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Autor: Nolte, Markus
Titel:Grundlagen zur TNT-Detektion mittels magnetischer Resonanz
Dissertation:TU Darmstadt, Fachbereich Physik, 2005

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DissNolte2005.pdf (3052999 Byte)

Abstract auf Deutsch:


Die Verfahren, Landminen aufzuspüren, sind vielfältig. Leider besitzen die meisten von ihnen das große Manko, dass sie nicht den Sprengstoff selbst detektieren. Praktisch eingesetzt werden fast ausschließlich Metalldetektoren. Dies wird zunehmend ungünstiger, da viele Landminen mittlerweile nur noch sehr wenig oder auch gar kein Metall mehr enthalten.

Eine solche Lücke kann die Kernquadrupolresonanz (NQR) als Verfahren der magnetischen Resonanz prinzipiell schließen. Während die NQR-basierte Detektion einer Vielzahl von Sprengstofftypen als realisiert angesehen werden kann, gilt der Nachweis reiner TNT-Minen im Nullfeld wegen der sehr kleinen Frequenzen bis heute als kaum möglich. Um das NQR-Verfahren für TNT, welches in einem Großteil der Minen als einziger Sprengstoff zu finden ist, zu optimieren, wurde sich für den Einsatz von Doppelresonanzverfahren entschieden. Damit diese Verfahren möglichst effizient arbeiten, muss die Dynamik im Spinsystem des Sprengstoffs verstanden und die charakteristischen Zeiten für den Polarisationstransfer ermittelt werden.

Dies ist der Sinn und Zweck der vorliegenden Arbeit. Mit direkten und indirekten Untersuchungen von TNT im Labor in Volumenspulen mit den Methoden der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) und der NQR sollen die Grundlagen für künftige, fortführende Arbeiten gelegt werden. Neben dem Sprengstoff TNT wurden noch die Substanzen Urotropin, Harnstoff und Paranitrotoluol (PNT) untersucht.

Die Arbeit gibt zunächst einen Überblick über das Landminenproblem, stellt verschiedene Landminen vor und erläutert diverse Detektionsmethoden. Es wird eine Einleitung in die physikalischen Grundlagen der NMR und der NQR gegeben. Quantenmechanische Wechselwirkungen und Relaxationsprozesse werden eingeführt, ebenso wie die Doppelresonanz und Kreuzpolarisation, welche für die dargestellten Experimente wichtig sind.

Aus den Messungen wurden die Quadrupolkopplungskonstanten und die Asymmetrieparameter der Substanzen bestimmt, welche ein konsistentes Bild der Energieniveaus in den Systemen bieten. Zum Verständnis der Dynamik in den untersuchten Substanzen wurden zu den Auswertungen der Experimente auch Simulationsrechnungen durchgeführt, wobei bis zu fünf Spins berücksichtigt wurden. Aus den Relaxationsmessungen wurden die charakteristischen Zeiten ermittelt, mit denen Subsysteme in den Substanzen untereinander und mit der Umgebung wechselwirken.

Je nach Verhältnis der charakteristischen Zeiten muss die Messmethode geeignet gewählt werden. Für den Sprengstoff TNT konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene kommerzielle TNT-Sorten bezogen auf die verwendeten Messmethoden nicht wesentlich voneinander und von hochreinem TNT unterscheiden. Durch die Anwendung der vorgestellten Messmethoden konnte das Signal zur Identifizierung von TNT stark erhöht und mit einem großen Signal-/Rausch-Verhältnis gemessen werden.




Abstract auf Englisch:

There are many techniques to detect landmines. Unfortunately most of them share the same drawback not to detect the explosive itself. The only devices practically used these days are metal detectors. This becomes more and more disadvantageous, because in the meantime many landmines contain only little or no metal at all.

Nuclear quadrupole resonance (NQR) in principle is able to fill this gap. While NQR-based detection is realized for many types of explosives, the detection of pure TNT-containing mines in zero magnetic field is not possible until now due to the very small frequencies. To optimize the NQR-method for TNT, which is the only explosive in many mines, the decision was taken to go for double resonance methods. For these methods to work efficiently the dynamics in the spin system and the characteristic times for polarization transfer must be known.

This is the objective of this work. It shall establish the basis for henceforth and further work with the help of direct and indirect measurements on TNT in the laboratory in volume coils by nuclear magnetic resonance (NMR) and NQR. Beside TNT also urotropine, urea and paranitrotoluene have been studied.

As a start this work provides a survey of the landmine problem, introduces some landmines and elucidates several methods of detection. There is an introduction to the physical basics of NMR and NQR. Quantum mechanical interactions and relaxation processes are introduced as well as double resonance and cross polarization, wich are important for the experiments done.

From the experiments the quadrupole coupling constants and the asymmetry parameters of the samples are determined, which provide a consistent picture of the energy levels in the considered systems. For a deeper understanding of the dynamics in these systems, calculations have been done including up to five spins. From the relaxation measurements the characteristic interaction times have been deduced.

According to the ratio of the characteristic times the appropriate methods have to be choosen. Concerning TNT it has been shown that different commercial and high purity TNT samples do not vary much with respect to the methods used. By application of the given methods the signal for TNT identification has been raised significantly and has been detected with a big signal-to-noise ratio.



Dokument aufgenommen :2005-09-30
URL:http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000608