＲＤＸ）及びペンタエリトリトールテトラニトラート（ＰＥＴＮ）の存在を同時に検出できることが非常に有益である。これら２つの材料は、プラスチック爆弾「セムテックス」において可変比の混合物としても見られる。多くの爆発物に共通して、ＲＤＸ及びＰＥＮＴは窒素を含み、それらは固体化合物であるから、これらの材料に対して14Ｎ  ＮＱＲを実行することができるようになる。ＲＤＸにおける３リング14Ｎ核は、固体状態では非等価であり、９つの考えられる遷移を与える。これら遷移の室温周波数は、５．２３９ＭＨｚ；５．１９０ＭＨｚ；５．０４４ＭＨｚ；３．４５８ＭＨｚ；３．４１０ＭＨｚ、３．３５９ＭＨｚ；１．７８１ＭＨｚ（２つの遷移）；１．６８５ＭＨｚである。又、３ニトロ14Ｎ核から生じる他の９個の遷移も考えられるが、これらは、非常に低い周波数であり、ここでは取り上げない。固体状態におけるＰＥＴＮの分子対称性は、３つの考えられる遷移を生じさせる。ニトレート14Ｎ核から生じる室温周波数は、０．８９０ＭＨｚ；０．４９５ＭＨｚ；０．３９５ＭＨｚである。
【００１５】
これら遷移の重要な特性は、この技術の実際の用途に影響を及ぼす温度依存性である。この技術の感度は周波数と共に増加するが、低い周波数での遷移を監視することがより適している。例えば、ＲＤＸの場合には、３．４１ＭＨｚ遷移が温度依存性（≒−１００ＨｚＫ-1）を有し、これは、５．１９ＭＨｚ遷移の１／５である。室温共振周波数が指定される場合には、送信周波数は、実際に、温度依存性を許すための調整を必要とする。
【００１６】
励起に使用されるパルスシーケンスの形式は、弛緩パラメータ（及び実際の用途では、スプリアス応答を除外する効率）に依存する。スピン格子弛緩時間（Ｔ1）の長い材料、例えば、ＰＥＴＮの場合には、パルス状スピンロック（ＰＳＬ）パルスシーケンス、即ち準備パルスが先行するパルス列であって該列のパルスの位相が準備パルスの位相に対して９０°異なるようなパルス列、が適当である。Ｔ1が短い材料、例えば、ＲＤＸの場合には、定常自由歳差運動（ＳＳＦＰ）パルスシーケンス、即ち等しい長さの等離間パルスの列、が適当である。しかしながら、異なる形式のパルスシーケンスを等しく選択できることも理解されたい。
【００１７】
ＮＱＲ検査システムは、ＲＤＸ及びＰＥＴＮを同時に検出するために、３．４１０ＭＨｚの定常自由歳差運動パルスシーケンスと０．８９０ＭＨｚのパルス状スピンロックパルスシーケンスとをインターリーブしたものを送信することができる。これらの周波数は、室温状態を仮定しているが、それより高い又は低い周囲温度では調整されねばならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、添付図面を参照して以下に一例として説明する。
図１を参照すれば、多共振ＮＱＲ検査システムの実施形態は、単一チャンネル分光計２（米国、ヒューストンのテクマグインクからのアポロＬＦ０．５−１０ＭＨｚ）を備え、これは、ＰＣ（アポロ分光計と共に出荷されるＮＴＮＭＲ制御ソフトウェア）を経て制御される。ＮＴＮＭＲソフトウェアは、パルスシーケンスの高速発生に対する環境を与えるグラフィックエディタを備えている。
【００１９】
信号を分光計２の同じ音声帯域内にもっていくために、前置増幅器４の出力が、適当な周波数の信号ジェネレータ（ＰＴＳ０４０）６の出力と混合される。信号ジェネレータのクロックは、アポロ分光計２の１０ＭＨｚクロック出力により外部から与えられる。使用する周波数ミクサ８は、ミニサーキットＺＡＤ−６ミクサである。
【００２０】
４分の１波長集中(lumped)等価回路１０及び接地交差ダイオード(crossed diodes to ground)１２を前置増幅器４の直前に挿入することにより、受信器の保護が与えられる。４分の１波長集中等価回路は、低電圧信号に対してローパスフィルタの特性を有する（全ての周波数において高電圧信号を阻止するのに加えて）。それ故、３．４１ＭＨｚにチューニングされた４分の１波長エレメントを使用して、ＲＤＸ及びＰＥＴＮの両信号の受信を許すことができる。分光計受信入力の前でＮＱＲ信号を前置増幅することは、市販の前置増幅器４（ＭｉｔｅｑＡＵ−１４６４−８２７６、０．４−２００ＭＨｚ）を経て行われる。プローブ１６への送信パルスは、パルス動作のためのゲート入力で市販の広帯域電力増幅器１４（ＫａｌｍｕｓＬＡ１００ＨＰ−ＣＥ、１００Ｗ、５０ｄＢ）を使用して増幅される。
【００２１】
可変減衰器１９を使用して、電力増幅器１４への送信信号の電圧を変化させると共に、プローブ１６が過負荷とならないように確保する。交差ダイオード１８は、送信モードで動作して、高電圧ノイズを除去すると共に、受信モードで動作して、電力増幅器１４を戻り信号から分離する。
【００２２】
この実施形態では、送信手段は、分光計２と、可変減衰器１９と、電力増幅器１４と、交差ダイオード１８と、ダブル共振プローブ１６とを備えている。受信回路は、ダブル共振プローブ１６と、交差ダイオード１８と、４分の１波長集中等価回路１０と、交差ダイオード１２と、前置増幅器４と、分光計２と、信号処理手段とを備え、該信号処理手段は、信号ジェネレータ６及び周波数ミクサ８を含む。
【００２３】
図２のａ）は、ダブル共振プローブ１６の一実施形態を示す回路図である。このプローブは、希望の共振周波数を発生するために、サンプルコイル２８と、二次インダクタ２６と、可変キャパシタ２１−２４とを備えている。二次インダクタ２６は、手で巻かれ、そして信号ロスを減少するためにフェライトコアではなくエアコアを組み込んでいる。サンプルコイル２８を必要な周波数及びインピーダンス（５０Ω）にチューニング及びマッチングすることは、インピーダンス利得位相分析器（ＨＰ４１９４Ａ）を使用して、可変キャパシタ２１−２４を調整することにより実行できる。注意を払って、プローブ入力／出力のインピーダンスを０．８９ＭＨｚ及び３．４１ＭＨｚの両方において４９Ωに同時にマッチングさせることができる。各チューニング周波数におけるクオリティファクタ（Ｑ）が、ネットワーク分析器（ＨＰ８７５２Ｃ）において測定された電力応答曲線から、Ｑ＝ｖ0／Δｖ(3dB)により決定された。但し、ｖ0は、チューニング周波数であり、そしてΔｖ(3dB)は、応答曲線の半電力点で測定された帯域巾である。０．８９ＭＨｚにおけるＱは、７５であることが分かり、そして３．４１ＭＨｚにおけるＱは、６５であることが分かった。但し、ダブルチューニングプローブは、０．８９ＭＨｚにおける固有の低い感度をある程度補償するために、この周波数において故意により敏感にされた。従って、各周波数において同時に得られる感度は、好都合にも、これら周波数においてそれに対応する単一共振プローブに対して通常得られるものに匹敵し、即ちＱは、同様の寸法のソレノイドに対して６０−９０の範囲であり、ここでは、同様の材料及び成分が使用された。サンプルを含むソレノイドコイル２８の寸法は、次の通りである。
直径：５３ｍｍ
長さ：７０ｍｍ
ワイヤ直径：１．２５ｍｍ（１８標準ゲージ）
ターン数：４９
ターンの間隔：隣接ターン間にギャップなし
【００２４】
図２のｂ）は、ダブル共振プローブ１６の別の実施形態の回路図である。このプローブは、タップ付きコイル設計で、３つのキャパシタ３１−３３及び１つのインダクタ３８のみを伴うダブル共振回路を形成することができる。サンプルコイル３８は、２つの個別のインダクタとして巻かれ、これらは次いで直列に接続されて、タップ点をもつ１つのインダクタを構成する。これは、各コイルのインダクタンスの測定を行えるようにする。両共振周波数は、２つのサンプルコイルインダクタの値が等しいときに、５０Ωにマッチングできることが分かった。この場合に、サンプルコイルは、各々約２５μＨのインダクタンスをもつ２つのコイルで構成される。
【００２５】
実際には、両方のプローブ設計は、ＲＤＸ及びＰＥＴＮを同時に検出できることが分かった。
励起に使用されるパルスシーケンスの形式は、弛緩パラメータ（及び実際の用途では、スプリアス応答を除外する効率）に依存する。Ｔ1が長いＰＥＴＮの場合には、パルス状スピンロック（ＰＳＬ）パルスシーケンス、即ち準備パルスが先行するパルス列であって該列のパルスの位相が準備パルスの位相に対して９０°異なるようなパルス列、が選択された。パルス列内のパルス間隔が２τである場合には、準備パルスとパルス列の第１パルスとの間のパルス間隔がτに等しい。準備パルスのパルス長さは、有効９０°であるように選択され、そしてパルス列パルスのパルス長さは、通常、有効９０°又は有効１８０°のいずれかである。ＰＳＬシーケンスが図３のａ）に示されている。Ｔ1が短いＲＤＸの場合には、定常自由歳差運動（ＳＳＦＰ）パルスシーケンス、即ち等しい長さの等離間パルスの列、が選択された。ＳＳＦＰシーケンスが図３のｂ）に示されている。使用するインターリーブされたＰＳＬ／ＳＳＦＰパルスシーケンスに対するタイミング及び位相サイクルは、次の通りである。
ＰＳＬパルス長さ：準備＝１６０μｓ、列＝２００μｓ
ＳＳＦＰパルス長さ：準備＝Ｎ／Ａ、列＝４００μｓ
２τ＝２ｍｓ
τ＝１ｍｓ
ＰＳＬ位相サイクル：
Ｔｘ［＋Ｘ、（＋Ｙ）n｜−Ｘ、（＋Ｙ）n］
Ｒｘ［（＋Ｘ）n｜（−Ｘ）n］
ＳＳＦＰ位相サイクル：
Ｔｘ［（＋Ｘ）n｜（−Ｘ）n｜（＋Ｘ）n｜（−Ｘ）n］
Ｒｘ［（＋Ｘ）n｜（−Ｘ）n｜（−Ｘ）n｜（＋Ｘ）n］
【００２６】
ＰＳＬシーケンスの場合に、列における各励起パルスの後に「逆位相」パルスも実施された。このように、０．８９ＭＨｚにおけるデッドタイムを減少することができ（デッドタイム∝１／周波数）、これにより、パルス間隔を減少して、各物質に対する信号取得率を実質的に高めることができた。各周波数におけるパルス振幅は、次の励起フィールド、即ち３．４１ＭＨｚにおける２１５μＴ及び０．８９ＭＨｚにおける６５０μＴ、を与えるように調整された。両方の材料に対するパルス長さは、上記励起フィールドを使用して実験で決定された。
【００２７】
ＰＥＴＮ及びＲＤＸを検出するために使用されたインターリーブされた０．８９ＭＨｚのＰＳＬシーケンス及び３．４１ＭＨｚのＳＳＦＰシーケンスが図３のｃ）に示されている。
【００２８】
図４は、図３のｃ）に示すインターリーブされたシーケンスで励起されたときに得られる「セムテックス」に対する室温のＮＱＲスペクトルを示す。各々の場合に、14ＮによるＮＱＲ信号が明確に見られ、ここでは、ＲＤＸ曲線及びＰＥＴＮ曲線が分光計の復調周波数（２．１５ＭＨｚ）から各々＋４０ｋＨｚ及び−４０ｋＨｚだけオフセットして現われるように、故意に中間混合周波数（１．２２ＭＨｚ）が使用された。ＲＤＸ及びＰＥＴＮ曲線の実際の周波数は、各々、３．４１ＭＨｚ及び０．８９ＭＨｚであり、これらは、上述した室温共振周波数に対応する。オフセット周波数の選択は、ある程度任意であるが、２つの曲線を充分分離するために充分大きくされた。
【００２９】
以上に述べた実施形態は、ＲＤＸ及びＰＥＴＮの同時検出に関するものであったが、当業者であれば、本発明を、ヘロインやコカインのような他の物質対にも等しく適用できることが明らかであろう。更に、多共振回路を入念にチューニングして、適当なパルスシーケンスを発生することにより、３つ以上の共振に本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による検査システムの概略図である。
【図２】本発明に使用するのに適した２つの別々のダブル共振回路の回路図である。
【図３】本発明に使用するためのインターリーブされたパルスシーケンスを示す図である。
【図４】図３のｃ）のインターリーブされたパルスシーケンスで励起されたときの「セムテックス」に対するＮＱＲスペクトルを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006527362.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2006527362.tif 000007
2006527362.tif 000008
2006527362.tif 000009