Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ

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.

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 =353 нм. Далее это излучение используется для накачки нелинейного кристалла и получения параметрической генерации света (ПГС) в на =495,7 нм. Далее это излучение преобразуется в другом нелинейном кристалле во 2-ю гармонику для получения излучения на рабочей длине волны =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 =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).

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).