СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАРАЖЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОКСИЧНЫМИ ХИМИКАТАМИ ПАССИВНЫМИ ИНФРАКРАСНЫМИ СПЕКТРОМЕТРАМИ ДИСТАНЦИОННОГО ДЕЙСТВИЯ
METHOD OF DETECTING CONTAMINATION OF DIFFERENT SURFACES WITH TOXIC CHEMICALS USING REMOTE PASSIVE INFRARED SPECTROMETERS

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.
2
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/м 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.
вх
Как видно из (см. фиг.1), спектральная мощность энергетической яркости излучения, регистрируемого прибором В(ν, β, ΔТ), состоит из трех компонентов:
ф
ф
а
- яркость фонового излучения атмосферы В(ν, β, Т), 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(ν);
AЧT
a
- излучение облака, равное, по закону Кирхгофа, B(ν, T)(1-τ(ν)), ослабленное на той же трассе;
АЧТ
а
а
- собственное излучение трассы В(ν, Т)(1-τ(ν)).
То есть
вх
ф
ф
a
АЧТ
а
a
АЧТ
а
а
B(ν, β, ΔT)=В(ν, β, Т)τ(ν)τ(ν)+В(ν, Т)(1-τ(ν)) τ(ν)+В(ν, Т)(1-τ(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.
2
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/м. 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.
2
На индицируемую поверхность наносились с помощью медицинского шприца три капли индицируемого вещества весом около 20 мг на площадь 20 см. 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/м<sup>2</sup>
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/м<sup>2</sup>
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/м<sup>2</sup>
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.