RU2148825C1 - Explosives detector - Google Patents
Explosives detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2148825C1 RU2148825C1 RU97104125A RU97104125A RU2148825C1 RU 2148825 C1 RU2148825 C1 RU 2148825C1 RU 97104125 A RU97104125 A RU 97104125A RU 97104125 A RU97104125 A RU 97104125A RU 2148825 C1 RU2148825 C1 RU 2148825C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- filter
- light
- raman
- detector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для обнаружения взрывчатого материала в образце. По меньшей мере некоторые варианты осуществления настоящего изобретения направлены на определение наличия взрывчатых компонентов пластикового взрывчатого вещества Семтекс (Semtex). The invention relates to devices for detecting explosive material in a sample. At least some embodiments of the present invention are directed to determining the presence of explosive components of a plastic explosive substance Semtex (Semtex).
Известна Европейская патентная заявка ЕР 455516, кл. G 01 V 3/00, 1991, поданная на имя Бритиш Аэроспейс (British Aerospace) и которая раскрывает порядок действий, направленных на обеспечение безопасности в аэропортах и подобных им объектах. Каждому пассажиру, поднимающемуся на борт самолета, выдается посадочный талон, который обычно он или она в дальнейшем предъявляет на пункте проверки перед посадкой на самолет. Если этот пассажир держал в руках взрывчатое вещество, то следы этого материала будут присутствовать на посадочном талоне после того, как он или она держали его в руках. На проверочном пункте посадочный талон проверяется с целью обнаружения этих следов. В патентной заявке ЕР 455516 раскрывается ряд возможных способов проведения химического анализа на наличие следов таких материалов. Они предусматривают проведение спектрометрии по массе, газовой хроматографии и спектрометрии ионной подвижности. Тем не менее, ни один из этих технических приемов не доказал свою практическую применимость по различным причинам. Например, взрывчатые компоненты пластикового взрывчатого вещества Семтекс (Semtex) имеют исключительно низкое давление паров, что делает их чрезвычайно трудно определимыми с использованием технологии "обоняния". Более того, в предложенных технических приемах проба, как правило, разрушается и, таким образом, посадочный талон не может более служить уликой против пассажира, находящегося под подозрением. Known European patent application EP 455516, cl. G 01 V 3/00, 1991, filed in the name of British Aerospace and which discloses a course of action aimed at ensuring security at airports and similar facilities. Each passenger boarding an aircraft is issued a boarding pass, which he or she usually presents at a checkpoint before boarding the aircraft. If this passenger was holding explosive in their hands, then traces of this material will be present on the boarding pass after he or she held it in their hands. At the checkpoint, the boarding pass is checked to detect these traces. EP 455516 discloses a number of possible methods for conducting chemical analysis for traces of such materials. They include mass spectrometry, gas chromatography and ion mobility spectrometry. However, none of these techniques has proven to be practical for various reasons. For example, the explosive components of a Semtex plastic explosive have an extremely low vapor pressure, which makes them extremely difficult to detect using the "smell" technology. Moreover, in the proposed techniques, the sample, as a rule, is destroyed and, thus, the boarding pass can no longer serve as evidence against a passenger who is under suspicion.
Хорошо известным техническим приемом для осуществления анализа и идентификации материалов является Рамановская спектроскопия. Об этом методе можно прочитать, например, в Международной патентной заявке с номером международной публикации WO90/07108, кл. G 01 N 21/65, 1990, поданной на имя фирмы Renishaw (Ренишоу), Великобритания, и в Европейской патентной заявке ЕР 543578, кл. G 01 J 3/18, 1993, также поданной на имя фирмы Renishaw (Ренишоу), Великобритания. В этой заявке раскрыто, что пластиковое взрывчатое вещество Семтекс (Semtex) имеет два активных химических ингредиента: циклотриметилен-тринитрамин или RDX и пентаэритритол- тетранитрат или PETN. Было раскрыто, что RDX и PETN присутствуют во взрывчатом веществе в виде прозрачных кристаллов, размеры которых измеряются несколькими микрометрами, и связанных вместе аморфным воскообразным материалом. Ряд исследователей ранее описывали Рамановские спектры RDX и PETN, полученные, например, с помощью Рамановской спектроскопии с преобразованием Фурье. A well-known technique for analyzing and identifying materials is Raman spectroscopy. This method can be read, for example, in the International patent application with the number of international publication WO90 / 07108, cl. G 01 N 21/65, 1990, filed in the name of Renishaw (Renishaw), United Kingdom, and in European patent application EP 543578, cl. G 01 J 3/18, 1993, also filed in the name of Renishaw (Renishaw), UK. This application discloses that a Semtex plastic explosive has two active chemical ingredients: cyclotrimethylene-trinitramine or RDX and pentaerythritol tetranitrate or PETN. It has been disclosed that RDX and PETN are present in the explosive in the form of transparent crystals, the dimensions of which are measured by several micrometers, and bound together by an amorphous waxy material. A number of researchers previously described the Raman spectra of RDX and PETN obtained, for example, using Raman spectroscopy with Fourier transform.
Наиболее близкое к настоящему изобретению устройство для обнаружения взрывчатого материала в образце принципиально описано в статье Дж. Ахаван "Анализ образцов сильно взрывчатых веществ с помощью Рамановской спектроскопии с преобразованием Фурье", Спектрохимия Акта, том 47А, N 9/10, 1991, стр. 1247-1250 (J. Akhavan, "Analysis of High-Explosive Samples by Fourier Transform Raman Spectroscopy", Spectrochimica Acta, Vol 47А, N 9/10, 1991, pages 1247-1250). В этой статье описана возможность создания устройства для обнаружения взрывчатого материала, содержащего источник света для освещения образца для того, чтобы вызвать получение Рамановского рассеянного света, и детектор для обнаружения Рамановского рассеянного света. Детектор для обнаружения Рамановского рассеянного света регистрирует Рамановские пики в пределах от 400 до 3200 см-1, что дает возможность обнаружения взрывчатых веществ в лабораторных условиях. Однако описанные в статье исследования проводились в лабораторных условиях, а принципиально описанное в ней устройство для определения взрывчатого вещества в образце не позволяет определить присутствие пластикового взрывчатого вещества, такого как Семтекс (Semtex) в относительно короткий период времени, при возможном наличии загрязнений другими веществами, так, как это требуется при практическом применении таких устройств.Closest to the present invention, a device for detecting explosive material in a sample is fundamentally described in the article by J. Ahavan "Analysis of highly explosive samples using Raman spectroscopy with Fourier transform", Spectrochemistry of Act, volume 47A, N 9/10, 1991, p. 1247 -1250 (J. Akhavan, "Analysis of High-Explosive Samples by Fourier Transform Raman Spectroscopy", Spectrochimica Acta, Vol 47A, N 9/10, 1991, pages 1247-1250). This article describes the possibility of creating a device for detecting explosive material containing a light source for illuminating a sample in order to cause Raman scattered light, and a detector for detecting Raman scattered light. A detector for detecting Raman scattered light detects Raman peaks in the range from 400 to 3200 cm -1 , which makes it possible to detect explosives in the laboratory. However, the studies described in the article were carried out under laboratory conditions, and the device described in principle for determining explosives in a sample does not make it possible to determine the presence of a plastic explosive, such as Semtex, in a relatively short period of time, in the presence of contamination by other substances, , as required in the practical application of such devices.
В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце, конструкция которого позволяла бы в относительно короткий промежуток времени и при наличии в образце загрязнений обнаружить наиболее часто применяемые взрывчатые вещества. The basis of the present invention is the creation of a device for detecting explosive material in a sample, the design of which would allow in a relatively short period of time and in the presence of contaminants in the sample to detect the most commonly used explosives.
Эта задача решена посредством устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце, содержащего источник света для освещения образца для того, чтобы вызвать получение Рамановского рассеянного света, детектор для обнаружения Рамановского рассеянного света, полученного от образца, и в котором, согласно изобретению, между образцом и детектором размещен узкополосный фильтр, середина полосы пропускания которого настроена на около 880 см-1, пропускающий к детектору свет в узкой полосе, которая перекрывает 874 см-1 и 885 см-1.This problem is solved by means of a device for detecting explosive material in a sample containing a light source for illuminating the sample in order to cause Raman scattered light, a detector for detecting Raman scattered light received from the sample, and in which, according to the invention, between the sample and the detector a narrow-band filter is placed, the middle of the passband of which is tuned to about 880 cm -1 , transmitting light to the detector in a narrow band that covers 874 cm -1 and 885 cm -1 .
Настоящее изобретение возникло в результате работ по анализу образцов вещества Семтекс (Semtex) с использованием устройства проведения Рамановского спектрального анализа. Следует отметить, что в коммерческих образцах вещества Семтекс RDX и PETN компоненты присутствуют в различных пропорциях. Более того, многие пики в Рамановском спектре RDX и PETN компонентов зависят от поляризации. Так как большинство микроскопических частиц вещества Семтекс, которые могут быть обнаружены в образцах, получаемых на практике, таких как отпечатки пальцев, состоят из единичных кристаллов, мы обнаружили, что пики интенсивности поляризованных Рамановских полос находятся в зависимости от разности углов между плоскостью поляризации освещения лазером и ориентацией кристалла. Наши исследования показали, что частоты, тем не менее, остаются постоянными. В частности, в ходе наших исследований мы обнаружили, что RDX имеет явно выраженный пик на 885 см-1, а PETN имеет явно выраженный пик на 874 см-1, независимо от поляризации. Этот вывод привел нас к тому, что для решения поставленной задачи, а именно для быстрого обнаружения наличия взрывчатого вещества в образцах, получаемых на практике, необходимо осветить образец, в результате чего получается Рамановский рассеянный свет, отфильтровать полученный таким образом Рамановский рассеянный свет узкополосным фильтром, который перекрывает значения 885 см-1 и 874 см-1, и обнаружить отфильтрованный таким образом свет. Из приведенных выше рассуждений понятно, что при анализе образца, содержащего вещество Семтекс, требуется, чтобы устройство позволяло бы обнаружить RDX полосу, расположенную на 885 см-1 и/или PETN полосу на 874 см-1, независимо от пропорции этих материалов, присутствующих в веществе Семтекс.The present invention has arisen as a result of work on the analysis of samples of the substance Semtex (Semtex) using a device for conducting Raman spectral analysis. It should be noted that in commercial samples of Semtex RDX and PETN components are present in various proportions. Moreover, many peaks in the Raman spectrum of RDX and PETN components are polarization dependent. Since most microscopic particles of Semtex material that can be detected in samples obtained in practice, such as fingerprints, consist of single crystals, we found that the intensity peaks of the polarized Raman bands depend on the difference in angles between the plane of polarization of the laser light and crystal orientation. Our studies have shown that frequencies, however, remain constant. In particular, in our studies, we found that RDX has a pronounced peak at 885 cm -1 , and PETN has a pronounced peak at 874 cm -1 , regardless of polarization. This conclusion led us to the fact that in order to solve the problem, namely, to quickly detect the presence of explosives in samples obtained in practice, it is necessary to illuminate the sample, as a result of which Raman scattered light is obtained, to filter the Raman scattered light thus obtained by a narrow-band filter, which overlaps the values of 885 cm -1 and 874 cm -1 , and detect the light thus filtered. From the above reasoning, it is clear that when analyzing a sample containing Semtex, it is required that the device would detect an RDX band located at 885 cm -1 and / or a PETN band at 874 cm -1 , regardless of the proportion of these materials present in substance Semteks.
В настоящем изобретении раскрываются несколько различных конструкций устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце. The present invention discloses several different constructions of an apparatus for detecting explosive material in a sample.
Было бы целесообразно, чтобы образец, подлежащий исследованию, был бы выполнен в форме карточки или другого документа, поверхность которого сканируется с помощью источника света, детектора и фильтра. И в этом же случае было бы желательно, чтобы карточка или другой документ перемещалась бы вдоль источника света, детектора и фильтра устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце. It would be advisable that the sample to be examined be made in the form of a card or other document, the surface of which is scanned using a light source, detector and filter. And in this case, it would be desirable for the card or other document to move along the light source, detector and filter of the device for detecting explosive material in the sample.
Возможен такой вариант выполнения устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце, при котором устройство содержит линзу, приспособленную для получения от источника света линейного фокуса света поперек карточки или другого документа. Such an embodiment of a device for detecting explosive material in a sample is possible, in which the device comprises a lens adapted to receive a linear focus of light from a light source across a card or other document.
Однако возможен и другой вариант выполнения устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце, при котором устройство содержит прибор, который сканирует пятно света от источника света поперек карточки или другого документа. However, another embodiment of the device for detecting explosive material in a sample is possible, wherein the device comprises a device that scans a spot of light from a light source across a card or other document.
Было бы желательно, чтобы детектор для обнаружения Рамановского излучения обнаруживал бы изображение поверхности образца в двух измерениях. It would be desirable if the detector for detecting Raman radiation detects an image of the surface of the sample in two dimensions.
Было бы целесообразно, чтобы во всех вариантах выполнения устройства для обнаружения взрывчатого материала в образце оно содержало средство для обнаружения спектра Рамановского рассеянного света, отдельно от указанного узкополосного фильтра. It would be advisable that in all embodiments of the device for detecting explosive material in the sample, it contains means for detecting the spectrum of Raman scattered light, separately from the specified narrow-band filter.
Кроме этого, наши исследования показали, что наибольший эффект достигается, когда узкополосный фильтр, используемый в устройстве для обнаружения взрывчатого материала в образце, имеет ширину полосы около 20 см-1.In addition, our studies have shown that the greatest effect is achieved when the narrow-band filter used in the device for detecting explosive material in a sample has a bandwidth of about 20 cm -1 .
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения в дальнейшем будут описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1a) и 1b) изображают Рамановские спектры RDX и PETN, соответственно, на кремниевой облатке;
фиг. 2a)-2f) изображают поляризованные Рамановские спектры кристалла RDX при различной его ориентации;
фиг. 3 изображает схему устройства, считывающего посадочный талон, например для использования в аэропортах;
фиг. 4 изображает схему варианта сканирующего устройства, предназначенного для использования в считывающем устройстве, показанном на фиг. 3; и
фиг. 5 изображает схему еще одного устройства для анализа получаемых на практике образцов, таких как отпечатки пальцев.Preferred embodiments of the present invention will hereinafter be described with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1a) and 1b) depict the Raman spectra of RDX and PETN, respectively, on a silicon wafer;
FIG. 2a) -2f) depict the polarized Raman spectra of an RDX crystal with different orientations;
FIG. 3 is a diagram of a device reading a boarding pass, for example for use in airports;
FIG. 4 is a diagram of an embodiment of a scanning device for use in the reader shown in FIG. 3; and
FIG. 5 is a diagram of another apparatus for analyzing practical samples, such as fingerprints.
Типичные Рамановские спектры кристаллов RDX и PETN, с размером стороны в несколько микрон, помещенные на кремниевой облатке, изображены на фиг. 1, где а) спектр RDX и b) спектр PETN. Измерения проводились с использованием устройства, описанного в Европейской патентной заявке ЕР 543578, с HeNe лазером, мощностью 25 мВт, с длиной волны излучения 632,8 нм. При этом использовался объектив микроскопа X20, NA=0,45. Количество энергии, попадавшей на образец, составляло примерно 5 мВт, что соответствует плотности энергии в 2•109 Вт/м2.Typical Raman spectra of RDX and PETN crystals, with a side size of several microns, placed on a silicon wafer, are depicted in FIG. 1, where a) the RDX spectrum and b) the PETN spectrum. The measurements were carried out using the device described in European patent application EP 543578, with a HeNe laser, with a power of 25 mW, with a radiation wavelength of 632.8 nm. An X20 microscope objective was used, NA = 0.45. The amount of energy entering the sample was approximately 5 mW, which corresponds to an energy density of 2 • 10 9 W / m 2 .
Время получения вышеупомянутых спектров составило 5 с. Оказалось, что как RDX, так и PETN имеют большие Рамановские поперечные сечения рассеивания, что позволяет легко получать Рамановский спектр. Мы также испытали с этими же образцами линейный Ar+ лазер с длиной волны 514,5 нм и получили идентичные результаты. Эти спектры по внешнему виду подобны спектрам, которые получаются при более низком спектральном разрешении при использовании Рамановской техники с преобразованием Фурье с гораздо большей мощностью лазера и гораздо более продолжительным временем регистрации.The time for obtaining the above spectra was 5 s. It turned out that both RDX and PETN have large Raman scattering cross sections, which makes it easy to obtain the Raman spectrum. We also tested a linear Ar + laser with a wavelength of 514.5 nm with the same samples and obtained identical results. These spectra are similar in appearance to those obtained at lower spectral resolution using the Raman technique with Fourier transform with a much higher laser power and a much longer recording time.
Мы продемонстрировали, что пластиковое взрывчатое вещество, такое как Семтекс, может быть идентифицировано путем простого получения Рамановского спектра или изображения Рамановской полосы. Таблица 1 представляет собой список всех Рамановских полос, возникающих в спектрах, показанных на фиг. 1. Относительные интенсивности пиков обозначены буквенными символами: S обозначает "сильный", М обозначает "умеренный" и W обозначает "слабый", а префикс V обозначает "очень". P показывает, что пик поляризованный. С первого взгляда Рамановские спектры разных RDX частиц часто выглядят несколько различно из-за того, что большинство частиц являются единичными кристаллами. Для образцов с отдельными кристаллами интенсивности поляризованных Рамановских полос зависят от разности углов между плоскостью поляризации лазера и ориентации кристаллов. Тем не менее, частоты остаются постоянными. We have demonstrated that a plastic explosive such as Semtex can be identified by simply acquiring the Raman spectrum or image of the Raman band. Table 1 is a list of all Raman bands arising in the spectra shown in FIG. 1. The relative intensities of the peaks are indicated by alphabetic characters: S means “strong”, M means “moderate” and W means “weak”, and the prefix V means “very”. P indicates that the peak is polarized. At first glance, the Raman spectra of different RDX particles often look somewhat different due to the fact that most particles are single crystals. For samples with individual crystals, the intensities of the polarized Raman bands depend on the difference in angles between the plane of laser polarization and the orientation of the crystals. However, the frequencies remain constant.
Поляризованные Рамановские спектры, снятые с единичного RDX кристалла, показаны на фиг. 2. Кристалл был выращен в лаборатории, получился прямоугольным по форме, его размеры приблизительно составили 1 х 2 х 5 мм3. Мы определили X, Y и Z оси соответственно, таким образом, что самый больший размер кристалла был расположен вдоль оси Z и две плоские поверхности находились в плоскостях YZ. Теоретический анализ показывает, что интенсивность Рамановского рассеянного света пропорциональна квадрату дипольного момента, индуцированного в образце падающим на него излучением. Этот дипольный момент и записан следующим образом:
U = aE (1)
или
Ux = axxEx+axyEy+axzEz
Uy =ayxEx+ayyEy+ayzEz
Uz = azxEy+azyEy+azzEz (2)
где E представляет собой значение электрического поля падающего луча лазера, и a представляет собой тензор поляризуемости. Путем ориентации кристаллического образца RDX на площадке микроскопа для расположения образцов и установки анализатора поляризации перед спектрометром было получено девять Рамановских спектров. Каждый из этих спектров отражает составляющую одного из девяти элементов тензора поляризуемости, т.е. XX, YY, ZZ, XY, YX, XZ, ZX, YZ или ZY и т.д. Здесь показаны только шесть независимых спектров, так как в действительности axy=аyx, axz=azx, ayz=azy. В дополнение к утверждению о том, что RDX частицы являются отдельными кристаллами, этот вид исследований предоставляет детальную информацию о симметрии вибрационных видов колебаний.The polarized Raman spectra taken from a single RDX crystal are shown in FIG. 2. The crystal was grown in the laboratory, turned out to be rectangular in shape, its size was approximately 1 x 2 x 5 mm 3 . We determined the X, Y, and Z axes, respectively, so that the largest crystal size was located along the Z axis and two flat surfaces were in the YZ planes. Theoretical analysis shows that the intensity of Raman scattered light is proportional to the square of the dipole moment induced in the sample by the radiation incident on it. This dipole moment is written as follows:
U = aE (1)
or
U x = a xx E x + a xy E y + a xz E z
U y = a yx E x + a yy E y + a yz E z
U z = a zx E y + a zy E y + a zz E z (2)
where E is the value of the electric field of the incident laser beam, and a is the polarizability tensor. Nine Raman spectra were obtained by orienting a RDX crystalline sample at the microscope site to position the samples and installing a polarization analyzer in front of the spectrometer. Each of these spectra reflects a component of one of the nine elements of the polarizability tensor, i.e. XX, YY, ZZ, XY, YX, XZ, ZX, YZ or ZY, etc. Only six independent spectra are shown here, since in reality a xy = a yx , a xz = a zx , a yz = a zy . In addition to the assertion that RDX particles are separate crystals, this type of research provides detailed information on the symmetry of vibrational modes of vibration.
Как можно видеть на фиг.1 и 2 и из таблицы 1, RDX имеет интенсивную полосу на 885 см-1, a PETN имеет интенсивную полосу на 874 см-1. Эти полосы остаются интенсивными независимо от поляризации и ориентации кристалла. В результате этих исследований мы выяснили, что компоненты материала Семтекс, такого как Семтекс-H (Semtex-H), могут быть обнаружены с использованием узкополосного фильтра с центром полосы пропускания на 880 см-1, а ширина его полосы пропускания может быть выбрана (порядка) 20 см-1 для того, чтобы перекрыть обе эти полосы на 885 см-1 и 874 см-1.As can be seen in figures 1 and 2 and from table 1, RDX has an intense band at 885 cm -1 , and PETN has an intense band at 874 cm -1 . These bands remain intense regardless of the polarization and orientation of the crystal. As a result of these studies, we found that the components of the Semtex material, such as Semtex-H (Semtex-H), can be detected using a narrow-band filter with a center passband of 880 cm -1 , and its bandwidth can be selected (about ) 20 cm -1 in order to overlap both of these bands at 885 cm -1 and 874 cm -1 .
На фиг.3 показано, как стандартное устройство для считывания посадочного талона в аэропорту может быть усовершенствовано для установки в нем такого детектора. Когда пассажир проходит регистрацию в аэропорту, он или она, как это принято, получает посадочный талон 10. Если он или она перед этим держали в руках взрывчатое вещество Семтекс, то следы частиц этого вещества останутся на его или ее руках и в дальнейшем перенесутся на посадочный талон 10 при обычном контакте. Затем на подходящем для этих целей проверочном посту, например в предпосадочном проходе аэропорта, пассажира просят пропустить свой посадочный талон 10 через считывающее устройство, показанное на фиг. 3. Figure 3 shows how a standard device for reading a boarding pass at an airport can be improved to install such a detector in it. When a passenger passes check-in at the airport, he or she, as usual, receives a
Как схематически изображено на фиг. 3, устройство для считывания посадочного талона содержит корпус 12, в котором помещено обычное считывающее устройство 14. Считывающее устройство имеет обычный механизм перемещения талона в направлении стрелки 20 вдоль пути 16 перемещения к считывающему устройству 14 от входной щели 18 корпуса. Устройство 14 для считывания посадочного талона осуществляет ряд операций, например операцию идентификации каждого пассажира для того, чтобы определить, какой из пассажиров не прибыл. Оно может возвращать пассажиру небольшую часть талона, содержащую информацию, такую как номер места и т.д., но, предпочтительно, сохраняет большую часть талона. Это значит, что в случае, когда будет обнаружен Семтекс, талон сохраняется для проведения дальнейшего анализа, который проводится для подтверждения обнаружения и для использования его в качестве доказательства, если это потребуется. As schematically depicted in FIG. 3, the reader for the boarding pass includes a
В то время как посадочный талон 10 перемещается вдоль пути 16 перемещения, он сканируется светом лазера 22. Для этих целей подходят многие типы лазеров, в том числе газовые лазеры, такие как гелиево-неоновый лазер, или соответствующим образом стабилизированный и снабженный фильтром полупроводниковый лазерный диод. Дихроичный фильтр 24 отражает свет с длиной волны излучения лазера на 90o , далее этот свет фокусируется линзой или системой 26 линз на талон 10 при его прохождении вдоль пути 16. Так как предпочтительно сканировать всю поверхность талона или большую его часть, система линз 26 может содержать цилиндрическую линзу, дающую линейный фокус поперек ширины посадочного талона, когда он движется в направлении стрелки 20.While the
Эта же система линз 26 собирает рассеянный свет от освещенной линии. Затем он проходит назад к дихроичному фильтру 24, который отклоняет отраженный и релеевский рассеянный свет, имеющий ту же самую длину волны, что и возбуждающий лазер 22, но пропускает любой Рамановский рассеянный свет. Рамановский рассеянный свет проходит через узкополосный фильтр 28 и фокусируется линзами 30 на детекторе 32, который может представлять собой лавинный фотодиод. The
Фильтр 28 имеет узкую полосу пропускания, около 20 см-1 с центром на значении около 880 см-1. Как уже указывалось ранее, детектор 32 реагирует на присутствие на посадочном талоне 10 любой из RDX или PETN-частиц потому, что фильтр пропускает интенсивные Рамановские полосы на 874 см-1 и 885 см-1. Тем не менее, детектор 32 не будет реагировать на рассеянный свет с любым другим волновым числом. На фиг.3 показан фильтр 32, расположенный перпендикулярно к оптическому пути, но он может быть расположен и под углом к нормали, если требуется подстроить его на 880 см-1.
Выходной сигнал детектора 32 принимается блоком 34 управления, который может содержать компьютер для управления различными частями устройства и который вырабатывает соответствующее указание, если от детектора будет получен сигнал, превышающий пороговое значение. Предпочтительно, чтобы блок 34 управления мог осуществлять вычитание сигнала фона, т.е. определять высоту над фоном любого пика, обнаруженного фильтром на 880 см-1. Это может оказаться важным в том случае, если посадочный талон несет материал, который обладает широкополосной люминесценцией или флюоресценцией от материала самого посадочного талона или от грязи или пыли, которая попала на него с рук. Для того чтобы произвести вычитание сигнала фона, часть рассеянного света может отражаться расщепителем 36 луча, который расположен перед фильтром 28, на дополнительные узкополосный фильтр 38, линзу 40 и детектор 42. Они аналогичны компонентам 28, 30, 32, за исключением того, что фильтр 38 настроен на узкую полосу, с одной стороны 880 см-1 полосы, например на значение 810 см-1, на котором вещество Семтекс имеет слабое или не имеет Рамановского рассеивания. Выходной сигнал детектора 42 принимается блоком 34 управления, где он вычитается из сигнала детектора 32 при помощи соответствующего программного обеспечения компьютера или предназначенной для этого электронной системы, такой как компаратор. Затем блок 34 управления вырабатывает соответствующее указание, в случае, если сигнал превышает заранее предусмотренное пороговое значение.The output signal of the
В схеме, показанной на фиг.3, в качестве расщепителя 36 луча может быть использован простой расщепитель луча 50:50. Тем не менее, для того, чтобы не было потерь рассеянного света, поступающего для обнаружения, желательно использовать полосовой фильтр, имеющий резкий срез между соответствующими полосами фильтров 28, 38. Это обеспечивает то, что весь свет в полосе 880 см-1 будет проходить на фильтр 28, в то время как весь свет в прилегающей полосе будет отражаться на фильтр 38. Действительно, вместо полосового фильтра, фильтр 36 может быть сам по себе выполнен таким образом, что он будет пропускать только полосу шириной 20 см-1 с центром на 880 см-1 прямо на детектор 32 (без необходимости применения отдельного фильтра 28), отражая весь остальной свет на фильтр 38 фона. В качестве альтернативы, фильтр 36 может представлять собой режекторный фильтр, который пропускает весь рассеянный свет на фильтр 28, кроме узкой полосы, которая требуется для вычитания сигнала фона и которая отражается прямо на детектор 32 (без необходимости в фильтре 38).In the circuit shown in FIG. 3, a simple 50:50 beam splitter can be used as a
Наши опыты показали, что Рамановское устройство, такое, как предложенное, может успешно применяться для обнаружения исключительно малых по размеру частиц вещества Семтекс, размером около 1 мкм3, с весом около 1 пикограмма, за несколько секунд. Наши опыты имитировали реальные условия практического применения, в которых мы подготавливали образцы "с примесью" отпечатков пальцев, которые были загрязнены как веществом Семтекс, так и загрязняющими веществами. Исходя из требуемой чувствительности, а также допустимой вероятности ошибочного сигнала тревоги, тем не менее, было бы желательно снизить скорость, с которой посадочный талон 10 движется вдоль пути 16 перемещения, по сравнению со скоростью, используемой в обычных устройствах считывания посадочных талонов. Кроме того, возможно наносить покрытие на материал талона в виде тонкого слоя вещества, такого, как серебро, золото или медь, имеющего подходящую степень шероховатости поверхности. При такой соответствующей поверхности молекулы материала RDX или PETN абсорбируются в неровностях поверхности и могут показывать улучшенные свойства Рамановского рассеивания (SERS), что в очень значительной степени увеличивает Рамановское рассеивание.Our experiments showed that a Raman device, such as the one proposed, can be successfully used to detect extremely small particles of Semtex, about 1 μm 3 in size, with a weight of about 1 picogram, in a few seconds. Our experiments simulated real conditions of practical application in which we prepared fingerprinted samples that were contaminated with both Semtex and contaminants. Based on the required sensitivity as well as the allowable probability of an erroneous alarm, however, it would be desirable to reduce the speed at which the
Также может быть желательным обеспечить, чтобы посадочные талоны были изготовлены из нефлуоресцирующего материала. В качестве альтернативы использования нефлуоресцирующих талонов является использование лазера 22, который излучает свет в далеком красном или в инфракрасном диапазоне спектра. Возбуждение с такими длинами волн значительно уменьшает или устраняет проблему с флюоресценцией. It may also be desirable to ensure that boarding passes are made of non-fluorescent material. An alternative to using non-fluorescent coupons is the use of a
Естественно, могут быть использованы другие оптические схемы, чем представленная на фиг. 3. Например, соответствующая оптическая схема может освещать и собирать свет Рамановского рассеивания с обеих сторон талона одновременно. Naturally, other optical schemes than those shown in FIG. 3. For example, the corresponding optical scheme can illuminate and collect Raman scattering light from both sides of the ticket simultaneously.
На фиг. 4 изображена модификация сканирующей схемы для считывающего устройства посадочных талонов, изображенной на фиг. 3. В этом устройстве посадочный талон 10 рассматривается в поперечном сечении, в направлении стрелки 20, изображенной на фиг. 3. Применение цилиндрических линз, в системе линз 26 для получения линейного фокуса поперек талона может оказаться не самым эффективным способом для сбора максимального количества Рамановского отраженного света. В соответствии с этим, на фиг. 4 изображена модифицированная система 26' линз, которая формирует точечный фокус на талоне 10 и которая имеет более высокую эффективность сбора Рамановского отраженного света. Свет фокусируется на талон 10 после отражения от многогранного блока 46, каждая грань которого имеет зеркальную поверхность. Блок 46 постоянно вращается, как изображено стрелкой 44, с помощью двигателя (не показан). Это приводит к тому, что пятно света лазера производит сканирование талона 10 в поперечном направлении с большей скоростью, чем продольное сканирование, получаемое при движении талона вдоль пути 16 перемещения. In FIG. 4 shows a modification of the scanning circuit for the boarding pass reader shown in FIG. 3. In this device, the
Рассеянный свет от талона проходит обратно через зеркальную поверхность блока 46 и систему 26' линз в оптическую систему, аналогичную показанной на фиг. 3. The scattered light from the ticket passes back through the mirror surface of the
Системы, показанные на фиг. 3 и 4, определяют только наличие вещества Семтекс в какой-либо точке талона 10. Одним из существенных преимуществ техники Рамановского анализа является то, что она является неразрушающей. Таким образом, если вещество Семтекс будет обнаружено, то талон сохраняется для дополнительного анализа и для использования в качестве улики. Ясно, что такая система может быть модифицирована для обнаружения вещества Семтекс на других поверхностях, таких как билеты, карточки идентификации личности, паспорта и т. д. , и может быть использована не только в считывающем устройстве для авиационных посадочных талонов, но и при входах в общественные помещения, правительственные здания и другие подобные им сооружения. Неразрушающая природа Рамановского анализа сама по себе пригодна для использования в таких ситуациях, когда билет, талон и т.д. должен быть возвращен владельцу обратно после анализа. The systems shown in FIG. 3 and 4, they determine only the presence of the Semtex substance at any point in
Более того, детектор и сопутствующие компоненты 32-42, показанные на фиг. 3, могут быть использованы в сочетании с ручными волоконно-оптическими зондирующими головками, такими, например, как описанные в Патентах США 5 377 004, кл. G 01 J 3/44, 1994 (выдан на имя Оуэн (Owen)) и 5 112 127, кл. G 01 J 3/44, 1992 (выдан на имя Каррабба (Carrabba)). Свет от лазера 22 подается по оптическому волокну к зондирующей головке, при этом Рамановский рассеянный свет подается назад через другое оптическое волокно к компонентам 32-42. Такая ручная волоконно-оптическая головка может быть использована для обнаружения присутствия вещества Семтекс на широком диапазоне образцов, в том числе и при прямом анализе рук подозреваемого, а также при анализе багажа, который должен быть загружен в самолет. Действительно, при соответствующей миниатюризации компоненты 32-42 детектора и различные фильтры и линзы могут быть вмонтированы в ручной зондирующий узел, вместе с соответствующими линзами объективов и полупроводниковым лазерным диодом. Для обеспечения правильной установки зондирующей головки относительно анализируемого образца головка может быть снабжена соответствующей стойкой или другими приспособлениями для позиционирования. Moreover, the detector and related components 32-42 shown in FIG. 3 can be used in combination with hand-held fiber optic probe heads, such as, for example, those described in US Patents 5,377,004, cl. G 01 J 3/44, 1994 (issued in the name of Owen) and 5 112 127, cl. G 01 J 3/44, 1992 (issued in the name of Carrabba). The light from the
В некоторых случаях было бы желательным анализировать образец более детально, чем это предусмотрено оборудованием, показанным на фиг. 3 и 4. Это можно осуществить с помощью устройства, показанного на фиг.5, которое аналогично устройству, описанному в Европейском патенте ЕР 543578, ссылка на который сделана для обеспечения возможности получения более подробной информации. Образец 52 располагают на подставке 54 микроскопа и освещают светом от лазера 50 через систему линз 56, зеркало 58, дихроичный фильтр 60, зеркало 62 и линзы 64 объектива микроскопа. Если желательно сформировать изображение некоторой области образца, то тогда линзы 56 настраиваются таким образом, чтобы расфокусировать лазерный луч, падающий на образец 52, освещая, таким образом, требуемый участок. Рассеянный Рамановский свет собирается объективом 64 микроскопа, проходит в обратном направлении через дихроичный фильтр 60 (который отклоняет отраженный и релеевский рассеянный свет, имеющий ту же длину волны, что и лазер, как и в ранее описанном случае). Рассеянный Рамановский свет затем проходит через фильтр 70, отражается от зеркал 66, 68. Фильтр 70 представляет собой узкополосный фильтр, с центром на 880 см-1 и шириной полосы 20 см-1, как и ранее, для определения наличия RDX и PETN компонентов вещества Семтекс. Изображение освещенной области образца в двух измерениях в свете полосы с центром на 880 см-1 затем фокусируют линзами 74 на подходящий для этих целей двумерный детектор, такой как прибор 72 с зарядовой связью (CDD). Это изображение воспринимается и представляется компьютером 76, который также по мере необходимости управляет другими частями аппарата. Например, компьютер 76 может производить вычитание сигнала фона с той же целью, которая пояснена выше, путем некоторого наклона фильтра 70 для его подстройки на близлежащую полосу пропускания. Затем компьютер 76 формирует другое, фоновое изображение и вычитает данные для каждого элемента изображения фона из соответствующих данных для изображения в полосе 880 см-1.In some cases, it would be desirable to analyze the sample in more detail than is provided by the equipment shown in FIG. 3 and 4. This can be done using the device shown in figure 5, which is similar to the device described in European patent EP 543578, a link to which is made to provide the possibility of obtaining more detailed information.
На фиг. 5 также показано, что это устройство может иметь отдельный режим работы, более подробно описанный в Европейском патенте ЕР 543578, который может использоваться для подтверждения присутствия RDX или PETN, если они обнаруживаются в какой-либо отдельной части изображения. Линза 56 может быть перефокусирована для получения освещения отдельной интересующей точки изображения, путем перемещения подставки микроскопа 54 в требуемой степени. Зеркала 66 убираются из оптического пути так, что рассеянный Рамановский свет теперь отражается через призму 79 на дифракционную решетку 78. Это распределяет спектр Рамановского рассеянного света на точки, представляющие интерес по поверхности прибора с зарядовой связью 72, позволяя, путем сравнения со спектрами, изображенными на фиг.1 и 2, сделать положительное подтверждение того, что образец действительно является веществом RDX и/или PETN. In FIG. 5 also shows that this device can have a separate mode of operation, described in more detail in European patent EP 543578, which can be used to confirm the presence of RDX or PETN if they are found in any particular part of the image.
Конечно, устройство, изображенное на фиг. 5, может быть модифицировано для различных условий применения. Вся система, изображенная на фиг. 5, более подходит для использования в судебной лаборатории, где имеется квалифицированный персонал, который может идентифицировать спектры, получаемые с помощью дифракционной решетки 78. В качестве альтернативы, для получения системы, которая может использоваться в полицейском участке, дифракционная решетка 78, призма 79 и зеркала 66, 68 могут не использоваться, фильтр 70 размещается непосредственно на прямой в положении между дихроичным фильтром 60 и линзой 74. Оператор невысокой квалификации может затем легко получать изображения отпечатков пальцев в полосе шириной 20 см-1 с центром на 880 см-1, что укажет на присутствие частиц вещества Семтекс на отпечатках пальцев.Of course, the device shown in FIG. 5 may be modified for various application conditions. The entire system depicted in FIG. 5 is more suitable for use in a forensic laboratory where there is qualified personnel who can identify the spectra obtained using
Вместо обеспечения вычитания сигнала фона путем настройки фильтра 70, аналогичный эффект может быть достигнут заменой фильтра 70 на другой фильтр с соответствующей полосой пропускания для определения сигнала фона. Затем с помощью подходящего приспособления фильтр 70 может быть удален так, что на приборе с зарядовой связью может быть сформировано изображение отпечатка пальца или другого образца, полученное в белом свете, введенном в микроскоп. Возможность сравнить изображение отпечатка пальца в белом свете с изображением, снятым в полосе 880 см-1, особенно полезна, поскольку позволяет увидеть, что обнаруженные следы взрывчатого вещества действительно ассоциируются с отпечатком пальца. Это устраняет возможность того, что отпечаток пальца мог быть сделан на поверхности, которая предварительно была загрязнена взрывчатым веществом, и улучшает надежность судебных улик, полученных с помощью этой техники.Instead of allowing the background signal to be subtracted by adjusting the
Как видно на фиг. 2, несмотря на то, что для RDX всегда присутствует полоса 885 см-1, она, в некоторой степени, зависит от поляризации. Пик на 874 см-1 для PETN не зависит от поляризации. Эти факты могут использоваться, если это потребуется, для отличия RDX от PETN. Поляризационный фильтр размещается в оптическом пути рассеянного Рамановского излучения после дихроичного фильтра 24, 60 и настраивается таким образом, чтобы было видно, изменяется или нет измеренная интенсивность полосы 880 см-1.As seen in FIG. 2, despite the fact that for the RDX there is always a band of 885 cm -1 , it, to some extent, depends on the polarization. The peak at 874 cm -1 for PETN is independent of polarization. These facts can be used, if necessary, to distinguish RDX from PETN. The polarization filter is placed in the optical path of the scattered Raman radiation after the
Другая модификация устройства, представленная на фиг. 5 (с дифракционной решеткой 78 или без нее), заключается в том, что фильтр 70 может быть заменен на другой фильтр, настроенный на тот или иной пик, изображенный на фиг. 1 и 2, например на пик 533 см-1 для RDX. В качестве альтернативы, один фильтр 70 может перестраиваться на оба пика. Получается изображение в рассеянном Рамановском свете каждого из пиков 533 см-1 и 885 см-1 для RDX, причем из каждого из них вычитается сигнал фона (используя изображение, полученное, например, на 500 см-1 и 810 см-1, соответственно). Полученные в результате этого два изображения объединяются с помощью компьютера 76, используя логику "И", для получения окончательного изображения, на котором показаны только те области, которые одновременно отражают с пиками на 533 и 885 см-1. Это приводит к повышению надежности идентификации RDX по отпечатку пальца. Аналогичная техника может использоваться в системах, которые не предназначены для получения изображения, например, путем установки дополнительных фильтров и устройств расщепления луча в системе, представленной на фиг. 3. Аналогичным образом другие вещества, отличные от вещества Семтекс, могут быть надежно идентифицированы по двум или большему количеству характерных Рамановских пиков.Another modification of the device shown in FIG. 5 (with or without diffraction grating 78), the
Дихроичные фильтры 24, 60 на фиг. 3, 4 и 5 могут представлять собой многослойные диэлектрические фильтры. В качестве альтернативы могут использоваться голографические режекторные или полосовые фильтры, как описано в Европейском патенте ЕР 543578, причем они могут использоваться на малых углах падения, порядка 10o или 11o, для улучшения независимости их от поляризации. Вместо голографических фильтров могут применяться сладчатые фильтры. Фильтры 28, 38, 70 могут быть любыми из этих типов фильтров.
Статья авторов Ц. Ченг и др. "Определение и идентификация следов взрывчатых веществ на месте их расположения с помощью Рамановской микроскопии". Журнал Судебных Наук, JFSCA, том 40, N 1, январь 1995 г., страницы 31-37 (С. Cheng et al. "In-Situ Detection and Identification of Trace Explosives by Raman Microscopy", Journal of Forensic Sciencies, JFSCA, Vol 40, N 1, January 1995 г., pages 31-37) приводится здесь как библиографическая ссылка. Эта статья была опубликована после даты заявленного приоритета настоящей заявки на патент. Article of the authors C. Cheng et al. "Identification and identification of traces of explosives at their location using Raman microscopy." Journal of Forensic Sciences, JFSCA,
Claims (8)
20.08.94 - по пп.1, 2 и 6 - 8;
24.12.94 - по пп.3 и 5;
21.08.95 - по п.4.Priority on points:
08/20/94 - according to paragraphs 1, 2 and 6 - 8;
12/24/94 - according to paragraphs 3 and 5;
08.21.95 - according to claim 4.
Applications Claiming Priority (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB9416889A GB9416889D0 (en) | 1994-08-20 | 1994-08-20 | In situ detection and identification of trace explosives by raman microscopy |
GBGB9426241.7A GB9426241D0 (en) | 1994-12-24 | 1994-12-24 | Detection of contraband substances |
GB9416889.5 | 1995-05-05 | ||
GB9509264.9 | 1995-05-05 | ||
GB9426241.7 | 1995-05-05 | ||
PCT/GB1995/001979 WO1996006346A1 (en) | 1994-08-20 | 1995-08-21 | Detector for explosive substances |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97104125A RU97104125A (en) | 1999-03-10 |
RU2148825C1 true RU2148825C1 (en) | 2000-05-10 |
Family
ID=26305494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97104125A RU2148825C1 (en) | 1994-08-20 | 1995-08-21 | Explosives detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2148825C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2672792C1 (en) * | 2017-12-15 | 2018-11-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) | Raman spectrometer with micro- and macro-modes combination for chemical and structural analysis of substances |
RU194268U1 (en) * | 2019-08-07 | 2019-12-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Detector for the detection and control of drugs, drugs and toxic agents |
RU2821710C1 (en) * | 2023-10-15 | 2024-06-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Use of hybrid substrates of silicon nanowires decorated with silver and/or gold nanoparticles for rapid detection of explosives |
-
1995
- 1995-08-21 RU RU97104125A patent/RU2148825C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ж-л Spectrochimica Acta, Part A: Molecular Spectroscopy, vol.47A, No 9/10, 1991, p.1247-1250. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2672792C1 (en) * | 2017-12-15 | 2018-11-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) | Raman spectrometer with micro- and macro-modes combination for chemical and structural analysis of substances |
RU194268U1 (en) * | 2019-08-07 | 2019-12-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Detector for the detection and control of drugs, drugs and toxic agents |
RU2821710C1 (en) * | 2023-10-15 | 2024-06-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Use of hybrid substrates of silicon nanowires decorated with silver and/or gold nanoparticles for rapid detection of explosives |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0776472B1 (en) | Detector for explosive substances | |
US10794764B2 (en) | Double-channel miniaturized Raman spectrometer | |
US6608677B1 (en) | Mini-lidar sensor for the remote stand-off sensing of chemical/biological substances and method for sensing same | |
Cheng et al. | In situ detection and identification of trace explosives by Raman microscopy | |
EP1311813B1 (en) | System and method for epi-detected coherent anti-stokes raman scattering microscopy | |
US8054454B2 (en) | Time and space resolved standoff hyperspectral IED explosives LIDAR detector | |
US20060279732A1 (en) | Spectroscopic sensor on mobile phone | |
DE60029878T2 (en) | Method and apparatus for determining particles using the reflection of a multi-scanning beam | |
US6907149B2 (en) | Compact optical measurement probe | |
US7492462B2 (en) | Optochemical sensor | |
AU2004238652A1 (en) | Personal identification verification and controlled substance detection and identification system | |
RU2409862C2 (en) | Apparatus and method for optical verification of valuable documents | |
US9476827B2 (en) | System and method of multitechnique imaging for the chemical biological or biochemical analysis of a sample | |
RU2148825C1 (en) | Explosives detector | |
KR19990028796A (en) | Method and apparatus for identifying waste carpet using hand-held infrared spectrometer | |
US20070165215A1 (en) | Contactless corrosion sensor | |
JP2003522323A (en) | Fluorescence emission measurement device | |
JPH08500432A (en) | Acousto-optically harmonious filter-based surface scanning device and method | |
US7446867B2 (en) | Method and apparatus for detection and analysis of biological materials through laser induced fluorescence | |
WO2005028062A2 (en) | Method and apparatus for the separation of fluorescence and elastic scattering produced by broadband illumination using polarization discrimination techniques | |
CN1162993A (en) | Detector for explosive substances | |
Mercado et al. | Image analysis of explosives fingerprint contamination using a Raman imaging spectrometer | |
CN111965152A (en) | A identification appearance that is used for on-spot biological spot of criminal investigation to detect | |
RU2343430C2 (en) | Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure | |
RU62458U1 (en) | EXPLOSIVES DETECTION SYSTEM BY THE METHOD OF SPECTROSCOPY OF MULTIPLE DISTURBED COMPLETE INTERNAL REFLECTION (INRM) IN THE PROCESS OF BIOMETRIC IDENTIFICATION |