УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ СЛЕДОВ МИКРОПРИМЕСЕЙ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТИ ДОКУМЕНТОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для определения микроследов опасных веществ - взрывчатых веществ (ВВ), наркотиков (НВ), токсичных веществ (ТВ) и т.п. на поверхности документов (паспорт, военный билет, водительское удостоверение и т.п.), билетов (аваибилеты, железнодорожные билеты и т.п.), талонов (посадочные талоны в метро и т.п.) при прохождении контрольных проходов в аэропортах, железнодорожных вокзалах, метро, оборонных и гражданских производственных предприятий, при посещении театров, музеев, выставок, стадионов и т.п. для выявления лиц, имевших контакты с опасными веществами (ОВ).

Задача обнаружения следов опасных веществ (ВВ, НВ, ТВ) на человеке при авиа- и железнодорожных перевозках, в метро, при посещении таких общественных мест, как театры, музеи, выставки, стадионы, становится в последнее время наиболее актуальной в связи с возрастающей опасностью террористических актов. При этом наряду с задачей обнаружения человека, проносящего опасные вещества, не менее важной является задача выявления людей, имеющих постоянный или периодический контакт с этими веществами. Наиболее подходящим методом обнаружения следов опасных веществ на человеке по безопасности в работе, удобству использования, относительной дешевизне является газовый анализ - детектирование паров, испускаемых ОВ в окружающее пространство. Рассматривая газоаналитический метод обнаружения следов ОВ на человеке в свете вышеуказанных задач, необходимо учитывать следующее.

Во-первых, давление паров основных ОВ при нормальных условиях крайне низкое. Так, например, часто используемые террористами современные пластичные ВВ на основе гексогена имеют давление паров при 20°С˜1×10^-14 г/см³ /1/. Это предел и ниже предела прямого обнаружения паров примесей современных газоанализаторов. Поэтому с учетом высокой адсорбционной способности паров ОВ для успешного решения данной задачи осуществляют отбор не только паровой пробы, но и микрочастиц, а также применяют предварительное концентрирование паров и нагрев микроследов для существенного увеличения давления паров.

Во-вторых, основные сценарии обнаружения ОВ на человеке в контрольных проходах (см. выше) предъявляют к используемым газоанализаторам требования, помимо высокой чувствительности и селективности, также и высокого быстродействия. Потоки людей в контрольных проходах аэропортов, вокзалов, на предприятиях достаточно велики и при ограниченности времени досмотра обследование одного человека не должно превышать 1 минуты.

В-третьих, желательно, чтобы процедура обследования не привлекала особого внимания и органично вписывалась в привычную и уже устоявшуюся схему досмотра, принятую на каждом контрольном проходе.

Известно устройство отбора пробы для спектрометра ионной подвижности (СИП) /2/, включающее листовой мягкий концентратор, устройство ввода, выполненное в виде подложки для концентратора, перемещающейся вдоль направляющих, нагреватель и газоанализатор. Устройство предназначено для обследования поверхностей на наличие следов ВВ, наркотиков и других веществ. Работает устройство следующим образом. Оператор надевает на пальцы концентратор и протирает им обследуемые поверхности, собирая на концентратор следы веществ. После чего концентратор помещается на подложку и передвигается непосредственно к входному патрубку СИП, при этом поверхность концентратора нагревается и десорбированные пары веществ поступают в СИП для анализа.

Данное устройство не удовлетворяет требованиям поставленной задачи.

Во-первых, предлагаемый для регистрации веществ СИП обладает низкой чувствительностью и селективностью обнаружения примесей. Низкая его чувствительность связана с принципиально импульсным характером ввода ионов в дрейфовую трубку, вследствие чего регистрируется лишь около 1% ионизированной примеси. Низкая же селективность анализа вызвана недостаточной степенью разделения тяжелых примесей (с молекулярным весом выше 100 а.е.м.) из-за малого отличия их коэффициентов подвижности К₀. В результате пики регистрируемых примесей и пики мешающих фоновых веществ с близкими значениями К₀ перекрываются между собой и выходят неразделенными, что приводит к невозможности отличить полезный сигнал от мешающего, например парфюмерии, и, соответственно, большому количеству ложных срабатываний.

Во-вторых, предлагаемая в устройстве процедура протирания поверхностей совершенно не годится для обследования человека, входя в противоречие с привычным и устоявшимся представлением о сервисе обслуживания. Кроме того, явная открытость обследования совершенно не вписывается в общепринятую процедуру контроля в таких общественных местах, как метро, театры, музеи, стадионы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству обнаружения следов ВВ на поверхностях объектов является устройство для отбора пробы с помощью жетона 131, включающее набор жетонов в виде ленты или пакета, помещенного в подаватель, устройство ввода, выполненное в виде подложки для жетона, входящей в приемную щель, побудитель расхода, продувающий жетон воздухом, нагреватель и газоанализатор. Устройство предназначено для отбора пробы с пальцев человека. Работает устройство следующим образом. На контроле обследуемый субъект извлекает жетон из подавателя, вставляет его в подложку, которую вводит в приемную щель газоанализатора. При извлечении жетона пальцы субъекта крепко сжимают жетон, оставляя на нем следы. После ввода жетона в газоанализатор нагреватель подогревает поверхность жетона, а побудитель расхода продувает жетон воздухом, вводя десорбированные пары следовых веществ в газоанализатор. В качестве газоанализатора используется СИП. В данном устройстве отсутствует процедура протирания поверхности, что является более приемлемым для обследования человека.

Основным недостатком данного устройства является низкая чувствительность обнаружения целевых веществ, связанная, прежде всего, с использованием в качестве газоанализатора спектрометра ионной подвижности (СИП, что обсуждалось нами ранее) и невысокой эффективностью взятия данным способом пробы целевых веществ с человека. Действительно, взятие пробы с помощью жетона является разовым действием, не позволяющим перенести с пальцев на жетон значительное количество пробы. Кроме того, в переносе пробы задействованы в основном только два пальца, а проба может локализоваться в других местах рук, которые не участвуют в процедуре отбора. Следует также отметить присутствие в предлагаемой процедуре обследования промежуточного носителя-жетона, что не приемлемо в контрольных проходах, устанавливаемых в метро, театрах, музеях и т.п.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности обнаружения следов ОВ при достижении максимальной естественности при проведении процедуры обследования для человека.

Указанная задача в устройстве обнаружения следов опасных веществ на поверхностях объектов при досмотре, включающее устройство ввода обследуемого объекта, имеющее вход и выход, побудитель расхода воздуха, обдувающего поверхность объекта, нагреватель и газоанализатор, соединенный с выходом устройства ввода, решена тем, что в качестве обследуемого объекта используется поверхность предъявляемого для контроля документа, при этом устройство дополнительно снабжено фильтром очистки воздуха, а в качестве газоанализатора используется спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП), причем выход СПИП соединен через насос с входом фильтра, а вход устройства ввода и вход СПИП соединены с выходом фильтра, кроме того, нагреватель расположен непосредственно над поверхностью документа, а устройство ввода выполнено в виде герметичной камеры, защищающей обследуемую поверхность документа от внешней атмосферы.

Указанное использование документа в качестве объекта обследования, а в качестве газоанализатора спектрометра приращения ионной подвижности (СПИП) позволяет значительно повысить чувствительность обнаружения следов ОВ на человеке, при этом не изменяет традиционную, общепринятую процедуру контроля.

Введение в устройство обнаружения следов опасных веществ (ВВ, НВ, ТВ), присутствующих на человеке, и выбор в качестве объекта обследования документов, с которыми контактировал человек, а также использование в качестве газоанализатора спектрометра приращения ионной подвижности (СПИП) не имеет аналогов среди известных устройств, работающих на основе СПИП, а следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена блок-схема устройства обнаружения следов ВВ на поверхностях документов.

Устройство обнаружения следов ОВ на поверхностях документов включает: устройство ввода 1 с приемной щелью 2, нагреватель 3, спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП) 4, побудитель расхода воздуха 5 и фильтр 6.

Работает устройство следующим образом. Обследуемый документ вводится в приемную щель 2 (не показан) устройства ввода 1 и его поверхность оказывается в непосредственной близости от нагревателя 3. Следы веществ, присутствующие на поверхности документа, десорбируются в паровую фазу и увлекаются с помощью побудителя расхода 5 малым очищенным потоком воздуха Q1 ко входному патрубку СПИП 4, где они разбавляются большим очищенным потоком воздуха Q2 и вводятся в СПИП 4. В спектрометре паровая проба ионизуется, разделяется на фракции, после чего выделенные ионы регистрируются в виде усиленного сигнала. Выходящий из СПИП воздух направляется на вход очищающего фильтра 6, образуя тем самым замкнутый газовый цикл. При этом вводимый в приемную щель 2 документ герметизируется устройством ввода от внешней атмосферы.

В предлагаемом устройстве осуществляется обследование поверхности документа в соответствии с обычной процедурой контроля при использовании спектрометра приращения ионной подвижности в качестве газоанализатора, что обеспечивает высокую чувствительность анализа и максимальное соответствие процедуры контроля процедуре проверки документов,

Во-первых, использование в качестве газоанализатора спектрометра приращения ионной подвижности обеспечивает более высокие чувствительность и селективность анализа. Упрощенно СПИП 4 /4/ состоит из последовательно расположенных камеры ввода пробы, камеры ионизации с введенным в нее источником ионизации (радиоактивным, коронного разряда, УФО и т.п.), устройства разделения ионов, выполненного в виде протяженного дрейфового промежутка между двумя электродами, и системы сбора ионов, в которую входит коллекторный электрод, соединенный с высокочувствительным входом электрометрического усилителя. На электроды дрейфового промежутка подается сумма постоянного (U₁) и периодического асимметричного по полярности (U₂(t)) электрического напряжения. После ионизации примесей смесь ионов подается в дрейфовый промежуток непрерывным потоком. Процесс разделения ионов на компоненты происходит поперек потока газа под действием периодического асимметричного по полярности сильного электрического поля E₂(t). Ионы, быстро осциллируя, дрейфуют со средней скоростью V, характерной для каждого компонента и пропорциональной α. Этот дрейф компенсируется постоянным электрическим полем E₁, создаваемым напряжением U₁. До коллектора доходят и регистрируются только те ионы, для которых скорость дрейфа равна нулю: V=K₀×(1+α)×(E₂(t)-E₁)=0. Остальные ионы рекомбинируют на стенках дрейфового промежутка. Спектр СПИП представляет собой зависимость ионного тока от напряжения компенсации I(U₁), называемый дрейф-спектром. Значения U₁, соответствующие максимумам пиков, определяются индивидуальными характеристиками иона (заряд, масса, поперечное сечение и т.п.) и пропорциональны α. Параметр α более индивидуален особенно для тяжелых примесей, чем коэффициент подвижности К₀, поэтому устройства, основанные на этом принципе, имеют значительные преимущества по селективности по сравнению с традиционными СИП. Кроме того, ввод ионов в дрейфовый промежуток СПИП производится непрерывным потоком, обеспечивая тем самым более высокие уровни чувствительности.

Во-вторых, использование в качестве объекта исследования документов (паспорт, военный билет, водительское удостоверение и т.п.) или билетов (авиабилеты, железнодорожные билеты и т.п.), как правило, имеющих длительный контакт с субъектом, обеспечивает, с одной стороны, сохранение общепринятой процедуры контроля, а с другой, - более представительную пробу для анализа, накопленную за все время контакта документа или билета с субъектом.

В-третьих, использование герметизации обследуемого документа от внешней атмосферы, замкнутую газовую схему с очищающим фильтром и непосредственное расположение нагревателя у обследуемой поверхности, значительно повышает десорбцию следовых веществ в газовую фазу и тем самым чувствительность обнаружения, а также снижает влияние фоновых примесей атмосферы, уменьшая количество ложных срабатываний.

Для проведения экспериментальных испытаний был изготовлен лабораторный макет устройства на базе спектрометра ионной подвижности с параметрами: дрейфовый промежуток длиной 70 мм, диаметр центрального электрода 6,8 мм, диаметр внешнего электрода 10 мм. В качестве ионизатора служил тритиевый источник в виде кольца из фольги шириной 2 мм. К центральному электроду дрейфового промежутка подводили переменное асимметричное по полярности напряжение амплитудой 4,5 кВ с частотой 170 кГц. Поток воздуха, омывающий поверхность документа, составлял 600 мл/мин, поток воздуха, поступающего на вход СПИП, - 6 л/мин. Для очистки воздуха использовали фильтр объемом 1 л, заполненный силикагелем и цеолитом. Нагреватель обеспечивал нагрев поверхности обследуемого документа на 50-100°С. Были проведены экспериментальные исследования эффективности обнаружения следов пластичного взрывчатого вещества на основе гексогена на поверхности паспорта. Эксперименты показали надежное обнаружение следов пластита на поверхности паспорта даже после кратковременного (в течение 10 сек) контакта человека сначала с пластитом, а затем с паспортом. При этом отмечалось полное отсутствие мешающих фоновых сигналов.

Литература

1. Conrad F.J. Explosives detection. The problem and prospects. - Nucl. Mater. Manage, 1984, v.13 (Proc. Issue), p.212-215.

2. US 5571976, МКИ: G 01 N 001/08; G 01 N 001/02, 1996 г.

3. US 5741984, МКИ: G 01 N 001/04, 1998 г.

4. RU 2178929, МКИ Н 01 J 49/40; G 01 N 27/62, 2002 г.

Предложенное изобретение относится к области газового анализа и 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. Технической задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности обнаружения следов опасных веществ при достижении высокой ритмичности процедуры проведения контроля. Устройство обнаружения следов опасных веществ на поверхностях объектов при досмотре содержит устройство ввода обследуемого объекта, побудитель расхода воздуха, обдувающего поверхность объекта, нагреватель и газоанализатор, соединенный с выходом устройства ввода обследуемого объекта. В качестве обследуемого объекта используется поверхность предъявляемого для контроля документа. При этом устройство дополнительно снабжено фильтром очистки воздуха, а в качестве газоанализатора используется спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП), причем выход СПИП соединен через побудитель расхода воздуха со входом фильтра, а вход устройства ввода обследуемого объекта и вход СПИП соединены с выходом фильтра, кроме того, нагреватель расположен непосредственно над поверхностью документа, а устройство ввода обследуемого объекта выполнено в виде герметичной камеры, защищающей обследуемую поверхность документа от внешней атмосферы. 1 ил.

Устройство обнаружения следов опасных веществ на поверхностях объектов при досмотре, включающее устройство ввода обследуемого объекта, имеющее вход и выход, побудитель расхода воздуха (насос), обдувающего поверхность объекта, нагреватель и газоанализатор, соединенный с выходом устройства ввода обследуемого объекта, отличающееся тем, что в качестве обследуемого объекта используется поверхность предъявляемого для контроля документа, при этом устройство дополнительно снабжено фильтром очистки воздуха, а в качестве газоанализатора используется спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП), причем выход СПИП соединен через насос со входом фильтра, а вход устройства ввода обследуемого объекта и вход СПИП соединены с выходом фильтра, кроме того, нагреватель расположен непосредственно над поверхностью документа, а устройство ввода обследуемого объекта выполнено в виде герметичной камеры, защищающей обследуемую поверхность документа от внешней атмосферы.