СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В МЕСТАХ ИХ ХРАНЕНИЯ И УНИЧТОЖЕНИЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ Российский патент 2012 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред. Техническим результатом является разработка способа дистанционного обнаружения тонкодисперсных аэрозолей отравляющих веществ (ОВ) и других токсичных химикатов (ТХ) при возникновении нештатных ситуаций в местах их хранения и уничтожения, транспортировки, террористических диверсий с помощью пассивных инфракрасных (ИК) спектрометров. Для решения вопросов безопасности контроля, масштабности охвата контролируемых площадей, оперативности в получении достоверной информации при возникновении нештатных ситуаций альтернативы для дистанционных средств контроля не имеется.

В настоящее время предложены различные способы дистанционного контроля аэрозольных облаков токсичных веществ.

Известны способы и методы дистанционного контроля параметров атмосферного аэрозоля, основывающиеся на методе многочастотного лазерного зондирования [1]. Использование многочастотного зондирования предусматривает регистрацию относительных интенсивностей сигналов обратного рассеяния и восстановление параметров аэрозольного облака с применением сложных алгоритмов, которые сложно реализовать на практике.

В патенте на изобретение [2] описан способ дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсных аэрозолей ОВ по их собственной люминесценции в местах хранения и уничтожения ОВ при возникновении нештатных ситуаций. Однако только небольшой перечень ОВ обладает собственной люминесценцией.

Для решения задач дистанционного обнаружения аэрозольных облаков ТХ разрабатывались и другие сложные лидарные комплексы - КДХР - 1 (1991 г.), КЛН - РХБР (2007 г). Эти разработки обладают определенными достоинствами, но также имеют свои недостатки.

В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом наиболее применяемым дистанционным методом контроля загрязнений атмосферы ТХ является пассивная ИК спектрометрия. Классическое их предназначение - обнаружение паров ТХ в атмосфере [3]. Однако многие ОВ (например, VX) и другие химические вещества имеют низкую температуру кипения. Это приводит к тому, что при возникновении чрезвычайной ситуации (например, в виде взрыва) образующееся количество паровой фазы низкокипящего вещества в аэрозольном облаке может быть недостаточным для его обнаружения с помощью пассивного ИК спектрометра.

Следует отметить, что физические принципы, заложенные в основу принципа действия пассивных ИК спектрометров, алгоритмы регистрации и обработки спектральной информации ориентированы на работу в условиях приземных наклонных трасс и незначительных температурных контрастов. Это определяет способность таких приборов регистрировать и идентифицировать загрязняющие приземную атмосферу вещества, находящиеся в парогазовом состоянии. Чисто аэрозольные облака при незначительных температурных контрастах, существующих в естественных условиях приземной атмосферы, не рассматривались для индикации приборами такого типа.

Следует отметить, что при незначительных температурных контрастах, ввиду оптической неоднородности облако аэрозоля малолетучего вещества можно рассматривать как оптически толстый слой среды с оптической плотностью D=σnl→∞ (где σ - сечение поглощения, n - концентрация, l - толщина слоя). Поглощательная способность частиц аэрозоля ε=1-exp(σnl) имеет значение, близкое к поглощательной способности абсолютно черного тела (ε≈1). Поэтому считается, что спектр излучения облака чистого аэрозоля не будет отличаться от спектра абсолютно черного тела, что не дает возможности идентификации токсичного вещества, образующего это облако.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является корреляционно-экстремальный способ дистанционного мониторинга загрязняющих веществ [4]. Данный способ заключается в однократном сканировании эхо-сигнала во всем выбранном для индикации частотном диапазоне генерации излучения лазеров с последующим корреляционно-экстремальным анализом зарегистрированного спектра. Идентификацию веществ осуществляют по максимальному значению коэффициентов корреляции эхо-сигнала, рассчитанных на множестве образцовых спектров, полученных в статических условиях измерения. Изобретение позволяет повысить быстродействие оптических локационных систем и специфичность обнаружения заданного перечня токсичных веществ. Однако по стоимости, сложности оборудования, массогабаритным характеристикам, энергопотреблению, надежности лазерные локационные системы в разы уступают показателям пассивных дистанционных приборов.

При взрыве или дроблении жидкой струи низкокипящего вещества воздушным потоком образуется значительное количество мелкодисперсного аэрозоля диаметром менее 50 мкм, которое может долго находиться в атмосфере и распространяться на большие глубины. Поглощательная способность мелкодисперсного аэрозоля будет ε<1, что и позволяет проводить его идентификацию. Количество мелкодисперсного аэрозоля может составлять по массе от нескольких процентов при диспергировании воздушным потоком и до 30% и более при диспергировании взрывным типом действия. Этого количества вещества в аэрозольном виде может быть достаточно для его обнаружения с помощью пассивных приборов при выполнении определенных условий. Этими условиями являются наличие теплового контраста не менее 2°С, количество аэрозоля диаметром менее 50 мкм не менее 100 мг/м² в поле зрения прибора, а также наличие базы данных образцовых спектров. Идентификацию веществ осуществляют по максимальному значению коэффициента корреляции измеренного сигнала и рассчитанного по множеству образцовых спектров.

Наиболее сложным моментом для проверки выказанной гипотезы является создание мелкодисперсного аэрозоля жидкого вещества без присутствия паровой фазы. Создать тонкодисперсный аэрозоль имитаторов ТХ с помощью различных генераторов особой трудности не представляет. Но чтобы в таком аэрозоле не присутствовали пары вещества, которые пассивные приборы легко обнаруживают - такое сделать почти невозможно. Можно разработать имитаторы ТХ на основе полимерного органического вещества с последующим получением из него твердого мелкодисперсного аэрозоля. Однако такой путь представляется технически сложным и трудноосуществимым. Чтобы исключить влияние паровой фазы на обнаружительную способность приборов типа ПХРДД-2 (пассивный ИК Фурье-спектрометр), мы разместили тонкий жидкий слой имитатора ТХ между двумя полимерными пленками, прозрачными для ИК области спектра. Нами была выбрана полимерная пленка, получаемая на основе полиэтилена высокого давления толщиной около 100 мкм, которая незначительно снижает пропускание излучения ПК области спектра и не имеет характерных спектров поглощения в той же области спектра, что и исследуемые вещества - имитаторы ТХ. Было выявлено, что толщина пленки в 100 мкм незначительно влияет на обнаружительную способность пассивных ИК приборов.

Исследования по выявлению возможности обнаружения ТХ в жидкой фазе с помощью пассивных приборов проводились в два этапа.

На первом этапе нами была разработана экспериментальная установка (см. чертеж). Прибор ПХРДД-2 (1) размещался на треноге на расстоянии 5 м от теплового экрана (3). В качестве теплового экрана использовался открытый термостат с возможностью задания и поддержания заданной температуры.

Нами задавался температурный контраст между температурой воздуха и тепловым экраном 2°С. Между тепловым экраном и прибором на расстоянии 2 м от прибора располагался штатив (2). На штативе располагалась полиэтиленовая кювета с тонким слоем жидкого имитатора ТХ между стенок пленки площадью, достаточной для перекрытия поля зрения прибора. Толщина жидкого слоя определялась смачиваемостью полиэтиленовых стенок и собственным его весом. Излишки жидкого слоя под тяжестью собственного веса стекались в нижнюю часть кюветы. В качестве имитаторов ТХ были выбраны вещества, имеющие различную полярность и соответственно различную смачиваемость со стенками полиэтиленовой кюветы, а также имеющиеся в базе данных прибора ПХРДД-2.

Результаты распознавания веществ в жидком состоянии с помощью пассивного прибора ПХРДД-2 представлены в таблице 1.

Таблица 1 Экспериментальные данные по определению веществ помощью ПХРДД-2 Тип вещества Концентрация, мг/м² Коэффициент корреляции Температура,°С воздуха экрана Бензол 21850 0,72 26 28 20261 0,73 26 28 21420 0,72 26 28 19545 0,73 26 28 Диметилсульфоксид 123 0,71 26 28 151 0,71 26 28 186 0,72 26 28 209 0,71 26 28 302 0,77 26 28 318 0,78 26 28 Изопропиловый спирт (Пропанол-2) 3299 0,72 26 28 3531 0,71 26 28 3721 0,7 26 28 3830 0,74 26 28 Этанол 13750 0,78 26 28 13826 0,78 26 28 12225 0,78 26 28 10851 0,79 26 28 11712 0,78 26 28

Распознавание вещества проводилось по ИК спектрам их паров, имеющимся в базе данных прибора ПХРДД-2, поэтому коэффициент корреляции не превышал значений более 0,8. Однако идентификация веществ в жидком слое проводилась успешно и прибор не выдавал ложных срабатываний.

Проведя анализ ИК спектров веществ в жидкой и паровой фазе, было отмечено, что у них есть общие черты: положение полос, их количество, центры максимумов поглощения. Поэтому коэффициенты корреляции, получаемые при идентификации веществ в жидкой фазе с помощью прибора ПХРДД-2, имеют значения от 0,7 до 0,8. Однако необходимо отметить наличие различия в ширине полос поглощения, их форме, а также в отношениях интенсивности различных полос поглощения одного вещества. Появляющиеся различия в ИК спектрах веществ в паровой и жидкой фазах приводят к снижению коэффициента корреляции при идентификации веществ в атмосфере, находящихся как в жидком, так и в парообразном состоянии. Для высоколетучих веществ основной вклад в ИК спектры поглощения дает паровая фаза, поэтому вклад жидкой фазы будет менее значимым.

Интегральная концентрация индицируемых веществ определялась по коэффициентам экстинкции, заложенным в базу данных прибора, рассчитанным по паровой фазе. Поэтому не совсем корректными являются значения интегральной концентрации веществ, находящихся на трассе наблюдения прибора в жидком слое. Однако значения интегральной концентрации дают нам возможность оценить толщину жидкого слоя определяемого вещества. Так, для бензола при плотности вещества 0,879 г/см³ толщина жидкого слоя составит 25 мкм для значения 21850 мг/м², для этанола плотности вещества 0,789 г/см³ толщина жидкого слоя составит 18 мкм для значения 13826 мг/м², для изопропанола плотности вещества 0,785 г/см³ толщина жидкого слоя составит 4,8 мкм для значения 3830 мг/м², для диметилсульфоксида (ДМСО) плотности вещества 1,096 г/см³ толщина жидкого слоя составит 0,3 мкм для значения 318 мг/м².

Учитывая то, что максимальную толщину жидкого слоя индицируемых веществ, пропускающих ИК излучение и, таким образом, позволяющих его идентифицировать, в данных условиях эксперимента оценить не представлялось возможным, а также то обстоятельство, что на трассе зондирования присутствовали две полиэтиленовые стенки суммарной толщиной около 200 мкм, можно с уверенностью предположить, что жидкий слой анализируемых веществ толщиной менее 50 мкм является идентифицируемым с помощью прибора ПХРДД-2.

Таким образом, ингаляционный аэрозоль с размерами частиц менее 50 мкм также может быть идентифицирован с помощью приборов типа ПХРДД-2, являющимися пассивными ИК спектрометрами.

На втором этапе эксперимент проводился в тех же условиях, что и на первом этапе, только вместо жидкостной кюветы были использованы две форсунки с различной возможностью давать мелкодисперсный аэрозоль. В качестве обнаруживаемого вещества использовался низколетучий ДМСО. Для форсунки, дающей аэрозоль со среднемассовым диаметром частиц более 300 мкм и вкладом мелкодисперсного (менее 50 мкм) аэрозоля менее 1%, обнаружение вещества не наблюдалось. А для форсунки, дающей аэрозоль со среднемассовым диаметром частиц около 100 мкм и вкладом мелкодисперсного аэрозоля более 3%, наблюдалось успешное распознавание ДМСО с коэффициентом корреляции от 0,7 до 0,8.

Необходимо отметить, что с увеличением температурного контраста на трассе зондирования прибором будут идентифицироваться аэрозольные частицы более крупного размера.

Источники информации

1. Креков Г.М. Методологические вопросы лазерного зондирования молекулярной и аэрозольной атмосферы. // Дистанционные методы исследования атмосферы. /Под ред. Зуева В.Е. - Новосибирск: Наука, 1980, 214 с.

2. Патент на изобретение №2155954 от 03.12.1997 г. Григорьев А.А., Гаврилов В.В., Мацюк Г.В., Седунов С.Г. Способ дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсных аэрозолей отравляющих веществ по их собственной люминесценции в местах хранения и уничтожения отправляющих веществ при возникновении нештатных ситуаций.

3. Морозов А.Н. Основы фурье-спектрорадиометрии /Под ред. Васильева Г.К. - М.: Наука, 2006, 275 с.

4. Патент на изобретение №2313779 от 27.12.2007 г. Алимов Н.И., Манец А.И., Шлыгин П.Е., Бойко А.Ю., Тюрин Д.В., Мацюк Г.В. Корреляционно-экстремальный способ дистанционного мониторинга загрязняющих веществ.

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред. Для обнаружения аэрозолей осуществляют сканирование сигнала с помощью пассивных инфракрасных спектрометров на облаке токсичного вещества, содержащего мелкодисперсный аэрозоль с диаметром частиц менее 50 мкм плотностью более 100 мг/м² не менее 3% и имеющего тепловой контраст не менее 2°С, а идентификацию веществ осуществляют по максимальному коэффициенту корреляции спектра сигнала с образцовыми спектрами базы данных токсичных веществ, полученными в статических условиях измерений для индицируемых аэрозолей. Изобретение позволяет повысить быстродействие оптических локационных систем и специфичность обнаружения заданного перечня токсичных веществ. 1 ил., 1 табл.

Способ дистанционного обнаружения тонкодисперсных аэрозолей токсичных веществ в местах их хранения и уничтожения при возникновении нештатных ситуаций с помощью пассивных инфракрасных спектрометров, заключающийся в регистрации в ИК-диапазоне спектра аэрозольного вещества, отличающийся тем, что осуществляют сканирование сигнала на облаке токсичного вещества, содержащего мелкодисперсный аэрозоль с диаметром частиц менее 50 мкм плотностью более 100 мг/м² не менее 3% и имеющего тепловой контраст не менее 2°С, а идентификацию веществ осуществляют по максимальному коэффициенту корреляции спектра сигнала с образцовыми спектрами базы данных токсичных веществ, полученными в статических условиях измерений для индицируемых аэрозолей.