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WO2001050114A2 - Vorrichtung zur detektion von munition, drogen, sprengstoff etc. mittels molekülspektroskopie im radiofrequenzberich - Google Patents

Vorrichtung zur detektion von munition, drogen, sprengstoff etc. mittels molekülspektroskopie im radiofrequenzberich Download PDF

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Publication number
WO2001050114A2
WO2001050114A2 PCT/EP2000/013197 EP0013197W WO0150114A2 WO 2001050114 A2 WO2001050114 A2 WO 2001050114A2 EP 0013197 W EP0013197 W EP 0013197W WO 0150114 A2 WO0150114 A2 WO 0150114A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sample
radiation
frequency
vector
threshold value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/013197
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English (en)
French (fr)
Other versions
WO2001050114A3 (de
Inventor
Jörn Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEBACUR AG
Original Assignee
SEBACUR AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SEBACUR AG filed Critical SEBACUR AG
Priority to AU30165/01A priority Critical patent/AU3016501A/en
Publication of WO2001050114A2 publication Critical patent/WO2001050114A2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Publication of WO2001050114A3 publication Critical patent/WO2001050114A3/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the invention relates to a device for the detection of substances, mixtures in various physical states.
  • the invention has for its object to detect non-contact substances such as drugs, explosives and / or atomic substances at a distance.
  • the object is achieved by the following features: a. by means of at least one high-frequency transmitter b. a radio frequency receiver c. a processor or programmable device d. and a memory, wherein the rays emanating from the radio-frequency transmitter strike the substance or the mixture and excite at least one molecule and then measure the returning radiation and summarize the resulting information in a vector.
  • RF excitation field high frequency
  • the method of distance determination (e.g. Euclidean) between a measured absorption vector offers and the tabularly stored pattern absorption vectors which belong to the material to be detected, a possibility of distinguishing the spectra of other materials from the material to be detected.
  • a contact-free measuring method is thus advantageously used here, the molecules being excited to oscillations and vibrations by means of HF rays.
  • the returning rays are processed and evaluated. In this way the molecule can be determined.
  • the device uses high-frequency radio waves for detection, since the substances can also be “recognized” through walls, glass and other opaque materials. It is particularly advantageous that several HF measuring devices can be connected to a main computer, since this enables central monitoring of several stations
  • the sample is exposed to radiation emanating from the high-frequency transmitter, which is approximately monochromatic, changing its frequency over time and thus sweeping over a frequency range, and the radiation emitted by the sample and is absorbed by the surrounding materials, absorption resonance effects providing characteristic spectra of a sample, the measured spectrum being compared by means of a correlation or a distance determination with a previously determined molecular-specific table, and the correlation or the distance being compared to a previously defined threshold value ,
  • the RF transmitter station sends an RF signal between 3 10 4 Hz and 3 10 9 Hz to the sample and changes the frequency with time in order to scan a frequency range.
  • the molecules are easily excited to oscillate and vibrate.
  • the frequency range is scanned.
  • the HF receiving station decomposes the radiation coming back from the sample into its spectral components. This makes it possible to determine the spectrum that is characteristic of the molecule. It is also advantageous that the spectrum is filtered. The quality of the detection can hereby be increased.
  • the spectral components are normalized and combined in a vector. This ensures that the information required for further processing is, because of the standardization, independent of the overall intensity of the radiation, that is to say independent of the distance from the transmitter and receiver to the sample, and can be further processed vectorially.
  • each material to be detected is also assigned to a standardized comparison vector, which is stored in a table.
  • the materials to be detected are also each assigned to a vector, which are stored in a molecular-specific table, and can then be used for comparison in the measurement.
  • the correlation of each vector of the table with the vector of the sample is calculated.
  • a value is determined which is a measure of the similarity of the sample to the molecule from the molecular-specific table. The largest of all determined correlation values is searched for. This allows you to find the material whose spectrum is most similar to the sample.
  • the largest previously calculated correlation value is determined in order to compare it with a threshold value and, if the threshold value is exceeded, to assign the sample the property of the material which belongs to the associated table entry. The comparison of the largest correlation value with a predetermined threshold decides whether the sample is the material stored in the table.
  • the distance between each vector in the table to the sample vector is calculated.
  • the distance determined is a measure of the similarity of the sample to the molecule from the molecular-specific table.
  • the table entry with the shortest distance is determined in order to compare it with another threshold value and to confirm the detection of the material belonging to the table entry when the threshold value is undershot.
  • the comparison of the smallest distance value with another predetermined threshold decides whether the sample is the material stored in the table.
  • the HF transmitting station which emits all frequency components at the same time. By transmitting many frequencies at the same time, it is no longer necessary to run through the frequencies one after the other. It is also advantageous that the RF receiving station detects the returning radiation at a very high time and breaks it down into its spectral components by means of a Fourier transformation. With alternative measurements by means of the Fourier transformation, spectral decomposition can again be achieved in accordance with the features of claim 4.
  • a complex pulse can thus be emitted and then the withdrawn radiation can be detected in a very short time resolution.
  • the spectrum of the withdrawn pulse can then be determined with the aid of a Fourier transformation.
  • FIG. 2 typical absorption spectrum of a sample (vector)
  • FIG. 4 forces which act on a dipole in an electrical field
  • FIG. 5 shows the schematic arrangement of the measuring arrangement. 1 and 5 show a device for the detection of substances and mixtures in various physical states, hereinafter referred to as samples.
  • FIG. 5 shows a computer 3 connected via a radio link 13 to a radio modem 12 m.
  • the computer 3 is configured or set via a handheld device 14, e.g. B. on continuous measurement. This is supposed to check everything.
  • the computer 3 can be set so that only very specific substances can be detected.
  • the computer 3 causes the HF transmission station to transmit signal 9 and to direct this to the sample 8.
  • the features (FIGS. 3a, b) are excited in the sample.
  • the molecules shown in FIGS. 3a, b are rotated about the axis 15, that is to say set in rotation and vibration, so that the energy is absorbed by the sample at a certain frequency.
  • the input radiation energy is converted into rotational energy, vibration energy, that is to say the sample 8 transmits certain frequencies, and this has the consequence that the return radiation 10 is input to the RF receiving station 2 and measured. In this way, one determines for certain frequencies that are transmitted - e.g. B. in 15 KHz steps -.
  • FIG. 2 shows that negative spades or indentations 2 to 18 are formed at certain frequencies, and sample 8 absorbs the frequencies particularly strongly (absorption energy with resonance absorption 4). So- with all substances that have a dipole moment can be detected with this device, ie the absorption values 2-18 are characteristic for the detection of the substance.
  • the spectra of the substances to be detected are stored in the computer and are used as a comparison spectrum and compared with the spectrum of the detected substance, as explained in more detail below
  • the molecules 11 of the sample to be detected are in the quantum mechanical states in HF spectroscopy.
  • the in Figure 3a, 3b can by external excitation, for. B. by electromagnetic radiation according to Figure 1, or by collisions with other elementary particles in a state of higher energy.
  • the difference to atomic spectroscopy is that the energy of the molecule can change not only through electronic transitions, but also through transitions between its rotational and its oscillation states.
  • a polyatomic molecule (see FIG. 3b) is not restricted to the energy transitions of its electrons like an individual atom, but can also be excited by rotation and vibration.
  • a molecule 11a or 11b can be regarded as a rigid body, the shape of which is determined by the equilibrium position of the nuclei. 3 and 3a show that different molecules can have a different number of degrees of freedom. So molecule 11a only has two, but the molecule 11b three degrees of freedom of rotation.
  • Fig. 3a the axes of rotation 15 ', 15' ' , 15 '' for a 2-atom molecule are indicated, which rotate through the angles ⁇ and ⁇ .
  • 3b shows a triatomic molecule which rotates about the axes 15 ' , 15' ' , 15 ' ' ' .
  • the angular momentum L is quantized, that is to say discrete and not continuous and dependent on the degrees of freedom just described. Since the energy is proportional to the angular momentum, the energy is also quantized, so that the molecule can only be excited with certain energies that are equal to the energy difference between two angular momentum energy levels.
  • the vibration energy levels as well as the energy levels of the electron states are quantized, so that here too only certain energies lead to excitation.
  • An excited molecule in turn can spontaneously change the energy state from a higher level to a lower level and thereby emit a photon (or an electromagnetic wave), the frequency of which is proportional to this energy level difference.
  • the absorption edges 4 show at which frequencies, proportional to the reciprocal of the wavelengths 5, the energy is absorbed and converted into rotation and vibration. This energy level change is explained by a dipole moment of the molecule.
  • FIG. 4 shows such a dipole, the charges Q + and Q- being conceivable as charge shifts on the molecule 11a, 11b, to which a force acts and thus a moment within an electric field.
  • the measuring device must be calibrated first.
  • the calibration data are anchored or stored in the program in the form of a molecular frequency table.
  • the frequencies of the photons that the sample emits when excited can be measured using conventional measuring devices such as a proportional number tube, ionization chamber, semiconductor number, scintillation number and Cherenkov number. All of these measuring devices rest on the principle of ionization, whereby the resulting electrical impulse, which results from the charge separation during ionization, is suitably amplified and registered.
  • the HF transmitter 1 consists of a transmitter diode excited by a programmable oscillator, which can emit radio waves in the range between 3 10 4 Hz to 3 10 9 Hz.
  • the frequency of the incoming signals 10, which exceed a level of a certain signal intensity, is now measured in the RF receiving part 2 simultaneously with the excitation.
  • the signals 10 are pre-amplified.
  • the measured values are then compared with the previously determined measured values of the comparison samples, substances such as morphs for the C17, H12, ONM. Morphine sulfate 5H20 or black powder KN03 or other substances, comparative samples correlated.
  • a distance function e.g. Euclidean distance
  • the distance between the measured state vector of the sample and the state vector of the comparison sample can be determined. If this distance is smaller than a previously defined threshold (different threshold than in the correlation), the measured sample can be assigned to the comparison sample.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Detektion von Munition, Drogen, Sprengstoff, Handgranaten, Minen und atomaren Substanzen mittels mindestens eines Hochfrequenz-Senders und -Empfängers, eines Speichers und eines Prozessors oder programmierbaren Bausteins, wobei a. die Probe einer möglichst monochromatischen Strahlung ausgesetzt wird, die mit der Zeit ihre Frequenz ändert und so einen Frequenzbereich überstreicht b. dabei die Strahlung sukzessive gemessen wird, die von der Probe und den umliegenden Materialien absorbiert wird, wobei Absorptionsresonanzeffekte für charakteristische Spektren einer Probe sorgen, c. das gemessene Spektrum mittels einer Korrelation oder einer Abstandsbestimmung mit einer zuvor ermittelten molekularspezifischen Tabelle verglichen wird, die für jedes zu detektierende Material (Drogen, Munition usw.) im Speicher abgelegt sein muß, d. überschreitet die Korrelation einen festgelegten Schwellwert oder unterschreitet der Abstand eine zuvor definierte Schwelle, so handelt es sich bei der Probe um das Material, dessen Daten in der Tabelle abgelegt sind.

Description

Beschreibung
Kontrollsystem
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Detektion von Substanzen, Gemischen in verschiedenen Aggregatzustanden .
Es sind bereits Vorrichtungen zur Detektion verschiedener atomarer Substanzen bzw. Moleküle bekannt (WO 98 36 265) . So gibt es beispielsweise eine Vorrichtung, die auf der Basis von Polymeren die Moleküle erkennen kann, mit denen die Polymere in Kontakt gekommen sind. Verschiedene Polymere, die mit einer leitfahigen Substanz versehen sind andern bei Aufnahme des Moleküls ihr Volumen und damit ihren Widerstand. Der wiederum kann gemessen werden und laßt Rückschlüsse auf das Molekül zu.
Es gibt Vorrichtungen zur Laserspektroskopie, die auch auf Distanz Gasgemische auf ihre Zusammensetzung untersuchen können. Dazu darf jedoch kein für dieses Licht undurchsichtiges Material im Wege stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf Entfernung, beruhrungslos Substanzen wie Drogen, Sprengstoff, und/oder atomare Substanzen zu detektieren. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelost: a. mittels mindestens eines Hochfrequenz-Senders b. eines Hochfrequenz-Empfangers c. eines Prozessors oder programmierbaren Bausteins d. und eines Speichers , wobei die von dem Hochfrequenzsender ausgehenden Strahlen auf die Substanz oder das Gemisch auftreffen und zumindest ein Molekül anregen und dann die zurückgehende Strahlung messen und die daraus resultierende Information in einem Vektor zusammenfassen.
Hierbei ist von besonderer Bedeutung, daß das HF-Anregungsfeld (HF = Hochfrequenz) nicht, wie m vielen Versuchsanordnungen üblich, homogen ist, sondern radial abgestrahlt wird, da keine Rückschlüsse auf die Struktur des Materials gemacht werden müssen und keine Streuungsdaten ermittelt werden, sondern das Material nur anhand seines Energieniveaus „wiedererkannt" werden soll.
Ein wesentlicher Schritt wird dadurch erreicht, daß die Schwierigkeit, spektrale Anteile der Absorption von Probe und Umgebung zu trennen, durch die Korrelation mit den tabellarisch festgelegten Werten weitgehend gelost wird. Überschreitet die Korrelation einen festgelegten Schwellwert oder unterschreitet der Abstand eine zuvor definierte Schwelle, so handelt es sich bei der Probe um das Material, dessen Daten in der Tabelle abgelegt worden sind.
Genauso bietet die Methode der Abstandsbestimmung (z. B. euklidisch) zwischen einem gemessenen Absorptionsvektor und den tabellarisch gespeicherten Musterabsorptionsvektoren, die zu dem zu detektierenden Material gehören, eine Möglichkeit, die Spektren anderer Materialien von dem zu detektierenden Material zu unterscheiden.
Hierbei wird also in vorteilhafter Weise ein beruhrungs- freies Meßverfahren eingesetzt, wobei mittels HF-Strahlen die Moleküle zu Schwingungen und Vibrationen angeregt werden. Dabei werden die zurückkommenden Strahlen weiterverarbeitet und ausgewertet. Hierdurch laßt sich das Molekül bestimmen.
Hierdurch besteht auch die Möglichkeit, daß für die Spektroskopie eine relativ kleine Energie im Bereich von 10 mW genutzt werden kann, so daß keine wesentlichen Störungen der Umgebung bei der Messung stattfinden, z. B. im allgemeinen keine Schädigung bzw. keine Storsignale für elektronische oder andere Gerate stattfinden.
Von Vorteil ist auch ein direkt m der Empfangs- bzw. Sendeapparatur integrierter Prozessor, der einen Teil der Vorverarbeitung der Daten übernimmt, da so der Prozessor des Hauptrechners entlastet wird und die Datenübertragung zum Hauptrechner mit geringer Ubertragungsrate vollzogen werden kann.
Es ist von besonderer Bedeutung, daß die Vorrichtung hochfrequente Radiowellen zur Detektion benutzt, da so die Substanzen auch durch Wände, Glas und andere undurchsichtige Materialien hindurch „erkannt" werden können. Von besonderem Vorteil ist, daß an einen Hauptrechner mehrere HF-Meßapparaturen angeschlossen werden können, da so eine zentrale Überwachung mehrerer Stationen möglich
Hierdurch ist es vorteilhaft, daß die Probe einer von dem Hochfrequenzsender ausgehenden Strahlung ausgesetzt wird, die m etwa monochromatisch ist, wobei sie mit der Zeit ihre Frequenz ändert und so einen Frequenzbereich überstreicht, und dabei wird sukzessive die Strahlung gemessen, die von der Probe und den umliegenden Materialien absorbiert wird, wobei Absorptionsresonanzeffekte für charakteristische Spektren einer Probe sorgen, wobei das gemessene Spektrum mittels einer Korrelation oder einer Abstandsbestimmung mit einer zuvor ermittelten molekular- spezifischen Tabelle verglichen wird, und dabei die Korrelation oder der Abstand mit einem zuvor definiertem Schwellwert verglichen wird.
Ferner ist es vorteilhaft, daß die HF-Sendestation auf die Probe ein HF-Signal zwischen 3 104 Hz und 3 109 Hz aussendet und die Frequenz mit der Zeit ändert, um einen Frequenzbereich abzutasten. In diesem Bereich werden die Moleküle leicht zu Schwingungen und Vibrationen angeregt. Um die bestimmten Anregungsfrequenzen zu treffen, wird der Frequenzbereich abgetastet.
Vorteilhaft ist es außerdem, daß die HF-Empfangsstation die von der Probe zurückkommende Strahlung m seine spektralen Komponenten zerlegt. Dadurch ist es möglich, das für das Molekül charakteristische Spektrum zu ermitteln. Vorteilhaft ist es ferner, daß das Spektrum gefiltert wird. Hierdurch kann die Gute der Detektion erhöht werden .
Außerdem ist es vorteilhaft, daß die spektralen Komponenten normiert und in einen Vektor zusammengefaßt werden. Hierdurch wird erreicht, daß die für die Weiterverarbeitung notwendige Information wegen der Normierung unabhängig von der Gesammtintesitat der Strahlung, also unabhängig von der Entfernung des Senders und Empfangers zur Probe ist und vektoriell weiterverarbeitet werden kann .
Außerdem ist es vorteilhaft, daß jedes zu detektierende Material auch einem normierten Vergleichsvektor zugeordnet wird, der m einer Tabelle abgelegt ist. Die zu detektierenden Materialien sind auch jeweils einem Vektor zugeordnet, die m einer molekularspezifischen Tabelle abgelegt werden, und können dann bei der Messung zum Vergleich herangezogen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß die Korrelation jedes Vektors der Tabelle mit dem Vektor der Probe errechnet wird. Durch Bilden der Korrelation wird ein Wert ermittelt, der ein Maß für die Ähnlichkeit der Probe zu dem Molekül aus der molekular- spezifischen Tabelle ist. Der größte aller ermittelten Korrelationswerte wird gesucht. Hierdurch kann das Material gefunden werden, dessen Spektrum der Probe am ähnlichsten ist. Vorteilhaft ist es ferner, daß der größte zuvor errechnete Korrelationswert ermittelt wird, um ihn mit einem Schwellwert zu vergleichen und bei Überschreitung des Schwellwerts, der Probe die Eigenschaft des Materials zuzuweisen, welches zum zugehörigen Tabelleneintrag gehört. Der Vergleich des größten Korrelationswertes mit einer zuvor festgelegten Schwelle entscheidet, ob es sich bei der Probe um das in der Tabelle abgelegte Material handelt .
Vorteilhaft ist es ferner, daß der Abstand zwischen jedem Vektor in der Tabelle zu dem Probenvektor errechnet wird. Der ermittelte Abstand ist ein Maß für die Ähnlichkeit der Probe zu dem Molekül aus der molekularspezifischen Tabelle.
Vorteilhaft ist es ferner nach einem anderen Ausführungsbeispiel, daß der Tabelleneintrag mit dem kürzesten Abstand ermittelt wird, um diesen mit einem anderen Schwellwert zu vergleichen und bei Unterschreitung des Schwellwertes die Detektion des zum Tabelleneintrag gehörenden Materials zu bestätigen. Der Vergleich des kleinsten Abstandswertes mit einer anderen zuvor festgelegten Schwelle entscheidet, ob es sich bei der Probe um das in der Tabelle abgelegte Material handelt.
Außerdem ist es vorteilhaft, daß von der HF-Sendestation eine Strahlung emittiert wird, die zur gleichen Zeit alle Frequenzanteile aussendet. Durch gleichzeitiges Senden vieler Frequenzen ist es nicht mehr notwendig, die Frequenzen zeitlich hintereinander zu durchlaufen. Vorteilhaft ist es auch, daß die HF-Empfangsstation die zurückkommende Strahlung zeitlich sehr hochaufgelost erfaßt und durch eine Fourier-Transformation in seine spektralen Komponenten zerlegt. Mit alternativen Messungen mittels der Fouriertransformation kann wieder eine spektrale Zerlegung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 erreicht werden.
Mit der erfmdungsgemaßen Vorrichtung kann also e n komplexer Impuls ausgesendet und dann die zurückgenommene Strahlung in sehr kurzer Zeitauflosung erfaßt werden. Dann laßt sich mit Hilfe einer Fouriertransformation das Spektrum des zurückgenommenen Impulses ermitteln.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentanspr chen und in der Beschreibung erläutert und m den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 Vorrichtung und die zugehörige Meßanordnung,
Figur 2 typisches Absorptionsspektrum einer Probe (Vektor) ,
Figur 3a, b Umsetzung der Absorptionsenergie n molekul- spezifische Schwingungen und Rotationen eines Moleküls,
Figur 4 Kräfte, die in einem elektrischen Feld auf einen Dipol wirken,
Figur 5 die schematische Anordnung der Meßanordnung. In Figur 1 und 5 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Substanzen und Gemischen in verschiedenen Aggregatzustanden, nachstehend als Proben bezeichnet, dargestellt. In Figur 5 ist ein über eine Funkstrecke 13 mit einem Funkmodem 12 m Verbindung stehender Computer 3 dargestellt. Der Computer 3 wird über ein Handgerat 14 konfiguriert bzw. eingestellt, z. B. auf Dauermessung. Hierdurch soll alles überprüft werden. Ferner kann der Computer 3 so eingestellt werden, daß nur ganz bestimmte Substanzen de- tektiert werden können. Ferner ist am Rechner 3 gemäß Figur 1 eine HF-Sendestation 1. Vom Rechner 3 wird die HF- Sendestation dazugebracht , Signal 9 auszusenden und dies auf die Probe 8 zu leiten. In der Probe werden, wie nachstehend erläutert, die Merkmale (Figuren 3a, b) angeregt.
Bei bestimmten Frequenzen werden die in den Figuren 3a, b dargestellten Moleküle um die Achse 15 gedreht, das heißt, in Rotation und Vibration versetzt, so daß die Energie bei einer bestimmten Frequenz von der Probe absorbiert wird. Die eingebende Strahlungsenergie wird in Rotationsenergie, Vibrationsenergie umgewandelt, das heißt die Probe 8 versendet bestimmte Frequenzen, und das hat zur Folge, daß die zurückkommende Strahlung 10 an die HF-Empfangsstation 2 eingegeben und gemessen wird. Auf diese Weise bestimmt man für bestimmte Frequenzen, die gesendet werden - z. B. m 15 KHz-Schritten - .
In Figur 2 ist dargestellt, daß bei bestimmten Frequenzen negative Piks bzw. Einbuchtungen 2 bis 18 gebildet werden, die Probe 8 die Frequenzen besonders stark absorbiert (Absorptionsenergie bei Resonanzabsorption 4) . So- mit können alle Substanzen, die ein Dipol-Moment haben, mit dieser Vorrichtung detektiert werden, das heißt die Absorptionswerte 2 - 18 sind charakteristisch für die Erkennung des Stoffes.
Die zu detektierenden Substanzen sind mit ihren Spektren im Rechner hinterlegt und werden als Vergleichsspektrum herangezogen und mit dem Spektrum der detektierten Substanz verglichen, wie nachstehend noch naher erläutert
Die Moleküle 11 der zu erfassenden Probe befinden sich bei der HF-Spektroskopie m bestimmten quantenmechanischen Zustanden. Die in Figur 3a, 3b können durch äußere Anregung, z. B. durch elektromagnetische Strahlung gemäß Figur 1, oder durch Stoße mit anderen Elementarteilchen in einen Zustand höherer Energie gebracht werden. Der Unterschied zur Atomspektroskopie liegt darin, daß die Energie des Moleküls sich nicht nur durch elektronische Übergänge andern kann, sondern auch durch Übergänge zwischen seinen Rotations- und seinen Schwmgungszustanden .
Ein mehratomiges Molekül (vergl. Figur 3b) ist nicht wie ein einzelnes Atom nur auf Energieubergange seiner Elektronen beschrankt, sondern kann auch durch Rotation und Schwingung angeregt werden. Dabei kann man ein Molekül 11a bzw. 11b in erster Näherung als starren Korper betrachten, dessen Gestalt durch die Gleichgewichtslage der Kerne bestimmt ist. In Fig. 3 und Fig. 3a sieht man, daß unterschiedliche Moleküle eine unterschiedliche Anzahl von Freiheitsgraden haben können. So hat Molekül 11a nur zwei, das Molekül 11b hingegen drei Rotationsfreiheits- grade .
In Fig. 3a sind die Rotationsachsen 15', 15'', 15' ' für ein 2-atomιges Molekül angegeben, die um die Winkel α und ß rotieren. In Fig. 3b ist ein dreiatomiges Molekül dargestellt, das um die Achsen 15', 15'', 15''' rotiert.
Der Drehimpuls L ist gequantelt, das heißt diskret und nicht kontinuierlich und abhangig von den soeben beschriebenen Freiheitsgraden. Da die Energie proportional zum Drehimpuls ist, ist auch die Energie gequantelt, so daß sich das Molekül nur mit bestimmten Energien anregen laßt, die gleich der Energiedifferenz zweier Drehimpuls- Energieniveaus ist. Auch die Vibrationsenergieniveaus sowie die Energieniveaus der Elektronenzustande sind gequantelt, so daß auch hier nur bestimmte Energien zu einer Anregung fuhren. Ein angeregtes Molekül wiederum kann spontan den Energiezustand von einem höheren Niveau zu einem niedrigeren Niveau wechseln und dabei ein Photon (bzw. eine elektromagnetische Welle) aussenden, dessen Frequenz proportional zu dieser Energieniveaudifferenz ist. So sind diese Energieniveaudifferenzen und damit die Frequenz der emittierten oder absorbierten Strahlen charakteristisch für den Aufbau und die Zusammensetzung des Moleküls und lassen sich m einem Spektrum darstellen.
Fig. 2 zeigt ein Absorptionsspektrum eines zweiatomigen Moleküls. Die Absorptionskanten 4 zeigen, bei welchen Frequenzen proportional zum Kehrwert der Wellenlangen 5 die Energie absorbiert und in Rotation und Vibration umgesetzt wird. Dieser Energieniveauwechsel wird mit einem Dipolmoment des Moleküls erklart.
Figur 4 zeigt einen solchen Dipol, wobei man sich die Ladungen Q+ und Q- als Ladungsverschiebungen am Molekül 11a, 11b vorstellen kann, auf die innerhalb eines elektrischen Feldes eine Kraft wirkt und damit ein Moment. Wird die Probe 8, die die Moleküle 11a oder 11b enthalt, vom HF-Sender 1 bestrahlt, so entsteht m der Probe 8 ein Feld. Dieses Innenfeld, dessen Verlauf von den Probeneigenschaften und der Geometrie sowie der räumlichen Struktur des Außenfeldes abhangt, regt die Ladungsträger und Kerne des Moleküls über seine elektrische oder magnetische HF-Komponente (Strahlung 9) an, was eine elektrische oder magnetische HF-Polarisierung bzw. HF- Strome im Material der Probe 8 hervorruft. Diese modifizieren m bestimmter Weise das Außenfeld des Moleküls 11a, was mit der Meßvorrichtung, und zwar dem HF- Empfanger 2 und dem Computer 3, nachgewiesen wird. Dabei wird die Dampfung bzw. die Frequenzverschiebung eines HF- Resonanzkreises durch die im HF-Feld befindliche Probe 8 ausgenutzt .
Die Eichung der Meßvorrichtung muß zuerst erfolgen. Hierzu werden die Eichdaten im Programm in Form einer molekularen Frequenztabelle verankert bzw. abgelegt. Zunächst können die Frequenzen der Photonen, die die Probe bei Anregung aussendet, durch herkömmliche Meßvorrichtungen wie Proportionalitatszahlrohr, Ionisationskammer, Halbleiterzahler , Szmtillationszahler und Cherenkovzah- ler nachgemessen werden. All diese Meßvorrichtungen be- ruhen auf dem Prinzip der Ionisation, wobei der dabei entstehende elektrische Impuls, der durch die Ladungstrennung bei der Ionisation entsteht, geeignet verstärkt und registriert wird. Aus der gemessenen Energie W der Photonen laßt sich dann einfach die Frequenz f ermitteln: W = h f (h = Plancksches Wirkungsquantum = konst.) . Diese Energie ist gleich der Differenzenergie zwischen dem angeregten und dem relaxierten Zustand der Atome bzw. Moleküle der Probe.
Nach der vorliegenden Erfindung werden Anregungsfrequenzen bzw. die Radiosignale 8 kontinuierlich ausgesandt. Der HF-Sender 1 besteht aus einer durch einen programmierbaren Oszillator angeregten Sendediode, die im Bereich zwischen 3 104 Hz bis 3 109 Hz Radiowellen aussenden kann .
Es wird nun im HF-Empfangsteil 2 gleichzeitig zur Anregung die Frequenz der eingehenden Signale 10 gemessen, die einen Pegel bestimmter Signalmtensitat überschreiten. Hierfür werden die Signale 10 vorverstarkt .
Die Meßwerte werden dann mit den zuvor ermittelten Meßwerten der Vergleichsproben, Substanzen wie Morphme zum C17, H12, ONM. Morphinsulfat 5H20 oder Schwarzpulver KN03 oder andere Substanden, Vergleichsproben korreliert .
Überschreitet die Korrelation eine zuvor festgelegte Schwelle, so kann daraus auf das Material der Probe und dessen Eigenschaften geschlossen werden. Wahlweise kann statt der Korrelation auch eine Abstandsfunktion (z. B. euklidischer Abstand) definiert werden und der Abstand zwischen dem gemessenen Zustandsvektor der Probe und dem Zustandsvektor der Vergleichsprobe bestimmt werden. Ist dieser Abstand kleiner als eine zuvor festgelegte Schwelle (andere Schwelle als bei der Korrelation) , so kann die gemessene Probe der Vergleichsprobe zugeordnet werden.
Bezugszeichenliste
1. Hochfrequenz Sender
2. Hochfrequenz Empfänger
3. Computer
4. Absorptionswerte 2 bis 18, Absorbtionsenergie bei Resonanzabsorption
5. Reziproke Wellenlängenachse (proportional zur Frequenz)
6. Lineares Molekül um zwei Achsen 15 drehbar
7. Nichtlineares Molekül um drei Achsen drehbar
8. Probe
9. Strahlung, HF Signale, die auf die Probe auftreffen
10. Strahlung, HF Signale, die von der Probe zurückkommen
11a. Ein Molekül mit zwei Rotationsfreiheitsgraden
11b. Ein Molekül mit drei Rotationsfreiheitsgraden
12. Funkmodem
13. Funkstrecke
14. Handgerät
15. Achse 15 ' Achse
16. E-Feld

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Detektion von Substanzen, Gemischen in verschiedenen Aggregatzustanden mit folgenden Merkmale : a. mittels mindestens eines Hochfrequenz-Senders (1) b. eines Hochfrequenz-Empfangers (2) c. eines Prozessors oder programmierbaren Bausteins (3) d. und eines Speichers (3'),
wobei die von dem Hochfrequenzsender (1) ausgehenden Strahlen (9) auf die Substanz (Probe 8) oder das Gemisch auftreffen und zumindest ein Molekül (11) anregen und dann die zurückgehende Strahlung (10) messen und die daraus resultierende Information in einem Vektor zusammenfassen .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe einer von dem Hochfrequenzsender ausgehenden Strahlung ausgesetzt wird, die in etwa monochromatisch ist, wobei sie mit der Zeit ihre Frequenz ändert und so einen Frequenzbereich überstreicht, und dabei wird sukzessive die Strahlung gemessen, die von der Probe und den umliegenden Materialien absorbiert wird, wobei Absorptionsresonanzeffekte für charakteristische Spektren einer Probe sorgen, wobei das gemessene Spektrum mittels einer Korrelation oder einer Abstandsbestimmung mit einer zuvor ermittelten molekularspezifischen Tabelle verglichen wird, und dabei überschreitet die Korrelation einen festgelegten Schwellwert oder unterschreitet der Abstand eine zuvor definierte Schwelle.
3. Vorrichtung nach den Anpruchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Sendestation (1) auf die Probe ein HF-Signal (9) zwischen 3 104 Hz und 3 109 Hz aussendet und die Frequenz mit der Zeit ändert, um einen Frequenzbereich abzutasten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Empfangsstation (2) die von der Probe zurückkommende Strahlung m seine spektralen Komponenten zerlegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum gefiltert wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralen Komponenten normiert werden und in einen Vektor zusammengefaßt werden .
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zu detektierende Material auch einem normierten Vergleichsvektor zugeordnet wird, der in einer Tabelle abgelegt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelation jedes Vektors der Tabelle mit dem Vektor der Probe errechnet wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der größte zuvor errechnete Korrelationswert ermittelt wird, um ihn mit einem Schwellwert zu vergleichen und bei Überschreitung des Schwellwerts, der Probe die Eigenschaft des Materials zuzuweisen, welches zum zugehörigen Tabelleneintrag gehört.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen jedem Vektor in der Tabelle zu dem Probenvektor errechnet wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tabelleneintrag mit dem kürzesten Abstand ermittelt wird, um diesen mit einem anderen Schwellwert zu vergleichen und bei Unterschreitung des Schwellwertes die Detektion des zum Tabelleneintrag gehörenden Materials zu bestätigen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der HF-Sendestation (1) eine Strahlung (9) emittiert wird, die zur gleichen Zeit alle Frequenzanteile aussendet.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Empfangsstation (2) die zurückkommende Strahlung zeitlich sehr hochaufgelost erfaßt und durch eine Fouπer-Transformation m seine spektralen Komponenten zerlegt.
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