Моделювання генератора радіоімпульсів ядерного квадрупольного резонансу спектрометра для виявлення вибухових і наркотичних речовин

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 Staff Scientist, 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.

У другій частині статті ми розпочали моделювання в середовищі LabView ВП генератора радіоімпульсів ЯКР-спектрометра.

Розглянемо моделювання формули для частоти з використанням значення терміналів Numeric Controls під назвою “Т” і “t_u„ з деякими змінами

Моделювання 2t . Значення, яке надходить від терміналу “t ”, подати на вхід X умножувача Multiply, а коефіцієнт, на який необхідно помножити (в даному випадку “2”), подати на вхід Y.

Моделювання. (2t +T)^-1 Для цього необхідно скласти значення, отримане на виході умножителя Multiply, зі значенням терміналу “Т” і взяти зворотне значення.

Додавання проводиться за допомогою суматора Add, а взяття зворотного значення - блоком Reciprocal (рис. 1).

Рис. 1. Принцип дії суматора Add і блока Reciprocal

Значення “Т” подати на вхід X суматора Add, а значення, отримане на виході умножувача - на вхід Y. Після цього отримане на виході суматора Add значення подати на вхід блоку Reciprocal. Це значення і є шуканою частотою “F” (рис. 2).

Рис. 2. Моделювання виразу для частоти “F”

Після цього з'єднати вихід блоку Reciprocal із входами Frequency терміналів Simulate Signal S90 і S180 (рис. 3).

Рис. 3. Процес задания частот для двох Simulate Signal

Рис. 4. Принцип дії дільника

Рис. 5. Моделювання виразу для коефіцієнта симетриї імпульса “2

Далі необхідно моделювати сигнал Duty Cycle (коефіцієнт симетрії імпульсу) для терміналів Simulate Signal S90 і S180: D =---100% ^С 2 * t_u +T

Моделювання t_u4100 Для цього використовується умножувач Multiply з коефіцієнтом множення 100. На вхід X подати значення t , а на вхід Y - коефіцієнт “100”. _t

Моделювання 2t +T ^®% Для того, щоб розділити значення на виході умножувач Multiply на значення, отримане на виході суматора Add, необхідно використовувати дільник Divide (рис. 4). На вхід дільника Divide X подати значення з виходу умножувача Multiply, а на вхід Y - значення, отримане на виході суматора Add (рис. 5). Вихід дільника Divide з'єднати із входом Duty Cycle терміналу Simulate Signal S90 (рис. 6).

Рис. 6. Задания коефіцієнта симетрії імпульса для S90

Рис. 7. Принцип роботи блока Subtract

Коефіцієнт симетрії імпульсу Duty Cycle терміналу Simulate Signal S180 визначається 3а формулою: Dc180=100--DO0. Для вирахування в середовищі LabView використовується блок Subtract (рис. 7).

На вхід X блоку Subtract подати константу “100”, а на вхід Y - значення, яке надходить з виходу дільника Divide (рис. 8). Значення з виходу блоку Subtract подати на вхід Duty Cycle терміналу Simulate Signal S180 (рис. 9).

Рис. 8. Коефіцієнт симетрії імпульсу Duty Cycle терміналу Simulate Signal S180 (3)

Рис. 9. Задания коефіцієнта симетрії імпульсу для S180

Рис. 10. Сигнал імпульсу 90

Рис. 11. Сигнал імпульсу 180

Тепер на виходах Square терміналів Simulate Signal S180 і S90 формуються імпульси 90 і 180 (рис. 10, 11).

Для формування радіоімпульсу необхідно перемножити суму сигналів S180 і S90 на сигнал S.

Імпульс 180 повинен іти за імпульсом 90, тому необхідно скласти імпульс 90 з інвертованим імпульсом 180. Для цього слід встановити інвертор в робочу область блок-діаграми і з'єднати вихід Square терміналу Simulate Signal із входом інвертора (рис. 12). Після інвертування амплітуда сигналу S180 дорівнює “1”, і її необхідно збільшити настільки, щоб вона була в 2 рази більше амплітуди S90 (рис. 13).

Рис. 12. Інвертування сигналу S180

Рис. 13. Сигнал S180 після інвертування

Позаяк сигнал Square терміналу S90 має амплітуду в 2 рази більшу, ніж амплітуда, що задається в терміналі Numeric Controls (Amplitude), то амплітуда сигналу Square терміналу S180 має бути в 4 рази більше значення амплітуди терміналу Nu-meric Controls (Amplitude). Для цього використовується умножувач Multiply. Щоб збільшити значення амплітуди терміналу Numeric Controls (Amplitude) в 4 рази, на вході X встановлюється значення терміналу Numeric Controls (Amplitude), а на вході Y - константа “4”.

Рис. 14. Інвертований сигнал імпульса 180

Отримане на виході умножувача Multiply значення подається на вхід X наступного умножителя, на вхід Y якого подається інвертований імпульс 180 від терміналу Si-mulate Signal S180. Таким чином, формується інвертований імпульс S180 з амплітудою в 2 рази більше ніж S90 (рис. 14).

Рис. 15

Для цього помістити в робочу область блок-діаграм суматор. На вхід X суматора подати сигнал Square терміналу S90, а на вхід Y - сигнал від умножителя (рис. 16). квадрупольний ядерний спектроскопія

Рис. 16. Послідовність імпульсів 90 и 180

Для задания частоти сигналу (яка визначається експериментально для кожної речовини), що надходить від терміналу Simulate Signal S, потрібно з'єднати вихід терміналу Numeric Controls “Fc” з входом Frequency терміналу Simulate Signal S (рис. 17). Для формування радіоімпульса необхідно перемножити послідовність імпульсів 90-180 із сигналом з виходу Sine терміналу Simulate Signal S (рис. 18).

Рис. 17. Задания частоти сигналу S

Рис. 18. Формування радіоімпульсу

На лицьовій панелі необхідно показати осцилограми роботи генератора. Для цього слід з'єднати вихід умножителя з блоком Waveform Graph (рис. 19).

Рис. 19. Формування радіоімпульсу і візуалізація осцилограми

Для правильного масштабування осцилограми необхідно задати максимальне значення для осі X таким, що дорівнює періоду сигналу генератора радіоімпульсів (рис. 20).

Рис. 20. Масштабування осцилограм

Після цих дій в робочій області блоку діаграм з'являється значок

Цей значок задає масштаб шкали X. Для того, щоб мати можливість змінювати масштаб, необхідно у властивостях цього значка активувати опцію Change to write. На рис. 34 показана Block Diagram (блок-діаграма) генератора радіоімпульсів, на якій використані такі позначення: amplitude - значення амплітуди імпульсу; T - час паузи між імпульсами; t_u - тривалість імпульсу; S90 - генератор 90^o- імпульсу; S180 - генератор 180^о-імпульсу; S - генератор сигналу збудження атома вуглецю; F_c - частота сигналу збудження атома вуглецю.

Рис. 21. Block Diagram генератора радіоімпульсів

На рис. 22 показана Front Panel генератора радіоімпульсів.

Рис. 22. Front Panel генератора радіоімпульсів

На цьому малюнку видно місця для задания таких значень: amplitude - амплітуди імпульсу (амплітуда 90°-імпульсу буде дорівнювати двократному значенню, амплітуда 180°-імпульсу буде дорівнює чотириразовому значенню); T - часу паузи між імпульсами; t_u - тривалості імпульсу; F_c - частоті сигналу збудження атома вуглецю.

Крім цього, є вікно Waveform Graph, у якому відображається графік сигналу, і кнопка Stop - для зупинення програми.

Результатом моделювання є висновок про виявлення або невиявлення об'єкта. У разі виявлення об'єкта слід звернутися до бази даних для розпізнавання речовини (рис. 23).

Рис. 23. Спектр розпізнаної речовини

Висновки

1. Викладена сутність явища ядерного квадрупольного резонансу.

2. Здійснено класифікаційний аналіз відомих досягнень в області ЯКР.

3. Запропоновано методику побудови шаблону створення нового ВП для дослідження ЯКР спектрометра.

4. При створенні базових додатків для моделювання пристроїв введення та забезпечення даними блок-діаграми ВП на фізичному рівні в ВП можуть бути використані вбудовані віртуальні підприлади, функції, структури і об'єкти лицьової панелі.

5. Показано, що створений ВП забезпечує генерацію заданого сигналу й відображення його на лицьовій панелі.

Таким чином, необхідно відзначити, що запропонована методика побудови шаблону створення нового ВП для дослідження ЯКР-спектрометра дозволяє використовувати вбудовані віртуальні підприбори, функції, структури і об'єкти лицьовій панелі при створенні базових додатків для моделювання пристроїв введення та забезпечення даними блок-діаграми ВП на фізичному рівні в ВП. При цьому створений ВП забезпечує генерацію заданого сигналу і відображення його на лицьовій панелі.

Підбиваючи підсумки, також необхідно відзначити переваги методів виявлення ВР і HP на основі ЯКР, а також можливі напрями застосування:

- висока вибірковість до конкретного типу ВР і HP, здатність ідентифікації конкретного типу речовини. Наявність інших речовин у обстежуваному об'єкті, а також механічна суміш ВР і HP з іншими речовинами не заважає виявленню шуканого, на яке налаштований виявлювач;

- характеристики виявлення не залежать від геометричної форми шуканої речовини;

- можливість виявлення ВВ на основі гексогену і Тена (пластитом), а також еластити (на основі Тена), які мають слабко виражені сліди парової фази (за допомогою ЯКР методу ці ВВ виявляються дуже ефективно, оскільки гексоген і ТЕН дають досить сильний сигнал ЯКР), а також герметично упакованих ВВ;

- метод ЯКР є неруйнівним методом виявлення. Необхідна для роботи напруженість змінного магнітного поля така, що не відбувається руйнування інформації на магнітних носіях (комп'ютерні дискети, кредитні картки, магнітні стрічки). Радіопристрої (приймачі, плеєри) не виходять з ладу;

- метод є прямим і не вимагає калібрування приладу та інтерпретації результатів оператором;

- порівняльна простота апаратури, її безпечність, можливість практичної реалізації як у стаціонарному (у тому числі конвеєрному), так і в переносному вигляді;

- можливість комплексування ЯКР виявлювача із приладами, побудованими на основі інших фізичних принципів, наприклад, з рентгенівською оглядовою установкою, для підвищення вірогідності виявлення;

- можливість оцінки маси шуканого ВВ;

- при виявленні ВВ на основі сумішей ЯКР виявлювач може здійснювати виявлення за допомогою одного з ВВ, що входить в суміш. Наприклад, суміші типу ТГ і ТГА можна ефективно виявляти за наявністю в них гексогену.

Метод виявлення ВР і НР на основі ЯКР, як і будь-який інший метод, не є ідеальним. Зокрема, якщо ВВ знаходиться в металевому або металізованому корпусі, то воно не може бути виявлено. Однак ЯКР датчик при цьому фіксує наявність металу в контрольованому об'єкті, тобто він одночасно виконує функції металошукача. Для ряду задач, таких як, наприклад, пошук хв, ця властивість може бути використана для виявлення мін в металевих корпусах. Тобто ЯКР виявлювач ВВ, крім основних функцій, одночасно може виконувати функції індукційного високоселективного металошукача. Крім цього, для підвищення ефективності роботи ЯКР виявлювач може бути використаний у комплексі з приладами, побудованими на основі інших фізичних принципів, наприклад, у комплексі з георадарами.

Виявники BB на основі ЯКР можна використовувати в рамках боротьби з тероризмом і контрабандою за такими напрямами:

- контроль кореспонденції, поштових відправлень і невеликих предметів. ЯКР виявники можуть бути встановлені в поштових відділеннях, офісах та інших місцях;

- контроль потоків багажу і предметів ручної поклажі в аеропортах, залізничних вокзалах, контрольно-пропускних пунктах і т.д.;

- пошук вибухових пристроїв у будь-яких корпусах;

- контроль невпізнаних підозрілих предметів на наявність ВВ;

- контроль особистих речей при вході в офіс, установу, на особливо важливий об'єкт і т.д.;

- контроль персоналу і відвідувачів при вході в офіс, установу, на особливо важливий об'єкт і т.д.;

Виявники ВР і НР на основі застосування методу ЯКР є дуже перспективними приладами й найближчим часом слід очікувати їх широкого впровадження.

Список використаних джерел

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

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

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

4. Шахгильдян В.В., Ляховкин АА., Карякин В.Л., Петров В.А. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. 2-е изд., доп. и перераб. / под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1989. 320 с.

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

6. Саміла А.П., Розоріте Г.М., Гресь О.В. Розроблення імпульсних методів радіоспектроскопії ядерного квадрупольного резонансу на основі програмованої логічної інтегральної схеми. Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: технічні науки. Том 29 (68), 4.1. № 3. 2018. С. 66-73.

References

1. Popl Dzh, Bernsteyn G., Shneyder M. (1962) Spektry yadernogo magnitnogo rezonansa vysokogo razresheniya. “High-Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectra”. Moscow: IL. 292 p. [in Russian].

2. Glinchuk, M.D. (1981) Elektricheskiye effekty v radiospektroskopii. Elektronnyy paramagnitnyy, dvoynoy elektronno-yadernyy i paraelektricheskiy rezonansy. “Electrical Effects in Radiospectroscopy. Electronic Paramagnetic, Double Electron-Nuclear and Paraelectric Resonances” / ed. M.F.Deigen. M.: Science; Ch. ed. Physical-Mat. Literature. 331 p. [in Russian].

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

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

5. Oleksenko, P.F., Koval, V.V., Lazebnyy, V.S., Rozorinov, H.M. ta 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].

6. Samila, A.P., Rozorinov, H.M., Hres, O.V. (2018) Rozroblennya impul'snykh metodiv radiospektroskopiyi yadernoho kvadrupol'noho rezonansu na osnovi prohramovanoyi lohichnoyi intehral'noyi 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