ПОРТАЛ Российский патент 2013 года по МПК G01N21/35 

Настоящее изобретение касается портала или шлюза, адаптированного для обнаружения материалов, в частности опасных или нежелательных материалов.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обеспечение безопасности представляет собой проблему, приобретающую все возрастающую актуальность во многих окружающих средах, например в аэропортах. С повышением угрозы терроризма все более важное значение приобретает возможность обнаружения потенциально опасных материалов, в частности, проносимых через ворота системы безопасности аэропорта. Однако осуществить на практике это трудно, так как зачастую наблюдаются только следовые уровни материалов, и многие существующие системы не обладают достаточной чувствительностью для обнаружения таких низких уровней.

В одной известной системе для обнаружения опасных материалов в окружающей среде аэропорта используется спектроскопия подвижности ионов (IMS). Частицы отбираются из зоны отбора проб, которой, как правило, являются ворота системы безопасности, и переносятся потоками воздуха или по линии отбора проб в камеру отбора проб. Это продолжается до тех пор, пока не будет отобрана проба заданной концентрации. После отбора пробы заданной концентрации частицы подвергаются нагреву до перехода в газовую фазу, а затем - ионизации для обеспечения возможности определения их массы посредством измерения времени пролета между двумя заряженными пластинами. Масса молекулы позволяет осуществлять идентификацию отобранных частиц.

Проблемой IMS является близость масс многих различных молекул, обусловливающая чувствительность этого метода как к ложной положительной, так и к ложной отрицательной идентификации. Дополнительной проблемой является относительная ограниченность зоны отбора проб, в которой отбираются частицы, что не исключает возможности незахвата интересующих частиц. Кроме того, проба должна быть заданной концентрации и должна быть подвергнута нагреву и ионизации, что означает, что время отклика системы при измерениях составляет обычно порядка десятков секунд. Для многих областей использования систем обеспечения безопасности это время отклика системы является слишком большим.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предлагается портал или шлюз, который включает в себя детектор газов, содержащий лазер с линейной модуляцией частоты; открытую оптическую ячейку для проб и детектор для детектирования излучения от лазера с линейной модуляцией частоты, прошедшего через ячейку, в предпочтительном варианте, многократно. В предпочтительном варианте открытая оптическая ячейка для проб является нерезонансной.

Длина открытой ячейки для проб может практически совпадать с полной длиной портала. Открытая ячейка для проб может иметь длину более 1 м, а в идеальном случае ее длина составляет более 1,5 м.

Изменение длины волны, обеспечиваемое линейной частотной модуляцией длины волны как таковой, используется для обеспечения сканирования длин волн. Следовательно, нет никакой необходимости в регулировании эффективной ширины линии излучения по области спектра с использованием, например, длительного нарастания постоянного тока, накладываемого на последовательность импульсов. Это означает возможность достижения очень высокой частоты отбора проб и выполнения полного спектрального анализа в течение очень короткого времени. Использование коротких импульсов с линейной частотной модуляцией означает возможность преодоления последствий турбулентного и вибрационного шума. Это является существенным преимуществом.

Лазер с линейной модуляцией частоты может быть полупроводниковым лазером, например, полупроводниковым диодным лазером. Излучение с линейной частотной модуляцией генерируется в результате приложения одиночного или серии электрических импульсов практически ступенчатой формы к полупроводниковому диодному лазеру с целью обеспечения вырабатывания лазером одного или более импульсов, каждый из которых имеет непрерывную частотную модуляцию длины волны, для ввода в оптическую ячейку. Лазер может быть квантовым каскадным лазером.

Длительность каждого прикладываемого импульса может составлять более 150 нс, в частности более 200 нс. Длительность каждого прикладываемого импульса может составлять 150-300 нс, а в предпочтительном варианте 200-300 нс. Это позволяет обеспечить диапазон регулирования, составляющий приблизительно 60 ГГц.

Частота импульсов с линейной частотной модуляцией может быть выбрана так, чтобы запаздывание по времени между пятнами на отражающихся элементах нерезонансной ячейки было достаточным для практически полного предотвращения возникновения интерференции излучения, где эти пятна определяют участки отражения вводимого импульса с линейной частотной модуляцией от стенок ячейки.

Длительность каждого детектируемого импульса может составлять более 150 нс, в частности более 200 нс. В предпочтительном варианте длительность каждого детектируемого импульса составляет 150-300 нс, а в еще более предпочтительном варианте 200-300 нс.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже приводится описание различных аспектов изобретения исключительно в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид одиночного портала, и

Фиг.2 - схематичный вид конструкции с несколькими порталами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлен портал или шлюз 10, через который должен пройти человек для входа в безопасную или контролируемую зону, например в аэропорт. Портал или шлюз имеет собой открытую алюминиевую раму 12 с верхней горизонтальной перемычкой 14 и двумя противостоящими вертикальными опорами 16 и 17. С внутренней стороны в одной из опор 16 выполнена открытая нерезонансная оптическая ячейка 18 для проб, каждый конец которой определяется зеркалом 20. Открытость ячейки означает отсутствие какого-либо физического барьера между оптической ячейкой 18 и отверстием 22 портала. Для обеспечения ввода как можно большего числа молекул в ячейку 18 без адсорбционных потерь лазерная ячейка 18 расположена вдоль всей длины опоры 16 по вертикали. И поэтому в предпочтительном варианте длина открытой ячейки 18 для проб составляет более 1 м, а в идеальном случае - более 1,5 м.

Использование полностью открытой и относительно длинной оптической ячейки 18 является главным преимуществом обнаружения низких концентраций газов, составляющих, например, миллиардные доли. При накачивании газа в закрытую ячейку молекулы налипают на стенки ячейки, и их обнаружение может продолжаться в течение длительного периода после обновления содержимого ячейки. Это явление может приводить к ложным положительным идентификациям и увеличению времени отклика. Для преодоления этой проблемы вся ячейка может подвергаться нагреву. Однако при использовании открытой рамы согласно настоящему изобретению в этом нет необходимости, так как большая длина и открытая конструкция позволяют предотвратить налипание и обеспечивают очень высокие скорости обновления содержимого ячейки и значительно сократить время измерений.

На опоре 17, находящейся напротив ячейки 18 для проб, установлен ряд вентиляторов 24, нагнетающих воздух практически в горизонтальном направлении в сторону ячейки 18 для проб. Это обеспечивает общее направление воздушного потока в сторону ячейки 18 для проб. В варианте изобретения на опоре 16 ячейки для проб могут быть установлены вентиляторы 26, обеспечивающие направление воздуха в сторону этой опоры и, таким образом, увеличение притока молекул в ячейку 18. Кроме того, эти вентиляторы 26 позволяют повысить скорость обновления содержимого ячейки.

Излучение от квантового каскадного лазера 28 вводится в ячейку по волоконно-оптическому кабелю 30. С целью обеспечения вырабатывания лазером импульса с непрерывной частотной модуляцией длины волны к квантовому каскадному лазеру 28 прикладывается электрический импульс ступенчатой формы. В предпочтительном варианте длительность каждого прикладываемого импульса составляет более 150 нс, в частности более 200 нс.

В предпочтительном варианте длительность каждого прикладываемого импульса составляет 150-300 нс, а в еще более предпочтительном варианте 200-300 нс. Это позволяет обеспечить диапазон регулирования, составляющий приблизительно 60 ГГц.

Импульс с непрерывной частотной модуляцией длины волны вводится в оптическую ячейку 18 по волоконно-оптическому кабелю 30. Изменение длины волны, обеспечиваемое этим импульсом, используется в качестве внутриимпульсного сканирования. Частота импульсов с линейной частотной модуляцией выбирается так, чтобы практически полностью предотвратить возникновение интерференции излучения в оптической ячейке. В частности, частота импульсов с линейной частотной модуляцией может быть выбрана так, чтобы запаздывание по времени между пятнами на отражающихся элементах нерезонансной ячейки было достаточным для практически полного предотвращения возникновения интерференции излучения, где эти пятна определяют участки отражения вводимого импульса с линейной частотной модуляцией от стенок ячейки. Методика выполнения этого метода описана в публикации с номером WO 03087787, содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

В ячейке 18 обеспечивается многократное прохождение вводимого в нее излучения. Для достижения высокого уровня чувствительности в предпочтительном варианте ячейка 18 выполнена с возможностью обеспечения 100 или более проходов. По волоконно-оптическому кабелю 34 излучение, испускаемое от ячейки 18, вводится в детектор 32. Изменение длины волны прикладываемых импульсов с линейной частотной модуляцией является достаточным для обеспечения обнаружения химических следов определенных материалов, подлежащих обнаружению, например, перекиси водорода и EGDN (этиленгликольдинитрата). Таким образом, детектируемое излучение может быть использовано для однозначной идентификации определенных химических веществ, в частности некоторых опасных или нежелательных материалов, например, путем сравнения обнаруживаемых следов с хранимыми следами для известных материалов. По желанию до достижения идеально положительной идентификации химического вещества сигналы неизвестного происхождения могут использоваться для подачи сигналов тревоги низкого уровня.

Использование квантового каскадного лазера в такой конструкции дает многочисленные преимущества. Чрезвычайно высокое быстродействие этого лазера позволяет значительно сократить время измерений по сравнению с другими конструкциями. Кроме того, полная открытость ячейки 18 для проб позволяет избежать каких-либо потерь, вносимых линии транспортировки или конструкции для отбора проб. Кроме того, полное измерение характеризуется значительно более высокой чувствительностью, чем другие традиционные измерения.

Специалисту в данной области техники очевидна возможность внесения в предлагаемую конструкцию изменений, не выходящих за пределы существа и объема изобретения. Например, изобретение было описано в терминах проходного портала для человека, однако этот портал одновременно может быть порталом, или окном, или шлюзом для товаров перед их прохождением, например, в безопасную или контролируемую зону. Помимо этого, несмотря на то, что на фиг.1 представлен один портал, то не исключает возможности использования большого числа таких порталов, выходные сигналы которых подаются в один детектор, как показано на фиг.2. Таким образом, приведенное выше описание специфического примера осуществления следует рассматривать исключительно в качестве примера, а не в целях ограничений. Специалисту в данной области техники очевидна возможность незначительных модификаций изобретения, не вызывающих существенных изменений в описанном принципе его действия.

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности, например, в аэропортах. Портал или шлюз включает в себя вертикальную опору, детектор, содержащий лазер с линейной модуляцией частоты, открытую оптическую ячейку для проб и детектор для обнаружения излучения от лазера с линейной модуляцией частоты, прошедшего через ячейку. Лазер с линейной модуляцией частоты может быть квантовым каскадным лазером. Изобретение позволяет повысить чувствительность обнаружения опасных материалов. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Портал или шлюз, выполненный с возможностью пропускания людей или товаров, причем портал или шлюз обладает вертикальной опорой, лазером с линейной модуляцией частоты; открытой оптической ячейкой для проб и детектором для обнаружения излучения лазера с линейной модуляцией частоты, прошедшего через открытую оптическую ячейку для проб, при этом каждый конец открытой оптической ячейки для проб определяется зеркалом, причем зеркала содержатся на вертикальной опоре, так что открытая оптическая ячейка для проб расположена вдоль вертикальной опоры.

2. Портал или шлюз по п.1, в котором ячейка для проб размещена так, что излучение проходит через нее многократно.

3. Портал или шлюз по п.2, в котором ячейка размещена так, что излучение проходит через ячейку сто или более раз.

4. Портал или шлюз по любому из предыдущих пунктов, в котором длина открытой ячейки для проб практически совпадает с полной длиной портала.

5. Портал или шлюз по п.1, в котором открытая ячейка для проб может иметь длину более 1 м, а в предпочтительном варианте - более 1,5 м.

6. Портал или шлюз по п.1, содержащий средство для направления газа в портале в сторону открытой ячейки.

7. Портал или шлюз по п.6, в котором средство направления содержит один или более вентиляторов.

8. Портал или шлюз по п.1, в котором ячейка для проб включена в состав вертикальной опоры портала или шлюза.

9. Портал или шлюз по п.1, в котором лазер с линейной модуляцией частоты является полупроводниковым лазером, например полупроводниковым диодным лазером, а в предпочтительном варианте - квантовым каскадным лазером.

10. Портал или шлюз по п.8, в котором излучение с линейной частотной модуляцией генерируется в результате приложения одиночного или последовательности электрических импульсов практически ступенчатой формы к полупроводниковому диодному лазеру для инициирования вырабатывания лазером на выходе одного или более импульсов, каждый из которых имеет непрерывный сдвиг длины волны, для ввода в оптическую ячейку.

11. Портал или шлюз по п.10, в котором длительность каждого прикладываемого импульса составляет более 150 нс, в частности более 200 нс.

12. Портал или шлюз по п.10, в котором длительность каждого прикладываемого импульса составляет 150-300 нс, а в предпочтительном варианте - 200-300 нс.

13. Портал или шлюз по любому из пп.10-12, в котором частота импульсов с линейной модуляцией частоты выбрана так, что запаздывание по времени между пятнами на отражающихся элементах ячейки является достаточным для практически полного предотвращения возникновения интерференции излучения, где эти пятна определяют местоположения, в которых вводимый импульс с линейной модуляцией частоты отражается от стенок ячейки.

14. Портал или шлюз по любому из пп.10-12, в котором длительность каждого обнаруживаемого импульса составляет более 150 нс, в частности более 200 нс.

15. Портал или шлюз по любому из пп.10-12, в котором длительность каждого обнаруживаемого импульса составляет 150-300 нс, а в предпочтительном варианте - 200-300 нс.

16. Портал или шлюз по п.1, в котором ячейка является нерезонансной.

17. Система, содержащая множество порталов или шлюзов согласно предыдущим пунктам.

18. Система по п.17, в которой множество порталов или шлюзов совместно используют один детектор.

19. Система по п.18, в которой излучение от множества порталов или шлюзов передается на один детектор по волоконно-оптическому кабелю.