9.4. ДИСТАНЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ

ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

Быстрое развитие мировой промышленности создает проблемы, связанные с защитой населения от последствий техногенных катастроф, периодически случающихся на химических заводах, в газовой и нефтедобывающей промышленности, на транспорте и т.д. Самым внушительным примером такого рода катастрофы была трагедия в Бхопале (Индия) 3 декабря 1984 г. Газ, просочившийся из резервуара с изоцианатом метила, привел к смерти 3800 человек и недееспособности приблизительно 2700 человек. Сравнительно недавно (11 июля 2001 г.) выброс газа арсина (AsH₃) из химического резервуара в штате Оклахома (США) привел к поражению 138 человек.

В дополнение к техногенным катастрофам необходимо помнить об угрозе террористических нападений. Такое событие произошло 20 марта 1995 г., когда члены секты Aum Shinrikyo спустились в метро г. Токио и выпустили зарин – смертельно опасный газ нервно-поражающего действия. Число пораженных составило около 3800 человек и 12 человек скончалось.

Своевременное обнаружение и идентификация типа отравляющего вещества при террористической атаке или техногенной катастрофе определяют эффективность применения средств противодействия, а также размер нанесенного ущерба. В этой связи особую актуальность приобретают высокоточные средства дистанционного обнаружения и идентификации источников заражения во времени и пространстве (например, лазерные технологии, которые хорошо зарекомендовали себя в задачах экологического мониторинга и оптики атмосферы).

Физической основой методов дистанционного обнаружения и идентификации химических соединений в атмосфере является фундаментальное явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Особенно активно это взаимодействие происходит в оптическом диапазоне частот. В атмосфере можно выделить два основных эффекта взаимодействия излучения с веществом – это рассеяние и поглощение. Если послать в атмосферу короткий импульс лазерного излучения, то часть энергии этого импульса, рассеявшись на молекулах и аэрозолях, вернется назад и может быть зарегистрирована в виде оптического сигнала. Такой оптический сигнал принято называть «лидарным» откликом, а прибор, способный получать такие отклики – лидаром. В последнее время лидарные методы контроля окружающей среды получают все большее распространение. Очевидна актуальность применения этих методов к задаче построения системы раннего обнаружения и идентификации отравляющих веществ в атмосфере.

Лидары дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР-лидары) обладают наибольшей оперативностью и дальностью действия по сравнению с другими лидарными обнаружителями загрязняющих веществ. Принцип их действия основан на измерении разности ослаблений лидарных сигналов, получаемых на двух длинах волн, одна из которых лежит в полосе поглощения обнаруживаемого вещества, а другая – вне. ДПР-лидар, специально спроектированный и построенный для обнаружения отравляющих веществ в атмосфере, позволит за несколько минут провести обнаружение облака отравляющих веществ, определить его размер, координаты, скорость и направление движения, распределение концентрации внутри облака.

Однако ДПР-лидар на основе СО₂-лазеров, хотя и имеют высокую чувствительность и большую дальность действия, не обладают высоким пространственным разрешением. Применение таких систем целесообразно в условиях широкомасштабных боевых действий, и бессмысленно при локальном нападении. В этой связи особое значение приобретают лидарные методы, построенные на основе эмиссионных эффектов взаимодействия излучения с веществом, таких, например, как спонтанное комбинационное рассеяние (СКР) и флуоресценция. Принцип действия СКР-лидара основан на использовании эффекта спонтанного комбинационного рассеяния лазерного излучения на молекулах вещества. При этом в спектре рассеянного излучения наблюдаются полосы, положение которых определяется типом рассеивающих молекул. СКР-лидар позволяет проводить одновременное дистанционное обнаружение заданного набора загрязняющих компонентов без каких-либо начальных предположений. При этом используется только один источник возбуждающего излучения, длина волны которого может выбираться произвольно.

Методика обнаружения отравляющих веществ с помощью эффекта СКР позволит проводить одновременное обнаружение и идентификацию целого набора вероятных для применения отравляющих веществ по наличию полос СКР в сигналах обратного рассеяния. Кроме того, в случае применения СКР-лидара пространственное разрешение практически будет ограничиваться длительностью лазерного импульса и может быть доведено до 1 м.

Принцип действия флуоресцентного лидара основан на использовании в качестве лидарных откликов сигналов флуоресценции, возбуждаемой в рассеивающем объеме. Флуоресцентные дистанционные методы обнаружения и идентификации отравляющих веществ позволяют проводить надежную идентификацию границ и положения облаков ОВ в жидко-капельном состоянии, а также проводить их грубую идентификацию.

Потенциальные возможности лидарного обнаружителя определяются величиной, которая носит название «порог обнаружения» и определяется из уравнения

,

где N_m – среднее значение числа фотоотсчетов за время измерения;

σ (N_m) – среднеквадратичное отклонение числа фотоотсчетов.

В соответствии с порогом обнаружения можно рассчитать время обнаружения ОВ в зависимости от дальности обнаружения. На рис. 9.9 приведены результаты расчета времени обнаружения для четырех наиболее токсичных ОВ. Расчет проводился для концентраций, соответствующих летальной дозе респираторного заражения при одноминутной экспозиции.

Из рис. 9.9 видно, что наибольшие трудности для обнаружения представляют наиболее токсичные отравляющие вещества. Так, например, на обнаружение зомана (GD) на дальности в 600 м потребуется время порядка трех секунд.

В табл. 9.4 приведены расчетные дальности обнаружения для четырех наиболее токсичных ОВ при различных временах обнаружения.

Рис. 9.9. Время обнаружения наиболее токсичных ОВ

Таблица 9.4

Характеристики обнаружения отравляющих веществ методом СКР-лидара

Из табл. 9.4 видно, что увеличение времени измерения приводит к незначительному возрастанию дальности обнаружения.

Для обнаружения аномальных изменений атмосферы, обусловленных наличием в ней радиоактивных аэрозолей, паров и аэрозолей отравляющих веществ, аэрозолей биологических средств, паров сильнодействующих ядовитых веществ используются лидарные комплексы дальнего действия.

На рис. 9.10 представлены лидарные комплексы дальнего действия, разработанные в НПП «Лазерные системы».

Принцип работы лидарного комплекса в режиме определения состава вещества методом дифференциального поглощения основан на регистрации спектра поглощения лазерного зондирующего излучения, отраженного от топографической мишени. Полученная информация обрабатывается, строятся экспериментальные спектры и сравниваются с базой данных. В качестве источников зондирующего излучения используются газовые CO₂-лазеры, а также твердотельные Ti : Sph и Nd : YAG лазеры.

Рис. 9.10. Мобильные лидарные комплексы дальнего действия

Таблица 9.5

Технические характеристики лидарных комплексов дальнего действия

В лидарных системах ближнего действия в отличие от лидарных комплексов дальнего действия применяются такие лазерные источники, как квантово-каскадные и DFB-полупроводниковые лазеры. Спектр излучения этих лазеров позволяет детектировать такие опасные вещества, как HF, HCN, H₂S, SO₂, NH₄, окислы азота, некоторые органические соединения, а также – другие АХОВ и ОВ.

Малые массогабаритные характеристики таких излучателей позволяют создавать портативные лидарные системы. Примером таких систем является разработанный в НПП «Лазерные системы» дистанционный датчик паров этанола «Алколазер» (рис. 9.11), предназначенный для дистанционного обнаружения паров этанола в салоне движущегося автомобиля.

Рис. 9.11. Внешний вид дистанционного датчика паров этанола

Таблица 9.6

Технические характеристики дистанционного датчика паров этанола

Действие датчика основано на диодной лазерной спектроскопии молекул этилового спирта. Оптический датчик представляет собой лидар дифференциального поглощения. Используются две длины волны: одна – сигнальная, попадающая в линию поглощения C₂H₅OH, а другая – опорная, лежащая вне сигнальной линии поглощения этилового спирта. По возникающей разнице в принимаемой фотодиодом мощности опорного и сигнального лазеров делается вывод о наличии или отсутствии спирта и по уровню возникающей разницы – о его концентрации. Наличие опорного сигнала необходимо для определения неактивного поглощения по трассе зондирования.

Технические характеристики лидарных комплексов дальнего действия приведены в табл. 9.5. Технические характеристики прибора «Алколазер» приведены в табл. 9.6.