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Abstract

Verfahren zur Detektion von Sprengstoff-Kontaminationen insbesondere auf metallischen und festen Oberflächen mit laserindizierter Wärmezufuhr, mit den Schritten: DOLLAR A mit einem ersten Laser Erwärmung der zu untersuchenden Oberfläche zur Ausgasung, DOLLAR A mit einem weiteren Laser spektroskopisch über Differential Absorption des Verhältnis typischer bei der Erwärmung von Sprengstoffen photofragmentierender Substanzen der Gruppe N, H, O, C sowie daraus sich bildender Moleküle ermitteln, und mit einem Rechner Sprengstoff typische Verhältnisse erfassen und das Vorhandensein entsprechender Sprengstoffspuren signalisieren und/oder aufzeichnen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Sprengstoff-Kontaminationen. Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Sprengstoff-Kontaminationen beruhen zur Zeit darauf, dass mit klebrigen Stoffstreifen oder dergleichen Abstriche an kontaminierten Oberflächen gemacht werden und diese Träger in ein Spektrometer zum Nachweis eingebracht werden.
  • Dieses Verfahren lässt sich zwar dann bewerkstelligen, wenn die zu untersuchenden Objekte, beispielweise Koffer, sich in Zugriffsbereich der sie prüfenden Personen und eines kleinen Labors befinden, nicht jedoch, wenn in einer schnellen, nach Möglichkeit auf Distanz oder zumindest annähernd berührungslosen Weise Kontamination erfasst werden sollen.
  • Weiter sind bereits laseroptische Distanzsensoren aus der EP 1 443 319 A1 bekannt, in der berührungslos Minen und Explosionsstoffe dadurch identifiziert werden, dass ein Plasma an der zu untersuchenden Oberfläche erzeugt wird, dessen Spektrallinien ausgewertet werden.
  • Auch sind aus den EP 0 305 556 A1 und der US 5,364,795 bereits Verfahren zur Erfassung von Sprengstoff durch ein spektralanalytisches Verfahren oder im zweiten Fall durch Photolyse in einer Probenkammer vorbekannt.
  • Ergänzend ist auch der Aufsatz Cabalo, J, et.al. ,Trace detection of explosives with low vapor emissions by laser ...' Applied Optics 44 (6), 2005, s. 1084-1091 zu nennen.
  • Die Erzeugung eines Plasmas setzt jedoch einen hochenergetischen Laser voraus, der zum einen durch seine räumlichen Abmessungen unhandlich wird und zum anderen nicht ohne Gefährdung, beispielsweise des menschlichen Auges, auf offener Strasse verwandt werden kann.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Detektionsverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die auch auf offener Strasse mit einer möglichst kleinen Vorrichtung Sprengstoff-Kontaminationen, beispielsweise an Türgriffen von Fahrzeugen, aber auch an Kleidung oder Gepäckstücken, schnell und einfach detektieren kann.
  • Erfindungsgemäß wird dazu die zu untersuchende Oberfläche lediglich erwärmt und mit einem laserspektroskopischen Detektor das Verhältnis typischer, bei der Erwärmung von Sprengstoffen photofragmentierender Substanzen, z.B. NOx Anteile ermittelt und mit einem Rechner sprengstoff-typische Verhältnisse erfasst und das Vorhandensein entsprechender Sprengstoffspuren signalisiert und/oder aufgezeichnet werden.
  • Dabei wird mittels eines Laserpulses eines ersten Lasers die zu untersuchende Oberfläche erwärmt. Bei Vorhandensein einer Explosivstoffkontamination auf der Oberfläche werden durch Photoablation NOx-Moleküle freigesetzt. Ein zweiter Laser mit einer den Absorptionslinien der NOx-Moleküle entsprechenden Wellenlänge wird daraufhin auf die Oberfläche eingestrahlt. Dieses Lasersignal wird an der Oberfläche, abgeschwächt durch die über der Oberfläche befindlichen NOx-Moleküle, zu einem am Ort der Strahlquelle befindlichen Detektor zurückgestreut. Eine Auswerteeinheit erfasst dann sprengstoffspezifische Verhältnisse von NO und NO2 und ermöglicht somit die Aussage über das Vorhandensein entsprechender Sprengstoffsignaturen.
  • Die verwendeten beiden Laser unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Wellenlänge. Für die vorteilhafterweise gepulste Strahlquelle für die Photoablation wird eine Wellenlänge λ = 1,5 μm besonders gut geeignet sein. Bei dieser Wellenlänge ist die Absorption durch Explosivstoffe besonders hoch. Daraus resultiert eine besonders starke Photoablation des Explosivstoffes bei minimaler Erwärmung der Oberfläche. Auch aus Gründen der Arbeitssicherheit ist dieser Wellenlängenbereich besonders geeignet, da er „eye-save" ist.
  • Der Aufbau eines derartigen ersten Lasers kann dann beispielsweise wie folgt realisiert werden : Die Laserpulse eines passiv gütegeschalteten Er:Glass-Microchiplasers werden in einem Er:Yb-Faserverstärker nachverstärkt. Die Strahlquelle ist leistungsstark, kompakt, stabil und kostengünstig. In einer fasergekoppelten Ausführung ist diese Strahlquelle besonders flexibel einsetzbar.
  • Und der zweite Laser für die MIR-Spektroskopie wird mit vorteilhafterweise einer Wellenlänge λ = 5,3 μm arbeiten, da sich bei dieser Wellenlänge ausgeprägte NO-Absorptionslinien finden. Diese Wellenlänge erscheint daher zur spektroskopischen Diagnostik typischer Sprengstoff-Moleküle besonders geeignet.
  • Realisiert werden kann der zweite Laser insbesondere durch einen sogenannten Quantenkaskadenlasers (QCL) an. Die kompakte, stabile Strahlquelle zeichnet sich durch hohe Laserleistung bei niedriger Leistungsaufnahme aus. Alternativ können auch Differenz Frequenz (DFG) Lasersysteme eingesetzt werden.
  • Dabei ist es möglich, mit einer Absorptionsmessung im Dampf des Sprengstoffes (nicht etwa dem Plasma, denn dieses würde noch die Stickstoffanteile umgebende Luft mitionisieren und das Ergebnis verfälschen) zu untersuchen. NO beispielsweise zeigt ein starkes Absorptionsverhalten im MIR-Bereich bei ca. 5,3 μm.
  • Es ist auch möglich, eine Chemo-Luminiszenz-Messung durchzuführen, bei der mittels Ozon der Dampf in NO und NO2 zerlegt wird. Durch gepulste Erwärmung, beispielsweise im 1-Nanosekunden-Bereich, was einer Pulslänge des Laserlichtstrahls von ca. 30 cm entspricht, kann sichergestellt werden, dass lediglich diejenigen Gasspuren eine Berücksichtigung finden, die direkt im Bereich der Oberfläche – also nicht durch eine abgasbelastete Luft entstanden sind, die etwa im übrigen vom Laserlicht passierten Medium vorhanden ist.
  • Dies macht es möglich, auch über längere Strecken mit dem Laser zu arbeiten, ein begrenzendes Kriterium ist lediglich die optische Erfassung der induzierten Sprektralabstrahlung, was aber durch teleskopische Mittel, z.B. Spiegelteleskope geeignet gelöst werden kann.
  • Es wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Wirksamkeit statt der üblicherweise für Nd:YAG-Laser vorhanden 1064 nm eine Wellenlänge zwischen 1200 und 1500 nm zu verwenden, da diese eine Herabsetzung der Energiedichte und eine bessere Auflösung auf die zu erwartenden Spektrallinien ermöglicht.
    •
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt
  • 1a einen beispielhaften Ausbau für eine Vorrichtung nach der Erfindung,
  • 1b einen zweiten Aufbau für eine Vorrichtung zur Chemoluminiszenz-Detektion,
  • 2a, b die NO Absorptionsspektren, die durch einen Qunatenkaskadenlaser bei 5.3 μm erfasst werden, nachdem PLV einer HMX Probe durch Interaktion mit Infrarotlaserlicht bei 1.5 μm erfolgte, (a) in einer NO Referenzzelle im Labor (b) PLV and MIR-DIAS unter Umweltbedingungen an Luft,
  • 3a, b, c die NO/NO2 Verhältnisse als Indikator für das Vorhandensein von mit Sprengstoffen kontaminierten Oberflächen nach PLV und spektroskopischer NOx Erfassung für (a) einen unbeschichteten Körper, (b)) einen mit TNT im μg-Bereich beschichteten Körper und (c) einen mit TNT im mg-Bereich beschichteten Körper,
  • 4a, b die NO/NO2 Verhältnisse als Indikator für das Vorhandensein von mit Sprengstoffen kontaminierten Oberflächen nach PLV und spektroskopischer NOx Erfassung für (a) einen PVC (Kunststoff) Körper, (b) einen mit TNT im mg-Bereich beschichteten Körper. Deutlich ist die Umkehr der Verhältnisse zu sehen,
  • 5 den Aufbau des ersten Lasers,
  • 6 einen schematischen Aufbau, der beide Laser vereinigt,, wobei statt eines Quantenkaskadenlaseres ein Differenzfrequenzgenerations-Laser (DFG) zum Einsatz kommt,
  • 7 den Aufbau des DFG-Systems der 6, des zweiten Lasers,
  • 8 ein Beispiel für die Verwendung eines Evaneszenz-Feld Sensors in Kombination mit dem zweiten, dem Spektroskopie-Laser.
  • Die Fernerfassung von Sprengstoffen (engl. Remote stand-off detection of explosives) wird mittels einer Kombination von gepulster Laserverdampfung (engl. pulsed laser vaporization – PLV) und gepulster Infrarot Differentialabsorptionsspek troskopie (engl. mid-infrared differential absorption spectroscopy – MIR-DIAS) erreicht. Labormessungen zeigen die Möglichkeit zwischen energiereichen und nicht-energiereichen Materialien durch Messung der Menge emittierten NOx nach einer PLV auf der Probenoberfläche zu unterscheiden.
  • Wenn zusätzlich noch das Verhältnis NO/NO2 ermittelt wird, kann wie in 1 dargestellt, insbesondere zwischen Plastikwerkstoffen und Sprengstoff, z.B. TNT unterschieden werden.
  • In diesen Experimenten werden Metalloberflächen mit 150 μg TNT (auf einer Oberfläche A = 3 cm2) versehen und durch Infrarotlaser Strahlung bestrahlt. NOx Komponenten werden dann durch Chemoluminiszenz ermittelt. Signifikante Unterschiede zwischen energiereichen und nicht-energiereichen Materialien und TNT kontaminierter Metalloberfläche ergeben sich bei Betrachtung des Verhältnisses NO/NO2.
  • Das Stickstoffmonoxid- (NO) Molekül zeigt fundamentale (Schwingungszustands-) Absorptionslinien im Spektralbereich oberhalb 5 μm mit Oszillationsstärke, die es erlaubt empfindliche spektroskopische Diagnostik des NO zu betreiben. Ein gepulste Laseranregung mit einer Wellenlänge oberhalb 1.5 μm verursacht eine Erhitzung und nachfolgendes Abdampfen von Oberflächenkontaminationen, die untersucht werden sollen.
  • Ein zweiter gegenüber dem PLV – Laserpuls verzögerter MIR Laserpuls mißt die NO-Konzentration, die durch die Interaktion des Laserlichts mit dem Material erzeugt wurde, das sich auf der zu untersuchenden Oberfläche befindet.
  • Dabei wird die Probe selbst als sog. retro-Reflector oder Streuschirm genutzt und da die Verdampfung oder Erhitzung nur durch den 1.5 μm Laserpuls auf die Oberfläche erzeugt wird, wird eine Fernerfassung möglich, sofern das reflektierte oder rückgestreute MIR Licht durch ein Teleskop aufgefangen wird.
  • Eine Anregung mit einem 1.5 μm Laser wird gegenüber einem konventionellen 1.06 μm Nd:YAG Laser bevorzugt, da es eine um mehrere 100% größere Absorption für Explosivstoffe bedeutet. Nicht nur durch die bessere Absorption wird die Erfassung einfacher, sondern auch dadurch, das Interaktionen des Laserlichts mit der darunterliegenden Oberfläche weitestgehend vermieden werden.
  • Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn – wie bei PVC-Kunststoff-Material – das darunterliegende Material auch NOx unter Raumluftbedingungen abgibt. Dieses NOx Signal wäre nämlich aufgrund der viel größeren Massen, die im Vergleich zu den μg-Kontaminationen erwärmt werden, ansonsten so stark, daß die Sprengstoffspuren bei der Analyse nicht ins Gewicht fallen würden.
  • Als zur Zeit erfolgreiche Variante wird ein Faserverstärkter Microchiplaser für die PLV and ein Quantenkaskadenlaser (QCL) mit 5.28 μm für die NO – Detektion bei einer Entfernung von der Probe von 10 m vorgeschlagen.
  • In 1a wird ein derartiger Aufbau mit einem gepulsten Laser 10 für 1,5 μm Wellenlänge, einer davor angeordneten Quarzlinse 12, einem QC (Quantenkaskaden) – Laser 14 mit einer Wellenlänge von 5,3 μm und einer CaF-Linse 16, einem Einkopplungsspiegel 18, sowie einem mit einem Hohlspiegel 19 zusammenwirkenden goldbeschichteten Sammelspiegel 20 zu erkennen, der an den MIR Detektor 22 das erfaßte Rückstreulicht der Probe 24 weiterleitet. In ersten Experimenten wurden NO Emissionen wie erwartet mittels QCL – Absorptionsspektroskopie gemessen, wenn z.B. eine HMX Probenkontamination durch Infrarotpulse erhitzt wurde. Ein typisches so gemessenes NO-Spektrum ist in 2b dargestellt.
  • 2a zeigt dagegen die NO – Absorptionsspektren, die durch einen Quantenkaskadenlaser in einer NO Referenzzelle bei 5.3 μm erfasst werden, nachdem PLV einer HMX Probe durch Interaktion mit Infrarotlaserlicht bei 1.5 μm erfolgte. Der Einfluß der Umgebungsluft ist also tolerabel.
  • 3a, b, c weigen die NO/NO2 Verhältnisse als Indikator für das Vorhandensein von mit Sprengstoffen kontaminierten Oberflächen nach PLV und spektroskopischer NOx Erfassung für (a) einen unbeschichteten Körper, (b)) einen mit TNT im μg-Bereich beschichteten Körper und (c) einen mit TNT im mg-Bereich beschichteten Körper. während 4a und b die NO/NO2 Verhältnisse als Indikator für das Vorhandensein von mit Sprengstoffen kontaminierten Oberflächen nach PLV und spektroskopischer NOx Erfassung für (a) einen PVC (Kunststoff) Körper, (b) einen mit TNT im mg-Bereich beschichteten Körper. Deutlich ist die Umkehr der Verhältnisse zu sehen.
  • Ein PLV-Laser ist in 5 dargestellt : Die Laserpulse eines passiv gütegeschalteten Er:Glass-Microchiplasers mit einer Pumpdiode 50, einem GRIN 52 und dem Er:Glass 54 werden in einem Er:Yb-Faserverstärker, einer Er-Yb dotierten LMA-DC Faser 56 nachverstärkt. Die Strahlquelle ist leistungsstark, sie erreicht 1 mJ bei 1550 nm und hat Wiederholraten im kHz-Bereich. Die an den Punkten 58 gesplicte Faser ist kompakt, stabil und kostengünstig.
  • In den 6 und noch detaillierter in 7 werden Mittel zum im wesentlichen gleichzeitigen Aufstrahlen der PLV und MIR DFG-Laserlicht-Pulse dargestellt. Aus einem LIBS-Laser wird über einen Silberspiegel 62 und eine Bikonvexlinse 64 mit z.B. 150mm Brennweite unter Laborbedingungen in einem Absorptionszelle 66 die Probe 68 erwärmt. Darüber ist das Licht des DFG-Lasers 70 zu einem MCT-Dtector 60 dargestellt. Der Differenzfrequenz generierende Laser (DFG) ist in 7 mit seinen zwei Dioden 71 und 72 (jeweils mit Wellenlängensteuerung 73 und 74), seinen anamorphotischen Optiken 75 und 76, dem Strahlteiler 77, der Linse 64 sowie einem AgGaS2 – Kristall und einer weiteren Linse aus CaF2 mit 50mm Brennweite vor der Zelle 66, einem Ge-Filter 78 und dem IR-Detektor 79 (aus InSb) dargestellt. Dieses system ist von 3-12 μm stimmbar und hat eine Ausgangsleistung von typisch 0,1 μW.
  • 8 zeigt, wie eine Detektion auch durch eine probennahe Evaneszenzfaser-Spirale 80 bewerkstelligt werden kann, wobei Plasma oder auch NOx-Dämpfe durch Erwärmung beispielsweise mit einem Nd: YAG Laser 82 erzeugt (dessen Licht per Faser in eine handbabbare (Handheld) Einrichtung geleitet wird), gemessen werden können. Diese Anordnung eignet sich beispielsweise für einen Handscanner, der über Kabel an ein MIR DFG Lasersystem 84 und einem Detektor 86 gekoppelt sein kann.
  • Ein alternativer Aufbau mit dem die Chemo-Luminiszenz-Messung durchzuführen ist, ist in 1b dargestellt, bei der mittels eines Lasers 26 Dampf auf der Probe erzeugt wird. Ein Analysator 28 kann in dem Dampf auch direkt typische Substanzen, beispielsweise H2O2, das nur bei Erwärmung bestimmter Sprengstoffe entsteht, erfassen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Detektion von Sprengstoff-Kontaminationen insbesondere auf metallischen und festen Oberflächen mit laserindizierter Wärmezufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß – mit einem Laser die zu untersuchende Oberfläche zur Ausgasung erwärmt wird, – mit einem Laser spektroskopisch über Differential-Absorption das Verhältnis typischer bei der Erwärmung von Sprengstoffen photofragmentierender Substanzen der Gruppe N, H, O, C, sowie daraus sich bildender Moleküle ermittelt, und – mit einem Rechner Sprengstoff-typische Verhältnisse erfaßt und das Vorhandensein entsprechender Sprengstoffspuren signalisiert und/oder aufgezeichnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung gepulst im Nanosekunden – Bereich erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erwärmende Laser zur Erwärmung der zu untersuchenden Oberfläche mit einer Wellenlänge im Infraroten zwischen 1200 und 1650nm betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Laser zur Im-Mittleren-Infrarotbereich-Spektroskopie (engl. MIRS) vorgesehen ist, der die über der zu untersuchenden Oberfläche befindlichen Dämpfe erfaßt, und der mit einer Wellenlänge im Infraroten zwischen 5000 und 5600 nm betrieben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von NO zu NO2 ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorhandensein von H2O2 erfaßt wird.
  7. Vorrichtung zur Detektion von Sprengstoff-Kontaminationen insbesondere auf metallischen und festen Oberflächen mit laserindizierter Wärmezufuhr, gekennzeichnet durch – einen die zu untersuchende Oberfläche zur Ausgasung erwärmenden Laser, – einen spektroskopisch über Differential Absorption das Verhältnis typischer bei der Erwärmung von Sprengstoffen photofragmentierender Substanzen der Gruppe N, H, O, C, sowie daraus sich bildender Moleküle ermittelnden Laser, und – einen Sprengstoff-typische Verhältnisse erfassenden und das Vorhandensein entsprechender Sprengstoffspuren signalisierenden und/oder aufzeichnenden Rechner.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Laser zur Im-Mittleren-Infrarotbereich-Spektroskopie (engl. MIRS) zur Erfassung über der zu untersuchenden Oberfläche befindlicher Dämpfe vorgesehen ist, der mit einer Wellenlänge im Infraroten zwischen 5000 und 5600 nm betreibbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner zur Bestimmung des Verhältnisses von NO zu NO2 eingerichtet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner zur Bestimmung des Vorhandenseins von H2O2 eingerichtet. ist.
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