CC BY
34
-►
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК621.373.8:621.384.3
Е.Т. Аксенов, А. А. Баранов, В.А. Марков, Ю.М. Мокрушин, В.М. Петров
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА ОПТОАКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ СО СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННЫМ СТРОБИРОВАНИЕМ
В настоящее время наблюдается непрерывный рост применения террористами взрывчатых веществ (ВВ), а также возрастающие производство, перевозка и распространение наркотических веществ (НВ). В связи с этим создаются и продолжают интенсивно развиваться системы обнаружения и контроля В В и НВ, позволяющие в значительной мере снизить степень возникающих угроз.
Однако по мере развития технологий В В и НВ и появления их новых видов, например пластических В В, обнаружение их становится все более трудной задачей. В частности, необходимо решать задачу надежного обнаружения В В с очень низким давлением выделяемых ими паров и низким уровнем излучения частиц, а также задачу сокращения времени поиска.
Технические средства обнаружения В В и НВ можно разделить по принципу их действия на две группы: 1) использующие для обнаружения различные внешние по отношению к объекту источники излучения; 2) регистрирующие пары и микрочастицы В В и наркотиков. К первой группе относятся системы: рентгеновские; с гамма-и нейтронным облучением; на основе ядерного магнитного и квадрупольного резонанса (ЯМР, ЯКР). Эти системы наиболее подходят для обнаружения В В и наркотиков, скрываемых в предметах багажа и ручной клади. Вторая категория средств обнаружения использует методы захвата электронов, газовую хроматографию, масс-спектроскопию, плазменную хроматографию, биодатчики и лазерную оптоакустику (фотоакустику). Эти методы наиболее применимы к обнаружению ВВ и НВ, укрываемых в одежде или
под одеждой людей, или следов таких веществ, остающихся на коже, одежде и различных предметах, принадлежащих лицам, имевшим дело с этими веществами, например переносившим их.
Все перечисленные системы и методы уже применяются [1], ведутся работы по дальнейшему их совершенствованию и разработке новых. При этом особое внимание уделяется разработке систем дистанционного бесконтактного обнаружения.
Среди возможных методов, которые могут быть положены в основу практической реализации чувствительной дистанционной аппаратуры, одним из наиболее перспективных можно считать метод лазерной оптоакустики (ОА).
Метод лазерной оптоакустики позволяет решать две основных задачи: производить анализ оптоакустических спектров взрывчатых и наркотических веществ и обнаруживать следовые концентрации этих веществ. Следует отметить, что измерительный комплекс и система обнаружения могут быть построены на базе одной и той же аппаратуры с некоторой модификацией ее структуры. Метод лазерной ОА базируется на регистрации акустических колебаний, возбуждаемых импульсным лазерным излучением, частота которого совпадает с частотой колебательно-вращательных переходов молекул обнаруживаемого вещества. Генерация акустических колебаний происходит по схеме: оптический импульс — возбуждение колебательно-вращательного перехода — безызлучательная релаксация — нагрев газа, окружающего объект исследования — генерация импульса давления (акустическая волна) — регистрация акустиче-
ской волны чувствительным микрофоном — обработка электрического сигнала.
По сравнению с другими методиками, позволяющими создать систему обнаружения, работающую в реальном времени, лазерная ОА методика обладает рядом преимуществ, к важнейшим из которых относятся: крайне высокая чувствительность по поглощению (1(Г9—10"11 см-1); возможность регистрации остаточных концентраций веществ, равных 0,001 частиц/миллиард; динамический диапазон в пределах линейной зоны составляет примерно 105.
В настоящее время лазерный ОА метод применяется для исследования спектра поглощения ВВ в диапазоне 9—11 мкм как в газообразной, так и в твердой фазах [2, 3]. Получены спектры поглощения многих традиционных и новых ВВ, что служит основой для построения ОА систем обнаружения.
Концепция дистанционного датчика
Практический интерес представляет построение лазерных ОА систем, позволяющих проводить обнаружение взрывчатых и наркотических веществ дистанционно, например при досмотровых мероприятиях. При этом система обнаружения остаточных следов В В как на людях, так и на багаже должна работать в реальном времени, не нарушая пропускной способности терминала.
Существует реальная возможность создания такой системы, подтверждаемая работами по дистанционному обнаружению фоновых концентраций загрязняющих веществ при решении задач экологического мониторинга атмосферы [4].
о)
Предлагаемый в данной статье ОА метод, по мнению авторов, дает возможность создать установку, в которой можно совместить чувствительность, свойственную оптоакустическим системам, и дистанционное исследование заданного объема пространства.
В результате экспериментов, проведенных авторами [5] и описываемых далее, предлагается усовершенствованный оптоакустический метод. Он предполагает использование импульсного зондирующего излучения, причем длина волны каждого следующего импульса отличается от предыдущего. При этом точно определяется время излучения, длина волны и длительность каждого импульса. Диапазон длин волн и частота их следования, которая тоже может меняться по заданному правилу, определяется согласно решаемой задаче. Кроме того, авторы предлагают отказаться от спектрофона и фиксировать акустический импульс, возникающий в неограниченном пространстве. Сказанное иллюстрирует рис. 1. По оси абсцисс отложено время.
По оси ординат на верхнем рисунке (а) амплитуда зондирующих импульсов, на среднем рисунке (б) — закон изменения длины волны зондирующих импульсов во времени, на нижнем (в) — амплитуда зарегистрированных акустических импульсов, огибающая которых соответствует спектру поглощения искомого вещества. Задержка по времени между моментом излучения зондирующего импульса и фиксацией акустического импульса определяется удаленностью исследуемого объекта от регистрирующей аппаратуры. Поэтому использование принципа
А к \
Рис. 1. Вид электромагнитных и акустических импульсов при использовании фотоакустического метода со спектрально-временным стробированием
стробирования дает возможность определять расстояние до обнаруженного объекта и успешно бороться с шумами, маскирующими сигнал.
Структурная схема лабораторного макета предлагаемой лазерной ОА системы дистанционного обнаружения следовых концентраций взрывчатых и наркотических веществ, в которой может быть использован метод со спектрально-временным стробированием, представлена на рис. 2.
Для повышения чувствительности системы в ее структуру введены кодовоимпульсный модулятор (КИМ) лазерного пучка, что позволяет проводить корреляционную обработку регистрируемого сигнала, а также направленный микрофон.
Получаемые ОА спектры исследуемого вещества могут идентифицироваться в системе обработки путем сравнения с известными спектрами материалов ВВ, введенными в память ПК. Возможен и другой подход: в систему вводится набор опорных ОА ячеек (спектрофоны), содержащих микродозы ВВ, которые требуется обнаружить. При облучении исследуемого объекта одновременно облучается и В В, содержащееся в спектрофоне. Регистрируемые ОА сигналы от объекта и спектрофона поступают в систему
обработки, где происходит их сравнение и идентификация.
Кроме того, в систему обнаружения вводится двухкоординатный сканер оптического луча, зондирующий исследуемые объекты в пределах некоторой поверхности, что позволяет повысить вероятность обнаружения следовых количеств ВВ.
Предлагаемая система лазерного обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ будет базовой и может быть построена на основе коммерчески доступных компонентов. В значительной степени оригинальным может оказаться программный продукт комплекса обработки сигналов.
В целом предлагаемая система сравнительно проста в построении. Исследование ее работы позволит определить пути модернизации, в частности построения мобильной, малогабаритной версии на основе перестраиваемых полупроводниковых лазеров и волоконно-оптических микрофонов.
Эксперимент
Один из принципиальных вопросов, возникающих при создании рассмотренной лазерной ОА системы дистанционного обследования про-
Рис. 2. Структурная схема лабораторного макета
странства, — возможность дистанционной регистрации акустических сигналов, возбуждаемых лазерным излучением без применения спектрофо-на. Для подтверждения такой возможности нами был проведен эксперимент по возбуждению акустических колебаний в помещенном в измерительную кювету водном растворе соли, поглощающем в спектральном диапазоне зондирующего светового излучения, и неконтактной регистрации ОА сигнала с помощью микрофона. Схема эксперимента представлена на рис. 3.
Оптоакустический эффект в жидкости
Изменение давления в жидкости под воздействием лазерного излучения описывается соотношением [6]
До =сош1 -^^-Еа.
Я ср
Д
лоемкость; Я — радиус пучка света;/й — частота звуковых колебаний; р — коэффициент объемного расширения вещества; ий — скорость распространения акустической волны в среде; Е— энергия импульса света; а — коэффициент поглощения.
Изменение давления возбуждает акустические волны, служащие информативным сигналом.
Источником излучения в эксперименте был лазер на парах меди. Излучение лазера содержит две линии: зеленую (X = 510,6 нм), желтую (578,2 нм).
Лазер работал в импульсном режиме с частотой следования импульсов 15 кГц. В установке использовался акусто-оптический модулятор, что позволяло менять частоту следования импульсов от десятков Герц до 15 кГц. Энергия каждого отдельного импульса оставалась постоянной. Средняя мощность излучения (суммарная) составляет примерно 3 Вт, диаметр светового пучка на выходе лазера — около 8 мм.
Был проведен спектрофотометрический анализ поглощения водных растворов ряда солей, позволивший определить наиболее подходящий (по параметрам излучения зондирующего лазера) для выполнения ОА измерений. Зависимости поглощения растворов солей СиС12,Си804, К2Сг204 представлены на рис. 4. Был выбран раствор соли хлорида кобальта (СоС12) и раствор медного купороса (Си804). Измерения акустического сигнала проводились следующим образом: на некотором расстоянии от кюветы с исследуемым образцом располагался микрофон с радиопередатчиком, в соседнем помещении был помещен компьютер с приемником радиосигналов от микрофона, далее сигнал с выхода приемника поступал на микрофонный вход звуковой платы.
В данном цикле измерений использовался сигнал с частотой 4 кГц, полоса фильтра выбрана шириной 400 Гц, задано сто циклов накопления.
Измерения АЧХ сигналов, возбуждаемых в растворах солей СоС12 и Си804, проводились на нескольких длинах волны лазерного излучения: 510,6; 578,2 нм; при одновременном облучении на 510,6 и 578,2 нм. При этом брались растворы двух концентраций. Центральная частота возбуждаемых акустических колебаний была одинаковой и составляла 4050 Гц.
По проведенным измерениям были получены зависимости, показанные на рис. 5 и 6. По оси ординат отложен параметр, характеризующий амплитуду акустического сигнала в условных единицах.
Из приведенных зависимостей следует, что для обоих растворов уменьшение концентрации соли приводит к уменьшению амплитуды регистрируемого ОА сигнала. При этом изменение амплитуды пропорционально изменению концентраций, что соответствует соотношению (5).
Кювета
Рис. 3. Схема эксперимента
Рис. 4. Зависимости поглощения растворов солей СиС12, Си504, К2Сг204 от длины волны излучения
Нормированная амплитуда
400 -\
Дли на волны, мм
Рис. 5. Зависимость амплитуды акустического сигнала от длины волны и концентрации в растворе СоС12 (1-Х мг/л; 2- 0,5 мг/л)
11 ормирова! п (ни амплитуда
10 -.-.-I-I-,-,-
0,5 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 Длина
волны, мм
Рис. 6. Зависимость амплитуды акустического сигнала от длины волны и концентрации в растворе СоБо (1-Х мг/л; 2 — 0,5 мг/л)
Амплитуда регистрируемого сигнала в случае раствора СоС12 превосходит амплитуду сигнала для раствора Си804 примерно в 5 раз, что обусловлено большим поглощением света в растворе. Изменение величины акустического сигнала при изменении длины волны возбуждающего импульса для каждого из растворов согласуется с зависимостями оптического поглощения.
Измеренная амплитуда ОА сигнала, возбуждаемого в дистиллированной воде, примерно на три порядка меньше, чем для исследовавшихся растворов.
Применение фотоакустического метода со спектрально-временным стробированием дает возможность создать систему дистанционного обнаружения различных, в том числе взрывчатых и наркотических, веществ. Предполагаемая
система лазерного обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ может быть построена на основе коммерчески доступных компонентов. При этом программный продукт комплекса обработки сигналов может быть в значительной степени оригинальным. Такая система сравнительно проста в построении, исследование ее работы позволит определить пути модернизации, в частности построить мобильную, малогабаритную версию на основе перестраиваемых полупроводниковых лазеров и волоконно-оптических микрофонов.
Проведенные эксперименты по импульсному возбуждению ОА сигналов в водных растворах и парах солей подтвердили возможность регистрации этих сигналов в свободном пространстве без применения спектрофона. Продемонстрирована возможность передачи этих сигналов по радиоканалу, что открывает ряд технических возможностей при разработке практической системы регистрации остаточных концентраций В В и НВ. Кроме того, показано, что соответствующая цифровая обработка регистрируемых сигналов позволяет существенно повысить чувствительность измерительной системы.
В целом выполненные эксперименты, хотя и носящие качественный характер, тем не менее позволяют утверждать, что предложенная концепция построения дистанционной лазерной системы обнаружения следовых концентраций В В и НВ перспективна, а выполненные эксперименты являются, на наш взгляд, достаточной и достоверной основой для разработки реальной системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скворцов, J1.A. Применение лазерной фототермической спектроскопии для standoff детектирования следов взрывчатых веществ на поверхности тел [Текст] / Л.А.Скворцов, Е.М.Максимов // Квантовая электроника,— 2010. N° 40(7).— С. 565-578.
2. Чаудхари, А.К. Низкопороговое фотоакустическое обнаружение твердых взрывчатых веществ RDX и TNT с использованием лазера на двуокиси углерода |Текст| / А.К. Чаудхари, Г.К. Бхар, С. Дас // Журнал прикладной спектроскопии,— 2006.— Т. 73" № 1,- С. 113-118.
3. Crane, R.A. Laser optoacoustic absorption spectra for various |Текст] / R.A. Crane // Applied Optics.- 1978. Vol. 17, № 13,- P. 2097-2102.
4. Жаров, В.П. Лазерная калориметрическая спектроскопия в потоках [Текст] / В.П. Жаров, Н.М. Амер // Известия АН СССР. Сер.: Физика,— 1986,- Т. 50. № 4,- С. 820-827.
5. Лазерная оптико-акустическая система дистанционного обнаружения следовых концентраций взрывчатых и наркотических веществ [Текст] //Научные исследования и инновационная деятельность. Матер, научно-практической конференции. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007,- С. 357-364.
6. Patek, K.N. Pulsed optoacoustic spektroscopy of condensed matter | Текст] /K.N. Patelc, A.C. Tam // Rev. Mod. Phys. 1981. Vol. 53. № 3.
