基于核四极矩与核外电场梯度之间的相互作用

核四极矩共振爆炸物检测系统的研制何高魁中国原子能科学研究院2010年8月,贵阳一、项目背景近些年来,世界范围内恐怖爆炸威胁不断增加洛克比空难:1988年12月美国泛美航空公司103航班发生爆炸，造成270人死亡.震惊世界!此后,世界各国均加强了对航空恐怖事件的防范，并开始重视炸药检测技术的研究。洛克比空难1996年7月，亚特兰大奥林匹克公园突然发生炸弹爆炸，1名妇女当场死亡，111人受伤。2004年的8月24日俄罗斯两架客机坠毁2007年2月:3周内，英国连续发生7起邮件炸弹爆炸欧盟频遭邮件炸弹骚扰欧盟主席普罗迪,欧洲中央银行,欧洲刑警组织,意大利,西班牙,加拿大…08年:昆明公共汽车爆炸,北京公共汽车爆炸…针对国家领导人的邮件炸弹事件“邮件炸弹”也是恐怖分子进行敲诈、勒索、制造恐怖事件的工具。反恐是全球所关注的问题，关系到国家安全爆炸物检测是反恐的重要部分，各国都加大投入研究开发有效的检测技术和设备为防止恐怖爆炸袭击，除了在机场，口岸、车站、重要会议场馆等装备有效的爆炸物检测设备外，邮件中的爆炸物检测也是十分必要的。爆炸物检测技术X-射线扫描C-T扫描气相分析核四极共振中子分析毫米波（T-Hz）EDS-M邮件爆炸物检测系统---NQR技术二、核四极共振(NQR)原理非球形核具有核四极矩特性核四极矩与核外电场梯度相互作用电场梯度由物质分子结构决定,与外界无关.强烈依赖于物质的分子结构、化学键和原子价态特定的谱线对应于特定的物质核四极共振原理外部电场核磁共振(NMR)和NQR核四极矩产生的能级:e2qQ:核四极耦合常数;η:电场梯度(EFG)的不对称系数.不同核,四极矩不一样同一种核,所处的分子结构不同核四极共振原理)]()3[()12(422222yxzQIIIIIIqQeH能级不同ExEz能级状态和NQR频率f1f2f30.5MHz5MHzRFRFRFRelaxRelaxRelaxEy核四极共振原理hqQevhqQevhqQezyx2)3(4)3(4222对于14N:核四极共振检测技术的特点:基于核四极矩与核外电场梯度之间的相互作用;不同的核,核四极矩不同;同一种核,分子结构不同,电场梯度不同;迄今为止,没有发现相同的共振频率.指纹检测技术三、核四极共振检测爆炸物机理大多数爆炸物含氮量丰富TNT:18.5%黑素金(RDX):38.0%奥托金(HMX):37.8%潘太(PETN):17.7%氮-14丰度约为99.63%氮-14自旋为1,非球形核,具有核四极矩特性14N是一种很好的NQR探针，可以利用14N-NQR方法探测炸药核四极共振爆炸物检测机理核四极共振爆炸物检测技术的特点基于分子结构的超精细相互作用探测方法是一种能够排除其它物干扰的爆炸物指纹检测技术能确定炸药种类和重量非破坏性、非放射性、对其它其它物品没有影响分析速度较快四、系统设计计算机控制接口及软件发射单元自动调谐匹配单元接收单元探测器样品系统硬件结构系统设计设计目标系统设计实用型爆炸物检测系统发射单元系统设计激发脉冲发射门控射频功放探测器Gate匹配网络接收单元系统设计保护电路信号放大带通滤波A/D转换四相检测探测器自动调谐-解决分布电容问题自动频率跟踪-调整频率时/频域变换结果显示/报警报警阈的计算历史记录保存友好的界面系统设计系统软件系统设计系统方案探头计算机四相检测ADCDDS脉冲序列系统设计脉冲NQR技术,多次累加,提高信噪比多次累加,使得探测微弱信号成为可能操作界面系统设计技术参数系统设计直接数字合成产生激发脉冲，相位精度：0.1度，频率分辨率0.5Hz，脉冲分辨：20nS.信号放大器：40dB+72dB。射频功率放大器：500W脉冲功率，频率范围：250kHz-12MHz,上升/下降时间：100nS，马达驱动可变电容调谐。温度采集探头：Pt100.数据采集：14位A/D，时钟50MHz。探测腔灵敏体积：10升。五、系统调试及测试模拟实验(粗调)—晶体爆炸物实验(细调)晶体实验：基本调试FID系统调试及测试晶体实验：基本调试频谱系统调试及测试爆炸物实验：提高灵敏度50gRDXFID系统调试及测试系统调试及测试50gRDX频谱系统调试及测试10gRDXFID系统调试及测试10gRDX频谱系统调试及测试数据处理系统调试及测试系统性能测试测试样品：编号为1号和2号的EMS包，其中1号包装填10克RDX，并装有若干纸张，2号包只装有纸张若干1号包连续测试100次.报警99次，可疑1次，准确率99%，无漏报2号包连续测试100次.报警0次，安全100次，无误报系统调试及测试系统指标灵敏体积：10升（信件、快件26X20）检测爆炸物种类：塑性炸药（RDX），C-4,塑-4,聚黑-2高聚物粘结,B炸药.灵敏度：10克探测时间：15秒系统通过了奥运防暴安检装备专家验收自主研发的实用设备还需研发新的NQR技术(激励,数据处理…),解决更多的爆炸物检测推广应用六、总结手提包检测系统谢谢!