CC BY
906
МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий СГГА, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Мария Сергеевна Бакуменко
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, студент гр. ОИ 51 Института оптики и оптических технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail : [email protected]
Сергей Григорьевич Губин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доцент кафедры специальных устройств и технологий СГГА,
тел. (383)361-07-31.
В статье приводиться обзор методов обнаружения взрывчатых веществ. Показано, что наиболее чувствительным и точным является ИК - лазерный спектроскопический метод. Выполнен расчет спектров поглощения некоторых взрывчатых веществ.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, инфракрасный перестраиваемый лазер, дифференциальное поглощение и рассеяние.
METHODS OF DETECTION OF EXPLOSIVES
Valerik S. Ayrapetyan
Sibirian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., head of special devices and technologies SSGA, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Maria S. Bakumenko
Sibirian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student gr. OI 51 Institute of Optics and Optical Technologies.
Sergei G. Gubin
Sibirian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Assistant Professor of Special Devices and Technologies SSGA.
The article provides an overview of methods for the detection of explosives. It is shown that the most sensitive and accurate is the IR - laser spectroscopy method. The calculation of the absorption spectra of some explosives.
Key words: explosives, infrared tunable laser, the differential absorption and scattering.
Взрывчатое вещество (ВВ) - химическое соединение или их смесь, способное в результате определённых внешних воздействий или внутренних процессов взрываться, выделяя тепло и образуя сильно нагретые газы. В настоящее время известны и легально применяются множество ВВ, наиболее известные их них приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные свойства взрывчатых веществ
Название Состав Плот- ность Теплота взрыва, кДж/кг Скорость стационарной детонации, Км/с Давление в точке Чем-пена-Жуге, ГПа Температура плавления, °С
Тротил (TNT) Тринитротолуол 1,06-1,64 3570-4330 5,25-6,95 11,0-19,0 80,85
Гексоген (RDX) Циклотримети- лентринитрамин 1,00-1,80 5000-5530 5,98-8,75 10,8-34,7 204,1
Октоген (HMX) Циклотримети- лентринитрамин 1,90 5460 9,10 39,3 278,5—280
Нитроглицерин (NM) Нитрометан 1,128 4640 6,29 14,1 13
ТЭН (PETN) Пентаэритрит тетранитрат 1,00-1,77 5440-5870 5,48-8,30 8,7-33 140
Рост числа преступлений с применением взрывных устройств представляет серьезную угрозу общественной безопасности. Для пресечения подобных преступлений необходимо выполнение комплекса мер, одной из которых является оснащение соответствующих служб современными техническими средствами обнаружения взрывных устройств и взрывчатых веществ. Грамотное применение технических средств, для поиска взрывчатых веществ может способствовать снижению вероятности проведения террористических актов с применением взрывных устройств.
В настоящее время можно выделить несколько групп технических средств для обнаружения ВВ:
• рентгеновские установки с возможностью анализа веществ в багаже;
• детекторы паров ВВ методом химического анализа;
• системы обнаружения ВВ на основе ядерных методов;
• комплексные системы;
• лазерные методы [1].
Рентгеновский метод
Для обнаружения взрывчатых веществ существует несколько типов рентгеновских установок.
• Обычные, типа HI-SCAN, LINESCAN позволяют обнаруживать оружие и детали ВУ благодаря их большой плотности. Однако само ВВ из-за относительно малой плотности может быть незамеченным, а компоненты ВУ могут быть закамуфлированы или затеснены плотными бытовыми вложениями.
• Двухракурсные установки, позволяющие получать два рентгеновских изображения под разными углами облучения объекта за его один проход через контролируемую зону. В данных установках используется принцип дуальной энергии: регистрация сигналов в двух диапазонах энергии рентгеновского излучения и приближенное определение эффективного атомного номера веществ.
Однако разрешающая способность установки по значению атомного номера вещества недостаточна для обнаружения конкретного вещества.
• Двухсканерная установка, следующими характеристиками:
• типы обнаруживаемых военных и промышленных ВВ: тротил, окто-ген, нитроглицерин, тэн, гексоген, тетрил;
• минимальная масса обнаруживаемых ВВ 50-100 г.;
• ожидаемая вероятность обнаружения ВВ - не менее 98 %;
• время принятия решения о наличии ВВ процессором установки, не более 1 сек.
В установке реализуется метод обнаружения ВВ по значениям Zэфф и плотности, что обеспечивает практически 100 % вероятность обнаружения ВВ. При этом практически не снижается скорость контроля объектов и обеспечивается требование по предельной дозе облучения объекта, т.к. второй сканер дает небольшой вклад в общую дозу и кроме того он включается только при необходимости проверки на наличие ВВ [2].
Детекторы паров ВВ методом химического анализа
Детектор паров ВВ представляет собой прибор предназначенный для обнаружения паров ВВ при анализе проб воздуха с поверхности и из внутреннего объема негерметизированных объектов.
Детектор снабжен устройством вихревого пробоотбора, которое создает закрученный поток воздуха, обеспечивающий стабильный забор пробы с расстояния 50-80мм. Анализируемый воздух из зоны обследования поступает в анализирующую головку ручного блока прибора, ионизируется тритиевым источником бета - излучения и проходит через камеру, где происходит селекция ионов по подвижности, после чего они попадают на коллектор. Сигнал, полученный с коллектора ионов, усиливается и регистрируется электронной схемой прибора. При наличии в исследуемом объекте паров ВВ прибор реагирует световым и звуковым сигналом тревоги. В табл. 2 приведены основные технические характеристики детектора паров.
Таблица 2
Технические характеристики детектора паров
Технические характеристики
Типы обнаруживаемых ВВ Нитроглицерин, ТЭН, тринитротолуол, гексоген
Минимальная масса обнаруживаемой закладки ВВ, г 30
Вероятность обнаружения ВВ, % 95
Производительность контроля, Дм3/ч 50
Максимальные размеры контролируемого объекта, мм 355х225х12,5
Основной проблемой данного метода является то, что подвижность ионов является сложной и недостаточно специфичной характеристикой. Ложные срабатывания детектора вызывают парфюмерные препараты, пары олифы, уксусной кислоты и некоторых других веществ бытовой химии [3].
Лазерный метод
Одним из высокочувствительных и оперативных методов дистанционной диагностики органических веществ в настоящее время является лазерное зондирование, основанное на принципе дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР).
Результаты исследований свидетельствуют, что основные колебательновращательные полосы поглощения излучения легально применяемыми ВВ приходятся на ближний и средний инфракрасный (ИК) 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 взрывчатыми веществами, такими как триацетонатрипероксид (ТАТР), динитротолуол ^N1) представляют собой узкие полосы сложной формы с полушириной, равной нескольким единицам см-1. Поэтому дистанционное исследование спектров поглощения нужно проводить высокомонохрома-тичным параметрическим лазером с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения, спектральная ширина которого (ДVиЗЛ) должна быть меньше спектральной ширины полосы поглощения детектируемой молекулой (ДVп0ГЛ).
Разработка метода детектирования ВВ 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 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.
Исследования спектров поглощения взрывчатыми веществами можно проводить также косвенным способом. Практически все молекулы ВВ имеют слабые СН (углеродные) связи, которые при нормальных условиях атмосферы разрушаются, а при превышении температуры от 30 до 60 °С концентрация паров из некоторых взрывчатых веществ увеличивается почти на порядок. Вращательные спектры паров имеют достаточно интенсивные изолированные 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 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 [4].
пг
Рис.1. Оптическая схема экспериментальной установки для исследования структуры, состава и концентрации взрывчатых веществ
з_і_
На рис. 1 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; ОВ - органическое вещество; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер.
При прохождении импульсного излучения параметрического лазера через кювету с взрывчатым веществом часть излучения поглощается молекулами данного вещества. Посредством плавной перестройки частоты излучения первый импульс, генерируемый лазером, устанавливается на максимум линии поглощения молекулой ВВ. 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 ВВ.
В данной работе приводятся результаты вычислений интенсивности и минимальной энергии излучения, необходимых для детектирования взрывчатых веществ: TATP и DNT разработанным автоматизированным дифференциальным комплексом (рис. 1). Расчеты выполнены на основе базы данных HITRAN [5].
На рис. 2, 3 приведены сечения поглощения в инфракрасной зоне спектра ВВ TATP и DNT соответственно, на основе которых были определены интенсивность (I) и полуширина (^погл) спектров поглощения этими взрывчатыми веществами.
Wavelength (ym)
Рис. 2. Сечение поглощения TATP
Рис. 3. Сечение поглощения ЭКГ
На основе интенсивностей были вычислены объемные коэффициенты обратного рассеяния Р(Х0Д) на длине волны Х0 и расстоянии до объекта Я, а затем получено значение минимальной выходной энергии зондирующего лазера для детектирования минимальной концентрации ВВ в соответствии с формулой [6]:
E
2R2 С/Ш
Lmin
P(VR)HoJ^o)
ехр
R
2 Jk(X0,R)dR
(1)
о
где С/Ш - отношение интенсивности сигнала к шуму; <^(Х0) - коэффициент спектрального пропускания приемной оптической системы; и(Х0) - параметр чувствительности приемной системы; к(Х0Д) - коэффициент ослабления на соответствующей длине волны Х0.
Учитывая, что отношение интенсивности сигнала к шуму С/Ш для созданной системы (рис.1) равно 1,5, зная величины параметров лазерной установки (£(Х0)= и(Х0)=1), с учетом проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях (Я = 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 (Е) через молекулы триацетонатрипе-роксида и динитротолуола по формуле Бэра:
Е = ЕЫпте
-ря
(2)
Величина концентрации органических веществ К(Я) в объеме газа, которая может быть определена с помощью метода ДПР, была рассчитана по формуле:
К(Я)
1
2од Со 5 ^1
d
тР^-ь р*!*:
Р СоД^ РСоД.
+ к С1 ,^^-к Со
(3)
где = аА(Х0) - аА(Х^ - сечение дифференциального поглощения; Р(Х, Я) -
мощность сигнала на длине волны X.
Затем вычислено относительное число ВВ (п) по формуле:
N(10
п =
N
(4)
Л
где N - число Лошмидта.
Результаты вычисления значений полуширины спектров поглощения ^погл) и энергии прошедшего излучения (Е), а также концентрации молекул С№(Я)) и относительное число молекул (п) триацетонатрипероксида и динитротолуола приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчета спектроскопических параметров триацетонатрипероксида и динитротолуола
Наиме- нование ВВ Т-ра плавления, Т (°С) Полоса поглощения, и (см-1) Длина волны X, (мкм) Полуширина излучения Ди (см-1) Сечение поглощения, а (см /моль) Коэффициент поглощения, а (см-1) Концентрация ВВ, (ррт)
ТАТР 350 1373±0,6 7,28 37,7±1 1,4-105 1,1-10-10 20
БЖ 80 1349±0,7 7,41 36,5±1 4,8405 1,840-10 11
Наконец, предстоит еще большая работа по созданию надежных алгоритмов распознавания ВВ в многокомпонентных средах при наличии интерферен-тов и связанная с этим деятельность, направленная на расширение библиотеки спектров как ВВ, так и возможных веществ (интерферентов), затрудняющих их обнаружение. Развитие перечисленных направлений позволит более эффективно искать и новые подходы к созданию комбинированных систем, основанных на применении «ортогональных» технологий. По всей видимости, в будущем именно такие системы будут играть определяющую роль.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горовой С.А. Физические основы функционирования стрелково- пушечного, артиллерийского и ракетного оружия. Баллистика: учеб. пособие / С.А. Горовой. - Новосибирск: СГГА, 2007. - 140 с.
2. Легкий В.Н., Минин И.В., Минин О.В. Физические методы и устройства поиска и обнаружения взрывчатых веществ и взрывных устройств под ред. В.Ф. Минина: учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 132 с.
3. Аксёнов В.А., Кихтенко А.В., Ковригина В.С. Обнаружение взрывчатых веществ с использованием аппаратуры газового анализа; под ред. д.т.н. В.А. Химичева. - Новосибирск, 2001. - 56 с.
4. Айрапетян В.С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения // Вестник НГУ. Сер. Физика. - 2009, № 3. - С. 20-24.
5. 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.
6. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы. - М.: Мир, 1987. - 548 с.
7. Айрапетян В.С., Широкова Т.А. Кольцевая схема резонатора параметрического генератора света // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 269-275.
8. Лузин А.Н., Матуско В.Н. Визуально опознаваемые максимумы в формулах для синусоидальных электрических колебаний в контуре // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 67-71.
9. Губин С.Г. Исследования внутрибаллистических параметров системы обратного метания // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 191-196.
10. Антоненчик Н.Н. Оружие на новых физических принципах // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 264-268.
© В.С. Айрапетян, М.С. Бакуменко, С.Г. Губин, 2013
