Моделирование детектора следовых количеств опасных веществ | Статья в журнале «Техника. Технологии. Инженерия»

Авторы: ,

Рубрика: Электроника, радиотехника и связь

Опубликовано в Техника. Технологии. Инженерия №2 (4) апрель 2017 г.

Дата публикации: 27.03.2017

Статья просмотрена: 7 раз

Библиографическое описание:

Лупанов С. В., Головяшкин А. Н. Моделирование детектора следовых количеств опасных веществ // Техника. Технологии. Инженерия. — 2017. — №2. — С. 35-38. — URL https://moluch.ru/th/8/archive/57/2205/ (дата обращения: 18.08.2018).



Актуальность проблемы, связанной с террористическими актами, не нуждается в объяснении. Особенно в случае использования опасных веществ. Нами был проведен эксперимент по обнаружению следов TNT на расстоянии. [1] В данной работе попытаемся смоделировать предыдущий эксперимент и привести теоретическое описание модели.

Мы использовали перестраиваемый CO2 лазер. В основе лежал метод резонансной фототермической спектроскопии [2–7]. Опасное вещество облучалось лазерным излучением. Далее с помощью фотодетектора регистрировался термический сигнал (отклик) от образца. И в конечном итоге сравнивался с эталонным спектром.

Возможность дистанционного обнаружения отдельных микрочастиц ВВ методом резонансной фототермической спектроскопии можно показать, используя стационарную модель нагрева отдельных частиц ВВ, которая реализуется при воздействии на исследуемый объект излучения лазера непрерывного (квазинепрерывного) режима работы.

  1. Расчет температуры нагрева

(стационарный случай), (1)

Т — температура, K — теплопроводность, Е — энергия, поглощенная в единице объема в единицу времени;

— интенсивность гауссова пучка; r — радиальная координата; α — коэффициент поглощения; ω — радиус гауссова пучка.

Используя цилиндрическую симметрию задачи нагрева тонкой пленки на полубесконечной подложке, решение уравнение (1) может быть получено с помощью преобразования Фурье-Бесселя:

, (2)

где R = r/ω, Z = z/ω, W = αω, B = αPL/2πKF(0) — безразмерные параметры и PL — полная мощность падающего на образец лазерного пучка. Гауссова функция F(R) = , F(λ) — преобразование Бесселя от функции f(r) и J0 — функция Бесселя нулевого порядка.

Общее решение уравнения (2) для возрастания температуры может быть записано в терминах нормированной функции температуры N (R, Z, W), которая представляет собой понижающий температуру фактор. Тогда выражение для максимального повышения температуры будет иметь вид:

, (3)

где максимальное повышение температуры дается выражением:

. (4)

Будем предполагать, что нагрев ограничивается поверхностным слоем (.

Общее выражение для функцииесть:

(5)

В соответствии с (5) значение температуры вдоль оси лазерного пучка (r = 0) на поверхности образца (z = 0) можно записать в виде:

, (6)

где

(7)

Для больших значений величина

Для большинства веществ коэффициент поглощения велик (обычно > 1000 см-1) и при диаметре пучка 2ω ~1 см безразмерный параметр имеет большое значение, при котором Поэтому максимальная температура нагрева поверхности равна:

. (8)

  1. Расчет мощности теплового излучения

Сначала оценим величину сигнала, соответствующего температуре нагрева

Плотность мощности, испускаемого поверхностью любого тела излучения:

(9)

где — излучательная способность, = 5,67·10–8 Вт·м-2·К-4 — постоянная Стефана-Больцмана.

Превышение плотности мощности излучаемой нагреваемой частицей по отношению к не подвергающимся нагреву частицам в ее окружении (регистрируемый дифференциальный сигнал):

(10)

Полная мощность излучения, испущенная в телесный угол 4π, равна

,

где А — площадь излучающей поверхности.

Мощность теплового излучения, попадающая в приемную оптическую систему ИК камеры, равна:

, (11)

где — площадь апертуры собирающей линзы, L — расстояние до объекта.

  1. Расчет чувствительности метода

— Температура эквивалентная шуму (noise-equivalent temperature difference);

/Фп см·Гц1/2·Вт-1 — удельная обнаружительная способность;

— площадь приемной площадки детектора;

— ширина полосы частот электрического тракта;

Фп — пороговый поток приемника (Вт);

NEP — мощность эквивалентная шуму (noise-equivalent power), употребляется для мощности в единичной полосе частот;

Фп = NEP = , Вт.

(12)

где — диафрагменное число объектива, — фокусное расстояние объектива, - диаметр входной апертуры телескопа, — пропускание оптической системы, — Вт·см-2·К-1 (производная мощности излучения по температуре в интервале длин волн ∆λ = λ2 — λ1).

Вследствие поглощения возрастание температуры частицы уменьшается экспоненциально с ее размером, т. е. как . Здесь d представляет собой средний размер частиц ВВ (толщину пленки).

Так как размер частицы меньше, чем глубина, на которой поглощается излучение, то формула (8) видоизменится следующим образом:

. (13)

После подстановки (13) в (11) чувствительность метода определим из условия: .

= (14)

Из (12) найдем пороговый поток:

. (15)

Приравнивая выражения (14) и (15), а также учитывая, что , получим:

. (16)

Для вычисления толщины пленки приведем значения всех параметров, входящих в выражение (16):

α = 5∙ см-1; 19,6 ( = 5 см); ε = 0,9; Ϭ = 5,67·10–8 Вт·м-2·К-4 = 5,67·10–12 Вт·см-2·К-4; Т = 300К; РL = 1,5·10–2 Вт (с учетом 2-х кратного ослабления меандром); ω = 0,5 мм = 5·10–2 см; К = 1,55∙10–2 Вт·cм-1·К-1; L = 50 см; F = 2 ( = 5 см); Адет = 10–2 см2 (1 мм х 1 мм); τ0 = 0,9; NETD = 2,5·10–2К (25 мК); = 2,62·10–4 Вт·см-2·К-1 (∆λ = λ2 — λ1 = 14–8). Подставляя приведенные параметры в (16), получим:

d=] =≈ 3,7·10–6 см = 3,7 мкм.

Тогда чувствительность:

μ = m/S, m=

Учитывая приближенный характер принятой модели, согласие эксперимента с результатами расчета можно считать удовлетворительным.

Из уравнения (14) следует, что

.

Это означает, что для обнаружения следов ВВ такой же концентрации на расстоянии 10 м, средняя мощность излучения лазера должна быть

Так как чувствительность падает обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта, то на расстоянии 1 м до объекта описанная система регистрация обеспечивает пороговую чувствительность ~ 25 мкг/см2.

C:\Users\Сергей\Desktop\диплом\мощность от расстояния финал.jpg

Рис. 1. Расчетные зависимости мощности лазерного излучения от расстояния обнаружения при фиксированной чувствительности (6 мкг/см2) и при разных диаметрах входного окна ИК-объектива

Литература:

  1. Лупанов С. В., Головяшкин А. Н. Детектирование микроколичеств твердых опасных веществ на поверхности удаленных объектов // Молодой ученый. — 2017. — №11.
  2. Van Neste C. W., Senesac L. R., and Thundat T. Anal.Chem. 81 (5), 1952 (2009).
  3. Van Neste C. W., Senesac L. R., Yi D., and Thundat T. Appl. Phys. Lett. 92, 134102 (2008).
  4. Van Neste C. W., Senesac L. R., and Thundat T. Appl. Phys. Lett. 92, 234102 (2008).
  5. Papantonakis M. R., Kendziora C., Furstenberg R., Stepanowski S. V., Rake M., Stepanowski J., McGill R. A. Proc. SPIE, 7304,730418–9 (2009).
  6. 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).
  7. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): NEP, TNT, NETD, максимальное повышение температуры, тепловое излучение, резонансная фототермическая спектроскопия, лазерный пучок, лазерное излучение, гауссов пучок, коэффициент поглощения.

Похожие статьи

Детектирование микроколичеств твердых опасных веществ на...

NEP, TNT, NETD, максимальное повышение температуры, тепловое излучение, резонансная фототермическая спектроскопия... Определение физических параметров радиационных процессов...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

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

Лазерное излучение высокой интенсивности в импульсных полях пикосекундной.

Длина волны лазерного излучения. Определение физических параметров радиационных процессов...

Исследование генерации второй гармоники твердотельного...

Длина волны лазерного излучения. – P. 1602. 10. Данилова Ю.Э., Драчёв В.П., Перминов С.В., Сафонов В.П. Нелинейность коэффициентов преломления и поглощения металлических фрактальных кластеров в...

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

Рис. 2. Схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра: I — лазер; II — система преобразования и регистрации излучения.

Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

лазерное излучение, длительность импульса, резонансный домен, лазерный импульс, агрегат, ионная компонента, импульсное лазерное излучение, лазерная длина волны, сечение поглощения, тепловая энергия.

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

ион, лазерная плазма, плотность мощности излучения лазера, спектр, спектр ядер, атомная масса мишени, энергетический спектр ядер, кратность заряда, максимум распределения, пучок ядер.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Резонансная длина волны БР зависеть от температуры и вложенный в ней внешней механической напряжений.

Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением. Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны...

Способы получения электрики и тепла из солнечного излучения

• Наиболее широко на сегодня используется фототермический способ преобразования солнечной энергии.

Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в

- Прохождением части излучения через фотоэлемент без поглощения в нем

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

Максимальный коэффициент эффективности поглощения алюминия в PETN также

26. Каленский, А. В. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность

При этом чем больше резонансная длина волны домена, тем шире спектр поглощения, а...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Детектирование микроколичеств твердых опасных веществ на...

NEP, TNT, NETD, максимальное повышение температуры, тепловое излучение, резонансная фототермическая спектроскопия... Определение физических параметров радиационных процессов...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

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

Лазерное излучение высокой интенсивности в импульсных полях пикосекундной.

Длина волны лазерного излучения. Определение физических параметров радиационных процессов...

Исследование генерации второй гармоники твердотельного...

Длина волны лазерного излучения. – P. 1602. 10. Данилова Ю.Э., Драчёв В.П., Перминов С.В., Сафонов В.П. Нелинейность коэффициентов преломления и поглощения металлических фрактальных кластеров в...

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

Рис. 2. Схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра: I — лазер; II — система преобразования и регистрации излучения.

Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

лазерное излучение, длительность импульса, резонансный домен, лазерный импульс, агрегат, ионная компонента, импульсное лазерное излучение, лазерная длина волны, сечение поглощения, тепловая энергия.

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

ион, лазерная плазма, плотность мощности излучения лазера, спектр, спектр ядер, атомная масса мишени, энергетический спектр ядер, кратность заряда, максимум распределения, пучок ядер.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Резонансная длина волны БР зависеть от температуры и вложенный в ней внешней механической напряжений.

Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением. Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны...

Способы получения электрики и тепла из солнечного излучения

• Наиболее широко на сегодня используется фототермический способ преобразования солнечной энергии.

Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в

- Прохождением части излучения через фотоэлемент без поглощения в нем

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

Максимальный коэффициент эффективности поглощения алюминия в PETN также

26. Каленский, А. В. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность

При этом чем больше резонансная длина волны домена, тем шире спектр поглощения, а...

Посетите сайты наших проектов

Задать вопрос