NMR/NQR ilkesine göre çalışan madde analizörü için çoklu puls tekniklerin geliştirilmesi
Investigation of multipulse sequence techniques for materials analysis that working according to principle of NMR/NQR
Yazar: NURCAN DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. BULAT Z. RAMEEV
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Manyetik rezonans spektroskopi = Magnetic resonance spectroscopy ; Nükleer kuvadrupol rezonans = Nuclear quadrupole resonance

Özet:
Birçok patlatıcı ve uyuşturucu maddenin yapısında azot'un var olduğu çok iyi bilinir. Dolayısıyla, N14 çekirdeği üzerine NQR bu maddenin tespitinde kullanılabilecek en umut verici yöntemdir. Fakat darbe (pulse) tekniği kullanan NQR yönteminde düşük hassasiyet (özellikle, NQR frekansları 1 MHz'in altında olan TNT gibi maddeler için) halen ciddi bir problemdir. Bu yüzden, tez çerçevesinde NQR tekniğinin hassasiyetini arttırmak amacıyla çeşitli ölçüm yöntemleri çalışılmıştır. Tez kapsamında değişik elektronik devreler ve prob üniteleri, mıknatıs sistemleri gibi gerekli teçhizat temin edilerek NQR/NMR deneyleri yapmak için deneysel düzenek kurulmuştur. Bu düzeneği kullanarak çeşitli patlayıcı (AN, RDX, TNT) ve başka azot bazlı (NaNO2, urea, HMT) maddelerin NQR ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca da mesafeli patlayıcı dedeksiyonu yapmak için RFI filtreleme düzeneği geliştirilip kurulmuş ve RDX üzerinde test edilmiştir. Çift rezonans yöntemleri üzerine bir ön çalışma yapılarak düşük manyetik alan içinde RDX, urea ve HMT malzemeleri ölçülmüştür. Çeşitli (patlayıcı veya patlayıcı sentezlemek için kimyasal bileşen olarak kullanılabilecek) sıvı maddeler için düşük alan çekirdek manyetik rezonans (NMR) tespit teknikleri konusunda test amaçlı deneyler de yapılmıştır. Ayrıca, Hadamard dönüşümü gibi sinyal işleme tekniği üzerine araştırmalar yapılmıştır. Patlayıcı NQR tespit yönteminin bagaj tarama cihazları ve mayın dedektörleri gibi en önemli iki olası kullanım alanının potansiyeli analiz edilmiştir. Yaptığımız araştırmalara dayanarak güncel NQR cihazlarının doğrulayıcı sensör olarak kullanması tavsiye edilmiştir.Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) olayında, incelenen maddenin çekirdek manyetik momentlerinin enerji seviyeleri, manyetik alan etkisiyle bir birinden ayrılır ve bunların arasındaki farklara göre uygun frekansta radyo dalga ışını verilir. Manyetik enerji seviyeleri arasında radyo dalga etkisiyle uyarılan geçişin sonucunda manyetik rezonans sinyali dedekte edilir ve incelenen madde hakkında kimyasal ve fiziksel bilgi verir. Dolayısıyla, NMR sinyali incelenen maddenin hangi kimyasal bileşenlerden oluştuğunu, sıvı veya katı halde olup olmadığı, yoğunluğu/viskozitesi hakkında bilgi vermektedir.NMR ölçümlerini yapmak için çok homojen manyetik alan sağlayan bir mıknatıs konfigürasyonu tasarlanmış olup, gerekli elektronik devreler geliştirilmiştir.2D (2 Boyutlu) durulma, difüzyon ve frekans korelasyon değişimleri 2D-NMR olarak adlandırılır. Moleküler hareket ve moleküllerin dönüşümü bu 2D haritalarındaki çapraz-pikler ile ortaya çıkar. Frekans değişimi metodolojisi moleküler analizde ve malzeme biliminde çok geniş uygulama alanı NMR ile sağlandı. Son zamanlarda, NMR'da durulma ve difüzyon parametrelerinde değiş-tokuş etkileri incelemek için 2D deneyler protein dinamiği, polimer sistemler, gözenekli ortama sahip malzemeler ve diğer maddelerin karakterizasyonunda kullanılmaktadır.

Abstract:
AUTHOR: NURCAN DOĞANIt is well known that most of the explosive and narcotic substances contain nitrogen in their structure. Therefore, NQR on N14 nuclei is one of the most promising methods for their detection. However, low sensitivity of NQR (especially in the detection of substances with NQR frequencies below 1 MHz, such as TNT) even using the pulse technique is still very actual problem. That is why the primary goal of this thesis was to study various methods to increase the sensitivity of NQR technique. In the process of the thesis implementation various technical solution, like electronic circuits, probe units, magnetic systems, etc. have been developed and an experimental setup to perform NMR/NQR measurements has been established. Using this setup we performed NQR measurements of various explosive substances (AN, RDX, TNT) and other nitrogen-based compounds (NaNO2, urea, HMT). Besides the special setup to implement the active RFI (radiofrequency interference) cancelling has been constructed and possibility of distant explosive detection has been demonstrated using RDX. As the ground for studies of double resonance techniques, the NQR measurements of RDX, urea and HMT at low magnetic fields have been performed. The pilot measurements have been done to test the possibility of using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) for detection of various liquids could be used as explosives or in synthesis of explosive substances. Moreover, signal processing techniques such as Hadamard transform has been studied to apply in NQR detection. Two mostly probable and important practical applications of explosive detection by NQR technique, such as baggage scanning devices and mine detectors, have been analyzed. Based on the studies performed under this thesis we recommend using the NQR as the confirmation sensor in both above-mentioned practical applications.To consider Nuclear Magnetic Resonance (NMR) phenomenon one recalls that there is a splitting the energy levels of nuclear magnetic moments of the studied material because of the effect of the static magnetic field. An irradiation of the sample by radio wave excitation at frequencies, which fits to these energy differences, induces the transitions between various magnetic energy levels and results in the magnetic resonance signal providing the chemical and physical information about the studied material. That is the NMR signal provides knowledge about chemical composition, phase state (liquid or solid) of the investigated sample and its viscosity and density.For NMR measurements in this study the permanent magnet system has been designed to provide rather homogeneous magnetic field. Electronic units have been developed as well.2D relaxation, diffusion, and frequency correlation exchange NMR/NQR are forms of 2D NMR/NQR where molecular motion by reorientation and translation of molecules is revealed by cross-peaks in 2D maps. The frequency exchange methodology is well established in NMR with a wide variety of applications in materials science and molecular analysis. As of recently, also relaxation and diffusion exchange NMR have been used to characterize protein dynamics [1,2], polymer systems [3,4], porous media [5-10], and other materials [11-23].