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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Überwachung
der Ausbreitung und Zusammensetzung einer Wolke aus Aerosolpartikeln,
die zuvor in die Atmosphäre
entlassen worden ist. Unter "Ausbreitung" ist eine Position
und Konzentration in Bezug auf einen Bereich gemeint, für den die
Aerosolwolke ein Gesundheitsproblem darstellen kann.
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Die
folgenden Patente betreffen Mittel und Techniken, durch die derartige
Aerosolbestandteile der Wolke klassifiziert und/oder identifiziert
werden können.
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US 4 548 500 – "Verfahren und Gerät zur Identifizierung
und Charakterisierung kleiner Partikel" (22. Oktober 1985).
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US 4 693 602 – "Verfahren und Gerät zum Messen
von Lichtstreueigenschaften kleiner Partikel" (5. September 1987).
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US 4 710 025 – "Verfahren zur Charakterisierung
von Suspensionen kleiner Partikel" (1. Dezember 1987).
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Hintergrund
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Die
meisten der in der Erdatmosphäre
vorhandenen Aerosolpartikel führen
zu geringen oder keinen Gesundheitsgefährdungen. Sogar das gelegentliche
gefährliche
Aerosolpartikel ist von vernachlässigbarer Bedeutung,
da seine Konzentration so gering ist. Wenn jedoch pathologisch gefährliche
Aerosolpartikel in größerer Anzahl
auftreten, steigt ihr Potenzial für eine Verursachung von Krankheit
oder Verletzungen dramatisch an. Das Vorhandensein hoher Konzentrationen
derartiger Aerosolpartikel kann auf natürliche Weise oder aus von Menschenhand
verursachten Quellen entstehen. Vulkanische Eruptionen sind Beispiele
für ersteres,
während
zufällige
Emissionen von Chemiefabriken und Explosionen von Raffineriefabriken
letzteres repräsentieren.
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Andere
natürliche
Freisetzungen von potenziell gefährlichen
Aerosolen finden während
der schnellen Bildung von fotochemischem Smog statt, was häufig durch
Menschenhand wie beispielsweise Automobilabgase verursacht wird.
Die natürlichen
Freisetzungen von Pilzsporen wie z.B. Coccidiodes immitis, die verursachenden
Mittel von Coccidioses, unter den gelegentlichen Umgebungseinflüssen, wodurch
das schnelle Wachstum und Reifen der Stammpilze gefördert werden,
können
verheerende Wirkungen auf die Gesundheit der betroffenen Lebewesen
haben. Schließlich
existiert ein weiter Bereich von potenziell tödlichen Aerosolen, die von
terroristischen oder militärischen
Gruppen mit der Absicht freigesetzt werden könnten, um eine große Anzahl
von Verwundungen herbeizuführen.
Diese umfassen Aerosole sowohl von biologischer als auch chemischer
Herkunft, und ihr Freisetzen wird im Allgemeinen für unnatürlich erachtet.
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Bei
Auftreten gefährlicher
Aeorosolpartikelwolken innerhalb oder in der Nähe von bewohnten Gebieten ist
es wünschenswert,
eine Frühwarnung
für die
Bewohner vorzusehen, welche durch Inhalierung solcher Aerosole berührt werden
könnten.
Derartige Warnungen könnten
zu einer dramatischen Reduktion von Unfällen trotz der möglichen
unvorhersehbaren Nebenwirkungen wie z.B. Unruhen aufgrund von Angst
oder Panik durch die gefährdete
Bevölkerung
führen.
Es ist häufig
argumentiert worden, dass zum Zeitpunkt der Erkennung und Identifikation
derartiger Aerosolbedrohungen es zu spät ist, eine Warnung an die
potenziell gefährdete
Bevölkerung
zu übermitteln.
Dies ist im Allgemeinen nicht zutreffend.
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Aerosolintrusionen
passieren häufig
als Emissionen in Form von über
dem Boden freigesetzten Wolken. Beispielsweise stoßen Vulkaneruptionen
im Wesentlichen große
Mengen von Material in die obere Atmosphäre, aus der die Aerosolpartikel
auf die Erde zurückfallen
und nur die lokale Bevölkerung
beeinträchtigen,
wenn sie den Erdboden in der Nähe
erreichen. In Umgebungsluft benötigt
ein Partikel mit einem Radius von 10–6 m
= 1 μm und
einer Dichte von 1 gm/cm3 etwa 3 Stunden,
um gerade einmal einen Meter abzusinken. Somit wird mit einem geeigneten
Warnsystem die von solchen Aerosolen ausgehende Bedrohung festgestellt, lange
bevor sie Höhen
oder Stellen erreichen, an denen ihre Anwesenheit Verletzungen hervorrufen
könnte.
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Es
gibt viele Arten von Aerosolen, die harmlos sind. Offenkundige Beispiele
sind Wassertröpfchen oder
sogar feiner Eisnebel. Es ist wichtig, dass ein zuverlässiges Warnsystem
zwischen potenziell gefährlichen Aerosolen
und den häufiger
vorkommenden harmlosen Varianten unterscheiden kann.
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Die
Einrichtung, durch die Aerosolbedrohungen für eine lokale Bevölkerung
erkannt werden können, stellt
eine wichtige Aufgabe dieser Erfindung dar. Für Vulkaneruptionen oder Explosionen
chemischer Fabriken oder ähnlichen
Aerosolintrusionen wird offensichtlich die Quelle und Stelle der
daraus entstehenden Aerosolwolke einfach bemerkt und lässt sich
leicht verfolgen, ausgenommen vielleicht in der Nacht bei Verwendung von
visuellen Mitteln. Diese Art der Tageslichtverfolgung ist im Wesentlichen
passiv und basiert auf der Beobachtung der Wirkung derartiger intrusiver
Wolken bei Hintergrundbeleuchtung. Eine Kenntnis der Quelle der Wolke
bedeutet, dass ihre Zusammensetzung zumindest anfänglich ebenfalls
bekannt ist. Instrumente können in
die beeinflussten Regionen zum Zwecke einer lokalen Überwachung
der Zusammensetzung verbracht werden, was schließlich die Grundlage für die Planung
einer Evakuierung, falls erforderlich, bildet. Bei Erfassung einer
potenziell bedrohlichen Aerosolwolke kann zusätzlich deren Überwachung
zu einem gewissen Grad dadurch erfolgen, dass unter Verwendung von
Laser- oder Funkquellen in sicherer Entfernung von der Bedrohung
die Wolke optisch oder mittels Funkwellen abgetastet wird.
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Ein
populäres
Konzept für
eine Warnung vor einer Aerosolbedrohung basiert auf der Verwendung
eines traditionellen Radars unter Verwendung von Laserstrahlung
zur Abtastung der Wolkenbedrohung in einer Entfernung. Die NASA
hat solche Techniken in ihren ausgiebigen Messprogrammen von 1989
bis 1990 als eine Einrichtung zur Profilierung von Aerosol- und
Wolkenrückstreuung,
von Doppler-Windmessungen und der Messung von Spurenelementen in
der Atmosphäre
angewandt. Trotz ausgesprochen großen Aufwendungen auf Bundesebene
in diesem Gebiet, wird von dieser Technik nicht erwartet, praktische
optische Signale zur Erfassung der Zusammensetzung einer Wolke zu
erhalten. Nichtsdestotrotz kann für Wolken mit bekanntem Ursprung
die Zusammensetzung auf der Grundlage einer solchen a priori-Information
ermittelt werden. Ulich et al. in ihrem U.S.-Patent Nr. 5 257 085
erörtern
viele Elemente und Variationen dieser Technik zur Abtastung der
physikalischen Eigenschaften von entfernten Vorgängen durch eine Verwendung
sowohl von aktiven als auch passiven Abfragen.
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Die
LIDAR(Lichterfassungs- und -entfernungsbestimmung)-Technik besitzt
verschiedene Nachteile einschließlich der Erfordernisse einer
unverdeckten Sicht auf das Aerosol, d.h. ohne störende Partikel, atmosphärische Störungen oder
opake Strukturen. Eine Störung
der Aerosolkonzentrationen aufgrund derartiger LIDAR-Messungen unbekannter
Partikel ist unwahrscheinlich. Gemischte Aerosolzusammensetzungen
sowie Größenverteilungen,
die sich über
die Zeit ändern,
zeigen weitere Nachteile des Konzeptes. Esproles in seinem U.S.-Patent
Nr. 5 345 168 hat einige neue Einrichtungen zur Verbesserung des
Informationsgehalts im zurückgeworfenen
LIDAR-Signal entdeckt. Min et al. in ihrem U.S.-Patent Nr. 5 102 218 erörtern LIDAR-Messungen
in sehr kurzen Entfernungen, im Wesentlichen kürzer als 30 Meter, um Zielsignaturen
aus Gemischen von Zielkomponenten und natürlich auftretenden Aerosolpartikeln
abzuleiten. Die im zuvor erwähnten
Patent enthaltene detaillierte Beschreibung umfasst viele Referenzen
auf die Zielaerosol-Diskriminierungstechniken, die für so genannte
aktive optische Näherungssensoren
verwendet werden, zusammen mit einer ausgiebigen Diskussion des
damaligen Standes der Technik.
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Stewart
et al. diskutieren in ihrem U.S.-Patent Nr. 4 687 337 die Notwendigkeit,
die Extinktionskoeffizienten von Aerosolpartikeln mithilfe von Instrumenten
abzuleiten, die zu den verschiedenen zu untersuchenden Stellen mitgenommen
werden. Derartige so genannte Punktquellen- oder in-situ-Messungen
werden in ihrem Patent den herkömmlichen
LIDAR-Messungen gegenübergestellt.
Jedoch wird die Mitnahme von Instrumenten und Personal in Regionen,
in denen gefährliche
Aerosolpartikel vermutet werden, gewöhnlich vermieden. Aus diesem
Grunde sind Fernmesstechniken zur Abtastung verdächtiger Ziele stets als bevorzugt
erachtet worden. Carrieri in seinem U.S.-Patent Nr. 5 241 179 erörtert dieses
Erfordernis in größeren Einzelheiten, indem
er die Forschungsprogramme des US-Armee-Forschungs-, Entwicklungs-
und Ingenieurszentrums aus den sechziger Jahren erklärt. Die
Aufgabe dieser Programme bestand in der Entwicklung von Fernsensoren "... zur Erfassung
von bedrohlichen chemischen und biologischen Mitteln in einer Dampfwolke,
Aerosol, Regen und ..." als
Bodenverunreini gungen. Ein Bedarf an passiven spektroskopischen
Techniken wurde in den frühen siebziger
Jahren erkannt.
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Derartige
Techniken würden
die Strahlungsdichte von natürlichen
oder bereits existierenden Quellen aufnehmen und verarbeiten.
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Eine
Weiterentwicklung einer Fernmesseinheit für chemische Mittel begann 1979.
Zum Zeitpunkt der Einreichung des Carrieri-Patentes spät in 1992
wurden die Differenzial-Streueffekt/Differenzial-Absorptions-LIDAR-Vorrichtungen,
vereinfacht auch als DISC/DIAL-Vorrichtungen bezeichnet, als besonders
viel versprechend und als die technologisch am fortgeschrittensten
Dampferfassungs- und
Entfernungsauflösungssysteme,
die sich zur Zeit in Betrieb befinden. Durch Carrieris Erfindung
sollten diese Fähigkeiten
mithilfe einer verwandten Abstandserfassungstechnologie erweitert
werden, welche Verunreinigungen auf/innerhalb terrestrischer und
künstlicher
Oberflächen
messen konnten, und zwar unter Verwendung ihrer Infrarotabsorptions-/Emissionssignaturen,
wodurch das Personal "sich
selbst schützen
und geeignete Maßnahmen
zur Dekontaminierung treffen oder insgesamt kontaminierte Bereiche
meiden" kann. Diese
Konzepte waren noch weit entfernt von den ursprünglichen Aufgaben zur Fernerkennung
von Aerosolpartikeln und zugehörigen
biologischen Mitteln. In Bezug auf diese Berichte und die zugehörigen Beschreibungen
der Instrumente kann es keinen Zweifel daran geben, dass letztendlich
eine Art von in-situ-Erfassung und -Analyse erforderlich sein würde.
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Muran
et al. hatte die Hoffnung, für
den Bedarf an in-situ-Überwachung
eine Lösung
durch deren Erfindung anzugeben, die 1998 eingereicht und als U.S.-Patent Nr. 5 898
373 bekannt gemacht wurde. Das offenbarte Verfahren sieht vor, in
den fraglichen Bereichen zukünftig "... klebrige polymere
Partikel" auszusäen, die
für lange
Zeiträume
an verschiedenen lokalen Oberflächen
haften. Unter Verwendung von mit Spektrophotomern ausgerüsteten Flugzeugen
würde die
Reaktion dieser speziell präparierten
Partikeln mit gefährlichen Chemikalien
oder Partikeln charakteristische Emissionen erzeugen, die von den
Instrumenten des Flugzeugs erfasst werden können. Alternativ könnte die
mit den ausgesäten
klebrigen Partikeln versehene Region von oben unter Verwendung aktiver
Lasersysteme abgetastet werden, um das Austreten von Emissionen
aus den Stof fen/Partikeln zu erfassen, die von den klebrigen Partikeln "eingeschlossen" sind oder an diesen
anhaften. Die klebrigen Partikel würden so zusammengesetzt sein,
um geeignete Chemikalien zu enthalten, die mit den Zielmitteln reagieren
würden,
was zu einer eindeutigen photometrischen Signatur der ausgewählten Zielkandidaten
führt.
Die Fähigkeit
dieser Partikel, im Augenblick ihres Einsatzes erkannt zu werden,
könnte
als zufällig
erachtet werden, weil vornehmlich jede Bedrohung durch den geeigneten
Einsatz/Aussaat eines eindeutigen Erfassungspartikels vorhergesehen
sein worden muss.
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Viele
Bundesmittel sind während
der letzten 50 Jahre für
Probleme verwandt worden, die in Zusammenhang mit dem Schutz von
militärischem
Personal gegen Aerosolbedrohungen, gewöhnlich in der Form von biologischen
und chemischen Waffen, in Verbindung standen. Kleine tragbare Feldinstrumente,
die kleine Proben mit hoher Geschwindigkeit identifizieren könnten, haben
beträchtliche
Unterstützung
erfahren. Zusätzlich war
die Hoffnung, "...
revolutionäre
Punkterfassungstechnologien ..., die Erfassungsvorrichtungen [enthalten], [die]
kleine (in der Hand zu haltende) Instrumente für den individuellen Gebrauch
durch den Soldaten darstellen können
..." Anlass für die Regierung,
nach Schutz für
das militärische
Personal zu suchen. Das zuvor wiedergegebene Zitat stammt von einer
spät in
1999 herausgegebenen Forderung nach Vorschlägen durch die Defense Advanced
Research Projects Agency (DARPA), wonach sie ihre so genannte "Wunschliste" entwerfen. Obwohl
das Konzept einer Vernetzung derartiger Vorrichtungen vorgeschlagen
wird, wird die Tragbarkeit im Feld betont.
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Leider
hatte der zuvor diskutierte DARPA-Hinweis Nachteile im praktischen
Gebrauch aus verschiedenen Gründen:
Zunächst
gab es kein Warnsystem zum Zwecke der Alarmierung der Zivilbevölkerung
vor einer aufkommenden Bedrohung. Die erste Erfassung mit derartigen
DARPA-Vorrichtungen würde
stattfinden, wenn die die Vorrichtung tragende einzelne Person das
Feld betritt oder in der Bedrohungswolke eingeschlossen wird. Es
gibt keine Versuche, ein Frühwarnsystem
zu entwickeln. Als Weiteres hatte diese spezielle Entwicklung ein
besonderes Augenmerk darauf, positive Fehlalarme zu vermeiden, und
zwar trotz des Umstandes, dass das alleinige Vorhandensein eines
biologischen Aerosols selbst Ursache für eine sofortige Beunruhigung
und einen Alarm darstellt. Natürlich
vorkommende biologische Aerosole sind extrem selten.
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Ein
Schlüssel
zu einem Warnsystem besteht in der Fähigkeit, die Aerosolbedrohung
so früh
wie möglich
nach ihrer Freisetzung zu erkennen. Ist eine Aerosolbedrohung freigesetzt,
sind die lokalen Konzentrationen der schädigenden Partikel extrem hoch.
Beispielsweise ist kürzlich
nach den Analysen des russischen Anthrax-Unfalls in deren Fabrik
in Sverdlovsk ermittelt worden, dass etwa 10 lebensfähige Sporen
von B. anthracis in den Lungen eines gesunden Lebewesens erforderlich
sind, um Krankheiten zu verursachen. Dies würde Umgebungskonzentrationen
in der Größenordnung
von Zehntausenden pro Liter Luft erfordern. Zur Erzielung solcher
Konzentrationen müssen
die Aerosolkonzentrationen in der Nähe der Freisetzungszone mit
mindestens 106 bis 107 pro
Liter Luft auftreten. Dementsprechend wird nahe der Stelle der Freisetzung
eine Klassifikation/Identifikation eine stark vereinfachte Aufgabe
wegen der erwarteten Ähnlichkeit
jedes Mitglieds der Aerosolwolkengruppe. Das Finden eines geeigneten
Signals wird viel einfacher, wenn eine Erfassung sofort und dicht
an der Freisetzung stattfindet: eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Bei einer solchen hohen Ansammlung von positiv identifizierten Aerosolpartikeln
wird die Wahrscheinlichkeit einer falschen Klassifizierung der gesamten
Gruppe und somit der Messungen selbst verschwindend gering. Es ist
eine größere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, sozusagen " auf den Wald" als auf einen besonderen "Baum" zu fokussieren.
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Ein
zusätzlicher
Hinweis der DARPA-Entwicklung, welcher typischerweise von der Art
ist, wie von der Bundesregierung während der letzten 30 Jahre
herausgegeben wurde, richtet sich auf das Erfordernis, zwischen
lebenden und toten biologischen Partikeln in der bedrohenden Aerosolwolke
zu differenzieren. Als eine gültige
Analyse einer solchen Bedrohung kann nicht die Vermutung angesehen
werden, dass keine Gefahren in Verbindung mit lebenden Spurenzellen übrig bleiben,
weil ein bedrohendes Aerosol eine überwältigende Menge von toten Mikroorganismen
enthält.
Die Erfassung der Anwesenheit von potenziellen Pathogenen unabhängig von
deren Lebensfähigkeit
bildet ein wesentliches Element eines Frühwarnsystems.
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Bedrohungen
in Verbindung mit Chemikalien sind ebenfalls Gegenstand verschiedener
Förderaktivitäten des
Bundes. Besonders interessant ist das schiffsgestützte automatische
Flüssigkeitserkennungs-(SALAD)-Programm,
dessen Spezifikation und verwandten Abhandlungen sich lange in der
Entwicklung befanden. "...
Das SALAD-Programm war ins Leben gerufen worden, um die Navy mit
der Fähigkeit
zu versehen, automatisch Flüssigkeiten
für chemische
Waffen zu erkennen. Dieses Programm lief etwa 5 Jahre, währenddessen
die Regierung einen SALAD-Prototypen entwickelt und hergestellt
hat, welcher analysiert und geprüft worden
ist, um sein Potenzial zu bestätigen,
den Betriebsanforderungen der Navy zu genügen ..." Später
heißt es
in den Spezifikationen "...
Der SALAD soll automatisch flüssige
Nerven-(G- und V-Reihe)- und Blasen-(H- und L-Reihe)-Mittel mit folgenden
Konzentrationen und Tröpfchengrößen ermitteln: – Konzentration:
2,0 mg/m2 und höher – Tröpfchengröße: mittlerer Massendurchmesser
von 500 μm
und größer (Objektiv – 200 Mikrometer
und größer) ..." Was besonders auffallend
an dieser Aktivität
ist, ist die enorme Größe in Verbindung
mit der mittleren Größe: 500 μm. Bei dieser
Größe in Umgebungsluft
fällt das
Partikel um 1 Meter in etwa 22 Sekunden. Das Erfassungssystem benötigt 60
Sekunden, um eine Identifizierung des Mittels vorzunehmen und eine Warnung
herauszugeben, währenddessen
der Partikel etwa 3 Meter gefallen sein würde. Die Erfassung wird außerdem durch
die Bewegung des Schiffes und durch Umgebungswindeffekte auf die
Bewegung der Mittel verkompliziert. In diesem Zusammenhang werden
große
Partikel als kleinere Partikel erwartet, die gut verdampfen können. Es
ist diese zuletzt genannte Fraktion eines eingesetzten chemischen
Aerosols, das am nützlichsten
erfasst würde,
da sich die zugehörige
Größenverteilung
des Aerosols über
die Zeit verändern
würde.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Größenverteilung
und ihre Veränderungen über die
Zeit als eine Maßnahme
zur Ermittlung solcher Mittel zu überwachen. Aus Wasserpartikel
bestehende natürliche
Aerosole würden
ein ähnliches
Verhalten zeigen, mit Ausnahme eines sehr wichtigen und leicht erfassten
Unterschiedes: Der Brechungsindex von Wassertropfen wird bei etwa
1,33 im Gegensatz zu dem eines typischen chemischen Mittels erwartet.
Die vorliegende Erfindung wird den Brechungsindex von ausgewählten Aerosolpartikeln,
wie erforderlich, aus ihren aufgezeichneten Lichtstreueigenschaften
ableiten.
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Die
US 5 594 422 offenbart ein
modulares Rauchmeldersystem mit einer Vielzahl von installierten
Erfassungseinheiten, die ein Netzwerk bilden und mit einer entfernten
Ausgabeeinheit (ROU) unter Verwendung z.B. eines Funksenders kommunizieren.
Die Erfassungseinheiten weisen eine Basis und einen Sensor auf, wie z.B.
eine fotoelektrische Einheit, die einen Rauchsensorkopf und eine
Signalverarbeitungseinheit (SPU) umfasst. Die SPU-Schaltung analysiert
das vom Sensor empfangene Sensorausgangssignal und sendet das Signal
an die entfernte Ausgabeeinheit.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine genaue Einrichtung
zur Erfassung und Überwachung
der Zusammensetzung einer an entfernten Stellen eintreffenden, potenziell
bedrohenden Aerosolwolke mithilfe entfernt positionierter Erfassungsmittel
zu schaffen. Solche Erfassungsmittel, als "Erfassungsstationen" bezeichnet, können eine Anzahl von Streulichtmessungen
durchführen,
wodurch die Zielaerosolpartikel erfolgreich klassifiziert und/oder
identifiziert werden, und zwar eine zur Zeit an jeder Stelle, wo
sie erfasst werden. Jede Erfassungsstation übermittelt ihre gesammelte
und verarbeitete Information durch Telemetriemittel an eine Zentralstation,
die für
eine weitere Verarbeitung der empfangenen Daten verantwortlich ist.
Wichtig bei den zuletzt genannten Verarbeitungsaktivitäten ist
die Vorhersage der Bewegung sämtlicher
Elemente der Aerosolwolke.
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Eine
andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die durch die Übermittlungseinrichtung
von jeder verwendeten Erfassungsstation empfangenen reduzierten
Daten weiterzuverarbeiten, um eine Vorhersage der Ankunftszeit und
Bedrohungsgefahr an den Stellen zu treffen, die der Aerosolwolke
noch nicht ausgesetzt sind. Eine Einrichtung, durch die eine Luftmassenbewegung
nachverfolgt werden könnte,
ist beschrieben in der US-Statutory-Invention-Registration #H111,
bekannt gemacht am 5. August 1986 für Barditch et al. Deren Nachverfolgungstechnik
scheint von geringem praktischen Wert zu sein, da sie die an einer
Stelle zu überwachende
Luftmasse mit Bacillus thurengiensis-Sporen impfen und anschließend eine
Probe von an einer zweiten Stelle gesammelter Luft kultivieren müssen. Das
anschließende
Wachstum auf einem speziell präparierten Kultivierungsplättchen der
Saatsporen bestätigt
den Ursprung der untersuchten Luft und die Anzahl, die während einer
Messung der Diffusion der geimpften Probe während ihrer Reise wiedergewonnen
wird. Dieses Verfahren lässt
sich als Warnsystem nicht anwenden und erfordert die a priori Erfassung
und Lokalisierung der Aerosolbedrohung. Wenn die Aerosolbedrohung
erfasst oder bemerkt werden sollte und es bekannt ist, dass sie
Sporen oder andere kultivierba re Organismen enthält, kann manchmal eine solche
Untersuchung zu einer historischen Aufzeichnung der Bedrohung, jedoch
nicht zu einer Warnung führen.
Interessanterweise und als Folge des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens
könnte
die Impfung mit bakteriellen Sporen gemäß Barditch et al. leicht hierdurch
ersetzt werden, und zwar unter Verwendung von Polystyren-Latex-Kügelchen mit einem Nenndurchmesser
von 1 μm.
Da solche Partikel in Realzeit mit einem Element der vorliegenden
Erfindung leicht erfasst werden, können die Ergebnisse nahezu
sofort vorliegen, da keine zeit- und arbeitsaufwendige Kultivierung
erforderlich würde.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, rationale Entscheidungen
einer Zentralstation aufgrund von Analysen sämtlicher von der Gruppe der
eingesetzten Erfassungsstationen gesammelten Daten, um einen Alarm
und/oder eine Warnung über
die erwartete Ankunftszeit der gefährlichen Aerosolwolke und ihrer
wahrscheinlichen Zusammensetzung zu erzeugen, und vorgeschlagene
Mittel zum Schutz von in Kürze ausgelieferten
Bevölkerungen
vorzusehen. Dieser Alarm und diese Warnung wird vorbereitet für jeden
Ort auf einer individuell kalkulierten Grundlage. Somit kann der
einen Region eine Zehn-Minuten-Warnung gegeben werden, während gleichzeitig
eine andere eine Zwei-Stunden-Warnung empfangen könnte. Jeder
derartige Bericht für
jeden spezifizierten Ort wird von Zeit zu Zeit aktualisiert und
an jeden potenziell gefährdeten
Ort kommuniziert, um eine maximale Warnung für die bedrohte Bevölkerung
zu gewährleisten.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Zentralstation
dazu zu benutzen, die Datensammlung und -analyseraten an jeder Erfassungsstation
kollektiv oder individuell mithilfe von Telemetriemitteln zu regeln.
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Es
gibt viele verschiedene Mittel zur Charakterisierung von Aerosolpartikeln
an einem festen Ort. Beispielsweise beschreibt Cole in seinem U.S.-Patent
Nr. 5 296 910 die Verwendung von mehreren Kraftfeldern in Kombination
mit einer Doppler-Geschwindigkeitsmessung, um Partikeldichte, Durchmesser,
elektrische Ladung, magnetisches Moment und andere physikalische
Eigenschaften der einzelnen Partikel zu erhalten. Gerber in seinem
U.S.-Patent Nr. 5 315 115 beschreibt optische Mittel zur Ermittlung
integrierter Partikeleigenschaften, die anschließend verwendet werden könnten, um
ein Aerosol in Form seiner integrier ten Volumenkonzentration, integrierten
Oberflächenkonzentration
und Aerosolextinktionskoeffizienten im Infrarotspektralbereich zu
klassifizieren. Der Text "Moderne
Verfahren zur Partikelgrößenanalyse", herausgegeben von
Howard Barth (Wiley-Interscience, New York 1984) offenbart eine
große
Anzahl von Techniken zur Ermittlung der Aerosolpartikelgrößen. Theodore
Provder hat verschiedene Papiersammlungen für die American-Chemical-Society-Symposium-Reihe
zur Analyse und Charakterisierung von Partikeln und Partikelgrößenverteilungen
unter dem Titel "Partikelgrößenverteilungen
1, II und III" 1987,
1992 und 1998 herausgegeben. Es gibt Hunderte von literarischen
Texten und Tausende von wissenschaftlichen Aufsätzen zu verwandten Themen der
Partikelcharakterisierung. Es gibt jedoch eine Technik mit dem größten Anwendungsbereich
für die
Aerosolpartikelcharakterisierung.
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Die
wirkungsvolle Technik zur Differenzierung und Charakterisierung
einzelner Aerosolpartikel erfolgt durch Lichtstreuung. In ihrer
breitesten Bedeutung werden Lichtstreumessungen unter Verwendung
eines parallel gerichteten monochromatischen Lichtstrahls durchgeführt, durch
den sich die Partikel bewegen, und zwar im Wesentlichen nacheinander.
Während
seiner Bewegung durch den Strahl streut ein Partikel etwas von dem
auftreffenden Licht. Dieses gestreute Licht wird anschließend mittels
Kollimatorsensoren aufgenommen, die in diskreten Streuwinkelpositionen
gegenüber
der Richtung des einfallenden Lichtstrahls angeordnet sind. Jeder
Sensor kann mit verschiedenen optischen Elementen einschließlich polarisierenden
Analysatoren, Interferenzfiltern, elektrooptischen Blenden, neutralen
Dichtefiltern, Wellenplättchen
und anderen optischen Elementen ausgerüstet sein. Sogar in ihrer einfachsten
Implementierung, bei welcher sämtliche
Sensoren in einer Ebene liegen und kein Analysator an einem Sensor
vorhanden ist, haben Wyatt und seine Mitarbeiter die wirkungsvollen
Charakterisierungsfähigkeiten
der Technik demonstriert, und zwar einschließlich des Folgenden:
- • Zur
Ermittlung des Brechungsindex und der Größe von einfachen, homogenen
Polystyren-Latex-Partikeln "Messung
der Lorenz-Mie-Streuung eines einzelnen Partikels: Polystyren-Latex" mit D.T. Phillips
und R.M. Berkman, J. von Colloid and Interface Science 34, 159 (1970);
- • Zum
Studium von bakteriellen Sporen "Dielektrische
Struktur von Sporen aus differenzieller Lichtstreuung", Spores V, American
Society for Microbiology (1971); "Beobachtungen auf der Struktur von Sporen", J. Applied Bacteriology
37, 48 (1975);
- • Zur
Ermittlung und Charakterisierung von fotochemischen Smogpartikeln "Lichtstreumessung
eines einzelnen Partikels: Fotochemische Aerosole und atmosphärische Partikel" mit D.T. Phillips,
Applied Optics 11, 2082 (1972);
- • Zur
Differenzierung von aerolisierten bakteriellen Zellen "Struktur von einzelnen
Bakterien aus Lichtstreuung" mit
D.T. Phillips, J. Theor. Biol. 37, 493 (1972);
- • Zur
Messung des Wachstums von säureähnlichen
Beschichtungen auf von Kraftwerken erzeugten Aerosolpartikeln "Einige chemische,
physikalische und optische Eigenschaften von Flugaschepartikeln", Applied Optics
14, 975 (1980).
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Das
Erfassungssystem, beschrieben im U.S.-Patent Nr. 4 693 602 von Wyatt
et al. sowie im Dokument "Aerosolpartikelanalysator" mit Y.J. Chang,
C. Jackson, R.G. Parker, D.T. Phillips, S.D. Phillips, J.R. Bottiger und
K.L. Schehrer, Applied Optics 27, 217 (1988), repräsentiert
eine frühe
Version eines allgemeineren Sensors mit Messungen außerhalb
der Fläche
sowie Depolarisierungsanalysatoren. Diese frühere Vorrichtung, wie offenbart
und implementiert, war sehr groß und
machte einen Argon-Ion oder HeCd-Laser als Lichtquelle und Fotomultiplikatorsensoren
erforder lich, die an einen Lesekopf mittels optischer Fasern angeschlossen
waren. Dementsprechend hatte sie einen sehr hohen Energieverbrauch,
der einen Betrieb auf Batteriebasis für längere Zeiträume schwierig machte. Die Energieverbräuche der
Fotomultiplikatoren und zugehörigen
Computer- und Aerosolbehandlungssysteme fügten eine höhere Baugröße und weitere Kosten dem Analysator
hinzu, was jede Art von Feldeinsatz unmöglich machte.
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Um
potenziell gefährliche
Aerosolbedrohungen erfolgreich zu überwachen und diese von harmlosen Konstituenten
zu unterscheiden, muss eine große
Anzahl von einzelnen Lichtstreuerfassungsstationen strategisch um
und über
den zu schützenden
Bereich platziert werden. Obwohl das Konzept eines "Punktquellen"-Sensors, d.h. eines
Sensors, der in seiner Reichweite lokalisiert und begrenzt ist,
seit vielen Jahren bekannt ist, sind bislang keine Überlegungen
zum Konzept der Verbindung derartiger Sensoren kooperativ in einem
Netzwerk und des Einsatzes einzelner Sensoren als Mittel, um vollständig zu
funktionieren und unabhängig
die abzutastenden lokalen Aerosole zu klassifizieren, angestellt
worden, was eine weitere Aufgabe dieser Erfindung darstellt.
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Vernetzte
Sensoren sind in großem
Umfang für
Telekommunikationszwecke verwendet worden, und ähnliche Techniken zur Vernetzung
lokaler Erfassungseinheiten sind häufig zum Schutz gegen Feuer
und Einbruch für
Gebäude
und ähnliche
Bereiche verwendet worden. Derartige so genannte drahtlose Warnsysteme verwenden
eine Vielzahl von Signalverarbeitungstechniken zur Gewährleistung
einer hohen Zuverlässigkeit. Beispielsweise
verwenden Sanderford in ihrem U.S.-Patent Nr. 5 987 058 eine Spread-Spektrum-Technologie mit
hoher Zuverlässigkeit
für die
kontinuierliche Überwachung
eines Gebäudes.
Sheffer et al. beschreiben in ihrem U.S.-Patent Nr. 5 568 535 explizit
eine Mobilfunkalarmeinheit mit Mobiltelefonfunktionen, was Mobilfunkverbindungen
mit Fernüberwachungsstationen
ermöglicht.
Die Fernüberwachungsstationen
erfassen einen Notfallzustand mithilfe von Sensoren, die vorzugsweise
Feuersensoren, Perimetersensoren beispielsweise zur Erfassung der Öffnung von
Türen oder
Fenstern und einen Panikschalter zur Betätigung durch eine einzelne
Person innerhalb des geschlossenen Bereiches im Falle eines medizinischen
oder sonstigen Notfalls aufweisen. Das System von Sheffer et al.
hat zum Zweck, die herkömmlichen
fest verdrahteten Systeme zu umgehen, die leicht durch Durchtrennen
der herkömmlichen
Telefonverdrahtung außer
Kraft gesetzt werden können.
Es gibt viele andere Arten von Alarmsystemen, die ein effizientes,
kosteneffektives und zuverlässiges Funk/Telefon-Kommunikationssystem
der Mobilfunkart innerhalb eines Alarmsystems bilden, um eine drahtlose
Kommunikation zu schaffen, wie sie beispielsweise von Smith et al.
in ihrem U.S.-Patent Nr. 4 993 059 beschrieben wird.
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Sämtliche
zuvor erwähnten
Alarmsysteme, die von einem Netzwerk aus Mobilfunk- oder anderen drahtlosen
Interkommunikationen Gebrauch machen, basieren auf Sensoren, die
den Zweck haben, eine Klasse von leicht überwachten Phänomenen
zu erfassen und anschließend
vor diesen zu warnen. Am bedeutendsten sind Feuer- und Raucherkennung,
Einbruch, physikalische Parameter wie Temperatur und Feuchtigkeit, Panikalarme,
Fernsehüberwachungsstationen,
Strahlungserkennung etc. Wie der detaillierten Beschreibung der
vorliegenden Erfindung zu entnehmen sein wird, sind die hierin verwendeten
Sensoren einzigartig und unterscheiden sich eindeutig von Sensoren
dieser Arten auf folgende Weise: die Sensoren sind für Datenaufnahme
und Realzeitverarbeitung und -analyse vorgesehen; die Sensoren enthalten
eine Vielzahl von elektrooptischen Elementen sowie einen voll funktionsfähigen Mikroprozessor;
der Behälter
kann neuprogrammiert werden; die Sensoren enthalten Mittel zur Probenbehandlung.
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Jede
Station muss die von ihr gesammelten Daten verarbeiten und die Ergebnisse
an eine Zentralstation telemetrisch übermitteln können, welche
derartige Ergebnisse von sämtlichen
Stationen für
eine nachfolgende Analyse sammeln und Entscheidungen betreffend
Alarme oder andere Warnungen betreffen würde. Trotz der Existenz eines
großen
Umfanges von analytischen Werkzeugen zum Zählen, zur Größenermittlung und
zur Klassifizierung von Aerosolpartikeln hat es keinen Versuch gegeben,
einige dieser Werkzeuge mit einer Einrichtung zur Abschätzung der
Bedrohung einer Aerosolintrusion und Alarmierung der Zielbevölkerung über die
Notwendigkeit eines Selbstschutzes zu integrieren. Die vorliegende
Erfindung offenbart eine schlanke Einrichtung, wodurch dies erreicht
werden kann.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Die
hier offenbarte Erfindung beschreibt eine Einrichtung aus einer
Gruppe von Lichtstreuerfassungsstationen und ihrer untergeordneten
elektronischen und physikalischen Infrastruktur, wodurch Kommunen,
Gebäude,
Verbände,
Militärbasen,
Flughäfen,
Botschaften, Parks und andere ausgewählte Bereiche vor dem Vorhandensein
einer kurz bevorstehenden Aerosolbedrohung gewarnt werden können. Ein
Schlüssel
für den
erfolgreichen Betrieb eines solchen Systems bilden Erfassungsstationen,
die Umgebungsluftproben für
die Messung nehmen, Aerosolpartikel hierin nacheinander unter Verwendung
einer Mehrfachwinkellichtstreuung über einen weiten Bereich von
diskreten Streuwinkeln messen und klassifizieren, spezifische Bedrohungsunterklassen
aus den so gesammelten und innerhalb der gesammelten Aerosolprobe
analysierten Daten identifizieren, die relative Anzahl derartiger
Unterklassen zählen,
physikalische Änderungen,
die über
den Analysezeitraum auftreten können, überwachen
und sämtliche
verarbeiteten Daten über
integrierte Telekommunikationsverbindungen an eine zentrale Steuerungsstation
berichten können.
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Jede
Lichtstreuerfassungsstation umfasst eine Streukammer, die von einem
feinen Laserstrahl durchquert wird, zusammen mit der Fähigkeit,
den abgetasteten Aerosolstrom zu verdünnen, so dass sich nur ein einziges
Partikel im Strahl zur Zeit befindet, Lichtstreumessungen an jedem
sich vorbeibewegenden Partikel über
einen weiten Bereich diskreter Streuwinkel unter Verwendung von
Sensoren vorzunehmen, die Polarisations- und Fluoreszenzanalysatoren
enthalten können,
und die gesammelten Daten zu verarbeiten, um dadurch die Art und
Klasse jedes gemessenen Aerosolpartikels zu identifizieren. Die
Datenverarbeitung und Klassifizierung werden unter Verwendung eines
integrierten Mikroprozessorsystems erzielt, welches einen RAM-Speicher
und einen Nur-Lese-Speicher enthält,
in denen die für
die Partikelklassifikation erforderliche, vorprogrammierte Software
abgespeichert ist. Zusätzlich
besitzt jede derartige Station einen kompakten Sender, der im Konzept ähnlich wie
die von herkömmlichen
Mobiltelefonen GHz-Sender
ist.
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Jede
Erfassungsstation, die zuvor an Ort und Stelle angeordnet worden
ist, um eine Komponente eines den zu überwachenden Bereich umspannenden
Mehr fachsensornetzwerkes zu bilden, ist über eine Telekommunikationsverbindung
an eine Zentralstation angeschlossen. Die Zentralstation empfängt und
verarbeitet sämtliche
von den verbundenen Erfassungsstationen übermittelten Daten. Auf der
Grundlage derartiger verarbeiteter Daten überwacht die Zentralstation
die Position und Zusammensetzung der Aerosolwolke, untersucht sämtliche
potenziellen Bedrohungen für
den überwachten
Bereich, steuert bestimmte Erfassungsstationen, wenn eine Änderung
oder Modifikation der spezifischen Erfassungsraten und der Verarbeitung
solcher Sensoren erforderlich ist, und gibt Alarme und/oder nahezu
Realzeitwarnungen an Unterbereiche vor von der Aerosolwolke erwarteten,
potenziellen Problemen aus.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Hauptkomponenten einer typischen Erfassungsstation.
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2 ist
eine Innenansicht einer typischen Streukammer zur Durchführung von
MALS-Messungen an Aerosolpartikeln nacheinander.
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3 ist
ein Beispiel des Einsatzes einer Erfassungsstation.
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4 zeigt
Einzelheiten der Zentralstation.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung macht Gebrauch von den Probeentnahmen- und
Analysefähigkeiten
einer großen
Anzahl von hoch entwickelten Erfassungsstationen, um die Bewegung
einer Aerosolwolke oder -emission und die von dieser ausgehenden
Gefahren abzuschätzen
und zu verfolgen. Jede Erfassungsstation sammelt und verarbeitet
die Lichtstreusignaturen einzelner abgetasteter Partikel des eintreffenden
Aerosolgebildes und klassifiziert oder identifiziert jeden derartigen
Partikel. Enthalten in jeder Station ist eine vollständige Abtastfähigkeit,
die abgetastete Aerosolpartikel innerhalb eines partikelfreien Luftraumes
mitnimmt und diese nacheinander durch einen auftreffenden Strahl
aus monochromatischem Licht transportiert. Die Erfassungsstation
enthält
ebenfalls Mittel zur Erfassung des anschließend gestreuten Lichtes über einen
weiten Bereich von diskreten Streuwinkeln. Diese Streulichtsignale
werden von einer elektronischen Einrichtung digital verarbeitet
und an eine zentrale Prozessoreinheit CPU zur nachfolgenden Klassifikation
und Verarbeitung übermittelt.
Wenn eine vorbestimmte Menge von Aerosolpartikeln auf diese Weise
verarbeitet worden ist, werden ihre Identifikation, ihre Größenverteilung
und andere abgeleitete Merkmale per Telemetrie an eine Zentralstation übermittelt.
Die Zentralstation, die die analytischen Ergebnisse der vielen Erfassungsstationen
empfängt, muss
anschließend
die Daten korrelieren, die Zusammensetzung der Wolke ermitteln,
ihre Bewegung abschätzen,
ihre potenziellen Wirkungen auf die bedrohte Bevölkerung vorhersagen und geeignete
Alarme und Warnsignale zum Schutz der Bevölkerung einleiten.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Erfassungsstationen der vorliegenden Erfindung kompakt,
benutzen kleine, jedoch wirkungsvolle Festkörperlaser, besitzen eingebaute
Hybridfotodiodensensoren, von denen jeder einen zugeordneten Digitalsignalprozessor-(DSP)-Chip
hat, und enthalten ein vollständiges Mikroprozessorsystem
mit einem RAM-Speicher und einem programmierbaren Speicher. Der
DSP-Chip kann durch jede Kombination von elektronischen Komponenten
ersetzt werden, die dieselbe Aufgabe erfüllen, d.h. den Spitzenwert
des gestreuten Lichtsignals an jedem Sensor finden, wenn der streuende
Partikel durch den Laserstrahl läuft,
und derartige Signale in digitaler Form zur nachfolgenden Verarbeitung
umwandeln. Dies könnte
für jeden
Sensor mithilfe von separaten Spitzenerfassungsschaltungen, Abtasthalteschaltungen
und einem Analog-Digital-Wandler erreicht werden.
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Ein
Schlüsselelement
jeder Erfassungsstation besteht in ihrer zuvor erörterten
Aerosolbehandlungsfähigkeit,
wodurch auf die Erfassungsstation auftreffende Aerosolpartikel entnommen
und in die Streukammer durch Laminarflussmittel gezogen werden können, wobei
der Laminarfluss ebenfalls eine ausreichende Lösung ermöglicht, um zu gewährleisten,
dass sich die Aerosolpartikel durch den auftreffenden Laserstrahl
nacheinander bewegen. Die Aerosolbehandlungsfunktionen unterliegen
sämtlich
der Kontrolle desselben On-Board-Computers, der die digital verarbeiteten
Lichtstreusignale von jedem der Stationssensoren empfängt. Die
Empfangsrate dieser Signale bildet die Basis zur Regelung der Verdünnung und
der Laminarflussgeschwindigkeiten durch den On-Board-Computer.
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Ein
Ereigniszähler,
ebenfalls unter der Kontrolle des Computers, erzeugt Daten, die
mit dem Verdünnungsstatus
kombiniert sind, um die augenblickliche Partikelanzahldichte zu
erzeugen. Die verarbeiteten Lichtstreudaten ermöglichen eine anschließende Berechnung
der differenziellen Größenfraktionsverteilungen
für jede
Klasse von erfassten Partikeln oder gerade die prädominante
Art gemäß der Programmierung.
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Die
bevorzugte Ausführung
der einzelnen Erfassungsstationen arbeitet, wo immer möglich, auf
energiesparende Weise. Beispielsweise braucht die Lichtquelle, vorzugsweise
ein Festkörperlaser
wie z.B. ein GaAs-Laser, der mit einem Ausgangsenergiepegel von
etwa 30 mW bei einer Wellenlänge
von etwa 680 nm arbeitet, in einem sehr niedrigen Abtastzyklus aktiviert
zu werden. Sie kann eingeschaltet werden, um periodisch Umgebungsluft
abzutasten, und zwar beispielsweise einmal alle zwei Minuten und
dann für
eine Dauer von nur einigen Sekunden. Dieser reduzierte Abtastzyklus
kann schnell geändert
werden, wann immer erforderlich, durch die Zentralstation oder automatisch,
wann immer es eine signifikante Änderung
von Ereignissen im abgetasteten Aerosol gibt. Die Hintergrundaerosolbelastung
wird als ganz gering erachtet. Filtermittel können ebenfalls vorgesehen sein,
um große
Aerosolaggregate zu beseitigen, von denen nachweislich keine Gefahren
für den überwachten
Bereich ausgehen.
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Die
in jeder Erfassungsstation enthaltene Telemetrieeinrichtung erlaubt
die Verarbeitung von Daten durch den On-Board-Computer der Erfassungsstation,
welche in Realzeit an die Zentralstation zu übermitteln sind, die die Entwicklung
der von den einzelnen Stationen empfangenen Berichte überwacht,
Beurteilungen über
den Umfang der Aerosolbedrohung vornimmt, sofern erforderlich, und
die Art der für
jeden als schutzwürdig
spezifizierten Bereich erforderliche Warnung ermittelt. Die Zentralstation
kann Befehle an jede oder eine der Erfassungsstationen übermitteln,
um lokale Datenerfassungsraten zu verändern und Abtastzyklen zu modifizieren,
falls erforderlich. Die Zentralstation kann ebenfalls Datenverarbeitungsprotokolle,
d.h. die Analysesoftware an Bord jeder Erfassungsstation, modifizieren.
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Der
integrierte Computer/Mikroprozessor jeder Erfassungsstation ist
im Wesentlichen vorprogrammiert, um die digitalisierten Mehrfachwinkellichtstreusignale
zu analysieren, die von jedem sich vorbeibewegenden Aerosolpartikel
aufgenommen wurden. Aus diesen Analysen muss der Mikroprozessor
jedes Aerosolpartikel unter den vorprogrammierten Klassen katalogisieren
und eine derartige Information zusammen mit einer fortlaufenden
Nummerierung für
jede bezeichnete Klasse abspeichern. Periodisch werden diese verarbeiteten
Daten durch Telemetrieeinrichtungen an die zentrale Steuerstation übermittelt.
Dies würde
der Fall sein, wären
die einzelnen Partikelauftritte gefunden, um Streumuster zu erzeugen,
die anschließend
wie bei ähnlichen
Partikeln klassifiziert werden, wodurch die nachfolgende Analyse
zur Klassifizierung neu erfasster Partikel vereinfacht wird. Eine
solche Modifikation würde
die On-Board-Verarbeitung der Erfassungsstation deutlich beschleunigen.
Die Zentralstation oder jede Erfassungsstation im Einzelnen kann
in Reaktion auf eine erkannte oder antizipierte Bedrohung die geeignetste Übertragungsrate
auf der Grundlage von voreingestellten Parametern bestimmen. Somit
kann eine einzelne Erfassungsstation, die einer schnellen Änderung
der Aerosolbelastung unterworfen ist, ihre Abtast- und Übertragungsraten
erhöhen.
Die Zentralstation, die anormal hohe Datenverarbeitungsereignisse
an bestimmten Erfassungsstationen erkennt, kann andererseits spezifische
Instruktionen an eine ausgewählte
Gruppe derartiger Erfassungsstationen übersenden, um deren Verarbeitungs-
und/oder Übertragungsraten
zu verändern.
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Die
Identifizierung, Klassifizierung oder Charakterisierung jedes Aerosolpartikels,
dessen Lichtstreueigenschaften während
seiner Bewegung durch den Lichtstrahl jeder Erfassungsstation gesammelt
worden sind, bildet die Grundlage von nachfolgenden On-Board-Analysen
derartiger Daten. In der bevorzugten Ausführung dieser Erfindung weisen
einige der um die Streukammer herum angeordneten einzelnen Sensoren spezielle
optische Analysatoren vor diesen auf. Falls somit das einfallende
Licht Ebenen polarisiert in Bezug auf eine besondere Streuebene
ist, wie das der Fall für
die bevorzugte Ausführung
ist, können
einige Sensoren Polarisationsanalysatoren enthalten, so dass Depolarisationseffekte überwacht
werden können.
Ebenfalls kann es wünschenswert
sein, vor einigen Sensoren ein elektrisch justierbares Wellenplättchen wie
z.B. einen Flüssigkristallretarder
anzuordnen. Auf diese Weise ist es möglich, die Stokes-Parameter
jedes für
eine weitere Klassifizierung nützlichen
Streupartikels zu erhalten. Andere Elemente, die mit einzelnen Sensoren
kombiniert werden können,
enthalten Schmalbandpassfilter, die eine Messung der Partikelfluoreszenz
ermöglichen, wenn
das Aus gangssignal derartiger Elemente mit dem ähnlicher Elemente ohne derartige
Filter verglichen wird.
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Bei
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung handelt es sich bei den Sensoren um Hochverstärkungstransimpedanz-Fotodioden
der Art, wie sie beispielsweise von United Detector Technologies
hergestellt werden. Diese würden
unmittelbar in der Streukammer befestigt sein, welche die jedem
Sensor zugeordneten, erforderlichen Kollimatoren enthält. Selbstverständlich kann
es auch viele andere Arten von Sensoren geben, die verwendet werden
können
und in ähnlicher
Weise Fotomultiplikatoren, Lawinenfotodioden und sogar CCD-Arrays
enthalten. Falls das Sensorelement von der Streukammer aus Umgebungsgründen isoliert
sein muss, können
sie über
optische Fasermittel gekoppelt sein.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer individuellen Erfassungsstation. Es
wird vorausgesetzt, dass eine Größenordnung
von 50 derartiger Einheiten zur Überwachung
eines kleinen Gebäudekomplexes
erforderlich würden,
während
10.000 bis 500.000 für
eine kleine Stadt erforderlich sein könnten. Für letzteren Fall kann es wünschenswert
sein, verschiedene Zentralstationen vorzusehen, die durch eine Masterstation
koordiniert werden. Die Streukammer 1 enthält die Lichtquelle 2,
vorzugsweise eine Festkörperlaserdiode,
die geeignete Kollimatorelemente und Strahlfokussierelemente enthält, um einen
in einer Ebene polarisierten Strahl zu erzeugen, der im Wesentlichen
entlang eines Durchmessers der Streukammer läuft. In der bevorzugten Ausführung der
Streukammer ist ihre Struktur die eines sphärischen Gehäuses. Die Umgebungsaerosolproben
werden in die Streukammer geleitet und unter Kontrolle der Zentralprozessoreinheit 6 der
Erfassungsstation mithilfe des Aerosolbehandlungsmoduls 3 gelöst. Die
Fotosensoren 4 sind vorzugsweise in der Außenfläche der
Streukammer befestigt und bestehen im bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung aus Hochverstärkungstransimpedanz-Fotodioden.
Jeder Sensor liegt in einem fixierten festen Winkel am Aerosolpartikel/Laserstrahl-Schnittbereich
und empfängt
somit einen entsprechenden Bruchteil des vom Aerosolpartikel gestreuten
Lichtes während
des Zeitraumes, in dem sich das Partikel durch den Laserstrahl bewegt.
In der bevorzugten Ausführung
dieses Systems sind die Sensoren an diskreten Winkelpositionen angeordnet
und liegen auf Großkreisen,
deren Mittelpunkt den Schnittpunkt des Partikelstroms mit dem Laserstrahl
bildet. Falls der Laser ein in der Ebene polarisiertes Licht erzeugt,
wie es im Wesentlichen der Fall sein wird, haben die Sensoren auf
dem Großkreis,
in Bezug auf dessen der Laserstrahl auf einem Durchmesser liegt,
eine hohe Bedeutung für
die nachfolgenden Messungen. Für
diese so definierte Ebene wird die Polarisierung des Laserstrahls
vorzugsweise senkrecht zur Streuebene gewählt. Einige der auf der Streukammer
befestigten Sensoren sind mit optischen Analysatoren ausgerüstet, wie
ferner in 2 gezeigt ist.
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Die
Aerosolpartikel 15 werden durch die Streukammer mithilfe
einer partikelfreien Laminarfließhülle transportiert, die vom
Aerosolbehandlungsmodul 3 gebildet wird. Auf diese Weise
schneidet jedes eintretende Partikel den Strahl in der Mitte der
Streukammer, bevor es aus der Streukammer durch eine Auslassöffnung 9 wieder
austritt. Ein DSP 5, der programmiert ist, um das im RAM-Speicher
des DSP gesammelte Zeit/Intensitäts-Profil
analytisch einzufügen,
verarbeitet das von jedem Sensor erzeugte Signal. Da das Laserstrahlprofil im
Allgemeinen ein Gauss'sches
Profil besitzt, erzeugt jeder Sensor eine Reihe von digital codierten
Intensitätswerten,
die einem solchen Gauss'schen
Profil folgen, wenn die Streulichtdaten während der Bewegung des Partikels
durch den Strahl gesammelt und umgewandelt werden. Der DSP-Chip
verarbeitet diese Datenpunkte und erhält den aufgezeichneten Maximalwert,
der anschließend
an das CPU-Modul 6 übermittelt
wird. Der von der entsprechenden Gruppe von Sensoren erzeugte komplette
Satz von Intensitätswerten
wird anschließend von
der CPU analysiert, um die Identifizierung oder Klassifizierung
des Streupartikels vorzunehmen. Einige Sätze von Intensitätswerten
werden ignoriert und nicht klassifiziert, und zwar ferner Instruktionen
vom CPU-basierten Programm folgend.
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Die
CPU sammelt und verarbeitet solche Identifizierungs- oder Klassifizierungsergebnisse,
um gemäß den On-Board-CPU-Instruktionen
andere Aerosolpartikeleigenschaften zu ermitteln. Zu derartigen
Eigenschaften würden
die Arten von katalogisierten Partikelklassen sowie die berechnete
Größenverteilung
jeder Klasse zählen.
Periodisch und wiederum unter einem On-Board-Programmbefehl werden
die gesammelten und verarbeiteten Daten telemetrisch an die Zentralstation über das
Telemetriemodul 7 übermittelt.
Ein solches Modul kann ebenfalls Programmmodifikationen von der
Zentralstation erhalten, welche an das CPU-Modul 6 zur sofortigen Implementierung übermittelt
werden. Beispielsweise kann eine solche Modifikation von der CPU implementiert
werden, um die Probenentnahmerate der Erfassungsstation zu erhöhen, wodurch
das Aerosolbehandlungssystem seine Verdünnung des entnommenen Aerosols
herabsetzt. Sämtliche
Elemente der Erfassungsstation erhalten ihre Energie vom Energieerzeugungsmodul,
das direkt an ein externes Spannungsnetz angeschlossen sein oder
aus On-Board-Batteriequellen bestehen kann, wobei solche On-Board-Batterien kontinuierlich
vom externen Spannungsnetz, wie es beispielsweise bei herkömmlichen
Notlichtvorrichtungen der Fall ist, oder durch ein Solarzellenpaneel
geladen werden.
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2 zeigt
eine Innenansicht einer sphärischen
Streukammer 1. Das atmosphärische Aerosol wird durch das
Aerosolbehandlungssystem 3 entnommen. Dieses System enthält Komponenten
zur Filterung von Luft, die verwendet wird, um das entnommene Aerosol
zu verdünnen
und die Aerosolpartikel 15 nacheinander in einem Hüllfluss
durch die Streukammer zu transportieren, wo sie an der Auslassöffnung 9 wieder
austreten. Die verdünnten
Proben werden somit in einem Hüllfluss
durch den Laserstrahl 14 befördert, der entlang eines Durchmessers
der Kammer liegt. Der Laserstrahl wird von der Laserquelle 2 nach
paralleler Ausrichtung durch ihren zugehörigen Kollimator 10 erzeugt
und verlässt
die Streukammer 1 durch die Lichtschleuse 13.
Wie zuvor erörtert,
erzeugt ein sich durch den Laserstrahl 14 bewegendes Partikel 15 eine
austretende, sphärische Streuwelle 16,
die von in der Streukammer befestigten Sensoren 4 erfasst
wird. Jeder Sensor ist mittels Kanälen 11 parallel gerichtet,
die vorzugsweise in die Kammerwandung geschnitten sind. Diese Kanäle können zusätzliche
optische Elemente enthalten, um das Blickfeld und den starren Aufnahmewinkel
des Sensors in Bezug auf den Streuvorgang 16 weiter einzuschränken. Derartige
Elemente 12 können
Masken, einfache Linsen oder Analysatoren wie Polarisierer, optische
Wellenplättchen
zur Erzeugung verschiedener Verzögerungen, Interferenzfilter
für die
Messung der Fluoreszenz und anderer unelastischer Streuphänomene sein.
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Um
geeignete Lichtstreudaten zu erhalten, muss eine geeignete Anzahl
von Sensoren verwendet werden. Wie bereits zuvor erörtert, sind
die Sensoren im Wesentlichen auf Großkreisen für Streukammern von nahezu sphärischer
Form angeordnet. Der Bereich der ausgewählten Polarwinkel liegt im
Allgemeinen zwi schen 5° und
175°, und
der Bereich der Azimuthwinkel liegen über dem gesamten 360°-Bereich.
Frühere
Studien von Partikeln, deren quadratische Radiusmittelwerte unterhalb
von 1000 nm liegen, haben gezeigt, dass eine Größenordnung von 10 bis 30 derartiger
Sensoren, die in geeigneter Weise mit optischen Elementen wie polarisierende
Analysatoren und Interferenzfilter ausgerüstet sind, geeignet sind, um
eine Diskriminierung von optischen Observablen zu erzielen, wodurch
weite Klassen von Aerosolen differenziert werden können. Falls
andererseits ermittelt wird, dass die erfassten Partikel zur selben
Klasse zählen
und nur nachfolgend erfasste Mitglieder dieser Klasse im Einzelnen
zu bezeichnen sind, kann die erforderliche Anzahl von Sensoren und
der erforderliche Bereich von Streuwinkeln signifikant reduziert
werden. Obwohl eine in der bevorzugten Ausführung konfigurierte Erfassungsstation 30 Sensoren
haben kann, kann die Speicherung aller ihrer zugehörigen Signale
nicht notwendig sein, wenn die bevorzugten Klassen von Aerosolpartikeln
identifiziert worden sind. Durch Reduktion der für die Partikelklassifizierung
erforderlichen Anzahl von Sensoren kann die Abtastrate dementsprechend
erhöht
werden. Die Auswahl der zu verwendenden Sensorsignale kann vor Ort
in jeder Erfassungsstation auf der Grundlage einer von ihrer CPU
getroffenen Entscheidung oder gemäß einer Weisung von der Zentralstation
durchgeführt
werden.
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3 zeigt
einen kleinen Gebäudekomplex
mit einer kleinen Parkfläche 17,
dessen Schutz gegen eine Aerosoleinwirkung gewünscht ist. Dementsprechend
werden Erfassungsstationen 18 über den Komplex verteilt verwendet.
Viele werden auf den Gebäuden
an verschiedenen Stellen, an Wänden
und in den inneren Schlüsselbereichen
der Gebäude
selbst angeordnet. Letztere würden
Luftregister und einige offene Fensterstellen umfassen. Vorzugsweise
befinden sich die meisten an den äußeren Gebäudeflächen befestigten Erfassungsstationen
auf Höhen
von mehreren Metern über
dem Erdboden wie z.B. Dachflächen,
wodurch das Freisetzen von Aerosolen aufgrund von Luftangriffen
gegenüber
dem Auftreten des Aerosols auf dem stärker bedrohten Erdboden früh erkannt
wird.
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4 zeigt
einen Überblick
des Aerosolgefahrcharakterisierungs- und Frühwarnnetzwerkes gemäß Gegenstand
der vorliegenden Erfindung. Mehrere Erfassungsstationen 18 sind
mit ihren Streukammern 1, entnommenen Aerosolpartikeln 15,
Aerosolbehandlungseinheiten 3, DSP-Chips 5, CPU 6 und
Sender 7 schematisch gezeigt. Die Zentralstation sammelt,
speichert und verarbeitet die von den mehreren Erfassungsstationen 18 empfangenen
Datensätze
in ihrer CPU-Einheit 21. Diese Einheit enthält Telemetrieschalt-
und Sortiermodule sowie einen zentralen RAM und ROM-Speicher mit
hoher Speicherkapazität.
Wenn die Anzahl der von einer Zentralstation kontrollierten Erfassungsstationen
größer wird,
müssen
die CPU-Kapazitäten
der Zentralstation ebenfalls ansteigen. Es kann notwendig sein,
die Erfassungsstationen in Untergruppen zu unterteilen, die jeweils
von einer Zentralstation gesteuert werden, wobei die Zentralstationen
selbst von einer Masterstation gesteuert werden. Eine vorinstallierte
Software analysiert das Gefahrenpotenzial und die erwartete Bewegung
der Aerosolwolke. Die letztere Funktion ist in der vorliegenden
Erfindung deutlich vereinfacht, weil die Erfasserstationen weit
verteilt sind. Wenn sich eine Aerosolwolke bewegt, ermöglicht die
Geschwindigkeit, mit der bedrohliche Partikel von einzelnen Stationen
erfasst werden, eine sofortige Messung der Wolkenbewegung und -diffusion.
Ein Anstieg der Ereignisraten gibt an, dass sich die Wolke in den überwachten
Bereich bewegt, während
ein Absinken der Raten vermuten lässt, dass die bedrohlichen
Elemente den Bereich verlassen. Derartige Daten würden mit
allgemeineren meteorologischen Daten integriert werden, sofern verfügbar. Eine
solche Überwachung
ist extrem wichtig, um die Ausdehnung der bedrohlichen Wolke zu
verfolgen, wenn die Partikel beginnen, von größeren Freisetzungshöhen in die
charakteristisch niedriger liegenden bevölkerten Regionen abzusinken.
Aufgrund solcher Bedrohungsanalysen übersendet der Warn- und Alarmprozessor 22 der
Zentralstation eine aktualisierte Information über eine Alarmtelemetrieeinrichtung 23 an
verschiedene zivile, polizeiliche, Notfall- und andere Organisationen übermittelt,
welche für
die Gesundheit und Sicherheit der Bevölkerung in der überwachten
Region zuständig
sind. Eine solche Information enthält Abschätzungen zu den Bedrohungseigenschaften,
einer vorgeschlagenen Aktivität
zur Minimierung von Unfällen,
der Aerosolbewegung und -prognose, Evakuierungsvorschlägen, Schutzstrategien
etc. Die CPU-Einheit 21 der Zentralstation kommuniziert
ebenfalls mit computerausgewählten
Erfassungsstationen und weist diese an, die folgenden Parameter,
sofern erforderlich, zu modifizieren: Probenentnahmeraten, analytische
Software, Datenübertragungsraten,
Kalibrierung etc.
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Viele
Arten von Aerosolen binden sich nach Absinken auf den Erdboden mit
diesem. Dies trifft insbesondere auf biologisch basierte Aerosole
zu, und zwar einschließlich
denjenigen, die für
terroristische Zwecke verwendet werden könnten. Der Schlüssel für ein Frühwarnsystem
besteht darin, die Partikel zu erkennen, bevor sie Höhenniveaus
erreichen, auf denen lokale Bevölkerungen
am stärksten
betroffen würden.
Die Ausgabe Juli/August 1999 des Journals "Emerging Infectious Diseases", herausgegeben vom
National Center for Infectious Diseases, Zentrum des Centers for
Disease Control and Prevention, enthält einen Abdruck der Unterlagen,
die auf dem in Arlington, VA am 16. bis 17. Februar 1999 gehaltenen
Symposium "Medizinische
und volksgesundheitliche Maßnahmen
gegen Bioterrorismus" präsentiert
wurden. Unter den präsentierten
Unterlagen befinden sich zwei, die verschiedene Angriffe auf Bevölkerungszentren
durch Verwendung eines Bioaerosols beschreiben. Ein von Inglesby
herausgegebenes Papier beschreibt in deutlichen Einzelheiten einen
Angriff unter Verwendung von Anthrax-Sporen, die von einem Lastwagen freigesetzt
werden, welche entlang einer erhöhten
Straße
nahe eines Stadions fährt,
wo 74.000 Leute einem abendlichen Fußballspiel zuschauen. "... Wenn er am Stadion
vorbeifährt,
setzt der Lastwagen ein Aerosol aus pulverisiertem Anthrax für 30 Sekunden frei,
wodurch eine unsichtbare, geruchlose Anthrax-Wolke mit einer Ausdehnung
von mehr als 1/3 Meile erzeugt wird. Der Wind [eine angenehme Brise
von West nach Ost] bläst
die Wolke über
die Parkplätze
des Stadions, in und um das Stadion und über Meilen weiter über die
benachbarten Geschäfts-
und Wohngebiete. Nach der Freisetzung des Anthrax fährt der
Lastwagen weiter und ist mehr als 100 Meilen [vom Stadion] entfernt
..., wenn das Spiel zu Ende ist ... Der Fahrer des Lastwagens und
seine Begleiter verlassen das Land mit dem Flugzeug noch in der
Nacht ..." Der Autor
schätzt,
dass etwa 16.000 bis 74.000 Zuschauer infiziert sein werden, während weitere
4.000 in den Geschäfts-
und Wohngebieten in Lee der Freisetzung infiziert werden würden, welche
natürlich
von keinem bemerkt wird. Der Autor beschreibt anschließend die
Epidemiologie der durch die Freisetzung verursachten Anthraxfälle und
die Schwierigkeiten, die herkömmliche
Laboratorien mit einer korrekten Diagnose der Krankheit haben.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird sich das Szenario während und
nach der Freisetzung von Anthrax-Sporen deutlich ändern. Während der
Freisetzung werden die auf dem und über das Stadion verteilt befestigten
Erfassungsstationen die Freisetzung und ihre wahrscheinliche Zusammensetzung
erfassen und klassifizieren. Diese Information wird an die Zentralstation
nahezu sofort übermittelt,
welche daraufhin eine öffentliche
Ankündigung
im Station veranlasst. Diese Ankündigung
wird in ruhiger Form vorgetragen, wobei die Möglichkeit erläutert wird,
dass eine gefährliche
Freisetzung erfasst worden ist, und instruiert anschließend die
Zuschauer, um sofortige Maßnahmen
zu treffen, indem ihre Köpfe
und Gesichter mit Tuch und Bekleidungsstücken bedeckt werden, sich niederzulegen
und langsam durch vorzugsweise angefeuchtetes Tuch zu atmen und
auf weitere Instruktionen für
eine ordnungsgemäße Evakuierung
zu warten. Zusätzlich
werden die in der Umgebung vorgesehenen Erfassungsstationen nun
ihre Abtast- und
Berichtsraten unter der Steuerung der Zentralstation erhöhen. Mit
Eintreffen weiterer Berichte in der Zentralstation wird die Zentralstation
selbst Warnungen an die gefährdeten
bevölkerten
Gebiete mit häufigen
Aktualisierungen der Aerosolbewegung und Anweisungen zum Schutz
der lokalen Bevölkerung
senden. Die lokalen medizinischen Behandlungsinstitutionen werden
ebenso alarmiert, so dass sie besser präpariert sind, von neuen Patienten
eine korrekte Diagnose vorzunehmen, die dort in den folgenden Tagen
erscheinen. Zusätzlich
wird die Freisetzung und ihre Erkennung am Stadion die Zentralstation
getriggert haben, um die umgebenden Erfassungsstationen für den Beginn
einer häufigeren
Probenentnahme in der unmittelbaren Nachbarschaft zur primären Freisetzung
neu zu programmieren. Auf diese Weise wird es möglich, das freisetzende Fahrzeug
zu verfolgen und seine potenzielle Route abzuschätzen sowie die Behörden für ein Abfangen
des Fahrzeuges zu alarmieren. Aufgrund dieser Implementierung der
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung werden die Unfälle
deutlich reduziert werden, und zwar wahrscheinlich auf weniger als
1.000.
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Das
Papier von O'Toole
auf den Seiten 540 bis 546 beschreibt ein Szenario, das einen Angriff
unbekannter Herkunft behandelt, welcher die vermeintliche Benutzung
von Pockenviren in Aerosolform in einem unbekannten Träger zum
Gegenstand hat. Kein Mittel oder Ort wird für die Freisetzung des Aerosols
angegeben. Nur die anschließende
Epidemiologie und wiederum die Konfusionen mit akkuraten Diagnosen
für die
infizierte Bevölkerung
werden erörtert.
Es erscheint sehr sicher, dass unter geeigneter Verwendung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung der Ort und die Zeit der anfänglichen
Freisetzung zusammen mit der Ausbreitung des Aerosols ausreichend
vor Erken nung einer Krankheit erfasst worden sein würde. Eine derartige
Warnung und Verfolgung der Wolke gewährleisten ferner, dass die
Klinikstationen, wie Notfallaufnahmen, die kritisch kranke Patienten
aufnehmen würden, über die
wahrscheinliche Ursache derartiger Krankheiten vorgewarnt worden
sein würden.
-
Es
gibt viele Umweltthemen betreffend die Verwendung einer Erfassungsstation,
welche bislang noch nicht diskutiert wurden. Da viele solcher Stationen
im Freien angeordnet sein werden, werden sie großen Schwankungen des Wetters
einschließlich
extremer Sommerhitze, kalter Winter, Regen, Schnee, frostigen Bedingungen,
Stürme
etc. ausgesetzt werden. Dementsprechend müssen sie davor geschützt werden,
dass derartige Schwankungen die ordnungsgemäße Funktion der Einheiten beeinflussen
könnten.
Diesbezüglich
wird es für
einige Einheiten erforderlich sein, mit einer speziellen Härtung gegen
verschiedene Umwelteinflüsse
versehen zu werden. Es kann notwendig sein, eine geeignete Isolierung
und vielleicht sogar eine Umgebungskontrolle vorzusehen. Beispielsweise
könnte
eine gut isolierte Einheit ein Peltier-Heiz/Kühlelement aufweisen, um eine
stabile lokale Arbeitsumgebung aufrechtzuerhalten.
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Andere
Erfassungs- und Frühwarnkonzepte
sind im "Hintergrund"-Abschnitt dieser
Beschreibung erörtert
worden. Eine der wichtigen Aufgaben des LIDAR-Systems besteht beispielsweise darin,
nach charakteristischen Signaturen potenzieller biologischer Bedrohungen
zu suchen. Häufig
begleiten Fluoreszenz- und UV-Aktivitäten Signaturen
eines biologischen Mittels. Obwohl die vorliegende Erfindung Fluoreszenz-Messungen
an einzelnen Partikeln mit längeren
Wellenlängen
als die der eintreffenden Strahlung mithilfe von Interferenzfiltern
durchführen
kann, wie bereits zuvor erörtert,
würde es
einfach sein, eine gepulste UV-Quelle
zur Streukammer hinzuzufügen,
wodurch die Fluoreszenzantwort von einem so stimulierten einzigen
Partikel erfasst werden könnte.
Die Entscheidung, nach solchen Signaturen zusätzlich zum Mehrfachwinkelstreumuster zu
suchen, könnte
unter der Steuerung der CPU einer Erfassungsstation oder im Falle
eines Empfangs von der Zentralstation getroffen werden. Eine derartige
Impulsbildung könnte
in Übereinstimmung
mit der einfallenden Streustrahlung stattfinden oder an deren Stelle
separat angewandt werden. Es gibt viele Variationen solcher zusätzlichen
Messungen, was sich dem einschlägigen
Fachmann auf dem Gebiet der UV-Stimulation von biologischen Stoffen
leicht erschließt.
-
Die
wie in dieser Erfindung offenbarten wirkungsvollen Erfassungsstationen
sind zu einer Vielzahl von analytischen Prozessen in der Lage, wie
bereits ausgeführt
wurde. Zusätzlich
zur Partikelcharakterisierung und -identifizierung können derartige
Stationen Datensätze
sammeln, diese mit vorausgegangenen Datensätzen vergleichen, Größenverteilungen
sowie Änderungen
in derartigen Verteilungen bestimmen und zahlreiche andere Funktionen
innerhalb der Fähigkeiten
einer CPU, die mit einem Datenerzeugungs- und -aufnahmesystem gekoppelt
ist, ausführen.
Die weiter unten angegebene Tabelle 1 ist ein Beispiel dieser Art
von Daten, die per Telemetrie durch eine Erfassungsstation der vorliegenden
Erfindung übermittelt
werden könnten,
welche die große
Gruppe von Daten verarbeitet, die sie sammelt. Dieser simulierte
Sammeldatensatz würde
am 8. Juni 2002 um 14:28 Uhr von der Erfassungsstation 314 übermittelt
werden. Das Zeitintervall seit der letzten Übermittlung Δτ von dieser
Station betrug 2 Minuten und 15 Sekunden. Für diese besonderen Probenentnahmen
waren Übermittlungen
in Intervallen kürzer
als 1 Minute nicht erforderlich. Zwei Hauptklassen von Aerosolpartikeln
wurden ermittelt und als G und K entsprechend klassifiziert. Kleinere
Konstituenten wurden nicht klassifiziert. Der quadratische Radiusmittelwert
für Klasse 1 (entsprechend
den G-Partikeln) betrug 940 nm und der von Klasse 2 (K-Partikel)
320 nm. Die Veränderung
des rms-Radius seit der letzten Übermittlung
für Klasse 1 betrug ± 10 nm,
während
die der Klasse 2 um 50 nm abgenommen hatte. Die volle Schwankungsbreite
bei halbem Maximum FWHM für
Klasse 1 betrug 10 nm, während die für Klasse 2 75 nm betrug. Die Änderung
von FWHM für
Klasse 1 während
der 2 Minuten und 15 Sekunden seit der letzten Übermittlung von dieser Station
betrug 0, während
die für
Klasse 2 um 20 nm angestiegen war. Die berechnete Partikelkonzentration
n, für
Klasse 1 unter Berücksichtigung
einer Probenverdünnung
betrug 250 pro ml, während
die von Klasse 2 n2 700 pro ml
betrug. Bei den entsprechenden Änderungen
in der Konzentration für
die beiden Klassen während
des Intervalls der 2 Minuten und 15 Sekunden handelt es sich um
Abnahmen von 200 und 350 Partikel pro ml entsprechend. Schließlich betrug
der Verdünnungsfaktor,
der vom Aerosolbehandlungsmodul während der berichteten Übermittlung
verwendet wurde, 1:30. Bei der Änderung
des Verdünnungsfaktors
seit der letzten Übermittlung
handelt es sich um eine Abnahme eines Faktors von 20. Somit basierten
die zuvor übermittelten
Daten auf einem Verdünnungsfaktor
von 1:50 im Vergleich zu den vorliegenden 1:30. Die Umgebungsdichte
nimmt somit ab, wodurch die erforderliche Menge der Verdünnung abnimmt.
Die Übermittlung
des simulierten Datensatzes von Tabelle 1 erfordert eine vernachlässigbare
Bandbreite. Die Gruppe der gemessenen und abgeleiteten Variablen,
die bequem sogar von einer großen
Gruppe von Erfassungsstationen unter Einschluss mehrerer Tausend
Stationen übermittelt
werden könnten,
konnte erweitert werden, um andere Variablen wie die Fluoreszenzantwort
einzuschließen,
und verschiedene morphologische Partikelparameter konnten somit
deutlich erweitert werden, und zwar ohne ernsthafte Behinderung
der Datenaufnahme und -analyse durch die Zentralstation.
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Die
simulierten Daten von Tabelle 1 zeigen Eigenschaften der zwei klassifizierten
Partikelarten. Für diese
besondere Simulation wurde angenommen, dass nur zwei hauptsächliche
Partikelklassen zu bezeichnen sind. Beide Klassen G und K zeigen
eine Abnahme der Konzentration während
der 2 Minuten und 15 Sekunden zwischen den Aufnahmen. Klasse G scheint
eine stabile Größe mit unveränderlichem
rms-Radius und voller Schwankungsbreite der Größenverteilung bei halbem Maximum
FWHM zu haben. Andererseits zeigt Klasse K einen bemerkenswerten
Anstieg von FWHM und eine deutliche Abnahme des rms-Radius. Dementsprechend
können
diese und ähnliche
Schlussfolgerungen weitere Informationen hinzufügen, um die Klassifizierung
und Identifizierung der ermittelten Klassen zu unterstützen.
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Tabelle
1: Typische telemetrische Daten (simuliert)
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsbeispiele
des Aerosolgefahrfrühwarnsystems
explizit angegeben worden sind, gibt es viele Variationen, die sich
dem Fachmann auf dem Gebiet der Aerosolcharakterisierung ohne weiteres
erschließen.
