Устройство для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах
Устройство предназначено для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах при их проверке в местах контролируемого доступа. Устройство содержит точечный источник излучения 1, систему формирования излучения 2, включающую сферическое 11, в фокальной плоскости которого установлен источник излучения, и плоское 12 зеркала, элемент МНПВО 3, образующий световод между его параллельными гранями, спектроанализатор 4, включающий дифракционную решетку 13 и объектив 12, в фокальной плоскости которого установлен приемник излучения - линейка фотоэлементов 5. Выявление опасных веществ на поверхности документа выполняется методом МНПВО-спектроскопии по принадлежащим только данному веществу линиям поглощения в ИК-диапазоне длин волн, создающим участки малой интенсивности на отдельных элементах линейки 5, на каждом из которых строится изображение источника излучения в узком спектральном диапазоне.
Заявляемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована для обнаружения следовых концентраций опасных веществ (взрывчатых, токсических, наркотических и других) на поверхности различных документов в местах контролируемого доступа, таких, как аэропорты, военные учреждения, гражданские предприятия, места массового скопления людей при проведении различных мероприятий, для выявления людей, имевших непосредственный контакт с указанными опасными веществами.
Обнаружение опасных веществ является одной из актуальных проблем в связи с получившими в последние годы широкое распространение во всем мире актами терроризма и незаконным оборотом наркотиков. При этом важным становится не только обнаружение запасов взрывчатых и токсичных веществ, готовых зарядов, партий наркотиков, но и выявление лиц, причастных к их изготовлению, транспортировке, введению в оборот, на основе следовых количеств, оставшихся на руках, одежде, багаже и ручной клади, документах, предъявляемых к досмотру.
Выявление следов опасных веществ на документах представляет особый интерес, так как благодаря высокой адгезионной способности их следы сохраняются на документах длительное время. В отличие от рук, одежды и других предметов, документы не подвергают чистке, мытью и другим процедурам, способным уничтожить эти следы. Документы, удостоверяющие личность, в обязательном порядке предъявляются при проведении паспортно-визового контроля, что позволяет проводить проверку на наличие следов скрытно, параллельно с просмотром документов.
Существует целый ряд возможных методов, способов и устройств на их основе для проведения анализа на наличие следов опасных веществ. Многие из них предусматривают поиск с помощью масс-спектрометрии, газовой хроматографии и спектрометрии ионной подвижности. Однако, при осуществлении этих методов необходима подготовка пробы в газовой фазе, а многие из опасных веществ имеют очень низкое давление паров, особенно при комнатной температуре, что делает их обнаружение достаточно трудным. Поэтому необходимо предварительное концентрирование паров и нагрев микроследов для существенного увеличения давления паров.
Так, например, известно устройство обнаружения следов микропримесей опасных веществ на поверхности документов (патент RU 2288459 C1, G01N 13/00 (2006.01), оп. 2006.11.27), относящееся к области газового анализа, которое может использоваться для определения микроследов опасных веществ - взрывчатых веществ, наркотиков, токсичных веществ и т.п. на поверхности документов при прохождении контрольных проходов в аэропортах, железнодорожных вокзалах, выставках и т.д.
Известное устройство содержит систему ввода обследуемого объекта, побудитель расхода воздуха, нагреватель и газоанализатор, а также фильтр очистки воздуха. В качестве газоанализатора используется спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП), выход которого соединен через побудитель расхода воздуха с входом фильтра. Вход системы ввода обследуемого объекта и вход СПИП соединены с выходом фильтра. Нагреватель расположен непосредственно над поверхностью документа, а устройство ввода обследуемого объекта выполнено в виде герметичной камеры, защищающей обследуемую поверхность документа от внешней атмосферы.
При выполнении исследований необходимы герметизация обследуемого документа от внешней атмосферы в камере, применение
нагревателя и замкнутой газовой схемы с насосом и очищающим фильтром, что существенно усложняют конструкцию и эксплуатацию устройства. Непосредственное расположение нагревателя у поверхности обследуемого документа и нагрев этой поверхности на 50-100°С могут привести к повреждению или разрушению анализируемой поверхности. Сам документ должен быть помещен в герметичную камеру, что исключает скрытное выполнение проверки.
К достоинствам известного устройства можно отнести высокую чувствительность, обусловленную использованием в качестве газоанализатора спектрометра приращения ионной подвижности, однако необходимость предварительного нагрева исследуемого документа и подготовки пробы является его недостатком.
Известен также детектор для обнаружения взрывчатых веществ (патент RU 2148825, МПК 7 G01N 33/22, G01N 25/54, G01N 21/65, оп. 2005.05.10), который относится к устройствам для обнаружения взрывчатого материала в образце. Детектор используют для обнаружения присутствующего в образце пластикового взрывчатого вещества Семтекс с помощью Рамановской спектроскопии. Активные химические ингредиенты Семтекса имеют устойчивые Рамановские пики на 885 и 874 см -1 соответственно. С учетом этого данные пики могут быть обнаружены Рамановской спектроскопической системой с использованием фильтра, имеющего узкую ширину пропускания, сцентрированного на 880 см-1 и имеющего ширину полосы пропускания, равную 20 см-1. Такой фильтр следует использовать в Рамановской системе, применяемой для сканирования авиационных посадочных талонов или в Рамановском микроскопе, который воспроизводит изображение отпечатков пальцев.
При прохождении регистрации в аэропорту пассажир получает посадочный талон. Если он перед этим держал в руках взрывчатое вещество, например, Семтекс, то следы частиц этого вещества останутся на его руках и в дальнейшем могут быть перенесены на посадочный талон
при обычном контакте. Затем на проверочном посту, например, в предпосадочном проходе аэропорта, пассажир пропускает свой посадочный талон через считывающее устройство. Во время перемещения в считывающем устройстве посадочный талон сканируется излучением лазера. Встроенный в считывающее устройство детектор реагирует на присутствие на посадочном талоне любой из RDX или PETN-частиц, характерных для вещества Семтекс. При наличии в образце загрязнений детектор позволяет в относительно короткий промежуток времени обнаружить наиболее часто применяемые взрывчатые вещества.
Необходимость использования дополнительного документа (посадочного талона, билета и др.), который является только вторичным переносчиком следов, уменьшает количество анализируемого вещества и снижает вероятность его обнаружения.
Одним из наиболее развитых аналитических методов, которые могут быть применены для обнаружения и исследования малых количеств веществ, является оптическая спектроскопия и, в частности, один из ее видов - спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), которая служит дополнением к обычным абсорбционным методам и применена в случаях, когда обычные методы использовать сравнительно трудно.
Отражение света, падающего на границу раздела двух сред из среды оптически более плотной (с большим показателем преломления), принято называть внутренним отражением. В частном случае двух прозрачных полубесконечных сред внутреннее отражение может быть полным. При полном внутреннем отражении (ПВО) граница раздела двух сред ведет себя как идеальное зеркало, отражая весь световой поток. Необходимым условием ПВО является прозрачность оптически менее плотной среды. Если же эта среда обладает способностью поглощать электромагнитную энергии, то интенсивность отраженного света будет меньше
интенсивности падающего света, т.е. происходит нарушение полного внутреннего отражения (НПВО).
Важнейшей деталью устройства для измерения спектров НПВО является элемент НПВО - световод, играющий роль оптически более плотной по отношению к объекту исследования среды.
В свою очередь, важнейшими характеристиками элементов НПВО являются: область прозрачности, показатель преломления n, число отражений N и угол падения 
. Варьируя эти параметры, можно существенным образом влиять на контрастность и вид спектров НПВО.
Для усиления интенсивности спектра применяются элементы с большим числом отражений от границы - элементы многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО).
Известен датчик (патент JP 2002195944, G01N 21/27; G01N 21/25, оп. 2002.07.10), который может быть применен для обнаружения опасных веществ на поверхности документа. Известный датчик работает на основе нарушенного полного внутреннего отражения. Датчик содержит источник излучения, оптическую систему формирования излучения, диэлектрический блок, на поверхности которого находится исследуемое вещество, систему приема излучения. Оптическая система формирования излучения позволяет направлять пучок под различными углами для обеспечения угла полного внутреннего отражения к исследуемой поверхности, и формирует на этой поверхности изображение источника излучения. Отраженное от диэлектрического блока с исследуемым веществом излучение направляется через объектив и рассеивающую пластину на приемник излучения в виде линейки фоточувствительных элементов.
Недостатком известного датчика является то, что излучение отражается однократно и на исследуемой поверхности освещается очень малая область. Для выявления следовых концентраций веществ на большой поверхности с неизвестной областью локализации искомого
вещества необходимо выполнение последовательно большого числа измерений на поверхности документа, что приводит к увеличению времени измерения и снижению вероятности обнаружения таких веществ, а также усложнению конструкции при введении системы автоматизированного сканирования по поверхности.
Известно устройство по патенту US 6420708, МПК 7 G01N 21/27, G01N 21/35, оп. 16.07.2002., которое по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому техническому решению и может быть использовано для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах. Известное устройство работает на основе анализа спектра методом МНПВО и включает источник излучения, спектроанализатор, образованный оптическим линейно-переменным фильтром и линейкой фотоэлементов, и элемент МНПВО, расположенный между источником излучения и спектроанализатором. Элемент МНПВО имеет две поверхности, на одной из которых размещается образец из материала, подвергаемого МНПВО-анализу, и две грани, скошенные под углом к вышеуказанным поверхностям. Условием надежного детектирования спектра и построения массива данных в виде зависимости интенсивности от длины волны является равенство ширины элемента МНПВО, длины источника излучения и приемника - линейки фоточувствительных элементов. Существенным недостатком известного технического решения является малая оперативность.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является сокращение времени обследования предъявляемого документа на наличие на его поверхности следов опасных веществ, обеспечение высокой достоверности и вероятности обнаружения.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в уменьшении времени выхода устройства на рабочий режим, малой инерционности измерительной системы и повышении спектрального разрешения спектроанализатора.
Указанный технический результат при реализации полезной модели достигается тем, что в заявляемом устройстве для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах, содержащем источник излучения, оптическую систему формирования излучения, элемент многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) в виде пластины трапецеидальной формы с оптическим входом и выходом, спектроскопический анализатор с приемником излучения с линейкой фотоэлементов, в отличие от известного устройства, источник излучения выполнен точечным, оптическая система формирования излучения выполнена в виде установленных по ходу излучения сферического, в фокальной плоскости которого расположен источник излучения, и плоского зеркал, расположенных между источником излучения и скошенной входной гранью, являющейся оптическим входом, элемента МНПВО спектроскопический анализатор расположен между скошенной выходной гранью - оптическим выходом элемента МНПВО и приемным устройством и выполнен в виде оптически связанных дифракционной решетки и объектива, в фокальной плоскости которого расположен приемник излучения.
На фиг.1 изображена схема заявляемого устройства, на фиг.2 - спектры чистой обложки документа и обложки документа со слабыми следами опасного вещества.
Заявляемое устройство для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах содержит (фиг.1) расположенные по ходу оптического излучения источник излучения 1, оптическую систему 2 формирования излучения, элемент МНПВО 3, спектроскопический анализатор 4 и приемник излучения - линейку фотоэлементов 5.
Осветитель 1 представляет собой малогабаритный, близкий к точечному, источник инфракрасного излучения.
Элемент МНПВО 3 представляет собой тонкую пластину из оптического материала трапецеидальной формы с двумя плоскими
параллельными гранями верхней 6 и нижней, являющейся основанием 7 элемента МНПВО 3 и предназначенный для контакта с поверхностью 8 исследуемого документа, и двумя скошенными под углом 45° к основанию 7 входной 9 и выходной 10 гранями - оптическим входом и оптическим выходом соответственно.
Оптическая система 2 формирования излучения представляет собой последовательно установленные по ходу излучения между источником излучения 1 и входной гранью 9 элемента МНПВО 3 сферическое зеркало 11, в фокальной плоскости которого расположен источник излучения 1, и плоское зеркало 12. Сферическое зеркало 11 выполнено прямоугольной формы с высотой и шириной, соответствующими высоте и ширине входной грани 9 элемента МНПВО 3.
Спектроскопический анализатор 4 представляет собой последовательно установленные за выходной гранью 10 по ходу излучения дифракционную решетку 13 и объектив 14, в фокальной плоскости которого расположена линейка фотоэлементов 5.
Устройство для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах работает следующим образом.
Устройство устанавливают основанием 7 на поверхность 8 исследуемого документа, например, обложки паспорта, и прижимают рукой для обеспечения контакта между указанными поверхностями 7 и 8.
Излучение от источника излучения 1 преобразуется сферическим зеркалом 11 в параллельный пучок и направляется плоским зеркалом 12 по нормали на входную грань 9 элемента МНПВО 3.
Плоские параллельные верхняя грань 6 и основание 7 элемента МНПВО 3 образуют оптический световод, по которому излучение проходит, многократно отражаясь между верхней плоской гранью 6 и основанием 7, к выходной грани 10 элемента МНПВО 3.
Вышедшее по нормали к грани 10 излучение направляется на отражательную дифракционную решетку 13, которая раскладывает
падающее излучение по длинам волн. Далее излучение проходит через объектив 14, который строит изображение спектра в плоскости приемника - линейки фотоэлементов 5. При этом в результате того, что фокальные точки для разных длин волн расположены последовательно в пространстве, на приемнике излучения - линейке фотоэлементов 5 каждый из фотоэлементов принимает излучение, соответствующее своему узкому спектральному диапазону.
Если на поверхности 8 исследуемого документа есть зоны со следами искомого опасного поглощающего вещества, то в местах контакта этих зон и основания 7 произойдет нарушение полного внутреннего отражения. В спектре излучения, распространяющегося от источника излучения 1 через все элементы к линейке фотоэлементов 5, на элементах, принимающих эти участки спектра, сигнал будет маленьким, и на спектре появятся характерные провалы, соответствующие линиям поглощения.
Большинство представляющих интерес веществ являются многоатомными молекулами и обладают присущими только этому веществу достаточно узкими линиями поглощения на колебательно-вращательных переходах в ближней и средней инфракрасной области спектра. Поэтому в качестве источника 1 может быть использован «Миниатюрный инфракрасный излучатель» производства ЗАО «Патинор Коутингс Лимитед», Зеленоград, Москва. В качестве линейки фотоэлементов 5 может быть использована линейка пироэлектрических элементов, чувствительных к излучению в диапазоне 6-11 мкм, например, Microray64, фирмы IRmicrosystems, Швейцария.
В качестве примера на фиг. 3 представлены МНПВО-спектры чистой обложки паспорта и обложки со следами опасных веществ. Измерения выполнены в диапазоне длин волн 5-12,5 мкм с элементом МНПВО из селенида цинка, обеспечивающем 4-х кратное отражение от исследуемой поверхности. Линия I на фиг.3 - спектр чистой обложки паспорта, линия II - спектр обложки со следами октогена, линия III - спектр обложки со
следами нитроглицерина, линия IV - спектр обложки со следами тротила. Время однократного измерения не превышает 1 с.
Элемент МНПВО 3 изготовлен из оптического материала, который не поглощает излучение в диапазоне длин волн, соответствующем линиям поглощения исследуемых опасных веществ, например, сульфид цинка, селенид цинка, германий и др. Габариты основания 7 элемента МНПВО 3 определяются размерами исследуемого документа, а толщина элемента МНПВО 3 рассчитывается с учетом оптимального числа отражений при заданном габарите основания.
Объектив 14 может быть линзовым, изготовленным также из материала, оптически прозрачного для рабочего диапазона длин волн, или зеркальным.
Увеличение всей оптической системы, которое определяется отношением фокальных расстояний сферического зеркала 11 и объектива 14, подбирается таким образом, чтобы размер изображения источника излучения 1 был равен размеру одного элемента линейки фотоэлементов 5. Дифракционная решетка 13 обеспечивает высокое спектральное разрешение, и ее характеристики (число штрихов на мм, размер, угол блеска) также рассчитываются из условия соответствия размера источника, его изображения и размера отдельного фотоэлемента линейки 5.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет исключить лишнюю засветку и уменьшить паразитный нагрев устройства за счет применения точечного источника излучения малой мощности, обеспечить равномерную освещенность исследуемой поверхности большой площади, полное использование спектральной яркости источника и возможность применения для детектирования малоинерционных и высокочувствительных линеек фотоэлементов малого размера за счет коллимирования пучка и согласования размера светового пятна между источником и приемником.
Устройство для обнаружения следовых концентраций опасных веществ на документах, содержащее источник излучения, оптическую систему формирования излучения, элемент многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) в виде пластины трапецеидальной формы с оптическим входом и выходом, спектроскопический анализатор и приемник излучения с линейкой фотоэлементов, отличающееся тем, что источник излучения выполнен точечным, оптическая система формирования излучения выполнена в виде установленных по ходу излучения сферического, в фокальной плоскости которого расположен источник излучения, и плоского зеркал, расположенных между источником излучения и скошенной входной гранью, являющейся оптическим входом элемента МНПВО, спектроскопический анализатор расположен между скошенной выходной гранью - оптическим выходом элемента МНПВО и приемным устройством и выполнен в виде оптически связанных дифракционной решетки и объектива, в фокальной плоскости которого расположен приемник излучения.
