Разработка и исследование модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Эпинатьев, Игорь Даниилович

• Эпинатьев, Игорь Даниилович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Эпинатьев, Игорь Даниилович

Введение.

Глава 1. Анализ методов и средств обнаружения и идентификации взрывчатых веществ.

1.1 Взрывчатые вещества, их химико-физические признаки.

1.2 Классификация методов и средств обнаружения ВВ.

1.3 Спектрометрия подвижности ионов, тенденции и направления развития.

1.4 Анализ направлений повышения чувствительности

СПИ методов.

Выводы.

Глава 2. Исследование и разработка путей и методов повышения чувствительности средств СПИ.

2.1 Краткая теория спектрометрии подвижности ионов.

2.2 Разработка алгоритма обработки информации и распознавания взрывчатых веществ.

Выводы.

Глава 3. Разработка и исследование предварительного концентратора для повышения селективности и надёжной идентификации ВВ.

3.1 Исследование современных концентраторов частиц ВВ, выбор абсорбирующего материала.

3.2 Варианты конструкций узла предварительного концентрирования.

3.3 Развитие физико-химического метода обнаружения и регистрации ВВ и разработка предварительного концентратора.

3.4 Функции обмена информацией между блоками спектрометра для управления процессом обнаружения ВВ.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования спектрометра подвижности ионов.

4.1 Блок-схема и описание спектрометра.

4.2 Методика испытаний спектрометра и оценка вероятностей достоверного обнаружения ВВ и ложной тревоги.

4.3 Результаты испытаний модифицированного спектрометра.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ»

Противодействие угрозам террористических актов с применением взрывчатых веществ (ВВ) является в настоящее время одной из приоритетных задач для мирового сообщества. Осуществление этого противодействия невозможно без оснащения соответствующих служб техническими средствами для эффективного обнаружения и идентификации ВВ, скрытых в различных объектах. В 2011г. Указом Президента РФ № 899 утверждены «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в РФ и перечень критических технологий РФ». На первом месте в них стоит разработка методов и средств по борьбе с терроризмом [11].

Одним из технических путей решения проблемы обнаружения и идентификации взрывчатых веществ является разработка и применение более совершенных и высокочувствительных аппаратных средств, реагирующих на сверхмалые концентрации ВВ. В условиях массового перемещения людей и грузов различного назначения именно технические средства контроля дают объективную оценку наличия тщательно замаскированных и опасных ВВ при обследовании объектов, повышая вероятность их обнаружения. Наряду со средствами стационарного контроля, к которым относятся крупногабаритные дорогостоящие устройства, большой интерес представляют портативные и мобильные приборы. Такие приборы можно размещать в аэропортах, вокзалах и других пунктах перемещения людей, хранения багажа и грузов для осуществления непрерывного мониторинга и контроля наличия ВВ в режиме реального времени.

В настоящее время наиболее распространенными методами контроля взрывчатых веществ являются:

• ядерный квадрупольный резонанс;

• ядерный магнитный резонанс;

• электронный спиновый резонанс;

• рентгеновские методы (эмиссия, абсорбция);

• активация быстрыми нейтронами;

• спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская);

• хромато-масс-спектрометрия; спектроскопия подвижности ионов.

При реализации первых 6 методов анализируются молекулярная и/или кристаллическая структура вещества, плотность атомов азота (углерода, кислорода), повышенное содержание которых характерно для ВВ. Эти методы применяются, как правило, бесконтактно "на просвечивание" и представлены дорогостоящим крупногабаритным оборудованием, для обслуживания которого требуется персонал достаточно высокой квалификации. Характерной особенностью этих методов является наличие достаточно большой "пороговой" величины массы ВВ, которую можно обнаружить, что связано с их относительно низкой чувствительностью.

Последние два из вышеперечисленных методов предназначены для анализа сверхмалых концентраций паров ВВ в воздухе и следовых количеств ВВ, которые могут находиться на различных поверхностях. Однако хромато-масс-спектрометры, также как и первые 6 систем контроля, являются дорогостоящими приборами.

Актуальной задачей является создание ручных портативных и переносных приборов, которые могут быть использованы в практической работе для обнаружения следовых количеств ВВ на средствах доставки (крышка багажника, руль управления автомобилем и т.п.). Следы взрывчатки могут быть обнаружены на пальцах и одежде подозреваемого лица при проведении поисковых операций. Наличие ВВ является единственным достоверным признаком присутствия взрывного устройства в подозрительном объекте. В любом случае досмотр личности проводится гласно.

Газоанализаторы на основе спектрометрии подвижности ионов (СПИ) в базовом исполнении в настоящее время довольно широко распространены.

Однако у большинства выпускаемых приборов имеется существенный недостаток, связанный со слабой селективностью. С помощью такого анализатора можно установить факт наличия ВВ, но не всегда распознать, какое именно из них обнаружено.

Таким образом, существует необходимость в научном обосновании технических решений по созданию компактного высокочувствительного спектрометра подвижности ионов для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ, в том числе и в полевых условиях.

Целью работы является разработка и исследование модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. исследование способов повышения чувствительности за счёт использования различных современных концентраторов молекул;

2. поиск и научно-техническое обоснование путей и методов повышения селективности спектрометров подвижности ионов;

3. разработка метода оценки эффекта распознавания ВВ, основанного на математической обработке круговых диаграмм образов, полученных в ходе измерений спектров подвижности ионов ВВ

4. разработка структуры и технического облика модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации ВВ;

5. проведение экспериментальных исследований и анализ спектров подвижности ионов ВВ, полученных с помощью спектрометра с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ.

Научная новизна результатов диссертационных исследований состоит в следующем:

1. На основе проведенных исследований предложен способ увеличения чувствительности и селективности модифицированного спектрометра для детектирования следовых количеств взрывчатых веществ за счёт концентрирования анализируемого вещества с помощью специальных полимерных материалов, наносимых в виде пленок на поверхность предварительного концентратора.

2. Научно обоснован и разработан метод экспериментальной оценки эффекта распознавания ВВ, основанный на математической обработке круговых диаграмм образов, полученных в ходе измерений спектров подвижности ионов ВВ. Проведен расчет вероятности достоверного обнаружения и вероятности ложных тревог срабатывания при обнаружении ВВ.

3. Предложены пути технической реализации и создан образец модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации ВВ, в состав которого, наряду со СПИ-анализатором, вошли модули пробоподготовки, предварительного концентрирования, управления работой СПИ-анализатора, обработки спектров и анализа полученной информации.

4. Показано, что пороговая чувствительность разработанного малогабаритного спектрометра на порядок выше по сравнению с известными аналогами. Вероятность достоверного обнаружения критической массы ВВ составила > 97%, а вероятность ложных срабатываний при обнаружении ВВ < 3%.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработан высокочувствительный модифицированный спектрометр подвижности ионов с селективным концентрированием молекул, позволяющий обнаруживать и идентифицировать взрывчатые вещества. Испытаниями спектрометра по обнаружению и распознаванию различных ВВ, проведенными в ООО НПЦ «СПЕКТР-АТ», подтверждены заявленные характеристики прибора.

Получены новые экспериментальные данные по определению спектров более 28 взрывоопасных соединений. Эти результаты реализованы при разработке ТЗ на ОКР «Создание приборного комплекса на основе спектрометра подвижности ионов и мультиканальной наносенсорной системы для обнаружения и распознавания взрывчатых и химически опасных веществ», по программным мероприятиям 2.2-2.6 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по заказу Министерства образования и науки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ повышения чувствительности и селективности спектрометра подвижности ионов за счет предварительного концентрирования сверхмалых количеств ВВ, на основе специальных тонкоплёночных абсорбирующих элементов с применением молекулярно-импринтированных полимеров.

2. Методика экспериментальной оценки эффекта распознавания ВВ и расчета вероятности достоверного обнаружения и вероятности ложных срабатываний при обнаружении ВВ, основанные на математической обработке круговых диаграмм образов, полученных в ходе измерений спектров подвижности ионов.

3. Структура и технический облик высокочувствительного модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации ВВ.

4. Новые экспериментальные данные по отображению спектров 28 видов взрывоопасных соединений в виде круговых диаграмм, что является более наглядной формой представления данных для оператора в практической работе.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской конференции «Актуальные научно-технические проблемы химической безопасности» 18-19 мая 2011 г. (г.Москва) и на XXIII Симпозиуме "Современная химическая физика" 23 сентября - 4 октября 2011 г. (г. Туапсе). Отдельные разделы диссертации обсуждались на научных семинарах отдела проблем химической безопасности Института химической физики им. H.H. Семенова РАН и ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр».

Публикации. По теме диссертации имеется 6 публикаций, из них 3 в журналах, входящих, в соответствии с решением ВАК, в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, и 3 в журналах и материалах Российских научных конференций.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 7 таблиц и 70 ссылок на литературные источники.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Эпинатьев, Игорь Даниилович

Основные результаты и выводы

1. Проведен информационный поиск и анализ литературных источников по подвижности ионов следовых количеств взрывчатых веществ в различных физических средах и условиях. Показано, что спектрометрия подвижности ионов является лидирующей технологией для эффективного обнаружения взрывчатых веществ, наркотиков и др. веществ.

2. На основе исследований спектров подвижности ионов ВВ предложен способ увеличения чувствительности и селективности спектрометров подвижности ионов при детектировании паров взрывчатых веществ, за счёт концентрирования анализируемого вещества с помощью специфичных полимерных материалов, наносимых в виде пленок на поверхность рабочего элемента предварительного концентратора.

3. Разработан метод экспериментальной оценки эффекта распознавания ВВ, основанный на математической обработке круговых диаграмм образов, полученных в ходе измерений спектров подвижности ионов ВВ. Проведен расчет вероятности достоверного обнаружения и вероятности ложных тревог срабатывания при обнаружении ВВ.

4. Разработан модифицированный спектрометр для обнаружения и распознавания ВВ, в состав которого входят блок предварительного концентрирования, модуль управления работой спектрометра с обратной связью, модуль обработки спектров и анализа полученной информации с применением алгоритмов оценки вероятностей достоверного обнаружения ВВ и ложного срабатывания системы.

5. Проведены испытания модифицированного спектрометра подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ по обнаружению и распознаванию взрывчатых веществ 28 наименований Показано, что вероятность достоверного обнаружения критической массы ВВ > 97%, а вероятность ложных тревог срабатывания при обнаружении ВВ < 3%. Чувствительность спектрометра на порядок выше известных аналогов - "Кербер", "Пилот-М1", "Крон-ВВ", "Шельф-ДС", "МО-2М".

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору технических наук, Артемьеву Борису Викторовичу за постановку интересной и актуальной научной задачи, постоянное внимание, своевременные и ценные замечания.

Заместителю директора ИХФ РАН по научной работе, доктору технических наук, профессору Рощину Александру Викторовичу и заведующему лабораторией ИХФ РАН доктору физико-математических наук Кумпаненко Илье Владимировичу за плодотворные научные консультации и написание совместных статей.

Список научных работ по теме диссертации

- В рецензируемых изданиях:

1. Лосев В.В., Рощин A.B., Кумпаненко И.В., Эпинатьев И.Д., и др. Акустическое исследование селективной абсорбции паров аналитов микропористыми полимерными пленками. // Химическая физика. 2009. Т. 28. № 11, с. 84-97.

2. Лосев В.В., Рощин A.B., Эпинатьев И.Д., Иванова H.A., Кумпаненко И.В. Исследование влияния центров селективной абсорбции на процессы диффузии в полимерных пленках. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2010. Т. 52. № 2, с. 1-10.

3. Эпинатьев И.Д., Кумпаненко И.В., Иванова H.A. Оценка вероятностных характеристик обнаружения и распознавания взрывчатых веществ при использовании приборного комплекса, включающего спектрометр подвижности ионов // Химическая физика. 2012. (в печати).

- В прочих изданиях:

1. Кумпаненко И.В., Рощин A.B., Эпинатьев И.Д., Блошенко A.B., Иванова H.A., Ковалев A.B. Приборный комплекс для обнаружения и распознавания взрывчатых веществ на основе спектрометра подвижности ионов. // Прикладная аналитическая химия. 2010. № 2, с. 48-55.

2. XXIII Симпозиум "Современная химическая физика", Эпинатьев И.Д.// Высокочувствительный спектрометр подвижности ионов с селективным концентрированием молекул для обнаружения и распознавания взрывчатых веществ. //Материалы симпозиума // Туапсе. 2011, с. 114.

3. Всероссийская конференция «Актуальные научно-технические проблемы химической безопасности», Эпинатьев И.Д.// Приборный комплекс для обнаружения и распознавания взрывчатых веществ на основе СПИ //Материалы конференции // Москва. 2011, с. 107.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Эпинатьев, Игорь Даниилович, 2012 год

1. Анисимкин В.И., Максимов CA., Пенза М., Васанелли JI. Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков с помощью линий задержки на поверхностных акустических волнах. // ЖТФ, 1997. Т. 67, вып.5, с. 119-123.

2. Артемьев Б.В. и др. Измерение толщины сверх тонких металлических пленок при помощи ионизирующих излучений. Машиностроение, 2008г., Тезисы докладов 7-й международной конференции «НК и ТД в промышленности», с. 111-112.

3. Замятин Н.И. Детекторы взрывчатки и наркотиков на основе нанотехнологий. Презентация, Объединенный институт ядерных исследований, ООО «ДвиН», ww.khlopin.ru/aplphysinvestigations.php.

4. Зиновьев H.H., Андрианов A.B., Трухин В.Н. Терагерцовая когерентная спектроскопия для диагностики нанообъектов, ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, Тезисы докладов Rusnanotech'o8, секция «Нанодиагностика». М. 2008, с.244-247.

5. Капустин В.И. и др. Дрейф-спектроскопия новый метод детектирования взрывчатых, наркотических и отравляющих веществ.//Мир измерений № 2. 2006, с. 12-16.

6. Краткая химическая энциклопедия. Ред. кол. И.Л. Кнунянц и др., в 5 томах, т.1. М., СЭ, 1961, 632 е., 550-563.

7. Лосев В.В., Медведь A.B., Рощин A.B., Крышталь Р.Г., Западинский Б.И., Эпинатьев И.Д., Кумпаненко И.В. Акустическое исследование селективной абсорбции паров аналитов микропористыми полимерными пленками. // Химическая физика. 2009. Т. 28. № 11, с. 84-97.

8. Лосев В.В., Рощин A.B., Эпинатьев И.Д., Иванова H.A., Кумпаненко И.В. Исследование влияния центров селективной абсорбции на процессы диффузии в полимерных пленках. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2010. Т. 52. № 2, с. 1-10.

9. Неразрушающий контроль. Справочник в 8 т. Под общ. ред. чл.-корр. РАН В.В. Клюева. Т. 8, книга 2: A.B. Ковалев. Антитеррористическая и криминалистическая диагностика. М. Машиностроение. 2005, с . 713-728

10. Указ Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ». www.gazeta.ru/science/201 l/07/07a3688573.shtml?incutl.

11. Эпинатьев И.Д. Приборный комплекс для обнаружения и распознавания взрывчатых веществ на основе СПИ. Всероссийская конференция «Актуальные научно-технические проблемы химической безопасности» //Материалы конференции // Москва, 2011, с. 107.

12. Эпинатьев И.Д., Кумпаненко И.В., Иванова H.A. Оценка вероятностных характеристик обнаружения и распознавания взрывчатых веществ при использовании приборного комплекса,включающего спектрометр подвижности ионов // Химическая физика. 2012. (в печати).

13. Borsdorf H. Rudolph M. Gas-phase ion mobility studies of constitutional isomeric hydrocarbons using different ionization techniques. // Int. J. Mass Spectrom., 2001, V. 208, P. 67-75.

14. Borsdorf H., Schelhorn H., Flachowsky J., Doring H. R., Stach J. Corona discharge ion mobility spectrometry of aliphatic and aromatic hydrocarbons. // Anal. Chim. Acta, 2000, V. 403, P. 235-242.

15. Buryakov I.A. Qualitative analysis of trace constituents by ion mobility increment spectrometer // Talanta, 2003, V. 61, P. 369-375.

16. Collins D.C., Lee M.L. Developments in ion mobility spectrometry-mass spectrometry // Anal. Bioanal. Chem., 2002, V. 372, P. 66-73.

17. Cotte-Rodriguez I.; Takats Z.; Talaty N.; Chen H.; Cooks R. G. // Anal. Chem. 2005, 77, 6755-6764.

18. Dale J. M.; Yang M.; Whitten W. В.; Ramsey J. M. // Anal. Chem. 1994, V.66, 3431-3435.

19. Eiceman, G.A. and Karpas, Z. (2005) Ion Mobility Spectrometry; CRC Press: Boca Raton.

20. Fergenson D. P.; Pitesky M. E.; Tobias H. J.; Steele P. Т.; Czerwieniec G. A.; Russell S. C.; Lebrilla С. В.; Horn J. M.; Coffee K. R.; Srivastava A.; Pillai S. P.; Shih M.-T. P.; Hall H. L.; Ramponi A. J.; Chang J. Т.; Langlois

21. R. G.; Estacio P. L.; Hadley R. T.; Frank M.; Gard E. E. // Anal. Chem. 2004, V. 76, 373-378.

22. Gillen G.; Mahoney C.; Wight S.; Lareau R. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2006, V.20, 1949-1953.

23. Kanu A.B., Hill H.H. //Ion mobility spectrometry: recent developments and novel applications // LabPlus international, 2004, № 4-5, P. 20-26.

24. Li F., Xie Z., Schmidt H., Sielemann S., Baumbach J.I. Ion mobility spectrometer for on line monitoring of trace compounds // Spectrochimica Acta, 2002, V. B57, P. 1563-1574.

25. McLuckey S. A.; Goeringer D. E.; Asano K. G.; Vaidyanathan G.; Stephenson J. L., Jr. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1996, V.10, P. 287-298.

26. Miller R.A., Eiceman G.A., Nazarov E.G., King A.T. A MEMS radiofrequency ion mobility spectrometer for chemical agent detection // Sensors and Actuators, 2000, V. B67, P. 301-312.

27. Mullen С.; Irwin A.; Pond В. V.; Huestis D. L.; Coggiola M. J.; Oser H. // Anal. Chem. 2006, V.78, P. 3807-3814.

28. Nagle H.T., Schiffman S.S., Gutierrez-Osuna R. // IEEE Spectrum. 1998. September. P. 22-31.

29. Perr J. M.; Furton K. G.; Almirall J. R. // Talanta 2005, V.67, P. 430-436.

30. Staples E.J. // Proc. IEEE Ultrasonic Symposium. 1999. P. 417-424.

31. Steele P. Т.; Srivastava A.; Pitesky M. E.; Fergenson D. P.; Tobias H. J.; Gard E. E.; Frank M. // Anal. Chem. 2005, V.77, P. 7448-7454.

32. Takats Z.; Cotte-Rodriguez I.; Talaty N.; Chen H.; Cooks R. G. // Chem. Commun. (Cambridge) 2005, P. 1950-1952.

33. Tobias H. J.; Schafer M. P.; Pitesky M.; Fergenson D. P.; Horn J.; Frank M.; Gard E. E. // Appl. Environ. Microbiol. 2005, V.71, P. 6086-6095.

34. Tuovinen K. Paakkanen H., Hanninen O. Determination of soman and VX degradation products by an aspiration ion mobility spectrometer // Anal. Chim. Acta, 2001, V. 440, P. 151 -159.

35. Turner R.B., Brokenshire J.L. Hand-held ion mobility spectrometers // Trends Anal. Chem., 1994, V. 13, P. 281-286.

36. Watson G.W., Horton W., Staples E.J. // Proc. Ultrasonic Symposium. 1991, P. 305-309.

37. Wohltjen K, Dessy RE.//Anal. Chem. 1979. Vol.51 (9), P. 1458-1464.

38. Авт. свидетельство СССР № 129052, 1979. Эпинатьев И.Д., Стецюк И.С., Вандышев Б.А., Денисенко В.В. // Управляемый фазовращатель на ПАВ.

39. Авт. свидетельство СССР № 164183, 1981. Эпинатьев И.Д., Стецюк И.С., Капустин Ю.П. // Высокочувствительный тензометрический элемент изгибного типа на ПАВ с частотным выходом.

40. Патент RU № 2280239, БИ от 20.07.2006. // Артемьев Б.В. и др. Рентгеновский способ определения параметров листового проката из монетного сплава.

41. Патент RU 1610345, кл. G 01 N 30/24, опубликован 10.04.1998.1. Беликов А.Б. Десорбер.

42. Патент RU 2293303, кл. G 01 N 1/22, опубликован 10.02.2007. // Заика В.В., Лохов Ю.А., Черных Г.В. Устройство для контроля следов взрывчатых веществ на документах.

43. Патент RU 2305282, кл. G 01 N 30/24, опубликован 27.08.2007. // Заика В.В., Лохов Ю.А., Черных Г.В. Десорбер для детектора с разделением ионов по подвижности.

44. Патент US Patent 5083019. 1992. // Spangler G.E.

45. Патент US 5200614. 1993. // Jenkins A.

46. Патент US 5854431, кл. G 01 N 1/00, опубликован 29.12.1998.

47. Патент US 6345545, кл. G 01 N 1/00, опубликован 12.02.2002.

48. Патент US 6523393, кл. В 01 D 59/44, опубликован 25.02.2003.

49. Патент US 6572825, кл. G 01 N 27/30, опубликован 03.06.2003.

50. Патент US 6604406, кл. G 01 N 1/00, опубл. 12.08.2003. // Linker К. L., Brusseau С. A., Hannum D. W., Puissant J. G., Varley N. R. Human portable preconcentrator system.

51. Патент US 6656738, кл. G 01 N 30/54, опубликован 02.12.2003.

52. Патент US 7141786, кл. G 01 N 1/00, опубликован 28.11.2006.

53. Патент US № 7168298, G01N 11/10, G01N 30/00, G01N 30/12,опубликован 30.01.2007.

54. Патент US 7202472, кл. H 01 J 49/00, опубликован 10.04.2007.

55. Патент US 7282676, кл. H 05 В 1/02, опубликован 16.10.2007.

56. Патент US 7299711, кл. G 01 N 1/22, опубликован 10.04.2007.

57. Старший научный сотрудник к.х.н.1. Н.Ю. Ковалеваlife

58. Начальник отдела к.ф.-м.н.1. Ведущий специалис