Mikołaj Siergiejew Zakład Fizyki Ciała Stałego, IF USz Zastosowanie magnetycznego rezonansu do wykrywania materiałów wybuchowych i narkotyków

Wstęp Po pamiętnych atakach terrorystycznych, które zdarzyły się w ostatnich latach na całym świecie, znów wzrosło zainteresowanie poszukiwaniem nowych fizycznych metod do wykrywania materiałów wybuchowych ukrytych 1. w bagażu podręcznym; 2. w przesyłkach pocztowych; 3. w ubraniu pasażerów itp.

Aktualnymi pozostają również zagadnienia, związane z wykrywaniem narkotyków oraz min przeciwpiechotnych w obudowach niemetalicznych. Szacuje się, że obecnie ponad 150 mln takich min pozostało w różnych rejonach świata, co powoduje, że rocznie ginie ponad kilkadziesiąt osób (głównie dzieci).

Przykłady min przeciwpiechotnych Masa – 200 g ÷ 10 kg Masa wybuchowego materiału - 10 g ÷ 500 g Wybuch następuje przy nacisku albo pociągnięciu za sznurek – 1,5 kg ÷ 25 kg

Niektóre wybuchowe materiały Trotyl Heksogen C3H6N3(NO2)3 C7H5(NO2)3

Wzory chemiczne niektórych narkotyków Kokaina Heroina C21H22NO5 C17H21NO4

Metody wykrywania 14N + n15N*15N +  (10.08 MeV) Promieniowanie jonizujące: gamma, alfa, beta, neutrony. Najszersze zastosowanie uzyskała metoda aktywacji neutronami termicznymi (TNA) 14N + n15N*15N +  (10.08 MeV) Jednak ta metoda wymaga bardzo kosztownej aparatury jądrowej i wymaga dość dużo czasu.

Metody wykrywania 2. Metody oparte na analizie obecności śladowych ilości pewnych substancji w oparach wydzielanych przez narkotyki i materiały wybuchowe. Te metody są dobre do wykrycia „starych” narkotyków i materiałów wybuchowych (dynamit). Nowoczesne narkotyki i plastyczne materiały wybuchowe nie wydzielają takich substancji w wystarczającym stężeniu.

3. Metody radiospektroskopowe : Metody wykrywania 3. Metody radiospektroskopowe : Magnetyczny Rezonans Jądrowy (NMR) Magnetyczny Rezonans Kwadrupolowy (NQR ) Elektronowy Rezonans Paramagnetyczny (EPR)

Podstawy radiospektroskopii

Podstawy radiospektroskopii

Właściwości magnetyczne jąder wchodzących w skład WM i N Jądro Spin %  14N 1 99.63 0.14 13C 1/2 1.1 0.25 1H 99.985 17O 5/2 0.037 0.68

NMR i EPR metody NMR 1H nie jest dość informacyjną metodą , ponieważ jądra 1H istnieją prawie „wszędzie”. 2. NMR 14N wymaga wykorzystania dość wysokiego i jednorodnego pola magnetycznego. 3. EPR na paramagnetycznych centrach jest mało informacyjny. Oprócz tego centra paramagnetycznie również są wszędzie (nawet w zabawkach, kosmetykach itd.)

Jądro 14N

Poziomy energetyczne 14N 0 m = - 1 – + m = 0  =(3eQq/4h)(1/3) 0 = (3eQq/2h)

Trudności w obserwacji NQR jąder 14N Energia absorbowana Częstości rezonansowe NQR ±, 0 jąder azotu 14N grup NO2 są < 1 MHz. Częstość NMR protonów (1H)   100 MHz, a zatem sygnał NQR 14N ma amplitudę w ~ 10000 razy mniejszą niż sygnał NMR 1H.

Podwójny rezonans Jądra 1H Jądra 14N Zmniejsza się temperatura spinowa jąder 1H. 2. Temperatura spinowa jąder 14N zwiększa się. 3. Cieplny kontakt między jądrami 1H i 14N pro- wadzi do wyrównania spinowych temperatur. 4. Rejestrują się zmiany w sygnale jąder 1H.

Temperatura spinowa n- n- n+ n+

Metody zmiany TS n- n- n+ n+

Metody zmiany TS n- n- n+ n+ Adiabatyczne zmiany pola

Sekwencja ujarzmiająca spiny – spin locking Metody zmiany TS Sekwencja ujarzmiająca spiny – spin locking 90X t > T2 B1Y

Warunek Hartmanna- Hahna Cieplny kontakt 1H – 14N TIS Jądra 1H (A) Jądra 14N (B) Warunek Hartmanna- Hahna

Warunek Hartmanna- Hahna flip-flop term – ( IA+IB- + IB-IA+) Cieplny kontakt 1H – 14N Warunek Hartmanna- Hahna EA = EB flip-flop term – ( IA+IB- + IB-IA+)

Podwójny spin-echo rezonans Jądra A – protony (1H), jądra B – jądra 14N Gdy częstość B pokrywa się z rezonansową częstością jąder B, maleje amplituda echa jąder A. Metoda ta jest efektywna w przypadku silnego sprężenia dipolowego jąder A i B.

Podwójny NMR - NQR w układzie laboratoryjnym

Podwójny NMR-NQR w wirującym układzie

Widmo 14N kokainy

Widmo 14N kodeiny

Widmo 14N heksogenu

Impulsowa sekwencja rejestracji czterech WM

Widma NQR 14N

Rysunek z http://www.staff.amu.edu.pl/~zsjrk/research.html

Zależność natężenia sygnału NQR od l  = B l cewka

Sekwencje impulsowe a widma dwuwymiarowe NQR 14N

Widmo dwuwymiarowe NQR 14N heksogenu

Podsumowanie 1. Stosowanie różnych metod podwójnego rezonansu daje możliwość wykryć w bagażu podręcznym, w przesyłkach pocztowych, w ubraniu pasażerów itp. wybuchowe materiały oraz narkotyki masą rzędu 10 g w ciągu czasu około 10 s. 2. Stosowanie metod rejestracji NQR na odległości daje możliwość wykryć z prawdopodobieństwem 0.97 na polu o powierzchni 1 m2 w ciągu 10 s wybuchowy materiał o wadze > 10 g, który znajduje się na odległość  25 cm od cewki rejestracyjnej .

Podsumowanie 3. Obecnie szereg firm produkuje urządzenia do wykrycia wybuchowych materiałów i narkotyków pracujących na podstawie rezonansu magnetycznego. Na przykład firma Quantum Magnetics (USA) produkuje urządzenie do wykrycia narkotyków w zamrożonych przetworach z ryb. Objętość cewki w tym urządzeniu wynosi 170 litrów ! Są również urządzenia do wykrycia min przeciwpiechotnych na odległości do 20 cm od powierzchni ziemi. Niestety dostęp do informacji o tej produkcji jest silnie ograniczony.

Na każdy wynalazek jest ...

Literatura V.S.Grechishkin et al.(zespół z Kaliningradu) . UFN (Postępy nauk fizycznych) 167 (1997); 166 (1996) 2. J.Nogaj et al. Zespół z zakładu kwadrupolowego rezonansu Instytutu Fizyki, UAM, Poland 3. I.A.Safin, D.Ja.Osokin, Zespół z Instytutu fizyko-technicznego AN, Kazań. 4. S.P.Gabuda, Yu.Kriger et al., Zespół z Instytutu chemii nieorganicznej AN, Novosibirsk N.A.Sergeev, A.V.Yatcenko, A.V.Sapiga, et al., Raporty z badań statutowych 1981-1989 - Uniwersytet Simferopolski. V.N. Shcherbakov

Skrośna relaksacja 14N – 1H T1 H = N 

Wspomnienia 1981 - 1989