DE2346422A1

DE2346422A1 - Verfahren und system zur feststellung von explosivstoffen

Info

Publication number: DE2346422A1
Application number: DE19732346422
Authority: DE
Inventors: Michael Anbar; John T Moseley
Original assignee: Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1972-09-14
Filing date: 1973-09-14
Publication date: 1974-04-04
Also published as: JPS4994393A; GB1400333A

Description

Patentanwälte ηττ· -π r r ^

Dr. E. ISoi-Uner SRI P-668

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Luoik-Graüu-au. j«, lci. 47 0155

Stanford Research Institute, 333 Ravenswood Avenue Menlo Park, California 94025 (V.St.A.)

Verfahren und System zur Feststellung von Explosivstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Feststellung von Sprengstoffen und betrifft insbesondere ein Verfahren und ein System für die Entdeckung von PoIynitroverb in düngen wie Trinitrotoluol (TlTI) und nitroglycerin (HG).

Da Flugzeugbombardierungen,-entführungen und Drohungen damit immer stärker und gefährlicher geworden sind, wird es immer notwendiger, Vorrichtungen zu schaffen, mit denen versteckte Explosivstoffe und Waffen gefunden v/erden können. Das Auffinden dieser Materialien ist auch von

auf
offensichtlicher Wichtigkeit xa anderen zivilen Sektoren, Wie Banken und öffentlichen Gebäuden, aber auch auf dem militärischen Sektor. Ein Detektor für Explosivstoffe soll hochempfindlich sein, nicht auf falschen

geringere Alarm ansprechen, muß eine brauchbar Größe haben und mit einem Minimum an Unbequemlichkeit für die Personen, die den Dienst ausüben, welchen die Vorrichtung schützen sollen, betrieben werden können.

Die große Mehrzahl von Explosivstoffen, die bei nichtmilitärischen Fällen verwendet werden, enthalten

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ORlOJNAL INSPECTED

ITG-, TUT oder ιτβγ eine: der anderen Polynitrover— bindüngen.

Es sind viele Verfahren bekannt, die versuchen, solche Explosivstoffe zu entdecken. Zu diesen Verfahren gehört z.'ß. die Markierung der Explosivstoffe mit einem radioaktiven Indikator als ein Mittel, sie zu entdecken. Andere mögliche Verfahren sind gaschromatographische Konzentrierung und Trennung der Nitroverbindungen unter Verwendung empfindlicher elktronenaufnehmender Sensoren. Um solch eine Vorrichtung .jedoch empfindlich genug zu machen, ist eine lange Aufnahmedauer notwendig, da die Empfindlichkeit direkt abhängig ist von der Zeit,

. beim Durchlaufen. , . . , . , , ,

die eine Probe / uer Chromatographiekolonne verbracht hat. Außerdem ist der Betrieb eines empfindlichen Gas— Chromatographen ziemlich kompliziert. Ein anderes Verfahren, das im Stand der Technik vorgeschlagen wurde", basiert auf der Zersetzung von nitroverbindungen unter Abgabe von ITO und !Feststellung des NO durch Fluoreszenz oder Chemolumineszenz bei der Reaktion mit Sauerstoffatomen.

Diese Verfahren sind nicht spezifisch, da sie ein positives Ergebnis für jede organische Verbindung geben, die bei der Zersetzung ITO abgibt.

Ein massenspektrometrischer Gasanalysator kann als eine Technik angesehen werden, um NG oder TNT direkt festzustellen, um jedoch zwischen diesen Explosivstoffen und allen anderen Verbindung mit ähnlichem Molekulargewicht unterscheiden zu können, muß ein Massenspektrometer mit hoher Auflösung verwendet werden. Selbst dann

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BAD OBfGiNAL

gibt solch ein Instrument keine bessere Empfindlichkeit als 10 ppb. Eine vorherige Trennung durch GasChromatographie kann die Empfindlichkeit um zwei Größenordnungen erhöhen,aber mit wesentlicher Erhöhung der Anspreoh-zeit.

Kopplung mit

Der Betrieb eines Massenspektrometer in / einem Gasohr oma tographen ergibt eine Vorrichtung, die nur "unerheblich besser ist als der Gaschromatograph allein, und zwar mit einer wesentlichen Erhöhung der Kosten und der Sehwielrigkeiten.

Das Verfahren undAie Vorrichtung gemäß der Erfindung vermeiden die eben besprochenen Hachteile des Standes der Technik.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und ein System zur Bestellung von Explosivstoffen in einer Luftprobe zu schaffen, insbesondere die Feststellung von HG oder THT-Dämpfen in einer Luftprobe, wobei eine ElektronenÜbertragungsreaktion in Kombination mit einem Massenfilter mit niedriger Auflösung verwendet wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die zu prüfende Luftprobe in eine Reaktionskammer eingeführt. Ein negativ ionisiertes Gas wird in die Reaktionskammer eingeführt, so daß es sich mit der Luftprobe mischt und Elektronen auf FG- und TNT-Moleküle fca üer Luftprobe überführt, um negative Ionen davon zu bilden. Ein Driftfeld wird auf die Mischung in der Reaktionskammer angelegt, um die negativen Ionen darin in einer gewünschten Richtung aus der Reaktionskammer zu transportieren. Die so transportierten Ionen werden dann massenfiltriert,

*) Teile je Milliarden Teile - 4 -

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um :Τ'~—ond TITT-I on en abzutrennen. Die HG- und THT-Ionen erzeugen einen elektrischen Strom, welcher die Angabe der HG·-und TNT-Konzentrat ion in den Luftproben ermöglicht.

Die beigefügte Zeichnung zeigt in "schematischer Form eine Apparatur gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung.

Das Verfahren und die Apparatur gemäß der Erfindung verwenden eine ElektronenÜbertragungsreaktion in Kombination mit einem LIassenseparator mit niedriger Auflösung für die schnelle feststellung von HG— oder TNT-Dämpfen. Wenn ein stabiles negatives Ion, wie SIV auf ein NG- oder TlTT-LIoIekül trifft, besteht die hohe Wahrscheinlichkeit, daß die Elektronenübertragungsreaktion (1) SPg + (ITG oder TNT^SFg + (UG"" oder TiTT")

eintritt, da sowohl ITG als auch TITT größere Elektronenaffinitäten haben als SIV. Die Hlelctronenaffinität von ITG oder TITT ist größer als 1,7 Elektronenvolt (eV), während die Elektronenaffinität von SEg 1,29 eV ist. Die Hauptbestandteile der normalen Atmosphäre haben jedoch alle niedrigere Elektronenaffinitäten als 1,29 eV. Deshalb wird die in Gleichung 1) angegebene Reaktion zwischen den meisten atmosphärischen Bestandteilen und SP7 nicht eintreten. Wenn in der Tat negative Ionen von einigen dieser Arten gebildet werden, so werden sie ebenfalls eine Reaktion gemäß Gleichung 1) eingehen und so zu 1TG~ oder TNT"" führen.

Die Einzelheiten des Verfahrens und der Apparatur gemäß der Erfindung können unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden. Eine Mischung von SPg und N₂ 11 wird in eine Elektronenanlagerungsionenquelle 12

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BAD OFHGINAL

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eingeführt. Der IT₂ wird nur verwendet, um das .¹JFg zu verdünnen und dio l^ktronenanlagerungsionenquelle ist ο ir. '".Gliche r :r;~ _t ^ welche::: Elektronen, die vom Glühfaden emittieren, sich an das SIV anlagern und SPg bilden.■ Diese 8P7 Ionen werden eine Re~":':tonrj kammer 13 eingeführt. Wie oben ausgeführt, reagiert SPg nicht wesentlich mit den Hauptbestandteilen der Atmosphäre, da das 3Ρ_Λ eine Elektronenaffinität hat,

° der

die wesentlich höher ist als dicy rieisten atmosphärischen Bestandteile. Wenn sie auf ein IiG- oder ΪΙΤ2-Mcfekül auf treffen, tritt die in Gleichung 1) beschriebene Reaktion jedoch sehr schnell ein.

Die Reaktionskammer 13 hat einen Lüfte in la S 14» in welchem die zu analysierende Luftprobe eingeführt wird und einen Luftauslaß 16, aus welchem die Luftproben abgeführt werden. Die Reaktionskammer 13 enthält außerdem noch Mittel, um ein schwaches Driftfeld herzustellen, in der Zeichnung schematisch durch die Elektroden 17 gezeigt.

In der Reaktionskammer 13 verursacht das darin aufrechterhaltene Driftfeld, das die Ionen langsam vom Eingang 19 der Reaktionskamcier zu ihrem Ausgang 20 driften. Eine typische Zeit für ein Ion, um die Reaktionskammer 13 zu durchqueren, ist 0,5 Sekunden. Während dieser Drift hat das Ion typischerweise ungefähr 10⁸ Kollisionen. Wenn deshalb die HG- oder ΪΠΪ-Konzentration 1 ppb ist, so würde jedes SPg Molekül eine Wahrscheinlichkeit von ungefähr 0,1 haben, um unter Bildung eines negativen HG- oder TM}-Ions zu reagieren.

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BAD ORIGINAL

Das Ergebnis des in der Reaktion ska miner 13 stattfindenden Prozesses ist,daß eine große wirksame Verstärkung des ¹I¹IIT und HG erreicht; wird. '.Venn z.B. die eintretende Luftprobe ein Teil in 10⁹ Teilen '2ITT oder FG Koleküle enthält, so enthält der austretende Ionenschwarm am Ausgang 20 der Reaktion ska miner 13 bis zu einem Teil in 10 TITi¹"" oder HG" Ionen. Auf diese Art kann eine wirksame

Verstärkung bis zu 10 leicht erhalten werden.

Die Ionen, die den Ausgang 20 der ^TL<3 a kt ions kammer 13 ■verlassen, treten in eine Differentialpumpenkammer 21 ein, die einen Pumpenauslaß 22 für die Verbindung zu einer Pumpe hat, um den größten Teil des Gases, das aus der Kammer 13 austritt, durch die Öffnung 20 zu entfernen. Sin Abstreifer 23 wird in der üblichen Art für die Probeentnahme von negativen Ionen verwendet. Der Abstreifer 23 arbeitet so, daS er die negativen SPg und ITG~ oder TUT" Ionen vom größten Teil der neutralen Moleküle, die aus dem Ausgang 20 austreten, abtrennt.

liach den Elektronenübertragungsreaktionen und der Probeentnahme werden die negativen Ionen in einen Massenseparator mit niedriger Auflösung eingeführt, der in der Zeichnung ganz allgemein mit der Bezugszahl 24 bezeichnet ist. Es sind verschietoe Massenspektrometer mib niedriger Auflösung für die Verwendung gemäß der Erfindung brauchbar, z.B. ein Y/einfilter oder ein Quadrupolfilter. Es ist sehr leicht, die NG~ oder T1TT~ von Jj?g und Ionen der Atmosphärenbestandteile abzutrennen. Sowohl HG wie TUT haben ein Molekulargewicht von 227, während SF ein Molekulargewicht von

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haben unä die Ionen der Atmosphärenbestandteile ein Molekulargewicht von weniger als 100 haben. Es gibt praktisch keine störenden organischen Verbindungen mit Molekulargewichten im Bereich von 200 bis 250, die genügend hohe Elektronenaffinitäten haben, um wirkungsvoll Elektronen aus S]? abzuziehen. Die Massenfilterkammer 26 hat einen Pumpauslaß 27, um die Kammer 26 auf einem genügend niedrigen Druck zu halten, um die Ionenbewegung zu erleichtern.

Der Massenseparator oder das l^r'ilter 24 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein massenselektives Geschwindigkeitsfilter. Das heißt, daß alle Ionen die gleiche Unergie aber verschiedene Geschwindigkeiten abhängig von ihrer !.lasse haben. Sin '.7e in filter gleicht gekreuzte elektrische und magnetische Filter für eine Kasse aus, so daß eine Ionenmasse, die durch cl'-r filter 24 hindurchgeht, einai besonderen Bahnverlau'I annimmü während Ionen anderer !.lassen andere Bahnenverläufe annehmen. Gemäß einer besonderen Λ. us führ ungs form der Erfindung ist ein Elektronenverstärker 23 vorgesehen, der an einer Stelle angeordnet ist, bei welcher NG"" und TlTT" Ionen die durch das Massenf ilter/ausgewählt werden, auf ihn auftreffen. Der Elektronenverstärker erzeugt als Folge dieses Auftreffens einen elektrischen Strom. Dor elektrische Strom treibt Apparaturen für die Eestste-TTu^^^fflf^Aiarmgerate zum Anzeigen der Anwesenheit von bedeutenden Konzentrationen von FG oder TITT in der Luftprobe an. Eine Konzentration von 1 ppb an ITG oder TlTT ergibt einen Strom von ungefähr 10"" A/-us dem Elektronenverstärker 28, so daß eine Empfindlichkeit erreicht wird, die größer ist als 0,001 ppb.

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Wie oben besprochen, verhindert die hohe llektronenaffinität von SPg (1,29 eV) sehr stark die Bildung negativer Ionen aus den Hauptbestandteilen der Atmosphäre und aus schwereren organischen Verbinclungen. Hur Moleküle mit ein si¹ ülektronenaff inität, die größer als 1,3 eV ist, litaienjw irksam ein Elektron aus SIV abziehen. Ss ist bekannt, daß Polynitr over bin düngen solch eine hohe Elektronenaffinität haben. Es wurde gefunden, daß das Gas SPg für eine Elektronen Übertragungsreaktion auf ITü-oder TNT-Loleküle besonders brauchbar ist. Es sind jedoch andere Gase ebenfalls brauchbar. Die Erfordernisse sind, daß das angewendete Gas eine Elektronenaffinität hat, die größer ist, als die der normalen Bestandteile der Atmosphäre, aber geringer ist, als die der Polynitroverbindungen, wie z.B. die 1,7 eV Elektronenaffinität von TNT und NG.

Im Vorhergehenden wurde also eine Apparatur und ein Verfahren beschrieben, um geringe Konzentrationen von Polynitroverbindungen in einer Luftprobe zu entdecken. Gemäß einer besonderen Durchführungsform der Erfindung wird eine Elektronenübertragungsreaktion zwischen SPg und Polynitromolekülen, wie TNT und NG, verwendet, um Polynitromoleküle selektiv zu ionisieren, wobei ein Massenfilter mit geringer Auflösung in Verbindung mit einem Elektronenverstärker angewendet wird, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, der die Konzentration der Polynitromoleküle in der Luftprobe angibt. Obwohl die Erfindung in bezug auf diese besondere Ausführungsform beschrieben wurde, ist es für den Pachmann klar, daß verschiedene Abänderungen durchgeführt werden können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

~ Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Feststellung der Konzentrationen von Polynitromolekülen in einer Luftprobe, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Einführen der Luftprobe in eine Reaktionskammer, Einführen eines negativ ionisierten Gases in die Reaktionskammer, in welcher sich das ionisierte Gas mit der Luftprobe vermischt und Elektronen auf die Polynitromoleküle in der Luftprobe unter Bildung von negativen Ionen überträgt,

Anlegen eines Driftfeldes auf die Mischung in der Reaktionskammer, durch welches die negativen Ionen in einer gewünschten Richtung aus der Kammer geführt werden,

Massenfiltration der so transportierten Ionen zur Abtrennung von Polynitroionen,

Erzeugung eines elektrischen Stromes durch die Polynitroionen und Messen des elektrischen Stromes als Anzeige für die Polynitrokonzentration in der Luftprobe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das negativ ionisierte Gas eine Elektronenaffinität hat, die größer ist als 1 Elektronenvolt, aber geringer ist als die Elektronenaffinität von Hitroglycerin und Trinitrotoluol.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß negativ ionisierte Gas SFg ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polynitroionen auf einen Elektronenverstärker auftreffen und dadurch einen elektrischen Strom e rze ugen.
5. System zur !Feststellung der Konzentrationen von PoIynitromolekülen in einer Luftkammer, bestehend aus der Kombination von einer Re a kt ions kammer, Mitteln zur Einführung der Luftprobe in die Reaktionskammer, einer Quelle für negativ ionisiertes Gas, Mitteln zur Einführung des negativ ionisierten Gases in die Pteaktionskammer, in welcher sich das ionisierte Gas mit der Luftprobe vermischt und Elektronen auf die Polynitromoleküle in der Luftprobe unter Bildung negativer Polynitroionen überträgt, j eTe \c'j ri ΰc hajn)

Mittel für die Errichtung eines!Driftfeldes in der Reaktionskammer , um negative Ionen

aus der Reaktionskammer in einer gewünschten Richtung zu transportieren, ein liassenfilter mit einem Eingang zur Aufnahme der transportierten negativen Ionen und mit einem Ausgang, stromerzeugenden Mitteln, die in einer vorbestimmten Beziehung bezüglich des Ausgangs des Massenfilters angeordnet sind, wobei das Massenfilter so wirkt, daß nur negative Ionen einer spezifizierten Masse auf die stromerzeugenden Mittel auftreffen, wobei die stromerzeugenden Mibtel so. wirken, daß ein Strom erzeugt wird, der der Anzahl der negativen Ionen einer auftreffenden spezifizierten Masse proportional ist, welche

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die Konzentration der Polynitromoleküle in der Luftprobe angibt.
6. System nach Anspruch 5, dadurcli gekennzeichnet, daß das in die Reaktionskammer eingeführte ionisierte Gas nine Elektronenaffinität hat, die größer ist als 1 Elektronenvolt und niedriger als die Elektronenaffinität von NG und SITT.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das ionisierte Gas SP. ist.
8. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Abstreifer enthält, der zwischen der Reaktionskammer und dem Massenfiltereingang angeordnet ist, so daß der Hauptanteil der aus der Reaktionskammer transportierten negativen Ionen in den Massenfiltereingang eingeführt wird und die meisten neutralen Moleküle abgestoßen werden.
9. System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das^ iJässenf ilter ein Qua dr up olma ssen spektrometer ist.
10. System -nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das !.nösenfilter ein Weinfilter ist.
11. System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die stromerzeugenden Mittel ein Elektronenverstärker sind.

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