檢測方法和檢測設備及使這種設備成型的方法

2023-06-30 20:42:31

專利名稱：檢測方法和檢測設備及使這種設備成型的方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測至少有一種核四極共振(NQR)特性(特別是自旋點陣馳豫時間T1)的樣品中存在四極核的方法和檢測設備，所述特性隨給定的環境參量(如溫度)變化。還涉及一種使這種設備成形的方法。
作為一個例子，本發明用於檢測來自包裹、行李中，或人身上所藏，或者爆炸裝置所散開的炸藥TNT、RDX、HMX或PETN的14N四極共振信號的場合。作為另一種舉例，還用於比如機場檢測隱藏的毒品，如海洛因和古柯鹼。如果測得這些物質存在，就會響起警鈴。應予說明的是，在機場等處檢測爆炸品或毒品的存在時，樣品的溫度是不會知道的，而且實際上可能是很寬的。樣品內可能存在明顯的溫度梯度。
NQR測試的優點在於，它們無需將樣品置於強磁場中，因而不需要大而昂貴的並受樣品尺寸限制的磁體結構，所說的這種結構恰是核磁共振(NMR)測試所需要的。
從國際專利申請PCT/GB92/00580(British Technology Group Ltd.—英國技術集團有限公司—)可知一種檢測樣品中存在四極核的方法，該樣品至少有一種隨給定的環境參量變化的NQR特性，這裡將它的公開引為參考文獻。該法包括給樣品施加寬能級的激勵，激發NQR共振，並檢測NQR共振信號，以這樣的激勵激發NQR共振信號，在檢測步驟該信號能夠對整個預定的環境參量範圍進行檢測。
按此方式，可對所需之檢測靈敏度檢測相關原子核的存在。根據「檢測靈敏度」是指對整個給定的測試時間，在確定的樣品體積內，可按給定的機率等級測得所選原子核的數目(或物質的量)。利用所累積信號的富利葉變換給出一個吸收譜，再通過在適當的極限之間積分來測量此譜下的面積，可使這個靈敏度得到改善。
本發明是以這樣的新發現為基礎的，即樣品的NQR特性，如共振頻率(ν)和自旋點陣馳豫時間(T1)可隨給定的環境參量，如溫度、壓強或磁場等而明顯地變化。因此，在進行NQR測試時必須考慮或者補償這些變化，以覆蓋預定的環境參量範圍。
由於NQR測試一般是在某種場合下進行的(如飛機場)，所以所述環境參量的給定範圍通常是在該種場合下可能遇到的參量範圍(可能是所述參量的國家的或全球的平均值範圍，亦或是最大值範圍)。假如所述參量是溫度，則所述預定範圍總的講可為±10℃(可能在5℃和25℃之間)或±20℃(可能在-10℃和+30℃之間)。該範圍可能是從-30℃(對應於極地情況)到+40℃(對應於沙漠情況)這樣大。在某些工業應用中，可能遇到非常寬的溫度範圍。假如所述環境參量是壓強，則所述預定範圍可為譬如±10％(對應於典型的每日平均壓強範圍)或±5％(對應於最大值範圍)，或者更高—假如對壓力容器內的測試條件採用所述方法。
因此，如果在機場的行李中被懷疑的物質是炸藥RDX，則可經受圍繞20℃的平均值的-25到+15℃的溫度變化，即從-5到+35℃的變化。樣品不同，溫度可能不相同，和/或同樣的樣品可能有不一致的溫度。
現在考慮NQR特性—自旋點陣馳豫時間(T1)，同樣發現對溫度(還有壓力)變化的自旋點陣馳豫時間(T1)的影響可能是非常明顯的。例如，意外的是，對於上述RDX樣品而言，14N的頻率ν+下的T1是在5和25℃之間按接近8的因子變化的。
我們還發現，T1變化的一個特別重要的影響是比值τ/T1，這裡τ是連續激發的脈衝重複之間的脈衝間隔(脈衝重複時間)。作為一個例子，參見本說明書的

圖1，它得自PCT/GB92/00580的圖1，其中表現出不同τ/T1值下的信號強度隨觸發角(flip angle)(α)的變化。所有這些圖線順次都由Vega關於自旋為1的核所得的方程(J.Chem.Phys.，1974，61，1099，Eq.IV-29)得出。這些核預示火藥中的穩態NQR信號的強度作為給定之T1的τ的函數。這些圖線與Buess等人的論文(「NQR DetectionUsing a Meanderline Surface Coil」，J.Mag.Res.，Vol.92，348-362(1991))中發表的圖線相似。應予說明的是，這些圖中所示的曲線是最一般地表示它們的意義，並不在於特別地針對任何特殊物質。
圖1表明，在給定的比值τ/T1(＜5)情況下，隨著觸發角的改變，可以預期信號通過一個最大值，這個最大值移到觸發角小於119度(αm)處，並在比值τ/T1降至1以下時，信號強度較低。在τ/T1＝5的情況下，假設對應於觸發角αm的最大自由感應衰減(fi.d.)比1大；在τ/T1＝0.1的情況下，f.i.d.移至0.3αm處，且它具有相對信號強度0.25。對於常值τ並在恆定的觸發角αm的情況下，τ/T1在1和0.1之間的變化(對於RDX中的14N的頻率ν+，相應於溫度增大接近大約20℃的環境，T1增大10倍)引起響應信號強度損耗約為70％。若這樣的損耗被噪聲湮沒，就使共振信號不可能被檢測到。
因此，PCT/GB92/00580所揭示的發明包括一種補償T1變化的方法。在多個不同脈衝重複率和/或因而產生多個不同的觸發角的情況下，該法包括將所述激發用作一組激發脈衝，以致可檢測的NQR共振響應信號可在與環境參量的範圍相應的整個馳豫時間範圍內被激發，而且最好確實被激發，以便所述響應信號的強度在整個範圍內基本不變。
雖然這種方法已獲成功，即它能進行高靈敏度的測試，但其缺點在於在某些應用中，其中包括測試過程中觸發角或脈衝重複時間的變化方面，或者兩方面都可能使這種測試變得複雜化，並可能增加該檢測設備的複雜性，而且可能影響測試的持續性。
本發明試圖解決這些問題。
按照本發明，基於對所提供的脈衝重複時間和觸發角進行精心選擇，可將它們維持在對於特定的測試為常量的值，而不會明顯地有損於本法的靈敏度。
本發明提供一種檢測樣品中存在給定的四極核，原子核的響應頻率和自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化的方法，它包括確定與所選參量範圍相應的共振頻率範圍；給樣品施加激發，以激發核四極共振；並檢測共振響應信號，可在共振頻率範圍內激發可以檢測的共振響應信號，並使得產生實際小於45°的恆定觸發角。
不要把這裡所用的「恆定」理解為一個特別精確的意思；相反地，應按準確度較低的角度，總要結合檢測樣品中存在四極核的方法去理解它。例如在整個時間內，觸發角的25％或更多(例如50％)的變化通常是能夠被接受的。
此外，引用一定度數的「實際」觸發角與「有效」的觸發角相比較的，二者以公知方式與貝塞爾函數有關(例如參見上述Vega的參考文獻)。例如，對於一個自主的I＝1四極自旋系統來說，119°的觸發角實際產生一個最大的自由感應衰減，從而相應於核磁共振中的90°的觸發角，於是119°的觸發角實際相應於90°的有效觸發角。
再有，雖然激發是為了產生一個恆定的觸發角，但可以明白，有很多情況下激發產生的觸發角雖然是恆定的(即不隨時間變化)，但在樣品內根據離激發源的距離可能不一樣。
另外，這裡所用的「可檢測的」一詞更為可取的是包括一個信號/噪聲比，在檢測步驟的測量時間內，此比值明顯地超過實際的或者所預期的噪聲水平，所說的明顯程度是由諸如高級「學生」t分布等標準統計方法確定的。此外，這裡所用的「脈衝重複頻率」簡單的就是脈衝重複時間的倒數。由於後面更充分地說明的原因，由於使可檢測的共振響應信號的激發能在整個共振頻率範圍內進行，而且由於這還使得產生小於45°的實際恆定觸發角，所以本發明的方法可以更易於檢測在給定的環境參量情況中未知的並可在很寬的範圍內變化的有關原子核的存在，而在整個環境參量範圍內檢測的靈敏度不會發生大的變化。通過以簡單的方式，即不僅允許共振頻率隨給定的參量變化，而且允許自旋點陣馳豫時間隨給定的參量變化，即可實現這一點。
所述激發最好是在恆定脈衝重複頻率下的脈衝激發。而且所述方法最好還包括選擇期待的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最短值(恰恰相反，對於與此極限值相對的值而言，所述馳豫時間有最長值)；還包括確定脈衝重複時間對該最短馳豫時間的比值的大小，所述脈衝重複頻率是使所述比值的大小不超過一個選定的值。
通過在恆定脈衝重複頻率情況下工作，並因此而產生一個恆定的觸發角，可使所說的檢測方法相對於國際專利申請PCT/GB92/00580明顯地得到簡化。選擇預期的環境參量極限值(如溫度的最高期待值)、確定所述比值的測量以及確保脈衝重複頻率為使得所述測量不超過一個選定的值的目的在於，通過合宜地選擇所述選定值，可使所述檢測方法更為快速，而在同時卻不會靈敏地改變所述環境參量。
因此，按照本發明的最相關的情況，提供一種使所述檢測樣品中給定四極核存在、所述原子核自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化之設備的成形方法，所述設備包括給樣品施加脈衝激發，以激發核四極共振的裝置。所述方法包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最短值；安排激發裝置，用以在恆定的脈衝重複頻率下施加激發，產生一個恆定的觸發角；還包括確定脈衝重複時間對該最短馳豫時間的比值的測量，所述脈衝重複頻率是使所述比值的大小不超過一個選定的值。
本發明擴展如上所述的方法，用以檢測樣品中給定原子核的存在，所述設備還包括檢測共振響應頻率信號的裝置，還包括控制所述激發裝置和檢測裝置以檢測這種核的存在的步驟。
本發明還提供一種檢測樣品中存在給定四極核、所述原子核自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化的方法，它包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最短值；給樣品施加脈衝激發，以激發核四極共振；還包括檢測共振響應信號。其中所述激發是在恆定的脈衝重複頻率條件下進行的，並產生一個恆定的觸發角；確定脈衝重複時間對所述最短馳豫時間的比值，所述脈衝重複頻率是使所述比值的大小不超過一個選定的值。
所述(脈衝重複時間對該最短馳豫時間的)比值最好不超過20，優選的是不超過10，更為優選的是不超過3或5，甚至是1。這種數量級的值的特殊重要形在於已發現所有其它參量都是一樣的，信號強度以及信號靈敏度都不會顯著地增加到較高的值。這樣，在較高值下所進行的測試將是多餘的冗長。因此，對於快速測試而言，利用這種數量級或者更低的值總是有優越性的。更為優選的是，這種選定的比值不超過0.2或0.3。是此，後面給出的理論分析表明，對於足夠小的觸發角來說，信號強度將變得或多或少地與所述環境參量無關。
本法最好還包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最長值；一方面是重複時間對另一方面是與對準其預期極限之間的所述環境參量值相應的馳豫時間的比值在0.05至5的範圍內，最好在0.1至1範圍內。這是又一個特點，它能確保較快的檢測方法，這種方法在同樣的時間內不會明顯地影響所述環境參量的改變。
最好根據是否已超過預定的檢測閾值從所述響應信號產生一個報警信號。在這種情況下，本法最好還包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最長值；確定脈衝重複時間對該最長馳豫時間的比值的大小；並根據是否已超過預定的檢測閾值從所述響應信號產生一個報警信號，所述閾值對應於響應信號強度值，所述信號強度不超過與所述脈衝重複時間對該最長馳豫時間的比值的大小對應的值。這可確保在整個選定的環境參量範圍內，也就是在其兩個極限值之間得到可檢測的共振響應信號。
本法最好還包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最長值；並確定脈衝重複時間對該最長馳豫時間的比值的大小；與脈衝重複時間對最短馳豫時間的比值相對應信號強度值比相對最長馳豫時間的等值信號強度小一個選定的倍數，最好小5倍，更好是小3倍，再好是小兩倍。通過確保在整個環境參量範圍內信號強度的變化維持在可接受的限度內，也可使檢測的靈敏度在整個環境參量範圍內維持在可接受的限度內。
在優選的實施例中，給定所選環境參量的範圍和所需的響應信號強度範圍，同時通過在脈衝重複頻率和觸發角這兩個量之間的迭代處理來選擇脈充重複頻率和觸發角的值。
最好所述激發使得產生一個小於45°的實際觸發角，更好是所述激發使得產生一個小於35°，最好小於25°、更好小於15°、再好小於10°直至小於5°的實際觸發角。事實上，正如後面將要說明的，觸發角的值越小，本法越有效。
為簡單計，最好在單一的激發載頻條件下施加所述的激發，儘管也可以在兩種或更多種這樣的頻率條件下施加。
一個特別可取的特點是採用所謂「整形」脈衝，正像後面以及英國專利申請UK9319875和國際專利申請PCT/GB94/02070所詳細描述的那樣。這些能夠實現在低功率電平條件下的寬頻帶激發，並且只採用單一的激發頻率。在廣義上說，整形脈衝可被考慮作為一種波形，對於它而言，激發的時域波形是相位調製的或者是振幅調製的，或者是既相位調製又振幅調製的。
正如英國專利申請UK9319875所公開的那樣，核四極共振(NQR)測試樣品所用的設備包括在整個選定的激發頻率範圍內對樣品施加激發，以激發NQR共振的裝置，和檢測NQR響應信號的裝置，所述激發的相位在整個選定的頻率範圍內一般隨所述激發頻率為非線性變化。
所述激發是在載頻ν0下的脈衝激發，激發相位隨頻率偏移(Δν＝ν－ν0)一般為非線性變化，這是適宜的。
整形脈衝發明是出自核四極共振場合中的意外發現，即採用施加相位隨激發頻率為非線性變化激發，可非常明顯地降低激發的峰值功率。在一則實例中，峰值功率可以降低一個數量級以上。峰值射頻率磁場也已實現非常明顯的降低。
從Guan，S.所著，名為「Generation of optimal excitation pulses for twoenergylevel systems using an inverse Fourier transform method」(J.Chem.Phys.，Vol.96，No.11，1992，pp.7959ff.)的論文可以知道在不同的核磁共振(NMR)技術場合中採用相位隨激發頻率為非線性激發。這樣的激發被用於解決不同的問題，主要是解決NMR的溶劑抑制問題。這種激發在所述頻域給出一個階梯式的譜。上述論文是繼續Guan，S.所著名為「General phase modulation method for stored waveform inverseFouriertransform excitation for Fourier transform ion cyclotronmass spectrometry」，J.Chem.Phys.，Vol.91，No.2，1989，pp.775ff.論文的(也可見Marshall，A.G.和Verdun，F.R.，所著，名為「Fourier Transform in NMR，Optical，and Mass spectrometry，AUsers＇Handbook」一書的4.2.3節，Elsevier，1990年版)。
然而，不能指望把Guan提出的這種在NMR測試中採用如此激發的方法用於NQR測試，因為它建立在一個假設上，即被測試的物質是滿足布洛赫方程的二級系統。應予說明的是，所述布洛赫(Bloch)方程可用於液體中的NMR、離子迴旋共振、FT質譜儀以及電子雷射光譜學。但它們不能用於呈現NQR效應的物質。因此，不應期望將Guan的方法用於NQR中。
事實上，令人驚奇的是尚不能充分地弄清為什麼所述整形脈衝方法實際正用於NQR中。
還應說明的是，Guan方法被謹慎地限於只是振幅調製的激發的時域波形，而不能是其它的相位調製情況。(可以理解，當振幅在正值和負值之間變化時，振幅調製本身包括了相位的調製，比如說在0和180度之間)對於持續的激發，所述時域激發波形的調幅包跡沒有零交點。這就可帶來顯著降低激發的峰值功率(及射頻率磁場)的優點。
在一則整形脈衝的優選實施例中，使施加激發的裝置適於施加激發既振幅調製又相位調製的時域波形。作為與只是振幅調製的相反情況，這種方案可被用來產生其包跡沒有零交點的激發波形。
在本實施例中，所述施加激發的裝置最好包括用以產生以90°相移相關聯的兩種信號的裝置，和組合這兩種信號，形成振幅調製及相位調製激發的裝置。另外，所說的信號產生裝置最好包括發生信號的裝置和將該信號分成以90°相移相關聯的兩個信號的裝置。這兩個特徵可提供一種簡單的方法，使本發明付諸實踐。
要說明的是，這些特徵本身可從Wittebort等人的，題為「High-Speed Phase andAmplitude Modulator」的論文(J.Magn.Reson.，Vol.96，1992，pp.624ff.)得知。該文所述的調製器被設計成在30MHz的載頻下工作，遠在很可能是14NNQR測試中所感興趣的0.5至6或8MHz的頻率範圍之上。
繼分開之後可發生兩類信號。這種發生裝置可適於發生固定振幅的載波信號。另一點或補充一點是，這種發生裝置可適於發生具有可變振幅的信號。
在另一種整形脈衝的優選實施例中，使施加激發的裝置適於施加激發調幅但不能調相的時域波形。這種實施例不能像其它實施例所能作到的那樣去容許實現這樣的低峰值功率激發，但製作較簡單，因為不需要直接調製相位。
在又一個優選實施例中，使施加激發的裝置適於施加激發按照線性調頻脈衝函數調製的時域波形。這是使本發明付諸實踐的特別簡單的方式，因為線性調頻脈衝函數對於設備來說是容易的。例如，所述線性調頻脈衝函數可以是cos(ωt2)形式的線性調頻脈衝函數；也即這種調製是純脈衝調製，相位關於頻率偏移受到線性調製。
在任何一種整形脈衝的優選實施例中，所述施加激發的裝置最好包括發生載波信號的裝置，和調製載波信號以產生激發的裝置，其激發的相位在整個選定的激發頻率範圍內一般地隨激發頻率非線性變化。這可以成為一種特別方便的使本發明付諸實踐的方法。適宜的調製裝置包括用於儲存調製載波信號用的調製波形的裝置。
激發相位隨激發頻率的變化可以是相對於載波頻率ν0為對稱或非對稱的。兩種情況中的無論哪一種，它的相位變化最好是二次方的(也即正比於(ν－ν0)2)；已發現這將提高低峰值的激發功率。另一種可能性是隨統計噪聲改變相位，但這將引起噪聲譜。另一個缺點可能是所述時域波形有很多零交點，以致不能有效地利用時間。
如果相位變化是二次方的，那麼在一種特定的優選實施例中，可施加多個激發脈衝，按照這樣一種方式，產生至少一個回波響應信號。正如相對於自由感應衰減信號那樣，特別是在被測物質的自旋點陣馳豫時間T1比較長的情況下，可能有利於產生回波響應信號。
這一特徵出自於依據所述整形脈衝發明所造成的意外發現，即其中相位變化是二次方的所述整形脈衝保持了NQR響應信號的相位。這種相位保持對於成功地發生回波是必須的。
頻域激發譜的幅值在整個選定的激發頻率範圍最好基本為恆定的。這樣可使激發在整個所述頻率範圍為均勻的。
所述整形脈衝發明提供一種核四極共振測試樣品的方法，它包括在整個選定的頻率範圍對樣品施加激發，以激發NQR共振，還包括檢測NQR響應信號，所述激發的相位變化在整個所選的頻率範圍內隨激發頻率一般為非線性的變化。
所選NQR共振可能被激發，而且如果是這樣，與這種共振相應的激發的延續時間最好小於兩倍的自由感應衰減時間T2*。這是一個很重要的特徵，它能確保，在NQR響應信號受到檢測之前，不會增大該信號的不需要的損失。事實上，這種延續時間最好小於T2*的100％、75％或者甚至是50％。
所述發明整形脈衝的一個密切相關的方面是，提供一種核共振測試樣品所用的設備，它包括在整個選定的激發頻率範圍對樣品施加激發，以激發核共振的裝置，還包括檢測響應信號的裝置，所述施加激發的裝置適於激發既是振幅調製又是相位調製的時域波形。
所述發明整形脈衝的另一個密切相關的方面是，提供一種核四極共振測試樣品所用的設備，它包括在整個選定的激發頻率範圍對樣品施加激發，以激發NQR共振的裝置，還包括檢測NQR響應信號的裝置，所述激發的相位變化在整個所選的頻率範圍內隨激發頻率一般為非線性的變化。
還提供多種類似的方法。
前面提到的所有特點都適用於所述整形脈衝發明的上述方面。
本發明的再一個密切相關的方面是，所述整形脈衝發明提供一種延長樣品自由感應衰減時間T2*的方法，它包括在整個選定的激發頻率範圍對樣品施加激發，以激發核共振，所述激發的相位在整個所選的頻率範圍內隨激發頻率變化。
所述核共振適於核四極共振或核磁共振。所述激發的相位變化最好是非線性的。
所述整形脈衝發明的這一方面起源於遵循本發明的發現，即如果以一變化的相位激發一個核信號，自由感應衰減的長度就可能大於以一恆定的相位簡單激發的情況。其原因看來類似於下文給出的為什麼在這種情況下所加激發本身較長的原因。
對於所要觀察的自由感應衰減時間T2*的顯著改變來說，所加激發在核信號的帶寬內須有明顯的相位變化。因此，本法所適應的測試是一條較寬的核共振線(與5210kHzν+線相比)，比如帶寬為0.5kHz的RDX的3460kHz(ν-)NQR線。
所述整形脈衝發明有關的方法可以是特別有用的，例如在T2*小於T2時，為避免由於探測器的低頻監察的死時間問題；或者只是在小射頻振幅的情況下所產生的問題，因而可採用小的觸發角。
還可以提供與本發明各方面的各種設備特徵相類似的方法特徵；反之亦然。
以下從所述整形脈衝發明的其它方向，考慮本發明的其它情況，最好所說的環境參量是溫度。所期望的較高極限值可以小於50℃，最好小於40℃或30℃。所期望的較低極限值(對於這個值而言，大多數物質的馳豫時間具有它的最長值)可以大於-30℃，最好大於-20℃或-10℃。所期望的是多數物質中的T1將隨溫度的升高而降低，在反過來是正確的情況下，將需要把兩個極限互相交換。
脈衝重複時間最好大於四極核的自由感應衰減時間，而且最好大2或3倍，為的是檢測自由感應衰減時間。
本發明還提供利用脈衝激發檢測樣品中存在給定的四極核的設備，它包括存儲裝置，裡面存有至少兩類原子核的信息，所述原子核具有相對於適當的觸發角和脈衝重複頻率有不同的NQR特性，以便把所預期的溫度變化考慮在內；還包括響應所述存儲裝置的裝置，用以對給定類型的原子核而言，將脈衝激發加給樣品，以激發核四極共振；還包括適於在恆定脈衝重複頻率條件下施加激發，從而得到適合於特定物質的恆定觸發角的激發裝置；以及檢測共振響應信號的裝置。
應予說明的是，所必須的脈衝重複頻率和被選定的觸發角可取決於受測試的特定物質，可使不同的脈衝重複頻率和觸發角滿足不同的物質。
可以提供與上面所述的方法特徵相類似的設備特徵。
例如，所述設備還可包括根據是否已超過預定的檢測閾值從被檢測的響應信號產生報警信號的裝置。再有，可在單一的激發頻率下施加激發，並可取得整形脈衝的形狀。
以下將通過僅只是參照附圖舉例的方式描述本發明的理論基礎，以及本發明的優選特性和它的工作情況實例，其中圖1(現有技術)是靜態NQR響應信號強度相對於不同τ/T1值的觸發角的關係曲線；
圖2(現有技術)表示時域的矩形激發脈衝(圖2(a))及其頻域的等效值(圖2(b))；圖3是本發明NQR測試設備優選實施例的方框圖；圖4(a)至4(e)表示使用整形脈衝的NQR測試的第一實例；圖5(a)至5(f)表示使用整形脈衝的NQR測試的第二實例；圖6是NQR測試設備優選實施例變型的方框圖；圖7(a)至7(f)表示也使用整形脈衝的NQR測試的第三實例；圖8是舉例說明本發明優選實施例所用的脈衝時間圖。
按照概括的方式，本發明的優選實施例包括採用脈衝射頻激發，在需要檢測核四極共振存在的物質中激發核四極共振。任何適宜的脈衝序列的形式均可採用，最常用的是規則的均勻脈衝序列。
首先討論激發頻率、脈衝重複頻率、觸發角以及其它與激發有關的參量的選擇方式。然後與特別優選脈衝(「整形」脈衝)種類的詳細說明一起給出使本發明付諸實施的設備的詳細說明。最後給出本發明的一個工作情況的實例。
在本優選實施例中，本發明使得所給四極核的共振頻率和自旋點陣馳豫時間(T1)二者都變化。還可以像PCT/GB92/00580所教導的那樣，考慮其它的NQR特性。
具有地說，按PCT/GB92/00580所教導的方式使頻率得到補償。本優選實施例中只使用一種激發頻率，在這種單一的頻率下，為覆蓋整個有興趣的頻率範圍，即與有影響的溫度範圍對應的頻率範圍，該激發的帶寬是足夠的。已發現「整形」脈衝特別適用於在最小的射頻功率條件下產生所需的帶寬，並因此而將這些「整形」脈衝用於本實施例中，儘管其它種類的脈衝可能也適用。後面將更詳細地描述「整形」脈衝。
現在來說把T1隨溫度的變化考慮進去的方式，整個目標是要通過保持脈衝重複時間τ和觸發角α為常量，並慎重選擇這些參數，使信號強度在整個有興趣的溫度範圍內的變化減至最小來實現這一點。也就是與國際專利申請PCT/GB92/00580的公開相反，該專利申請教導說，為實現適度的補償，可改變這些參數之一或其它。這後一種方法將被期望得到最靈敏的測試。但是，對於最實際的提議來說，本發明優選實施例的方法則是最易於實現的，而且可在單一的激發頻率條件下操作。
以下特別參照圖1，本實施例中，在進行的特定檢測試驗期間，τ和α均為常量，即使所述測試正在一種以上的激發頻率條件下進行著。當然，對於以同一樣品繼續的測試，或者對於以不同樣品的分開測試，觸發角可以不同。如果採用一種以上的激發頻率，當採用可供選擇的方法，使所進行的激發得到單一的常量觸發角時，則對每種頻率可以採用不同的(常量)觸發角和/或脈衝重複時間。
在樣品中，基本對整個有興趣的頻率範圍，觸發角也是常量，雖然就一般而言無需使所提供的觸發角保持足夠低。
在整個測試的持續時間內，通過提供恆定的由激發施加裝置所得的射頻磁場Brf，可使觸發角表現為常量。再有，通過採用適當種類的為施加激發所用的激勵線圈，可能對整個樣品表現為常量。
這樣，對於期望樣品經受的溫度的兩個極限值將有唯一的τ/T1值。由於對於大於5或者就是5的這個比值來說，信號的強度不會明顯的增大，所以對於最短的T1值(對於大多數物質來說，對應於溫度的較高極限值)而言，將脈衝重複時間τ的值選擇成使該比值不超過一個選定的值，比如說5。如果此值更高，則測試將會不必要的長，在信號密度方面，因而也在靈敏度方面都不會伴隨有任何改進。
繼而將觸發角選在足夠低的值，在整個溫度範圍內信號強度的變化均處在可接受的限度內。例如，與最低溫度極限對應的信號強度值可以是不超過最高溫度極限對應的信號強度等效值的5倍，最好不超過3倍，再好則不超過2倍。
檢查圖1顯示出，在高觸發角值處，比如說119°的實際值處，信號強度隨比值τ/T1，因而也是隨溫度有較寬的變化。在這樣的觸發角處，在比值為5處的信號強度比在比值為0.1處的信號強度大差不多7倍。然而，在較低的觸發角值處，在曲線的信號強度與觸發角比的梯度是正而非負的區域，信號強度隨所述比值有較小的變化。比如對30°的觸發角而言，在比值為5處的信號強度比在比值為0.1處的信號強度大不超過100％。
可以理解，有如圖1的理論曲線所得的信號強度的上述變化，在實踐中是不可能被經歷到同樣的精度的。其主要原因將是，如果四極核的共振頻率隨著溫度改變，而所說的激勵卻不等值地激勵所有與有興趣的溫度範圍對應的共振頻率。不過，在這類測試中所經歷的容許偏差內，信號強度隨比值τ/T1的變化是否由圖1的曲線亦或由實驗來確定一般將不是重要的。
所以，如上所述，將觸發角選得儘可能地小。小於45°是適宜的，最好是小於35°，更好是小於25°，再好是小於15°，也可是小於10°，尤其是是小於5°。
最後，選定的脈衝重複時間值和觸發角值，因為這兩個參量影響信號強度，反覆修正它們的值可能會是令人滿意的，譬如降低整個測試時間，而不會影響測試的靈敏度。
人們將會理解，所述脈衝重複時間以至少兩種不同的方式對測試的靈敏度有影響。首先，脈衝重複時間越長(直至一個確定的極限)，對信號強度，從而對靈敏度的影響越大(見圖1)。其次，也就是另一方面，脈衝重複時間越短，對於給定的測試持續時間所能得到的脈衝總數的影響越大，由此對所能累積的自由感應衰減數的影響也越大。信號對噪聲的比，因而也是靈敏度隨所測得的脈衝數的增加而增加。
人們還將理解，觸發角對測試的靈敏度有直接的影響，其中，在一定的限度內，觸發角越小，信號強度越小。不過，由於在較小的觸發角條件下，脈衝要短於在較大觸發角條件下的等值脈衝，更小觸發角時的脈衝在給定的測試時間內可被利用；換句話說，越短的脈衝，所述脈衝重複時間可以越長。
人們還將理解，必須注意不採用過大的觸發角值。例如，對於τ/T1＝0.1，上述觸發角增加到比如說40°，實際將降低而不是增大信號的強度。
因此，像上面所說的那樣，因為脈衝重複時間與觸發角之間的這種複雜的相互依賴性，所以，就可能需要通過處理該二量之間的相互影響來選擇脈衝重複時間與觸發角的最後值。
有如從上面所述及圖1的考慮所能理解的那樣，比值τ/T1的中點值(也即與溫度的預期極限之間的中點溫度值對應的一個比值)大概在0.05到5的範圍內，最好在0.1到1的範圍內。在此範圍內，採用怎樣的方法來判斷這樣的中點值則是不重要的。將能理解，這個比值的確定可以是一種對已被選定的脈衝重複頻率和觸發角的有用的檢查。
按照上面說明的一般原則，一個典型的使這種檢測設備成形方法如下1)選擇溫度的上限和下限值，這是預期樣品將要遇到的。
2)在整個溫度範圍內選擇信號強度變化可接受的範圍。
3)確定自旋點陣馳豫時間T1的最長值和最短值，它們分別對應於溫度的較低或較高(或者可能是較高或較低)預期極限值。這需要對每一個給定的有意義的四極核用實驗方法都做。
4)選擇脈衝重複時間τ的值，使比值τ/T1對於最短的T1值而言小於比如說5。
5)對於最長和最短的T1值確定相應的比值τ/T1。
6)選擇觸發角α的值，比如說30°，對於所用的特種類型的脈衝和所選擇的觸發角，確保τ值長於脈衝的持續時間並確保自由感應衰減(f.i.d.)。所述f.i.d.的持續時間通常被假設為至少是自由感應衰減時間(T2*)的2倍或3倍，可能是5倍。
7)從本說明書圖1的曲線或前述Buess等人的論文的圖3曲線確定在比值τ/T1的整個範圍內信號強度對所選的觸發角值的變化是否在它的可接受的範圍內。
8)如果不在，或者實際上如果所述變化是不必要的小，則選擇τ和/或α的修定值，並重複上面的步驟4)至7)，同時在τ和α之間反覆，直至得到一個可接受的結果。
9)對於具有較長T1的溫度值，檢查在給定的測量時間Tm內數值Tm/τ和累積的f.i.d.強度是足以保證給定的待檢測物質的量產生一個大於一給定閾值的積累信號。
10)如果不是，則選擇τ和/或α的修定值，並重複上面的步驟4)至8)，同時在τ和α之間反覆，直至得到一個可接受的結果。
例如可通過增大觸發角α，簡單地增大所述積累信號。
另一種可供選擇的方式是，通過將脈衝重複時間τ減小到一個新值τ＇來增大所述積累信號。現在，在給定的測量時間Tm內集中了較大的f.i.d.時間，而且信號對噪聲的比值也改善了一個因子(τ/τ＇)1/2。然而，每個單個的f.i.d.的信號強度被降低，而且為了補償這一點，可能需要增大觸發角α，使得在τ被減小之前，諸如使每個單個的f.i.d.的信號強度恢復到其原來的值。
11)對於具有不同NQR特性的不同物質中的若干四極核的τ、α和Tm的最後值存儲在所述檢測設備中。
上面探討的理論合理性從Vega方程(在上述引文中)對由一列脈衝重複時間τ和觸發角α的脈衝所得到的靜態信號Sατ的分析是顯見的(1)Sα∞是在長的τ值情況下觀察到的平衡靜態信號，an是只與α有關的係數，對於RDX的所有14N信號而言，它表現為指數自旋晶格松馳，F(τ)＝e-τ/T1。
Vega方程表明，對於α＜30°，有a1～0。因此，當忽略方程(1)中高次項的影響時，我們發現，對於小觸發角(α)來說，Sατ/Sα∞＝1－a21－(2τ/T1)＋1/2(2τ/T1)2－…(2)當給出α足夠小，且2τ/T1＜＜1時，那就很清楚，所觀察到的信號Sατ變得與τ/T1無關，因而也與影響T1的環境參量的所有變化無關。如果對最短的觀察值T1的條件2τ/T1＜＜1成立，則這將對所有的較長值是正確的。
實際上，如果τ/T1小於0.2或0.3，而信號強度不會明顯地與環境參量有關，則條件2τ/T1＜＜1可被滿足。因而可以看到，對於足夠小的α來說，可有一個明顯的信號強度基本不改變的τ/T1的範圍。因此，對於一個更寬的τ/T1的範圍來說，信號強度的變化可處在可以接受的限度內。
以上應予說明的是，Vega方程還表明，對於α＜15°，上面的方程(1)中的a2近似地正比於α。
可將上面的分析用於上述方法中的步驟10)。就數學意義而言，從上面給出的方程2出發，若有2τ/T1＜＜1，隨著τ的減小，就使a2有關的項加大，這就使Sατ縮減；隨著α的增大，使Sα∞增大，也使a2有關的項加大，因而改變Sατ。若使α小於30°，最好小於20°，則Sα∞的改變佔優勢，同時Sατ增大。
現在討論作為較早所談及的「整形」脈衝發明的基本理論。參照圖2，它表示了公知的矩形激發脈衝，這種脈衝在時域中表現為圖2(a)中的波形，並在頻域中等值成圖2(b)中的譜。圖2(b)中的譜包括一個尖銳的中央峰和邊帶，所述邊帶自中央峰依大小而減弱。可以理解，圖2(b)中的譜是圖2(a)波形的富利葉變換；圖2(a)波形是圖2(b)中譜的富利葉逆變換。還能理解，圖2(a)實際只表示了脈衝包跡(或者特別精確地說，只是脈衝包跡的一半)，其中，脈衝由許多射頻振蕩組成。
對於持續時間為T、半高帶寬為Δν以及峰值脈衝功率為P的矩形脈衝，可知T等於0.6/Δν，且P與1/T2成正比，(在NQR中)給出BrfT和觸發角保持常量的結果。Brf表示振蕩射頻場合下的振幅。因此，已知的矩形脈衝的缺點在於，隨帶寬的增加，峰值功率急劇增加(事實上是二次方地增加)。
從矩形脈衝的分析可以看出，對高功率的要求可歸因於兩個主要因素。首先，在頻域中旁瓣的出現消耗很多功率，卻對譜的有用部分(中央峰)沒有貢獻。其次，脈衝中所含激發頻率的範圍在零時間處同相。因此，在零時間處以及非常接近該處，各頻率之間存在很大的相干性，但在其它時間處存在有害的相互幹擾。於是，脈衝的持續時間短，並且峰值功率高。
在NQR中，現在已發現，對於這些問題中頭一個問題的解決方案是，為採用被整形的脈衝，以致產生一個接近矩形的整形頻譜(也即，在所選的激發頻率範圍內，頻域激發率基本為常量)。利用近矩形頻譜的富利葉逆變換產生所需的時域激發波形的形狀，實現脈衝的整形。
現已發現，對於這些問題中第二個問題(接近零時間處大的相干性)的解決方案是，採用其相位隨頻率一般為非線性變化的激發，以致在時域範圍內，相位被擾頻。因此，在與簡單的矩形脈衝情況相比為足夠長的持續時間內，各頻率間存在相長幹擾，並在零時間處，存在相同時間損失的相長幹擾。於是，所述激發脈衝就可以有較長的持續時間和較低的峰值功率。事實上，對於二次方的相位變化而言，已發現，在常觸發角情況下，有如對於矩形激發脈衝的情況那樣，對於這樣的相位來說，比起Δν2來，功率P更接近與Δν成正比。這個結論是從關係P∝Δν/tp，或者Brf∝(Δν/tp)1/2得出的，其中tp是脈衝長度；Δν與tp無關(它們是對簡單的積形脈衝而言的)，於是，當保持tp為常量時，我們就得到Brf∝(Δν)1/2和P∝Δν。還發現對於給定的激髮帶寬Δν來說，功率與脈衝的持續時間成反比。實際上，問題是所述持續時間只受特定物質之自由感應衰減時間T2*的持續的限制。這將在後面更加詳細的討論。
為了確保相位的恰當頻擾，相位隨頻率的變化應為非線性的。線性的相位變化僅僅影響產生時間移位，但對頻擾相位沒有影響。事實上，已發現NQR測試二次方的相位變化可能是最適宜的。
現在參照圖3描述NQR測試設備的一個優選實施例。這個實施例特別適於樣品(如手提皮箱等)中存在特殊物質的檢測。一般地說，該設備包括一個控制計算機100，用以給樣品施加一個或多個，通常為幾個連續的射頻激發脈衝，覆蓋住一個選定的激發頻率範圍和一個給定的持續時間的裝置102，用以發生通過所述施加裝置102的整形脈衝的裝置104，用於檢測NQR響應信號的裝置106和音頻或視覺報警器108，它對所測物質的存在而靈敏動作。雖然沒有表示，本設備正常地還應包括一些裝置，如相對於本設備傳送樣品的傳輸裝置，使一列樣品可在「運行中」受到測試。
採用本優選實施例的方法，使每個激發脈衝受到整形，致使在脈衝期間相位變化，而且最好是在脈衝的持續時間，比如說至少50％，最好至少是75％或90％，更好是遍及整個脈衝期間基本成正比地變化。相位調製最好是按時間連續的，激發脈衝本身是按時間連續的(也就是說，雖然激發可能瞬時通過零值，但當激發完結時，在脈衝期間沒有時間間隔)。
與本實施例更詳細的關係是，所述激發脈衝施加裝置102包括一個射頻功率放大器110，它的輸出連到射頻傳感器112，此傳感器包括一個或多個位於被測試樣品周圍的射頻線圈(未示出)。
所述射頻傳感器112還成為檢測裝置106的一部分，該檢測裝置還包括射頻接收器和檢測電路120。
所述整形脈衝發生裝置104包括脈衝程序設計器130，用以產生調和脈衝的觸發信號；一個由SMIS，United Kingdom製造的能譜分析儀132，用以產生已知載波參考頻率及固定振幅的射頻載波信號，即由觸發信號控制的信號；一個由Farnell，United Kingdom(Model No.SFG25)製造的函數發生器134，用以由所存的表達式產生一個波形，以調製所述載波信號的振幅，此函數發生器的輸出也由觸發信號控制；還包括一個雙平衡混合器136，用於將調製波信號與載波信號混合在一起，並使該混合信號通過，到達射頻功率放大器110。於是就能理解，所述整形脈衝發生裝置104可以給樣品加上一個放大了的，但非相位調製的時域激發波形。
所述計算機100最終地控制所有的脈衝，它們的射頻、時間、寬度、幅值和相位。就時間看，將激發脈衝的施加按排成基本上與特定樣品接近所述傳感器112出現的同時。它還用於接受自所述檢測裝置106測得的NQR響應信號，並處理它，完成信號的增刪，最後如果適當，還控制報警器108。
將報警器108按排得以這樣一種方式受計算機100控制，即報警的發聲或指示取決於是否已超過預定的檢測閾值，此閾值與一個響應信號強度值相對應，而所述的信號強度不超過與脈衝激發時間(τ)對自旋點陣馳豫時間T1的最長極限值的比值相對應的值(這個最長極限值通常對應於較低的溫度極限)。這可以保證在整個選定的溫度範圍內，也就是在兩個溫度極限值之間得到所能檢測的共振響應信號。
正如前面所提到的，本發明是建立在激發相位一般是隨激發頻率為非線性變化的基礎上的。於是，可將激發表示成頻域的(形為E(ω)＝Ereal(ω)＋i.Eimaginary(ω)的)複函數。一般地說，所述激發還將是時域的(形為E(t)＝Ereal(t)＋i.Eimaginary(t)的)複函數。因此，一個單純的調幅時域激發波形對於本發明的目的來說一般將是不夠的，以致圖3的設備通常是不合適的。但有些特殊的情況該設備還是可以被採用的。
以下參照圖4和圖5分別舉例說明兩種這樣的情況。這兩個例子中，關於時域的函數均無固定的長度，所以必須在它們趨於零的兩端對稱地截削它們。這樣截削的結果是為了在頻域範圍得到各種人為的效果。如果需要，可採用某些切趾法使這些減少(但不取消這些)。
在第一個例子中(圖4)，選擇矩形的頻域激發譜。在整個選定的激發頻率範圍內，相位相對於頻率偏移(Δν＝ν－ν0)變化是二次方的，並相對於中央(載波)頻率(ν0)反對稱。這就是說，在較低頻率時，半寬度相位二次方地變化並且是負的，在中央頻率處，相位是零，而在較高頻率時，半寬度相位二次方地變化並且是正的。
由此譜的富利葉逆變換所得的時域波形被示於圖4(a)(波形的實部)和圖4(b)(波形的虛部)中。將所述波形截斷成1ms的範圍。這個例子說明，從理論上講，虛部應該為零，而且看來也只是這樣，因為將譜的中央取在1024個點的第512點處，而不是第512點和第513點之間。
為清楚起見，在圖4(a)和圖4(b)中，已省去射頻載波信號。事實上，圖4(a)和圖4(b)代表與載波信號混合的調製波形(整形函數)。這種習慣此後被沿用。
圖4(c)表示圖4(a)和圖4(b)波形的富利葉變換係數。由于波形的截取造成波形偏離於單純的矩形。
圖4(d)除了將時域波形(見圖4(b))設成零以外，與圖4(c)相同。可以看到，圖4(d)與圖4(c)並無太大的不同。這是因為波形的虛部在任何情況下都是很小的。因此，可以不考慮波形的虛部，並只用圖4(a)所示實部作為調製波形。
於是，在第一個例子中，實際只把圖4(a)所示的波形用為所述設備(圖3)第一實施例中的調製波形。這種波形的振幅調製(而非相位調製)所述載波信號。當然可以理解，恰恰是「純」振幅調製(例如，通過兩個信號互相放大)引起相位(在0到180°之間)的變化。
圖4(e)表示以炸藥RDX為所關心的物質所作的實驗結果。NQR測試設備被用來激發14Nν+的RDX共振(在室溫下具有接近1.4ms自由感應衰變時間T2*的近5192kHz，並且線寬度大約為200Hz的共振)。由所述檢測裝置相對於能譜分析儀的載波頻率測得的NQR信號下整個範圍的變化被表現出來。圓形數據點表示帶寬(所選激發頻率範圍)為20kHz的激發脈衝；對於方形數據點而言，帶寬為10kHz。可以看到，兩組實驗數據點很好地符合。對於20kHz的帶寬來說，對於90°effective的脈衝，其脈衝峰值功率(P)是208W。這與同樣激髮帶寬的相應矩形激發脈衝的2000W峰值功率相似。
在第二個例子(圖5)中，將又是關於載波頻率對稱的矩形脈衝選為頻域激發譜，但只選所需矩形譜的上半部。在整個所選激發頻率範圍內的相位變化是二次方的。本例建立在這樣事實的基礎上，即如果載波頻率ν0與線性調製信號的νm相乘(混合，振幅調製)，則結論是一對頻率對稱於原始載波，載波本身成為ν1，2＝ν0±νm。所以，如果得到一個關於載波頻率的一側覆蓋所需帶寬一半，從而只取所述波形實部的複合波，則整個帶寬被覆蓋。這被示於圖5中。
圖5(a)表示由上半部帶寬的富利葉逆變換所得時域波形的係數。打點的線表示將波形截斷，以便產生1ms的脈衝持續。圖5(b)表示該波形被截斷的實部。該實部是被用於調製所述載波信號的調製波形。圖5(c)表示圖5(b)的被截波形的富利葉變換的實部，而圖5(d)表示該變換的係數。由於該截削使波形再次偏離於矩形。在圖5(d)中，將載波頻率表示成點線。從圖5(d)明白，存在載波頻率兩側的激發。
圖5(e)表示相對於圖4(e)所述的類似實驗結果，但用圖5(b)的調製波而不是圖4(a)的。激發脈衝的帶寬是20kHz。圖5(e)的曲線與圖4(e)密切相符。對於90°effective脈衝來說，脈衝的峰值功率(P)是133W。
圖5(f)是與圖5(e)所示相類似的曲線，除了它是用由下部半帶寬的富利葉逆變換所得調製波得到的以外。事實上，這個調製波是圖5(b)的時間調轉所得。圖5(e)和圖5(f)的不同僅在於前者表示一個在5192kHz附近的NQR響應信號的峰，而後者表示同樣範圍的一個谷。如果NQR響應信號是緊接著激發的，則可望所述範圍近於平直(如圖5(d)所示)。
對這種不同的說明如下。對於圖5(e)的實驗而言，在脈衝起始處加一些遠離載波頻率的頻率，而在端部處加一些接近載波頻率的頻率，這可如圖5(b)所見者。這樣，在不同的瞬間就有不用的NQR共振被激發。對測試中的RDX的特定共振頻率來說，1.4ms的自由感應衰減時間T2*並不比1ms的脈衝長度長很多。所以，在脈衝過程中，脈衝開始處被激發的遠離中央頻率的共振已有部分被減弱，並因此只在脈衝端部處因在脈衝結束後發生的定時檢測而成為比那些緊靠被激發的中央的共振更弱。當採用時間調轉函數時，圖5(f)中的倒向是正確的，這解釋了圖5(e)中峰的反向。
因此，當實施採用本發明的NQR測試時，重要的在於，為了防止NQR響應信號在檢測前的不能接受的損失，要相對於正在測試的物質的T2*謹慎地控制脈衝的持續時間。所以，脈衝的持續時間最好小於兩倍的T2*，更好的是只為T2*的100％、75％或者甚至是50％。在現在的情況下，它是1ms/1.4ms≈70％。
使脈衝持續時間相對於T2*達到最大的一種方法是安排NQR測試設備，使之產生給定數目的與圖5(e)有關的所述類型的脈衝，同時伴以等量的與圖5(f)有關的所述類型的脈衝，或者反之也可。隨之，這樣兩組響應的加入將產生一個在整個激髮帶寬內基本為平直的響應。在測試炸藥TNT和PETN情況下，這種方法可能是重要的，因為對於這樣的炸藥比起對於RDX來講，T2*被預期是較短的。
如上所述的RDX的T2*近似為1.4ms的特定ν+線是一條特別有益於研究的線。其它ν+線的T2*小於1ms，因此需要採用短脈衝。這樣做的缺點是將會加大激發脈衝的峰值功率。
現在參照圖6描述NQR測試設備優選實施例的一種變型。只示出了整形脈衝產生裝置204，其餘部分與圖3所述的實施例一樣。概括地說，本變型實施例的整形脈衝產生裝置204，除了它是雙平衡而非單平衡的布置之外，與整形脈衝產生裝置104相似。因此它能產生一個相位調製及振幅調製的波形。這種變型實施例還包括脈衝程序裝置230和能譜分析儀232；還設有兩個函數發生器234a和234b，以及兩個雙平衡混合器236。此外，還設有一個90°相移混合電路的0-90°分相器238，一個組合器240和電阻器242和244。在本實施例中，所述分相器238是MiniCircuits(U.S.A.)製造的，型號為PSCQ2-5-1的5MHz分相器；所述組合器240和混合器236兩者都是由Hatfield(U.K.)製造的，型號分別為DP102和MC291。電阻器242為56Ω，而電阻器244為560Ω。整個電阻器242與電阻器244的網絡的最終結果為一個由函數發生器234所看到的50Ω的電阻。
這種變型實施例的各種功能如下所述。有如第一實施例所描述的那樣，由脈衝程序裝置230選通能譜分析儀232和起動函數發生器234的輸出。所述分相器238由射頻載波信號產生兩個90°相移相關的射頻信號。函數發生器234a和234b分別產生調製波形的實部和虛部。電阻器242提供與所述函數發生器電纜的阻抗匹配，而電阻器244將所述函數發生器的電壓輸出變換成通過混合器236的電流輸出。有關的調製波形與載波信號在所述混合器236中混合後，兩個合成的波形在組合器240中被組合，形成一個通過射頻功率放大器110的調幅和調相的信號。
在本變型實施例的一種改型中，可設置一個函數發生器。此函數發生器的輸出將通過另一個90°相移混合電路，此電路的兩個輸出將分別輸給各自的混合器236。這種改型將產生在無線電遠程通訊場合作為具有被遏止之載波的單邊帶調製所公知類型的調製。這種改型可能有的缺點在所述90°相移混合電路將工作於很低的頻率下。
現在關於圖7描述本發明採用的第三個實例。參照圖6所述的設備變型已被採用，它具有名義上為矩形的激發譜和二次方的相位變化。圖7(a)中表示了通過對所需矩形頻域激發譜的富利葉逆變換所得到的調製波形的被截調製。圖7(b)和圖7(c)中分別表示該波形的實部和虛部。圖7(d)中表示該波形的富利葉變換係數，而圖7(e)中表示該譜的實部和虛部。因為圖7(a)的波形已被截削，所以圖7(d)中所示的波形並非精確的矩形。最後，圖7(f)中表示時域激發脈衝的一個振蕩波形圖。這表示所述調製波形對射頻載波信號的影響。
所述脈衝的峰值功率為1.44W。在30°effective觸發角情況下，對於15kHz的激髮帶寬而言，所述激發脈衝的峰值磁場(Brf)不大於0.16mT。存在所述各例峰值功率和Brf的最低值。這些低值的實現，主要是因為所述時域波形的調製不過零時間(例如圖7(a)與圖4(a)相比)，而是較為平直，致使所述功率就像在整個激發的持續時間所可能的那樣均勻地分布。
在NQR測試的第四個實例中發現，從採用上述類型整形脈衝的5.19MHz條件下RDX的NQR共振可能產生回波響應。對於這個實驗，採用一對90°effective整形脈衝。除較大的觸發角外，每個脈衝都與第三個實例所述的一樣。特別是採用二次方的相位變化。發現回波信號的振幅小於採用一對矩形90°eff脈衝所得到的振幅。在第四個實例中的Brf值為0.47mT。
應予說明的是，在上述任一個實施例或實例中，利用以已知的所需相位與頻率的關係為基礎的數據處理，應能在最後的激發譜中消除相位的失真。然後，為檢測目的，可採用吸收振蕩信號。
已經發現，這裡所描述的整形脈衝可能最樂於被用於採用具有表現出較小線寬的物質的實驗中。較小的線寬是最好的，因為它使得具有低Brf和低功率的大頻率範圍的激發成為可能。如果只有較寬的線是適用的，則可能需要使用較大的功率。對於RDX來說，較好的譜線是5190kHz，在室溫下，它的線寬只有大約200Hz。
最後，參照圖8描述一個方法的實例，利用此法，可使本發明的檢測設備得到配置。在這個實例中，所述設備已被配置，用以檢測炸藥RDX的存在。用來施加激發的裝置被用於施加一列像圖8的脈衝時間圖所示的規則地重複出現的脈衝。所述檢測裝置被用於檢測伴隨每個脈衝的自由感應衰減。這些脈衝像上面圖7所描述的那樣，在約為5.2MHz下受到整形，為的是能在室溫條件下激發5.191MHz的RDX共振。它們有足夠的帶寬(約20kHz)去適應-5到+35℃的溫度範圍。它們各有大約1ms的持續時間(tf)。
在這樣的溫度範圍內，自旋點陣馳豫時間T1在較低溫度極限時的500ms和較高溫度極限時的5ms之間按因子100變化。存在這樣的情況，將脈衝重複時間τ設定為25ms，同時給定一個比值τ/T1範圍為0.05到5。將觸發角α實際設定為30°。採用這些值，從Buess等人的論文的圖3可以看到，在+35℃溫度時的信號強度僅是(至少從理論上)在-5℃溫度時信號強度的2.5倍大。這被認為是一種合適的變化。應予說明的是，τ明顯地大於tf(為1ms)與自由感應衰減的持續時間之和，與物質及所選的頻率相稱。所述持續時間大約為自由感應衰減時間T2*(1.4ms)的2或3倍。
當然應當理解，上面已單純地通過舉例的方式描述了本發明，但可在本發明的範圍內做各種細部的改進。
可以獨立地或以任何適當組合的方式給出本說明書所揭示的每個特徵，以及(適當的)權利要求和附圖。
權利要求
1.一種檢測樣品中存在給定的四極核，原子核的響應頻率和自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化的方法，它包括確定與所選參量範圍相應的共振頻率範圍；給樣品施加激發，以激發核四極共振；並檢測共振響應信號，可在共振頻率範圍內激發可以檢測的共振響應信號，並使得產生實際小於45°的恆定觸發角。
2.一種如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述激發是在恆定脈衝重複頻率下的激發。
3.一種如權利要求2所述的方法，其特徵在於，它還包括選擇所預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最短值，還包括確定脈衝重複時間對該最短馳豫時間的比值的大小，所述脈衝重複頻率是使所述比值的大小不超過一個選定的值。
4.一種使檢測樣品中存在給定四極核、所述原子核自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化的設備成形的方法，所述設備包括給樣品施加脈衝激發，以激發核四極共振的裝置；所述方法包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最短值；安排激發裝置，用以在恆定的脈衝重複頻率下施加激發，產生一個恆定的觸發角；還包括確定脈衝重複時間對該最短馳豫時間的比值的測量，所述脈衝重複頻率是使所述比值的大小不超過一個選定的值。
5.一種如權利要求4所述的方法，為了檢測樣品中存在給定的原子核，所述設備還包括檢測共振響應頻率信號的裝置，還包括控制所述激發裝置和檢測裝置以檢測這種核的存在的步驟。
6.一種檢測樣品中存在給定四極核、所述原子核自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化的方法，它包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最短值，給樣品施加脈衝激發，以激發核四極共振；還包括檢測共振響應信號；其特徵在於，所述激發是在恆定的脈衝重複頻率條件下進行的，並產生一個恆定的觸發角；確定脈衝重複時間對所述最短馳豫時間的比值，所述脈衝重複頻率是使所述比值的大小不超過一個選定的值。
7.一種如權利要求3、4、5或6所述的方法，其特徵在於，所述比值不超過20，最好不超過10，更好的是不超過5，特別是不超過1。
8.一種如權利要求3至7任一項所述的方法，其特徵在於，還包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最長值；一方面是重複時間對另一方面是與對準其預期極限之間的所述環境參量值相應的馳豫時間的比值在0.05至5的範圍內，最好在0.1至1範圍內。
9.一種如權利要求1至3或5至8任一項所述的方法，其特徵在於，根據是否已超過預定的檢測閾值從所述響應信號產生一個報警信號。
10.一種如權利要求2、3或5至7任一項所述的方法，其特徵在於，還包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最長值；確定脈衝重複時間對該最長馳豫時間的比值的大小；並根據是否已超過預定的檢測閾值，從所述響應信號產生一個報警信號，所述閾值對應於響應信號強度值，所述信號強度不超過與所述脈衝重複時間對該最長馳豫時間的比值的大小對應的值。
11.一種如權利要求3至7任一項所述的方法，其特徵在於，還包括選擇預期的環境參量極限值，對於所述的極限值來說，馳豫時間有其最長值；並確定脈衝重複時間對該最長馳豫時間的比值的大小，確定與重複時間對最短馳豫時間的比值相對應信號強度值，該信號強度比相對最長馳豫時間的等值信號強度小一個選定的倍數，最好小5倍，更好是小3倍，再好是小兩倍。
12.一種如權利要求11所述的方法，其特徵在於，給定所選環境參量的範圍和所需的響應信號強度範圍，同時通過在脈衝重複頻率和觸發角這兩個量之間的迭代處理來選擇脈衝重複頻率和觸發角的值。
13.一種如權利要求4至6任一項所述的方法，其特徵在於，所述激發是使得產生小於45度的實際觸發角。
14.一種如權利要求1、2、3或13所述的方法，其特徵在於，所述激發使得產生一個小於35°，最好小於25°、更好小於15°、再好小於10°直至小於5°的實際觸發角。
15.一種如權利要求1至3或5至14任一項所述的方法，其特徵在於，以單一的激發頻率施加所述激發。
16.一種如權利要求1至3或5至15任一項所述的方法，其特徵在於，在整個頻率範圍內給樣品施加所述激發，所述激發的時域波形是調相的或者是調幅的，或者既是調相的又是調幅的。
17.一種如權利要求16所述的方法，其特徵在於，在整個所選頻率範圍內，所述激發的相位隨激發頻率一般是非線性地變化。
18.一種如權利要求16或17所述的方法，其特徵在於，激發是脈衝的，所述激發的相位一般隨頻率偏移為二次方地變化。
19.一種如權利要求16、17或18所述的方法，其特徵在於，所選的NQR共振由至少一個激發脈衝激發，而且該激發脈衝，或者每一個激發脈衝的持續時間小於適合於共振的自由感應衰減時間的兩倍。
20.一種如任一項在先權利要求所述的方法，其特徵在於，所述環境參量為溫度。
21.一種如權利要求3至7任一項所述的方法，其特徵在於，所述環境參量為溫度，其較高的預期極限值小於50℃，最好小於40或30℃。
22.一種如權利要求8、10、11或12所述的方法，其特徵在於，所述環境參量為溫度，其較低的預期極限值大於-30℃，最好大於-20或-10℃。
23.一種如權利要求2至8、10至13，21或22任一項所述的方法，其特徵在於，所述脈衝重複時間大於四極核的自由感應衰減時間T2*，最好大3倍。
24.一種利用脈衝激發檢測樣品中存在給定的四極核的設備，它包括存儲裝置，裡面存有至少兩類原子核的信息，所述原子核具有相對於適當的觸發角和脈衝重複頻率有不同的NQR特性，以便把所預期的溫度變化考慮在內；還包括響應所述存儲裝置的裝置，用以對給定類型的原子核而言，將脈衝激發加給樣品，以激發核四極共振；還包括適於在恆定脈衝重複頻率條件下施加激發，從而得到適合於特定物質的恆定觸發角的激發裝置；以及檢測共振響應信號的裝置。
25.一種如權利要求24所述的設備，其特徵在於，所述設備還可包括根據是否已超過預定的檢測閾值從被檢測的響應信號產生報警信號的裝置。
26.一種檢測樣品中存在給定的四極核的設備，其特徵在於，它根據權利要求4或5的方法被成形。
全文摘要
一種檢測樣品中存在給定的四極核，原子核的響應頻率和自旋點陣馳豫時間隨給定的環境參量變化的方法，它包括確定與所選參量範圍相應的共振頻率範圍；給樣品施加激發，以激發核四極共振；並檢測共振響應信號，所述激發使得可在整個共振頻率範圍內激發可以檢測的共振響應信號，並使得產生實際小於45°的恆定觸發角。
文檔編號G01V3/14GK1142266SQ9419488
公開日1997年2月5日 申請日期1994年12月13日 優先權日1993年12月14日
發明者J·A·S·史密夫, M·布蘭茨 申請人:英國技術集團有限公司