Детектирование микроколичеств твердых опасных веществ на поверхности удаленных объектов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 29 июня, печатный экземпляр отправим 3 июля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №11 (145) март 2017 г.

Дата публикации: 19.03.2017

Статья просмотрена: 24 раза

Библиографическое описание:

Лупанов С. В., Головяшкин А. Н. Детектирование микроколичеств твердых опасных веществ на поверхности удаленных объектов // Молодой ученый. — 2017. — №11. — С. 81-84. — URL https://moluch.ru/archive/145/40778/ (дата обращения: 20.06.2019).



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∙Гц1/2∙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).

Рис. 3. Спектральная зависимость обнаружительной способности неохлаждаемых КРТ приемников серии РС-2ТЕ

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

нужное2

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.
Основные термины (генерируются автоматически): TNT, лазерное излучение, спектр излучения, внешний резонатор, приемная площадка, шаговый двигатель, диапазон длин волн, NETD, лазер модели, поверхностная концентрация.


Похожие статьи

Исследование генерации второй гармоники твердотельного...

Ключевые слова: твердотельный лазер, вторая гармоника, полупроводниковая накачка. Эффект генерации второй гармоники используется для расширения возможного длин волн лазерного излучения. Реализуется в основном в твердотельных лазерах.

Модель диодного лазера с вытекающим излучением...

Одна из простейших конструкций гетероструктуры для диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор (ДЛ-ВИОР) c длинами волн в диапазоне примерно 900 - 1100 нм схематически изображена на Рис. 1. Рис 1. Схема простейшей гетероструктуры для...

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

где I(γ,0) интенсивность излучения лазера в начале генерации; k(γ) — спектральный коэффициент поглощения; t-время регистрации; Lп и Lp — длины поглощающего слоя газа и резонатора лазера.

Имитационная модель цифрового датчика давления.

Моделирование детектора следовых количеств опасных веществ

Опасное вещество облучалось лазерным излучением.

— площадь приемной площадки детектора

Основные термины (генерируются автоматически): NEP, TNT, NETD, максимальное повышение температуры, тепловое излучение, резонансная фототермическая спектроскопия...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением. Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или излучения...

Применение методов обработки видеоданных для анализа...

Основные термины (генерируются автоматически): PIV, PTV, металлический порошок, экспериментальная установка, лазерное сплавление, MATLAB, мощное лазерное излучение, ряд случаев

Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор.

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

1.2 Параметры плазмы. Плотность (концентрация) как заряженных, так и нейтральных частиц.

Рис. 3. Спектр излучения и его уширение. 1.7 Моделирование.

, где — коэффициент излучения для i — той длины волны; h — постоянная Планка; с — скорость...

Применение лазеров в полупроводниковой технологии

Ключевые слова: лазер, лазерное воздействие, активация, отжиг, рекристаллизация, спонтанное и вынужденное излучения.

Очень малые размеры; высокий КПД; очень малая когерентность; низкая мощность; длина волны зависит от температуры.

Алгоритм решения самосогласованной модели диодного лазера...

Диодный лазер формирует спектр излучения, тогда как в волноводе спектр излучения определяется извне.

Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор.

Учебные компьютерные модели механических волн.

Похожие статьи

Исследование генерации второй гармоники твердотельного...

Ключевые слова: твердотельный лазер, вторая гармоника, полупроводниковая накачка. Эффект генерации второй гармоники используется для расширения возможного длин волн лазерного излучения. Реализуется в основном в твердотельных лазерах.

Модель диодного лазера с вытекающим излучением...

Одна из простейших конструкций гетероструктуры для диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор (ДЛ-ВИОР) c длинами волн в диапазоне примерно 900 - 1100 нм схематически изображена на Рис. 1. Рис 1. Схема простейшей гетероструктуры для...

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

где I(γ,0) интенсивность излучения лазера в начале генерации; k(γ) — спектральный коэффициент поглощения; t-время регистрации; Lп и Lp — длины поглощающего слоя газа и резонатора лазера.

Имитационная модель цифрового датчика давления.

Моделирование детектора следовых количеств опасных веществ

Опасное вещество облучалось лазерным излучением.

— площадь приемной площадки детектора

Основные термины (генерируются автоматически): NEP, TNT, NETD, максимальное повышение температуры, тепловое излучение, резонансная фототермическая спектроскопия...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением. Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или излучения...

Применение методов обработки видеоданных для анализа...

Основные термины (генерируются автоматически): PIV, PTV, металлический порошок, экспериментальная установка, лазерное сплавление, MATLAB, мощное лазерное излучение, ряд случаев

Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор.

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

1.2 Параметры плазмы. Плотность (концентрация) как заряженных, так и нейтральных частиц.

Рис. 3. Спектр излучения и его уширение. 1.7 Моделирование.

, где — коэффициент излучения для i — той длины волны; h — постоянная Планка; с — скорость...

Применение лазеров в полупроводниковой технологии

Ключевые слова: лазер, лазерное воздействие, активация, отжиг, рекристаллизация, спонтанное и вынужденное излучения.

Очень малые размеры; высокий КПД; очень малая когерентность; низкая мощность; длина волны зависит от температуры.

Алгоритм решения самосогласованной модели диодного лазера...

Диодный лазер формирует спектр излучения, тогда как в волноводе спектр излучения определяется извне.

Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический резонатор.

Учебные компьютерные модели механических волн.

Задать вопрос