Детектирование микроколичеств твердых опасных веществ на поверхности удаленных объектов

В наше время участились попытки террористических актов в местах высокого скопления людей: в аэропортах, на вокзалах, в торговых центрах и т. д. Иногда очень сложно предотвратить теракт, не говоря уже о предотвращении его на стадии подготовки. В данной статье автор предлагает ознакомиться с проведенным экспериментом по обнаружению химических соединений опасных веществ (взрывчаток) с безопасного расстояния высокой чувствительностью и коротким временем детектирования.

В основе эксперимента лежал метод резонансной фототермической спектроскопии [1–6]. Исходный материал (опасное вещество) освещается с помощью лазерного излучения в области среднего инфракрасного спектра (10–12 мкм). Далее материал нагревается и излучает в том же диапазоне длин волн. Приемник излучения улавливает сигнал от образца и снимает спектр излучения данного вещества. Следующим шагом является сравнение спектра с библиотекой и в случае сходства подача сигнала оператору об угрозе.

В данной работе использовался дискретно перестраиваемый лазер в диапазоне длин волн от 9,2 до 10,7 мкм. модели LCD-5WGT. Данный лазер работает в непрерывном режиме, импульсы были сделаны при помощи механического модулятора с шаговым двигателем. Также использовался внешний резонатор в конфигурации Литтрова. Диаметр пятна лазерного излучения измерялся стандартным методом с применением калиброванных диафрагм и измерителя мощности лазерного излучения производства фирмы OphirOptronicsSolutionsLtd.

Рис. 1. СО2 лазер модели LCD-5WGT с источником питания

Рис. 2. Спектр излучения перестраиваемого СО2 лазера модели LCD-5WGT с внешним резонатором

Тепловой поток из области воздействия с помощью инфракрасной оптики собирается и фокусируется на приемную площадку ИК — детектора.

В качестве приемника излучения в работе использовался одноэлементный приемник на основе тройного соединения CdHgTe(КРТ) фирмы VigoSystems, Inc. модели PC-2TE-13 с термоэлектронным (ТЕ) охлаждением. Обнаружительная способность детектора в диапазоне длин волны от 8 до 12 мкм практически постоянна и равна D^* = 2∙10⁷ см∙Гц^1/2∙Вт^-1 (рис. 3), размер приемной площадки — 1х1 мм². В полосе частот Δf = 1 Гц при диафрагменном числе объектива F = 2 это соответствует минимально обнаружимой разности температур NETD = 25 мК (12).

Для блокировки чувствительного элемента от рассеянного излучения CO2лазера перед его приемной площадкой закреплялся интерференционный фильтр.

Электрический сигнал с выхода фотоприемника усиливался и обрабатывался на компьютере. Частота модуляции сигнала по амплитуде равнялась 2 кГц. Модулятор — прерыватель, управляющийся шаговым двигателем, в итоге получался меандр со скважностью 2

Рис. 4. Осциллограмма последовательности лазерных импульсов, воздействующих на образец

Важное место в проведении эксперимента занимает подготовка образцов с требуемой поверхностной концентрацией исследуемого вещества. Подлежащие испытанию прессованные таблетки ВВ поставлялись организацией, заинтересованной в проведении данной работы.

Процедура приготовления образцов заключалась в следующем. Раствор ацетона с известной концентрацией ВВ (2 мл) заливался в чашку Петри. После чего в него погружалась подложка, причем только одной стороной (метод частичного погружения). Количество осажденного на поверхности подложки вещества определялось путем ее взвешивания до погружения и после полного высыхания, т. е. испарения ацетона. Метод позволяет наносить на слабо отражающие подложки равномерные тонкие слои ВВ, поверхностная концентрация которых находится в диапазоне значений от 1 до 15 мкг/см². В качестве подложки в настоящей работе использовались калиброванные образцы из покрытого краской алюминия, имитирующего дверь автомобиля. Поверхностная концентрация тонкого слоя TNT на подложке составляла примерно 6 мкг/см².

Для устранения мешающего обнаружению и идентификации ВВ постоянного фона в настоящей работе анализировался дифференциальный сигнал, получаемый путем вычитания сигнала в отсутствие лазерного воздействия из сигнала при наличии такого воздействия. При этом величина дифференциального фототермического сигнала нормировалась на мощность лазерного излучения.

Исследуемый образец сканировался по длине волны в районе линии излучения СО2 лазера 10Р26 (λ = 10,653 нм), совпадающей с одним из характерных для TNT пиков в спектре поглощения. При этом предварительно с помощью Фурье спектрометра был измерен спектр поглощения прессованного порошка TNT (эталонный спектр).

В итоге эксперимента получилась установка детектирования следов количества опасных веществ на расстоянии ~50 см с чувствительностью 6 мкг/см² при средней мощности лазера 30мВт. Конечно габариты ее весьма внушительны. Но зато мы можем с уверенностью сказать, что уже на сегодняшний день существует возможность обнаружения микроследов опасных веществ, используя, например, квантовокаскадный лазер [7,8]. В итоге все упирается в мощность существующих лазеров.

Литература:

1. Van Neste C. W., Senesac L. R., and Thundat T. Anal.Chem. 81 (5), 1952 (2009).
2. Van Neste C. W., Senesac L. R., Yi D., and Thundat T. Appl. Phys. Lett. 92, 134102 (2008).
3. Van Neste C. W., Senesac L. R., and Thundat T. Appl. Phys. Lett. 92, 234102 (2008).
4. Papantonakis M. R., Kendziora C., Furstenberg R., Stepanowski S. V., Rake M., Stepanowski J., McGill R. A. Proc. SPIE, 7304,730418–9 (2009).
5. Furstenberg R., Kendziora C., Stepanowski S. V., Stepanowski J., Rake M., Papantonakis M. R., Nguyen V, Hubler G. K., and McGill R. A., Appl. Phys. Lett., 93 (22), 224103 (2008).
6. McGill R. A., Kendziora C. A., Furstenberg R., Papantonakis M. R., Horwitz J., and Hubler G. K. U.S. Patent Application 12/255, 103; Field Oct. 21, 2008.
7. CurlR., CapassoF., GmachlG., KosterevA., ManusB., LevickiR., PusharskyM., WysockiG., TittelF. Chem. Phys. Lett.,487, 1 (2010).
8. http://www.daylightsolutions.com.