NQR激励脉冲序列和探头电路的设计与实现
发布时间：2021-02-08 21:55
核四极矩共振（Nuclear Quadrupole Resonance,NQR）技术是一种非接触式的固态射频谱分析技术,可广泛应用于爆炸物探测、矿物勘探等领域。但受本身固有的低信噪比、射频干扰及虚假信号的影响,制约了NQR技术的实际应用。为了提高其实用性及拓展应用领域,许多国外研究机构均致力于抑制NQR探测技术中的噪声和射频干扰,提高NQR检测信噪比的研究,成为近年来该领域研究的重点和热点。由虚假信号概念可知,与射频相关的振铃拖尾信号可通过设计相应的振铃拖尾抑制电路,使得收发同置的天线线圈恢复时间有效缩短,但其抑制效果有限。因此,在深入研究激励脉冲序列形式和强虚假信号特性的基础上,考虑从复合多脉冲激励序列设计入手,从NQR信号产生级提高信噪比。利用虚假信号与射频脉冲之间的相位关系,通过脉冲相位交替变换构造新的复合多脉冲激励序列可对长持续时间的虚假信号进行有效抑制。本文重点研究了核四极矩共振激励脉冲发生器,并对振铃拖尾抑制电路进行设计和改进。目前设置激励脉冲序列参数存在经验性与特定性,在不同探测环境中无法灵活的配置参数。文中采用由任意信号发生器PXI-5421、计数器/定时器PXIe-6...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
爆炸物组成元素[3]
10第二章NQR基本原理及探测装置组成2.1NQR的基本原理2.1.1原子的核四极矩在原子核物理中，核四极矩是表征核电荷分布偏离球对称程度的量度，它反映了原子核形变的程度。通常情况下，可以把原子核内电荷Ze近似看作均匀分布。由于原子核具有自旋，因此可以将它比作以自旋方向为轴旋转的轴对称系统。如果原子核自旋量子数I为零，正电荷的分布将是球状的，这就是所谓的原子核具有零核四极矩eQ，其中e为电子电荷，Q为四极矩。所有自旋量子数大于2/1的原子核均具有电四极矩，它产生于原子核正电荷的非球对称性。假设对称轴z半径为a，x轴半径为b，那么四极矩Q可表示为式（2-1）[5]：()2225Q=Zab（2-1）其中，Z为核电荷数，图2-1给出了不同Q值下的原子核形态，Q>0时，原子核为长椭球状；Q<0，原子核为扁椭球状；Q=0时，原子核球对称[2]。四极矩Q一旦确定，原子核的形状和电荷存在方式就确定了。eQ可表示为式（2-2）：()()22eQ=ρx,y,zr3cosθ1dτ（2-2）其中，ρ(x,y,z)是在(x,y,z)点处的核电荷密度，r是原子核到体积元素dτ的距离，θ是半径矢量与核自旋轴的夹角。由式（2-2）可看出，eQ的大小是电荷与距离平方的乘积。在实际应用中，通常简单地表示四极矩Q单位为2cm或2m。例如，37Cl具有原子核自旋量子数I=2/3，其四极矩Q为2820.0810m×，负号表明该电荷分布垂直于旋转轴。表2-1列出了一些常见的NQR同位素。图2-1不同Q值下的原子核形态
12对于自旋I=1的核，允许的能级跃迁如图2-3所示[5]。图2-3自旋I=1核允许的能级跃迁对应的能级频率可由式（2-3）表示：2(3)4eqQvhη±=±，202eqQvh=η（2-3）其中h为普朗克常量（PlanckConstant），2eqQ为四极矩耦合常数，η为不对称参数，可表示为式（2-4）：-=xxyyzzqqqη（2-4）其中xxq，yyq和zzq是EFG的主要张量分量（一个系统的EFG可以描述为一个张量）。xxq，yyq和zzq之和为零，η是小于1的数值。当zzyyxxq≠q≠q时，该参数是衡量场梯度偏离轴对称性的程度。由于四极矩耦合常数2eqQ和不对称参数η均为原子核本身所固有的性质，因此只要从外部施加一个特定频率（v+，v，0v）的电磁场，再通过检测相应频率的电磁回波信号（即NQR信号），就能实现TNT和RDX的探测。一般炸药对应的NQR频率相对较低，都在500kHz~6MHz之间。表2-3和表2-3[2,28]列出了293K（20℃）下RDX和TNT的共振频率及相应的探测强度，由表可以看出，对于RDX，共振频率5192kHz和3410kHz下有相对较强的探测能力，对于TNT，共振频率890kHz时，相对检测能力较强，认为检测能力最强的对应的共振频率为该样品的特征频率。表2-2RDX的NQR参数（293K）频率v（kHz）线宽Δv（Hz）相对探测强度v+52414400.4751922001.050474500.53v34586000.2334103500.6933594800.450v17835000.2617825000.2616883300.3
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字调制技术的核磁共振射频脉冲发生器[J]. 朱云峰,何为,何传红,王怡,齐天昊,陈柏冰,徐征. 波谱学杂志. 2018(03)
[2]核四极矩共振探测系统研究进展[J]. 李雯玉,魏树峰,杨文晖. 探测与控制学报. 2016(03)
[3]基于NQR技术的爆炸物探测天线自动调谐装置[J]. 任天亮. 电子制作. 2016(09)
[4]爆炸物检测中NQR信号的处理及判识[J]. 毛云志,郭华民. 波谱学杂志. 2014(03)
[5]基于经验模态分解及小波变换的炸药NQR信号处理[J]. 郝凤龙,徐更光,黄学义. 振动与冲击. 2014(16)
[6]基于核四极矩共振的爆炸物探测技术研究进展[J]. 朱凯然,苏涛,何学辉. 兵工学报. 2013(12)
[7]NQR炸药探测系统中射频线圈的设计研究[J]. 郝凤龙,徐更光,黄学义. 波谱学杂志. 2013(04)
[8]一种核四极共振探测系统中天线探头的设计方法[J]. 阳燕,孙宜斌,何学辉,朱凯然,苏涛. 波谱学杂志. 2013(01)
[9]基于PXI-5105示波器卡的数据获取系统[J]. 叶瑞平,陈志强,张雪荧,孙志宇,毛瑞士,黄美容,马朋,王晓辉,孔洁,陈金达,郑川,余玉洪,王建松,詹文龙. 原子能科学技术. 2012(05)
[10]NQR方法中平面型天线探测爆炸物研究[J]. 李康宁,李兴,张向阳,田利军,俞硕. 原子能科学技术. 2010(S1)
博士论文
[1]微弱核四极矩共振信号参数估计方法研究[D]. 朱凯然.西安电子科技大学 2012
[2]用于引导HIFU治疗的永磁开放式MRI系统研究[D]. 宁瑞鹏.华东师范大学 2011
硕士论文
[1]基于LabVIEW的示波器自动测试系统的设计与实现[D]. 苏晨.北京交通大学 2018
[2]基于虚拟仪器的电能采集分析回放装置的研究与设计[D]. 徐鼎.山东大学 2018
[3]含氮物质检测系统脉冲发射源及控制模块的研制[D]. 李双魁.电子科技大学 2017
[4]基于FPGA和PXI总线的任意波形发生器系统设计[D]. 田广飞.哈尔滨工程大学 2017
[5]几种常见爆炸物探测技术研究[D]. 梁永磊.南京理工大学 2016
[6]基于多帧统计谱的无线电干扰信号的分离算法的研究[D]. 谢冰.兰州交通大学 2014
[7]基于LabVlEW的汽车电控设备测试系统研究[D]. 张云龙.河北工业大学 2014
[8]基于核四极矩共振的爆炸物探测系统设计[D]. 阳燕.西安电子科技大学 2013
本文编号：3024586
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
爆炸物组成元素[3]
10第二章NQR基本原理及探测装置组成2.1NQR的基本原理2.1.1原子的核四极矩在原子核物理中，核四极矩是表征核电荷分布偏离球对称程度的量度，它反映了原子核形变的程度。通常情况下，可以把原子核内电荷Ze近似看作均匀分布。由于原子核具有自旋，因此可以将它比作以自旋方向为轴旋转的轴对称系统。如果原子核自旋量子数I为零，正电荷的分布将是球状的，这就是所谓的原子核具有零核四极矩eQ，其中e为电子电荷，Q为四极矩。所有自旋量子数大于2/1的原子核均具有电四极矩，它产生于原子核正电荷的非球对称性。假设对称轴z半径为a，x轴半径为b，那么四极矩Q可表示为式（2-1）[5]：()2225Q=Zab（2-1）其中，Z为核电荷数，图2-1给出了不同Q值下的原子核形态，Q>0时，原子核为长椭球状；Q<0，原子核为扁椭球状；Q=0时，原子核球对称[2]。四极矩Q一旦确定，原子核的形状和电荷存在方式就确定了。eQ可表示为式（2-2）：()()22eQ=ρx,y,zr3cosθ1dτ（2-2）其中，ρ(x,y,z)是在(x,y,z)点处的核电荷密度，r是原子核到体积元素dτ的距离，θ是半径矢量与核自旋轴的夹角。由式（2-2）可看出，eQ的大小是电荷与距离平方的乘积。在实际应用中，通常简单地表示四极矩Q单位为2cm或2m。例如，37Cl具有原子核自旋量子数I=2/3，其四极矩Q为2820.0810m×，负号表明该电荷分布垂直于旋转轴。表2-1列出了一些常见的NQR同位素。图2-1不同Q值下的原子核形态
12对于自旋I=1的核，允许的能级跃迁如图2-3所示[5]。图2-3自旋I=1核允许的能级跃迁对应的能级频率可由式（2-3）表示：2(3)4eqQvhη±=±，202eqQvh=η（2-3）其中h为普朗克常量（PlanckConstant），2eqQ为四极矩耦合常数，η为不对称参数，可表示为式（2-4）：-=xxyyzzqqqη（2-4）其中xxq，yyq和zzq是EFG的主要张量分量（一个系统的EFG可以描述为一个张量）。xxq，yyq和zzq之和为零，η是小于1的数值。当zzyyxxq≠q≠q时，该参数是衡量场梯度偏离轴对称性的程度。由于四极矩耦合常数2eqQ和不对称参数η均为原子核本身所固有的性质，因此只要从外部施加一个特定频率（v+，v，0v）的电磁场，再通过检测相应频率的电磁回波信号（即NQR信号），就能实现TNT和RDX的探测。一般炸药对应的NQR频率相对较低，都在500kHz~6MHz之间。表2-3和表2-3[2,28]列出了293K（20℃）下RDX和TNT的共振频率及相应的探测强度，由表可以看出，对于RDX，共振频率5192kHz和3410kHz下有相对较强的探测能力，对于TNT，共振频率890kHz时，相对检测能力较强，认为检测能力最强的对应的共振频率为该样品的特征频率。表2-2RDX的NQR参数（293K）频率v（kHz）线宽Δv（Hz）相对探测强度v+52414400.4751922001.050474500.53v34586000.2334103500.6933594800.450v17835000.2617825000.2616883300.3
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字调制技术的核磁共振射频脉冲发生器[J]. 朱云峰,何为,何传红,王怡,齐天昊,陈柏冰,徐征. 波谱学杂志. 2018(03)
[2]核四极矩共振探测系统研究进展[J]. 李雯玉,魏树峰,杨文晖. 探测与控制学报. 2016(03)
[3]基于NQR技术的爆炸物探测天线自动调谐装置[J]. 任天亮. 电子制作. 2016(09)
[4]爆炸物检测中NQR信号的处理及判识[J]. 毛云志,郭华民. 波谱学杂志. 2014(03)
[5]基于经验模态分解及小波变换的炸药NQR信号处理[J]. 郝凤龙,徐更光,黄学义. 振动与冲击. 2014(16)
[6]基于核四极矩共振的爆炸物探测技术研究进展[J]. 朱凯然,苏涛,何学辉. 兵工学报. 2013(12)
[7]NQR炸药探测系统中射频线圈的设计研究[J]. 郝凤龙,徐更光,黄学义. 波谱学杂志. 2013(04)
[8]一种核四极共振探测系统中天线探头的设计方法[J]. 阳燕,孙宜斌,何学辉,朱凯然,苏涛. 波谱学杂志. 2013(01)
[9]基于PXI-5105示波器卡的数据获取系统[J]. 叶瑞平,陈志强,张雪荧,孙志宇,毛瑞士,黄美容,马朋,王晓辉,孔洁,陈金达,郑川,余玉洪,王建松,詹文龙. 原子能科学技术. 2012(05)
[10]NQR方法中平面型天线探测爆炸物研究[J]. 李康宁,李兴,张向阳,田利军,俞硕. 原子能科学技术. 2010(S1)
博士论文
[1]微弱核四极矩共振信号参数估计方法研究[D]. 朱凯然.西安电子科技大学 2012
[2]用于引导HIFU治疗的永磁开放式MRI系统研究[D]. 宁瑞鹏.华东师范大学 2011
硕士论文
[1]基于LabVIEW的示波器自动测试系统的设计与实现[D]. 苏晨.北京交通大学 2018
[2]基于虚拟仪器的电能采集分析回放装置的研究与设计[D]. 徐鼎.山东大学 2018
[3]含氮物质检测系统脉冲发射源及控制模块的研制[D]. 李双魁.电子科技大学 2017
[4]基于FPGA和PXI总线的任意波形发生器系统设计[D]. 田广飞.哈尔滨工程大学 2017
[5]几种常见爆炸物探测技术研究[D]. 梁永磊.南京理工大学 2016
[6]基于多帧统计谱的无线电干扰信号的分离算法的研究[D]. 谢冰.兰州交通大学 2014
[7]基于LabVlEW的汽车电控设备测试系统研究[D]. 张云龙.河北工业大学 2014
[8]基于核四极矩共振的爆炸物探测系统设计[D]. 阳燕.西安电子科技大学 2013
本文编号：3024586
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