RU75242U1 - Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ - Google Patents
Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ Download PDFInfo
- Publication number
- RU75242U1 RU75242U1 RU2008110562/22U RU2008110562U RU75242U1 RU 75242 U1 RU75242 U1 RU 75242U1 RU 2008110562/22 U RU2008110562/22 U RU 2008110562/22U RU 2008110562 U RU2008110562 U RU 2008110562U RU 75242 U1 RU75242 U1 RU 75242U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- explosives
- spectral
- radiation
- sensitivity
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к технике оптических методов измерения физико-химических параметров вещества и предназначена для удаленного обнаружения паров взрывчатых веществ (ВВ) и загрязнений в атмосфере. Технический результат полезной модели заключается в повышении более чем на порядок чувствительности обнаружения ВВ по сравнению с известными устройствами. Данный результат достигается за счет того, что в источнике лазерного излучения, который направляет свой пучок (сигнал) в зону с парами взрывчатых веществ, используется эксимерный KrF лазер с длиной волны излучения 247.86 нм, а в приемном спектрально-оптическом устройстве, которое регистрирует обратный сигнал из зоны с парами ВВ в спектральной области 223-239 нм, используется широкоапертурный телескоп, фотоэлектронный умножитель и решетчатый монохроматор с высокими пропусканием (50-70%) и шумо-подавлением (10-12-10-15). В таком устройстве повышается мощность источника лазерного излучения, намного упрощается и удешевляется оптическая схема, повышается надежность всей лазерной системы. Использование предлагаемого приемного спектрально-оптического устройства позволяет существенно повысить уровень шумо-подавления (до 10-12-10-15) и тем самым существенно повысить чувствительность всего устройства. В результате предлагаемая полезная модель позволяет обнаруживать пары ВВ (TNT-тринитротолуол) в атмосферном воздухе на расстоянии до 5 м с чувствительностью до 0.1-1 ppb.
Description
Полезная модель относится к технике оптических методов измерения физико-химических параметров вещества и предназначена для удаленного обнаружения паров взрывчатых веществ (ВВ) и загрязнений в атмосфере. Может быть использована при борьбе с терроризмом, на таможне и в криминалистике для дистанционного зондирования. Полезная модель найдет применение при решении различных задач экологии атмосферы, в различных производственных процессах для качественного и количественного дистанционного обнаружения загрязнений, содержащих NO2 и NO.
Спектрографическая лазерная диагностика является одним из перспективных способов количественной и качественной оценки, дистанционного обнаружения и идентификации различных объектов. Дистанционное лазерное зондирование позволяет с высокой чувствительностью и разрешением исследовать малые количества образца и осуществлять экспресс анализ. Это обуславливает многообразие эффективно используемых в различных отраслях народного хозяйства и запатентованных способов и методов лазерного измерения и обнаружения различных объектов. Как правило, многообразие всех известных в настоящее время способов дистанционного лазерного зондирования объектов базируется на методе комбинационного рассеяния (КР) или на методе лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).
Метод комбинационного рассеяния (КР) основан на неупругом (комбинационном) рассеянии света молекулами, что позволяет связать получаемые КР-спектры с химическими свойствами составляющих эти объекты. В основе метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) лежит испускание фотонов молекулами при их переходе из возбужденного состояния в основное состояние в случае воздействия на них лазерным излучением.
Известен способ и устройство для идентификации маркировки товарного бензина и устройство для его осуществления (патент РФ №2137111, 1997 г.). Для идентификации марки товарного бензина заранее снимают спектры флуоресценции образцов сравнения -эталонов, при этом для возбуждения объектов используют лазерное излучение с длиной волны, совпадающей с центром линии поглощения объекта. Затем эту же линию используют для возбуждения спектра флуоресценции в идентифицируемом бензине и в сине-зеленой области спектра, для реперных точек проводят сравнение интегральных
величин интенсивности флуоресценции идентифицируемого бензина и образцов сравнения, определяют отношение измеренных величин и судят о марке идентифицируемого бензина.
Существенным недостатком описанного устройства является недостаточная информативность интегральной интенсивности флуоресценции и для "родственных" объектов этот параметр может быть неотличим, что приводит к значительному увеличению значения вероятности ложного сигнала, т.е. однозначная идентификация не всегда возможна.
Известен способ и устройство для определения характеристик сложных многокомпонентных напитков (патент РФ №2164677, 1999 г.) Этот способ также основан на взаимодействии излучения с исследуемым объектом, возбуждении фотолюминесценции, наблюдении и анализе спектрального состава излучения. Фотолюминесценция тестируемого напитка наблюдается при комнатной температуре или температуре жидкого азота. Анализ спектрального состава излучения проводится аппроксимацией по закону нормального распределения.
Этот способ также проводит сравнение и идентификацию образцов по совокупности интегральных характеристик спектра, что ограничивает сферу его использования и для надежного распознавания "родственных" веществ не применим.
Известны также способы и устройства для дистанционного обнаружения отравляющих веществ (см. заявку РФ №98123323, 1998 г.; патент РФ №2155954, 1997 г.). Эти способы дистанционного обнаружения отравляющих веществ (OВ) предусматривают лазерное дистанционное зондирование УФ-излучением и регистрацию фоновых характеристик атмосферы и интенсивности сигналов люминесценции аэрозоля OВ в видимой области спектра. Данные способы позволяют осуществлять дистанционный контроль концентрации конкретных OВ, но не позволяют осуществлять диагностику и идентификацию OВ, и тем более ВВ.
Анализ вышеупомянутых патентов показывает, что на данный момент задача дистанционного обнаружения и идентификация с необходимой достоверностью различных объектов актуальна, однако они неприменимы для обнаружения ВВ.
Принцип действия лазерной системы обнаружения ВВ состоит в том, что короткий импульс лазерного излучения посылается в инспектируемую зону, где лазерное излучение взаимодействует с парами ВВ в воздухе или со следами ВВ на поверхности. Оптический отклик, индуцированный лазерным воздействием, возвращается назад и попадает в приемную оптическую систему и далее в аппаратуру спектрального анализа и фотодетектирования. Основная трудность реализации метода состоит в том, что ВВ
имеют очень низкую летучесть, как следствие, очень низкую концентрацию паров в воздухе. Поэтому, устройство дистанционного обнаружения должно обеспечивать регистрацию сверхнизкой концентрации паров ВВ в атмосфере.
Наиболее перспективное устройство дистанционного обнаружения ВВ в настоящее время основано на лазерной фрагментации ВВ с образованием NO-фрагментов и последующей лазерной индуцированной флюоресценции этих фрагментов [1, 2]. В нем используется общее свойство большинства ВВ содержать нитрогруппу NO. Именно нитрогруппа обеспечивает необходимые детонационные характеристики взрывчатого вещества и является его неотъемлемым признаком. Молекула NO имеет высокую активность в процессе флуоресценции и может быть обнаружена дистанционно методом лазерно-индуцированной флуоресценции при возбуждении из основного состояния.
Поскольку эффективность процесса фрагментации в ультрафиолетовом диапазоне длин волн достаточно высока, то это позволяет использовать один и тот же ультрафиолетовый лазер, как для фрагментации молекул ВВ, так и для возбуждения индуцированной флуоресценции характеристических осколков. При этом для регистрации сигнала флуоресценции требуется высокочувствительное спектрально-оптическое устройство.
Аналогом лазерной системы для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ является устройство, описанное в работе [1]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, приемного спектрально-оптического устройства на основе спектрального фильтра для области 223-239 нм и фотоэлектронного умножителя. Сигнал с фотоумножителя регистрируется осциллографом и обрабатывается на компьютере. Источник лазерного излучения выполнен на базе Nd-лазера, который работает на 3-й гармонике с длиной волны λ=353 нм. Далее это излучение используется для накачки нелинейного кристалла и получения параметрической генерации света (ПГС) в на λ=495,7 нм. Далее это излучение преобразуется в другом нелинейном кристалле во 2-ю гармонику для получения излучения на рабочей длине волны λ=247.86 нм. Источник лазерного излучения обеспечивал импульс излучения с энергией 0.5 мДж, длительностью импульса 3 не и шириной спектральной линии 0.2 см-1. Система регистрации позволяла при температуре 26°С в течении 30 сек регистрировать наличие паров ВВ с чувствительностью до 13 ppb (1 ppb - 1 миллиардная часть).
Прототипом лазерной системы для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ является устройство, описанное в работе [2]. Данное устройство также состоит из источника лазерного излучения на базе Nd-лазера (3-я гармоника, ПГС, 2-я гармоника) и приемного спектрально-оптического устройства на основе спектрального фильтра для
области 223-239 нм и фотоэлектронного умножителя. Лазерный источник с длиной волны 247.86 нм обеспечивал импульс излучения с энергией 5 мДж, длительностью импульса 10 не и шириной спектральной линии 0.1 см-1. Система регистрации позволяла регистрировать в атмосфере при температуре 24°С наличие паров ВВ с чувствительностью до 8 ppb.
Основным недостатком прототипа при определении ВВ является ограничение чувствительности, которое связано с двумя факторами. Во-первых, существует ограничение на энергию излучения лазерного источника (Е=5 мДж на λ=247.86 нм), так как это не основная частота излучения Nd-лазера, а результат сложного преобразования частоты в 3-ю гармонику, ПГС и во 2-ю гармоника. При этом эффективность преобразования основной длины волны (1060 нм) в излучение на рабочей длине волны была менее 1%. Кроме этого, энергия лазерного импульса ограничена пределом оптической прочности нелинейных элементов преобразователя. Во-вторых, приемное спектрально-оптическое устройство для регистрации лазерной флюоресценции, основанное на подавлении шума с помощью фильтров, ограничено уровнем шумоподавления (отношение шумового сигнала к полезному сигналу) ~ 10-6. Шум представляет несмещенное рассеяние на основных компонентах атмосферы (азот, кислород, аэрозоли).
Предлагаемая полезная модель решает задачу оперативного, с высокой точностью и надежностью, дистанционного распознавания и идентификации ВВ.
Указанная задача достигается тем, что в известной лазерной системе, содержащей источник лазерного излучения с длиной волны 247.86 нм и приемное спектрально-оптическое устройство, состоящее из широкоапертурного телескопа, фотоэлектронного умножителя и спектрального селектора, в качестве источника лазерного излучения используется эксимерный KrF лазер, работающий на коротковолновом крае спектрального контура усиления, а в приемном устройстве, в качестве спектрального селектора, используется решетчатый монохроматор с высокими пропусканием (не ниже 50-70%) и шумоподавлением ~ (10-12-10-15).
Решение поставленной задачи достигается следующим образом. Для повышения чувствительности при дистанционном обнаружении ВВ нами предлагается изменить устройство так, чтобы существенно повысить как уровень энергии в импульсе лазерного излучения, так и уровень шумоподавления при регистрации лазерной флюоресценции. При этом первое предлагается достичь за счет использования эксимерного KrF лазера вместо источника лазерного излучения на базе Nd-лазера со сложным преобразованием частоты. Поскольку в этом случае частота лазерного излучения принадлежит контуру
усиления KrF лазера и не требуется сложная система преобразования частоты, то практически отсутствует ограничение на энергию лазерного импульса. Единственная проблема связана с тем, что длина волны 247,86 нм находится не в максимуме контура усиления молекулы KrF (максимум на длине волны 248 нм), а на самом ее краю, и получение мощной генерации на этой длине волны не является очевидным. Однако в наших экспериментах мы обнаружили, что на длине волны 247,86 нм можно получать до половины энергии по отношению к энергии в максимуме контура усиления. Следовательно, KrF лазер может достаточно эффективно использоваться в лазерной системе для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ вместо твердотельного лазера. При этом намного упрощается и удешевляется оптическая схема источника лазерного излучения, повышается надежность всей лазерной системы.
Повысить уровень шумоподавления в приемном спектрально-оптическом устройстве предлагается за счет использования специального решетчатого монохроматора, отличающегося высоким пропусканием ~ 50-70% и большим уровнем шумоподавления ~ (10-12-10-15).
Схема предлагаемой лазерной системы приведена на Фиг.1.
Лазерная система для дистанционного обнаружения ВВ содержит: 1 - KrF лазер, работающий на длине волны 247,86 нм; 2 - Телескоп с увеличением М=3; 3 - пары взрывчатого вещества; 4 - двойной монохроматор с ФЭУ; 5 - система обработки данных. В наших экспериментах использовался эксимерный лазер на молекуле KrF, позволяющий генерировать излучение с энергией в импульсе 20 мДж и шириной спектральной линией 2 пм, на частоте резонансного возбуждения NО фрагментов 247,86 нм.
Принцип работы предлагаемой лазерной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), направлялся на область (3) с парами ВВ (TNT-тринитротолуол). Расстояние от лазера до паров было 5 м. За счет телескопа (2) была возможность немного изменять интенсивность излучения в зоне паров (3). В парах происходило частичное поглощение лазерного излучения на длине волны 247.86 нм, и рассеяние излучения на длине волны 223-239 нм. Регистрация рассеянного от паров ВВ сигнала осуществлялась с помощью телескопа (3), дифракционного двойного монохроматора с уровнем подавления шума ~ 10-10 и ФЭУ (4). Сигнал с ФЭУ подавался на систему обработки данных.
В результате проведенного испытания в атмосферном воздухе по определению паров ВВ была получена уверенная регистрация ВВ при температуре от 18 до 24°С (при снижении температуры падает концентрация паров ВВ). При этом данная аппаратура позволила нам измерять содержание паров с чувствительностью до 0.1-1 ppb ВВ. Это
более чем на порядок величины превышает уровень чувствительности при обнаружении ВВ по сравнению с прототипом. С другой стороны, в предлагаемом устройстве снимается ограничение с мощности лазерного источника излучения, намного упрощается и удешевляется оптическая схема, повышается надежность всего устройства.
Источники информации:
1. J.Shu, I.Bar, S.Rosenwaks / Applied Optics, 1999, Vol.38, No 21, PP.4705-4710
2. Т.Arusi-Parpar, D.Heflinger, and R.Lavi, "Photodissociation Followed by Laser-Induced Fluorescence at Atmospheric Pressure and 24°C: A unique Scheme for Remote Detection of Explosives," Appl. Opt., 40, 6677-6681 (2001).
Claims (1)
- Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ, содержащая источник лазерного излучения с длиной волны 247.86 нм и приемное спектрально-оптическое устройство, состоящее из широкоапертурного телескопа, фотоэлектронного умножителя и спектрального селектора, отличающаяся тем, что источником лазерного излучения является эксимерный KrF лазер, работающий на коротковолновом крае спектрального контура усиления, а в приемном устройстве в качестве спектрального селектора используется решетчатый монохроматор с высокими пропусканием не ниже 50-70% и шумоподавлением ~(10-12-10-15).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008110562/22U RU75242U1 (ru) | 2008-03-19 | 2008-03-19 | Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008110562/22U RU75242U1 (ru) | 2008-03-19 | 2008-03-19 | Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU75242U1 true RU75242U1 (ru) | 2008-07-27 |
Family
ID=39811321
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008110562/22U RU75242U1 (ru) | 2008-03-19 | 2008-03-19 | Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU75242U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2741745C1 (ru) * | 2020-07-03 | 2021-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, (ИСЭ СО РАН) | Способ дистанционного обнаружения в воздухе опасных веществ, содержащих нитрогруппу |
-
2008
- 2008-03-19 RU RU2008110562/22U patent/RU75242U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2741745C1 (ru) * | 2020-07-03 | 2021-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, (ИСЭ СО РАН) | Способ дистанционного обнаружения в воздухе опасных веществ, содержащих нитрогруппу |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wu et al. | Stand-off detection of chemicals by UV Raman spectroscopy | |
US9709485B1 (en) | Differential excitation spectroscopy II | |
US20040155202A1 (en) | Methods and apparatus for molecular species detection, inspection and classification using ultraviolet fluorescence | |
US7829345B1 (en) | Remote detection of peroxide compounds via laser induced fluorescence | |
Stewart et al. | Determination of hydrogen peroxide concentration using a handheld Raman spectrometer: Detection of an explosives precursor | |
US6900890B1 (en) | Fiber Raman sensor for remote chemical detection | |
Dogariu et al. | Coherent anti-stokes Raman spectroscopy for detecting explosives in real time | |
Tian et al. | Rapid evaluation method based on DOM for water quality by microlaser fluorescence spectrometer | |
Fu et al. | The crosstalk fluorescence spectroscopy analysis principle and an accurate fluorescence quantitative method for multi-composition fluorescence substances | |
Uriarte et al. | The self-absorption phenomenon in quantitative Raman spectroscopy and how to correct its effects | |
Arusi-Parpar et al. | Standoff detection of explosives in open environment using enhanced photodissociation fluorescence | |
Gilmore et al. | Analysis of the chromophoric dissolved organic matter in water by EEMs with Horiba-Jobin Yvon fluorescence instrument called Aqualog | |
RU75242U1 (ru) | Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ | |
Mierczyk et al. | Fluorescence/depolarization lidar for mid-range stand-off detection of biological agents | |
Sadate et al. | Standoff Raman measurement of nitrates in water | |
Matsumoto et al. | In situ measurement of N2O5 in the urban atmosphere by thermal decomposition/laser-induced fluorescence technique | |
Yang et al. | Vegetation identification based on characteristics of fluorescence spectral spatial distribution | |
Yin et al. | Remote identification of oil films on water via laser-induced fluorescence LiDAR | |
Wallin et al. | Possibilities for standoff Raman detection applications for explosives | |
Prakash et al. | White light excitation fluorescence (WLEF) Part II. Analysis of complex multifluorophoric systems | |
CN207379930U (zh) | 基于共振激发激光诱导击穿光谱快速检测茶叶重金属的装置 | |
JP2004527767A (ja) | 濃縮媒質に含まれる化学種の光学検出方法 | |
RU100269U1 (ru) | Устройство дистанционного обнаружения и индентификации объектов органического и биологического происхождения | |
Fotakis et al. | Applications of Laser Spectroscopy | |
Che et al. | Measurement of permanganate index in water using hand-held fluorescence spectrometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20160320 |