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Dokumentenidentifikation EP1857815 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001857815
Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DETEKTION VERSTECKTER SUBSTANZEN
Anmelder Samojlov, Valentin Nikolaevich, Moskovskaya, RU
Erfinder DENISOV, Dmitrij Valerievich, St.Petersburg, 197373, RU;
KULIKOVSKIJ, Sergej Yurievich, St.Petersburg, 197373, RU;
SAMOSHKIN, Aleksandr Mihajlovich ul. Sosnovaya, Moskovskaya obl., 141980, RU;
SOKORIN, Oleg Naumovich, St.Petersburg, 190121, RU
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.02.2006
EP-Aktenzeichen 067168559
WO-Anmeldetag 01.02.2006
PCT-Aktenzeichen PCT/RU2006/000034
WO-Veröffentlichungsnummer 2006093431
WO-Veröffentlichungsdatum 08.09.2006
EP-Offenlegungsdatum 21.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01N 27/83(2006.01)A, F, I, 20071023, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung gehört zum Gebiet der Erforschung von Stoffen mittels Magnetfeldern und kann zur Feststellung und Identifizierung verschiedener Stoffe, und zwar von Psychopharmaka und Explosivstoffen, in stationären und mobilen Kontrollsystemen verwendet werden.

Bekannt ist eine Vorrichtung zur Feststellung von versteckten Stoffen gemäß der Literaturstelle [1] im beigefügten Literaturverzeichnis. Dieser Vorrichtung liegt eine Materialanalyse mittels Bestrahlung des Materials durch schnelle, monochromatische Neutronen und eine Bemessung eines dadurch ausgelösten Gammaspektrums zugrunde. Der Nachteil dieser Vorrichtung und dieses Verfahrens sind die-Unmöglichkeit, Stoffe zu festzustellen, deren Atomrümpfe einen kleinen Einfangquerschnitt der schnellen Neutronen aufweisen, wobei eine erhebliche Strahlungsgefahr auftritt, die bei Verwendung dieser Vorrichtung besteht, und die Unmöglichkeit, sowohl die Struktur des Stoffs als auch die chemische Verbindung festzustellen.

Der vorliegenden Erfindung kommen auch eine Vorrichtung und ein Verfahren relativ nahe, die der Bestimmung der Natur und Eigenschaften von Stoffen mittels eines sich verändernden, elektromagnetischen Felds dient [2]. Dieses Verfahren basiert auf der Zuführung eines elektromagnetischen Signals zu einem Erreger- und Registrierungskreis in einem Messkreis eines induzierten Signals in An- und Abwesenheit eines untersuchten Objekts. Die Nachteile dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung sind eine ungenügende Sensibilität und Trennschärfe bei der Feststellung und Identifizierung der Stoffe, wobei eine Erhöhung der Sensibilität und Trennschärfe beispielsweise eine unzulässig hohe Anzahl von Falschauslösungen der Kontrollsysteme und eine Beschädigung von Magnetplattenträgern in den kontrollierten Objekten hervorruft.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der angeführten Mängel und die Erhöhung der Sensibilität und Trennschärfe bei der Feststellung und Identifizierung von Stoffen. Diese Aufgabe wird durch Folgendes gelöst: beim bekannten Verfahren, das die Anwendung des sich verändernden, elektromagnetischen Felds im Bereich der mutmaßlichen Existenz des gesuchten, versteckten Stoffs, die Bemessung der Antwort des angegebenen Felds auf Stoffe im angegebenen Bereich und den Vergleich der erhaltenen Antwort mit der vorgemessenen, normativen Antwort für den gesuchten Stoff einschließt, wird gemäß der Erfindung die Information über charakteristische Raum-Frequenz-Merkmale des zu identifizierenden Stoffs gemessen und gespeichert; gemäß der Erfindung wird ferner auf Grund der angegebenen Information im angeführten Bereich eine lokale, nicht adiabatische Fluktuation des Vektorpotentials, die die Information über charakteristische Raum-Frequenz-Merkmale des gesuchten, versteckten Stoffs trägt, erzeugt und gespeichert; die Antwort des genannten Felds wird mittels Messung von Heterogenitätscharakteristiken bei der Polarisation der lokalen Feldfluktuation und Niederfrequenzüberlagerungen registriert, die durch Zusammenwirkung der angeführten Stoffe mit dem Feld ausgelöst werden; auf Grund des Vergleichs der gewonnenen Charakteristiken mit den Heterogenitätscharakteristiken für den gesuchten, versteckten Stoff wird eine Schlussfolgerung über das Vorhandensein dieses Stoffs unter den angeführten Stoffen gezogen; die angeführte, lokale Fluktuation des Vektorpotentials wird durch Übertragung einer modulierten Laserstrahlung, die die Information über charakteristische Raum-Frequenz-Merkmale des gesuchten, versteckten Stoffs trägt, über einen Übertragungslichtleiter gebildet, der über den angegebenen Bereich in Form einer Spule verläuft; die genannte Antwort wird anhand der Strahlung in einem Empfangslichtleiter registriert, der ebenso über den angegebenen Bereich in Form einer Spule verläuft. Es wird eine Vorrichtung zur Feststellung der versteckten Stoffe verwendet, die aus folgenden Teilen besteht:

  • einem Block zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs, der aus Kondensatorbelägen besteht, die an eine Spannungsquelle und den Eingang eines Verstärkers, der Stromquelle, angeschlossen sind, dessen Ausgänge an einen Feldumformer angeschlossen sind; dabei ist der Eingang dieses Verstärkers mit einem Stromkonstanthalter verbunden, dessen Ausgang an die Stromeingänge von Hall-Elementen angeschlossen sind, die beispielsweise in einem Winkel von 90° zueinander bzw. von 45° zu einem Kraftvektor des vom angeführten Umformer gebildeten, elektromagnetischen Felds angeordnet werden; dabei sind die angeführten Hall-Elemente beispielsweise als Scheiben mit einer Anzahl der am Rande der angegebenen Scheiben platzierten Hall-Elektroden ausgeführt, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Schalters verbunden sind, dessen Ausgang an einen Signalverstärker angeschlossen ist, der über zwei Ausgänge verfügt: der erste Ausgang ist mit dem Eingang einer aktiven Sperre, und der zweite Ausgang ist mit dem Schalter verbunden; dabei ist der Ausgang der angeführten, aktiven Sperre mit dem Eingang eines Analog-DigitalWandlers verbunden, dessen Ausgang an den Eingang einer EDV1-Anlage angeschlossen ist, deren erster Ausgang mit dem Steuereingang des angeführten Schalters, deren zweiter Ausgang mit dem Steuereingang eines Informationsschalters und dessen dritter Ausgang mit dem Eingang eines Speicherblocks verbunden ist; die Informationsschalterausgänge sind dabei an die Informationseingänge des angeführten Speicherblocks angeschlossen;
  • einem Senderblock, der einen Speicherblock mit mittels des angeführten Blocks zur Aussonderung und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs gepeicherten Signalen aus gewählten Richtungen enthält, wobei Ausgänge des Speicherblocks mit den Eingängen eines Summierers verbunden sind, der in Reihe mit einem Verstärker (Laserstrahlungsquelle) liegt; dieser Verstärker ist mit einer Sendeantenne verbunden, die einen auf ein beispielsweise zylinderförmiges Gerüst aufgewickelten Lichtleiter aufweist;
  • einem Empfänger- und Umformer-Klassifikator-Block, der Folgendes umfasst: eine Empfangsspule in Form eines auf beispielsweise einem zylinderförmigen Gerüst aufgewickelten Lichtleiters, einen Verzweiger, eine Laserstrahlungsquelle, einen Fotoempfänger, eine stabilisierte Stromquelle, deren Ausgang mit den Stromeingängen der Hall-Elemente verbunden ist, deren Ausgänge an die Eingänge des Schalters angeschlossen sind, dessen Ausgang in Reihe mit dem Verstärker liegt, eine aktive Niederfrequenzsperre, einen Analog-Digital-Wandler und eine EDV2-Anlage, deren Ausgang an die Steuereingänge des angeführten Schalters angeschlossen ist, und eine Stromquelle, die an einen Magnetfeld-Umformer angeschlossen ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf grundlegenden, physikalischen Prinzipien. Die Grundlage des Verfahrens ist die Zusammenwirkung des Stoffs mit dem Feld. Unter "Feld" ist nicht nur das elektrische Feld und das Magnetfeld gemeint, die getrennt oder zusammen anhand der Maxwellschen Gleichungen beschrieben werden können, sondern auch das Vektorpotential, dessen temporäre und räumliche Veränderung dieses elektromagnetische Feld erzeugt. Mit "Zusammenwirkung" ist nicht nur der Einfluss des Felds auf den Stoff, sondern auch der Einfluss des Stoffs auf das Feld gemeint. Nach der Entdeckung des Aharonov-Bohm-Effekts ( Y. Aharonov and D. Bohm, Phys.Rev. 115(3), S. 485, 1959 ) und dessen Nachweis auf experimentellem Weg ( R. Chambers, Phys. Rev. Lett., 5, S. 3, 1960 , und A. Tonomura, Phys. Rev. Lett., 56, S. 792, 1986 ) wurde klar, dass das Vektorpotential - sei es auch wirbelfrei - anhand der Interferenzwirkungen auf das Quantenniveau registriert werden kann. Die Abwesenheit des elektromagnetischen Felds im Raum, der durch den untersuchten Stoff besetzt ist, bedeutet also nicht eine fehlende Zusammenwirkung des Stoffs mit dem Feld. Wenn in den vom Stoff besetzten Raum eine nicht adiabatische Störung (Fluktuation) entweder der Stoffstruktur oder des Vektorpotentials eingeführt wird, kann die Zusammenwirkung nachgewiesen werden.

Die Zusammenwirkung des Stoffs mit dem Feld besteht in der gegenseitigen Beeinflussung von Stoff und Feld. Wenn die Fluktuation des Felds im vom Stoff besetzten Raum stattfindet, wenn also das Vektorpotential auf irgendeine Weise lokal verändert wird, ruft diese Änderung in Raum und Zeit gemäß der Maxwell-Heaviside-Lorentz-Gleichung ein von Null abweichendes, elektromagnetisches Feld hervor. Auf diese Weise wird die lokale Veränderung der Energie- und der Kraftcharakteristiken des Raums herbeigeführt, in dem sich der Messstoff befindet. Indem der Stoff die Zusammenwirkung mit dem Stoff eingeht, verändert er die lokalen Charakteristiken des Felds. Die Änderungen hängen dabei von der Stoffstruktur ab. Diese Änderungen im Skalar- sowie Vektorpotential verbreiten sich mit Lichtgeschwindigkeit in bestimmten Richtungen in zugeordneten Raumwinkeln. Die Anisotropie bei der Detektion ist durch mehrere Ursachen bedingt:

  1. 1. Reguläre Stoffstruktur.

    Wenn die Stoffstruktur der kristallinen nahe kommt bzw. wenn Makromoleküle aus gut ausgewählten Richtungen auftreten, kann auch eine Anisotropie bei der Verbreitung der Fluktuationsantwort erwartet werden. Die Anisotropie der Spins von zusammenwirkenden Elektronen kann einen stärker ausgeprägten Charakter haben als die Anisotropie der Struktur auf Molekularniveau.
  2. 2. Vorhandensein von ausgewählten Richtungen (sinkende Symmetrie).

    Unter realen Feststellbedingungen steht der Stoff unter dem Einfluss der Felder technogener Art. Außerdem wird das erdmagnetische Feld fast nicht abgeschirmt. Die Einführung einer kleinen Störung in den vom Stoff besetzten Raum verändert die potentielle Energie dieses Raums. Schließlich antwortet das offene System auf der eigenen Frequenz und kehrt zum thermodynamischen Gleichgewicht zurück, aus dem es gebracht wurde. Das Feldpotential verändert sich lokal an der Stelle der Fluktuation vom Potential der Struktur, die eigene Schwingungen erzeugt. Das Feldpotential verändert sich also synchron mit den Schwingungen der Stoffstruktur, d. h. trägt nicht nur die Frequenzcharakteristik, sondern auch die Phasencharakteristik des Stoffs.

Ein beliebiger Stoff, der aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht wurde, antwortet auf die Potentialfluktuation. Dabei ist es notwendig, dass die eigenen Frequenzen des Detektors spektral mit dem modulierten, vom Stoff erhaltenen Signal der Potentialfluktuation zusammenfallen. Wenn es nicht beachtet wird, kann das erhaltene Signal das gemessene sowohl verkleinern als auch vergrößern, je nach dem Phasenverhältnis der eingehenden Potentialfluktuation und Potentialfluktuation durch Störung der Detektorstruktur. Auch wenn diese Frequenzen nah genug sind, sind Nebenüberlagerungen möglich, d. h. Erzeugung von Frequenzen, die dem Stoff nicht eigen sind. Mit anderen Worten sollten zur Messzuverlässigkeit das Frequenzspektrum und die Anisotropie der Detektorantwort auf die Potentialfluktuation vor den Messungen bestimmt und tabelliert werden.

Zur Umsetzung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Feststellung und Identifizierung der versteckten Stoffe vorgeschlagen.

In Fig. 1 ist das Wirkungsschema dieser Vorrichtung mit folgenden Bedeutungen dargestellt:

0
der zu identifizierende Stoff,
1
Block zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs,
2
Senderblock,
3
Empfänger- und Umformer-Klassifikator-Block.

In Fig. 2 ist ein Schema des Blocks zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs mit folgenden Bedeutungen abgebildet:

4
Spannungsquelle,
5
Stromquelle,
6
Kondensatorbeläge,
7
Magnetfeldumformer,
8
Verstärker,
9
Stromkonstanthalter,
10
Magnetfeldumformer,
11
Stromquelle,
12
Hall-Element,
13
Hall-Element,
14
Schalter,
15
Verstärker,
16
aktive Sperre,
17
Analog-Digital-Wandler,
18
EDV1-Anlage,
19
Schalter,
20
Speicherblock.

In Fig. 3 ist ein Schema des Senderblocks mit folgenden Bedeutungen abgebildet:

21
Speicherblock,
22
Summierer,
23
Verstärker,
24
Strahlungsquelle,
25
Sendeantenne.

In Fig. 4 ist ein Schema des Empfänger- und Umformer-Klassifikator-Blocks mit folgenden Bedeutungen abgebildet:

26
Empfangsspule,
27
Verzweiger,
28
Strahlungsquelle,
29
Fotoempfänger,
30
Verstärker,
31
stabilisierte Stromquelle,
32
Stromquelle,
33
Magnetfeldumformer,
34
Ausgänge von Hall-Elementen,
35
Schalter,
36
Verstärker,
37
aktive Niederfrequenzsperre,
38
Analog-Digital-Wandler,
39
EDV2-Anlage.

In Fig. 5 ist ein dreidimensionales Raum-Frequenz-Spektrum von Aspirin C abgebildet.

In Fig. 6 ist das mit der EDV-Anlage berechnete Fourier-Spektrum von Aspirin C für ausgewählte Winkel zu sehen, in denen die Höchstpunkte auf folgenden Frequenzen registriert wurden: 40 Hz (für Winkel 16,87°) mit Volllinie bezeichnet, 92 Hz (für Winkel 151,87°) mit gestrichelter Linie bezeichnet, 248 Hz (für Winkel 135°) mit Punktlinie bezeichnet.

In Fig. 7 ist das Winkeldiagramm der Verteilung für das Fourier-Spektrum-Modul von Aspirin C auf folgenden Frequenzen dargestellt: 40 Hz mit Volllinie bezeichnet, 92 Hz mit Strichlinie bezeichnet, 248 Hz mit Punktlinie bezeichnet.

In Fig. 8 ist das dreidimensionale Raum-Frequenz-Spektrum eines Stoffgemisches aus Aspirin C, Wodka, Zucker und Kochsalz abgebildet.

In Fig. 9 sind Fourier-Spektrum-Module des Signals des Gemisches der zu identifizierenden Stoffe in den für Aspirin C gewählten Winkeln dargestellt: 16,87° mit Volllinie bezeichnet, 151,87° mit Strichlinie bezeichnet, 135° mit Punktlinie bezeichnet.

In Fig. 10 ist das Winkeldiagramm der Verteilung für das Fourier-Spektrum-Modul abgebildet, das vom Stoffgemisch (Aspirin C, Wodka, Zucker und Kochsalz) auf folgenden, für Aspirin C charakteristischen Frequenzen erhalten wurde: 40 Hz mit Volllinie bezeichnet, 92 Hz mit Strichlinie bezeichnet, 248 Hz mit Punktlinie bezeichnet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird mit Hilfe einer Vorrichtung gemäß der Erfindung (Fig.1) realisiert, das auf folgende Weise arbeitet.

Mit Hilfe des Blocks zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs 1 werden charakteristische Raum-Frequenz-Merkmale der zu identifizierenden Stoffe ausgewählt und gespeichert. Die Speicherzellen mit charakteristischen Merkmalen der Stoffe können weiter vervielfältigt und an den Sender 2 angeschlossen werden. Der Sender mit dem eingebauten Strahler löst in dem durch den zu identifizierenden Stoff besetzten Raum eine lokale Feldfluktuation mit dem vorgegebenen Satz der Eigenschaften aus. Der Stoff verändert beim Zusammenwirkung mit dem Feld lokal seine Charakteristiken. Dabei ist die Veränderung der Feldcharakteristiken mit Besonderheiten der Stoffstruktur verbunden. Falls der Stoff die Eigenschaften besitzt, die den ausgestrahlten ähnlich sind, bilden sich bei der Polarisation der lokalen Feldfluktuation Heterogenitäten und Niederfrequenzüberlagerungen, deren Raum-Frequenz-Charakteristiken vom Empfänger und Umformer-Klassifikator 3 registriert und identifiziert werden.

Aufgrund der erhaltenen Informationen wird eine Schlussfolgerung über das Vorhandensein des gesuchten Stoffs im Suchbereich gezogen.

Der Block zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs (Fig. 2) arbeitet in folgender Weise.

Die Probe eines der Stoffe, der weiter identifiziert werden soll, wird zwischen den Kondensatorbelägen 6 positioniert, die durch die Spannungsquelle 4 unter eine Polarisierungsgleichspannung gesetzt werden. Die Stromquelle 5, deren erster Ausgang und zweiter Ausgang an den Magnetfeldumformer 7 angeschlossen sind, stellt den nötigen Wert des Magnetinduktionsvektors sicher, der senkrecht zum Vektor des von den Kondensatorbelägen 6 gebildeten, elektrischen Felds positioniert ist. Das Signal von den Kondensatorbelägen 6 wird vom Verstärker 8 verstärkt und zum Stromkonstanthalter 9 geleitet, der die Hall-Elemente 12 und 13 speist. Die Stromquelle 11, deren erster Ausgang und zweiter Ausgang an den Magnetfeldumformer 10 angeschlossen sind, stellt den nötigen Wert des Magnetinduktionsvektors im Raum sicher, in dem sich die in Form von Scheiben (oder anderen Layout-Formen) ausgeführten Hall-Elemente 12 und 13 und N befinden, wobei die Hall-Elektroden am Rande der Scheiben positioniert sind.

Von den Hall-Ausgängen wird mittels des durch die EDV1-Anlage 18 angesteuerten Schalters 14 die der Frequenzanalyse unterliegende Raumkoordinate des Signals gewählt, die zur Reihenschaltung aus dem Verstärker 15, der aktiven Niederfrequenzsperre 16, die zum Löschen des konstanten Signalbestandteils vorgesehen ist, dem Analog-Digital-Wandler 17 und der EDV1-Anlage 18 geleitet wird. Wenn der elektrische Strom das Hall-Element durchfließt, wird er vom Magnetfeld senkrecht zur Feld- und Stromrichtung abgelenkt und bildet auf diese Weise die Potentialdifferenz zwischen den seitlichen Elementbelägen. Eine wichtige Besonderheit ist, dass die den elektrischen Strom bildenden Elektronen eine unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung aufweisen. Obwohl der Strom durch das Hall-Element stabilisiert wird, bleibt die relative Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen innerhalb ihres gesamten Stroms konstant und wird vom untersuchten Stoff bestimmt. Bei der Erzeugung des Konstantstroms ist die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen für alle Messungen gleich. Bei der Erregung des Stoffs ist der Strom, der ins Hall-Element fließt, Träger einzigartiger Eigenschaften dieses Stoffs, denn die Eigenschaften des Stroms sind von den Eigenschaften der Stoffprobe moduliert, einschließlich der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen. Wie bekannt ist, kann für die Geschwindigkeitsselektion der Elektronen ein Magnetfeld verwendet werden, das im Winkel zum elektrischen Feld ausgerichtet ist. Elektronen mit verschiedenen Geschwindigkeiten werden verschiedene Bahnen im homogenen Magnetfeld besitzen.

Diese Wirkung wird gerade in diesem Fall verwendet. Durch Umschaltung der räumlich voneinander entfernten Hall-Elektroden wird die wirksame Magnetfeldstärke verändert, wodurch die Geschwindigkeitsselektion der Elektronen in einem weiten Bereich und damit die Auswahl der charakteristischen Merkmale der untersuchten Stoffe ermöglicht werden.

Nach der aktiven Sperre 16 bleibt nur der Bestandteil, der die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen und/oder die räumlich-temporäre Änderung des Vektorpotentials im Bereich des analysierten Stoffs charakterisiert. Je nach den Messbedingungen und Charakteristiken des getesteten Stoffs spielt gerade die Veränderung des Vektorpotentials die entscheidende Rolle bei der Analyse des elektromagnetischen Signals durch das Hall-Element. Nach dem Verlassen der aktiven Sperre 16 enthält das Signal eine einzigartige, räumliche Phasen-Frequenz-Charakteristik des gegebenen Stoffs. Erwähnenswert ist, dass bei dieser Analyse für zusammengesetzte Stoffe die Charakteristiken der Bestandteile verfolgt werden können. Mit einer spezialisierten Software wählt die EDV1-Anlage 18 aus einer Anzahl von Raumwinkeln, die den Aufstellungswinkeln der Hall-Elektroden entsprechen, diejenigen Winkel, in denen mittels der schnellen Fourier-Transformation (FFT) die für den Stoff 0 charakteristischen Höchst- oder Kleinstwerte des Fourier-Spektrum-Moduls bzw. beide registriert werden (Anzahl der FFT-Abzählungen und Höchst- bzw. Kleinstwerte werden je nach der Stoffzusammensetzung, dem erforderlichen Falschmeldungsniveau und anderen Parametern der Feststellqualität gewählt), und zwar derart, dass die Frequenz- und Winkelwerte für diesen Stoff 0 mit den Frequenz- und Winkelwerten für andere, zu identifizierende Stoffe nicht zusammenfallen.

Nach der Selektion der Winkel und diesen entsprechenden Frequenzen speichert die EDV1-Anlage 18 mit Hilfe der Schalter 14 und 19 und des Verstärkers 15 in der Speicherzelle 20 Signale aus den gewählten Richtungen, die für die zu identifizierenden Stoffe charakteristisch sind. Die Speicherzelle kann später vervielfältigt und im Empfangsteil anderer, ähnlicher Geräte montiert werden. Die Angaben über gewählte Richtungen und der diesen entsprechenden Fourier-Spektren werden für jeden der identifizierten Stoffe zur Verarbeitung der Messsignale zur EDV2-Anlage geleitet (Fig. 4, Pos. 39).

Der Senderblock (Fig. 3) arbeitet in folgender Weise.

Von den Ausgängen der Speicherzelle 21, in der die Signale aus den Richtungen registriert werden, die für die zu identifizierende Stoffe gewählt sind, werden die Signale mit Hilfe des "Blocks zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs" in Reihe zum Summierer 22, Verstärker 23, zur Strahlungsquelle 24 und Lichtleiter-Übergabespule 25 geleitet. Durch diese Konfiguration des Blocks ruft dieser mit Hilfe des zu ihm gehörenden Strahlers in dem durch den gesuchten Stoff besetzten Raum eine lokale Feldfluktuation mit dem in der Speicherzelle 21 vorhandenen Satz von Eigenschaften hervor.

Der Empfänger- und Umformer-Klassifikator-Block (Fig. 4) arbeitet in folgender Weise.

Das Signal wird als elektromagnetische Welle von der Empfangsantenne 26 durch den Verzweiger 27 auf die Fläche des Fotoempfängers 29 übergeben und in den Strom transformiert, der die Information über den Stoff enthält. Der Strom wird vom Verstärker 30 verstärkt und vom Stromkonstanthalter 31 stabilisiert. Die Stromquelle 32, deren erster Ausgang und zweiter Ausgang an den Magnetfeldumformer 33 angeschlossen sind, stellt den nötigen Wert des Magnetinduktionsvektors im Raum sicher, in dem sich die in Form von Scheiben (oder anderen Layout-Formen) ausgeführten Hall-Sensoren 34 und N der am Rande der Scheiben positionierten Hall-Elektroden befinden. Von den Hall-Ausgängen wird mittels des durch die EDV2-Anlage 39 angesteuerten Schalters 35 die der Frequenzanalyse unterliegende Winkelkoordinate des Signals gewählt, die zur Reihenschaltung aus dem Verstärker 36, der aktiven Niederfrequenzsperre 37, die zum Löschen des konstanten Signalbestandteils dient, dem Analog-Digital-Wandler 38 und der EDV2-Anlage 39 geleitet wird. Wenn der elektrische Strom das Hall-Element durchfließt, wird er vom Magnetfeld senkrecht zur Feld- und Stromrichtung abgelenkt, und er bildet auf diese Weise die Potentialdifferenz zwischen den seitlichen Elementbelägen. Eine wichtige Besonderheit ist, dass die den elektrischen Strom bildenden Elektronen eine unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung aufweisen.

Obwohl der Strom durch das Hall-Element stabilisiert wird, bleibt die relative Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen innerhalb ihres gesamten Stroms konstant, und sie wird vom untersuchten Stoff bestimmt. Bei der Erzeugung des Konstantstroms ist die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen für alle Messungen gleich. Bei der Erregung des Stoffs ist der Strom, der ins Hall-Element fließt, Träger einzigartiger Eigenschaften dieses Stoffs, denn die Eigenschaften des Stroms sind durch die Eigenschaften der Stoffprobe moduliert, einschließlich der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen.

Wie bekannt ist, kann für die Geschwindigkeitsselektion der Elektronen ein Magnetfeld verwendet werden, das im Winkel zum elektrischen Feld ausgerichtet ist. Elektronen mit verschiedenen Geschwindigkeiten besitzen verschiedene Bahnen im homogenen Magnetfeld. Diese Wirkung wird gerade in diesem Fall benutzt. Durch Umschaltung der räumlich voneinander entfernten Hall-Elektroden wird die effektive Magnetfeldstärke verändert, wodurch die Geschwindigkeitsselektion der Elektronen in einem weiten Bereich und damit die Auswahl der charakteristischen Merkmale der untersuchten Stoffe ermöglicht werden. Nach der Sperre der aktiven Sperre 37 bleibt als Signal nur derjenige Bestandteil übrig, der die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen und/oder räumlich-temporäre Änderung des Vektorpotentials im Bereich des analysierten Stoffs charakterisiert. Nach dem Verlassen der aktiven Sperre 37 enthält das Signal eine einzigartige, räumliche Phasen-Frequenz-Charakteristik des gegebenen Stoffs, die für die Identifizierungsoperation durch die EDV2-Anlage 39 verwendet wird.

Erwähnenswert ist, dass bei einer solchen Analyse für zusammengesetzte Stoffe die Charakteristiken der Bestandteile verfolgt werden können.

Beispiel für die Umsetzung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung

Als Beispiel wurde die Feststellung und Identifizierung von 50 g Aspirin C vorgenommen, wenn der genannte Stoff mit 50 g Zucker, 50 g Wodka und 50 g Kochsalz gemischt worden ist.

Gemäß der Erfindung wurde die genannte Menge Aspirin C zuerst zwischen den Kondensatorbelägen des Blocks zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs positioniert (Fig. 2).

Bei der Speicherung der charakteristischen Merkmale von Aspirin C wurde der absolute Wert registriert, der durch die schnelle Fourier-Transformation (FFT) des Signals erhalten wurde, das an den Kontakten der Hall-Elemente 34 bei einer Veränderung der Winkellagen von den Hall-Elementen gegen die gewählte Magnetfeldrichtung 7 abgefühlt wurde. Auf diese Weise wurden die Raum-Frequenz-Parameter der Molekülanordnung von Aspirin C registriert. Es waren insgesamt 22 Messrichtungen vorhanden, zwischen denen ein fester Winkel von 16,9° festgelegt war. Mittels der EDV-Anlage wurde das dreidimensionale Spektrum von Aspirin C (Fig. 5) gespeichert. Anhand des gewonnenen Spektrums wurden die für den gegebenen Stoff charakteristischen Richtungen der Winkellagen der Hall-Elemente (in diesem Fall 16,87°, 135° und 151,87°) gewählt, in denen die höchste Einengung der Winkellänge der Schwingungsresonanz beobachtet wurde. In den gewählten Winkeln wurde mittels der EDV-Anlage das Fourier-Spektrum (Fig. 6) ausgewählt, in dem die Höchstwerte, in diesem Fall auf den Frequenzen 40, 248 und 92 Hz, registriert wurden. Für diese Frequenzen wurde das Winkeldiagramm der Verteilung des Fourier-Modul-Spektrums für Aspirin C (Fig. 7) konstruiert. Im Winkeldiagramm heben sich drei Richtungen scharf ab: 16,87°, 151,87° und 135°, in denen die Resonanzen auf den Frequenzen 40, 92 und 248 Hz vorhanden sind. Gerade diese Kombination der Resonanzfrequenzen und ihren Winkelhöchstwerten bestimmt die Merkmale, anhand der die Identifizierung jedes Stoffs, in diesem Fall von Aspirin C, durchgeführt wird. Diese Informationen wurden in der Speicherzelle 21 gespeichert. In diesem Beispiel der Feststellung und Identifizierung von Aspirin C im Gemisch der genannten Stoffe wurden diese in einer Menge von je 50 g in einem Baumwollsack (Wodka in der Polyethylentüte) zwischen der Sendeantenne des Senderblocks und der Empfangsspule des Empfänger- und Umformer-Klassifikator-Blocks aufgehängt. Mit Hilfe der genannten Information in der Speicherzelle über die Raum-Frequenz-Merkmale von Aspirin C wurde mit dem Senderblock (Fig. 3) mittels Modulation der von der Strahlungsquelle 24 ausgestrahlten Laserstrahlung durch die genannte Information die diese Information tragende, lokale, nicht adiabatische Fluktuation des Vektorpotentials mit einer Frequenz von 1 Hz und einer Dauer von 0,1 s erzeugt und über die Sendeantenne 25 in denjenigen Raum gebracht, der das genannte Stoffgemisch enthält. Die Antwort auf die angeführte Fluktuation wurde vom Empfanger- und Umformer-Klassifikator-Block (Fig. 4) in Form von gemessenen Raum-Frequenz-Parametern des genannten Gemisches (s. Fig. 8) registriert. Um das Vorhandensein von Aspirin C im Gemisch nachzuweisen, enthielt diese Information die Fourier-Spektrum-Module für das Signal in den für Aspirin C gewählten Winkeln 16,87°, 151,87° und 135°; ferner wurden die Resonanzen auf den Frequenzen 40, 92 und 248 Hz (Fig. 9) erfasst. Anhand dieser Resonanzen wurde das Winkeldiagramm der Verteilung des Fourier-Spektrum-Moduls für das Signal des Gemisches der zu identifizierenden Stoffe auf den für Aspirin C gewählten Frequenzen (Fig. 10) konstruiert. Aus dem Vergleich der Figuren 6 und 7 mit den Figuren 9 und 10 ist ersichtlich, dass eine scharf ausgeprägte Übereinstimmung der gemessenen Winkelrichtungen von Resonanzen und ihren Frequenzen, die für das Signal des Gemisches registriert wurden, mit den Richtungen und Frequenzen der früher gespeicherten Probe besteht, die das Vorhandensein des gesuchten Stoffs (in diesem Fall von Aspirin C) nachweist. Die Schlussfolgerung über ein solches Vorhandensein wurde von der EDV2-Anlage gezogen. Die Feststellung und Identifizierung von Aspirin C bei kleineren Mengen davon im Gemisch wurden somit erfüllt. Die Mehrdeutigkeit in der Frage über ein Vorhandensein oder eine Abwesenheit von Aspirin. C im genannten Stoffgemisch tritt nur bei der Verminderung der Stoffgemischmenge bis 1 g auf; dies zeugt von der hohen Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Auf ähnliche Weise wie Aspirin C wurde jeder der in diesem Gemisch enthaltene Stoff festgestellt und identifiziert.


Anspruch[de]
Verfahren für Feststellung versteckter Stoffe, das das Zuführen eines sich verändernden Magnetfelds in den Raum der mutmaßlichen Existenz eines versteckten, gesuchten Stoffs, die Bemessung der Antwort des genannten Felds auf die Stoffe, die sich im angeführten Raum befinden, und einen Vergleich der erhaltenen Antwort mit der normativen Antwort über den gesuchten Stoff umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass - die Information über die Raum-Frequenz-Merkmale des zu identifizierenden Stoffs abgelesen und gespeichert werden, - mit Hilfe dieser Information im genannten Raum die lokale, nicht adiabatische, die Information über charakteristische Raum-Frequenz-Merkmale des gesuchten, versteckten Stoffes tragende Fluktuation eines Vektorpotentials erzeugt und festgehalten wird, - die Antwort des genannten Felds auf Heterogenitätscharakteristiken in der Polarisation der lokalen Feldfluktuation und Niederfrequenzüberlagerungen registriert wird, die durch das Zusammenwirken der genannten Stoffe mit dem Feld hervorgerufen werden, und - auf Grund des Vergleichs der gewonnenen Charakteristiken mit Charakteristiken für den gesuchten, versteckten Stoff eine Schlussfolgerung über dessen Vorhandensein unter den gegebenen Stoffen gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die lokale Feldfluktuation des Vektorpotentials durch Transmission einer modulierten, die Information über charakteristische Raum-Frequenz-Merkmale des gesuchten, versteckten Stoffs tragenden Laserstrahlung über einen Übertragungslichtleiter gebildet wird, der über den angegebenen Bereich in Form einer Spule verläuft, und dass die angeführte Antwort anhand der Strahlung im Empfangslichtleiter registriert wird, der ebenso über den angegebenen Bereich in Form einer Spule verläuft.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass - ein Block zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs vorgesehen ist, wobei der Block aus Kondensatorbelägen besteht, - die Kondensatorbeläge an eine Spannungsquelle und den Eingang eines Verstärkers, der Stromquelle, angeschlossen sind, - die Ausgänge des Verstärkers an einen Feldumformer angeschlossen sind, - der Eingang des Verstärkers mit einem Stromgleichhalter verbunden ist, - der Ausgang des Stromkonstanthalters an die Stromeingänge von Hall-Elementen angeschlossen ist, die vorzugsweise in einem Winkel von 90° zueinander bzw. von 45° zum Kraftvektor des vom Umformer gebildeten, elektromagnetischen Felds angeordnet werden, - die Hall-Elemente vorzugsweise als Scheiben mit einer Anzahl von am Rande der Scheiben platzierten Hall-Elektroden ausgebildet sind, - die Ausgänge der Hall-Elektroden mit den Eingängen eines Schalters verbunden sind, - der Ausgang des Schalters an einen Signalverstärker angeschlossen ist, der über zwei Ausgänge verfügt, wobei der erste Ausgang mit dem Eingang einer aktiven Sperre und der zweite Ausgang mit dem Schalter verbunden ist, - der Ausgang der aktiven Sperre mit dem Eingang eines Analog-DigitalWandlers verbunden ist, - der Ausgang dieses Wandlers an den Eingang einer EDV1-Anlage angeschlossen ist, - die EDV1-Anlage mit ihrem ersten Ausgang an den Steuereingang des Schalters, ihrem zweiten Ausgang an den Steuereingang des Informationsschalters und mit ihrem dritten Ausgang an den Eingang des Speicherblocks angeschlossen ist, - die Informationsschalterausgänge mit den Informationseingängen des Speicherblocks verbunden sind, - ein Senderblock vorgesehen ist, der einen Speicherblock mit den mittels des Blocks zur Auswahl und Speicherung der charakteristischen Merkmale des Stoffs gepeicherten Signalen aus den gewählten Richtungen enthält, - die Ausgänge dieses Senderblocks mit den Eingängen eines Summierers verbunden sind, der in Reihe mit einem Verstärker und einer Laserstrahlungsquelle liegt, - der Summierer mit einer Sendeantenne verbunden ist, die einen vorzugsweise auf einem zylinderförmigen Gerüst aufgewickelten Lichtleiter aufweist, - ein Empfänger- und Umformer-Klassifikator-Block vorgesehen ist, der aus einer Empfangsspule in Form eines vorzugsweise auf ein zylinderförmiges Gerüst aufgewickelten Lichtleiters, aus einem Verzweiger, einer Laserstrahlungsquelle, einem Fotoempfänger und einer stabilisierten Stromquelle besteht, - der Ausgang dieser Stromquelle mit den Stromeingängen der Hall-Elemente verbunden ist, - eine Anzahl von Ausgängen der Hall-Elemente an die Eingänge eines Schalters angeschlossen sind, dessen Ausgang in Reihe mit einem Verstärker, einer aktiven Niederfrequenzsperre, einem Analog-Digital-Wandler und einer EDV2-Anlage liegt, - der Ausgang der EDV2-Anlage an die Steuereingänge des genannten Schalters angeschlossen ist und - eine Stromquelle vorgesehen ist, die mit einem Magnetfeld-Umformer verbunden ist.






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