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.
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
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, приемное устройство, систему формирования и обработки сигнала и индикатор, причем блок формирования и обработки сигнала соединен с приемным устройством, системой фиксации дверей и индикатором, согласно полезной модели, снабжено электромагнитами, создающими неоднородное магнитное поле, и способными изменять полярность с сохранением интенсивности магнитного поля, расположенными на противоположных сторонах кабины и системой управления электромагнитами, а блок формирования и обработки сигнала имеет запоминающее устройство и устройство сравнения, причем один из выходов блока формирования и обработки сигнала соединен с системой управления электромагнитами, которая соединена с электромагнитами, один из выходов системы управления электромагнитами соединен с системой формирования и обработки сигналов. В частности электромагниты могут быть расположены на верхней и нижней сторонах кабины и создают магнитное поле, направленное вдоль вертикальной оси кабины, а стенки кабины содержат электромагниты. При этом двери могут быть установлены на противоположных сторонах кабины. В частности кабина может быть выполнена бронированной, а на верхней стороне содержать отверстие с сеткой и крышкой, закрывающей отверстие. Причем электромагниты могут иметь разную индуктивность.
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, приемное устройство, систему формирования и обработки сигнала и индикатор, причем блок формирования и обработки сигнала соединен с приемным устройством, 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 и снижении стоимости устройства.
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, приемное устройство, систему формирования и обработки сигнала и индикатор, причем блок формирования и обработки сигнала соединен с приемным устройством, системой фиксации дверей и индикатором, согласно полезной модели, снабжено электромагнитами, создающими неоднородное магнитное поле, и способными изменять полярность с сохранением интенсивности магнитного поля, расположенными на противоположных сторонах кабины и системой управления электромагнитами, а блок формирования и обработки сигнала имеет запоминающее устройство и устройство сравнения, причем один из выходов блока формирования и обработки сигнала соединен с системой управления электромагнитами, которая соединена с электромагнитами, один из выходов системы управления электромагнитами соединен с системой формирования и обработки сигналов.
В частности электромагниты могут быть расположены на верхней и нижней сторонах кабины и создают магнитное поле, направленное вдоль вертикальной оси кабины, а стенки кабины содержат электромагниты.
При этом двери могут быть установлены на противоположных сторонах кабины.
В частности кабина может быть выполнена бронированной, а на верхней стороне содержать отверстие с сеткой и крышкой, закрывающей отверстие.
Причем электромагниты могут иметь 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 - система автоматической фиксации дверей, 6 - приемное устройство, 7 - система формирования и обработки сигнала, 8 - запоминающее устройство, 9 - устройство сравнения, 10 - индикатор, 11 - система управления электромагнитами, 12 - заземление, 13 - искомое вещество (ВВ или наркотик). Причем двери расположены на противоположных сторонах кабины, чтобы человеку в одну входить, а через другую выходить,
На фиг.2 дано 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);
На фиг.4 приведен график зависимости интенсивности отклика ЯМР сигнала от его частоты при наличии исследуемого объекта (человека) в магнитном поле и при наличии искомого вещества, где позиция 1 - минимальная частота 
min, исследуемого диапазона частот отклика ЯМР сигнала, позиция 2 - пиковая частота отклика ЯМР сигнала (пик), позиция 3 - максимальная частота отклика ЯМР сигнала (max) исследуемого диапазона.
Устройство для дистанционного обнаружения наркотических и взрывчатых веществ состоит из бронированной кабины 1 с дверьми расположенными на противоположных стенках для входа и выхода человека 2, кабина 1 также содержит на верхней стенке отверстие с сеткой и крышкой, закрывающей отверстие; из 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; системы автоматической фиксации дверей 5; приемного устройства 6; системы формирования и обработки сигнала 7; запоминающего устройства 8; устройства сравнения 9; индикатора 10; системы управления электромагнитами 11, которая может изменять полярность электромагнитов 3 и 4, сохраняя интенсивность магнитного поля; заземления 12. Причем выходы системы формирования и обработки сигнала 7 соединены с системой автоматической фиксации дверей 5, индикатором 10, системой управления электромагнитами 11, а входы системы формирования и обработки сигнала 7 соединены приемным устройством 6 и системой управления электромагнитами 11, которая соединена с электромагнитами 3 и 4. Для уменьшения внешних наводок кабина 1 имеет заземление 12.
Обнаружение скрытого в объекте вещества проводится следующим образом.
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 Вmax, создаваемую верхним электромагнитом 3 и минимальную интенсивность магнитного поля Вmin, создаваемую нижним электромагнитом 4. По полученным данным строят пространственную картину 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 11.
Также предварительно создается база данных отклика сигнала от досматриваемого объекта 2 по всем массогабаритным показателям, т.е. снимается зависимость 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, высокому 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 фиксации дверей 5. При этом оператор вводит индекс человека в систему формирования и обработки информации.
3 этап. Системой формирования и обработки сигнала 7 включается система управления электромагнитами 11, которая изменяет направление магнитного поля, создаваемого электромагнитами 3 и 4 на противоположное по направлению с таким же значением по модулю поля за время меньшее, чем 1 мс. Например, искомым веществом 13 является взрывчатое вещество (ВВ). Все основные ВВ характеризуются повышенным (относительно тела человека) содержанием ядер азота. Приемное устройство 6, настроено на диапазон частот (min, max) ЯМР для ядер азота при интенсивности внешнего магнитного поля, лежащего в диапазоне (Вmin, В max). Данный диапазон частот может быть вычислен по формуле Зеемана:
для min/hmin/=µBmin,
для max/hmax/=µBmax,
где µ - магнитный момент ядра, например, азота, h - постоянная Планка.
4 этап. После изменения направления магнитного поля, создаваемого электромагнитами 3 и 4 на противоположное по направлению с таким же значением по модулю, заселенность Зеемановских уровней энергии у всех ЯМР активных ядер досматриваемого человека 2 изменяется и они релаксируют к равновесному состоянию. Это вызовет электромагнитное излучение в диапазоне частот (min, max). Если на какой-то частоте интенсивность принимаемого приемником 4 сигнала увеличивается относительно интенсивности для данного типа объекта (т.е. интенсивность которая хранится в банке данных в запоминающем устройстве 8), то это указывает на присутствие искомого вещества 13, скрытого в объекте 2, т.е. при обнаружении характерного пика интенсивности В пик, индикатор 10 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 более двух раз (нужное количество раз).
5 этап. Выделяют пик, соответствующий частоте v пик (позиция 2 фиг.4), и по формуле Зеемана вычисляют величину Впик:
hпик=Впикµ,
где Впик - искомая интенсивность локального внешнего магнитного поля.
6 этап. Пространственное положение ВВ определяют сопоставлением Впик и предварительно полученной на этапе 1 пространственной картиной неоднородного магнитного поля (фиг.2), т.е. определяют, на каком участке пространства предварительно измеренное магнитное поле близко к Впик, и таким образом, выявляют, на каком участке пространства находится скрытое вещество (зону нахождения ВВ).
7 этап. При отсутствии искомого вещества 13 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 повышается вероятность обнаружения зоны расположения ВВ и наркотиков, сокращается время досмотра, достигается безопасность обслуживающего персонала и окружающих людей и уменьшается стоимость устройства. Определение местонахождения (зоны) 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, т.е. в эквипотенциальную поверхность будет попадать большая масса ВВ. Это облегчит детектирование и повысит вероятность обнаружение зоны нахождения искомого вещества.
То, что стенки кабины содержат электромагниты, снижает себестоимость конструкции.
Установка дверей на противоположных сторонах кабины способствует ускорению досмотра, т.к. выходящий человек освобождает место входящему.
Выполнение кабины бронированной и установка на верхней стороне отверстия с сеткой и крышкой, закрывающей отверстие, повышает безопасность обслуживающего персонала и окружающих людей при взрыве в кабине.
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 G01R 33/44, от 11.02.2005.
1. Устройство для дистанционного обнаружения наркотических и взрывчатых веществ с использованием эффекта Зеемана, содержащее досмотровую кабину с дверьми и систему автоматической фиксации дверей, приемное устройство, систему формирования и обработки сигнала и индикатор, причем блок формирования и обработки сигнала соединен с приемным устройством, системой фиксации дверей и индикатором, отличающееся тем, что оно снабжено электромагнитами, создающими неоднородное магнитное поле и способными изменять полярность с сохранением интенсивности магнитного поля, расположенными на противоположных сторонах кабины, и системой управления электромагнитами, а блок формирования и обработки сигнала имеет запоминающее устройство и устройство сравнения, причем один из выходов блока формирования и обработки сигнала соединен с системой управления электромагнитами, которая соединена с электромагнитами, один из выходов системы управления электромагнитами соединен с системой формирования и обработки сигналов.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электромагниты расположены на верхней и нижней сторонах кабины для создания магнитного поля, направленного вдоль вертикальной оси кабины.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стенки кабины содержат электромагниты.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двери установлены на противоположных сторонах кабины.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кабина выполнена бронированной, а на верхней стороне имеет отверстие с сеткой и крышку, закрывающую отверстие.
6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электромагниты имеют разную индуктивность.
