Исследование и разработка методов дистанционного обнаружения сверхнизких концентраций высокоэнергетических материалов в атмосфере

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 17-19-01229

НазваниеИсследование и разработка методов дистанционного обнаружения сверхнизких концентраций высокоэнергетических материалов в атмосфере

Руководитель Бобровников Сергей Михайлович, Доктор 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 №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-303 - Сильноточная электроника и электроника больших мощностей

Ключевые слова высоковольтный генератор накачки, эксимерный электроразрядный лазер, низкотемпературная плазма, активная среда, твердотельный лазер, узкополосное излучение, монохроматор, лидар, высокоэнергетические материалы, лазерная фрагментация, лазерно-индуцированная флуоресценция, оксид азота

Код ГРНТИ29.33.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте решается фундаментальные и прикладные задачи квантовой и сильноточной электроники по развитию лидарных технологий дистанционного обнаружения сверхнизких концентраций (~ 1Е-13 г/см3 или 1 ppb) высокоэнергетических материалов (ВЭМ) в окружающей среде. Актуальность данных исследований обусловлена тем, что в настоящее время не ослабевает угроза применения террористами замаскированных взрывных веществ (ВВ) в местах скопления людей. В таких случаях, как правило, возникает большое количество жертв, а также наносится существенный материальный и психологический ущерб населению. Большинство разрабатываемых и имеющихся приборов поисковой техники используют методы газового анализа при заборе проб вблизи предполагаемого нахождения (ВВ). Однако данные способы не позволяют обеспечить возможность бесконтактного обнаружения ВВ. Кроме того, в большинстве случаев, не удается обеспечить условия для контактного отбора проб, что может быть обусловлено либо ограничением поискового времени, либо требованиями по безопасности персонала. В этой связи, особый интерес вызывают методы дистанционного обнаружения ВВ по детектированию их паров или частиц, присутствующих в тех или иных количествах вблизи или на поверхности ВВ. Среди множества научных и прикладных задач требующих решения для достижения намеченной цели, необходимо выделить следующие: поиск способов повышения эффективности взаимодействия оптического излучения с ВЭМ; разработка лазерных источников с требуемыми энергетическими, спектральными и временными параметрами излучения; разработка специальных оптических и оптико-электронных систем для работы в заданных участках спектра; разработка аппаратуры спектральной селекции принимаемых оптических сигналов, обеспечивающей достаточный уровень подавления помехи несмещенного рассеяния при высоком пропускании сигнального излучения. Задачи, поставленные в проекте, объединяют в себе теоретические и экспериментальные исследования дистанционного обнаружения паров и следов ВЭМ включающие в свой состав нитрогруппу NO, NO2. Основными физическими методами будут являться: лазерный фотолиз с последующей лазерно-индуцированной флуоресценцией (ЛФ-ЛИФ) и рамановская (комбинационная) спектроскопия, а также комбинирующие способы на основе предложенных и вспомогательных методов. В рамках данного проекта предполагается определить возможность повышения эффективности метода на основе ЛФ-ЛИФ в лидарной схеме для поиска ВЭМ. Из проведенных нами предварительных экспериментов было определено, что для выполнения поставленной задачи необходимо иметь качественное лазерное излучение в УФ-диапазоне спектра и высокочувствительный монохроматор с уровнем подавления спектрального шума 1Е13. Методы рамановской спектроскопии могут быть использованы для определения фонового содержания NO и NO2 в атмосферном воздухе, от различных технических устройств (автомобили, ж/д транспорт и др.) Таким образом, основные исследования в настоящем проекте будут направлены, во-первых, на решение задач посвященных формированию высокоэнергетичного качественного УФ излучения в эксимерных и твердотельных лазерах. При этом длина волны зондирующего пучка должна соответствовать резонансным переходам колебательных уровней NO-радикалов, входящими в состав большинства ВЭМ. Во-вторых, на разработку высокочувствительных спектроанализаторов в УФ-диапазоне спектра, с высокой спектральной фильтрацией шумовой компоненты имеющейся в полезном сигнале. Так как существенная доля в регистрируемом излучении обусловлена интенсивным рассеянием УФ излучения при прохождении его через оптические элементы лидарной системы и атмосферного воздуха. В-третьих, на определение оптимальных условий взаимодействия светового пучка накачки с частицами ВЭМ находящимися как в газовом, так и в твердом состоянии. Данные требования были определены в ходе проведения многолетних работ по данной тематике. По результатам ранее проведенных исследований, были определены условия взаимодействия УФ излучения с парами и следами ВЭМ при которых чувствительность обнаружения составила для паров ТНТ в воздухе 1E-12 г/см3, а по следам гексогена 10E-09 г/см2 на расстоянии 10 м. Данные результаты превышают имеющиеся мировые аналоги более чем на порядок. Тем не менее, остается ряд нерешенных вопросов, как с научной, так и технической точки зрения. Так как совокупность всех параметров, которые необходимо решить одновременно, а именно: чувствительность, безопасность, скрытность, селективность, весо-габариты и стоимость установки и ряд других, приводит к тому, что известные свойства применяемых методов и физических эффектов, а также имеющиеся лазерные и селективные приборы не позволяют решить данную задачу. Поэтому необходимо изучить и определить новые физические свойства взаимодействия УФ излучения с ВЭМ и разработать новые лазерные источники, приемно-передающие системы с минимальным уровнем шума, спектроанализаторы. Данные исследования позволят получить результаты, являющимися оригинальными и приоритетными в своей области исследований. Решение поставленных задач позволит обеспечить создание уникальных высокочувствительных лидарных систем дистанционного обнаружения ВЭМ в атмосферных условиях от 10 м и далее. Разрабатываемые лидарные технологии будут иметь мировой приоритет, т.к. аналогов таких лидарных систем по совокупности всех измеряемых параметров в настоящее время не существует.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В. Dynamics of the laser fragmentation/laserinduced fluorescence process in nitrobenzene vapors Applied Optics, Vol. 57, No. 31, pp. 9381-9387 (год публикации - 2018)
10.1364/AO.57.009381

2. Андреев М.В., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В., Жарков В.И. Numerical Method of Cavity Adjustment by the Output Beam Image Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 31, No. 3, pp. 324–328 (год публикации - 2018)
10.1134/S1024856018030028

3. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Technique for increasing the selectivity of the method of laser fragmentation/laser-induced fluorescence Russian Physics Journal, Vol. 61, No. 1, pp. 25-28 (год публикации - 2018)
10.1007/s11182-018-1361-2

4. Ямпольская С.А., Ястремский А.Г., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В., Бобровников С.М. Evolution of a diffusion channel in an inhomogeneous electric field of the KrF-laser pump discharge Russian Physics Journal, Vol. 60, No. 9, pp. 1623-1629 (год публикации - 2018)
10.1007/s11182-018-1260-6

5. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Исследование влияния материала подложки на чувствительность СКР-лидарного метода обнаружения следов высокоэнергетических материалов Atmospheric and Oceanic Optics (год публикации - 2019)

6. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В. Two-pulse laser fragmentation/laser-induced fluorescence of nitrobenzene and nitrotoluene vapors Applied Optics, Vol. 58, No. 27, pp. 7497-7502 (год публикации - 2019)
10.1364/AO.58.007497

7. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Evaluation of Limiting Sensitivity of the One-Color Laser Fragmentation/Laser-Induced Fluorescence Method in Detection of Nitrobenzene and Nitrotoluene Vapors in the Atmosphere Atmosphere, Vol. 10, No. 11, 692, P. 1-11 (год публикации - 2019)
10.3390/atmos10110692

8. Пучикин А. В., Панченко Ю. Н. , Лосев В. Ф., Бобровников С. М. Multiphoton Dissociation and the Fluorescence of Nitric Oxide in Intense Laser Fields Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Volume 83, Issue 3, pp 273–276 (год публикации - 2019)
10.3103/S1062873819030183

9. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Конурбаев О.Р., Тивилёва М.И. Экспериментальное исследование динамики процесса лазерной фрагментации паров нитробензола Известия вузов. Физика (год публикации - 2020)

10. Коновалов И.Н., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В., Лосев В.Ф., Бобровников С.М. Длинноимпульсный N2-лазер с накачкой продольным разрядом Известия вузов. Физика, Т. 62, №9, 139-143 (год публикации - 2019)
10.17223/00213411/62/9/139

11. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Remote Detection of Traces of High-Energy Materials on an Ideal Substrate Using the Raman Effect Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 30, No. 6, pp. 604-608, Pleiades Publishing, Ltd. 2017 (год публикации - 2017)
10.1134/S1024856017060057

12. Андреев М.В., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Лосев В.Ф., Панченко Ю.Н., Пучикин А.В. Increasing the Sensitivity of Lidar Systems Based on the LF/LIF Method Russian Physics Journal, Vol. 60, No.8, pp. 1353-1359, Springer Science+Business Media, LLC, part of Springer Nature 2017 (год публикации - 2017)
10.1007/s11182-017-1221-5

Публикации