Grundlagen zur TNT-Detektion mittels magnetischer Resonanz

• Main Author: Nolte, Markus
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2005
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/608/1/DissNolte2005.pdf; Nolte, Markus <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Nolte=3AMarkus=3A=3A.html> (2005): Grundlagen zur TNT-Detektion mittels magnetischer Resonanz.Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000608 <http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000608> <official_url>],[Ph.D. Thesis]

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.