Детектор следовых количеств нитросодержащих взрывчатых веществ

Актуальность темы
Известно множество взрывчатых веществ (ВВ), промышленный выпуск
которых налажен для производственных (строительные и буровзрывные работы)
и военных целей. Но в последнее время целый ряд ВВ изготавливается бытовым
способом с использованием общедоступных материалов. Такие ВВ уступают
промышленным разработкам в эффективности, надежности и по безопасности
применения. Тем не менее, они могут быть использованы и используются в
террористических актах или в зоне локальных вооруженных конфликтов.
Приборы обнаружения и контроля ВВ создаются с использованием ядерно-
физических, электрохимических или фотометрических люминесцентных методов.
Последние два метода более просты и безопасны в эксплуатации (не требуют
применения источников ИИ) и в настоящее время находят все большее
применение: в частности, приборы, использующие электрохимический метод
спектрометрии в переменном электрическом поле (ПИЛОТ-М, БНТИ, Россия).
Детектирование на основе тушения флуоресценции является более простым и
достаточно чувствительным методом. Однако, большинство приборов,
использующих эффект изменения интенсивности люминесценции сенсорного
датчика в присутствии нитросоединений (например, патент РФ № 123527 или
патент США № 6558626), еще недостаточно совершенны, как в плане
конструкции сенсорного датчика, так и в плане выбора хемосенсорного
материала. Известные устройства не позволяют проводить непрерывное
обнаружение следовых количеств ВВ в месте контроля, имеют низкие
эксплуатационные параметры, требуется их дальнейшие совершенствование.
Продолжается поиск более эффективных конструкций сенсорных элементов. Так,
например, разработан сенсорный элемент фотолюминесцентного или оптического
детектора паров, выполненный в виде трубки, внутренняя поверхность которой
покрыта люминесцентным сенсорным материалом, чувствительным к
содержанию в воздухе паров ВВ (патент США № 6558626, 2000). Анализ
известных разработок показывает, что наиболее актуальной остается проблема
создания компактных мобильных устройств для контроля и обнаружения
следовых количеств взрывчатых веществ в воздухе на базе новых чувствительных
сенсорных материалов и сенсорных устройств нового типа. Это определило цель
и задачи работы.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является создание экспериментальных
образцов портативных детекторов обнаружения следовых количеств
нитросодержащих взрывчатых веществ в воздухе с повышенными техническими
характеристиками на базе новых чувствительных органических сенсорных
материалов и новых конструкций сенсорных элементов. Для достижения
указанной цели необходимо решение следующих задач:
1. Разработка новых фотоактивных люминесцентных хемосенсорных
составов, пригодных для использования в новых конструкциях сенсорных
элементов, обеспечивающих чувствительность детекторов к нитроароматическим
соединениям.
2. Создание аппаратного комплекса для измерения фундаментальных
спектральных характеристик сенсорных материалов различного типа, а также для
определения технических характеристик (работоспособности, ресурса и
стабильности) новых конструкций сенсорных элементов и выбор наиболее
эффективных из них в качестве базовых элементов портативного детектора для
обнаружения следов нитросодержащих ВВ.
3. Разработка конструкции сенсорных элементов на базе новых органических
фотоактивных хемосенсорных составов, а также разработка и создание макетных
образцов переносных портативных детекторов, включая многоканальные системы
(на базе новых органических сенсорных материалов и новых композитных
сенсорных элементов) для непрерывного обнаружения следовых количеств
нитросодержащих взрывчатых веществ в месте контроля; с участием в
организации промышленного выпуска отечественных приборов данного типа в
плане импортозамещения на уровне международных стандартов.
Научная новизна
В диссертационной работе получены следующие результаты,
характеризующиеся научной новизной:
1. В первые предложен новый класс люминесцентных составов/флуорофоров
содержащих различные донорные (трифениламиновый или карбазольные)
фрагменты, чувствительных к ВВ нашедшие применение при создании
детекторов следовых количеств нитроароматических соединений.
2. С использованием аппаратного спектрометрического комплекса впервые
получены, обобщены и систематизированы данные о люминесценции
хемосенсорных составов на основе пиримидина и его азолоаналогов.
3. Разработана и экспериментально обоснована модель механизма
взаимодействия ВВ с фотолюминесцентными хемосенсорами, позволяющая
качественно объяснить процесс взаимодействия ВВ с материалом сенсора.
Практическая значимость
1. Разработан, сконструирован и запущен в эксплуатацию универсальный
многоцелевой стенд для оперативного исследования люминесцентных свойств
хемосенсорных составов и сенсорных элементов на их основе в присутствии
паров ВВ, необходимый для определения технических характеристик сенсорных
конструктивных элементов.
2. Разработана конструкция оригинальных сенсорных элементов (сменных
картриджей с эффективными оптимальными хемосенсорными люминесцентными
материалами), используемых в качестве базовых чувствительных элементов в
детекторах для обнаружения и контроля следовых количеств нитросодержащих
ВВ отличающихся компактностью, дешевизной и простотой исполнения. Патент
на полезную модель №148668 РФ, патентообладателем является ООО «Сенстек».
3. Экспериментальные образцы портативных мобильных детекторов, а также
многоканальных стационарных систем для непрерывного обнаружения следов ВВ
в местах контроля; внедрены в плане имортозамещения в мелкосерийное
производство ООО НПО «ИНТЕРМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ
БЕЗОПАСНОСТИ» (г. Екатеринбург).
Положения, выносимые на защиту
1. Механизм обнаружения нитросоединений люминесцентными сенсорами на
основе пиримидина и его азолоаналогов в растворах обусловлен эффектом
тушения фотолюминесценции вследствие образования устойчивого не
флуоресцентного донорно-акцепторного комплекса между сенсором и
нитросоединением (статическое тушение).
2. Конструкция разработанных сенсорных элементов (сменных картриджей с
наиболее эффективными оптимальными хемосенсорными люминесцентными
составами) отличается максимальной чувствительностью за счет прокачки
полного объёма воздуха сквозь пористый материал подложки с развитой
поверхностью для наиболее полного контакта паров ВВ и эффективного тушения
флуоресценции.
3. Оптический метод регистрации, основанный на эффекте тушения
стационарной люминесценции, наблюдаемой в соединениях-сенсорах на основе
пиримидина и его азолоаналогов при контакте с парами нитросодержащих ВВ в
месте контроля, обеспечивает детектирование паров ВВ с концентрацией не менее
10-13 г/см3, короткое время подготовки детектора к работе (не более 15 с) и
минимальное время детектирования (не более 5 с).
Реализация и испытание разработок
Опытные образцы прибора прошли успешные испытания в 2013-2016 г. в
организациях:
­ ОМОН ГУ МВД России по Свердловской области, Екатеринбург, 2013;
­ ООО Центр технологии взрывобезопасности «Восток», аэропорт
«Кольцово», Екатеринбург, 2015;
­ ГУП Амурской области «Аэропорта Благовещенск», Благовещенск, 2016;
­ ДАБ АО «АэроМАШ-АБ», Москва, 2016.
Документы, подтверждающие результаты испытания разработок,
представлены в приложении к диссертации.
Промышленный прибор, созданный на основе опытного образца детектора,
разработанного при участии диссертанта, производится ООО Научно-
производственное объединение «ИНТЕРМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ
БЕЗОПАСНОСТИ» под торговым названием «Мобильный обнаружитель
нитросодержащих ВВ – «Нитроскан».
Апробация работы
Основные положения, результаты и выводы, сформулированные в работе,
докладывались на региональных, всероссийских и международных конференциях:
20–ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых
ученых (Ижевск, 2014); Международном конгрессе по энергетическим пучкам и
радиационным эффектам (Томск, 2014, 2016); Международном оптическом
конгрессе «Оптика XXI веке» (Санкт-Петербург, 2014); I-ой, II-ой и III-ей
Международной молодежной научной конференции, Физика. Технологии.
Инновации. (Екатеринбург, 2014, 2015, 2016); 4-ой Международной конференции
по физике оптических материалов и устройств (Будва, Черногория, 2015);
Публикации
Результаты исследований изложены в 24 публикациях, в числе которых 7
статей в реферируемых российских и зарубежных периодических научных
изданиях, в 2 патентах РФ, 3 статьи опубликованы в сборнике научных трудов, а
также изложены в 12 тезисах докладов международных и российских
конференций.
Личный вклад автора
При непосредственном участии автора разработан экспериментальный стенд.
Совместно с сотрудниками Института органического синтеза УроРАН
(руководители работ акад. О.Н. Чупахин и акад. В.Н. Чарушин) выполнены
исследования оптико-спектральных свойств более чем 30 различных новых
сенсорных хемолюминесцентных материалов; изучена люминесцентная
чувствительность материалов в различных агрегатных состояниях, определена их
чувствительность к более чем 10 видам взрывчатых веществ. Конструкции
оригинальных сенсорных элементов (сменных картриджей с оптимальными
фоточувствительными материалами) для использования в качестве базовых
блоков в приборе обнаружения и контроля следовых количеств нитросодержащих
ВВ (Патент RU 148668) разработаны совместно с сотрудниками ХТИ д.х.н. доц.
Г.В. Зыряновым, к.х.н. доц. И.С. Ковалевым, к.х.н. м.н.с. Копчуком Д.С. При
непосредственном участии автора, с научным консультантом разработаны
экспериментальный стенд и варианты лабораторных образцов детекторов для
непрерывного обнаружения ВВ. На основе полученных данных подготовлены
проекты научных публикаций для печати. С научным руководителем и
консультантом обобщены результаты работы, сформулированы защищаемые
положения и выводы по диссертации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,
библиографического списка и 4 приложений. Объем диссертации – составляет 139
страниц текста, включая 47 рисунков, 5 таблиц и список литературы,
включающий 91 источник.