[发明专利]一种核四极矩共振检测系统及其天线

说明书

本发明属于核四极矩共振(Nuclear Quadrupole Resonance，NQR)以及地磁场核磁共振系统的应用技术领域，提供了一种核四极矩共振检测系统及其天线，该天线包括第一线圈，所述第一线圈形成第一图形；第二线圈，所述第二线圈形成第二图形；所述第一线圈和所述第二线圈构成的梯度天线，同时接收来自目标区信号和外界的射频干扰；其中，所述第一线圈和所述第二线圈位于同一平面，所述第一线圈和所述第二线圈的绕制方向相反，所述第二图形均匀分布于所述第一图形周围，所述第一图形与所述第二图形面积相等。本发明的方案能有效地提高天线在检测NQR或者应用于地磁共振时对环境中无线电干扰的抑制能力，并增强信号的检测能力，从而提高测量系统的信号噪声比。

技术领域

本发明属于核四极矩共振以及地磁场核磁共振系统的应用技术领域，尤其涉及一种核四极矩共振检测系统及其天线。

背景技术

核四极矩共振技术提取的信号客观地反映了在特定的物质结构下原子核呈现的电四极矩结构，因此这种技术能用来检测和分析含有四极矩原子核结构的元素或者同位素，诸如氮14(N14)，钾39，氯35以及氯37，从而能确定含有这种元素或者同位素的物质的存在。特别是，炸药、尼古丁、药物普遍含有N14成分，而炸药是恐怖分子威胁现代社会的常用手段，对其进行可靠的检测是维护公共安全的必须程序。用四极矩共振技术就能有针对性地检查爆炸装置，例如地雷或者路边炸弹。四极矩共振技术也可以用来进行机场乘客或者任何公共场合的安检。常见与爆炸物相关的成分的四极矩共振的频率大约在500KHz到5MHz的范围，和磁共振技术相比，四极矩共振技术不需要外加磁场。

地磁场磁共振技术是利用地球的磁场作为磁共振所需要的极化场B0，极化水或者石油成分中的氢原子中的质子，通过天线发射激励电磁场对此做磁共振来检测地下水或者造成地下污染的石油。地磁场的强度大约为0.5高斯，其对应的拉马(Lamar)磁共振频率大约为略高于2000Hz。

上述两种共振信号的共同点是信号幅度极其微小，而其工作频率又分布在人类文化活动产生的常见电磁干扰范围内。例如，40多次谐波的工频电干扰(对于50Hz的工频干扰源)对地磁场核磁共振信号的干扰，以及中、短波无线电广播对四极矩共振信号的干扰。因此，当应用这些共振技术在非屏蔽环境下检测爆炸物时，环境干扰就成为一个棘手的问题。因此，开发抑制这种干扰的天线和信号处理方法提高信噪比，一直是成功应用这些技术的关键。

由于上述两种技术有结构上和面临应用上要解决的困难的共性，下面我们集中表述围绕四极矩共振技术的发展和存在的问题。在叙述中，天线和线圈这两个词有可能依据场合会交替使用。

传统上最常见的抑制外界干扰的天线的典型结构，是由两个线圈组成的梯度天线。二线圈以这样的方式来连接，以保证产生的磁场矢量方向在二线圈平面上刚好相反。物理上，施加已知电流在空间产生的场分布，被称为导联场，导联场的分布，决定了同样的线圈在用做测量时的空间灵敏度分布。这种互易关系被称为电磁场的互易定律。因此，前述梯度天线的特征保证了能敏锐地检测位于附近的被测爆炸物产生的NQR信号，而对远距离外的来自干扰源的干扰有很好的抵抗作用。这是因为，相对于干扰源的距离，梯度天线中的两个线圈间的距离很小，接收到的远方传来的干扰在二线圈上呈显相同的干扰强度和相反的相位，因此二者经梯度天线抵消。而对于来自附近的爆炸物的信号，其具有较强的梯度特性，因此天线能感应到该梯度分量，从而输出信号供后续电路放大处理。实践上为了提高信噪比，接收天线往往调谐在工作频率上。这样的常规天线，在大多数情况下是能够满意工作的。但是，在NQR系统中，由于信号极其微小，来自干扰源的干扰，即便是有微小的梯度分量，也足以对被测信号造成干扰，影响处理分析和判断。

和上述梯度天线类似，只是在应用上让被测爆炸物居于梯度线圈的一边也就是仅仅一个线圈来发射电磁场并接收NQR信号，另一个线圈离爆炸物较远，只感知干扰。因为干扰同时出现在梯度天线的两个相位相反的线圈上，从而互相抵消。这样的天线结构，由于多出来一个不感知信号的相位相反的线圈，因此增加了天线系统的热噪声，从而降低了信噪比。