Quadrupolresonanz
Aus Wissen gegen Minen
Die Ausführungen auf dieser Seite sind stark angelehnt an "Alternatives of Landmine Detection" Jacqueline MacDonald et.al, RAND report, ISBN 0-8330-3301-8, Document Number: MR-1608-OSTP,2003[1]. Für die Verwendung der englischen Fassung liegt die Erlaubnis von RAND vor.
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Kernquadrupolresonanz
Biologische und chemische Methoden zur Detektion von explosiven Dämpfen (Sprengstoff-Detektion) sind derzeit dadurch eingeschränkt, dass unser Wissen noch zu unvollständig ist, wenn es um die Migration explosiver Dämpfe in den Mineninnenraum geht. Eine andere Generation von Sprengstoffdetektionstechniken überwindet diese Einschränkungen durch die Suche nach dem Zünder in der Mine. Eine der für diesen Zweck angewendeten Methoden ist die Kernquadrupolresonanz (Nuclear Quadrupole Resonance - NQR) sowie eine Vielzahl von Methoden, die die Interaktion zwischen Neutronen und den Bestandteilen des Explosionskörpers nutzen. Diese Technologien entwickelten sich aus der Detektion von Zündern bei Passagiergepäck in der Luftfahrt und bei der Untersuchung von möglichen Explosionsherden in anderen Umgebungen.
Beschreibung
NQR (Nuclear Quadrupole Resonance - Kernquadrupolresonanz) ist eine Radiofrequenz(RF)technik, die dazu genutzt werden kann, spezifische chemische Komponenten, darunter auch Explosionsstoffe, aufzuspüren. Ein NQR-Gerät induziert einen RF-Impuls in passender Frequenz ins Innere des verdächtigen Körpers mittels einer Spirale, die über dem Boden aufgehängt ist. Dieser RF-Impuls bringt die Kerne des Explosionsstoffes in Schwingung und induziert ein elektrisches Potenzial in einer Empfängerspirale. Dieses Phänomen ähnelt dem des Magnetischen Resonanzimaging (MRI) bei medizinischen Tests, jedoch nutzt NQR den internen elektrischen Feldgradienten des kristallinen Materials im Gegensatz zum externen statischen Magnetfeld, um die Kerne zu Beginn auszurichten.
Stärken
NQR hat eine Menge Eigenschaften, die es besonders geeignet für die Landminendetektion machen. Hauptmerkmal ist seine Angepasstheit auf Landminen: im Prinzip schlägt sie nur in Anwesenheit loser Mengen spezifischer Explosivstoffe an. Im Gegensatz zu vielen anderen Technologien wird ihre Falschalarmrate nicht durch Bodenverunreinigung bzw. Fremdmaterialien, sondern eher durch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)genährt. Das Signal-Rausch-Verhältnis steigt mit der Quadratwurzel aus der Befragungszeit und steigt linear an mit der Masse des Sprengstoffes. Daher kann NQR mit einer genügend langen Fragezeit als Vorlauf nahezu perfekte Handlungsparameter erreichen (Wahrscheinlichkeit der Detektion nahe 1 und Wahrscheinlichkeit des Falschalarms nahe Null). Dies macht NQR attraktiv als Bestätigungssensor, der nur zur Untersuchung von Flächen eingesetzt wird, die schon von anderen Detektoren (z.B. Bodenradar (GPR) oder Metalldetektor (EMI)) als mögliche Minenfelder identifiziert worden sind. Untersuchungszeiten von 0,5 – 3,0 Minuten reichen für eine Detektionswahrscheinlichkeit von über 0,99 bzw. für eine niedrige Wahrscheinlichkeit des Falschalarms (weniger als 0,05). Das NQR-Signal von Cyclotrimethylenenitramin (RDX) ist besonders breit, was eine hohe Leistung und kurze Untersuchungszeit (weniger als 3 Sekunden) für die Detektion von RDX-haltigen Minen ermöglicht. Eine weitere positive Eigenschaft von NQR ist, dass es relativ unabhängig von verschiedenen Bodenbedingungen ist; da es z.B. lose Konzentration der Explosivstoffe zur Anzeige erfordert, wird es nicht fehlgeleitet durch Explosionsspuren, wie es bei Dampf-sensitiven Techniken der Fall sein kann.
Einschränkungen
Die Hauptschwäche von NQR ist, dass es wegen seiner nuklearen Eigenschaften (TNT, das in den meisten explosiven Füllungen von Landminen enthalten ist) ein deutlich schwächeres Signal liefert als als RDX oder Tetryl, was ein enormes Signal-Rausch-Problem bedeutet. Darüber hinaus erfordert TNT längere Untersuchungszeit wegen seines Nukleargehalts, da dadurch eine Untersuchung häufiger als 5 – 10 Sekunden ausgeschlossen ist. Eine andere Beschränkung ist die Empfindlichkeit von NQR für Radio-Frequenz-Interferenz aus der Umgebung. Dies ist besonders problematisch für die TNT-basierte Detektion, weil die Frequenzen, die benötigt werden, um eine TNT-Antwort hervorzubringen (790 – 900 kHz) innerhalb des UKW-Frequenz-Bereiches liegen. Eine zusätzliche Schwäche liegt darin, dass NQR keine Sprengstoffe lokalisieren kann, die von Metall umgeben sind, weil die RF-Wellen den Behälter nicht durchdringen können. Dies ist jedoch keine Hauptschwäche, weil ein Großteil der Antipersonenminen Plastikbehälter haben und das EMI-Detektionsverfahren als Alternative erfolgreich Minen mit Metallbehältern detektieren kann. NQR kann ebenfalls keine Flüssigsprengstoffe aufspüren, doch nur sehr wenige Landminen haben Flüssigsprengstoffe. NQR reagiert sehr sensibel auf die Entfernung zwischen der Detektionsspule und dem Sprengstoff. Daher muss die Detektionsspule sehr nahe an die Bodenoberfläche gehalten werden, was problematisch sein kann in zerklüftetem oder stark bewachsenem Gelände. Außerdem erfordert laufende Durchführung eine stationäre Detektion für optimale Resultate; eine Bewegungsdetektion verschlechtert substantiell das Signal-Rausch-Verhältnis.
Zusammenfassende Bewertung
NQR ist eine Sprengstoff-spezifische Detektionstechnologie, die verspricht, eine deutlich niedrigere Falschalarmquote aufzuweisen als konventionelle Detektionsmethoden wie z.B. die elektromagnetische Induktion (Metalldetektor). NQR bietet Verbesserungsmöglichkeiten, die für konkurrierende Methoden wie die elektromagnetische Induktion (Metalldetektor) nicht bestehen – bemerkenswert dabei ist, dass dieses Potenzial von der einzigartigen Sprengstoffsignatur der Minen herrührt. Im Prinzip erlaubt dies eine Falschalarmrate nahe Null für nichtmetallische Minen. Gegenwärtig ist die vielversprechendste Rolle von NQR die eines Bestätigungssensors, der in Verbindung mit einem konventionellen Scanningsensor als Teil eines integrierten Multisensor-Detektionssystems eingesetzt werden könnte.
Literatur
- ↑ Jacqueline MacDonald et.al: Alternatives of Landmine Detection, RAND report, ISBN 0-8330-3301-8, Document Number: MR-1608-OSTP, 2003
