СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2012 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относиться к способам газового анализа органических соединений, в частности, паров и микроколичеств взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано для высокочувствительного их детектирования при создании приборов обнаружения следовых количеств ВВ применяемых для обеспечения безопасности воздушного, автомобильного, водного железнодорожного транспорта, производственных, офисных, жилых и иных помещений.

Известен способ обнаружения ВВ по их парам методом хромато-масс-спекстрометрии, в котором разделение веществ в отобранной пробе осуществляется за счет процессов сорбции-десорбции на сорбенте в колонке разделения, с последующей их идентификаций на детекторе [Петров С.И. К оценке возможности обнаружения взрывчатых веществ и устройств, содержащих их «Специальная техника» №4. 2001 г. стр.9]

Недостатком способа является длительность анализа пробы (от нескольких десятков до сотен секунд), что существенно для поисковых систем.

Известен способ обнаружения (детектирования) ВВ основанный на спектрометрии ионной подвижности, заключающейся в ионизации паров микроколичеств веществ в пробе воздуха, разделении образовавшихся ионов по их подвижности в электрическом поле специальной формы и регистрации ионов соответствующего ВВ [Петров С.И. К оценке возможности обнаружения взрывчатых веществ и устройств, содержащих их. - «Специальная техника» №4. 2001 г. стр.9]. Данный способ является быстродействующим (от сотых долей секунд до нескольких секунд). Недостатком способа является использование части целевых веществ, находящихся в пробе, так как не происходит их 100% ионизации, при этом часть образовавшихся ионов рекомбинирует до их регистрации. Кроме того, ионизации подвергаются и другие вещества, находящиеся в пробе, что затрудняет выделение целевых ионов. Это снижает пороговую чувствительность приборов и вероятность обнаружения ВВ.

Известен также способ обнаружения ВВ основанный на разложении ВВ и регистрации образовавшихся при этом окислителей за счет хемилюминесценции при взаимодействии их с люминесцентным индикатором. Данный способ положен в основу работы портативного детектора обнаружения ВВ «Е 3500» корпорации Scintkex Trace. Недостатком способа является большой процент положительных ложных срабатываний детектора при концентрации ВВ, близкой к пороговой чувствительности устройства, так как люминесценция может вызываться окислителями не являющийся продуктами разложения ВВ, что снижает вероятность обнаружения ВВ.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ анализа микрочастиц органических соединений за счет поверхностной ионизации из паров в газовой пробе на поверхности нагретого твердого тела - эмиттер с регистрацией получаемого ионного тока [Патент РФ №2205394от 10.05.2001, MKИ7 G01N 27162].

Способ включает следующие стадии:

1) формирование (создание) на поверхности молибденового эмиттера оксидной пленки путем подогрева эмиттера в ламинарном потоке воздуха, стекающего с эмиттера, при установленном для анализа (детектирования) расходе;

2) подачу на нагретую окисленную поверхность эмиттера воздуха или вспомогательного газа и анализируемого вещества или газокапельной смеси;

3) измерение ионного типа между эмиттером и коллектором являющимся сборником ионов, образующихся в результате ионизации анализируемых веществ на поверхности эмиттера. При этом эмиттер является анодом, а коллектор катодом.

Согласно патенту данный способ пригоден для детектирования аминов, гидразинов и их производных. Однако исследования показали полную пригодность способа для детектирования ВВ, а именно материал эмиттера, его температура, электрические потенциалы эмиттера и коллектора, зазор между эмиттером и коллектором, расход и состав вспомогательного газа или воздуха и т.д. для детектирования аминов, гидразинов и их производных и ВВ одинаковы. Электронные и механические составляющие детекторов, основанных на этом способе также не требуют коррекции. При этом чувствительность приборов к ВВ близка к чувствительности аминов. Различным является лишь форма (график) временной зависимости ионного тока. На фиг.1 приведены временные зависимости ионного тока для различных ВВ. В качестве пробы использовали 2·10^-8 г. ВВ, которую испаряли нагреванием со скоростью 35°С/с в воздушном потоке с расходом ~0,08 л в мин. Расход воздуха подаваемого на эмиттер составлял 3,2 л в мин, температура молибденового эмиттера составляла 450°С, зазор между эмиттером и коллектором ~1 мм, напряжение 100 В

Недостатком указанного способа является большой процент положительно-ложных срабатываний, особенно при концентрации ВВ, близких к пороговой чувствительности, т.к. процесс поверхностной ионизации не селективен к ВВ.

Задача изобретения - увеличение вероятности обнаружения (детектирования) ВВ.

Техническим результатом является увеличение пороговой чувствительности и вероятности обнаружения ВВ.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения ВВ, включающем формирование на поверхности молибденового эмиттера поверхностно-ионизационного детектора оксидной пленки путем нагрева эмиттера в ламинарном потоке воздуха, стекающего с эмиттера, при установленном для анализа расходе, подачу на него воздуха и анализируемого газа и измерение ионного тока процесса ионизации, согласно изобретению, проанализированный газ и воздух охлаждают и подают на хемилюминесцентный индикатор и измеряют изменения люминесценции во времени оптико-электронным способом, при этом полученные временные зависимости ионного тока процесса ионизации и изменение люминесценции сравнивают по форме сигналов, причем наличие ВВ определяется при получении двух близких по форме сигналов.

На фиг.2 приведена схема устройства, работа которого основана на предложенном способе, и поясняет предложенный способ.

Устройства содержит корпус 1, в котором размещен держатель 2, выполненный из материала с низкой теплопроводностью, например кварца с эмиттером 3 и нагревателем 4, теплоизолированного от держателя 2 теплоизоляцией 5, коллектор 6, имеющий канал 7 для выхода проанализированного газа и воздуха, подающегося через каналы 8, устройство 9 для измерения температуры эмиттера 3, например, термопару, канал 10 для ввода анализируемого газа, холодильник 11, например, куллер с устройством для измерения температуры, например, термопарой 12 и каналом 13 для проанализированного газа и воздуха, хемилюминесцентный индикатор 14, например, люминол в растворе щелочи, нанесенный на пористый материал, например, бельтинг, побудитель расхода воздуха 15, электрометрический усилитель 16, соединенный электроподводом 17 с коллектором 6, электрометрический усилитель 18, соединенный электроподводом 19 с фотоэлектронным умножителем 20, источник напряжения 21, соединенный электроподводом 22 с эмиттером 3.

Устройство согласно предложенному способу работает следующим образом: при помощи побудителя расхода воздуха 15 через каналы 8 корпуса 1 подается атмосферный воздух, при этом создается ламинарный поток, обтекающий держатель 2 и стекающий с поверхности рабочей части эмиттера 3 в канал 7 коллектора 6. Расход воздуха и кривизна плавных переходов держателя 2 и поверхности коллектора 6, контактирующих с воздухом, а также зазор между эмиттером и коллектором выбраны так, чтобы обеспечить устойчивый ламинарный режим течения, при этом расход воздуха соответствует расходу, установленному для анализа. Затем при помощи нагревателя 4 нагревают эмиттер 3 до 400-450°С. В ламинарном потоке воздуха на поверхности молибденового эмиттера при этой температуре формируется оксидная пленка, состоящая в основном из мелких игольчатых кристаллов, ориентированных вдоль воздушного потока от эмиттера к коллектору. После того как таким способом подготовлена рабочая поверхность эмиттера, на него через электроподвод 22 от источника напряжения 21 подается напряжение, затем через канал 10 подается порция анализируемого газа, например воздуха, взятого вблизи объектов, предположительно содержащих ВВ. В случае нахождения в анализируемом газе ВВ на поверхности эмиттера происходит ионизация, а в горячей зоне около рабочей поверхности их быстрый термолиз (взрыв паров), при этом ионный ток измеряется электрометрическими усилителями 16, который регистрирует его изменение во времени. По величине тока можно судить о концентрации ВВ в пробе - первый сигнал. Форма сигнала (график временной зависимости) для ВВ значительно отличается от формы сигнала полученного в случае наличия аминов, т.к. кинетика этих процессов различна. Для ВВ характерен сигнал в виде остроконечных пиков, что обусловлено взрывными процессами происходящими на поверхности эмиттера (за очень короткое время образуется большое количество ионов), тогда как для аминов при тех же условиях форма сигналов сглаженная («растянутая»). На фиг.3 приведены для сравнения ионные токи полученные для пластида и кокаина. На форму полученных сигналов влияет аэродинамика газового потока: отсутствие завихрений, т.е. ламинарный режим течения и направление потока от эмиттера к коллектору способствует получению наиболее четких, остроконечных пиков. При этом подача анализируемого газа не вызывает заметного изменения газодинамических и температурных характеристик детектора, т.к. расход этого газа в 15-20 раз меньше расхода воздуха.

При быстром термолизе любых ВВ среди образовавшихся газообразных продуктов всегда присутствуют окислители. Например, для ВВ, содержащих нитрогруппы, (ВВ, получившие наибольшее распространение), характерны следующие соединения N₂O, NO₂, NO, СО₂, CH₂O, СО, HONO (цис и транс), HCN. Известно, что NO и HONO являются сильными окислителями, в связи с чем могут быть определены по реакции окисления, например хемолюминесцентного индикатора, например люминола.

Окисление индикатора сопровождается свечением, что удобно для регистрации этого процесса оптикоэлектронным способом, например с помощью фотоэлектронного умножения. В предложенном способе проанализированный на эмиттере 3 газ вместе с воздухом подается по каналу 13 холодильника 11, где он охлаждается до температуры 25-45°С, на хемилюминесцентный индикатор 14 (охлаждение необходимо для предотвращения разложения индикатора), затем через побудитель расхода воздуха 15 удаляется в атмосферу.

Интенсивность люминесценции измеряется при помощи фотоэлектронного умножения 20, соединенного электроподводом 19 с электрометрическим усилителем 18 - получаем второй сигнал. Форма второго сигнала близка к форме первого сигнала, а в случае ламинарного потока тождественна. На практике полная тождественность формы сигналов для их анализа необязательна. Таким образом, одно и то же ВВ анализируется двумя различными способами, что снижает вероятность положительных ложных срабатываний, причем на эмиттере потери окислителей, вызывающих хемилюминесценцию, практически нет, поскольку газообразные окислители и рекомбинированные ионы уже в виде газа поступают на люминесцентный индикатор, т.е. в предложенном способе при анализе пробы вещества используется полностью. При этом пары ВВ в газовом потоке, попадающие на хемилюминесцентный индикатор, отсутствуют, т.к. температура начала быстрого термолиза (температура вспышки) для ВВ лежит в пределах 170-300°С, а температура в зоне рабочей поверхности эмиттера не менее 400°С.

Предложенный способ обнаружения ВВ не является лишь суммой двух известных способов, во-первых, на два способа анализа требуется одна проба вещества, которое полностью используется для анализа в первом способе, а проанализированные продукты являются исходными для анализа по второму способу. Во-вторых, поверхностная ионизация усиливает эффект хемилюминесценции, т.е. также имеет место сверхсуммарный положительный эффект. Для подтверждения этого эффекта был изготовлен эмиттер из меди, на котором не происходит поверхностной ионизации. При сохранении всех остальных параметров процесса на медном эмиттере происходил лишь быстрый термолиз ВВ, который регистрировался хемилюминесцентным способом. На фигуре 4 приведены временные зависимости токов для молибденового и медного эмиттера. Эффект усиления хемилюминесценции способствует увеличению пороговой чувствительности и снижению положительных ложных срабатываний, при концентрации ВВ, близкой к пороговой чувствительности.

Наличие ВВ в пробе определяется по получению двух близких по форме сигналов - это значительно уменьшает вероятность ошибки.

Изобретение может быть использовано при создании приборов обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ (ВВ), применяемых для обеспечения безопасности воздушного, автомобильного, водного железнодорожного транспорта, производственных, офисных, жилых и иных помещений. Способ обнаружения ВВ включает формирование на поверхности молибденового эмиттера поверхостно-ионизационного детектора оксидной пленки путем нагрева эмиттера в ламинарном потоке воздуха, стекающего с эмиттера, при установленном для анализа расходе, подачу на него воздуха и анализируемого газа и измерение ионного тока процесса ионизации, охлаждение проанализированного газа и воздуха с последующей подачей их на хемилюминесцентный индикатор и измерение люминесценции оптико-электронным способом и сравнение формы полученных сигналов измерений, при этом наличие ВВ определяется при схожей форме полученных сигналов. Изобретение предназначено для высокочувствительного детектирования взрывчатых веществ (ВВ). 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обнаружения взрывчатых веществ, включающий формирование на поверхности молибденового эмиттера поверхностно-ионизационного детектора оксидной пленки путем нагрева эмиттера в ламинарном потоке воздуха, стекающего с эмиттера, при установленном для анализа расходе, подачу на него воздуха и анализируемого газа и измерение ионного тока процесса ионизации, отличающийся тем, что проанализированный газ и воздух охлаждают и подают на хемилюминесцентный индикатор и измеряют изменения люминесценции во времени оптико-электронным способом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные временные зависимости ионного тока процесса ионизации и изменение люминесценции сравнивают по форме сигналов.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что наличие взрывчатых веществ определяется при получении двух близких по форме сигналов.