Моделювання генератора радіоімпульсів ЯКР-спектрометра для виявлення вибухових і наркотичних речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання генератора радіоімпульсів ЯКР-спектрометра для виявлення вибухових і наркотичних речовин

Розорінов Георгій Миколайович,

доктор технічних наук, професор, академік Міжнародної академії біоенерготехнологій, Національний технічний університет України “КПІ імені Ігоря Сікорського”, Україна, м. Київ,

Неня Олена Володимирівна,

кандидат юридичних наук, начальник відділу,

ДНДІ МВС України, Україна, м. Київ,

Березненко Наталія Михайлівна, кандидат технічних наук, доцент, провідний науковий співробітник ДНДІ МВС України, Україна, м. Київ,

Мамотенко Петро Іванович,

старший науковий співробітник ДНДІ МВС України, Україна, м. Київ,

Висвітлено різні способи виявлення ВР і HP- від застосування біологічних методів, у тому числі за участю службових собак, до складних технічних систем, що володіють низьким порогом виявлення, високими чутливістю, селективністю, швидкодією, а також можливістю дистанційного застосування.

Викладено сутність явища ядерного квадрупольного резонансу як одного з високотехнологічних методів виявлення ВР і HP. Розглянуто метод із двома радіочастотними імпульсами - метод квадрупольного спінового відлуння, який набув найбільшого поширення в спектроскопії ядерного квадрупольного резонансу для реєстрації спектрів. Запропоновано методику побудови шаблону створення нового віртуального приладу для дослідження ЯКР- спектрометра. вибуховий наркотичний генератор радіоімпульс

Ключові слова: вибухові і наркотичні речовини, службові собаки, віртуальний прилад, генератор радіоімпульсів, квадрупольне спінове відлуння, мова графічного проектування LabView, ядерний квадрупольний резонанс.



Rozorinov Heorhii,

Doct. Sci. (Engineering), Professor, Academician of the International Academy of Bioenergy Technologies, National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky KPI», Kyiv, Ukraine,

Nenia Olena,

Cand. Sci. (Law), Head of the Department, State Research Institute MIA Ukraine, Kyiv, Ukraine,

Bereznenko Nataliia,

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Leading Researcher,

State Research Institute MIA Ukraine, Kyiv, Ukraine,

MamotenKO Petro,

Senior Research Fellow, State Research Institute MIA Ukraine,

Kyiv, Ukraine,

SIMULATION OF RADIO PULSE GENERATOR OF NQR
SPECTROMETER FOR THE DETECTION OF
EXPLOSIVES AND NARCOTIC SUBSTANCES

Organized crime Combating in the direction of detecting BP and HP, along with the improvement of the efficiency of the use of service dogs, requires further improvement and development of new technical methods for their detection in order to increase the efficiency of care operations.

Research article considers methods that practically solve the problem of remote detection, identification and diagnosis of BP and HP, which can be divided into two major groups: using effects on the object of control of penetrating radiation, based on the analysis of gas phase traces of BP and HP.

Thus, among the technical means designed for the rapid detection and identification of explosives, currently the most available and widespread worldwide chemical rapid tests in the form of aerosol cans and droppers.

The most reliable are the search tools that provide detection of BP on direct grounds. Such tools include gas analyzers. In modern care systems, the most common are introscopic installations operating in the X-ray range of electromagnetic wavelengths.

The most high-tech methods of detecting explosives use the latest developments in atomic and nuclear physics. Such methods include neutron (based on the bombardment of an object by a stream of thermal or fast neutrons), gamma activation (where this role is performed by gamma quanta), nuclear quadrupole analysis.

Paper presents the essence of the phenomenon of nuclear quadrupole resonance as one of the highly effective methods for detecting explosives and HP. The method with two radio frequency pulses is considered - the method of quadrupole spin echo, which has become the most widespread in nuclear quadrupole resonance spectroscopy for recording spectra. A method for constructing a template for creating a new virtual instrument for the study of NQR spectrometer is suggested.

It is noted that when creating basic applications for modeling input devices and providing block diagram data of a virtual device at the physical level in the virtual device built-in virtual devices, functions, structures and objects of the front panel.

On the basis of an analysis, it is concluded that the created virtual device provides the generation of a given signal and its display on the front panel can be used.

Emphasis is placed on the fact that devices for detecting BP and HP, created on the basis of the application of the NQR method, are very promising devices for their widespread implementation.

Keywords: explosives and drugs, service dogs, virtual instrument, radio pulse generator, quadrupole spin echo, LabView graphic design language, nuclear quadrupole resonance.



Освещены различные способы обнаружения ВВ и НВ - от использования биологических методов, в том числе с участием служебных собак, до сложных техническихсистем, обладающих низким порогом обнаружения, высокими чувствительностью, селективностью, быстродействием, а также возможностью дистанционного применения.

Изложена сущность явления ядерного квадрупольного резонанса как одного из высокотехнологичных методов обнаружения ВВ и НВ. Рассмотрен метод с двумя радиочастотными импульсами - метод квадрупольного спинового эха, который получил наибольшее распространение в спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса для регистрации спектров. Предложена методика построения шаблона создания нового виртуального прибора для исследования ЯКР- спектрометра.

Ключевые слова: взрывчатые и наркотические вещества, служебные собаки, виртуальный прибор, генератор радиоимпульсов, квадрупольное спиновое эхо, язык графического проектирования LabView, ядерный квадрупольный резонанс.



Перші дослідження можливості застосування методу ЯКР у нашій країні почалися ще за часів СРСР у період війни в Афганістані для виявлення мін у пластикових корпусах.

Ще раніше подібні спроби робилися США під час війни у В'єтнамі. Однак рівень техніки того часу не дозволив практично застосувати цей метод.

Натепер із застосуванням ефекту ЯКР для створення виявників ВР проводяться фірмами NavalResearchLaboratory, QuantumMagneticsі Martin Mariettaу США, Hitachiу Японії і BritishTechnologyGroupLtdу Англії.

На сьогодні фірмою QuantumMagnetics(США) випускаються промислові ЯКР-виявники:

- виявник конвеєрного типу для огляду дрібного багажу пасажирів в аеропортах (валізи, портфелі, сумки та ін.) Q-Scan QR-160 з об'ємом робочої камери 160 літрів (60 см х 40 см х 64 см).

- виявник конвеєрного типу для огляду великого багажу в аеропортах Q- Scan QR-500 з об'ємом робочої камери 500 літрів (99 см х 45 см х 110 см).

Також Quantum Magneticsповідомляла про проведення випробувань макетного зразка міношукача із виявлення протипіхотних і протитанкових мін у неметалічних корпусах, що містять гексоген і ТНТ [1].

Відомо, що метод ядерного квадрупольного резонансу ґрунтується на реєстрації резонансного поглинання електромагнітної енергії ядрами атомів з електричним квадрупольним моментом. Це можуть бути ядра азоту, хлору, натрію, калію. До числа квадрупольних входять ізотопи таких елементів: ¹⁴N, ³⁵Cl, ³⁷Cl, ¹⁰B, ¹¹B, ¹⁷O, ²³Na, ⁶³Cu, ⁶⁵Cuі багато інших. Загалом таких елементів близько п'ятдесяти.

Частоти поглинання залежать від величини спина ядра й від величини та форми градієнта електричного поля в місці розташування ядра. Для ядер зі спином 1, як у азоту ¹⁴N, можна спостерігати до трьох ЯКР частот. Для ядер зі спином 3/2, як у хлорі, існує одна резонансна частота.

Таким чином, за спектром ЯКР ядер атомів можна визначити тип речовини, у тому числі ВР і НР.

Наразі розроблено ряд прийомів ідентифікації ВР, наркотиків і металів.

Слід підкреслити, що ЯКР можливий лише за наявності двох факторів: квадрупольного моменту у ядра і наявності градієнта електричного поля навколо нього. Класичний приклад - кухонна сіль. Обидва елементи, що входять до складу молекули, є квадрупольними. Однак NaCl не володіє ЯКР, унаслідок того, що ядра в кристалічній решітці розташовані просторово симетрично і градієнт електричного поля відсутній.

Речовина може володіти не однією, а декількома частотами ЯКР. Кількість частот ЯКР і інтенсивність сигналу залежить від кількості ядер даного квадрупольного елементу у формулі хімічної сполуки, їх хімічної еквівалентності, з'єднання з атомами інших елементів. Особливістю ЯКР є таке: натепер досліджено понад десятка тисяч хімічних сполук, і серед них немає жодної пари речовин, ЯКР-частоти яких збігаються. Тому частота ЯКР є немов би паспортом хімічної сполуки (речовини).

Таким чином, після опромінення речовини, що містить в своєму хімічному складі квадрупольний елемент, радіоімпульсом певної частоти й, отримавши у відповідь ЯКР сигнал на цій частоті, можна однозначно вести мову про наявність у досліджуваному об'єкті саме цієї речовини. Тобто метод ЯКР не лише виявляє, а й ідентифікує.

Виявляється, що речовину може бути розподілено за всім об'ємом або перебувати в механічній суміші з іншими речовинами - це не впливає на сигнал, який приймається. Домішки інших речовин впливають на ширину спектральної лінії й можуть незначно зміщувати частоту ЯКР, проте радикального впливу на характеристики виявлення вони не чинять. Мало того, у деяких випадках за характером зміни лінії ЯКР спектра можна визначити виробника цього зразка речовини.

Сигнал ЯКР, як правило, досить малий, тому для накопичення сигналу й виділення його на тлі перешкод застосовується ряд спеціальних методів, розроблених в рамках статистичної радіотехніки та радіолокації. Для накопичення сигналу здійснюється вплив на досліджуваний об'єкт не одним радіоімпульсом, а спеціальною послідовністю радіоімпульсів. Сигнал ЯКР слабко залежить від потужності зондуючого сигналу, він прямо пропорційний числу резонуючих ядер, а отже, масі досліджуваного зразка.

Для виявлення конкретної речовини потрібно, у першу чергу, знати його ЯКР частоти. Частоти ЯКР різних хімічних сполук перебувають у діапазоні від сотень кілогерц до сотень мегагерц.

Знання частоти ЯКР не є достатнім для виявлення ЯКР сигналу цієї речовини. Необхідно також оцінити параметри релаксації для того, щоб правильно побудувати послідовність зондуючих імпульсів і організувати накопичення сигналу. Значення параметрів релаксації для кожного речовини свої. Після того, як проведена їх оцінка, синтезується оптимальна форма послідовності радіоімпульсів і опти- мізується процедура виявлення цієї речовини. Потім досліджена речовина вноситься в базу даних детектора разом з відпрацьованим для нього режимом виявлення.

Як уже було сказано вище, ЯКР - область радіоспектроскопії, що володіє декількома особливими можливостями для аналітичного виявлення хімічних речовин у твердій фазі: нешкідливість, неруйнівний кількісний контроль, здатність аналізу неоднорідних сумішей у великих обсягах, експрес-аналіз, який не потребує підготовки зразків, не обмежений необхідністю зовнішнього магнітного поля, відносно недорогий [2].

Пропонуємо розглянути методику побудови віртуального приладу (далі - ВП) генератора радіоімпульсів ЯКР-спектрометра.

У спектроскопії ЯКР для реєстрації спектрів найбільшого поширення набув метод із двома радіочастотними імпульсами - метод квадрупольного спінового відлуння Хана (рис. 1) [3, 4].



Сигнал відгуку системи (відлуння-сигнал) спостерігається після дії двох радіоімпульсів. Розглянемо, як визначається резонансна частота коливального контуру в такій системі. Для визначення звернемося до структурної схеми, показаної на рис. 2. У якості чутливого елемента використовуємо ЯКР-термометр.

Рис. 2. Структурна схема пристрою для визначення складу речовини

У цій схемі використовується АПЧ генератора модулюючого сигналу на базі простої однопетльовою підсистеми ФАПЧ [5]. Датчиком температури є надгене- ративний спектрометр з автоматичним стеженням за центром лінії поглинання, що складається з власне надрегенератора, підсилювача, фазового детектора, підсилювача постійного струму (ПС) і генератора модулюючого сигналу.

До частини схеми, що переводить надрегенератор в режим безперервної генерації, і виведення інформації на цифровий друк належать: генератор тактової частоти, два одновібратори (OB 1, OB 2), буферний каскад, частотомір і цифро- друкуючий пристрій (ЦДП).

Датчик температури автоматично відстежує резонансну частоту поглинання, що залежить від температури контрольованого параметра робочої речовини. У якості термометричної робочої речовини ЯКР обраний гранульований KC1O3. Частота ЯКР при 20 °С становить 28213324+10 Гц, а смуга частот, у якій відбувається поглинання енергії, становить ~500 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Спектр досліджуваного речовини KClO₃



Рис. 4. Додавання віртуального приладу SimulateSignal

Рис. 5. Додавання трьох ВП Simulate Signal

На блок-діаграмі з'явитьсязначок експрес-віртуального приладу

SimulateSignal.

Експрес-ВП - елемент блок-діаграми віртуального приладу, який можна використовувати для виконання стандартних вимірювальних завдань. А саме, експрес-ВП SimulateSignalмоделює сигнал на підставі заданої конфігурації.

Для реалізації генератора радіоімпульсів необхідно встановити 3 експрес - ВП SimulateSignalу робочу область BlockDiagram(рис. 5).

Для задания імен сигналів необхідно клацнути по напису SimulateSignalданого ВП і ввести ім'я сигналу (наприклад, S90, S180, S) (рис. 6):

Рис. 6. Задания імен ВП генератор 180°

У цьому прикладі S90 - генератор 90^o- імпульсу, S180 імпульса, S - генератор сигналу збудження атома вуглецю.

Зміна типу сигналу.На блок-діаграмі присутня іконка блакитного кольору Simulate Signal. Ця ікона відображає експрес-ВП Simulate

Signal. За замовчуванням експрес-ВП Simulate Signal моделює синусоїду.

Для вимірювання форми і налаштування модельованого сигналу необхідно:

— правою кнопкою миші вибрати Properties(Властивості) із контекстного меню, щоб відобразити діалогове вікно ConfigureSimulateSignal(або двічі клацнути на експрес - ВП SimulateSignal);

- з меню, що випадає Signaltype(тип сигналу), вибрати Square(прямокутний сигнал). Форма сигналу на графіку в розділі попереднього перегляду результату зміниться на прямокутну для сигналів з іменами S90 і S180, сигнал під ім'ям Sзалишається без змін (за замовчуванням синусоїда).

Установити потрібні параметри генератора: Timing: Samplespersecond(Hz)- число відліків за секунду (Гц) = 1Е + 7; Frequency(Hz) -частота = 1000 Гц; ResetSignal: Resetphase, seed, andtimestamps- скидання сигналу в початковий стан (одиночний імпульс). Параметри Samplespersecondта Frequencyзалежать одне від одного, параметр Samplespersecondповинен бути принаймні у 2 рази більше, ніж параметр Frequency(рекомендовано в 10 разів) [6, 7]. Для виконання функцій додавання, множення і порівняння двох сигналів, що надходять від SimulateSignal,необхідною є чітка рівність параметрів Samplespersecondцих сигналів. Діалогове вікно настройки модельованого сигналу ConfigureSimulateSignalмає виглядати, як показано на рис. 7.

Рис. 7. Зміна властивостей ВП SimulateSignal

Зберегти (OK) поточні настройкита закрити діалогове вікно Configure SimulateSignal. Подвійні стрілки внизу іконки експрес-ВП SimulateSignalпоказують, що ВП має приховані вхідні і вихідні термінали, які можна зробити видимими, якщо розтягнути кордон ВП. За появи двобічної стрілки зліва додатидев'ять рядків шляхом переміщення межі експрес-ВП. Після виконання цієї операції з'являться вхід і вихід і можливість регулювання характеристики прямокутного сигналу (рис. 8).

З'єднання об'єктів на блок-діаграмі. Щоб використовувати термінал NumericControlsдля зміни параметрів сигналу, необхідно з'єднати їх з входами SimulateSignal. Для цього слід на блок-діаграмі навести курсор на термінал елемента управління NumericControls. Курсор миші стане стрілкою (інструментом Позиціонування), як показано зліва. Цей інструмент використовується для вибору, розміщення або зміни розмірів об'єктів. Далі помістити курсор над стрілкою на терміналі NumericControls. Курсор набуде вигляду котушки, або Wiringtool(інструмент З'єднання) об'єктів на блок-діаграмі.

Потім лівою кнопкою миші клацнути по стрілці на терміналі NumericControls, і по стрілці на вході Amplitude(Амплітуда) SimulateSignal, щоб з'єднати ці об'єкти разом. З'явиться провідник, що з'єднує об'єкти. Дані будуть передаватися по цьому провіднику від терміналу NumericControls. Процес з'єднання терміналів NumericControlsі SimulateSignal (Amplitude) показаний на рис. 9.

Аналогічно з'єднати Numeric Controls з Offset. Таким чином, прямокутний сигнал S90 матиме вигляд позитивного імпульсу (рис. 10).

Вхід:-Amplitude(амплітуда);- Frequency(Частота);- Offset(Зсув);- DutyCycle(коефіцієнт симетрії імпульсу). Вихід:Square(прямокутний імпульс)



Амплітуда сигналу S180 має бути у 2 рази більше, ніж S90. Для цього пропускаємо сигнал S90 через помножувач.

Вибір помножувача проводиться через натиснення правої кнопки миші на BlockDiagram, у випадаючому вікні Function- Programmingвибираємо Numeric- Multiply. Вибір помножувача Multiplyпоказаний на рис. 11. Сигнал від терміналу NumericControlsнадходить на вхід X, а на вхід Y подається коефіцієнт 2 (рис. 12).

Вибір і подача коефіцієнта 2 проводиться натисненням правої кнопки миші на BlockDiagram, у випадаючому вікні Function- Programmingвибрати Numeric- NumericConstant. Подача коефіцієнта 2 показана на рис. 13.

Вибір константи: блок NumericConstantз'являється на BlockDiagram.

Для зміни значення необхідно подвійним натисканням лівої клавіші на значенні 0 змінити його на потрібне значення (у цьому випадку 2).

Після цього перемноження сигнал надходить на входи Amplitudeі Offsetблоку S180. Це прямокутний сигнал S180 - позитивний імпульс. Його амплітуда буде в 2 рази більшою від амплітуди S90 (рис. 14).

Далі необхідно задати частоту Frequencyдля терміналів S90 і S180. Частота цих сигналів визначається за формулою: F=(2t_u+T)^-1де T- час паузи між двома імпульсами; t_u- тривалість імпульсу.

Продовження процесу моделювання віртуального приладу генератора радіоімпульсів ЯКР-спектрометра в середовищі LabView буде розглянуто в наступній частині статті.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Белый Ю.И., Поцепня ОЛ., Семин Г.К., Семейкин Н.П.и др. Аппаратура для борьбы с терроризмом на основе эффекта ЯКР. Метод ядерного квадрупольного резонанса. URL: http:// www.bnti.ru/showart.asp?aid=617&lvl=02.01.01(дата звернення: 18.05.2020).

2. Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения / Дж. Попл, В. Шнейдер, Г. Бернстейн. М.: ИЛ, 1962. 292 с.

3. Глинчук МД.Электрические эффекты в радиоспектроскопии. Электронный парамагнитный, двойной электронно-ядерный и параэлектрический резонансы / М.Д. Глинчук и др.; под общ. ред. М.Ф. Дейгена. М.: Наука: Гл. ед. физ.-мат. литературы, 1981. 331 с.

4. Гречишкин В.С.Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах. М.: Наука, 1973. 267 с.

5. Шахгильдян В.В., Ляховкин Л.Л., Карякин В.Л., Петров В.Л.Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1989. 320 с.

6. Олексенко П.Ф., Коваль В.В., Лазебний В.С. та ін. Цифрова обробка аудіо- та відеоінформації у мультимедійних системах. К.: Наукова думка, 2014. 152 с.

7. Саміла Л.П., Розорінов Г.М., ГресьО.В. Розроблення імпульсних методів радіоспектроскопії ядерного квадрупольного резонансу на основі програмованої логічної інтегральної схеми. Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: технічні науки. 2018. Том 29(68), 4.1. № 3. С. 6673.

REFERENCES

1. Belyi, Yu.I., Potsepnya, OA., Semin G.K., Semeikin, N.P. and others. Apparatura dlya bor'by s

terrorizmom na osnove effekta YAKR. “Equipment for the Fight against Terrorism Based on the NQR Effect”. Nuclear Quadrupole Resonance Method. URL: http://www.bnti.ru/

showart.asp?aid=617&lvl=02.01.01 (Date of Application: 18.05.2020) [in Russian].

2. Popl Dzh., W. Schneider, G.Bernstein (1962) Spektry yadernogo magnitnogo rezonansa vysokogo razresheniya. “High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectra”. 292 p. [in Ukrainian].

3. Glinchuk, M.D.(1981) Elektricheskiye effekty v radiospektroskopii. “Electrical Effects in Radiospectroscopy”. Electronic Paramagnetic, Double Electron-Nuclear and Paraelectric Resonances / under ed. M.F. Deigen. M.: Science. Literature. 331 p. [in Russian].

4. Grechishkin V.S.(1973) Yadernyye kvadrupol'nyye vzaimodeystviya v tverdykh telakh. “Nuclear Quadrupole Interactions in Solids”. Moscow: Nauka. 267 p. [in Russian].

5. Shakhgildyan, V.V., Lyakhovkin, A.A., Karyakin, V.L., Petrov, V.A.(1989) Sistemy fazovoy sinkhronizatsii s elementami diskretizatsii. “Phase Synchronization Systems with Sampling Elements”. 2nd ed., Add. and Revised. M.: Radio and communication. 320 p. [in Russian].

6. Oleksenko, P.F., Koval, V.V., Lazebnyi, V.S.and others. (2014) Tsyfrova obrobka audio- ta videoinformatsiyi u mul'tymediynykh systemakh. “Digital Processing of Audio and Video Information in Multimedia Systems”. K .: Naukova dumka. 152 p. [in Ukrainian].

7. Samila, A.P., Rozorinov, H.M., Hres, O.V.(2018) Rozroblennya impulsnykh metodiv radiospektroskopiyi yadernoho kvadrupolnoho rezonansu na osnovi prohramovanoyi lohichnoyi intehralnoyi skhemy. “Development of Pulsed Methods of Nuclear Quadrupole Resonance Radiospectroscopy Based on a Programmable Logic Integrated circuit”. Scientific Notes of TNU named after V.I. Vernadsky. Series: technical sciences. Vol. 29(68), 4.1. No 3. P. 66-73 [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru