專利名稱：一種使用核共振探測物質(zhì)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核共振在材料辨別中的實際應(yīng)用，特別是用核四極共振(NQR)和核磁共振(NMR)在其它物品中探測如爆炸物和麻醉品的應(yīng)用。
在本說明書中，除非上下文另有要求，單詞“comprise(包括)”及其變化形式如“comprises”″comprising″將被理解為表示包含一個明示的整數(shù)或整數(shù)組但也不包括排斥其它的整數(shù)或整數(shù)組。
背景技術(shù)：
由Carr在“steady-state free precession in nuclear magneticresonance，Physical Review(在核磁共振中的穩(wěn)態(tài)自由進動，物理評論)，vol.112，NO.5，1958，p。1693-1701″一文中所描述的那樣，帶有所謂“穩(wěn)態(tài)自由進動(SSFP)”多脈沖序列的指定物質(zhì)在特定條件下會從被指定物質(zhì)中產(chǎn)生一連串非衰減信號形式的的反射信號。其結(jié)果，這種多脈沖序列被有效地用在核四極共振(NQR)上，用來探測爆炸物和麻醉品，象蘇聯(lián)專利說明書，NO.1824559(Kuznetsov和Koblev)，美國專利說明書NO.5365171(Buess等)，以及在Kuznetsov和Koblev的文章中，“modifications of thesteady-state free precession sequence for the detecting of purenuclear quadrupole resonance(用于探測純核四極共振(NQR)的穩(wěn)態(tài)自由進動的變型)”，Journal of Physics，D，Applied Physics(物理期刊D應(yīng)用物理)，VOL.31，1998，1251-1256。
但是，SSFP多脈沖序列的應(yīng)用由不希望的影響所妨礙，如強度異常等。這種強度異常來源于被觀測的反射信號的信號幅值對從NQR共振頻率的偏移的依賴性。這種依賴性本質(zhì)上是周期性的，并且重復(fù)周期反比于脈沖間的間隔。
這種強度異常是不希望有的，特別當(dāng)用NQR或NMR方法探測爆炸物和麻醉品時由于溫度的變化，和/或其他的因素如溫度梯度(在物質(zhì)內(nèi))、晶體雜質(zhì)、晶體相位和壓力等，可能產(chǎn)生強度異常。
其原因是由于核四極共振的頻率依賴于物質(zhì)的溫度，以及這些其他的因素，因此共振頻率就隨溫度漂移。例如，三硝基甲苯(TNT)溫度隨NQR線的共振頻率的變化大于100Hz/°k，并且對于三次甲基三硝基胺(旋風(fēng)炸藥)(RDX)大于400Hz/°k。
考慮到強度異常的影響，為了獲得最大反射信號，需要非常精確地調(diào)諧與共振頻率相關(guān)的發(fā)射頻率。因此，雖然發(fā)射頻率值是一樣的，但信號的強度可隨溫度的變化而變化。
在Kuznetsov和Koblev的蘇聯(lián)專利NO.1824559中，提出了下列消除強度異常的方法。用一種翻轉(zhuǎn)角度(flip angle)為θ，重復(fù)周期為τ的連續(xù)脈沖序列照射所指定的物質(zhì)，提供一種SSFP類型的基本序列[τ/2-θ-τ/2]n，n是周期數(shù)目(或選擇[θ-τ]n)。
采用相應(yīng)于下列值的每一序列的載頻，進行系列的照射f0和f0±2/τ，f0接近于被探測物質(zhì)的共振頻率。
當(dāng)用載波頻率為f0的序列照射時，如果沒有觀測到信號，那么載波頻率為f0±2/τ的時序就有用了。
這些載頻的差相應(yīng)于觀測到最大的強度信號的頻率和觀測到最小的強度信號的頻率之間的差。當(dāng)在受檢樣品中沒有發(fā)現(xiàn)所尋找的指定物質(zhì)時，把觀測時間增大兩倍重復(fù)進行該方法。
Buess等在美國專利說明書NO.5365171中描述了采用相位改變脈沖序列的方法(PAPS)和非相位改變脈沖序列(NPAPS)的組合，它允許不用轉(zhuǎn)換發(fā)射頻率來照射受檢樣品，以探測樣品中的指定物質(zhì)。
在此情況中，如果在PAPS觀測窗中觀測到最大信號，那么在NPAPS觀測窗中將觀測到最小信號。由此，在采用下列序列時[τ/2-θ-τ/2]n，總的信號強度為 倍小于(或近似70％的)獲得的可能的最大信號。
換句話說，這種方法內(nèi)在的限制在于不管脈沖間距如何，由于兩脈沖幅值的累加過程，它只能恢復(fù)最大可得信號的1/ 倍或近似70％。
因此，使用以上方法對于預(yù)定數(shù)目的累積來減少引起密度異常的溫度變化或其它效應(yīng)，是與反射信號的凈強度的減小相關(guān)聯(lián)的，這種減小是與當(dāng)使用下列類型的相同脈沖的序列類型時所觀測到的最大值相比而言。
n，
但是，在NQR和NMR中使用多脈沖序列都有一個問題，就是，它們與一些不希望見到的現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，如探針減幅振蕩(ringing)(在共振電路中里由瞬態(tài)過程引起的)和磁聲減幅振蕩。
在NQR頻率的探針減幅振蕩中的瞬態(tài)過程的持續(xù)時間能達幾百微秒，這在Rudakov和Mikhaitsevich的文章Instruments and ExperimentalTechniques(儀器和實驗技術(shù))Vol.38，NO.6，Part 1，744-745，1995，中有所討論，并且振蕩的頻率和相位由RF脈沖的發(fā)射頻率決定。
在NQR和NMR中磁聲減幅振蕩是由鐵磁性(金屬或陶瓷的)樣品產(chǎn)生的，它能出現(xiàn)在被掃描以探測指定物質(zhì)是否存在的樣品中。
在NQR和NMR中的磁聲減幅振蕩的本質(zhì)是與在射頻脈沖磁場的作用下磁性材料的磁疇的重新取向相聯(lián)系的。磁疇取向的變化以周期性振蕩形式發(fā)生，其頻率與RF脈沖的頻率一致。磁疇振蕩在RF脈沖結(jié)束后還繼續(xù)，由于磁性材料內(nèi)部的耗散力和電磁再發(fā)射的能損而逐漸衰減。這種再發(fā)射能持續(xù)幾微秒。由再發(fā)射引起的信號值可以大于來自指定物質(zhì)的NQR信號。這種信號的頻率和相位只取決于發(fā)射頻率。
在Buess等美國專利說明書NO.5365171中，建議用下列的將前面提到的NPAPS和PAPS組合的方法來消除探針減幅振蕩和磁聲減幅振蕩[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n由于在Buess等專利說明書中描述的，磁聲信號與初始RF脈沖具有相同的相位。
NQR信號包含兩部分自由感應(yīng)衰減(decay)和反射，感應(yīng)信號與RF脈沖總是具有相同的相位，并且反射信號在用NPAPS照射時是180°反相于感應(yīng)信號和在用PAPS照射時為同相。其所得信號是由感應(yīng)信號、反射、探針減幅振蕩和磁聲減幅振蕩組成的復(fù)雜信號，然后對它們進行數(shù)字處理。在NPAPSθ180°脈沖和兩個PAPSθ0°脈沖之后接收的信號被加在一起，并從NPAPSθ0°脈沖之后接收的信號中減去。其結(jié)果是感應(yīng)和減幅振蕩輸入被完全排除在總信號之外。
這種方法的缺點是由于排除了感應(yīng)(induction)信號而使反射信號的強度進一步降低。更進一步說，脈沖序列[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n是SSFP類型的序列的組合，所觀測到的相位異常包含在每個序列中。這樣的相目位異常在Ernst，Bodenhausen和Wokaun的著作《Principle ofNuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions，一維和二維核磁共振原理》，第二章，Clarendon Press，Oxford，1987中有討論。
由此，在Buess等的專利說明書NO.5365171中講的感應(yīng)信號和反射信號之間的相位關(guān)聯(lián)，只對精確的共振才成立，以及對于與共振頻率相差一Δf值使Δfτ＝m成立的發(fā)射頻率才成立，這里m為一整數(shù)。假設(shè)以上相位關(guān)聯(lián)在Δf·τ≠m處不滿足，信號將進一步減小，因為所建議的累積方案不再是是最理想的。
在應(yīng)用NMR來探測物質(zhì)方面，強度隨靜磁場中的漂移和變化而變化，這也是一個問題，以上提及的脈沖序列均不能克服這個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于與現(xiàn)有的使用核共振如NQR或NMR來探測爆炸物和麻醉品的方法相比，提高探測樣品中指定物質(zhì)的精度，指定物質(zhì)如某些爆炸物和麻醉品但并不限于此。
本發(fā)明進一步的目的在于克服探針減幅振蕩和磁聲減幅振蕩的干擾，以能夠用核共振精確探測樣品中指定物質(zhì)，指定物質(zhì)如某些爆炸物和麻醉品但并不限于此。
本發(fā)明的更進一步或另一個目的在于基本上克服或適應(yīng)用多脈沖NQR或NMR探測物質(zhì)中引起的溫度的影響或其它強度變化機制的影響。
本發(fā)明的這些和其余目的是用以下手段完成的用包含多個脈沖的脈沖序列來照射樣品中的原子核，以從樣品中探測指定物質(zhì)，從而產(chǎn)生指定物質(zhì)中的多個核共振的反射信號，如存在指定物質(zhì)，它能被探測和分析。
因此，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種探測樣品中指定物質(zhì)的方法，包括用包含多個脈沖的脈沖序列來照射要從其中探測指定物質(zhì)的樣品中的原子核，其中所述脈沖序列包含成對的以一定的相移相互分離開的脈沖，以從指定物質(zhì)中產(chǎn)生多個核共振反射信號，如果該指定物質(zhì)存在的話；以及分析所述反射信號，以探測所述指定物質(zhì)的存在。
與使用PAPS/NPAPS的組合或者基本SSFP脈沖序列所產(chǎn)生的單個核共振反射信號相反，通過使用產(chǎn)生多個核共振反射信號的脈沖序列，利用所產(chǎn)生的核共振信號可以獲得更高的信噪比，因而能夠分析所述反射信號，以探測標(biāo)本中指定物質(zhì)的存在，而不受溫度和其他因素對核共振反射信號的強度的影響。
最好是，脈沖序列是由成對的脈沖組成的，相鄰脈沖對的相位相差90°，如以下類型[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n并且發(fā)射頻率相對于指定物質(zhì)的受輻照原子核的共振頻率有一偏移。
按照現(xiàn)發(fā)明的另一方面，提供一種探測樣品中指定物質(zhì)的存在的方法，包括在一設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，以發(fā)射頻率反射一多脈沖序列來輻照樣品中的原子核；接收并分析由所述多脈沖序列輻照的所述樣品中的任何共振核發(fā)出的核共振反射信號，以探測樣品中所述物質(zhì)的存在；并且其中脈沖序列是由成對的脈沖組成的，相鄰脈沖對的相位相差90°，如以下類型[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n所述發(fā)射頻率相對于指定物質(zhì)的受輻照核的預(yù)定共振頻率有一個偏移；并且所述分析包括對所接收的核共振反射信號進行付立葉變換，只記錄落在與在該設(shè)置的溫度范圍內(nèi)所述指定物質(zhì)的受輻照核的共振頻率相應(yīng)的一個窄的頻帶范圍內(nèi)的那些反射信號，然后將所記錄的反射信號與相應(yīng)于所述指定物質(zhì)的設(shè)置的參考值進行比較，以確定所述指定物質(zhì)在所說的樣品中是否存在。
以這種方式，多脈沖信號的成對的脈沖在該序列的觀測窗中產(chǎn)生了附加的反射信號，這增加了接收信號的強度。
最好是，該方法包括相應(yīng)于相鄰脈沖對之間的時間間隔，在多脈沖序列的所有觀測窗中接收所說的核共振反射信號，并且所述分析包括在每個窗口中對所述時間間隔求和，獲得一合成信號，并對該合成信號進行付立葉變換。
以這種方式，付立葉變換靠頻率上的差別將樣品中任何存在的指定物質(zhì)產(chǎn)生的核共振反射信號與探針和聲減幅振蕩區(qū)別開來。
按照本發(fā)明的進一步的，但不是必要的方面，提供一種用于探測樣品中屬于爆炸物和麻醉品類別的物質(zhì)的方法，如那些含有14N，35Cl，39K或37Cl核素的物質(zhì)，該方法采用核四極共振，并包括以下步驟(a)產(chǎn)生一修改的穩(wěn)態(tài)自由進動RF脈沖序列，所說RF脈沖序列包含成對的脈沖，每對所說RF脈沖序列有相同的持續(xù)時間、成對脈沖間隔和預(yù)定的頻率，并且所述RF脈沖序列的每個偶數(shù)成對脈沖的相位與所述RF脈沖序列的每個奇數(shù)成對脈沖相差90°，其中所述成對脈沖的每個脈沖在所述成對脈沖內(nèi)具有相同的相位、持續(xù)時間和脈沖間隔；(b)把所述RF脈沖序列發(fā)射到探針；(c)用在(b)步驟發(fā)射到探針的所述RF脈沖序列輻照樣品；(d)響應(yīng)于在步驟(c)對樣品的輻照，探測在發(fā)射到所述探針的所述RF脈沖序列的成對脈沖之間的核四極共振反射信號；(e)對所有所說的核四極共振反射信號求和得到一合成信號；(f)對所說的合成信號進行付立葉變換；(g)產(chǎn)生付立葉變換信號作為所說的付立葉變換的結(jié)果；(h)頻率過濾所說的付立葉變換信號；(i)將在所說的步驟(h)中濾波后獲得的信號與一個預(yù)定的參考幅值相比較，并且(j)當(dāng)所說的濾波后信號超出所說的參考幅值時發(fā)出提示信號。
最好是，所述成對脈沖內(nèi)的所述脈沖間隔大大小于在相鄰的所述成對脈沖之間的所述成對脈沖的間隔。
最好是，所述濾波后信號的最低頻率大約為0.5-1.0kHz。
最好是，所述RF脈沖序列的所述預(yù)定頻率被設(shè)置在四極原子核的核四極共振頻率的附近，四極原子核如在被探測物質(zhì)中的14N，35Cl，39K，或37Cl。
最好是，所述被探測物質(zhì)包括含14N核素的爆炸物或麻醉品。
最好是，所述被探測物質(zhì)包括含35Cl核素的爆炸物或麻醉品。
最好是，所述被探測物質(zhì)包括含37Cl核素的爆炸物或麻醉品。
最好是，所述被探測物質(zhì)包括含39K核素的爆炸物或麻醉品。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置，用于探測樣品中指定物質(zhì)的存在，包括發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生包括多個脈沖的脈沖序列，其中所述脈沖序列包括成對的脈沖，相互之間偏移一指定的相移；輻照裝置，用于采用所述脈沖序列來輻照要從其中探測指定物質(zhì)的樣品中的原子核；以及分析裝置，用于分析用所述脈沖序列輻照樣品從樣品中產(chǎn)生的任何反射信號，以探測指定物質(zhì)的存在；其中，所述脈沖序列的類型是能夠從指定物質(zhì)產(chǎn)生多個核共振反射信號，假如它存在于樣品中的話。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置，用于探測樣品中指定物質(zhì)的存在，包括多脈沖序列發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生多脈沖序列，其包括成對的脈沖，其相鄰脈沖對的相位相差90°，類型如下[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n發(fā)射裝置，用于以一發(fā)射頻率發(fā)射所說的多脈沖序列以穿透一樣品，并適應(yīng)任何強度變化機制，該發(fā)射頻率相對于指定物質(zhì)被輻照原子核的預(yù)定共振頻率有偏移；接收裝置，用于接收由所述多脈沖序列輻照的所述樣品中的任何原子核發(fā)出的核共振反射信號；分析裝置，用于分析所述接收的共振反射信號并確定是否有任何接收的共振反射信號指示樣品中指定物質(zhì)的存在；以及報警裝置，用于響應(yīng)于所述分析裝置確定有某些所述接收的共振反射信號指示樣品中指定物質(zhì)的存在，發(fā)出報警信號；其中所說的分析包括對所有的所述核共振反射信號求和以產(chǎn)生一合成信號，對所述合成的共振信號進行付立葉變換，只記錄落在與在該設(shè)置的溫度范圍內(nèi)所述指定物質(zhì)的受輻照核的共振頻率相應(yīng)的一個窄的頻帶范圍內(nèi)的那些信號，然后將所記錄的信號與相應(yīng)于所述指定物質(zhì)的設(shè)置的參考值進行比較，以確定所述指定物質(zhì)在所說的樣品中是否存在。
該方法與前面提及的現(xiàn)有技術(shù)相比較，信噪比大約提高了 倍，并且實際上排除了由于溫度變化和其他強度變化機制而引起的強度變化。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細描述，其中

圖1示出了本發(fā)明以NQR系統(tǒng)形式實施的方框圖；
圖2示出了以下類型的SSFP序列類型的修改形式的定時圖[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n圖3a，3b和3c示出了對于兩種不同的瞬時頻率，分別使用NPAPS、PAPS和是本發(fā)明的主題的類型的SSFP序列的修改形式的在時域中的反射信號圖；圖4a和4b展示了分別在對用相應(yīng)于以下類型的多脈沖序列的頻率偏移所接收的反射信號求和之后所得到的合成信號的性質(zhì)[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n和[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]。
圖5示出了對于由以下序列激發(fā)的接收NQR反射信號所獲得的付立葉變換的信號的付立葉譜[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n圖6示出了在數(shù)字濾波后的落在一窄的指定物質(zhì)的共振頻帶范圍內(nèi)的與圖5中的信號相應(yīng)的對于接收的NQR反射信號的經(jīng)付立葉變換的信號的付立葉譜。
具體實施例方式
本實施例是采用NQR的方法來探測四極矩物質(zhì)的存在的方法和設(shè)備，這些物質(zhì)呈現(xiàn)由溫度變化和其他的因素，如溫度的梯度(在物質(zhì)內(nèi))，結(jié)晶雜質(zhì)、晶體相位和壓力等引起的NQR強度的變化。這些材料包括某些類型的爆炸物和麻醉品，其中包含四極核素，如14N，35Cl，39K，或37Cl。具體的例子是RDX(C3H6N6O6)和可卡因(C17H21NO4)。
如圖1所示，一般來講，用于探測爆炸物和麻醉品物質(zhì)的設(shè)備11包括一頻率合成器(FS)1，它產(chǎn)生一頻率為f0的振蕩信號，該頻率接近于要檢測的指定物質(zhì)的NQR頻率。然后振蕩信號被送到射頻(RF)門2的輸入端，該RF門由一個從脈沖編程設(shè)備3的信號來控制，在射頻門2的輸出產(chǎn)生一個編程的RF脈沖序列。該RF脈沖序列接著經(jīng)過功率放大器4放大，然后送到發(fā)射和接收探針5，該探針被放置在正被該設(shè)備檢測的樣品附近。
探針5包括一感應(yīng)線圈，它形成共振環(huán)路的一部分，使得在放大的RF脈沖序列通過探針后，在受檢樣品體內(nèi)產(chǎn)生射頻磁場。探針5的感應(yīng)線圈被放置為能與樣品中產(chǎn)生的射頻磁場相耦合，并能接收任何由所檢物質(zhì)產(chǎn)生的NQR反射信號，假如它存在于受檢樣品體中。
接收到的NQR反射信號傳到接收器6，它放大接收信號并進行積分檢測。因此，接收器6包括數(shù)字濾波裝置來濾波接收的反射信號。為了這目的，參考電壓從頻率合成器送到接收器6，其一個信號的相位與另一個信號的相位偏移90°。離子積分通道的輸出的低頻信號被傳導(dǎo)到中央處理單元(CPU)7，它進行信號的模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換、相干(coherent)累積、付立葉變換和頻率濾波。
CPU7也控制從FS1輸出的振蕩信號的頻率，和從控制RF門2的切換的脈沖編程設(shè)備3輸出的信號。
在將脈沖序列加到樣品后，CPU7提取出與所檢物質(zhì)的NQR頻率相近的預(yù)置頻率范圍中的NQR反射信號，并將取出信號的值與一預(yù)定的閾值相比較，該閾值對應(yīng)于如果實際出現(xiàn)所檢物質(zhì)的最小量時所期望的數(shù)值。該閾值大小的設(shè)置要考慮檢測的相對幾率和誤報率。
當(dāng)超出該預(yù)定的的閾值量時，CPU7發(fā)出一報警信號，并傳到報警模塊8。
當(dāng)檢查幾種類型的爆炸物和麻醉品物質(zhì)時，把FS1和探針環(huán)5調(diào)諧到與所檢物質(zhì)的共振頻率相應(yīng)的頻率，對每種要檢查的物質(zhì)重復(fù)以上方法。
現(xiàn)在詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例的方法，加到探針上的脈沖序列采用SSFP序列的修改的形式，由以下公式描述[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，這里θ是翻轉(zhuǎn)角，τ是脈沖對之間的間隔，Δτ是一對脈沖內(nèi)的脈沖之間的間隔，Δτ比τ小得多，并且下標(biāo)0°和90°表示發(fā)射脈沖頻率的相位。
如上所述，圖2是本實施例中采用的特定SSFP序列形式的的定時圖。盡管圖G2表示為矩形脈沖形狀，但是其他形狀的脈沖也可以使用。
圖3a，3b和3c顯示對于兩個發(fā)射頻率的值，分別使用以下三種序列在時域中的接收的NQR反射信號的曲線，它們是NPAPS、PAPS序列和[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，這里子圖(i)用發(fā)射頻率f1＝5.1865MHz，和子圖(ii)用發(fā)射頻率f2＝5.1871MHz。這兩個頻率分別與NPAPS的信號強度的最大值和最小值相對應(yīng)。
用設(shè)備11在溫度為23℃的條件下，從對RDX獲得的實驗數(shù)據(jù)得出所用序列采用下列參數(shù)θ＝30°，τ＝0.8，Δτ＝0.2ms，n＝50。
使用成對的脈沖在該序列的觀測窗中產(chǎn)生了附加的反射信號，這增加了NQR信號的強度。例如，如圖3c所示，信號的最大強度和信噪比要比用PAPS，NPAPS或[τ/2-θ-τ/2]m等任何其它序列時的類似值增加了30％。
應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)m＝2n時，最后的序列變成等效于NPAPS序列。
圖3特別展示了當(dāng)用下列組合時同PAPS和NPAPS相比較所獲得的信噪比的提高[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，將偏移從頻率f1改變到f2，它可能由溫度效應(yīng)引起，會使f2對應(yīng)于所比較序列的窗口中信號強度的最大變化。
當(dāng)用PAPS和NPAPS的組合在頻率f1照射RDX時，只在NPAPS窗口中獲得最大強度。在這種情況中在PAPS窗口中的NQR信號的強度為最小，小于最大值的40％(圖3a和3b)。因此合成信號的總值在從PAPS和NPAPS組合的2n個窗口的累積后，等于1.4nUmax，這里Umax是在NPAPS窗口中的信號幅值。
在2n累積后噪聲值等于 Un(Un是噪聲的幅值)。
結(jié)果，信噪比大約等 (Umax/Un)。
當(dāng)在頻率為f2的PAPS和NPAPS的組合輻照時，能獲得相同的信噪比，該頻率對應(yīng)于在NPAPS觀測窗中獲得的最大信號。
現(xiàn)在討論當(dāng)在頻率f1或頻率f2用下列脈沖序列時該實施例的操作[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，如圖3c所示。
在此情況中，在序列的每個第二窗口(例如所有偶數(shù)窗口)，觀測到最大信號，而在另一窗口(奇數(shù)窗口)，觀測到最小信號。最大信號值等于1.3Umax并且最小信號值等于0.7 Umax(Umax為早先定義的)。
噪聲值與前面的例子相似。
作為從2n個窗口累積的結(jié)果所獲得的信噪比，等于 (Umax/Un)。
其結(jié)果，所給序列的使用增加了信噪比，特別是此方法的靈敏度同PAPS和NPAPS的組合比較增大 倍。
圖4a，4b展示了合成信號同頻率的關(guān)系，在把序列的頻率偏移中的所有序列窗口相加后，分別有(i)[θ0°-τ-θ0°-τ]n[θ0°-τ-θ180°-τ]n(PAPS和NPAPS的序列)(ii)[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，(優(yōu)選實施例中使用的序列)。
可見，使用下列組合[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，相對于PAPS和NPAPS的組合，用周期1/τ完全排除了溫度的影響和其他變化引起的強度的變化。
應(yīng)指出使用根據(jù)本實施例的修改的帶有成對脈沖的SSFP序列，結(jié)合下列分析方法，還允許消除探針減幅振蕩和磁聲減幅振蕩，該分析方法包括-在一個窗口中把所有的序列窗口的信號相加；-進行所得相加信號的付立葉變換，并且-進行付立葉變換信號的數(shù)字濾波，它將樣品信號從其它信號成分中鑒別出來。
而且，探針減幅振蕩和磁聲減幅振蕩的頻率與多脈沖序列的RF脈沖的發(fā)射頻率相符合。序列脈沖[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n，的發(fā)射頻率的最佳偏移是相對于共振頻率差幾kHz。因此在合成信號的付立葉變換后NQR反射信號和減幅振蕩(ringing)在頻域內(nèi)分隔開該偏移值。因此使用頻率帶寬高于減幅振蕩頻譜的成分的頻率的數(shù)字濾波裝置，能夠從信號中排除減幅振蕩。
圖5表示從由以下序列激勵的并把從各觀測窗中獲得的信號相加后得到的從NQR反射信號接收的付立葉變換信號的付立葉頻譜[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n在本例中，所用的反射信號是探測物質(zhì)RDX在發(fā)射頻率5.1865MHz和溫度23°的條件下接收的。序列的參數(shù)與從圖3c(i)中表示的接收反射信號的觀測參數(shù)相一致。減幅振蕩信號峰值與付立葉變換信號的零頻率相對應(yīng)。NQR反射信號的峰值移動一所述頻率偏移值6.5kHz。
圖6表示圖5中所示的獲得的付立葉變換信號在數(shù)字濾波后的付立葉頻譜。濾波器的低頻截止頻率等于500Hz。圖6的頻譜示出了只有NQR反射信號的付立葉變換信號，減幅振蕩信號完全被消除了。然后該區(qū)分開的NQR反射信號與RDX的溫度為23C時的參考值相比較，該參考值按照所需的真/偽探測幾率比來預(yù)先設(shè)置。
使用上述給定序列的本實施例的成功來源于下列方面(a)當(dāng)發(fā)射頻率與共振頻率的偏移由溫度效應(yīng)和其他強度變化機制引起的不可控制的變化時，在一些觀測窗中記錄的信號強度的減弱由其它窗中信號強度的增加所補償。
(b)當(dāng)累積時序中所有窗中的信號而獲得的總信號被處理時，在單信號窗中引起的強度的變化不影響凈結(jié)果。
(c)使用成對脈沖在各個觀測窗中產(chǎn)生了附加的反射信號，這增加了觀測信號的強度和信噪比，這反過來又決定了探測方法的靈敏度。
本實施例的特別的優(yōu)點在于它減弱了在RF場中由金屬或其他某些材料通常產(chǎn)生的磁聲減幅振蕩的影響，本發(fā)明做到這一點是從根本上認識到在磁聲減幅振蕩的干擾和NQR反射信號之間的衰減時間的不同。另外，從入射RF脈沖時序派生出來的NQR反射信號在磁聲信號完全耗散后到達，因此允許NQR在沒有磁聲減幅振蕩干擾下探測。
應(yīng)指出，本發(fā)明的范圍不局限于這里所描述的具體實施例。尤其，本發(fā)明不限于核四極共振探測技術(shù)的應(yīng)用，而且也適用于核磁共振探測技術(shù)的應(yīng)用。在這方面，NMR不限于那些包含四極矩核的物質(zhì)。本發(fā)明仍然適用于所有NMR材料。更進一步，本發(fā)明不限于只探測包括N和Cl四極矩核的物質(zhì)，而且同樣可應(yīng)用于其他包含其余特定四極矩核的物質(zhì)的探測。
權(quán)利要求
1.一種探測樣品中指定物質(zhì)的方法，包括用包含多個脈沖的脈沖序列來照射要從其中探測指定物質(zhì)的樣品中的原子核，其中所述脈沖序列包含成對的以一定的相移相互分離開的脈沖，以從指定物質(zhì)中產(chǎn)生多個核共振反射信號，如果該指定物質(zhì)存在的話；以及分析所述反射信號，以探測所述指定物質(zhì)的存在。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖序列是一種修改的穩(wěn)態(tài)自由進動的脈沖序列，它包含成對脈沖，每個所說的脈沖序列中的成對脈沖具有相同的持續(xù)時間、成對脈沖間隔和預(yù)定的頻率，并且所述RF脈沖序列的每個偶數(shù)成對脈沖的相位與所述RF脈沖序列的每個奇數(shù)成對脈沖相差90°，其中所述成對脈沖的每個脈沖在所述成對脈沖內(nèi)具有相同的相位、持續(xù)時間和脈沖間隔。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述成對脈沖內(nèi)的所述脈沖間隔大大小于在相鄰的所述成對脈沖之間的所述成對脈沖的間隔。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，脈沖序列是由成對的脈沖組成的，相鄰脈沖對的相位相差90°，如以下類型[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n并且發(fā)射頻率相對于指定物質(zhì)的受輻照原子核的共振頻率有一偏移。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述脈沖序列是射頻(RF)脈沖序列。
6.一種探測樣品中指定物質(zhì)的存在的方法，包括在一設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，以發(fā)射頻率反射一多脈沖序列來輻照樣品中的原子核；接收并分析由所述多脈沖序列輻照的所述樣品中的任何共振核發(fā)出的核共振反射信號，以探測樣品中所述物質(zhì)的存在；并且其中脈沖序列包括成對的脈沖，相鄰脈沖對的相位相差90°，如以下類型[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n所述發(fā)射頻率相對于指定物質(zhì)的受輻照核的預(yù)定共振頻率有一個偏移；并且所述分析包括對所接收的核共振反射信號進行付立葉變換，只記錄落在與在該設(shè)置的溫度范圍內(nèi)所述指定物質(zhì)的受輻照核的共振頻率相應(yīng)的一個窄的頻帶范圍內(nèi)的那些反射信號，然后將所記錄的反射信號與相應(yīng)于所述指定物質(zhì)的設(shè)置的參考值進行比較，以確定所述指定物質(zhì)在所說的樣品中是否存在。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，包括相應(yīng)于相鄰脈沖對之間的時間間隔，在多脈沖序列的所有觀測窗中接收所說的核共振反射信號，并且所述分析包括在每個窗口中對所述時間間隔求和，獲得一合成信號，并對該合成信號進行付立葉變換以靠頻率上的差別將樣品中任何存在的指定物質(zhì)產(chǎn)生的核共振反射信號與探針和聲減幅振蕩區(qū)別開來。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其中所述成對脈沖內(nèi)的所述脈沖間隔大大小于在相鄰的所述成對脈沖之間的所述成對脈沖的間隔。
9.一種用于探測樣品中屬于爆炸物和麻醉品類別的物質(zhì)的方法，如含有14N，35Cl，39K或37Cl核素的物質(zhì)，該方法采用核四極共振，并包括以下步驟(a)產(chǎn)生一修改的穩(wěn)態(tài)自由進動RF脈沖序列，所說RF脈沖序列包含成對的脈沖，每對所說RF脈沖序列有相同的持續(xù)時間、成對脈沖間隔和預(yù)定的頻率，并且所述RF脈沖序列的每個偶數(shù)成對脈沖的相位與所述RF脈沖序列的每個奇數(shù)成對脈沖相差90°，其中所述成對脈沖的每個脈沖在所述成對脈沖內(nèi)具有相同的相位、持續(xù)時間和脈沖間隔；(b)把所述RF脈沖序列發(fā)射到探針；(c)用在(b)步驟發(fā)射到探針的所述RF脈沖序列輻照樣品；(d)響應(yīng)于在步驟(c)對樣品的輻照，探測在發(fā)射到所述探針的所述RF脈沖序列的成對脈沖之間的核四極共振反射信號；(e)對所有所說的核四極共振反射信號求和得到一合成信號；(f)對所說的合成信號進行付立葉變換；(g)產(chǎn)生付立葉變換信號作為所說的付立葉變換的結(jié)果；(h)頻率過濾所說的付立葉變換信號；(i)將在所說的步驟(h)中濾波后獲得的信號與一個預(yù)定的參考幅值相比較，并且(j)當(dāng)所說的濾波后信號超出所說的參考幅值時發(fā)出提示信號。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述成對脈沖內(nèi)的所述脈沖間隔大大小于在相鄰的所述成對脈沖之間的所述成對脈沖的間隔。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述濾波后信號的最低頻率大約為0.5-1.0kHz。
12.如權(quán)利要求9到11中任何之一所述的方法，其中，所述RF脈沖序列的所述預(yù)定頻率被設(shè)置在四極原子核的核四極共振頻率的附近，四極原子核如在被探測物質(zhì)中的14N，35Cl，39K，或37Cl。
13.如權(quán)利要求9到12中任何之一所述的方法，其中所述被探測物質(zhì)包括含14N核素的爆炸物或麻醉品。
14.如權(quán)利要求9到12中任何之一所述的方法，其中，所述被探測物質(zhì)包括含35Cl核素的爆炸物或麻醉品。
15.如權(quán)利要求9到12中任何之一所述的方法，其中所述被探測物質(zhì)包括含37Cl核素的爆炸物或麻醉品。
16.如權(quán)利要求9到12中任何之一所述的方法，其中所述被探測物質(zhì)包括含39K核素的爆炸物或麻醉品。
17.一種用于探測樣品中指定物質(zhì)的存在的裝置，包括發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生包括多個脈沖的脈沖序列，其中所述脈沖序列包括成對的脈沖，相互之間偏移一指定的相移；輻照裝置，用于采用所述脈沖序列來輻照要從其中探測指定物質(zhì)的樣品中的原子核；以及分析裝置，用于分析用所述脈沖序列輻照樣品從樣品中產(chǎn)生的任何反射信號，以探測指定物質(zhì)的存在；其中，所述脈沖序列的類型是能夠從指定物質(zhì)產(chǎn)生多個核共振反射信號，假如它存在于樣品中的話。
18.一種用于探測樣品中指定物質(zhì)的存在的裝置，包括多脈沖序列發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生多脈沖序列，其包括成對的脈沖，其相鄰脈沖對的相位相差90°，類型如下[τ/2-(θ-Δτ-θ)0°-τ-(θ-Δτ-θ)90°-τ/2]n發(fā)射裝置，用于以一發(fā)射頻率發(fā)射所說的多脈沖序列以穿透一樣品，并適應(yīng)任何強度變化機制，該發(fā)射頻率相對于指定物質(zhì)被輻照原子核的預(yù)定共振頻率有偏移；接收裝置，用于接收由所述多脈沖序列輻照的所述樣品中的任何原子核發(fā)出的核共振反射信號；分析裝置，用于分析所述接收的共振反射信號并確定是否有任何接收的共振反射信號指示樣品中指定物質(zhì)的存在；以及報警裝置，用于響應(yīng)于所述分析裝置確定有某些所述接收的共振反射信號指示樣品中指定物質(zhì)的存在，發(fā)出報警信號；其中所說的分析包括對所有的所述核共振反射信號求和以產(chǎn)生一合成信號，對所述合成的共振信號進行付立葉變換，只記錄落在與在該設(shè)置的溫度范圍內(nèi)所述指定物質(zhì)的受輻照核的共振頻率相應(yīng)的一個窄的頻帶范圍內(nèi)的那些信號，然后將所記錄的信號與相應(yīng)于所述指定物質(zhì)的設(shè)置的參考值進行比較，以確定所述指定物質(zhì)在所說的樣品中是否存在。
19.一種按照附圖適當(dāng)探測樣品中指定物質(zhì)的方法。
20.一種按照附圖適當(dāng)探測樣品中指定物質(zhì)的裝置。
全文摘要
一種使用核四極共振或核磁共振探測樣品中指定物質(zhì)的方法和裝置，用包含多脈沖的修改的穩(wěn)態(tài)自由進動RF脈沖序列來輻照樣品中的原子核。所述脈沖序列包含成對的以一定的相移相互分離開的脈沖，以從指定物質(zhì)中產(chǎn)生多個核共振反射信號，如果該指定物質(zhì)存在的話。該脈沖序列是由成對的脈沖組成的，相鄰脈沖對的相位相差90°，如以下類型[τ/2－(θ－Δτ－θ)
文檔編號G01R33/44GK1391653SQ00816045
公開日2003年1月15日 申請日期2000年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月6日
發(fā)明者亞歷山大·V·貝利亞科夫, 塔拉斯·N·魯達科夫, 瓦西里·T·米克霍爾茨維奇, 沃里克·P·奇斯霍爾姆 申請人:索爾洛克國際有限公司