Проект “Многофункциональный терагерцовый датчик для обнаружения взрывчатых и отравляющих веществ”

Инновационный проект и результаты научно-технической экспертизы, организованной ГУНИД Минобороны в целях определения необходимости и возможного порядка реализации разработки в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации.  

Описание проекта представлено в авторской редакции. 

 

 

 

Проект 15  

Многофункциональный терагерцовый датчик для обнаружения взрывчатых и отравляющих веществ, а также стрессорных газов. 

 

Цель проекта:   

Целью данного проекта является исследование возможности практической реализации новых подходов и технологий при создании спектрометров терагерцового диапазона для систем безопасности и противодействия терроризму на основе анализа паров взрывчатых веществ (ВВ), отравляющих веществ (ОВ) и детектировании стрессорных газов, появляющихся в выдохе террориста при подготовке к теракту.

Из описания проекта: 

Создание новых диагностических систем в терагерцовом диапазоне является одним из наиболее бурно развивающихся направлений. В литературе представлены как работы, направленные на создание единичных приборов с уникальными параметрами для специальных применений, так и работы по широкому коммерческому использованию диагностических систем терагерцового диапазона. Одним из наиболее успешно развиваемых направлений является разработка сверхчувствительных приемных устройств терагерцового диапазона для медицинской диагностики, систем безопасности и противодействия терроризму.

Среди приборов, позволяющих выявлять скрытые взрывные устройства (ВУ), значительное место занимает аппаратура прямого обнаружения ВВ по детектированию их паров и частиц, присутствующих в тех или иных количествах вблизи или на поверхности ВУ.

Однако возникает ряд проблем, существенно затрудняющих решение поставленной задачи. Одной из них является относительно малое количество искомого вещества (10-12-10-15 г/см3) в виде твердых микрочастиц или паров, доступное для анализа. Это связано, прежде всего, с низким давлением насыщенных паров при комнатной температуре для большинства распространенных ВВ. Кроме того, в смеси различных ВВ давление паров может быть существенно ниже, чем для чистых материалов. Так, давление паров чистого гексогена примерно в 100 раз выше, чем давление паров пластиковой взрывчатки C-4 на его основе. Данные факторы, как правило, усугубляется тем, что смеси различных ВВ могут помещаться в герметичные оболочки, что еще в большей степени уменьшает их концентрацию в открытой атмосфере.

Для решения задачи обнаружения и идентификации паров и микрочастиц ВВ в настоящее время разработана и уже используется ряд детекторов ВВ. Наиболее успешно, с точки зрения изготовления коммерческих детекторов паров и частиц ВВ, продвинулись направления на основе методов масс-спектрометрии (МС), в частности, масс-спектрометрии с атмосферной ионизацией (МСАИ) газовой хроматографии (ГХ), спектрометрии ионной подвижности (СИП), молекулярных ядер конденсации (МОЯК), наборов химических реактивов. Разработчиками создана довольно широкая номенклатура приборов, при этом ввод анализируемой пробы в детекторы осуществляется либо за счет всасывания воздуха от поверхности или из щелей обследуемого объекта, либо путем забора захваченных на пробоотборник частиц или паров ВВ.

Вместе с тем, все эти методы, и как следствие, детекторы на их основе, имеют ряд характерных недостатков и ограничений.

По стандартной шкале сравнений систем детектирования ВВ пороговая чувствительность и методы забора проб как зарубежных, так и отечественных детекторов ВВ на основе перечисленных выше методов практически не отличается. Пороговая чувствительность этих детекторов по парам наиболее известного ВВ - тринитротолуола (ТНТ) - при температуре воздуха 20÷25°С и относительной влажности до 95 % находится на уровне 1∙10-13 г/см3. При этом быстродействие (время отклика) составляет от 10 секунд до нескольких минут. Здесь следует отметить, что создание устройств на основе комбинации методов ГХ/СИП, ГХ/МС, ГХ/хемилюминесценция и др. ненамного улучшили ситуацию с устранением недостатков и ограничений каждого из этих методов.

В настоящее время усилия специалистов многих стран направлены на разработку систем ТГц-обнаружения твердых ВВ. Растет число публикаций о возможности регистрации различных ВВ с использованием различных источников и приемников ТГц излучения. Однако эти работы сталкиваются с рядом трудностей. Прежде всего – это сильное поглощение ТГц излучения атмосферными газами, особенно водяными парами. Частотный диапазон 0.1-1.0 ТГц содержит более чем 228 индивидуальных спектральных линий водяного пара различной интенсивности, поэтому потери при распространении излучения на частоте 0.8 ТГц составляют до 30-40 дБ/км. Поглощение вызывает также прохождение излучения через различные материалы, скрывающие ВВ. Степень потерь в этом случае зависит от типа материала и его толщины. Очевидно, что детектирование ВВ необходимо проводить в режиме отраженного сигнала, тогда как большинство исследований на сегодняшний день используют анализ проходящего излучения. Кроме того, полученные ТГц спектры существенно зависят от состава и способа приготовления образцов ВВ. Зачастую положение и интенсивность линий в спектрах образца одного и того же ВВ, полученных разными авторами, заметно (в разы) отличаются. Низкое спектральное разрешение (порядка 0.1-1 см-1) позволяет проводить регистрацию лишь широких полос поглощения, что затрудняет интерпретацию ТГц спектров веществ, особенно веществ, схожих по составу. Кроме того, сами используемые экспериментальные методики и отсутствие надежных способов измерения мощности излучения в ТГц диапазоне позволяет проводить лишь качественный анализ при очень низкой чувствительности.

ТГц спектроскопия веществ в газовой (паровой) фазе свободна от большинства упомянутых трудностей, однако ее успехи по обнаружению паров ВВ значительно скромнее. Имеется всего несколько работ по обнаружению паров нитроглицерина, этиленгликольдинитрата, динитротолуола. Это в первую очередь связано с особенностями физико-химических свойств ВВ и с малым давлением их насыщенных паров, а также с отсутствием методик приготовления проб для анализа.

Кроме того, сложность колебательных и субТГц спектров, а также наличие линий примесей затрудняют идентификацию полос и линий поглощения исследуемых молекул. Это касается 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ), 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазацилкогексана (гексогена) и пентаэритриттетранитрата (тэна), являющихся не только мощными индивидуальными бризантными ВВ, но и компонентами целого ряда пластичных ВВ. Поэтому в рамках проекта разрабатываются методики приготовления образцов при низких давлениях (Р=0,1 мм рт.ст.), обеспечивающих формирование спектров исследуемых веществ с достаточно узкими линиями, по которым будет проводиться определение концентраций ВВ.

Еще одним важнейшим направлением в обеспечении безопасности и противодействия терроризму является обнаружение отравляющих веществ (ОВ), контроль условий хранения химического оружия, мониторинг состояния окружающей среды. Одним из основных направлений при проведении работ по ликвидации химического оружия, является аналитический контроль рабочих параметров технологических процессов, а также постоянный мониторинг состояния окружающей среды c целью получения информации о составе отравляющих ОВ, необходимой для оперативного принятия решения по предотвращению аварийных выбросов или утечек ОВ. Кроме самих ОВ, контролю подлежат продукты их разложения, а также технологические примеси, некоторые из которых незначительно уступают по токсичности уничтожаемым ОВ. Строение ряда ОВ (например, люизита) обуславливает их высокую реакционную способность и склонность к разнообразным химическим превращениям. Это, в свою очередь, приводит к заметным трудностям при аналитическом сопровождении работ по уничтожению люизита аттестованными методами капиллярного электрофореза, титриметрии, газовой хроматографии и др. Применение методов субТГц нестационарной спектроскопии для анализа продуктов распада ОВ в атмосфере, обеспечивающих высокую чувствительность (на ppb уровне) при доплеровской разрешающей способности, дает возможность идентификации не только самих ОВ, но и фрагментов исследуемых молекул, обеспечивающей информацию о реальном их содержании в атмосферном воздухе.

Одним из новых подходов может стать детектирование стрессорных газов, появляющихся в выдохе террориста при подготовке теракта. Основой метода является тот факт, что стрессовые ситуации приводят к повышенной активности многих систем организма, в частности эндокринной и нервной, что в свою очередь изменяет различные показатели метаболизма, например, состав крови, слюны. Кроме того, в литературе имеются данные об изменении состава выдыхаемого воздуха людей, находящихся в условиях эмоционального стресса. Так, например, показано увеличение концентрации оксида углерода CO2 в выдохе студентов во время экзаменационной сессии. Результате исследований продемонстрировали взаимосвязь содержания CO в выдохе и уровня стресса человека. Таким образом, обнаружение в выдыхаемом воздухе повышенной концентрации (по сравнению с естественной) или появления определенных газов-маркеров может служить индикатором сильного стрессового состояния человека.

Сложность поставленной задачи связана с обнаружением малых концентрацией газов-маркеров в многокомпонентной смеси, а также с необходимостью одновременного детектирования нескольких газов для повышения достоверности анализа и уменьшения уровня ложной тревоги. Поэтому детекторы стрессорных газов должны обладать такими характеристиками как высокая чувствительность и разрешающая способность, а также быстродействием порядка нескольких секунд.

Методы, применяемые для анализа выдыхаемого воздуха, должны обладать следующими аналитическими характеристиками:

  • концентрационная чувствительность: в зависимости от исследуемого объекта - от 0.01 ppb до 0.1 ppm; при анализе относительных изменений изотопного состава ~ 0.05 %.
  • точность детектирования: при регистрации отдельных соединений и их относительного содержания - 3–5 % (в связи с большим размахом «физиологических шумов», связанных с неравномерностью дыхания и кровотока); при одновременном детектировании целого спектра соединений и использовании процедур концентрирования - до 10–30 %.
  • быстродействие: анализ состава выдыхаемого воздуха в реальном масштабе времени - 0.1 с; анализ с накоплением пробы выдоха и концентрированием ~ 10–30 мин.
  • селективность детектирования: применяемый метод должен быть прежде всего нечувствителен к азоту и кислороду, парам воды и СО2, концентрация которых в выдохе на 6–8 порядков выше содержания искомых веществ.
  • требуемый объем газовой пробы: от 10 мл – до 1- 2 л (в зависимости от метода).

 

В настоящее время для проведения анализа выдыхаемого воздуха используют хроматографический, хемилюминесцентный и масс- спектрометрический методы. Достоинствами хроматографии для анализа газовых смесей являются широкие границы применения (можно определять компоненты смесей органических и неорганических газов с давлением паров больше 0,133 - 133 Па); совмещение газовой хроматографии и других методов анализа (масс-спектроскопии, рефрактометрия, кулонометрия) в едином аппаратном оформлении. К основным недостаткам относятся сложность в подготовке пробы для анализа и плохая воспроизводимость; нежелательное изменение свойств колонки в процессе эксплуатации; высокая стоимость этого метода.

Применение высокочувствительных фотометрических установок позволило использовать метод хемилюминесценции для анализа газовых смесей. Основными достоинствами являются возможность определения веществ, концентрация которых 10^-8 % и проведение измерений в режиме реального времени. Но плохая селективность метода и ограниченность применения делают его не очень удобным для анализа выдыхаемого воздуха. Метод масс-спектрометрии также применяется для исследования выдыхаемого воздуха. Предел обнаружения масс-спектрометра имеет такой же порядок, как и у других детекторов (до 10^-11 – 10^-12 г/с), но может быть улучшен (до 10^-14 – 10^-18 г/с). Задача анализа многокомпонентных газовых смесей решается также методами газовой спектроскопии различных диапазонов (рентген, УФ, ИК, микроволновой). В настоящее время широко применяются методы диодно-лазерной спектроскопии. При применении данного метода может происходить перекрытие колебательных полос различных газов. Малая мощность излучения лазера (30-50 мкВт) и невысокая чувствительность ограничивают возможность измерения малых концентраций на уровне 10^-5%.

Сейчас во всем мире ведутся работы по созданию методик применения излучения субТГц и ТГц частотных диапазонов для различных задач, в том числе медицины и биологии. Связано это, прежде всего, с тем, что в этом диапазоне лежат наиболее сильные линии поглощения многих веществ (например, вода, аммиак, спирты).

На данный момент проблема использования ТГц излучения для спектроскопии высокого разрешения связана с достаточно высокими требованиями, предъявляемыми к источникам излучения: это обеспечение доплеровского разрешения (~10-6 от несущей), стабильность частоты излучения ~ 10-8 -10-10, и плавная перестройка частоты в широком спектральном диапазоне.

На сегодняшний день существует ряд фирм, специализирующихся на изготовлении различной техники ТГц диапазона. Британская компания TeraView выпускает ТГц спектрометры и системы ТГц-видения с использованием титан-сапфирового лазера, работающие в диапазоне 0.06–4 ТГц. Virginia Diodes (США) наладила серийный выпуск целой гаммы приборов: умножители частоты и смесители, работающие до 2 ТГц; детекторы излучения до 1.7 ТГц; источники излучения в диапазоне до 1.9 ТГц на основе твердотельного генератора и каскада умножителей. Другая компания - Microtech Instruments (США) – изготавливает генераторы в диапазоне до 1.5 ТГц, детекторы ТГц излучения, спектрометры 100 ГГц - 1.5 ТГц, а также компоненты квазиоптики (линзы, поляризаторы). Недавно на рынке ТГц приборов появилась еще одна коммерческая компания из США – Zomega. Компания Zomega производит источники излучения и детекторы ТГц диапазона, а также компактные спектрометры, работающие в диапазоне 0.1 - 10.0 ТГц. Несмотря на серьезные усилия во всем мире, результатом которых стало, создание коммерческих спектрометров, многие проблемы ТГц спектроскопии высокого разрешения остаются не изученными.

На сегодняшний день существует два возможных способа генерации импульсов ТГц излучения. Это использование фотопроводящих переключателей, облучаемых сверхкороткими лазерными импульсами, и метод оптической ректификации лазерных импульсов в нелинейных кристаллах. На данный момент фотопроводящие переключатели производят ТГц импульсы с энергией выше 0.4 мкДж и средней мощностью порядка 40 мкВт. Однако спектральный максимум этих импульсов лежит ниже 1 ТГц. В отличие от фотопроводящих переключателей метод оптической ректификации позволяет генерировать импульсы, спектральный максимум которых находится в районе нескольких десятков ТГц. Для генерации импульсов с высокой энергией необходимо выполнение условия согласования фаз между оптическим и ТГц импульсами. Сложность в достижении фазового согласования в широком диапазоне ТГц частот создает фундаментальные ограничения для этого метода. Также существует проблема стабильности частоты. Существует вариант источника излучения ТГц частотного диапазона с использованием оптического метода генерации, основанном на получении разностной частоты двух непрерывных оптических лазеров с помощью полупроводникового смесителя. Чувствительность анализа с помощью спектрометра на фотосмесителе составляет порядка 1 ppm. Имеется проблема с определение центральных частот линий поглощения.

Отдельное направление в освоении ТГц диапазона принадлежит микроволновым методам. Это использование источников излучения на лампе обратной волны (ЛОВ) или твердотельные источники – генератор Ганна и каскада умножения частоты. Ключевыми элементами такой схемы являются умножители частоты и смесители (на диодах Шоттки или сверхрешетках).

Предлагаемые авторами проекта разработки источников ТГц излучения для прецизионной спектроскопии удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Подход с использованием стабильных генераторов частоты, созданных посредством умножения частоты высокостабильного опорного синтезатора (на основе генератора Ганна) обеспечивает стабильность и точность установки частоты на уровне 10-9 от несущей частоты.

Разрабатываемые методы нестационарной спектроскопии субТГц и ТГц диапазонов, обладающие чувствительностью на уровне десятых долей ppb, селективностью, возможностью измерения концентраций исследуемых веществ и простотой использования, может дать уникальную возможность для детектирования стрессорных газов. Для решения поставленной задачи необходимы прецизионные, компактные и простые в обращении приборы, позволяющие проводить измерения in-situ.

Предлагаемые разработки источников и приемников ТГц излучения для прецизионной спектроскопии, а также спектрометров удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Работа спектрометров была апробирована в решении широкого круга задач, в том числе для систем безопасности.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРТИЗЫ

В результате проведенной ведомственной и вневедомственной научно-технической экспертизы определено, что реализация предложенного проекта актуальна, в первую очередь, для развития фундаментальных основ терагерцовой спектроскопии.

6 июня 2019г.  
Источник: ГУНИД Минобороны РФ 


Справка 

Проработка проектов для достижения целей экспертизы проводилась несколькими методами, а именно эвристическим (заключения экспертов, организаций и заинтересованных органов военного управления), измерительным и регистрационным (проведение апробации или оценочных испытаний). 

Перспективные инновационные разработки и технологии предварительно были отобраны специалистами органов военного управления, научно-исследовательских организаций и военно-учебных заведений Минобороны России в период проведения форума "АРМИЯ". 

Посмотреть подборку проектов можно в блоге ГУНИД Минобороны на нашем сайте.  

 

 

Комментариев еще нет.

Оставить комментарий

Вы должны войти Авторизованы чтобы оставить комментарий.

Партнеры