Лазерные методы: томские ученые разработали методы выявления отравляющих веществ

Лазеры в науке, Сделано в России Комментарии к записи Лазерные методы: томские ученые разработали методы выявления отравляющих веществ отключены

Началось с «собачьего носа», уникального прибора. Усилиями коллективов ученых трех институтов Сибирского отделения РАН был разработан уникальный метод и созданы лидарные системы дистанционного обнаружения паров и следов взрывчатых веществ сверхнизких концентраций. Даже если злоумышленник после контакта с взрывчаткой сто раз прикоснулся к другим предметам, такой прибор его все равно «учует». Сотрудники Института оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН (ИОА СО РАН) решили развить успех и использовать метод для обнаружения высокотоксичных отравляющих веществ, чтобы лазеры и лидары помогли предотвратить теракт или ликвидировать его последствия. И стартовала работа над проектом Российского научного фонда «Разработка и реализация лидарного метода дистанционного обнаружения фосфорорганических соединений».

– Мы решили сразу усложнить себе задачу и выбрали наиболее токсичный класс веществ, – комментирует руководитель проекта старший научный сотрудник Центра лазерного зондирования атмосферы ИОА СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Горлов. – К сожалению, к доступным отравляющим веществам относится целый класс пестицидов, выпускаемых для нужд сельского хозяйства, среди них – фосфорорганические соединения (ФОС) нервнопаралитического действия, ставшие главным химическим оружием в арсенале террористов.
Конечно, к сегодняшнему дню разработана масса средств и методов контроля, помогающих уловить отравляющие вещества, например, индикаторная пленка. Но методы эти большей частью контактные, а объект «поимки» далеко не всегда бывает доступен.

По сигнальному фрагменту

– Сложности в обнаружении фосфорорганических веществ те же, что мы преодолевали в случае с взрывчатыми веществами, – продолжает Евгений Горлов. – Самый чувствительный в настоящее время метод обнаружения – флуоресцентная спектроскопия. Однако многоатомные соединения, какими являются ФОС, не светятся под воздействием излучения. Казалось бы, лазерно-индуцированную флуоресценцию к данному классу веществ применить невозможно. Однако детальные исследования показали, что под действием ультрафиолетового излучения сложные молекулы разбиваются на фрагменты. И целенаправленное лазерное возбуждение таких фрагментов может сигнализировать о наличии исходного вещества. Сначала лазерным импульсом мы «разбиваем» молекулу ФОС на простые компоненты, затем применяем лазерно-индуцированную флуоресценцию для обнаружения фрагментов. В качестве «сигнального» фрагмента выбран оксид фосфора, наличие которого является характерным признаком ФОС. Дело в том, что такого соединения нет в атмосфере, поэтому его наличие будет однозначно выдавать присутствие отравляющих веществ.

Сочетание этих двух методов – лазерной фрагментации и лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛФ/ЛИФ) – уже применялось при обнаружении сверхнизких концентраций взрывчатых веществ. И подход принес ряд неожиданностей в научном плане.

– Сначала мы пытались решить задачу обнаружения с помощью одного лазерного источника, – поясняет Евгений Владимирович. – И все шло хорошо: лазерный импульс посылали в зону контроля, он разрушал сложное многоатомное соединение и возбуждал фрагменты. Все это происходило практически одновременно. Но дальнейшие исследования показали: если использовать два лазерных импульса и организовать определенную задержку между импульсами, то эффективность метода повысится в десятки и даже в сотни раз в зависимости от конкретных соединений. Чем сложнее соединение, тем выше эффективность двухимпульсного подхода. Поэтому мы решили попробовать эту методику и в обнаружении ФОС: сначала использовали один импульс, затем – два. И вновь доказали, что двухимпульсный подход более целесообразен и для выявления отравляющих веществ.

От модели к эксперименту

Как и следовало ожидать, в открытых источниках работ по исследованию отравляющих веществ оказалось немного. Более того, как уже упоминалось, оксида фосфора нет в атмосфере, поэтому и изучали это вещество не столь активно. Не нашлось и статей по лазерной фрагментации фосфорорганических соединений, поэтому томские ученые получали необходимые данные из серии специально организованных экспериментов.

– На первом этапе выполнения проекта, рассчитанного на 01.07.2020 – 30.06.2023, мы провели теоретические исследования, создали математическую модель процесса обнаружения ФОС, чтобы выдвинуть технические требования к разрабатываемой аппаратуре: выбор длины волны лазерного излучения для фрагментации и для возбуждения фрагментов, требования к оптическим компонентам системы, – рассказывает Евгений Горлов.

– Моделируя процесс, мы пытались описать все происходящее: как ломается молекула ФОС, как возбуждаются фрагменты, как они отдают сигнал. Но в силу недостаточности данных в литературе для уточнения модели сразу пришлось делать ставку на эксперименты.

Сейчас разработан лабораторный макет аппаратуры для практического исследования процесса лазерной фрагментации и возбуждения фрагментов. Конечно, это еще не прибор для дистанционного обнаружения ФОС, но оборудование, с помощью которого можно уточнить требуемые технические характеристики будущего прибора.

Поддержка Российского научного фонда дала нам возможность не просто закупить комплектующие, но и разработать оригинальный экспериментальный стенд, состоящий из источника лазерного излучения и оптико-электронной системы, – блока спектральной фильтрации сигналов и их фотодетектирования. Результаты, полученные за первый год работы, позволили определить спектральный диапазон для эффективного возбуждения оксида фосфора. Исходя из этих требований, был создан оригинальный прибор – эксимерный лазер, который генерирует излучение на краю контура усиления. Специалисты понимают, насколько технически сложна такая задача.

В ходе дальнейшей реализации проекта планируется разработать малогабаритные твердотельные лазерные системы с заданными параметрами излучения для обнаружения фосфорорганических соединений. Евгений Горлов и его коллеги надеются создать рабочий вариант лидарной системы, который впоследствии можно будет запустить в производство.

Учить многостаночников

Условия гранта позволили томичам сформировать молодежный коллектив. Проект реализуется в сотрудничестве с Томским государственным университетом и Институтом сильноточной электроники СО РАН. Заведующий лабораторией газовых лазеров ИСЭ СО РАН доктор физико-математических наук Юрий Панченко активно включился в исследования. Многие сотрудники ИОА СО РАН преподают в ТГУ, Евгений Горлов исполняет обязанности заведующего кафедрой, поэтому неудивительно, что в проекте участвуют студенты. Двое из них только что защитили бакалаврскую и магистерскую работы по тематике исследования.

– В июле студенты проходят научно-производственную практику в Центре лазерного зондирования атмосферы ИОА СО РАН. У нас в лаборатории принято, что прежде всего молодой человек должен научиться работать руками, поэтому практику начинаем со слесарных работ, – подчеркивает Евгений Владимирович. – Так студенты приобретают навыки по сборке, учатся трудиться на станках. Быть «многостаночником» очень полезно – всем нашим сотрудникам приходится действовать не только головой, мы не чураемся «ручной работы». Мои коллеги выполняют и теоретические исследования, и инженерные расчеты, и проектируют, и конструируют, и взаимодействуют с железом. В ходе выполнения проекта РНФ мы тоже не приветствуем деления на экспериментаторов и «счетоводов»: всем участникам приходится и модели строить, и на экспериментальном стенде работать.

В чем польза математических моделей?

В их отсутствие мы собирали бы оборудование вслепую, затем искали бы причины плохой настройки приборов и устраняли их. Математическая модель помогает избежать ненужных этапов, задать близкие к необходимым технические параметры будущих лазеров.

Стоит подчеркнуть, что наша лидарная система обнаружения фосфорорганических соединений может применяться достаточно широко. Помимо обнаружения террористов такая система сможет вести экологический мониторинг, например, выявлять утечку фосфорорганических соединений на химических предприятиях. При этом чувствительность применяемого ЛФ/ЛИФ-метода примерно на два порядка больше той, что требуется для простого обнаружения отравляющих веществ. Понятно, что мы только в начале пути: надеюсь, в дальнейшем наша методика позволит создать необходимый научно-технический задел для дистанционного выявления и хлорсодержащих отравляющих веществ, индикатором присутствия которых может служить хлор-фрагмент. Наконец, в перспективе будем ставить вопрос о создании гибридных компактных ЛФ/ЛИФ-лидарных систем для дистанционного поиска отравляющих и взрывчатых веществ. При поддержке РНФ мы вышли на тот уровень исследований, когда можем это сделать.

История развития ЛФ/ЛИФ-метода началась в 2005 году и, безусловно, будет продолжаться. Благодаря ученым ИОА СО РАН службы безопасности получат компактные и универсальные технические средства для предотвращения не только террористических актов, но и техногенных катастроф.
Благодарим за содействие в подготовке материала Татьяну Дымокурову (пресс-служба ИОА СО РАН).
Ольга Колесова

Источник: https://poisknews.ru/themes/himiya/razbit-i-obnaruzhit-tomskie-uchenye-razrabotali-metody-vyyavleniya-otravlyayushhih-veshhestv/

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top