Дослідження топології електромагнітного поля спіралеподібної котушки якр-детектора вибухових та наркотичних речовин

ДОСЛІДЖЕННЯ ТОПОЛОГІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ СПІРАЛЕПОДІБНОЇ КОТУШКИ ЯКР-ДЕТЕКТОРА ВИБУХОВИХ ТА НАРКОТИЧНИХ РЕЧОВИН

INVESTIGATION ABOUT ELECTROMAGNETIC FIELD TOPOLOGY OF THE SPIRAL COIL FOR NQR DETECTOR OF EXPLOSIVE AND NARCOTIC SUBSTANCES

Сторінки: 101-107. Номер: №4, 2021 (299)
Автори:
О.В. МОЙСЮК, А.П. САМІЛА
Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича
ORCID ID: 0000-0001-8279-9116
e-mail: a.samila@chnu.edu.ua
Oleksandr V. MOISIUK, Andrii. P. SAMILA
Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-299-4-101-107
Рецензія/Peer review : 08.08.2021 р.
Надрукована/Printed : 26.08.2021 р.

Анотація мовою оригіналу

Перспективним методом для виявлення переважної більшості вибухових та наркотичних речовин, які у своєму складі містять атоми азоту (¹⁴N) або хлору (³⁵Cl, ³⁷Cl), є метод ядерного квадрупольного резонансу. В роботі наведено результати досліджень топології напруженості електромагнітного поля спіралеподібної котушки, призначеної для використання у якості передавально-приймальної антени портативного детектора вибухонебезпечних предметів та наркотичних речовин, принцип дії якого ґрунтується на реєстрації сигналів ізотопу ¹⁴N методом ядерного квадрупольного резонансу. З метою визначення топології електромагнітного поля створено розрахункову область, що являється моделлю фізичної конструкції спіралеподібної котушки. Методом кінцевих елементів проведено числове моделювання у середовищі COMSOL Multiphysics. Моделювання проводилось на частоті 3,4 МГц, що наближається до значення частоти виявлення сигналу спаду вільної індукції від нітриту натрію 3,41 МГц. Найкращі результати показала модель котушки з п’ятьма витками, внутрішнім радіусом 25 мм, зовнішнім радіусом 225 мм.
Ключові слова: ядерний квадрупольний резонанс, спіралеподібна котушка, топологія електромагнітного поля, моделювання.

Розширена анотація англійською мовою

Given the increased likelihood of dangerous situations in Ukraine and abroad related to the intensification and scale of terrorist acts, it is important not only to quickly locate and eliminate the terrible consequences, but also to prevent, including prevent destabilizing factors. That is why remote detection of explosives and drugs is relevant and promising in the direction of strengthening the fight against terrorism and increasing national security.
A promising method for detecting the vast majority of explosives and narcotics that contain nitrogen (¹⁴N) or chlorine atoms (³⁵Cl, ³⁷Cl) is the nuclear quadrupole resonance method. In the presence of a gradient of high-frequency field strength inside the sample in the process of forming the response signal is “blurring” the vector of the total spin magnetization, which leads to the expansion of the resonant signal and reduce its amplitude. Increasing the homogeneity of the high-frequency field is especially important for the detection of weak signals observed in the study of substances with a low natural prevalence of magnetoactive nuclei.
The paper presents the results of research on the topology of the electromagnetic field strength of a helical coil designed for use as a transmitting and receiving antenna of a portable detector of explosives and drugs, the principle of which is based on the registration of  14N isotope signals by nuclear quadrupole resonance. To determine the topology of the electromagnetic field, a computational domain was created, which is a model of the physical structure of the spiral coil. The finite element method performed numerical simulations in COMSOL Multiphysics. The simulation was performed at a frequency of 3.4 MHz, which is close to the value of the detection frequency of the attenuation signal of free induction from sodium nitrite 3.41 MHz. The best results were shown by the model of the coil with five turns, internal radius of 25 mm, external radius of 225 mm. The obtained magnetic field diagrams indicate better resistance to radio frequency interference when working in a real experiment. Based on the data obtained during the simulation, a multilayer (Multislice) model of the electric field and the isosurface of the electromagnetic field of the studied model were created, which demonstrate the dynamics and density of the electromagnetic field around the coil. From the obtained graphical dependences it is possible to draw a conclusion about the normalized attenuation of the intensity of electric field radiation from the geometric center of the coil, which, in turn, makes it clear exactly how to place the sample.
Keywords:  nuclear quadrupole resonance, spiral coil, topology of the spiral coil, simulation.

References

1. Russell L., “Detection of Land Mines (Part I),” Canadian Army Journal, No. 1, November 1947.
2. Apih T., Rameev B., Mozzhukhin G., Barras J. (Eds.) Magnetic Resonance Detection of Explosives and Illicit Materials. NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics – Springer, 2014. 168 p.
3. Gasser R. and Thomas T., “Prodding to Detect Mines: A Technique with a Future,” in 2nd lEE International Conference on Detection of Abandoned Landmines, Edinburgh, United Kingdom, October 1998.
4. Samila A., Haliuk S., Krulikovskyi O. Structural and functional synthesis of the radioelectronic means of a pulsed NQR. “Development and application systems” The 15th International Conference DAS 2020, Romania, Suceava, may 21–23 2020. Suceava, 2020, P. 112–116.
5. Brailovskyi V.V. Optymizatsiia topolohii napruzhenosti vysokochastotnoho polia davacha radiospektrometra / V.V. Brailovskyi, A.P. Samila, O.H. Khandozhko // Visnyk natsionalnoho universytetu «Lvivska politekhnika». – 2009. – № 646. – S. 46–51.
6. Samila A. Simulation of magnetic field topology in a saddle-shaped coil of nuclear quadrupole resonance spectrometer, Progress In Electromagnetics Research Letters, 2015, Vol. 56, Р. 83–88.
7. Glukhenkyi O.I., Goryslavets Yu.M., Tokarevskyi A.V. Three-dimensional simulation of single-phase electromagnetic stirrer of liquid metal. Technical Electrodynamics. 2013. No. 5. Р. 77–84.
8. Understand, Predict, and Optimize Engineering Designs with the COMSOL Multiphysics® Software COMSOL Multiphysics®. 2017. URL: https://www.comsol.com/comsol-multiphysics.
9. Raschet i proektirovanie magnitnyh sistem : uchebnoe posobie [Elektronnij resurs]. – 2017. – Rezhim dostupu : http://open.ifmo.ru/images/b/b6/144261_book.pdf.
10. Fukushima E., Roeder S.B.W., Experimental Pulse NMR: A nuts and bolts approach, Addison-Wesley, 1981.