CC BY
117
УДК 535.33/34
ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Татьяна Валерьевна Маганакова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (913)795-71-01, e-mail: [email protected]
Проведен анализ существующих устройств и приборов идентификации взрывчатых веществ, а так же методов. Рассмотрен метод дифференциального поглощения и рассеяния для дистанционного определения некоторых взрывчатых веществ. Проведены расчеты спектроскопических параметров взрывчатых веществ с помощью ИК-параметрического лазера.
Ключевые слова: лазерная спектроскопия, параметрический генератор света, нелинейный кристалл, дифференциальное поглощение и рассеяние.
REMOTE MEASUREMENT OF EXPLOSIVES LASER SPECTROSCOPY METHODS
Valeric S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., department head of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Tatyana V. Maganacova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St, student, tel. (913)795-71-01, e-mail: [email protected]
The analysis of existing devices and instruments of identification of explosives , as well as methods that are under development and research . Consider the differential absorption and scattering method for the determination of some remote explosives. The calculations of the spectroscopic parameters of explosives with the help of infrared laser parametric.
Key words: laser spectroscopy, parametric generator of light, nonlinear crystal, differential scattering and absorption.
В настоящее время число работ по исследованию сложных органических молекул в атмосфере возросло. Весьма актуально на сегодняшний день и детектирование взрывчатых веществ (ВВ).
Для исследования и идентификации взрывчатых веществ существует ряд методов. Прежде всего, разнообразны сами задачи обнаружения взрывчатых веществ. Самый распространенный метод, это, конечно же, биодетекторы, или обученные собаки, пороговая чувствительность которых составляет 110-16 г/см . Работа газоаналитических приборов практически копирует принцип, реа-
лизуемый при использовании собак - выявление объекта, содержащего взрывчатое вещество по наличию в окружающем пространстве паров или микрочастиц этого вещества. Эти приборы основаны на физико-химических принципах -спектрофотомерия, газохроматография, ядерный квадрупольный резонанс и др. Самый распространенный метод среди газоаналитических приборов - спектрометрия ионной подвижности. В табл. 1 представлены основные газоанализаторы взрывчатых веществ [1].
Таблица 1
Газоаналитические приборы
Прибор (фирма-изготов., страна) Принцип действия Регистрируемые вещества Чувстви-тель-ность, г/см3 Время анализа, с Масса прибора, кг Условия отбора Обработка и выдача информации
ITEMISER («Ion Track Instruments», США) Спектрометрия ионной подвижности Нитроглицерин, ди- и тринитротолуол, ТЭН, гексоген и др., в том числе пластит 2 • 10-11 < 3 12 Концентр. в выносном пробоотборнике Обраб. данных на ПК
Vapor Tracer («Ion Track Instruments», США) То же Этиленгликольдинит-рат, нитроглицерин, ди- и тринитротолуол, гексоген, ТЭН, N^N03, пластит - 4-10 3,2 Насадка для концентрирования Световая и звуковая индикация
IONSCAN 500 DT («Smiths Detection», США) То же Гексоген, ТЭН, нитроглицерин, тротил, ок-тоген, триацетонтри-пероксид и др. 1 • 10-9 8 18 Концентр. в выносном пробоотборнике Обработка данных на ПК
SABRE 4000 («Smiths Detection», США) То же Гексоген, ТЭН, Тринитротолуол, «Сем-текс», , NH4N03, нитроглицерин и др. - 10-15 3,2 Отбор микрочастиц и паров Цветовой дисплей
МО-2М (ЗАО «Сибел», Россия) То же Этиленгликольдинит-рат, нитроглицерин, ди- и тринитротолуол, гексоген, ТЭН и др. 1 • 10-13 2 1,3 Портативная автомат. испарит. камера «Твин» Обраб. данных на ПК. Свет. и звуков индик.
ЭХО-В (КТИ ГЭП СО РАН, Россия) Газовая хроматография Этиленгликольдинит-рат, нитроглицерин, ди- и тринитротолуол, гексоген, ТЭН в том числе пластит 1 • 10-14 20-200 10 Концентр. в выносном пробоотборнике Обработ. данных на ПК и карм. комп.
Пилот-М (Россия) Спектрометрия ионной подвижности Этиленгликольдинит-рат, нитроглицерин, ди- и тринитротолуол, гексоген, ТЭН в том числе пластит 1 • 10-13 1-2 2,0 Дистанц. отбор на расстоянии до 15 см Светов.и звуковая индикация
Спектрометр Шельф-ДС (Россия) То же Этиленгликольдинит-рат, нитроглицерин, ди- и тринитротолуол 1 • 10-13 1-2 2,5 Дистанц. отбор на расстоянии до 10 см Светов. и звуков. индик.
Анализ веществ с помощью этих методов носит локальных характер и состоит из нескольких стадий, в частности стадий отбора пробы и ее переноса к месту проведения исследований.
Дистанционного детектирования следов большинства ВВ в газовой фазе затруднено высоким давлением паров, концентрация которых при комнатной температуре чрезвычайно мало (концентрация - единицы ppm или меньше), а маскировка ВВ путем их помещения, например, в пластиковые пакеты уменьшает концентрацию еще примерно на три порядка. В то же время известно, что большинство ВВ хорошо «прилипают» к материалам в высокой поверхностной энергией, таких, например, как металлы и их окислы, т.е. оказываются сильно связанными с подложкой силами адгезии. Таким образом, возможность обнаружения следовых количеств ВВ данного вида путем дистанционного зондирования поверхности исследуемого объекта является вполне реальной [2].
В УФ и видимом диапазонах спектры поглощения ВВ характеризуются наличием широких полос без каких-либо характерных особенностей. В то же время в средней и ИК области, от 2500 см-1 (4 мкм) до — 1100 см-1 (9 мкм), колебательно-вращательные спектры поглощения молекул ВВ обладают высокой специфичностью, определяемой их симметрией и химических составом, что позволяет с достаточной точностью относить отдельные спектральные линии к вполне определенному химическому соединению. Именно в этой области спектра находятся фундаментальные колебательно-вращательные переходы молекул практически всех известных ВВ. Казалось бы, что по этой причине методы ИК лазерной спектроскопии должны представлять наибольший практических интерес для обнаружения и идентификации ВВ. Однако, основная проблема большинства обсуждаемых методов на сегодняшний день является отсутствие в ИК диапазоне перестраиваемых лазерных источников света достаточной мощности [2,3,4,5,6,7].
Существует множество различных работ с использованием методов лазерной спектроскопии дистанционного детектирования ВВ такие как: лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (LIBS), спектроскопия когерентного антистоксового комбинационного рассеяния света (CARS), лазерно-индуцированная флуоресценция продуктов фотофрагментации (PF-LIF), ИК спектроскопия продуктов лазерной фотофрагментации (MIR-PF) ВВ, Active Spectral Imaging (активное формирование спектральных изображений), импульсная терагерцовая спектроскопия [2,3].
В публикациях [5,6,7] приведено сообщение о разработке и создании автоматизированного дифференциального лазерного комплекса на основе параметрического генератора света, перестраиваемого в ближней и средней инфракрасной области спектра, для измерения малых концентраций атмосферных газов (рис. 1).
пг
Рис. 1 Оптическая схема экспериментальной установки для исследования
структуры, состава и концентрации взрывчатых веществ: YAG: Nd + - лазер накачки; НК - нелинейный кристалл из LiNbO3 ; М1, М2, М3 - зеркала; ЭФП - эталон Фабри-Перо; ПГ - поглотитель основного излучения; юс , юх , юн - сигнальная, холостая и основная частоты лазерного излучения; ВВ - взрывчатое вещество;
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер
Одним из высокочувствительных и оперативных методов дистанционной диагностики взрывчатых веществ в настоящее время является лазерное зондирование, основанное на принципе дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР). С помощью установки, посредством плавной перестройки частоты излучения, лазерный импульс, проходя через вещество, устанавливается на максимуме линии поглощения в т. В, затем, на крыле этой линии в т. А (рис. 2).
Рис
2000 Частота, см-1
2. ИК-фурье спектр поглощения ТЭН (пентаэритриттетранитрат)
Сигналы двух импульсов регистрируются фотодетектором и сравниваются в АЦП. Дифференциальное значение этих двух сигналов выводится на монитор
ПК в виде колебательно - вращательных спектров поглощения молекулами ВВ. Благодаря этому, метод ДПР обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных составляющих с больших расстояний [5,6,7].
На рисунке 2 спектр поглощения пентаэритриттетранитрата в инфракрасном диапазоне частот от 3500 до 500 см-1, который был взят из источника [11], с помощью которого были проведены расчеты [5-15].
Ранее в публикациях [5,6,7] уже проводились расчеты спектроскопических параметров органических веществ. В данной работе приводятся результаты вычислений значений полуширины спектров поглощения (Дупогл) и энергии прошедшего излучения (Е), а также концентрации молекул (ЩК)) и относительное число молекул (п) взрывчатых веществ (табл. 2).
Таблица 2
Результаты расчета спектроскопических параметров
Наименование вещества Максимальная частота поглощения, v -1 (см ) Дли на волны, X (мкм) Полуширина излучения, Av -1 (см ) Коэффициент поглощения, -1 а (см ) Концентрация веществ, ppm
ТЭН 1850±0,7 5,405 56,1±1 -11 1,7810 10
ТАТР 1373±0,6 7,28 37,7±1 -10 1,110 20
DNT 1349±0,7 7,41 36,5±1 -10 1,810 11
Проведенный анализ методов лазерной спектроскопии является перспективным направлением для решения задач, связанных с дистанционным обнаружением взрывчатых веществ. Результаты проведенных расчетов показывают, что с помощью разработанного многофункционального автоматизированного параметрического лазерного комплекса, работающего в ближнем и среднем ИК области спектра, можно детектировать молекулы органических веществ с концентрацией на уровне нескольких единиц ppm.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кихтенко А.В., Елисеев К.В. Обнаружение взрывоопасных объектов: аппаратурное обеспечение антитеррористических служб // Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. - 2005, Т. XLIX №4 - 132-137 С.
2. Скворцов Л.А.Лазерные методы обнаружения следов взрывчатых веществ на поверхностях удаленных объектов (обзор) // Квантовая электроника, 42, №1, 2012 - Москва. -1 - 11 С.
3. Скворцов Л.А. Дистанционное (Standoff) обнаружение скрытых взрывчатых веществ, холодного и огнестрельного оружия с помощью методов импульсной терагерцовой спектроскопии и активного формирования спектральных изображений (обзор) // Журнал прикладной спектроскопии. Т. 18, №5 (сентябрь-октябрь 2014). - Москва. - 653-678 С.
4. Токсикологическая химия [Текст]: учеб. пособие. / Р. У. Хабриев [и др.]; под ред. Р.У. Хабриев, Н. И. Калетиной. - М.: ГЭОТАР - Медиа., 2010. - 752с.
5. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Обнаружение и измерение параметров наркотических веществ с помощью перестраиваемого ИК-лазера / Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014.
X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 199-204.
6. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Лазерное зондирование в задаче обнаружения и измерения параметров наркотических веществ // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). -С. 40-46.
7. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Расчет концентрации наркотических веществ методом дифференциального поглощении и рассеяния / Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015.
XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 141-147.
8. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы.- М.: Мир, 1987. -
548 с.
9. Ахманов, С.А. Физическая оптика [Текст]: учебник 2-е издание / С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин - М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. - 656с.
10. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия.- М.: Физматгиз, 1962. -
892 с.
11. Спектрохимические особенности некоторых бризантных взрывчатых веществ в парообразном состоянии / Набиев Ш.Ш., Ставровский Д.Б., Палкина Л.А., Збарский В.Л., Юдин Н.В., Голубева Е.Н., Вакс В.Л, Домрачева Е.Г., Собакинская Е.А., Черняева М.Б. // Оптика атмосферы и океана, 2013, 26 №4 - С. 273-285.
12. Кабанов М.В., Андреев Ю.М., Гейко П.П. Мониторинг эмиссии антропогенного и природного метана. Докл. II Международной конференции по сокращению эмиссии метана, Новосибирск, 2000. - 800 с.
13. Ayrapetian V.S. IR lidar based on OPO/ A.V. Hakobyan, G.M. Apresyan, E.M. Poghossyan, AH. Sahakyan, K.A. Sargsyan, T.K. Sargsyan // SPIE. 2006. v.6160, pp.708 - 713
14. Айрапетян В.С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения// Вестник НГУ сер. Физика.- 2009, №3.-С.20 -24.
15. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.N. e.a. The HITRAN Molecular Database: edition of 1991 and 1992, JQSRT., 1992. v.48, pp.469 - 507.
© В. С. Айрапетян, Т. В. Маганакова, 2016
