CC BY
16
УДК: 535.33/34
МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРОВ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ ТРИНИТРОТОЛУОЛА
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru
Татьяна Валерьевна Маганакова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (913)795-71-01, e-mail: Maganakova88@mail.ru
Смоделирован спектр высокого разрешения и получены информационные интенсивности спектральных полос спектра поглощения тринитротолуола (TNT). Проведен сравнительный анализ тринитротолуола с молекулой воды. Рассмотрен метод дифференциального поглощения и рассеяния для дистанционного определения тринитротолуола.
Ключевые слова: тринитротолуол, дифференциальное поглощение и рассеяние, спектр поглощения, спектр высокого разрешения.
MODELING OF SPECTRUM OF HIGH-RESOLUTION AND RECEIVING OF INFORMATION INTENSITY OF VIBRATIONAL-ROTATIONAL ABSORPTION SPECTRUM OF TRINITROTOLUENE
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Head of the Department of Special Devices, Innovation and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru
Tatyana V. Maganacova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D. Student, phone: (913)795-71-01, e-mail: Maganakova88@mail.ru
A high-resolution spectrum was modeled and information intensities of the spectral bands of the absorption spectrum of trinitrotoluene (TNT) were obtained. A comparative analysis of trinitrotoluene with a water molecule was carried out. A method of differential absorption and scattering for the remote determination of trinitrotoluene is considered.
Key words: trinitrotoluene, differential absorption and scattering, absorption spectrum, highresolution spectrum.
Дистанционный контроль состояния атмосферы и детектирование опасных техногенных составляющих, взрывчатых, наркотических и отравляющих веществ в настоящее время является весьма актуальным. Опасные отравляющие, наркотические и взрывчатые вещества, попадая в окружающую среду, могут создавать угрозу массового поражения людей или наносить ущерб природе. Для их идентификации разрабатываются и создаются различные лидарные сис-
темы с применением спектроскопических методов для дистанционного лазерного зондирования [1-10].
Наибольший интерес к ИК-диапазону, именно в нем находятся основные окна прозрачности атмосферы. В УФ и видимом диапазонах спектры поглощения характеризуются наличием широких полос без каких-либо характерных особенностей. В то же время в средней и ближней ИК области, от 2500 см-1 (2,5
мкм) до ""1100 см"1 (5,7 мкм), колебательно-вращательные спектры поглощения молекул обладают высокой специфичностью, определяемой их симметрией и химическим 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, идентификация которых возможна с помощью разработанной ИК-параметрической лазерной системы с плавной перестройкой частоты излучения [1-10, 14-16].
Цель работы состоит в получении информативных спектральных линий колебательно-вращательного спектра поглощения тринитротолуола для идентификации их в открытой атмосфере.
Тринитротолуол (тротил, TNT) - известное бризантное взрывчатое вещество. В работе [2] был проведен спектрохимический анализ и квантово-химический расчет гибридными функционалами B3LYP и базисным набором 3-21G в компьютерной программе GaussView. Был получен спектр поглощения и значения частот и интенсивностей колебательно-вращательных переходов молекулы. Спектр поглощения показал, что в диапазоне от 1250 до 1500 см-1 молекула TNT обладает высокой специфичностью.
Для поиска информативных спектральных линий для тринитротолуола был получен и смоделирован спектр высокого разрешения молекулы воды с заданными параметрами и получена функция поглощения в информационной системе «Спектроскопия атмосферных газов» (SPECTRA) [10], которая использует HITRAN и GEISA. Для моделирования молекулы воды (H2O) в диапазоне волновых чисел от 1000 до 2000 см-1 были выбраны следующие параметры: температура T = 296 К, давление p = 1 атм., шаг вычислений 1 см-1.
Пары воды в открытой атмосфере в ИК-диапазоне обладают высоким поглощением и перекрывают большинство спектральных линий поглощения других веществ. Для поиска информативных спектральных линий тринитротолуола были построены графики двух функций поглощения, которые приведены ниже, на рис. 1.
На рис. 1 приведены смоделированные спектры поглощения молекулы воды (рис. 1, б) и тринитротолуола (TNT) (рис. 1, а). Максимум интенсивности молекулы TNTсовпадает с молекулой воды и скорее всего, будет невозможна для идентификации в атмосфере. Остальные же спектральные линии более информативны в диапазоне от 4 до 5 мкм. Отличаются колебания NO группы молекулы, также характерные колебания C-H связей и кольца, включая целый набор колебаний (изгибное, маятниковое, ножничное и др.).
Рис. 1. Графики функции поглощения молекул TNT и H2O
Для идентификации молекулы необходима установка с плавной перестройкой частоты излучения с параметрическим генератором света (ПГС) и использованием нелинейного кристалла в нужном диапазоне.
В работе [6] показано применение ПГС на основе нелинейного кристалла HGS (тиогаллата ртути) и обеспечение плавной перестройки длины волны в спектральном диапазоне от 4,2 до 10,8 мкм. В 2016 году были проведены эксперименты и получены спектры поглощения газовых смесей муравьиной кислоты с азотом и аммиака с азотом. Изучение и исследования нелинейного кристалла HGS продолжаются, но применение его в диапазоне длин волн от 4,2 до 10,8 мкм для идентификации веществ вполне возможно.
Метод дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных составляющих с больших расстояний [1-3, 7-9, 15,16].
О......... 500 ........ 1000 ........ 1500 ........ 2000 ........ 2500 ........ 300t
Частота. смл
Рис. 2. Теоретический ИК-спектр TNT в диапазоне от 500 до 3000 см-1
Метод ДПР при зондировании в атмосфере заключается в использовании двух длин волн. Посредством плавной перестройки длины волны, лазерный импульс, проходя через вещество, устанавливается на максимуме линии поглощения в точке В, затем, в крыле этой линии в точке А (Рис.2). Отношение сигналов на двух длинах волн позволяет определить состав и идентифицировать вещества в открытой атмосфере.
Сравнительный график рисунка 1 показывает, что молекула TNT обладает высокой специфичностью в диапазоне от 1250 до 1500 см-1, что в свою очередь для обнаружения и детектирования применяется метод дифференциального поглощения и рассеяния, на основе параметрического лазерного комплекса с плавной перестройкой частоты излучения [1-3, 7-9, 15,16].
Проведенный анализ показывает возможность идентификации и дистанционного детектирования опасных техногенных составляющих, взрывчатых, наркотических и отравляющих веществ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Дистанционное измерение параметров взрывчатых веществ методом лазерной спектроскопии // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специальные вопросы фотоники: Наука. Оборона. Безопасность» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 88-93.
2. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Спектрохимические особенности тринитротолуола в широкой области частот // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Национ. науч. конф. «Наука. Оборона. Безопасность-2017» : сб. материалов (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. - С. 63-67.
3. 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.
4. Скворцов Л.А.Лазерные методы обнаружения следов взрывчатых веществ на поверхностях удаленных объектов (обзор) // Квантовая электроника, 42, №1, 2012 - Москва. -1 - 11 С.
5. 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. - 653-678С.
6. Колкер Д.Б., Шерстов И.В., Костюкова Н.Ю., Бойко А.А., Зенов К.Г., Пустовалова Р.В. Комбинированный параметрической генератор света с непрерывной перестройкой частоты излучения в спектральном диапазоне 2,5-10,8 мкм, Квантовая электроника, 47:1 (2017), 14-19.
7. 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.
8. 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.
9. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Расчет концентрации наркотических веществ методом дифференциального поглощении и рассеяния // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 141-147.
10. Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2014. - 508 с.
11. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы. - М.: Мир, 1987. -
548 с.
12. Ахманов, С. А. Физическая оптика [Текст]: учебник 2-е издание / С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин - М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. - 656с.
13. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.: Физматгиз, 1962. -
892 с.
14. 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.
15. AyrapetianV.S. IRlidarbasedonOPO/ A.V. Hakobyan, G.M. Apresyan, E.M. Poghossyan, AH. Sahakyan, K A. Sargsyan, T.K. Sargsyan // SPIE. 2006. v.6160, pp.708 - 713
16. Айрапетян В.С. Вне резонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения// Вестник НГУ сер. Физика.- 2009, №3.-С.20 -24.
17. 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, 2018
