Обнаружение и измерение параметров наркотических веществ с помощью перестраиваемого ИК лазера Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОБНАРУЖЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ИК ЛАЗЕРА

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 MEASUREMENT OF PARAMETERS OF DRUGS USING TUNABLE IR LASER

Valeric S. Ayrapetyan

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., department head of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru

Tatyana V. Maganacova

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St, student, tel. 8913-795-71-01, e-mail: TanuShka A88@mail.ru

The calculated and experimental research on remote spectroscopic determination of the parameters of certain drugs with the use of IR-parametric laser.

Key words: parametric generator of light, nonlinear crystal, differential scattering and absorption.

Дистанционное детектирование наркотических веществ (НВ) в

атмосфере является актуальной задачей современности.

Большое число НВ относятся к классу летучих соединений и характеризуются 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).

Результаты исследований [1,2,3] свидетельствуют, что основные колебательно-вращательные полосы поглощения излучения легально

применяемыми НВ 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 наиболее известными наркотическими веществами, такими как синтетические

каннабиноиды, стимуляторы амфетоминового 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 (ДVиЗЛ) должна быть меньше спектральной ширины полосы поглощения детектируемой молекулой (ДVп0гЛ).

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 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 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 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 [4,5] 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.

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.

пг

АЦП—* ПК

нв

НК

Рис.1 Оптическая схема экспериментальной установки для исследования структуры, состава и концентрации наркотических веществ:

YAG: №3+ - 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

В данной работе приводятся результаты вычислений интенсивности и минимальной энергии излучения, необходимых для детектирования наркотического вещества относящееся к ряду синтетических каннабиноидов JWH-250 (2-(2-метоксифенил)-1-(1-пентил-1Н-индол-3-ил) этанон) разработанным автоматизированным дифференциальным комплексом (рис.1). Расчеты выполнены на основе базы данных ШТКЛК [6].

На рис. 2, 3 приведены сечения поглощения в инфракрасной зоне спектра НВ [7].

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 НВ в соответствии с формулой [1]:

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.

(1)

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Волновое чиспо (см-1)

Рис. 2. ИК-спектр 1\¥Н-250

3500 3000 2500

Рис. 3. ИК-спектр 1^Н-250, увеличена зона спектра около 3 мкм

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 JWH-250 вещества по формуле Бэра:

Величина концентрации органических веществ К(Я) в объеме газа, которая может быть определена с помощью метода ДПР, была рассчитана по формуле:

N(R) =

1

2а

Л

d

dR

In^^-ln

P io,R^ pio,R.

+ k Ci ,Rj-k Co ,R

(3)

где оА(^0,^1) = сА(^0) - ал(^1) - сечение дифференциального поглощения; Р(ХД) - мощность сигнала на длине волны X.

Затем вычислено относительное число НВ (п) по формуле:

п =

N(R)

(4)

где N - число Лошмидта.

Результаты вычисления значений полуширины спектров поглощения (Дупогл) и энергии прошедшего излучения (Е), а также концентрации молекул (К(Я)) и относительное число молекул (п) НВ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты ■ асчета спектроскопических параметров

Номер ветви Полоса поглощения, v (см-1) Длина волны, X (мкм) Полуширина излучения, Av (см-1) Коэффициент поглощения, а (см-1) Концентрация НВ

1. 2835,29-2870,59 3,505 40,7 2,38-10-12 0,4440-14

2. 2905,88-2947,0б 3,42 42,75 11,6610-12 2,17^ 10-14

3. 2929,41-29б1,7б 3,39 2б,105 4,12-10-12 0,77-10-14

Таким образом, 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. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы. - М.: Мир, 1987. -

548 с.

2. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия.- М.: Физматгиз, 1962. - 892 с.

3. 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.

4. 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

5. Айрапетян В.С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения// Вестник НГУ сер. Физика.- 2009, №3.-С.20 - 24.

6. 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.

7. 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 г.

© В. С. Айрапетян, Т. В. Маганакова, 2014