Результат интеллектуальной деятельности: Способ дистанционного контроля степени зараженности подстилающей поверхности аэрозолями стойких токсичных химических веществ

Изобретение относится к области оптических беспробоотборных методов измерения физико-химических характеристик подстилающих поверхностей, зараженных аэрозольными частицами стойких токсичных химических веществ (ТХВ), и может быть использовано при разработке средств химического контроля степени зараженности различных поверхностей при возникновении аварий и катастроф техногенного характера на химически опасных объектах (ХОО), использующих в своем рабочем цикле стойкие ТХВ.

Известны способы спектрального беспробоотборного контроля зараженности различных объектов, основанные на методах комбинационного рассеяния света (КРС), лазерно-индуцированной флуоресценции и инфракрасной (ИК) спектроскопии, сверхвысокочастотного возбуждения термолюминесценции (ТЛ) подстилающей поверхности и регистрации ИК спектров поглощения находящегося на ней слоя жидкости, а также различные технические средства их реализующие.

Так, например, американской фирмой Ahura Scientific разработан прибор FirstDefender для беспробоотборного контроля жидкостей, находящихся в стеклянной или пластиковой упаковке, твердых порошкообразных и таблетированных материалов [Ahura Scientific, FirstDefender, Quick Reference Guide. 46 Jonspin Rd., Wilmington MA 01887, 41 с.]. В приборе реализован метод КРС при возбуждении вторичного излучения с помощью лазера с длиной волны 785 нм. Однако, данный образец не обеспечивает обнаружение малых количеств жидко-капельной фазы химических веществ, находящихся на различных типах поверхностей (грунт, растительность, бетон, асфальт, лакокрасочные покрытия (ЛКП) транспортных средств, технологического оборудования и т.п.). Кроме того распознавание ТХВ затрудняется наложением на их спектры комбинационного рассеяния света спектров собственной флуоресценции этих же веществ.

Существует способ беспробоотборного анализа химических соединений, основанный на применении статического фурье-спектрометра для регистрации и анализа спектров их вторичного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах электромагнитного излучения со значительных для внелабораторных условий измерения расстояний до 1 метра с высоким быстродействием. [Голяк Ил.С., Есаков А.А., Васильев Н.С., Морозов А.Н. Беспробоотборный анализ химических веществ с использованием статического Фурье-спектрометра. // Оптика и спектроскопия. - 2013. - Т. 115. - №6. - С. 990-994.; Васильев Н.С., Голяк Ил.С., Морозов А.Н. Алгоритм идентификации веществ по конечному набору спектров вторичного излучения. // Оптика и спектроскопия. - 2014. - Т. 117. - №6. - С. 32-37.; Статический Фурье-спектрометр для проведения экспресс анализа химических веществ. / Ил.С. Голяк [и др.] // Приборы и техника эксперимента. Приборы, изготовленные в лабораториях. - 2015. - №1. - С. 181-182.]. Этот способ регистрации и анализа спектров вторичного излучения химических соединений обеспечивает беспробоотборную индикацию слабо люминесцирующих веществ и веществ в малых концентрациях при облучении лазерным излучением ультрафиолетового и видимого диапазонов. Однако, данный способ регистрации спектров подвержен негативному влиянию засветок дневного солнечного излучения, из-за которых снижается чувствительность обнаружения ТХВ.

Одним из наиболее близких по технической сущности к заявляемому способу является способ контроля зараженности подстилающей поверхности жидко-капельными стойкими ТХВ, положенный в основу функционирования спектрорадиометрической установки для беспробоотборного контроля зараженности окрашенных лакокрасочными покрытиями (ЛКП) поверхностей различных объектов и автотракторной техники (АТТ) стойкими токсичными химическими веществами [Патент РФ на полезную модель №144573, МПК G01N 21/35. Спектрорадиометрическая установка беспробоотборного контроля зараженности окрашенных лакокрасочными покрытиями поверхностей различных объектов и автотракторной техники стойкими токсичными химическими веществами / Кухоткин С.В., Бойко А.Ю., Ефимов И.Н. и др.; заявитель и патентообладатель ФГКУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России. - №2013154840; заявл. 10.12.2013, опубл. 23.08.2014, бюл. №24.]. В данной спектрорадиометрической установке для идентификации и контроля степени зараженности ЛКП автотракторной техники стойкими ТХВ используется инфракрасный фурье-спектрорадиометр (ФСР) динамического типа, система широкополосной инфракрасной подсветки исследуемого участка ЛКП в рабочем спектральном ИК диапазоне ФСР, блок автоматической координатной привязки и наведения поля зрения ФСР на заданный участок зараженной ТХВ поверхности. Решение о факте заражения стойкими ТХВ анализируемой поверхности принимается на основе появления характеристических спектральных линий индицируемых веществ в инфракрасных спектрах отражения ЛКП автотракторной техники. Однако данный способ так же характеризуется некоторыми недостатками и ограничениями, связанными, в первую очередь, с негативным влиянием широкополосного зондирующего излучения на чувствительность обнаружения ТХВ, заключающемся в маскировании мощным сигналом зондирующего излучения слабых изменений интенсивности характеристических полос ТХВ в регистрируемых спектрах отражения инфракрасного излучения.

Вторым наиболее близким к заявляемому способу является способ, описанный в патенте TACTICAL THERMAL LUMINESCENS SENSOR FOR GROUND PATH CONTAMIATION DETECTION [Тактический термолюминесцентный датчик для определения заражения подстилающей поверхности, US 6464392 В1, 15.10.2002, всего - 13 стр.]. По данному способу для регистрации инфракрасных спектров загрязнителя поверхности зондирующим сверхвысокочастотным излучением нагревается сама зараженная поверхность (столб. 1, срока 61) и для идентификации загрязняющего вещества применяется спектрометр на основе сканирующего интерферометра, регистрирующий инфракрасный спектр чистой нагретой увлажненной поверхности и нагретой поверхности с загрязняющей жидкой массой. Жидкость идентифицируется по дифференциальному, относительно термолюминесценции нагретой поверхности, инфракрасному спектру поглощения жидкости (столб. 2 сроки 13-15). Необходимость получения двух спектров (нагретой чистой поверхности и нагретой поверхности с жидкостью) в данном способе обусловлена возможностью возникновения паразитного влияния спектра нагретой поверхности на распознавание инфракрасного спектра загрязняющей жидкости. Для учета возможных искажений регистрируемого инфракрасного спектра поглощения загрязняющего слоя жидкости за счет спектра термолюминесценции самой зараженной поверхности необходима процедура вычитания из суммарного спектра жидкости и поверхности спектра чистой поверхности. Данный способ обладает несколькими недостатками. Так, необходимость для получения результата детектирования последовательной регистрации и обработки двух спектров может привести к ложному пропуску протяженных участков заражения, когда регистрация спектра чистой поверхности не обеспечивается, поскольку два последовательно зарегистрированных спектра будут одинаковыми и процедура их дифференциальной обработки даст нулевой результат. К тому же, спектральные свойства самой подстилающей зараженной поверхности на протяженном участке могут измениться, что также приведет к искажению результата распознавания. Вместе с этим, если диэлектрические свойства поверхности не позволят ее нагреть сверхвысокочастотным зондирующим излучением (например, грунт не будет увлажненным) регистрация инфракрасного спектра загрязняющей жидкости по данному способу будет вообще не возможна.

Таким образом, указанные выше существующие прототипы способа дистанционного контроля степени зараженности подстилающей поверхности аэрозолями стойких токсичных химических веществ обладают рядом недостатков, основными причинами которых являются наложение на анализируемые характеристичные спектры вторичного излучения индицируемых ТХВ паразитных спектров:

- во-первых, спектров их собственной флуоресценции;

- во-вторых, спектров излучения солнечной засветки;

- в-третьих, спектра зондирующего излучения;

- в-четвертых, спектров излучения самой анализируемой поверхности.

Анализ информационных материалов показывает, что дистанционные фурье-спектрорадиометры могут быть использованы для контроля зараженности поверхностей стойкими ТХВ в жидкой фазе путем регистрации собственного инфракрасного (теплового) излучения анализируемых ТХВ при переводе молекул ТХВ в возбужденное состояние с последующим излучением вторичного ИК излучения в рабочем диапазоне ФСР. В настоящее время отдельным направлением развития инфракрасных систем (ИКС) третьего поколения является совершенствование систем активно-пассивного типа, в которых активный канал включает генератор излучения (обычно лазер), облучающий объект индикации и работающий, как правило, в ближнем ИК диапазоне. В пассивном канале обычно принимается собственное излучение объектов в среднем и длинноволновом ИК диапазонах [Ю.Г. Якушенков. Тенденции развития малогабаритных инфракрасных систем 3-го поколения, работающих активно-пассивным методом. // В сб. «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики», 2012. №3 (79) - с. 11-14]. Основными техническими узлами ИКС, работающих активно-пассивным методом, являются:

- осветитель (система подсветки анализируемого объекта), как правило, на основе лазера;

- оптическая приемо-передающая система;

- фотоприемное устройство.

Анализ собственных экспериментальных данных показал, что применение широкополосных источников ИК подсветки создает высокий уровень шумов в рабочем ИК диапазоне ФСР, а использование систем искусственной подсветки объекта индикации мощным лазерным излучением с последующей регистрацией вторичного ИК излучения жидкой фазой ТХВ в одном и том же или близком диапазоне электромагнитного излучения приводит к ослеплению фото-приемной системы и как следствие к снижению чувствительности обнаружения. Другими словами регистрацию полезного сигнала затрудняется на фоне рассеянного объектом индикации излучения.

В основу изобретения положена задача разработать способ, обеспечивающий получение следующего технического результата: исключить негативное влияние наложения паразитных спектров на анализируемые спектры при дистанционном беспробоотборном контроле степени зараженности подстилающей поверхности аэрозолями стойких токсичных химических веществ.

Для решения данной задачи в качестве источника искусственной подсветки предлагается использовать СВЧ-излучатель и антенну с узкой диаграммой направленности, а характеристичные спектры индицируемых на контролируемой поверхности ТХВ регистрировать в диапазоне 7-14 мкм при помощи ФСР.

Использование СВЧ-излучателя в качестве источника искусственной подсветки целесообразно с точки зрения энергоэффективности и получения максимального индикационного эффекта. В настоящее время СВЧ-излучатели получили широкое распространение при проведении исследований физико-химических свойств дисперсных систем методами СВЧ-спектроскопии [З.Я. Гюльмалиев, В.Ф. Третьяков и др. Химические аспекты развития технологии СВЧ // История науки и техники. М.: Изд. ИНХС РАН, 2015. - с. 59-68].

Органические и неорганические вещества в жидкой фазе в различной степени обладают диэлектрическими свойствами, что приводит к поглощению и рассеянию СВЧ-излучения аэрозольными частицами ТХВ. При поглощении жидкой фазой ТХВ СВЧ-излучения наблюдается интенсивный нагрев анализируемого вещества, что способствует появлению вторичного ИК излучения, которое может быть дистанционно зарегистрировано методами фурье-спектрорадиометрии.

Согласно литературным данным установлено два основных механизма трансформации диэлектриками СВЧ-излучения в тепловую энергию: выделение теплоты вследствие диэлектрических потерь при поляризации и выделение Джоулевой теплоты при протекании в веществе наведенных токов благодаря наличию некоторого числа носителей зарядов [Высоцкий С.Л., Никитов С.А., Новицкий Н.Н. и др. Спектр и потери поверхностных магнитостатических волн в одномерном магнонном кристалле // Журнал технической физики. №81, Вып. 2, 2011, с. 108-118].

В обобщенном смысле поляризация представляет собой обратимое смещение электрических заряженных частиц, входящих в состав жидкого ТХВ, при приложении к нему электрического поля, и зависит от величины действительной (ε') и мнимой (ε'') составляющих диэлектрической проницаемости:

где ε - комплексная диэлектрическая проницаемость вещества.

Диэлектрическая проницаемость ε' определяет проникновение электрического поля в жидкое ТХВ (его способность к поляризации), а коэффициент потерь ε'' характеризует способность ТХВ поглощать излучение данной частоты и превращать его в тепло. При оценке величины диэлектрических потерь часто используется тангенс угла потерь, представляющий собой отношение

Для оптимального нагрева необходимо сбалансированное сочетание умеренных значений ε', чтобы обеспечить хорошее проникновение волн в материал, и большой коэффициент потерь ε'', чтобы СВЧ энергия эффективно поглощалась жидкой фазой ТХВ и трансформировалась во вторичное инфракрасное излучение.

При использовании в качестве источников искусственной подсветки жидко-капельных ТХВ излучателей ИК диапазона спектра энергия передается на поверхность жидкой частицы и благодаря конвективному теплообмену перемещается в ее внутреннюю часть для того, чтобы обеспечить сквозной прогрев материала частицы. Теплопроводность, адсорбция и удельная теплоемкость ТХВ определяют при этом, главным образом, процесс нагрева. СВЧ-нагрев отличается от традиционных систем нагрева тем, что при СВЧ-облучении наблюдается объемный, а не только поверхностный (как это происходит при обычном тепловом воздействии) характер разогрева облучаемых жидко-капельных частиц ТХВ, что способствует повышению интенсивности вторичного ИК излучения. В связи с этим он является крайне энергоэффективным методом нагрева анализируемых диэлектрических жидкостей ТХВ.

Известно, что все органические вещества, в том числе токсичные химикаты и сильнодействующие ядовитые вещества (СДЯВ), обладают диэлектрическими свойствами. Следовательно, при облучении жидко-капельных частиц ТХВ часть энергии излучения будет поглощаться этими частицами, переходить в тепловую энергию с последующим испусканием вторичного ИК излучения в рабочем диапазоне ФСР (λ=7-14 мкм).

Результаты собственных экспериментальных исследований подтверждают принципиальную возможность обнаружения методом Фурье-спектрорадиометрии факта заражения поверхности аэрозолями стойких ТХВ путем облучении зараженной поверхности электромагнитным излучением сверхвысокочастотного диапазона спектра частотой 2,45 ГГц.

Количественные показатели степени заражения анализируемой подстилающей поверхности можно определить, например, путем обработки зарегистрированных инфракрасных спектров излучения ТХВ [А.Ю. Бойко и др. «Проблема идентификации и определения концентраций загрязняющих веществ с помощью Фурье-спектрорадиометра», Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки», №1, 2004 г., стр. 26-41] и вычисления плотности заражения [ГОСТ 22.0.07-97/ГОСТ Р 22.0.07-95, приложение Б, всего - 7 стр.] индицируемым веществом в поле зрения ФСР по интенсивности характеристичных спектральных полос [RU 2070319 С1 10/12/1996, стр. 3, строки 1-7, стр. 5 строки 5-27, всего - 8 стр.].

Таким образом, для осуществления способа дистанционного контроля степени зараженности подстилающей поверхности аэрозолями стойких токсичных химических веществ облучают анализируемую поверхность электромагнитным излучением сверхвысокочастотного диапазона спектра частотой 2,45 ГГц при помощи антенны с узкой диаграммой направленности и этим возбуждают собственное вторичное (индуцированное) инфракрасное излучение осажденных на анализируемой поверхности аэрозольных частиц, а при помощи Фурье-спектрорадиометра осуществляют регистрацию спектра собственного индуцированного вторичного излучения аэрозольных частиц в среднем инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения на участке 7-14 мкм, степень зараженности подстилающей поверхности оценивают на основе математической обработки зарегистрированных инфракрасных спектров путем корреляционного анализа для идентификации аэрозольных частиц токсичных химических веществ по предварительно сформированной базе спектральных данных и вычисляют количественные показатели плотности заражения по интенсивности характерных для идентифицированных веществ спектральных полос.

Устройство для осуществления способа дистанционного контроля степени зараженности подстилающей поверхности аэрозолями стойких токсичных химических веществ включает в свой состав:

- излучатель в виде генератора сверхвысокочастотных электромагнитных волн с частотой 2,45 ГГц, оборудованный излучающей антенной с узкой диаграммой направленности;

- регистратор в виде Фурье-спектрорадиометра с рабочим диапазоном в средней инфракрасной области спектра электромагнитного излучения на участке 7-14 мкм.