CC BY
75
ОПТИКА
УДК 535.243
ЛАЗЕРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ В ЗАДАЧЕ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru
Татьяна Валерьевна Маганакова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, студент, тел. 8913-795-71-01, e-mail: TanuShka_A88@mail.ru
Проведены расчетные и экспериментальные исследования по дистанционному определению спектроскопических параметров некоторых наркотических веществ при помощи ИК-параметрического лазера.
Ключевые слова: параметрический генератор света, нелинейный кристалл, дифференциальное поглощение и рассеяние.
DETECTION AND DETERMINATION OF NARCOTIC DRUGS PARAMETERS BY TUNABLE IR-LASER
Valerik S. Airapetyan
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo St., Ph. D., head of the Department of Special-purpose Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru
Tatyana V. Maganakova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo St., Student, tel. (913)795-71-01, e-mail: TanuShka_A88@mail.ru
Calculation and experimental investigations on the remote determination of some narcotic drugs spectroscopic parameters by IR-parametric laser are presented.
Key words: parametric light generator, nonlinear crystal, differential absorption and dispersion.
Использование современных оптико-электронных средств в решении важных задач современности, в том числе детектирование наркотических веществ,
40
Оптика
является актуальной задачей специалистов данной области, а также представителей Института оптики и оптических технологий СГГА [1-14].
Дистанционное детектирование наркотических веществ (НВ) позволяет нам анализировать и исследовать вещества на достаточно большом расстоянии и получать колебательно-вращательный спектр, а так же определять строение, состав и концентрацию веществ.
Большое число НВ относится к классу летучих соединений и характеризуется высоким давлением паров, вследствие чего они могут быть обнаружены при анализе компонент атмосферы.
Одним из высокочувствительных и оперативных методов дистанционной диагностики наркотических веществ в настоящее время является лазерное зондирование, основанное на принципе дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) [15].
Разработка метода детектирования НВ с помощью ИК-параметрического лазера представляет собой комплексную задачу, включающую:
1) теоретические исследования и анализ экспериментально измеренных параметров спектральных полос поглощения (X = 1-8 мкм) молекулами веществ, полученных различными прямыми способами, в том числе биологическими и оптическими;
2) разработку и создание перестраиваемого инфракрасного (ИК) параметрического генератора света (ПГС) в диапазоне длин волн от 1,41 до 8,8 мкм, дальнейшие исследования и улучшение пространственно-временных и энергетических характеристик ПГС [2].
Результаты исследований [15-17] свидетельствуют, что основные колебательно-вращательные полосы поглощения излучения легально применяемыми НВ приходятся на ближний и средний инфракрасный диапазон длин волн (от 1 до 8 мкм). В этой связи роль плавно перестраивающегося ИК-параметрического лазера в данном диапазоне длин волн неоценимо возрастает. Кроме того, спектры поглощения наиболее известными наркотическими веществами, такими, как синтетические каннабиноиды и стимуляторы амфетаминового ряда, представляют собой узкие полосы сложной формы с полушириной, равной нескольким единицам (см-1). Поэтому дистанционное исследование спектров поглощения нужно проводить высокомонохроматичным параметрическим лазером с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения, спектральная ширина которого (Дуизл.) должна быть меньше спектральной ширины полосы поглощения детектируемой молекулой (Дупогл.).
Исследования спектров поглощения наркотическими веществами можно проводить также косвенным способом. Практически все молекулы НВ имеют слабые СН (углеродные) связи, которые при нормальных условиях атмосферы разрушаются, а при превышении температуры от 30 до 60 °С концентрация паров из некоторых наркотических веществ увеличивается почти на порядок. Вращательные спектры паров имеют достаточно интенсивные изолированные
41
Оптика
линии в диапазоне длин волн от 1,4 до 4,2 мкм, следовательно, их можно идентифицировать с помощью ИК - ПГС, работающего в таком же диапазоне.
В публикациях [2, 18, 19] приведено сообщение о разработке, создании и испытании автоматизированного дифференциального лазерного комплекса (рис. 1) на основе параметрического генератора света, перестраиваемого в ближней и средней инфракрасной области спектра, для измерения малых концентраций атмосферных газов.
Рис. 1. Оптическая схема экспериментальной установки для исследования структуры, состава и концентрации наркотических веществ:
3+
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; НВ - наркотическое вещество; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер
При прохождении импульсного излучения параметрического лазера через кювету с наркотическим веществом часть излучения поглощается молекулами данного вещества. Посредством плавной перестройки частоты излучения первый импульс, генерируемый лазером, устанавливается на максимум линии поглощения молекулой НВ. Следующий импульс параметрического лазера дискретно перестраивается на крыло этой линии поглощения. 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 НВ.
В данной работе приводятся результаты вычислений интенсивности и минимальной энергии излучения, необходимых для детектирования наркотических веществ: синтетический каннабиноид «JWH-250», или (2-(2-метоксифенил)-1-(1-пентил-1Н-индол-3-ил) этанон) и синтетический амфетамин МДА, или
42
Оптика
3,4-метилендиоксиамфетамин [20]. Результаты вычислений разработаны автоматизированным дифференциальным комплексом (см. рис. 1). Расчеты выполнены на основе базы данных HITRAN [21].
На рис. 2, 3 приведены сечения поглощения в инфракрасной зоне спектра НВ [22, 23].
Рис. 2. Спектр пропускания JWH-250, модифицированный синтетический каннабиноид
Рис. 3. Спектр пропускания МДА (3,4-метилендиоксиамфетамин),
синтетический амфетамин
На основе интенсивностей были вычислены объемные коэффициенты обратного рассеяния Р(Х0, R) на длине волны Х0 и расстоянии до объекта R, а затем получено значение минимальной выходной энергии зондирующего лазера
43
Оптика
для детектирования минимальной концентрации НВ в соответствии с формулой [15]:
E
L min
2 R 2(С/Ш)
min
Р(х 0, R № 0)U (X 0)
exp
R
2 J k(X0, R)dR
(1)
где С/Ш - отношение интенсивности сигнала к шуму; <^(X0) - коэффициент спектрального пропускания приемной оптической системы; U(X0) - параметр чувствительности приемной системы; k(X0, R) - коэффициент ослабления на соответствующей длине волны X0.
Учитывая, что отношение интенсивности сигнала к шуму (С/Ш) для созданной системы (см. рис. 1) равно 1,5, зная величины параметров лазерной установки (<^(X0) = U(X0) =1), с учетом проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях (R = 5 см) по формуле (1) получим, что минимально необходимая энергия зондирующего лазера будет равна 10 мДж.
По значениям минимальной выходной энергии зондирующего сигнала, объемного коэффициента обратного рассеяния и расстояния до объекта вычислена интенсивность прошедшего сигнала (E) через молекулы JWH-250 вещества по формуле Бэра:
E = Elmi„ • . (2)
Величина концентрации органических веществ N(R) в объеме газа, которая может быть определена с помощью метода ДПР, была рассчитана по формуле:
N (R)
1
2аА (V х1)
d
dR
ln P(Xb R) _ ln P(Xb R) P(X0, R) P(X0, R)
+ k(Xj, R) _k(X0, R) \,
(3)
где aA(X0, X1) = aA(X0) - аА(Х1) - сечение дифференциального поглощения; P(X, R) - мощность сигнала на длине волны X.
Затем вычислено относительное число НВ (n) по формуле:
n =
N (R)
N
Л
(4)
где N - число Лошмидта.
Результаты вычисления значений полуширины спектров поглощения (Дупогл.) и энергии прошедшего излучения (E), а также концентрации молекул (N(R)) и относительное число молекул (n) НВ приведены в таблице.
44
Оптика
Таблица
Результаты расчета спектроскопических параметров
Наименование вещества Максимальная частота поглощения, V (см-1) Длина волны, X (мкм) Полуширина излучения, Av (см-1) Коэффициент поглощения, а (см-1) Концентра- ция НВ, ppm
«JWD-250» 2 929,41 3,41 26,105 4,12-10-12 77
МДА 2 938,78 3,40 55,46 2,006-10-11 37
Таким образом, результаты проведенных расчетов показывают, что с помощью разработанного многофункционального автоматизированного параметрического лазерного комплекса, работающего в ближней и средней ИК-области спектра, можно детектировать молекулы органических веществ с концентрацией на уровне нескольких единиц ppm.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шлишевский В. Б. Научно-исследовательская лаборатория перспективных оптикоэлектронных систем и технологий СГГА: осн. итоги первого десятилетия // Вестник СГГА. -2013. - Вып. 4 (24). - С. 143-157.
2. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Обнаружение и измерение параметров наркотических веществ с помощью перестраиваемого ИК-лазера // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 199-204.
3. Айрапетян В. С., Береза П. А. Рассеяние света от поверхности лазерной керамики // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 115-119.
4. Оптоэлектронная система сигнализации превышения предельно допустимой концентрации углерода в воздухе / А. Н. Серьезнов, Н. Р. Рахимов, Т. В. Ларина, И. Н. Карманов, П. В. Петров // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2 (13). - С. 86-90.
5. Повышение контраста и информативности изображений на основе спектральной и пространственно-угловой фильтрации излучения / М. М. Кузнецов, О. К. Ушаков, В. М. Тымкул, М. Ф. Носков // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2 (13). - С. 96-100.
6. Кузнецов М. М., Карманов И. Н., Воронин М. Я. Сложные коаксиальные резонаторы на основе псевдосфер Лобачевского // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 2 (22). - С. 88-97.
7. Айрапетян В. С., Губин С. Г. Устройство для измерения скорости боеприпасов // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 1 (21). - С.73-78.
8. Парфенова Г. В. Линзовый двухдиапазонный ИК-объектив // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 2 (18). - С. 87-93.
9. Макарова Д. Г., Ефремов В. С. Применение дисперсионных формул материалов субмиллиметровом диапазоне длин волн // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 122-132.
10. Кистерева М. Н., Ушаков О. К., Тымкул В. М. Анализ результатов оптикоэлектронных измерений линейных величин с использованием статистики негауссовых процессов // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 3 (16). - С. 101-106.
11. Тиссен В. М. СНИИМ - СГГА в международном проекте ЕОРСРРР // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 1 (14). - С. 97-104.
12. Воробъева Л. Б., Зонова А. Д. Степанова С. А. Оценка погрешности измерений параметров микроструктуры керамики // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч.
45
Оптика
конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 59-64.
13. Орлова М. В. Исследование сигналов на входе приемника инфракрасного излучения в двух спектральных диапазонах // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 210-214.
14. Сырецкий Г. А. Мультимодельные многофакторные технологии как одно из возможных направлений будущего аутентификации и идентификации // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. -С. 228-230.
15. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы. - М.: Мир, 1987. -
548 с.
16. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.: Физматгиз, 1962. -
892 с.
17. 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.
18. Ayrapetian V.S. IR lidar based on OPO/ A. V. Hakobyan, G. M. Apresyan, E. M. Poghossyan, A. H. Sahakyan, K. A. Sargsyan, T. K. Sargsyan // SPIE. 2006. v. 6160, pp.708-713.
19. Айрапетян В. С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения // Вестник НГУ. Сер. Физика. - 2009, № 3. -С. 20-24.
20. Баландин А., Баландина Л., Джанибеков В. Самые опасные наркотики: авторское издание. - М., 2008. - 105 с.
21. 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.
22. Шевырин В. А., Мелкозеров В. П. Экспертное исследование некоторых наиболее распространенных «структурных аналогов» наркотических средств и психотропных веществ // УФСКН РФ Свердловской области базовый экспертно-криминалистический отдел, ЭКЦ ГУВД по Свердловской области. - Екатеринбург, 2010.
23. Экспертное исследование производных амфетамина: методические рекомендации / И. Г. Алексеев [и др.]. - М.: ЭКЦ МВД России, 1997. - 47 с.
Получено 23.04.2014
© В. С. Айрапетян, Т. В. Маганакова, 2014
46
