Расчетные спектры поглощения и их анализ для наиболее известных взрывчатых веществ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.33/.34

В.С. Айрапетян, К.А. Фесенко

СГГА, Новосибирск

РАСЧЕТНЫЕ СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ ДЛЯ НАИБОЛЕЕ ИЗВЕСТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

V.S. Hayrapetyan, K.A. Fesenko SGGA, Novosibirsk

ESTIMATED SPECTRUMS OF ABSORPTION AND THEIR ANALYSIS FOR MOST KNOWN EXPLOSIVE MATERIALS

The intensities and half-widths of an absorptional spectrums of vapours of the most known explosive materials TNT, RDX and PETN are calculated. It is shown possibility of the high sensitive remote determination (~1 ppm) these materials with help of the lidar, having the working lengths of the waves 6 - 8 micron.

Введение

Дистанционное детектирование паров взрывчатых веществ (ВВ) в атмосфере является актуальной задачей современности.

Большое число ВВ относится к классу летучих соединений и характеризуется высоким давлением паров, вследствие чего они могут быть обнаружены при анализе состава газовой атмосферы. Так, например, при комнатной температуре концентрация насыщенных паров типичных ВВ составляет от 10-10 г/см3 для тротила до 10-14г/см3 для гексогена [1,2].

Дистанционное детектирование становится более привлекательным в связи с использованием террористами современных технических средств уменьшающих обнаруживаемую способность ВВ. Одним из высокочувствительных, оперативных и дистанционных методов диагностики ВВ в настоящее время считается лидарное зондирование, основанное на принципе дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР).

Известно, что основные колебательно-вращательные полосы поглощения легально применяемых ВВ приходятся на средний ИК диапазон длин волн (6-8 мкм) [3, 4]. В этой связи роль плавно перестраиваемого в среднем ИК диапазоне длин волн (X = 5,5 - 8 мкм) параметрического лазера неоценимо возрастает. Однако спектры поглощения наиболее известных ВВ, таких как тринитротолуол (TNT), гексоген (RDX) и тетранитрапентаэритрат (PETN), представляют собой достаточно узкие полосы с полушириной равной нескольким единиц см-1.

В этой связи задача детектирования ВВ представляется в виде комплексной задачи состоящей из двух частей:

1. Теоретические исследования и анализ экспериментально измеренных параметров спектральных полос поглощения (X = 6 - 8 мкм) молекул ВВ, полученных различными способами, в том числе биологическими и оптическими.

2. Разработка и реализация ИК - параметрического генератора света (ПГС) в области перестройки длины волн излучения 2,2 - 8,8 мкм, с дальнейшими исследованиями и улучшением пространственно-временных и энергетических характеристик.

Задача усложняется еще и тем, что прозрачность атмосферы в диапазоне длин волн 5,5 - 7,5 мкм практически отсутствует. Поэтому дистанционное исследование спектров ВВ нужно проводить высокомонохроматичным лазером (Дуизл. < Дупогл.) с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения в этом диапазоне, где Дуизл. - спектральная ширина излучения параметрического лазера, Дvп0гл - спектральная ширина полосы поглощения исследуемой молекулы.

Исследование спектров поглощения ВВ можно проводить и косвенным способом. Практически все молекулы ВВ имеют слабые NO2 или N2O связи, которые при нормальных условиях испаряются, а при повышении температуры от 30 до 60 °С концентрация паров некоторых ВВ увеличивается почти на порядок. Вращательные спектры паров этих молекул имеют достаточно интенсивные изолированные линии в диапазоне длин волн 1,5-3,0 мкм, следовательно, их можно идентифицировать с помощью ИК - ПГС работающего в диапазоне 1,41-4,24 мкм. Исследования и работа относительно разработки и создания параметрического лазера среднего ИК диапазона (X = 2,2-8,8 мкм) не завершена, работа в этом направлении продолжаются.

Теоретические расчеты

В данной работе приводятся результаты вычислений интенсивностей и частот спектров поглощения наиболее известных ВВ, таких как TNT, RDX, PETN полученные на основе базы данных HITRAN [5] и экспериментально измеренных спектров, полученных масс-спектроскопическим методом.

На рис. 1, 2 и 3 приведены инфракрасные спектры поглощения паров TNT, RDX, PETN, соответственно.

■ i i i __i --1__ i

3SOO ЭООО 2500 2ООО 1500 1000

Волновое число (см-i)

Рис. 1. ИК-спектр поглощения паров TNT при температуре 120 °С (нижняя

кривая) и140 °С (нижняя кривая)

=

н

.а н

§ а

н я Я

8 6 4 2

ОН

1 -100°С

2 -90°С

3 -80°С

4 -70°С

м—¡гт*

2

V _

—I—

7.0

—I—

7.2

—I—

7.4

—I—

7.6

—I—

7.8

—I— 8.0

Длина волны (мкм)

Рис. 2. ИК-спектр поглощения! паров КОХ при различных температурах

1

7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0

Длина волны (мкм)

Рис. 3. Спектр поглощения паров РЕТТЧ при различных температурах

Результаты вычисленных значений интенсивностей и полуширин спектров поглощения систематизированы и приведены в табл. 1.

В табл. 1 приведены следующие обозначения: Т (°С) - температура образца, у0 (см-1) - полоса поглощения ВВ, X (мкм) - длина волны, Ау (см-1) -

л

полуширина спектра поглощения, а (см /мол) - дифференциальное сечение поглощения, а (см-1) - коэффициент поглощения, Я (м) - дальность обнаружения и C(ppm) - концентрация ВВ. При выполнении расчетов

величин концентраций ВВ было использовано лидарное уравнение (1) применительно к методу ДПР.

А) ¿я [ Р(ЛД) ЖЛД) ]

где аА(Х0 Х^) = а^Хо) - а^Х^) - сечение дифференциального поглощения, ЩК) - концентрация молекул на расстоянии R, Р(Х, R) - мощность сигнала на длине волны X, к(Х, R) - коэффициент ослабления на соответствующей длине волны X, Р(Х, R) - объемный коэффициент обратного рассеяния на длине волны X и расстоянии К.

Таблица 1. Расчетные и экспериментальные спектроскопические параметры

некоторых молекул ВВ

ВВ Хим. ф-ла Т, °С У0, см-1 К мкм Ду, см-1 а, см /мол а, см-1 К, м С, ррт

ТЩТ СтИзКэ Об 30 1606 1559 6,22 6,41 17,5+0,8 5,1х105 1,5х10-7 150 7,5

ЯБХ СзНбЩб Об 60 1272 1602 7,86 6,24 24,9±1,2 7,8х105 2,0х10-10 200 14

РЕШ СзНв^ О12 40 1279 1626 7,82 6,15 21,0±1,0 1,4х105 1,1х10-10 200 40

Двуокись азота N02 20 2906 3.44 3,87+0,4 16,1х105 0,7х10-10 500 * 1,3

Закись азота N20 20 6295 6192 1,588 1,615 0,4 500 * 3,46

* - экспериментальное измерение.

Из лидарного уравнения легко можно найти значение энергии зондирующего лазера по формуле (2)

ЕЬтт « —2К -ехр(2 ГкС^, Я)сШ, (2)

где £(Х) - коэффициент спектрального пропускания приемной оптической системы, и(Х) - чувствительный к длине волны параметр системы. Учитывая, что отношение интенсивности сигнала к шуму С/Ш = 1,5, и с учетом значений соответствующих параметров системы получаем минимально необходимую энергию зондирующего лазера равную 10 мДж, что является реально достижимым значением.

Таким образом, результаты проведенных расчетов показывают, что с помощью параметрического лазерного излучения можно детектировать ВВ, с концентрацией на уровне нескольких единиц ррт.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Fainberg A.. Science. - 1992.- V. 255. - P. 1531.

2. Midkiff C.R. Detection characterization of explosives and explosive residue. A Review / 11th Int. ICPO INTERPOL Forensic Science Symposium. Lyons, France. - 1995.

3. Ayrapetian V.S., Hakobyan A.V, Apresyan G.M. Poghossyan E.M, Sahakyan A.H, Sargsyan K.A, Sargsyan T.K // Proc. SPIE. - 2006. - V.6160, N 2. - P.708 -713.

4. Межерис, Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы / Р. Межерис. -М.:Мир.- 1987.- 548 с.

5. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.N. e.a. The HITRAN Molecular Database: edition of 1991 and 1992, JQSRT. - 1992. - V.48. - P. 469-507.

© В.С. Айрапетян, К.А. Фесенко, 2009