Разработка и исследование метода обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере с помощью лазера

Горлов, Евгений Владимирович

Разработка и исследование метода обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере с помощью лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Горлов, Евгений Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и исследование метода обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере с помощью лазера»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и исследование метода обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере с помощью лазера"

На правах рукописи

Горлов Евгений Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ ПАРОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 2 ДЕК 2010

Томск-2010

004614907

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН и ГОУ ВПО «Томский государственный университет» на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Бобровников Сергей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Копылова Татьяна Николаевна

доктор физико-математических наук, профессор Гейко Павел Пантелеевич

Ведущая организация: Московский государственный технический

университета им. Н.Э. Баумана

Защита состоится 17 декабря 2010 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д.003.029.01 при Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Автореферат разослан « 16 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Применение террористами искусно замаскированных взрывных устройств приводит, как правило, к большому количеству жертв и наносит существенный материальный урон. Проблема оперативного обнаружения взрывчатых веществ (ВВ), взрывных устройств (ВУ) и других взрывоопасных предметов является достаточно актуальной. Именно поэтому во многих странах в последнее время интенсивно ведутся работы по созданию новейших методов и средств обнаружения ВВ.

Большинство из существующих методов обнаружения ВВ требуют отбора проб и пробоподготовки, тогда как при выполнении работ по поиску и обезвреживанию взрывных устройств не всегда имеется возможность контакта с ВУ. В этой связи особый интерес вызывают методы дистанционного обнаружения ВВ по детектированию их паров и частиц, присутствующих в тех или иных количествах вблизи или на поверхности ВУ.

Сегодня большой исследовательский интерес вызывают оптические методы обнаружения паров и следов ВВ, поскольку именно они принципиально отличаются возможностью дистанционных измерений.

Использование оптических методов для обнаружения ВВ связано с огромными трудностями. В первую очередь, сложность задачи обнаружения обусловлена чрезвычайно низкими уровнями концентраций паров ВВ в атмосфере вследствие низкой летучести этого класса веществ. Именно поэтому для решения задачи обнаружения оптическими методами необходимо использовать наиболее эффективные процессы взаимодействия излучения с веществом.

Одним из самых чувствительных аналитических оптических методов является метод флуоресцентной спектроскопии, позволяющий обнаруживать следовые количества веществ и даже их отдельные молекулы. Применение лазера для возбуждения флуоресценции делает возможным проведение анализа дистанционно. Именно поэтому применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) кажется наиболее верным способом решения задачи обнаружения сверхнизких концентраций.

Однако, как оказалось, эффективность процессов флуоресценции для сложных многоатомных молекул ВВ не велика в силу высокой вероятности безызлучательной релаксации, характерной для систем с большим числом степеней свободы. Но если сложная молекула не активна в процессах переизлучения, то, возможно, в этих процессах будут активны ее фрагменты -более простые молекулы. И действительно, применение эффекта фрагментации позволяет существенно повысить чувствительность аналитических методов.

Эффект фотофрагментации (фотолиз) - разбиение сложной молекулы на фрагменты (осколки) квантами оптического излучения - позволяет фраг-

ментировать молекулы дистанционно. При этом возможна одновременная эффективная флуоресценция осколков [1-3].

Идея применение лазерной фрагментации состоит в том, чтобы свести задачу обнаружения ВВ к задаче обнаружения более простых молекул, спектроскопические свойства которых хорошо изучены и которые имеют четко выраженные резонансы.

Выбор молекулы N0 в качестве характеристического фрагмента имеет ряд преимуществ. Во-первых, именно нитрогруппа определяет детонационные свойства наиболее распространенных ВВ и является их характерным компонентом. Во-вторых, функциональная группа (С-Ы02, N-N02, О-ЖЬ) имеет наименьшую энергию связи, и в процессе фотофрагментации вероятно появление NO-фpaгмeнтoв. В-третьих, молекулы ВВ имеют широкий спектр и высокое сечение поглощения (фрагментации) в окрестности полосы спектра возбуждения NO-фpaгмeнтoв, что позволяет использовать один и тот же источник излучения и для фрагментации, и для возбуждения фрагментов.

Таким образом, целью диссертационной работы является исследование возможности дистанционного обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе лидарного принципа с использованием одночастотного лазерного фотолиза и эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции NO-фpaгмeнтoв.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- построение математической модели двухступенчатого процесса фотофрагментации (фотолиза) молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота;

- получение лидарного уравнения, позволяющего рассчитать величину лидарного отклика, возникающего в результате двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции NO-фpaгмeнтoв из второго колебательного состояния;

-определение требований к компонентам лидарной системы обнаружения паров ВВ в атмосфере;

- создание макета лидарного обнаружителя;

- экспериментальное исследование возможности использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением ^-фрагментов из второго колебательного состояния на дистанциях более Юм.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего излучения в контролируемом объеме. Для паров тротила она составляет около 210 мДж/см2, для паров гексогена - 240 мДж/см2 и не зависит от их концентрации.

2. Повышение плотности мощности зондирующего лазерного пучка до 108 Вт/см2 приводит к возникновению шума за счет образования возбужденных молекул N0, N2 и 02 из основных компонентов воздуха (Ог, N2) в результате многофотонных процессов.

3. Антистоксово комбинационное рассеяние на основных компонентах атмосферы (02, N2) ограничивает чувствительность метода обнаружения нит-росоединений на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением ЫО-фрагментов из второго колебательного состояния на уровне 5 ррЬ. Для достижения чувствительности, близкой к теоретическому пределу, необходимо осуществлять спектральное разделение ()-ветвеп азота и кислорода и полосы флуоресценции N0.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обеспечиваются строгостью используемых математических постановок задач, корректным использованием аналитических методов расчета, теоретическим обоснованием полученных результатов и выводов, а подтверждаются согласованием с физическими представлениями о распространении оптического излучения в атмосфере, а также согласием с экспериментальными данными, представленными в работах других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Впервые построена модель двухступенчатого процесса фотофрагментации (фотолиза) молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота, получено лидарное уравнение для этого процесса. Показано, что для рассматриваемого двухступенчатого процесса величина принимаемого лидарного сигнала зависит от плотности энергии лазерного импульса. При этом оказывается, что для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего излучения в контролируемом объеме.

Впервые рбнаружецр, что 0-ветви антистоксово крлебатсльно-враща-тельного спектр;} комбинационного рассеяния (КР) на основнцх составляющих атмосферы (азота и кислорода), находящиеся вблизи полосы флуоресценции КО-фрагментов (236 нм), могут быть источником помехи, ограничивающей чувствительность лидарного обнаружителя ВВ. Бщо показано, чтр эта причина ограничения чувствительности не является принципиальной, поскольку 2-ветви антистоксова колебательно-вращательного рпек-тра КР дзота и кислорода не перекрываются с полосой флуоресценции N0. Оценки показывают, что повышение спектрального разрешения прибора приведет к многократному снижению уровня шума.

Впервые бъща экспериментально доказана возможность использования метода обнаружения паров В В в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолизу с последующим возбуждением МО-фрагментов из второго колебательного состояния на дистанциях более Юм при чувствительности обнаружения 70 рр1

Впервые в задачах дистанционного обнаружения паров нитросоедине-ний в атмосфере в качестве источника излучения был использован экси-мерный лазер на среде KrF, генерирующий узкую линию (2 пм) на краю контура усиления.

Научная ценность результатов диссертационной работы.

Выводы и опыт, полученные в результате теоретической проработки и экспериментальной апробации метода обнаружения паров ВВ, являются уникальными и могут быть использованы при разработке лидарных обнаружителей паров ВВ следующего поколения.

В ходе выполнения работы было получено лидарное уравнение, позволяющее рассчитывать величину лидарного отклика, возникающего в результате двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота из второго колебательного состояния.

Экспериментально подтверждена возможность обнаружения паров взрывчатых веществ лидарным методом на расстоянии 13 м при температуре 23 °С.

Практическая значимость результатов диссертационной работы определяется возможностью использования результатов данной работы при создании лидарных систем для дистанционного обнаружения паров нитро-соединений (в том числе взрывчатых) в атмосфере.

Полученное лидарное уравнение для двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота позволяет, опираясь на спектроскопическую информацию и параметры аппаратуры, проводить оценку ожидаемого уровня сигнала для конкретного нитросоединения.

Полученная зависимость величины принимаемого лидарного сигнала от плотности энергии лазерного импульса позволяет оптимальным образом подобрать размер перетяжки сфокусированного лазерного излучения в контролируемой области и необходимую энергию лазерного импульса для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения.

Использование разработанного макета лидарного обнаружителя паров ВВ позволяет дистанционно (на расстоянии более 10 м) обнаруживать пары тротила при температуре 23 °С. Регистрация гексогена возможна, если концентрация его паров не менее 70 ppt.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в Институте химико-энергетических технологий СО РАН и могут быть использованы для разработки аппаратуры для Федеральной службы безопасности Российской Федерации и Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука СО РАН.

Апробация работы.

Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати, в том числе 2 статьи опубликованы в научных журналах, включенных в перечень ВАК. Имеется один патент на полезную модель.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005); V Международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2006); 39th International Annual Conference «Energetic materials - Characterisation, Modelling and Validation» (Германия, 2008); Fraunhofer Symposium Future Security, 3rd Security Research Conference (Германия, 2008); 40th International Annual Conference of ICT «Energetic materials - Characterisation, Modelling and Validation» (Германии, 2009); Молодежной научной конференции Томского государственного университета 2009 г. (Томск, 2009); III Всероссийской молодежной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, 2009); Eighth International Symposium on Special Topics in Chemical Propulsion «Advancements in energetic materials & chemical propulsion» (ЮАР, 2009); 25th International Laser Radar Conference (Санкт-Петербург, 2010); V International Workshop HEMs-2010 «High Energy Materials: Demilitarization, Antiterrorism And Civil Applications» (Бийск, 2010); 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики "АПР-2010"» (Томск, 2010).

Личный вклад автора.

Результаты диссертационной работы были получены в ходе совместной работы автора с научным руководителем и другими соавторами (см. список публикаций в конце автореферата). При определяющем участии автора были сформулированы модели изучаемых в данной диссертации физических процессов, самостоятельно проведены аналитические вычисления и численные расчеты. Автор принимал участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и их сопоставлении с экспериментальными наблюдениями, а также в подготовке и представлении статей и докладов на конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из ведения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 100 наименований цитируемой литературы. Общий объем диссертации, включая иллюстрации и таблицы, составил 140 машинописных страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе, в целях выяснения физических условий применения оптических методов обнаружения ВВ дана краткая характеристика объекта обнаружения - взрывчатых веществ. Приводятся сведения об элементном составе ВВ, составе их паровой фазы и летучести. По данным, имеющимся в литературных источниках, был определен диапазон концентраций (1 ррЬ -1 ррО, с которым придется иметь дело при решении задачи дистанционного обнаружения следов ВВ в виде паров.

Далее выполнен обзор существующих на сегодняшний день оптических методов обнаружения ВВ, проведен сравнительный анализ свойственных им достоинств и недостатков, на основании которого выбран метод, наиболее перспективный в смысле построения на его основе системы, способной обеспечить проведение дистанционного обнаружения паров ВВ в атмосфере. Основные критерии выбора - это высокая чувствительность метода (на уровне 1 ррО и возможность его использования в дистанционных измерениях.

Показано, что из числа существующих оптических методов наиболее перспективным направлением в создании лазерного дистанционного обнаружителя паров ВВ с максимальной чувствительностью является использование метода на основе одночастотного лазерного фотолиза (фрагментации) и лазерно-индуцированной флуоресценции фрагментов N0 [4].

Во второй главе работы рассматривается лидарный метод обнаружения паров ВВ на основе одночастотного лазерного фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции МО-фрагментов.

Суть выбранного нами метода заключается в том, что сложная молекула ВВ под действием лазерного излучения разбивается (фотолиз) на более простые фрагменты (осколки) удобные для последующего обнаружения по их флуоресценции, возбуждаемой тем же лазерным импульсом.

Показано, что в результате фрагментации молекул ВВ возможно появление таких простых молекул, как N02, N0 и ОН. Выбор в качестве характеристического фрагмента молекулы N0 имеет ряд преимуществ. Во-первых, именно нитрогруппа определяет детонационные свойства наиболее распространенных ВВ и является их характерным компонентом. Во-вторых, функциональная нитрогруппа (С-1Ч02, N-N02, 0-И02) имеет наименьшую энергию связи, и в процессе фотофрагментации появление NO-фpaгмeнтoв весьма вероятно. В-третьих, молекулы ВВ имеют широкий спектр и высокое сечение поглощения (фрагментации) в окрестности полосы спектра возбуждения ЫО-фрагментов, что позволяет использовать один и тот же источник излучения и для фрагментации, и для возбуждения фрагментов.

Теоретически этот подход может обеспечить высокую чувствительность. Однако на практике способ возбуждения флуоресценции МО-фрагментов из основного состоянии (на длине волны 226 нм) имеет существенное ограничение, связанное с неизбежным возбуждением флуоресценции как атмосферных примесей, так и фонового N0, присутствующего в атмосфере.

Фоновая концентрация молекул N0 в атмосфере может достигать значений 100 ррЬ, и очевидно, что именно она будет определять предел чувствительности метода, основанного на возбуждении ТТО-фрагментов из основного состояния.

Однако если энергия возбуждающих фотонов превосходит энергию разрыва связи, то этот избыток энергии может перейти в энергию колебательного возбуждения фрагментов. И действительно, детальное исследование процессов фрагментации показывает, что при фотолизе паров ВВ часть МО-фрагментов рождается во втором колебательном состоянии (у" = 2). Населенность этого уровня для фрагментов может составлять до 10% [4], в то время как его тепловая населенность (в соответствии с распределением Больцмана) на 7-8 порядков ниже.

Таким образом, если возбуждать флуоресценцию со второго колебательного уровня (у" = 2) основного состояния на нулевой колебательный уровень (у" = 0) электронного возбужденного состояния (рис. 1), то, во-первых, возбуждаются только МО-фрагменты ВВ; во-вторых, процесс будет антистоксов, т.е. спектр излучения флуоресценции будет смещен в «синюю область» от возбуждающей длины волны, в то время как мешающая флуоресценция примесей (возбужденная из основного состояния) будет сто-ксова (т.е. смещена в «красную область» спектра). Очевидно, что выбор такого способа возбуждения флуоресценции >Ю-фрагментов позволяет обеспечить как высокую чувствительность, так и помехоустойчивость метода обнаружения.

В работе [4] была показана принципиальная работоспособность метода обнаружения паров тротила с использованием одночастотно-го лазерного фотолиза с возбуждением флуоресценции МО-фрагментов из второго колебательного состояния. При этом была достигнута чувствитель-

I I—,—.—■—I—'—.......—I—1—I—I—<—.—и.

1,1 и 2,0 и

Межъядерное расстояние, А

Рис. I. Диаграмма энергетических уровней молекулы N0 и схема переходов при лазерно-индуцированной флуоресценции. Переходу А2£* (V' = 0) «— Х2Г1 (V" = 2) соответствует длина волны 247,9 нм, переходам А2£+ (V' = 0) Х2П (у" = 0, 1) - длины волн 226,8 и 236,9 нм

ность не хуже 8 ррЬ на расстоянии 15 см, а позднее не хуже 15 ррЬ на дистанции 2,5 м [5].

Принцип применения описанного выше метода в лидарной схеме следующий. В исследуемую область пространства, где имеется некоторая концентрация паров ВВ, посылается лазерный импульс. Под действием лазерного излучения в процессе фотолиза молекул ВВ образуются МО-фрагменты, часть из которых находится во втором колебательном состоянии. Поскольку частота лазерного излучения настроена на частоту возбуждения флуоресценции МО-фрагментов из второго колебательного состояния, то МО-фрагменты начинают флуоресцировать под действием того же лазерного импульса. Часть оптического сигнала флуоресценции перехватывается приемной оптической системой, и после спектральной фильтрации и фотодетектирования выделяется сигнал обнаружения.

Для того чтобы определить потенциальные возможности метода обнаружения и оценить его чувствительность, необходимо провести численное моделирование процесса обнаружения. Однако в литературе не нашлось необходимых данных, позволяющих описать исследуемый процесс.

В этой связи возникла необходимость построения математической модели двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул ВВ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота.

Процесс фрагментации паров ВВ с последующим возбуждением МО-фрагментов может быть представлен в виде последовательности переходов на диаграмме энергетических уровней молекул ВВ и N0 (рис. 2).

/V,

ВВ

АЬ

Фрагментация

*0-|

й'к » Я.к, я

3 &

I о

: ©

V = 0

\(1-ф)

Ы02

Л'з

Л'2

у" = 2 у"= 1 у" = 0

Рис. 2. Схема переходов при двухступенчатом процессе «фрагментация - ЛИФ»

Будем исходить из того, что фотодиссоциация происходит из состояния Щ. Поглощая фотон, молекула переходит из основного состояния N0 в возбужденное состояние Л^ с константой скорости поглощения

Здесь аРг - сечение поглощения (фрагментации) молекулы ВВ; ^Г// - плотность потока фотонов в лазерном импульсе прямоугольной

формы с длительностью т¡, Щ - энергия в лазерном импульсе; 5/ - площадь сечения лазерного пучка; /IV; - энергия кванта лазерного излучения.

Из состояния ЛГ, молекула ВВ распадается на два вида фрагментов -N0 и N02 с соответствующими константами скорости /г)_ко и Фактор Ф учитывает соотношение числа фрагментов N0 и N02- Фактор V)/ учитывает населенность второго колебательного уровня N0 [х2П(у" = 2)] по отношению к нижележащим колебательным уровням. Время жизни на уровне N. обозначим через х = 1/А-3_2. Фрагменты на уровне N3, поглотив фотон, переходят в электронно-возбужденное состояние N. ^Л2£(У = 0)^ с константой скорости

(2)

Здесь сгмо - сечение поглощения фрагмента N0, находящегося на втором колебательном уровне.

Из состояния N4 молекула может перейти в основное состояние Ы2, испуская излучение с константой скорости флуоресценции ку, или может совершить безызлучательный переход со скоростью кч, обусловленный столкновительным тушением атмосферными составляющими.

Временная зависимость населенности каждого уровня может быть найдена из совместного решения системы кинетических уравнений:

ГdN.it).

(¡1 ¿N2(1)

dN.it)

Л dN.it)

■-кмо, =К-Л (о - чЛ-ш^ (о - а - ф)^ (о,

= ф(1 - (0 + + (0 + kfN.it),

(3)

Будем считать, что до прихода лазерного импульса населенность уровня Л'о составляет

Х0ф) = Ст, (4)

а населенность остальных уровней при / = 0 будет равна нулю

ВД=0, ЛГ2(0) = 0, Л^3(0) = 0, Л^4(0) = 0, Т/5(0) = 0. (5)

На основе модели двухступенчатого процесса «фотофрагментация -ЛИФ» было получено лидарное уравнение для этого процесса. При обнаружении паров ВВ, локализованных в слое протяженностью AR на расстоянии R для числа фотонов Ns(R), поступивших на фотоприемник, можно записать

Ns{R)=YL^CBBai(wl,M^l)ARG(R)K0T(R), (6)

hv, R

где IV/ - энергия зондирующего лазерного импульса; h - постоянная Планка; V/ - частота лазерного излучения; А0 - площадь приемной апертуры; Свв -концентрация паров ВВ; - эффективное сечение двухступен-

чатого процесса «фотофрагментация - ЛИФ» для паров конкретного (г) ВВ; щ - плотность мощности лазерного импульса; G(R) - геометрический фактор лидара; Ко - общий коэффициент пропускания приемной оптической системы; T(R) - пропускание атмосферы на трассе лидар - объект - лидар.

Применение модели двухступенчатого процесса «фотофрагментация -ЛИФ» сводилось к отысканию эффективного сечения а для этого процесса.

При использовании полученного лидарного уравнения было показано, что для рассматриваемого двухступенчатого процесса при вкачивании

в исследуемый объем суммарной энергии = Wim (Щ -энергия в лазерном импульсе, т - число импульсов, излученных за время измерения) величина принимаемого лидарного сигнала зависит от плотности энергии W/ лазерного импульса (рис. 3). При этом оказывается, что для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего излучения в контролируемом объеме. Для паров тротила она составляет около 210мДж/см2, для паров гексогена 240мДж/см2 и не зависит от их концентрации.

Поскольку обнаружение паров ВВ должно осуществляться в условиях реальной атмосферы, то важно рассмотреть ее влияние на работу лидарного обнаружителя.

Во второй главе далее рассматривается комплекс вопросов влияния атмосферных факторов на работу лидарного обнаружителя паров ВВ.

200 300 400 500 Й00 700 81X1

Плотность энергии, мДж/см2

Рис. 3. Зависимость от плотности мощности числа фотоотсчетов, регистрируемого лидарным обнаружителем при вкачивании в исследуемый объем суммарной энергии И^ =10 Дж

Аг (0,68%) Со,(0,93%) Не (0,67%) Хе (0,67%) N0 (0,67%) N¡0 (0,67%) N,(1.69%)

Ог (50,26%)

НгО (46,54%)

а б

Рис. 4. Вклад в тушение N0 (А, у' = 0) основных компонентов атмосферы: а - сухая атмосфера; б - относительная влажность 100%

Флуоресценция в атмосфере обычно подвержена тушению, вызванному неупругими соударениями с молекулами воздуха, что снижает ее интенсивность на несколько порядков величины по сравнению с интенсивностью при низком давлении. Расчеты показали, что основным газом, тушащим флуоресценцию МО-фрагментов в сухой атмосфере, является кислород (рис. 4, а). При увеличении влажности воздуха значительно возрастает роль водяного пара в процессе тушения. Так, при температуре 25 °С и относительной влажности 100% вклад воды в процесс тушения составляет приблизительно 47%, а 50% обусловлены кислородом, и о,;оно 3% приходится на долю остальных тушителей (рис. 4, б). Фактор тушения 2 Для случая сухой атмосферы составляет « 0,007, при относительной влажности 100% -Q » 0,004, промежуточные значения видны из графика на рис. 5.

Создание лидара для работы по флуоресценции МО-фрагментов в атмосфере встречает на своем пути существенную трудность, заключающуюся в том, что слабые сигналы наблюдаются одновременно с гораздо более интенсивным рэлеевским и Ми рассеянием. Последние явления обусловливают возникновение сильного фона «несмещенного рассеяния» при спектральном выделении сигналов флуоресценции.

Необходимый уровень подавления сигнала несмещенного рассеяния можно оценить из отношения величин плотностей энергетической яркости флуоресценции (•У/) и рассеяния (./,) на длине волны

р,%

Рис. 5. Зависимость фактора тушения от относительной влажности

возбуждающего излучения (А,0 « 247,87 нм). Из всевозможных вариантов геометрии рассеяния мы выберем случай рассеяния назад, именно такая геометрия представляет интерес с точки зрения лидарного приложения рассматриваемой методики.

Плотность энергетической яркости флуоресценции МО-фрагментов найдем как

Уйу,

где ТУ* - концентрация возбужденных лазерным излучением фрагментов N0, которые могут флуоресцировать; к - постоянная Планка; V/ - частота излучения флуоресценции; тя - радиационное время жизни возбужденных фрагментов N0 (~ 206 не).

Плотность энергетической яркости рассеяния можно записать как

4=/оР*. (»)

где /0 - поверхностная плотность потока излучения; р„ - объемный коэффициент рассеяния назад.

Используя ранее полученную модель двухступенчатого процесса «фотофрагментация - ЛИФ» подсчитали, что сигнал несмещенного рассеяния при концентрации паров ВВ на уровне 1 рр1 будет почти на 10 порядков превышать сигнал флуоресценции, и это различие возрастает в присутствии более плотного аэрозоля. С учетом фактора пространственного усреднения и требований критерия обнаружения необходимый уровень подавления помехи несмещенного рассеяния должен быть не хуже 13 порядков по величине. Естественно, что для менее замутненной атмосферы, например, внутри помещений, требования к уровню подавления могут быть снижены на 2-3 порядка.

Поскольку флуоресценция МО-фрагментов смещена в коротковолновую область относительно возбуждающего излучения, то необходимо оценить возможное влияние на сигнал антистоксовых компонент комбинационного рассеяния на составляющих атмосферы.

Известно, что интенсивности КР антистоксовоых компонент на величину больцмановского фактора (от 3 до 8 порядков) меньше интенсивностей сто-ксовоых компонент. Очевидно, что в силу малости сечений КР, при обсуждении вопроса о возможном влиянии антистоксова рассеяния на работу лидарного обнаружителя паров ВВ интерес представляют лишь основные молекулярные составляющие атмосферы - азот и кислород. Тем более, что при возбуждении излучением длиной волны 247,87 нм антистоксовы компоненты КР азота и кислорода (соответственно 234,33 и 238,65 нм) лежат в непосредственной близости от регистрируемой полосы флуоресценции 236 нм (рис. 6).

Сравнение уровня сигнала антистоксова КР на основных компонентах атмосферы с ожидаемым уровнем сигнала флуоресценции МО-фрагментов показало, что КР на азоте и кислороде на 2-3 порядка величины превышает сигнал флуоресценции. Таким образом, при недостаточной дисперсии и низком разрешением спектрального прибора лидара сигналы от 02 и N2 могут давать ощутимый вклад в полезный сигнал.

Показано, что антистоксово комбинационное рассеяние на основных компонентах атмосферы (Ог, N2) ограничивает чувствительность метода обнаружения нитросоединений на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением МО-фрагментов из второго колебательного состояния на уровне 4-5 ррЬ. Полученные цифры хорошо согласуются с результатами работы [4]. Достигнутая авторами предельная чувствительность составляет примерно 5 ррЬ. Для выделения сигнала флуоресценции ими использовался полосовой интерференционный фильтр с пропусканием 50% в диапазоне 225-240 нм и не более 0,01% на длине волны 248 нм. Ясно, что выделение такого широкого спектрального диапазона (225-240 нм) не позволяет избавиться от антистоксова КР на основных компонентах атмосферы, которое и ограничивает чувствительность.

Таким образом, для повышения чувствительности метода необходимо осуществлять спектральное разделение ^-ветвей азота и кислорода и полосы флуоресценции N0 (236 нм).

Отмечено, что полоса ЛИФ МО-фрагментов (236 нм) и 0-ветвь антистоксова КР азота частично перекрываются и поэтому не могут быть спектрально разделены. Для того чтобы исключить влияние О-ветви можно пожертвовать частью полосы флуоресценции. Расчеты показывают, что при сужении диапазона регистрации полосы флуоресценции (236 нм) со стороны коротких длин волн можно исключить вклад О-ветви при незначительной потере в полезном сигнале.

Как было показано, для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечивать оптимальную плотность мощности лазерного излучения, и она составляет около 108 Вт/см2. При такой интенсивности излучения существует конечная вероятность возникновения многофотонного поглощения основными составляющими атмосферы. Известно, что при поглощении двух и более квантов излучения

112 233 234 235 2й 237

Длина волны,нм

Рис. 6. Полоса флуоресценции N0 (236 нм) и анти-стоксовы колебательно-вращательные спектры комбинационного рассеяния азота и кислорода

длиной волны 248 нм (энергия одного кванта составляет примерно 5 эВ) происходит фотодиссоциация молекулярного азота и кислорода на атомарные составляющие. Рекомбинация возникших атомов может привести к образованию электронно-возбужденных молекул N0, N2 и 02, релаксация которых сопровождается излучением, в том числе и на интересующих нас длинах волн (226 и 236 нм).

Известно, что мощность, поглощаемая на частоте v,- единицей объема, равна = (М, -Ы2) - плотность числа частиц в нижнем и верх-

нем состояниях; Щ(2т> - вероятность т-фотонного перехода из состояния 1 в состояние 2) и является нелинейной функцией интенсивности падающего излучения. В частности, если имеет место ти-фотонное поглощение из одного монохроматического пучка с интенсивностью I и изменением насе-

Экспериментально нами было показано, что при распространении лазерного излучения в чистой атмосфере регистрируемый в полосах 226 и 236 нм шумовой сигнал квадратично зависит от интенсивности зондирующего излучения (рис. 7).

Данный факт подтверждает предположение о том, что повышение плотности мощности зондирующего лазерного пучка до величины порядка 108 Вт/см2 приводит к возникновению шума за счет образования возбужденных молекул N0, N2 и 02 из основных компонентов воздуха (02, N2) в результате многофотонных (в данном случае двухфотонных) процессов.

Спектр излучения, аналогичный тому, что возникает при рекомбинации атомарного азота и кислорода, иллюстрирует рис. 8, где приведен полученный нами спектр высокочастотного разряда в атмосфере. Механизм появления возбужденных молекул N0, N2 и 02 в разряде идентичен механизму при многофотонных процессах. Для сравнения на рисунке приведен расчетный спектр флуоресценции МО-фрагментов ВВ, откуда видно, что полосы полностью перекрываются.

Далее в главе рассмотрен вопрос о влиянии атмосферной турбулентности на дальность обнаружения.

ленностей Д можно пренебречь, то Р ~ Г.

Рис. 7. Зависимость шума, регистрируемого в полосах 226 и 236 нм при распространении зондирующего излучения в чистой атмосфере, от интенсивности излучения

Выяснено, что для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего излучения в контролируемом объеме. Однако расширение пучка турбулентной атмосферой делает невозможной фокусировку оптического излучения на больших расстояниях. По мере увеличения диаметра источника дифракционное пятно в фокусе уменьшается в турбулентной атмосфере не в соответствии с известными в оптике однородных сред формулами, а до некоторого конечного размера (размер насыщения). В связи с этим были выполнены расчеты зависимости интенсивности сфокусированного излучения от дальности фокусировки для трех значений структурной характеристики флуктуаций показателя преломления воздуха (С„), соответствующих наилучшим, средним и наихудшим условиям для распространения света.

В следующем разделе главы был произведен расчет уровня сигнала и определены технические требования к оптическим компонентам. Был определен критерий обнаружения в предположении пуассоновской статистики фотоотсчетов, в соответствии с которым рассчитано время обнаружения паров ВВ в зависимости от дальности обнаружения.

Параметры КгЕ лазерной системы

Параметр Значение

Длина волны излучения, нм 247,87

Диапазон перестройки, нм 247,70-249,10

Максимальная энергия в импульсе, мДж 200

Ширина линии излучения, пм 2

Частота повторения импульсов, Гц 1-100

Длительность импульса излучения, не 20

Угловая расходимость выходного излучения, мрад 1

Размер пучка на выходе лазера, мм2 20x7

Для реализации рассмотренного в работе метода дистанционного обнаружения паров ВВ потребовался источник лазерного излучения со средней мощностью 10 Вт, длиной волны 247,87 нм и шириной линии излучения не более 5 пм. Впервые в задачах дистанционного обнаружения паров

Рис. 8. Спектр высокочастотного разряда в атмосфере (/), расчетный спектр флуоресценции N0 (2) и лазерная линия 266 нм, по которой осуществлялась калибровка спектрометра (3)

нитросоединений в атмосфере в качестве источника излучения был использован эксимерный лазер на среде КгБ, генерирующий узкую линию на краю контура усиления (см. таблицу).

Помимо выбора источника излучения, в разделе, посвященном аппаратной реализации лидарного обнаружителя паров ВВ, проведен расчет схемы лидарного обнаружителя, определена компоновка основных его узлов и конструкция в целом.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию характеристик лидарного обнаружителя.

нее, чем Р12, значит, более предпочтительна для возбуждения МО-фрагментов. Однако генерация КгР-лазера на длине волны полосы <2\г (А.£>|2 ~ 247,73 нм), как оказалось, сопряжена с некоторыми техническими трудностями и не всегда возможна. Поэтому в дальнейших экспериментах для фрагментации паров ВВ и возбуждения МО-фрагментов использовалось излучение длиной волны 247,87 нм, соответствующее полосе Р\2.

В ходе испытаний макета лидарного обнаружителя паров ВВ была проведена серия экспериментов с неупакованными 200-граммовыми закладками тротила (ТНТ) и тротил-гексогена (ТГ-40/60) при температуре 23 °С.

Эксперименты проводились по следующей схеме: на расстоянии 13 м от лидара на предметном столике устанавливался контейнер с помещенны-. ми в него шашками ВВ, пустой контейнер из-под шашек (со следами ВВ) или лист бумаги с нанесенными на нем отпечатками пальцев со следами ВВ. Сфокусированный лазерный луч (диаметр перетяжки 4 мм) проходил выше образцов на расстоянии примерно 10 мм. Все измерения проводились при температуре 23 °С. На рис. 10 и 11 представлены экспериментальные данные по обнаружению паров тротила.

Для определения рабочего положения линии возбуждающего излучения был прописан спектр возбуждения МО-фрагментов из второго колебательного состояния, возникших при фотофрагментации паров тротила. Полученный спектр возбуждения приведен на рис. 9.

Рис. 9. Расчетный спектр возбуждения N0 (/) и спектр возбуждения N0, полученный при фрагментации ТНТ при температуре 40 "С

,0 , . . , I >-: . у | . , , , I . . у.. |—... I . 247,70 247,75 247,1® 247,85 247,« 247,95

Длина волны, нм

Спектр демонстрирует наличие двух интенсивных полос Р12 и <2[2 обусловленных 2П3/2-компонентой основного электронного состояния N0. Из сравнения полос Р12 и видно, что ()12 на 20% интенсив-

ВШ)'*П 10 фопхш.'чсши) ИСип ~ " ОПМ.4

6 7 К 9 10 II Номер строба

■■ I Уум (] Ш (¡кгкктчаш) ] 1ИСтнл(297 ф01аж'1С10в) ,

СТШ-1,9 Ц

2 13 14 15 16 О 1 г

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер строба

■■ II !ум (112 фсттоотсчстп}

Сншил (275 фоюле-четв) СИМ,5

Рис. 10. Результаты экспериментов по обнаружению паров тротила в реальной атмосфере при температуре 23 °С: а - контейнер с шашками ТНТ; б - контейнер с адсорбированными на стенках следами ТНТ; в -отпечаток пальца со следами ТНТ. Сигнал в отсутствие закладок обозначен как «шум»

I ! 1 ! ■ Т1^

1 1 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16

Номер строба

Регистрация велась в режиме счета фотонов с пространственным разрешением 1,5 м. Время накопления зависело от выбора частоты лазерного излучения и объема накопления. В представленных данных накопление велось по 100 импульсам лазера с частотой следования импульсов 10 Гц, таким образом, время накопления составило 10 с. Во всех случаях удалось выделить сигнал на фоне шума.

Разный уровень шумов, приведенных на рис. 10 и 11, объясняется разной энергией в импульсе лазерного излучения. В первой серии экспериментов (с образцами ТНТ) энергия составляла примерно 100 мДж, а во второй серии (с образцами ТГ-40/60) - около 60 мДж.

ММ Шум (53 финхж.'чегов)

ВВЙ Оики О М фогоетмяо»)

ОШ»|,5

■■Я ш.ум(53 г^шоогечегоя) Г~|С.1гтч (139фпгшгечитн) С'Ш=|,6

Номер строба а

ШЯт Шуи (53 фотогскло«) [13 Оякал Л22фогдагечек>»)

сш-и

I Ьмер строба б

Рис. 11. Результаты экспериментов по обнаружению паров тротил-гексогена в реальной атмосфере при температуре 23 °С: а - контейнер с шашками ТГ; б-контейнер с адсорбированными на стенках следами ТГ; в - отпечаток пальца со следами ТГ. Сигнал в отсутствие закладок обозначен как «шум»

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Номер строба

Поскольку тротил иадеет слишком высокое давление насыщающих даров при комнатной температуре, предельная чувствительность обнаружителя оценивалась по температурной зависимости давления насыщенных паров менее летучего по сравнению с тротилом взрывчатого вещества гек-согена [6]:

гексоген

-^22,50

(Г) = 10 Г РР1.

(9)

Сигнал от паров гексогена (рис. 12) бьщ зарегистрирован при температуре 40 °С, что соответствует концентрации паров на уровне 70 рр1.

12 II 10

ЯШ 111\м (9 (|х щклсчслш)

' Оитал (15 фсп\хясчскн\) С1И47

•е-

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Номер строба

Рис. 12. Обнаружение паров гексогена при температуре 40 °С

В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Получена модель, описывающая двухступенчатый процесс фотофрагментации молекул ВВ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции МО-фрагментов. На основе модели получено лидарное уравнение для рассматриваемого процесса «фотофрагментация - ЛИФ», которое позволяет, опираясь на спектроскопическую информацию и параметры аппаратуры, проводить оценки ожидаемого уровня сигнала для конкретного нитросоединения.

2. Исследована зависимость эффективности обнаружения от плотности энергии лазерного импульса. Выяснено, что для достижения максимальной эффективности обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего импульса в контролируемом объеме.

3. Установлено, что повышение плотности мощности зондирующего лазерного пучка до 108 Вт/см2 приводит к возникновению шума за счет образования возбужденных молекул N0, N2 и 02 из основных компонентов воздуха (азота и кислорода) в результате многофотонных процессов.

4. Показано, что (Э-ветви антистоксова колебательно-вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода являются непринципиальными ограничителями чувствительности лидарного обнаружителя паров ВВ, и если не принимать меры по их разделению с полосой флуоресценции МО-фрагментов (236 нм), то чувствительность окажется ограниченной на уровне 5 ррЬ.

5. Экспериментально доказана возможность использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фо-

толиза и ЛИФ NO-фрагментов на дистанциях более 10 метров при чувствительности обнаружения около 70 ppt.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

1 *. Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ: свидетельство №75242 Рос. Федерация. №2008110562; заявл. 19.03.2008; опубл. 27.07.2008 Бюл. № 21.

2*. Bobrovnikov S.M., GorlovE.V., LosevV.F., Panchenko Yu.N., Sakovich G.V., Vo-rozhtsov A.B. Remote detection of explosives vapors using KrF eximer laser radiation // Proc. SPIE (Lidar Technologies, Techniques, and Measurements for Atmospheric Remote Sensing IV). 2008. V. 7111. P. 7111-32.

3*. Горлов E.B., Бобровников СМ. Обнаружение паров взрывчатых веществ в атмосфере с помощью лазера // Тр. Томск, гос. ун-та. Томск: Изд-во Томск, ун-та, М 75 2010. Т. 273. Серия общенаучная: Молодежная научная конференция Томского государственного университета 2009 г. Вып. 2: Проблемы естествознания. 440 с.

4*. Бобровников СМ., Горлов Е.В., Жарков В.И. Дистанционное обнаружение паров взрывчатых веществ в атмосфере // Изв. вузов. Физика. 2010. № 9/3. С. 32-34.

5*. Бобровников СМ., Горлов Е.В. Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 12. С. 10551061.

Цитируемая литература.

1. Simeonsson J.B., Saitsa R.C. A critical review of laser photofragmentation/fragment detection techniques for gas phase chemical analysis // Appl. Spectrosc. Rev. 1996. V.31.N l.P. 1-72.

2. Lemire G. W., Simeonsson J.B., Sausa R.C. Monitoring of vapor-phase nitro compounds using 226 nm radiation: fragmentation with subsequent NO resonance-enhanced multiphoton ionization // Anal. Chem. 1993. V. 65, N 5. P. 529-533.

3. Wu D., Singh J.P., YuehF.Y., Monts D.L: 2,4,6-Trinitrotoluene detection by laser-photofragmentation-laser-induced fluorescence // Appl. Opt. 1996. V. 35, N21. P. 3998-4003.

4. Arusi-Parpar Т., He/linger D., Lavi R. Photodissociation Followed by Laser-Induced Fluorescence at Atmospheric Pressure and 24 °C: A unique Scheme for Remote Detection of Explosives // Appl. Opt. 2001, V. 40, N 36. P. 6677-6681.

5. Heflinger D., Arusi-Parpar Т., Ron Y, Lavi R. Application of a unique scheme for remote detection of explosives // Opt. Commun. 2002. V. 204, N 1-6. P. 327-331.

6. Dionne B.C., Rounbehler D.P., Achter E.K., HobbsJ.R., Fine D.H. Vapor pressure of explosives // J. Energetic Mater. 1986. V. 4, N 1. P. 447^72.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 100.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Горлов, Евгений Владимирович

Введение

Глава 1. Дистанционное обнаружение взрывчатых веществ

1.1. Общая характеристика взрывчатых веществ

1.1.1. Элементный состав взрывчатых веществ

1.1.2. Пары взрывчатых веществ

1.1.3. Летучесть взрывчатых веществ и концентрация паров в 21 атмосфере

1.2. Обнаружение паров взрывчатых веществ оптическими методами

1.2.1. ИК-спектроскопия

1.2.2. Спектроскопия комбинационного рассеяния

1.2.3. УФ-видимая спектроскопия

1.2.4. Фрагментация и обнаружение фрагментов

1.2.5. Нелинейные спектроскопические методы

1.3. Выбор оптического метода для дистанционного обнаружения паров 34 взрывчатых веществ

Глава 2. Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ на основе 38 одночастотного лазерного фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции МО-фрагментов

2.1. Двухступенчатый процесс фотофрагментации молекул взрывчатых 38 веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции N0-фрагментов

2.1.1. Лазерная фрагментация молекул взрывчатых веществ

2.1.1.1. Каналы фотофрагментации молекул взрывчатых веществ

2.1.1.2. Выбор характеристического фрагмента

2.1.2. Лазерно-индуцированная флуоресценция МО-фрагментов 45 2.1.2.1. Электронные спектры молекулы N

2.1.2.2. Анализ схем возбуждения флуоресценции МО-фрагментов 50 2.1.3. Модель двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул 59 взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции МО-фрагментов

2.2. Применение метода обнаружения паров взрывчатых веществ на 62 основе одночастотного лазерного фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции МО-фрагментов в лидарной схеме

2.2.1. Лидарное уравнение для двухступенчатого процесса 63 «фотофрагментация — лазерно-индуцированная флуоресценция»

2.2.2. Эффективность процесса обнаружения паров взрывчатых 68 веществ

2.2.3. Влияние атмосферы на работу лидарного обнаружителя паров 69 взрывчатых веществ

2.2.3.1. Тушение флуоресценции МО-фрагментов

2.2.3.2. Помеха несмещенного рассеяния

2.2.3.3. Антистоксово комбинационное рассеяние на основных 81 компонентах атмосферы

2.2.3.4. Многофотонные процессы в атмосфере как причина 87 возникновения шума

2.2.3.5. Влияние атмосферной турбулентности на дальность 93 обнаружения

2.3. Оценка параметров лидарного обнаружителя паров взрывчатых 97 веществ

2.3.1. Расчет уровня сигнала и определение технических требований к 97 оптическим компонентам

2.3.2. Критерий обнаружения

2.3.3. Расчет времени обнаружения

2.4. Аппаратурная реализации лидарного обнаружителя паров взрывчатых веществ

2.4.1. Источник возбуждающего излучения

2.4.2. Расчет схемы лидарного обнаружителя

2.4.3. Конструкция лидарного обнаружителя

Глава 3. Экспериментальные исследования характеристик лидарного 120 обнаружителя паров взрывчатых веществ

3.1. Спектр возбуждения МО-фрагментов из второго колебательного 120 состояния

3.2. Экспериментальное обнаружение паров тротила и тротил-гексогена

3.3. Методика оценки чувствительности лидарного обнаружителя паров 127 взрывчатых веществ

3.4. Экспериментальная оценка предельной чувствительности лидарного 128 обнаружителя паров взрывчатых веществ

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка и исследование метода обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере с помощью лазера"

Применение террористами искусно замаскированных взрывных устройств приводит, как правило, к большому количеству жертв и наносит существенный материальный урон. Проблема оперативного обнаружения взрывчатых веществ (ВВ), взрывных устройств (ВУ) и других взрывоопасных предметов является достаточно актуальной. Именно поэтому во многих странах в последнее время интенсивно ведутся работы по созданию новейших методов и средств обнаружения ВВ.

Большинство из существующих методов обнаружения ВВ требуют отбора проб и пробоподготовки, тогда как при выполнении работ по поиску и обезвреживанию взрывных устройств не всегда имеется возможность контакта с ВУ. В этой связи, особый интерес вызывают методы дистанционного обнаружения ВВ по детектированию их паров и частиц, присутствующих в тех или иных количествах вблизи или на поверхности ВУ.

Одним из самых чувствительных аналитических оптических методов является метод флуоресцентной спектроскопии, позволяющий обнаруживать следовые количества веществ и даже их отдельные молекулы. Применение лазера для возбуждения флуоресценции делает возможным проведение анализа дистанционно. Именно поэтому применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции кажется наиболее верным способом решения задачи обнаружения сверхнизких концентраций.

Однако, как оказалось, эффективность процессов флуоресценции для сложных многоатомных молекул ВВ не велика, в силу высокой вероятности безызлучательной релаксации, характерной для систем с большим числом степеней свободы. Но если сложная молекула не активна в процессах переизлучения, то возможно, в этих процессах будут активны ее фрагменты — более простые молекулы. И действительно применение эффекта фрагментации позволяет существенно повысить чувствительность аналитических методов.

Эффект фотофрагментации (фотолиз) — разбиение сложной молекулы на фрагменты (осколки) квантами оптического излучения позволяет фрагментировать молекулы дистанционно. При этом возможна одновременная эффективная флуоресценция осколков [1-3].

Выбор молекулы N0 в качестве характеристического фрагмента имеет ряд преимуществ. Во-первых, именно нитрогруппа определяет детонационные свойства наиболее распространенных ВВ и является их характерным компонентом. Во-вторых, функциональная группа (С—Ы02, N—N02, О—Ж)2) имеет наименьшую энергию связи, и в процессе фотофрагментации вероятно появление МО-фрагментов. В-третьих, молекулы ВВ имеют широкий спектр и высокое сечение поглощения (фрагментации) в окрестности полосы спектра возбуждения Ж)-фрагментов, что позволяет использовать один и тот же источник излучения и для фрагментации и для возбуждения фрагментов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- получение лидарного уравнения, позволяющего рассчитать величину лидарного отклика, возникающего в результате двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции МО-фрагментов из второго колебательного состояния;

- определение требований к компонентам лидарной системы обнаружения паров ВВ в атмосфере;

- создание макета лидарного обнаружителя;

- экспериментальное исследование возможности использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением ЫО-фрагментов из второго колебательного состояния на дистанциях более 10 метров.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Впервые построена модель двухступенчатого процесса фотофрагментации (фотолиза) молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота и получено лидарное уравнение для этого процесса. Показано, что для рассматриваемого двухступенчатого процесса величина принимаемого лидарного сигнала зависит от плотности энергии лазерного импульса. При этом оказывается, что для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего излучения в контролируемом объеме;

Впервые обнаружено, что С^-ветви антистоксова колебательно-вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на основных составляющих атмосферы (азота и кислорода), находящиеся вблизи полосы флуоресценции МО-фрагментов (236 нм), могут быть источником помехи, ограничивающей чувствительность лидарного обнаружителя ВВ. Было показано, что эта причина ограничения чувствительности, не являются принципиальной поскольку (^-ветви антистоксоваколебательно-вращательного спектра КР азота и кислорода не перекрываются с полосой флуоресценции N0. Оценки) показывают, что повышение спектрального разрешения прибора приведет к многократному снижению уровня шума.

Впервые была экспериментально доказана возможность использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим . возбуждением Ж>фрагмеитов из второго колебательного состояния на дистанциях более 10 метров при чувствительности обнаружения — 70 рр1.

Впервые в задачах дистанционногообнаружения паров нитросоединений. в атмосфере в качестве источника излучения .был использован эксимерный лазер на среде КгР, генерирующий узкую линию (2 пм) на краю контура усиления.

Научная ценность результатов диссертационной работы. ,

Выводы и опыт, полученные в результате теоретической! проработки и экспериментальной апробации метода обнаружения паров ВВ, являются; уникальными и могут быть использованы при; разработке лидарных обнаружителей паров ВВ следующего поколения. .

В . ходе выполнения работы было получено лидарное уравнение, позволяющее, рассчитывать величину лидарного отклика, возникающего в результате двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул взрывчатых веществ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов оксида азота из второго колебательного состояния.

Экспериментально подтверждена возможность обнаружения паров взрывчатых веществ лидарным методом на дальности 13 м при температуре 23°С.

Практическая значимость результатов диссертационной работы определяется возможностью использования результатов данной работы при создании лидарных систем для дистанционного обнаружения паров нитросоединений (в том числе взрывчатых) в атмосфере.

Использование разработанного макета лидарного обнаружителя паров ВВ позволяет дистанционно (на расстоянии более 10 м) обнаруживать пары тротила при температуре 23°С. Регистрация гексогена возможна, если концентрация его паров не менее 70 ppt.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в Институте химико-энергетических технологий СО РАН и могут быть использованы для разработки аппаратуры для Федеральной службы безопасности Российской Федерации и Института нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука СО РАН.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005); V Международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2006); 39th International Annual Conference "Energetic materials -Characterisation, Modelling and Validation" (Германия, 2008); Fraunhofer Symposium Future Security, 3rd Security Research Conference (Германия, 2008); 40th International Annual Conference of ICT "Energetic materials - Characterisation, Modelling and Validation" (Германии, 2009); Молодежной научной конференции Томского государственного университета 2009 г. (Томск, 2009); III Всероссийской молодежной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва 2009); Eighth International Symposium on Special Topics in Chemical Propulsion "Advancements in energetic materials & chemical propulsion" (ЮАР, 2009); 25th International Laser Radar Conference (Санкт-Петербург, 2010); V International Workshop HEMs-2010 "High Energy Materials: Demilitarization, Antiterrorism And Civil Applications" (Бийск, 2010); 3-я Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2010» (Томск, 2010). ,

Структура и объем работы.

В первой главе дана краткая характеристика объекта обнаружения — взрывчатых веществ. Выполнен обзор существующих на сегодняшний день оптических методов обнаружения ВВ. Проведен сравнительный анализ свойственных им достоинств и недостатков, на основании которого выбран метод, наиболее перспективный в смысле построения на его основе системы, способной обеспечить проведение дистанционного обнаружения паров ВВ в атмосфере.

Во второй главе работы рассматривается лидарный метод обнаружения паров ВВ на основе одночастотного лазерного фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции ИО-фрагментов. Дано краткое описание метода обнаружение на основе одночастотного лазерного фотолиза и ЛИФ N0-фрагментов, описан принцип применения метода в лидарной схеме. Дано математическое описание двухступенчатого процесса фотофрагментации молекул ВВ с последующим лазерным возбуждением флуоресценции МО-фрагментов и получено лидарное уравнение для этого процесса. Произведена оценка эффективности процесса обнаружения паров ВВ. Рассмотрен комплекс вопросов влияния атмосферных факторов на работу лидарного обнаружителя паров ВВ. Произведен расчет уровня сигнала и определены технические требования к оптическим компонентам. Определен критерий обнаружения. В соответствии с критерием обнаружения рассчитано время обнаружения паров ВВ в зависимости от дальности обнаружения. Рассмотрены вопросы, связанные с аппаратурной реализацией лидарного обнаружителя паров ВВ.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию характеристик лидарного обнаружителя. Приводятся данные экспериментального определения рабочего положения линии возбуждающего излучения. Дано описание и приведены результаты апробации макета лидарного обнаружителя при обнаружении паров тротила и тротил-гексогена. Описана методика оценки чувствительности лидарного обнаружителя паров ВВ. Приведены результаты экспериментальной оценки предельной чувствительности лидарного обнаружителя.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Для достижения максимальной эффективности процесса обнаружения необходимо обеспечить оптимальную плотность энергии зондирующего излучения в контролируемом объеме. Для паров тротила она составляет около 210 мДж/см2, для паров гексогена — 240 мДж/см2 и не зависит от их концентрации.

2. Повышение плотности мощности зондирующего лазерного пучка до 108 л

Вт/см приводит к возникновению шума за счет образования возбужденных молекул N0, N2 и Ог из основных компонентов воздуха (Ог, N2) в результате многофотонных процессов.

3. Антистоксово комбинационное рассеяние на основных компонентах атмосферы (Ог, N2) ограничивает чувствительность метода обнаружения нитросоединений на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением М>фрагментов из второго колебательного состояния на уровне 5 ррЬ. Для достижения чувствительности близкой к теоретическому пределу необходимо осуществлять спектральное разделение СЬветвей азота и кислорода и полосы флуоресценции N0.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых математических постановок задач, корректным использованием аналитических методов расчета, теоретическим обоснованием полученных результатов и выводов. Подтверждается согласованием с физическими представлениями о распространении оптического излучения в атмосфере, а также согласием с экспериментальными данными, представленными в работах других авторов.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю — кандидату физико-математических наук С.М. Бобровникову, а также доктору физико-математических наук И.В. Самохвалову за поддержку и помощь в работе. Особую благодарность автор выражает доктору физико-математических наук В.Ф. Лосеву, кандидату физико-математических наук Ю.Н. Панченко, кандидату физико-математических наук А.И. Надееву, сотрудникам Инновационного центра ИОА СО РАН O.A. Рынкову и К.А. Рынкову, младшему научному сотруднику ЛЛС ИОА СО РАН В.И. Жаркову за неоценимую помощь в создании лидарной системы, академику Г.В. Саковичу, доктору физико-математических наук А.Б. Ворожцову, доктору физико-математических наук A.A. Павленко за плодотворное сотрудничество при проведении экспериментальных исследований. Автор выражает благодарность сотрудникам ЛЛС ИОА СО РАН за поддержку и помощь в оформлении диссертации.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах [96], [97], [98], [99], [100].

Заключение

В соответствии с поставленной целью исследована возможность дистанционного обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе лидарного принципа с использованием одночастотного лазерного фотолиза и эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции МО-фрагментов. Ниже сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения работы.

3. Установлено, что повышение плотности мощности зондирующего

8 2 лазерного пучка до 10 Вт/см приводит к возникновению шума за счет образования возбужденных молекул N0, N2 и О2 из основных компонентов воздуха (азота и кислорода) в результате многофотонных процессов.

4. Показано, что О-ветви антистоксова колебательно-вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода являются непринципиальными ограничителями чувствительности лидарного обнаружителя паров ВВ, и если не принимать меры по их разделению с полосой флуоресценции МО-фрагментов (236 нм), то чувствительность окажется ограниченной на уровне 5 ррЬ.

5. Экспериментально доказана возможность использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолиза и ЛИФ МО-фрагментов на дистанциях более 10 метров при чувствительности обнаружения около 70 рр1.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Горлов, Евгений Владимирович, Томск

1. Simeonsson J.B., SausaR.C. A critical review of laser photo fragmentation/fragmentdetection techniques for gas phase chemical analysis // Appl. Spectrosc. Rev. 1996. V. 31, N1. P. 1-72.

2. Lemire G.W., Simeonsson J.B., Sausa R.C. Monitoring of vapor-phase nitrocompounds using 226 nm radiation: fragmentation with subsequent NO resonance-enhanced multiphoton ionization // Anal. Chem. 1993. V. 65, N 5. P. 529-533.

3. Wu D., Singh J.P., Yueh F.Y., Monts D.L. 2,4,6-Trinitrotoluene detection by laserphotofragmentation-laser-induced fluorescence // Appl. Opt. 1996. V. 35, N21. P.3998-4003.

4. United Nations Economic Commission for Europe Электронный ресурс. URL: http://www.unece.org.

5. Existing and potential standoff explosives detection techniques. Committee of the

6. Review Existing and Potential Standoff Explosives Detection Techniques. Washington DC: The National Academies Press. 2004. 148 p.

7. United Nations Электронный ресурс. URL: http://www.un.org.

8. GlobalSecurity.org. Reliable Security Information Электронный ресурс. URL: http://www.globalsecurity.org.

9. Аксёнов B.A., Кихтенко A.B., Ковригина B.C., Химичев В.А. Обнаружениевзрывчатых веществ с использованием аппаратуры газового анализа: учебное пособие. Новосибирск: Сибирский филиал ГУ НПО «Специальная техника и связь» МВД России. 2001.

10. Thiesen L., Hannum D.W., Murray D.W., Parmeter J.E. Survey of Commercially

11. Available Explosives Detection Technologies and Equipment 2004. Washington: U.S. Department of Justice, 2005.

12. Dionne B.C., Rounbehler D.P., Achter E.K., Hobbs J.R., Fine D.H. Vapor pressure of explosives //J. Energetic Mater. 1986. V. 4, N 1. P. 447-472.

13. Хинкли Э.Д. Лазерный контроль атмосферы. М.: Мир, 1979. - 416 с. 12Pristera F., Halik М., Castelli A., Fredericks W. Analysis of Explosives Using Infrared Spectroscopy // Analyt. Chem. 1960. V. 32, N 4. P. 495-508.

14. Janni J., Gilbert B.D., Field R.W., Steinfeld J.I. Infrared absorption of explosive molecule vapors // Spectrochim. Acta. Part A. 1997. V. 53, N 9. P. 375-1381.

15. McNesby K.L., Pesce-Rodriguez R.A. Applications of Vibrational Spectroscopy in the Study of Explosives // In: Handbook of Vibrational Sprctroscopy. Eds. J.M. Chalmers, P.R. Griffiths. West Sussex, UK: John Wiley and Sons, 2002.

16. Hong T.Z., Tang C.P., Lin K., Yinon J. // Proc. Of the 4th Int. Symp. Anal. Detect. Explos. 1992. - London. - P. 145-152.

17. Tung Y.S., Mu R., Henderson D.O., Curby W.A. Diffusion Kinetics of TNT in Acrylonitrile-Butadiene Rubber via FT-IR/ATR Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 1997. V. 51, N2. P. 171-177.

18. Henderson D.O., Silberman E., Chen N., Snyder F.W. Adsorption Kinetics of EGDN on ZnO by Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 1993. V. 47, N 4. P. 528-32

19. Henderson D.O., Mu R., Tung Y.S., Huston G.C. Decomposition Kinetics of EGDN on ZnO by Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy. // Appl. Spectrosc. 1995. V. 49, N 4. P. 444-450.

20. Usachev A.D., Miller T.S., Singh J.P., Fang-Yu Yueh, Ping-Rey Jang, Monts D.L. Optical Properties of Gaseous 2,4,6-Trinitrotoluene in the Ultraviolet Region // Appl. Spectrosc. 2001. V. 55, N 2. P. 125-129.

21. Claspy P.C., Pao Y-H., Kwong S., Novov E. Laser optoacoustic detection of explosive vapors // Appl. Opt. 1976. V. 15, N 6. P. 1506-1509.

22. Crane R.A. Laser optoacoustic absorption spectra for various explosive vapors // Appl. Opt. 1978. V. 17, N 13. P. 2097-2102.

23. Fulghum S.F., Tilleman M.M. Interferometric calorimeter for the measurement of water-vapor absorption//J. Opt. Soc. Am. 1991. V. 8, N 12. P. 2401-2413.

24. Fulghum S.F. Detection of Explosives Vapor at the PPT Level with a Laser Interferometric Calorimeter, Rep. SRL-05-F-1993, Sci. Res. Lab., Inc., Somerville, MA. 1993.

25. Paldus B.A., Kachanov A.A. An historical overview of cavity-enhanced methods // Can. J. Phys. 2005. V. 83, N 10. P. 975-999.

26. Malicet J., Daumont D., Charbonnier J., Parisse C., Chakir A., Brion J. Ozone UV spectroscopy. II. Absorption cross-sections and temperature dependence // J. Atmos. Chem. 1995. V. 21, N 3. P. 263-273.

27. Steinfeld J.I., Wormhoudt J. Explosives detection: A challenge for physical chemistry // Ann. Rev. Phys. Chem. 1998. V. 49. P. 203-232.

28. Lacey R.J. Direct non-destructive detection and identification of contraband using Raman microscopy // IEE Conf. Publ. 1995. V. 1995, N CP408. P. 138-141.

29. Shardanand, Prasad Rao A.D. Collision-induced absorption of O2 in the Herzberg continuum //J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 1977. V. 17, N 3. P. 433^139.

30. McFarlane J., Polanyi J.C., Shapter J.G. Photodissociation Dynamics of NO2 at 248 nm // J. Photochem. & Photobiol. A. 1991. V. 58, N 2. P. 139-172.

31. Shu J., Bar I., Rosenwaks S. The use of rovibrationally excited NO photofragments as trace nitrocompounds indicators // Appl. Phys. B. 2000. V. 70, N 4. P. 621-625.

32. Daugey N., Shu J., Bar I., Rosenwaks S. Nitrobenzene detection by one-color laser photolysis/laser induced fluorescence of NO (v = 0-3) // Appl. Spectrosc. 1999. V. 53, N 1. P. 57-64.

33. Schulz C., Yip B., Sick V., Wolfram J. A laser-induced fluorescence scheme for imaging nitric oxide in engines // Chem. Phys. Lett. 1995. V. 242, N 3. P. 259-264.

34. Carter J.C., Scaffidi J., Burnett S., Vasser В., Sharma S.K., Angel S. M. Stand-off Raman Detection Using Dispersive and Tunable Filter Based Systems // Spectrochimica Acta Part A. 2005. V. 61, N 10. P. 2288-2298.

35. Buck A.L. New equations for computing vapor pressure and enhancement factor // J. Appl. Meteorol. 1981. V. 20, N 12. P. 1527-1532.

36. Nee J.B., Juan C.Y., Hsu J.Y., Yang J.C., Chen W.J. The electronic quenching rates of NO(A2Z+, v=0—2) // Chem. Phys. 2004. V. 300, N 1-3. P. 85-92.

37. Zhang R., Crosley D.R. Temperature dependent quenching of A2Z+ NO between 215 and 300 К // J. Chem. Phys. 1995. V. 102, N 19. P. 7418-7424.

38. Counterterrorist detection techniques of explosives // Ed. Jehuda Yinon. N.Y.: Elsevier, 2007. 454 p.

39. Munson C.A., Gottfried J.L., De Lucia F.C., Jr., McNesby K.L., Miziolek A.W. Laser-Based Detection Methods for Explosives // Army Reseach Lab Aberdeen Proving Ground MD Weapons and Materials Research Directorate. Rep. № ADA474060. 2007. 76 p.

40. Steinfeld J.I., Wormhoudt J. Explosives detection: A challenge for physical chemistry // Ann. Rev. Phys. Chem. 1998. V. 49. P. 203-232.

41. Nee J.B., Juan C.Y., Hsu J.Y., Yang J.C., Chen W.J. The electronic quenching rates of NO(A2£+, v=0—2) // Chem. Phys. 2004. V. 300, N 1-3. P. 85-92.

42. Емельянов В.И., Коротеев Н.И. Эффект гигантского комбинационного рассеяния света молекулами, адсорбированными на поверхности // Успехи физ. наук. 1981. Т. 135, № 2. С. 345-361.

43. Fleischmann М., Hendra P.J., McQuillan A.J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode // Chem. Phys. Lett. 1974. V. 26, N 2. P. 163-166.

44. Luque J., Crosley D.R. Transition probabilities and electronic transition moments of the А2Е+-Х2П and П2Е+-Х2П systems of nitric oxide // J. Chem. Phys. 1999. V. Ill, N 16. P. 7405-7415.

45. Smith E., Dent G. Modern Raman Spectroscopy: a Practical Approach. Hoboken, NJ: J. Wiley, 2005.210 р.

46. Raman spectroscopy of gases and liquids. Ed. by A.Weber. — Berlin Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1979.

47. Kiefer W., Topp J.A. Method for Automatic Scanning of the Depolarization Ratio in Raman Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 1974. V. 28, N 1. P. 26-34.

48. Blanco A., Pacheco-Londono L.C., Pena-Quevedo A.J., Hernandez-Rivera S.P. UV Raman detection of 2,4-DNT in contact with sand particles // Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 2006. V. 6217. P. 621737.

49. Comanescu G., Manka C.K., Grun J., Nikitin S., Zabetakis D. Identification of Explosives with Two-Dimensional Ultraviolet Resonance Raman Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2008. V. 62, N 8. P. 833-839.

50. Lacey R.J., Hayward I.P., Sands H.S., Batchelder D.N. Characterisation and Identification of Contraband Using UV Resonant Raman Spectroscopy // Proc. SPIE. 1997. V. 2937. P. 100-105.

51. Sands H.S., Hayward I.P, Kirkbride Т.Е., Bennett R., Lacey R.J., Batchelder D.N. UV-Excited Resonance Raman Spectroscopy of Narcotics and Explosives // Journal of Forensic Sciences. 1998. V. 43, N3. P. 509-513.

52. Nagli L., Gaft M. Raman Scattering Spectroscopy for Explosives Identification // Proc. SPIE. 2007. V. 6552. P. 65520Z.

53. Christesen S.D., Lochner J.M., Hyre A.M., Emge D.K., Jones J.P. UV Raman Spectra and Cross Section of Chemical Agents // Proc. SPIE. 2006. V. 6218. P. 621809.

54. Правилов A. M. Фотопроцессы в молекулярных газах. М.: Энергоатомиздат, 1992.

55. Wu M., Ray M., Fung K.H., Ruckman M.W., Harder D., Sedlacek A.J. Stand-off Detection of Chemicals by UV Raman Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2000. V. 54, N 6. P. 800-806.

56. Phifer C.C., Schmitt R.L., Thorne L.R., Hargis P. Jr., Parmeter J.E. Studies of the laser-induced fluorescence of explosives and explosive compositions // Sandia National Lab. Albuquerque, NM (USA). ReP. SAND2006-6697. 2006. 70 p.

57. Акципетров О. А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, № 7. С. 109-116.

58. EIC Laboratories Электронный ресурс. — URL: http://www.eiclabs.com.

59. Hasue К, Nakahara S, Morimoto J, Yamagami T, Okamoto Y, Miyakawa T. Photoacoustic spectroscopy of some energetic materials // Propellants Explos. Pyrotech. 1995. V. 20, N 4. P. 187-191.

60. Steinfeld J.I., Wormhoudt J. Explosives detection: A challenge for physical chemistry // Ann. Rev. Phys. Chem. 1998. V. 49. P. 203-232.

61. Phifer C.C., Schmitt R.L., Thorne L.R., Hargis P. Jr., Parmeter J.E. Studies of the laser-induced fluorescence of explosives and explosive compositions // Sandia National Lab. Albuquerque, NM (USA). ReP. SAND2006-6697. 2006. 70 p.

62. Cabalo, J.; Sausa, R. Detection of Hexahydro-l,3,5-trinitrol,3,5-triazine (RDX) by Laser Surface PhotofragmentationFragment Detection Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2003. V. 57, N 9. P. 1196-1199.

63. Lemire, G. W.; Simeonsson, J. В.; Sausa, R. C. Monitoring of vapor-phase nitro compounds using 226-nm radiation: fragmentation with subsequent NO resonance-enhanced multiphoton ionization detection // Anal. Chem. 1993. V. 65, N 5. P. 529533.

64. Sausa R. C., Swayambunathan V., Singh G. Detection of Energetic Materials by Laser Photofragmentation/Fragment Detection and Pyrolysis/Laser-Induced Fluorescence. ARL-TR-2387. U.S. Army Research Laboratory: Aberdeen Proving Ground, MD, 2001.

65. Arusi-Parpar Т., Heflinger D., Lavi R. Photodissociation Followed by Laser-Induced Fluorescence at Atmospheric Pressure and 24 °C: A unique Scheme for Remote Detection of Explosives // Appl. Opt. 2001. V. 40, N 36. P. 6677-6681.

66. Wu D., Singh J.P., Yueh F.Y., Monts D.L. 2,4,6-Trinitrotoluene detection by laser-photofragmentation-laserinduced fluorescence // Appl. Opt. 1996. V. 35, N 21. P. 3998-4003.

67. Heflinger D., Arusi-Parpar Т., Ron Y., Lavi R. Application of a unique scheme for remote detection of explosives // Opt. Commun. 2002. V. 204, N 1-6. P. 327-331.

68. Stand-off Detection of Suicide Bombers and Mobile Subjects. Ed. by H.Schubert, A.Rimski-Korsakov. Dordrecht, The Netherlands: Springer, 2006.

69. DeLucia Jr. F.C., Harmon R.S., McNesby K.L., Winkel Jr. R.J., Miziolek A.W. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Analysis of Energetic Materials // Appl. Opt. 2003. V. 42, N 30. P. 6148-6152.

70. Gronlund, R., Lundqvist M., Svanberg S. Remote imaging laser-induced breakdown spectroscopy and remote cultural heritage ablative cleaning // Opt. Lett. 2005. V. 30, N21. P. 2882-2884.

71. Зуев B.E., Банах В.А., Покасов B.B. Оптика турбулентной атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1988. 270 с.

72. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989.

73. Portnov A, Rosenwaks S, Bar I. Detection of particles of explosives via backward coherent anti-Stokes Raman spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93, N 4. P. 041115.

74. Katz O., Natan A., Silberberg Y., Rosenwaks S. Standoff detection of trace amounts of solids by nonlinear Raman spectroscopy using shaped femtosecond pulses // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92, N 17. P. 171116.

75. Li H., Harris D.A., Xu B., Wrzesinski P.J., Lozovoy V.V., Dantus M. Coherent mode-selective Raman excitation towards standoff detection // Opt. Express. 2008. V. 16, N8. P. 5499-5504.

76. Li H., Harris D.A., Xu B., Wrzesinski P.J., Lozovoy V.V., Dantus M. Standoff and arms-length detection of chemicals with single-beam coherent anti-Stokes Raman scattering // Appl. Opt. 2009. V. 48, N 4. P. B17-B22.

77. Steinfeld J.I., Wormhoudt J. Explosives detection: A challenge for physical chemistry // Ann. Rev. Phys. Chem. 1998. V. 49. P. 203-232.

78. Simeonsson J.B., SausaR.C. A critical review of laser photofragmentation/fragment detection techniques for gas phase chemical analysis // Appl. Spectrosc. Rev. 1996. V. 31, N l.P. 1-72.

79. Wu C. J., Fried L. E. Ab initio study of RDX decomposition mechanisms // J. Phys. Chem. A. 1997. V. 101, N 46. P. 8675-8679.

80. Kuklja M.M., Kunz A.B. Electronic structure of molecular crystals containing edge dislocations // J. Appl. Phys. 2001. V. 89, N 9. P. 4962-4970.

81. Chakraborty D., Muller R.P., Dasgupta S., Goddard W.A. III. Mechanism for unimolecular decomposition of HMX (l,3,5,7-tetranitro-l,3,5,7-tetrazocine), an ab initio study // J. Phys. Chem. A. 2001. V. 105, N 8. P. 1302-1314.

82. Cabalo J., Sausa R. Trace detection of explosives with low vapor emissions by laser surface photofragmentation-fragment detection spectroscopy with an improved ionization probe // Appl. Opt. 2005. V. 44, N 6. P. 1084-1091.

83. Handbook of bond dissociation energies in organic compounds / Luo Y.-R. Boca Raton: CRC Press, 2003. - 380 p.

84. Уэйн P. Основы и применения фотохимии. М.: Мир. 1981.

85. United States Patent № 5728584 G01N 33/00, 33/22, 21/63, Method for detecting nitrocompounds using excimer laser radiation / Sausa R.C., Simeonsson J.B., Lemire G.W., March 17, 1998.

86. SenGupta S., Upadhyaya H.P., Kumar A., Dhanya S., Naik P.D., Bajaj P. Photodissociation dynamics of nitrotoluene at 193 and 248 nm: Direct observation of OH formation // Chem. Phys. Lett. 2008. V. 452, N 4-6. P. 239-244.

87. Galloway D.B., Bartz J.A., Huey L.G., Crim F.F. Pathways and Kinetic Energy Disposal in the Photodissociation of Nitrobenzene // J. Chem. Phys. 1993. V. 98, N 3. P. 2107-2114.

88. Galloway D.B., Glenewinkel-Meyer Т., Bartz J.A., Huey L.G., Crim F.F. The Kinetic and Internal Energy of NO from the Photodissociation of Nitrobenzene // J. Chem. Phys. 1994. V. 100, N 3. P. 1946-1952.

89. Lin M.-F., Lee Y.T., Ni C.-K., Xu S., Lin M.C. Photodissociation dynamics of ■ nitrobenzene and o-nitrotoluene // J. Chem. Phys. 2007. V. 126, N 6. P. 064310.

90. Leu G.-H., Chen I.-C. Distributions of rovibrational states of secondary product NOо

91. I from photodissociation of nitric acid at 193 nm // J. Chem. Phys. 1997. V. 107, N18. P. 7223-7229.

92. Myers T.L., Forde N.R., Ни В., Kitchen D.C., Butler L.J. The influence of local electronic character and nonadiabaticity in the photodissociation of nitric acid at 193 nm// J. Chem. Phys. 1997. V. 107, N14. P. 5361-5373.

93. Kosmidis C., Ledingham K.W.D., Clark A., Marshall A., Jennings R., Sander J., Singhal R.P. On the dissociation pathways of nitrobenzene // Inter. J. Mass. Spectrom. Ion Processes. 1994. Y. 135, N 2-3. P. 229-242.

94. Лазерная система для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ: свидетельство №75242 Рос. Федерация. №2008110562; заявл. 19.03.2008; опубл. 27.07.2008 Бюл. № 21.

95. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Дистанционное обнаружение паров взрывчатых веществ в атмосфере // Изв. вузов. Физика. 2010. № 9/3. С. 32-34.

96. Бобровников С.М., Горлов Е.В. Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 12. С.1055-1061.