СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАРАЖЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОКСИЧНЫМИ ХИМИКАТАМИ ПАССИВНЫМИ ИНФРАКРАСНЫМИ СПЕКТРОМЕТРАМИ ДИСТАНЦИОННОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических характеристик газовых сред. Техническим результатом является разработка способа обнаружения зараженности различных поверхностей токсичными химикатами (ТХ) пассивными инфракрасными (ИК) спектрометрами дистанционного действия с применением оптической насадки.

В современных условиях идет интенсивное развитие дистанционных средств контроля зараженности парами ТХ атмосферы на основе пассивных инфракрасных спектрометров (М21, JSLSCAD, RAPID, ПХРДД-1(2, 3) и другие). Но вопросы индикации зараженности ТХ различных поверхностей являются до настоящего времени недостаточно решенными.

Для определения зараженности поверхности ТХ используются различные подходы. В одних предполагается отбор пробы с последующим ее анализом в стационарной аналитической лаборатории, в других проводится использование технических устройств для анализа атмосферы по вторичным парам ТХ над зараженной поверхностью с помощью индикаторных трубок или газоанализаторов, работающих на методе спектрометрии ионной подвижности. В случае обнаружения на поверхности подозрительных жидких капель возможно применение для их индикации индикаторных бумажек или элементов. Однако эти подходы обладают рядом существенных недостатков: длительностью времени в проведении анализа, низкой специфичностью, низкой производительностью, потребностью в расходных материалах и так далее.

Одним из наиболее эффективных методов контроля зараженности ТХ различных поверхностей является применение бортового мобильного масс-спектрометра ММ-1 фирмы Брюкер [1]. Прибор предназначен для определения паров ТХ в воздухе и на различных поверхностях в жидкой фазе. Унифицированная изолированная система отбора проб обеспечивает проведение анализа как на месте, так и в движении. Система полностью управляется бортовым компьютером, база данных содержит информацию о 150 соединениях. Чувствительность определения находится на уровне 10 мг/м² по поверхностному заражению. Однако и этот метод имеет свои недостатки, связанные со сложностью пробоотбора, невозможностью проведения анализа с впитавшей капли ТХ поверхности, длительностью анализа.

В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом наиболее перспективным дистанционным методом контроля загрязнений атмосферы ТХ является пассивная ИК-спектрометрия. Классическое их предназначение - обнаружение паров ТХ в атмосфере [2].

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.

Как видно из (см. фиг.1), спектральная мощность энергетической яркости излучения, регистрируемого прибором В_вх(ν, β, ΔТ), состоит из трех компонентов:

- яркость фонового излучения атмосферы В_ф(ν, β, Т_ф), где β - угол места локации, ослабленного, согласно закону Бугера-Ламберта, в облаке со спектральным пропусканием τ(ν) и на атмосферной трассе наблюдения с пропусканием τ_а(ν);

- излучение облака, равное, по закону Кирхгофа, B_AЧT(ν, T_a)(1-τ(ν)), ослабленное на той же трассе;

- собственное излучение трассы В_АЧТ(ν, Т_а)(1-τ_а(ν)).

То есть

B_вх(ν, β, ΔT)=В_ф(ν, β, Т_ф)τ(ν)τ_a(ν)+В_АЧТ(ν, Т_а)(1-τ(ν)) τ_a(ν)+В_АЧТ(ν, Т_а)(1-τ_а(ν))

Это определяет способность таких приборов регистрировать и идентифицировать загрязняющие приземную атмосферу вещества, находящиеся в парогазовом состоянии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, реализованный в Фурье-спектрометре с охлаждаемым ИК-приемным каналом и разработанный под руководством А.Н.Морозова авторским коллективом ЦПФ МГТУ им. Н.Э.Баумана в 2004 под названием ПХРДД-2 [2]. Прибор обладает большой светосилой, позволяет одновременно регистрировать протяженные участки оптического спектра за короткое время и обеспечивает возможность ведения одновременной индикации достаточно широкого перечня токсичных веществ и определения смесей веществ с оценкой концентрации каждого компонента в паровой фазе на значительных расстояниях при наличии малых тепловых контрастов (около 2°С).

Быстродействие прибора не более 1 с обеспечивает своевременное обнаружение объектов индикации.

Чувствительность прибора, в главной степени, зависит от чувствительности ИК-приемной системы и составляет для паров ТХ при интегральной плотности паров в облаке не менее 50 мг/м². На чувствительность системы также будут оказывать влияние степень заполнения облаком паров индицируемого вещества поля зрения, концентрация паров, уровень теплового контраста.

В 2009 году ими же разработан прибор ПХРДД-3 с неохлаждаемым ИК-приеником. Данный прибор является аналогом ПХРДД-2 с уменьшенными массой, габаритными размерами и энергопотреблением, что позволило образец сделать в носимом варианте.

Нами разработан способ обнаружения зараженных поверхностей ТХ на основе применения насадки и прибора ПХРДД-2(3), наряду с решением их традиционных задач.

Насадка представляет собой фиксированную в ИК-канале прибора трубку с раструбом (см. фиг.2) и нагревательным элементом на конце трубки (см. фиг.3).

Наличие трубки позволяет концентрировать возгоняемое вещество в узком объеме поля зрения прибора. Диаметр трубки определяется диаметром поля зрения прибора, а длина трубки - удобством эксплуатации устройства. Раструб на конце трубки позволяет с большей площади поверхности проводить возгонку вещества и концентрировать его в трубке, изолировать от окружающей атмосферы возгоняемые пары, а также избегать возможности прямого контакта нагревательного элемента с анализируемой поверхностью.

Нагревательный элемент может нагреваться до температур, при которых не происходит разложение анализируемого вещества. В нашем случае он нагревался до температуры около 150°С напряжением 12 В, не касаясь поверхности на расстоянии 3-5 мм. Нагревательный элемент выполняет две функции:

- разогревает индицируемую поверхность и таким образом возгоняет сорбированное вещество;

- служит большим температурным контрастом для возможности обнаружения на трассе наблюдения индицируемого вещества.

Наличие такого теплового контраста позволяет значительно повысить чувствительность дистанционных приборов химической разведки пассивного типа в сравнении с чувствительностью прибора при работе с использованием естественного теплового контраста.

Для апробирования способа нами была разработана экспериментальная установка (см. фиг.4), представляющая собой прибор ПХРДД-2, соединенный и съюстированный с оптической насадкой.

Экспериментальную оценку способа мы проводили на различных поверхностях: песчаный грунт, деревянная поверхность (фанера), обмундирование. Эксперимент проводили с использованием веществ, имеющихся в базе данных прибора ПХРДД-2: ацетон, этанол, изопропанол. База данных может пополняться.

На индицируемую поверхность наносились с помощью медицинского шприца три капли индицируемого вещества весом около 20 мг на площадь 20 см². Выдерживалось около 5 мин и проводилось зондирование зараженной поверхности с помощью прибора ПХРДД-2. Для соблюдения условий юстировки прибор и раструб находились в фиксированном положении в штативах, а индицируемая поверхность подводилась к раструбу с нагревательным элементом.

Результаты экспериментов представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1 Обмундирование Вещество Плотность концентрации, мг/м² Коэффициент корреляции Среднеквадратическое отклонение Этанол 3766 0,85 ±181 3400 3540 3369 Изопропанол 1388 0,88 ±65 1429 1539 1475 Ацетон 1171 0,90 ±62 1313 1240 1195

Таблица 2 Дерево Вещество Плотность концентрации, мг/м² Коэффициент корреляции Среднеквадратическое отклонение Этанол 2188 0,85 ±312 2859 2831 2569 Изопропанол 440 0,88 ±58 564 444 477 Ацетон 1135 0,90 ±72 1129 1285 1194

Таблица 3 Песчаный грунт Вещество Плотность концентрации, мг/м² Коэффициент корреляции Среднеквадратическое отклонение Этанол 2336 0,86 ±142 2647 2452 2357 Изопропанол 889 0,88 ±92 869 689 773 Ацетон 2762 0,89 ±533 3929 3387 2854

Литература

1. Сивцов Г.А., Кауров Н.Е., Политов Ю.Н., Таранченко В.Ф., Цехмистер В.И. Система технических средств химической разведки и химического контроля армий стран НАТО. - М.: ВУРХБЗ, 2003, 120 с.

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

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических характеристик газовых сред. Проводится регистрация в ИК-диапазоне спектров поглощения паров токсичных веществ и их идентификация по максимальному коэффициенту корреляции спектра сигнала с образцовыми спектрами базы данных. Сканирование сигнала осуществляют в оптической насадке, проводящей разогрев индицируемой поверхности, возгонку сорбированного вещества и его концентрацию в узком оптическом тракте, а также дающей большой температурный контраст на трассе наблюдения индицируемого вещества для повышения чувствительности метода обнаружения. Наличие теплового контраста позволяет повысить чувствительность дистанционных приборов химической разведки пассивного типа. 4 ил., 3 табл.

Способ обнаружения зараженности различных поверхностей токсичными химикатами пассивными инфракрасными спектрометрами дистанционного действия с применением оптической насадки, заключающийся в регистрации в ИК диапазоне спектров поглощения паров токсичных веществ, их идентификацию по максимальному коэффициенту корреляции спектра сигнала с образцовыми спектрами базы данных, отличающийся тем, что с помощью нагревательного элемента, служащего большим температурным контрастом и размещенного на конце трубки оптической насадки, проводят возгонку сорбированного вещества и его концентрирование в узком оптическом тракте, а затем осуществляют сканирование сигнала.