Разработка и реализация лидарного метода дистанционного обнаружения фосфорорганических соединений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-79-10297

НазваниеРазработка и реализация лидарного метода дистанционного обнаружения фосфорорганических соединений

Руководитель Горлов Евгений Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем

Ключевые слова Дистанционное обнаружение, фосфорорганические соединения, лазерная фрагментация, оксид фосфора, лазерно-индуцированная флуоресценция, лидар

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сегодня проблема химического терроризма приобретает все более актуальный характер в свете неоднократного применения боевиками террористических группировок против незащищенного мирного населения полноценных боевых отравляющих веществ (ОВ). Несмотря на то, что Конвенция о запрещении химического оружия создает серьезные преграды для свободного обращения ОВ, окончательно закрыть этот вопрос вряд ли удастся. Например, к возможному варианту доступности высокотоксичных химических веществ можно отнести и относительно свободное использование целого ряда пестицидов, выпускаемых химической промышленностью. Среди пестицидов наиболее токсичными являются пестициды, содержащие соединения фосфора. Их действие на организм человека аналогично действию боевых нервно-паралитических ОВ – соединений, специфически нарушающих нормальное функционирование нервной системы с появлением судорог, переходящих в паралич. Высокая токсичность фосфорорганических соединений (ФОС) нервно-паралитического действия, их высокая проникающая способность в сочетании с простотой и разнообразием возможных способов применения в широком диапазоне климатических условий, позволяют им занять ведущее место в арсенале химического оружия террористов. В настоящее время имеются разнообразные устройства контроля и определения опасности химического заражения: от простой индикаторной пленки до сложных электронных детекторов заражения. За редким исключением на практике для контроля химической обстановки используются контактные приборы, требующие проведения процедуры отбора проб и их последующего анализа. При этом, как правило, сама процедура пробоотбора связана с риском химического поражения персонала и требует применения специальных средств защиты. В ряде случаев отбор проб может оказаться невозможен вследствие физической недоступности объекта контроля. В связи с этим особую актуальность приобретает задача разработки и создания дистанционных методов и средств обнаружения химической опасности, позволяющих дистанционно и бесконтактно детектировать и идентифицировать области заражения в реальном масштабе времени и на безопасном расстоянии. Возможность оперативного обнаружения химической опасности позволит своевременно использовать меры защиты населения от химического нападения и снизить эффективность применения ОВ. Помимо решения первоочередной задачи установления факта химического нападения дистанционные приборы химической разведки могут быть использованы для последующего осуществления непрерывного бесконтактного мониторинга уровня опасности на зараженном участке. Целью предлагаемого проекта является разработка и практическая реализация лидарного (лазерно-локационного) метода бесконтактного дистанционного обнаружения фосфорорганических ОВ, способствующего решению широкого круга специальных задач обеспечения безопасности, а также задач экологического мониторинга окружающей среды в режиме реального времени. В основу разрабатываемого метода обнаружения будет положено совместное использование эффектов лазерной фрагментации (ЛФ) оптически малоактивных молекул ФОС и лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) их характеристических фрагментов – молекул оксида фосфора PO, имеющих высокую эффективность в процессах переизлучения. За последние десятилетия подход с использованием ЛФ и ЛИФ нашел широкое применение для дистанционного обнаружения взрывчатых нитросоединений и составил достойную конкуренцию существующим методам лазерной спектроскопии по чувствительности и дальности действия. Экспериментально подтвержденная авторами настоящей заявки пороговая чувствительность ЛФ/ЛИФ-метода составила 10e-12 г/см3 (100 ppt) при обнаружении паров взрывчатых веществ в атмосфере на дистанциях более 10 метров и 1–10 нг/см2 при дистанционном обнаружении микрочастиц взрывчатых веществ на поверхностях объектов. В случае решения задачи определения зараженности воздуха парами и аэрозолями ОВ необходимый уровень чувствительности детектора можно оценить по значениям боевой концентрации ОВ, которая определяется необходимым для уничтожения противника количеством ОВ в единице объема воздуха. Количественной характеристикой степени заражения поверхности является плотность заражения, под которой понимают массу ОВ, приходящуюся на единицу площади зараженной поверхности. Например, концентрация зарина, вызывающая у человека первые признаки заражения, составляет 1e-10 г/см3; боевая же плотность заражения местности зарином при выполнении задачи на уничтожение живой силы, защищенной противогазами, составляет 2 мкг/см2. Видно, что в обоих случаях предельная чувствительность ЛФ/ЛИФ-метода примерно на два порядка величины больше требуемой при обнаружении ОВ. Основными задачами предлагаемого проекта являются: - теоретическое и экспериментальное исследование процесса УФ лазерной фрагментации молекул ФОС; - теоретическое и экспериментальное исследование способов эффективного оптического возбуждения флуоресценции PO-фрагментов молекул ФОС; - аппаратурная реализация лидарного метода дистанционного обнаружения ФОС на основе совместного использования эффектов ЛФ и ЛИФ. Научная новизна заключается: - в получении новых знаний о механизмах диссоциации молекул ФОС при одно- и/или двухимпульсном лазерном воздействии; - в разработке математической модели двухступенчатого процесса лазерной фрагментации молекул ФОС с последующим лазерным возбуждением флуоресценции PO-фрагментов, позволяющей рассчитывать влияние характеристик возбуждения на параметры оптических откликов при различных состояниях объекта контроля (парообразном, аэрозольном, капельно-жидком), а также оценить эффективность обнаружения ФОС и определить оптимальные соотношения между параметрами лидарной системы, объекта обнаружения и среды распространения излучения; - в разработке программного обеспечения, позволяющего моделировать спектры поглощения и спектры испускания при флуоресценции PO-фрагментов с учетом их спектроскопических особенностей, проявляющихся в результате отрыва фрагментов от исходной молекулы ФОС в процессе фотодиссоциации; - в создании нового метода бесконтактного дистанционного обнаружения ФОС по лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов их диссоциации. Очевидно, что результаты, полученные в рамках проекта по применению метода ЛФ/ЛИФ для обнаружения фосфорорганических соединений, позволят создать необходимый научно-технический задел для реализации метода дистанционного обнаружения хлорсодержащих ОВ кожно-нарывного, общеядовитого, удушающего, раздражающего действия – соединений, индикатором присутствия которых может служить хлор-фрагмент.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Панченко Ю.Н., Пучикин А.В., Ямпольская С.А., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Narrowband KrF Laser for Lidar Systems IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume: 57, Issue: 2, Article Number: 1500105 (год публикации - 2021)
10.1109/JQE.2021.3049579

2. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Оценка эффективности лазерного возбуждения молекул оксида фосфора Оптика атмосферы и океана, Т. 34, № 4, С. 302-311 (год публикации - 2021)
10.15372/AOO20210408

3. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Эффективность лазерного возбуждения PO-фотофрагментов органофосфатов Оптика атмосферы и океана, Т. 35, № 3, С. 175-185 (год публикации - 2022)
10.15372/AOO20220301

4. Андреев М.В., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В., Ямпольская С.А., Горлов Е.В., Жарков В.И. Электроразрядный KrF-лазер с высокой удельной энергией излучения Журнал технической физики, Том 92, вып. 6, с. 861-866 (год публикации - 2022)
10.21883/JTF.2022.06.52516.32-22

5. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Мурашко С.Н. Оценка эффективности лазерного возбуждения перехода B2Σ+ (vʹ = 0) – X2Π (vʺ = 0) оксида фосфора Оптика атмосферы и океана, Т. 35. № 05. С. 361–368. (год публикации - 2022)
10.15372/AOO20220503

6. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Laser-induced fluorescence of PO-photofragments of dimethyl methylphosphonate Applied Optics, Vol. 61, No. 21, pp. 6322-6329 (год публикации - 2022)
10.1364/AO.456005

7. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Сафьянов А.Д. Лазерно-индуцированная флуоресценция PO-фотофрагментов органофосфатов Оптика атмосферы и океана, Т. 35, № 8, с. 613–618 (год публикации - 2022)
10.15372/AOO20220803

8. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Мурашко С.Н. Оценка энергетических и временных параметров лазерного излучения для эффективного возбуждения флуоресценции оксида фосфора Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2023)
10.15372/AOO202305

9. Панченко Ю.Н., Андреев М.В., Пучикин А.В., Горлов Е.В., Жарков В.И. The formation of the spatial structure of a diffuse discharge in excimer lasers at high pump powers Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), ICLO 2022 - Proceedings (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9839986

10. Панченко Ю.Н., Пальянов П.А., Пучикин А.В., Андреев М.В., Бобровников С.М., Горлов Е.В. Узкополосный александритовый лазер для лидарных систем Издательство Томского государственного университета, Сборник научных трудов XVII Международной конференции «HEMs-2022». С. 104-105. (год публикации - 2022)

11. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Мурашко С.Н., Панченко Ю.Н., Сафьянов А.Д. Лазерная фрагментация органофосфатов с последующим лазерным возбуждением флуоресценции фрагментов Издательство Томского государственного университета, Сборник научных трудов XVII Международной конференции «HEMs-2022». С. 101-103. (год публикации - 2022)

12. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Мурашко С.Н., Сафьянов А.Д. Расчет спектра поглощения оксида фосфора Издательство ИОА СО РАН, Материалы XXVIII Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". С. А219-A221. (год публикации - 2022)

13. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Мурашко С.Н., Сафьянов А.Д. Эффективность лазерного возбуждения оксида фосфора Издательство ИОА СО РАН, Материалы XXVIII Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". С. А222-A225. (год публикации - 2022)

Публикации