УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НАРКОТИЧЕСКИХ И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ЗЕЕМАНА

Техническое решение относится к средствам досмотра на пропускных пунктах для обнаружения скрытых веществ (например, наркотиков и/или взрывчатых веществ) с использованием ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в частности к системам обеспечения безопасности пассажирских перевозок.
Известно устройство дистанционного обнаружения скрытых объектов [1], содержащее досмотровую кабину, приемное устройство, систему регистрации и отображения сигнала и индикатор. С помощью устройства оператор измеряет интенсивность излучения различных участков тела человека и при наличии на поверхности подозрительных предметов фиксирует их. К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность обнаруживать вещества, находящиеся в организме досматриваемого, например, в желудке, а также длительность досмотра (порядка 10 с) из-за сканирования объекта и опасность, которой подвергается оператор, находящийся в непосредственной близости с досматриваемым человеком (нет защиты от самоподрыва смертника).
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является устройство для дистанционного обнаружения наркотических и взрывчатых веществ с использованием эффекта Зеемана [2], содержащее досмотровую кабину с дверьми и систему автоматической фиксации дверей, передающее устройство, приемное устройство, систему формирования и обработки сигнала и индикатор, причем блок формирования и обработки сигнала соединен с передающим и приемным устройствами, системой фиксации дверей и индикатором. Недостатком данного устройства является то, что оператор не может достаточно точно обнаружить скрытое взрывчатое вещество (ВВ) или наркотики за короткое время (не более 5 с). Кроме того, возможно обнаружение только веществ, содержащих квадрупольные ядра (ЯКР активные молекулы). К тому же, не обеспечивается безопасность людей, находящихся вблизи кабины.
Задача создания полезной модели состоит в повышении точности определения зоны нахождения скрытых ВВ и/или наркотических веществ и расширении диапазона досматриваемых веществ при уменьшении времени досмотра и обеспечении безопасности людей, находящихся вблизи кабины.
Данная задача решается тем, что предложенное устройство для дистанционного обнаружения наркотических и взрывчатых веществ с использованием эффекта Зеемана, содержащее досмотровую кабину с дверьми и систему автоматической фиксации дверей, передающее устройство, приемное устройство, систему формирования и обработки сигнала и индикатор, причем блок формирования и обработки сигнала соединен с передающим и приемным устройствами, системой фиксации дверей и индикатором, согласно полезной модели, снабжено электромагнитами, создающими неоднородное магнитное поле, расположенными на противоположных сторонах кабины, и системой управления электромагнитами, а блок формирования и обработки сигнала снабжен запоминающим устройством и устройством сравнения, причем один из выходов блока формирования и обработки сигнала соединен с системой управления электромагнитами, соединенной с электромагнитами.
Причем электромагниты расположены на верхней и нижней сторонах кабины для создания магнитного поля, направленного вдоль вертикальной оси кабины, а стенки кабины содержат электромагниты.
При этом двери установлены на противоположных сторонах кабины.
Кабина выполнена бронированной, а верхняя сторона содержит отверстие с сеткой и крышкой. Причем электромагниты имеют разную индуктивность.
Техническое решение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1. изображена структурная схема устройства для обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических веществ, где: 1 - бронированная кабина, 2 - досматриваемый человек, 3 и 4 - электромагниты, 5 - передающее устройство, 6 - приемное устройство, 7 - система формирования и обработки сигнала, 8 - запоминающее устройство, 9 - устройство сравнения, 10 - система автоматической фиксации дверей, расположенных на противоположных сторонах кабины для сквозного прохождения человека через кабину, 11 - индикатор, 12 - система управления электромагнитами, 13 - заземление, 14 - искомое вещество (ВВ или наркотик).
На фиг.2 представлено изображение распределения интенсивности неоднородного магнитного поля от координаты пространства по всем трем пространственным координатам.
На фиг.3 приведено изображение вида отклика при наличии исследуемого объекта (человека) в магнитном поле (без искомого вещества);
min
пик
max
На фиг.4 приведен график зависимости интенсивности отклика ЯМР сигнала от его частоты при наличии исследуемого объекта (человека) в магнитном поле при наличии искомого вещества, где позиция 1 - минимальная частота ν исследуемого диапазона частот отклика ЯМР сигнала, позиция 2 - пиковая частота отклика ЯМР сигнала (ν), позиция 3 - максимальная частота отклика ЯМР сигнала (ν) исследуемого диапазона.
Устройство для дистанционного обнаружения наркотических и взрывчатых веществ состоит из бронированной кабины 1 с дверьми, расположенными на противоположных сторонах, для того, чтобы досматриваемый человек 2 проходил через кабину, которая также содержит на верхней стенке отверстие с сеткой и крышкой, закрывающей это отверстие; электромагнита 3 (на верхней стороне кабины) и электромагнита 4 (на нижней стороне кабины), которые создают неоднородное магнитное поле в диапазоне 0,3-0,7 Тл; передающего устройства 5; приемного устройства 6; системы формирования и обработки сигнала 7; запоминающего устройства 8; устройства сравнения 9; системы автоматической фиксации дверей 10; индикатора 11; системы управления электромагнитами 12; заземления 13. Причем выходы системы формирования и обработки сигнала 7 соединены с системой автоматической фиксации дверей 10, передающим устройством 5, индикатором 11, системой управления электромагнитами 12, которая соединена с электромагнитами 3 и 4, а вход - с приемным устройством 6. Для уменьшения внешних наводок кабина 1 имеет заземление 13.
Дистанционное обнаружение скрытого в объекте вещества проводится следующим образом.
max
min
1 этап. Предварительно во всем объеме кабины 1 (без человека 2), при включенных магнитах 3 и 4 измеряют интенсивность внешнего магнитного поля и находят максимальную интенсивность магнитного поля В, создаваемую верхним электромагнитом 3 и минимальную интенсивность магнитного поля В, создаваемую нижним электромагнитом 4. По полученным данным строят изображение пространственной картины интенсивности неоднородного магнитного поля в кабине 1, то есть измеряют зависимость интенсивности магнитного поля от координаты в пространстве (по всем трем координатам пространства). Электромагниты 3 и 4 имеют разные величины индуктивности, и управляются системой управления электромагнитами 12.
Также предварительно создается база данных отклика сигнала от досматриваемого объекта по всем массогабаритным показателям, т.е. снимаются показания зависимости интенсивности отклика от частоты для различных физиологических типов людей и животных, которые могут быть носителями ВВ или наркотиков. Полученные данные заносятся в запоминающее устройство 8, где они хранятся под определенными индексами. Например, длинному и худому человеку присваивается индекс А1, а низкому и толстому А2 и т.п.
2 этап. После того, как человек 2, проходящий досмотр, входит в кабину 1, двери автоматически закрываются и фиксируются автоматической системой 10. При этом оператор вводит соответствующий индекс в систему формирования и обработки информации. При работе магнитов 3 и 4, в ЯМР активных веществах (исследуемых веществах) под воздействием внешнего неоднородного магнитного поля происходит образование Зеемановских уровней энергии, то есть происходит расщепление энергетических уровней искомого вещества.
min
max
min
max
min
max
3 этап. Системой формирования и обработки сигнала 7 включается передающее устройство 5, которое начинает излучать радиочастотные электромагнитные сигналы во всем диапазоне заранее заданных частот (ν, ν) ЯМР искомого вещества. При этом заселенность Зеемановских уровней энергии искомого вещества 14 (например, азота) изменяется. Например, искомым веществом 14 является взрывчатое вещество (ВВ). Все основные ВВ характеризуются повышенным (относительно тела человека) содержанием ядер азота. Передающее устройство 5 излучает радиочастотные электромагнитные сигналы во всем диапазоне заранее заданных частот (ν, ν) ЯМР для ядер азота при интенсивности внешнего магнитного поля, лежащего в диапазоне (B, B). Данный диапазон частот может быть вычислен по формуле Зеемана:
min
min
min
для ν/hν/=µB,
max
max
max
для ν/hν/=µB,
где µ - магнитный момент ядра, например, азота, h - постоянная Планка.
min
max
пик
4 этап. После выключения передающего устройства 5, заселенность Зеемановских уровней энергии у всех ЯМР активных ядер досматриваемого человека 2 релаксирует к равновесному состоянию, что вызовет электромагнитное излучение в диапазоне частот отклика ЯМР сигнала (ν, ν). Если на какой-то частоте интенсивность принимаемого приемником 4 сигнала увеличивается относительно интенсивности для данного типа объекта (т.е. значение интенсивности, которое хранится в банке данных в запоминающем устройстве 8), то это указывает на наличие искомого вещества 14, скрытого в объекте 2, т.е. при обнаружении характерного пика интенсивности В, индикатор подает сигнал наличия скрытого вещества. Сравнение осуществляется в устройстве сравнения 9 по заданному алгоритму. В простейшем случае выделение полезной информации осуществляется вычитанием полученного сигнала от досматриваемого объекта из типового сигнала, хранящегося в запоминающем устройстве 8 под заданным индексом. Для увеличения соотношения сигнал/шум процедуру можно повторить не менее двух раз (нужное количество раз).
пик
пик
5 этап. Выделяют пик, соответствующий частоте ν (позиция 2 фиг.4), и по формуле Зеемана вычисляют величину В:
пик
пик
hν=Вµ,
пик
где В - искомая интенсивность локального внешнего магнитного поля.
пик
пик
6 этап. Пространственное положение ВВ определяют сопоставлением В и предварительно полученной на этапе 1 пространственной картины неоднородного магнитного поля (фиг.2), т.е. определяют, на каком участке пространства предварительно измеренное магнитное поле близко к В, и таким образом, выявляют на каком участке пространства находится скрытое вещество (зону нахождения ВВ).
7 этап. При отсутствии искомого вещества 14 двери открываются и человек выходит в противоположную дверь по ходу движения. При наличии ВВ на человеке двери не открываются. В случае самоподрыва досматриваемого бронированная кабина 1 защитит окружающих от поражения, а взрывная волна выбьет крышку в верхней части кабины 1 (крышка закреплена, таким образом, чтобы при взрыве объект не мог улететь за пределы кабины 1), т.е., будет предотвращено разрушение кабины 1, а сетка не даст поражающим предметам покинуть кабину.
Благодаря отличительным особенностям выполнения устройства дистанционного обнаружения скрытых объектов с использованием эффекта Зеемана (ЯМР) повышается вероятность обнаружения зоны расположения ВВ и наркотиков, сокращается время досмотра и достигается безопасность обслуживающего персонала и окружающих людей. Определение местонахождения вещества особенно существенно для обнаружения наркотических веществ скрытых не на теле, а в пищеварительном тракте.
Расположение электромагнитов на верхней и нижней сторонах кабины создает магнитное поле, направленное вдоль вертикали кабины, что позволяет создать горизонтальные эквипотенциальные поверхности внутри кабины, т.к. смертники обычно прячут ВВ на поясе (пояс шахида), расположенного горизонтально. Таким образом, в эквипотенциальную поверхность будет попадать большая масса ВВ, что облегчит детектирование и повысит вероятность обнаружения зоны нахождения искомого вещества.
То, что электромагнитами являются стенки кабины, снижает себестоимость конструкции.
Установка дверей на противоположных сторонах кабины способствует ускорению досмотра, т.к. выходящий освобождает место входящему.
Выполнение кабины бронированной и установка на верхней стороне отверстия с сеткой и крышку, закрывающую отверстие - повышает безопасность обслуживающего персонала и окружающих людей.
Разная индуктивность электромагнитов позволяет создавать известное неравномерное магнитное поле.
Источники информации:
1. Патент РФ 2183025, МПК G01V 3/12, от 26.10.2000.
2. Патент РФ на полезную модель 46105, МПК G01KR 33/44, от 11.02.2005.