способ анализа следов взрывчатых веществ на руках человека или документах

Формула изобретения

1. Способ анализа следов взрывчатых веществ (ВВ) на руках человека или документах, включающий контакт подложки с предметами, сохраняющими следы ВВ, съем следов ВВ с подложки путем термодесорбции, ввод десорбированных паров ВВ в анализатор, отличающийся тем, что в качестве предметов для анализа используют руки и/или документы человека, а в качестве анализатора паров ВВ используется спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП), при этом ввод паров ВВ в анализатор осуществляется дистанционно с помощью переноса пробы с поверхности подложки направленным охлажденным, закрученным потоком воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутри закрученного потока воздуха сформирован один или несколько отсасывающих каналов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для проведения анализа используются одноразовые подложки, выполненные из пластмассы или стекла.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для проведения анализа используются многоразовые подложки, выполненные из керамики или металла.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термодесорбцию следов ВВ с подложки осуществляют путем ее контактного или бесконтактного нагрева.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для обнаружения следов взрывчатых веществ (ВВ) на руках человека и документах при проведении таможенного досмотра, в контрольных проходах при допуске лиц на особо важные, охраняемые объекты, при оформлении билетов в аэропортах, вокзалах, на пропускных пунктах в музеи, кинотеатры, стадионы и т.п., при проверке билетов в поездах дальнего следования.

Задача оперативного обнаружения следов ВВ на руках и документах по испускаемым взрывчатыми веществами парам характеризуется следующими особенностями: анализ ведется в режиме реального времени при наличии микроскопического (следового) количества вещества. Это накладывает довольно жесткие требования на используемую оперативными службами аппаратуру. С учетом крайне низкого давления насыщенных паров ВВ (при 20°С концентрация насыщенных паров 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) составляет 4×10 ^-11 г/см³) и их высокой адсорбционной способности, а также присутствия обычно в обследуемой атмосфере большого количества мешающих фоновых примесей (например, парфюмерии, лакокрасочных веществ, фармацевтических веществ, веществ бытовой химии и т.д.) аппаратура должна работать в реальном режиме времени, обладать высокой чувствительностью и селективностью. Кроме того, в связи с широким внедрением в последнее время биометрических методов удостоверения и идентификации личности (по геометрии кисти руки и отпечаткам пальцев) в аэропортах и вокзалах остро стоит задача создания методов и средств контроля, сочетающих одновременно биометрическое удостоверение и идентификацию (далее по тексту биометрия) с анализом следов ВВ.

Известен способ контроля поверхностей на наличие ВВ и наркотических веществ (НВ), включающий одевающийся на руку чехол (например, в виде перчатки) из мягкого материала (например, неотбеленного хлопка), которым протирают проверяемую поверхность, затем переносят потоком воздуха собранные чехлом пары и микрочастицы на концентратор, и далее с помощью термодесорбции пары с концентратора и микрочастиц, собранных на концентратор, вводят в анализатор (например, быстрый хроматограф) [1]. Данный способ не решает поставленной задачи из-за низкой эффективности сбора паров и микрочастиц и невозможности совмещения этого метода с биометрией. Действительно данный метод содержит две промежуточные операции: проба с объекта переносится сначала на чехол, а затем с чехла на концентратор, с которого уже производится десорбция и анализ. Во время этих операций неизбежно возникают потери пробы, что снижает чувствительность обнаружения. Кроме того, перенос следов с чехла на концентратор ведется при комнатной температуре, что мало эффективно для паров ВВ и НВ. К сказанному следует добавить еще одну проблему - возможное влияние на результаты анализа руки оператора, вернее находящихся на ней летучих примесей, которые на второй стадии пробоотбора могут попасть на концентратор. Дополнительные загрязняющие примеси приводят к снижению эффективности ионизации паров ВВ и в конечном итоге к увеличению числа ложных срабатываний устройства.

Кроме того, данный метод совершенно не совмещается с методами биометрии, так как предлагаемый для использования в качестве чехла материал (хлопок) не сохраняет требуемых папиллярных следов.

Известен также способ контроля поверхностей на наличие ВВ и HB, в котором чехол одевается не на руку, а на два пальца [2]. В отличие от предыдущего способа, авторы устранили одну промежуточную операцию - холодный перенос пробы с чехла на концентратор. После взятия пробы с объекта сразу следует процедура десорбции и ввод десорбированных паров в анализатор. Это позволило повысить эффективность отбора пробы и увеличить чувствительность обнаружения ВВ. Однако данный способ также не решает поставленную задачу из-за низкой эффективности сбора паров и микрочастиц и невозможности совмещения этого метода с биометрией. Остается промежуточная операция: перенос пробы с объекта на чехол, которая снижает предоставляемый для анализа объем пробы и таким образом снижает чувствительность обнаружения следов ВВ.

Кроме того, остаются такие недостатки предыдущего способа, как влияние руки оператора на результаты анализа и невозможность совмещения метода с биометрией.

Наиболее близким к предлагаемому способу анализа следов ВВ на руках человека является способ отбора проб с помощью жетонов [3]. Он включает перенос следов ВВ с пальцев рук на жетон при его отрыве или вытаскивании из контейнера, ввод жетона в камеру, где происходит десорбция оставленных на ее поверхности следов в паровую фазу и далее ввод десорбироваиных паров в анализатор. В данном способе, в отличие от предыдущих, промежуточной операции нет. Проба с рук человека, оставленная на жетоне, непосредственно вводится в анализатор с помощью термодесорбции, что значительно повышает чувствительность обнаружения. Кроме того, влияние оператора полностью исключено, так как все действия производит сам обследуемый. Это существенно снижает загрязняющий фон при анализе и тем самым повышает помехоустойчивость обнаружения. И, наконец, данный метод вполне подходит для совмещения его с биометрией, для чего потребуется только подобрать для жетона соответствующий материал. Тем не менее, представленный способ не решает поставленную задачу из-за низкой чувствительности и помехоустойчивости обнаружения следов ВВ. Действительно в качестве анализатора способ предполагает в основном использовать спектрометр ионной подвижности (СИП), который по временным характеристикам вполне подходит для решения поставленной задачи. Однако его чувствительность и селективность рассчитана на обнаружение относительно большого количества явных следов ВВ. С его помощью можно зарегистрировать наличие ВВ на руках человека, который только что имел контакт с взрывчатым веществом. Через двое-трое суток количество ВВ на руках становится слишком мало, чтобы его можно было обнаружить с помощью СИП.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности обнаружения следов ВВ на руках человека или документах при возможности его совмещения с биометрией.

Указанная задача в способе анализа следов взрывчатых веществ на руках человека или документах, включающем контакт подложки с предметами, сохраняющими следы ВВ, съем следов ВВ с подложки путем термодесорбции, ввод десорбированных паров ВВ в анализатор, решена тем, что в качестве предметов для анализа используют руки и/или документы человека, а в качестве анализатора паров ВВ используется спектрометр приращения ионной подвижности (СПИП), при этом ввод паров ВВ в анализатор осуществляется дистанционно с помощью переноса пробы с поверхности подложки направленным охлажденным, закрученным потоком воздуха.

Заявляемый способ позволяет одновременно проводить процедуры биометрии с анализом следов взрывчатых веществ, а использование в способе анализа следов взрывчатых веществ на руках человека и/или документах спектрометра приращения ионной подвижности в качестве анализатора в сочетании с дистанционным переносом пробы от подложки к анализатору закрученным охлажденным потоком воздуха позволяет эффективно захватить пробу с большой площади подложки, охладить ее в процессе транспортировки к анализатору до необходимой температуры, т.к. чувствительность анализатора СПИП резко (10-100 раз) снижается при повышении температуры пробы в отличие от СИП анализатора. После чего проба без ее разбавления вводится в СПИП анализатор. Это обеспечивает значительное повышение чувствительности и селективности обнаружения следов ВВ.

Выгодно для сокращения времени обследования внутри закрученного потока воздуха сформировать один или несколько отсасывающих каналов. Это позволяет менять площадь обследуемой подложки или одновременно использовать несколько подложек или даже несколько их десятков. При таком обследовании на одной установке возможна одновременная проверка от 1 до 50 и более образцов, что существенно ускоряет процедуру проверки.

Целесообразно при массовых проверках в качестве материала для одноразовых подложек использовать дешевые материалы, например пластмассу или стекло. После завершения процедуры проверки они подвергаются утилизации и не требуют дополнительной процедуры очистки.

Также целесообразно при небольшом количестве проверяемых использовать многоразовые подложки, выполненные из керамики или металла.

Перспективно для различного вида подложек проводить термодесорбцию следов ВВ контактным, например, для металла или стекла, или бесконтактным нагревом, например, для пластмассы или керамики. При этом в контактном методе нагрева подложка должна иметь высокую теплопроводность и контактировать с нагретой поверхностью, в качестве которой может быть применен резистивный нагреватель, а при бесконтактном методе нагрева могут быть использованы световые нагреватели, например галогенные лампы, воздействующие на поверхность подложки, или индукционные нагреватели, воздействующие одновременно на весь объем подложки магнитным полем, при этом в материал подложки вводят специальные добавки (металлизирующие нити, металлические частицы или т.п.).

Использование в способе анализа следов ВВ на руках человека или документах в качестве анализатора спектрометра приращения ионной подвижности (СПИП) и введение дистанционного забора пробы с подложки или подложек за счет применения закрученного охлажденного потока воздуха и транспортировки (переноса) пробы от подложки или подложек к анализатору позволяет значительно повысить чувствительность обнаружения следов ВВ на руках человека или документах, существенно повысить производительность проведения проверки за счет одномоментного проведения анализа сразу нескольких подложек и одновременно сочетать способ анализа следов ВВ с биометрией, что не имеет аналогов среди известных способов анализа следов ВВ на руках человека или документах, а, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлен вариант устройства для реализации заявляемого способа с одной подложкой и контактным резистивным нагревателем.

На фиг.2 представлен вариант устройства для реализации заявляемого способа с несколькими подложками и бесконтактными нагревателями.

На фиг.3 представлен вариант устройства для реализации заявляемого способа с несколькими отсасывающими каналами.

Устройство (фиг.1, 3) включает: 1 - анализатор СПИП; 2 - рефлектор; 3 - завихритель; 4 - канал подачи обдувающего потока; 5 - отсасывающий канал (отсасывающие каналы); 6 - подложку; 7 - резистивный нагреватель, 8 - входной патрубок СПИП.

Устройство (фиг.2) дополнительно включает: подложки 9, основание 10, лампы 11 с рефлекторами 12.

Устройство, представленное на фиг.1-3, работает следующим образом. Обследуемый человек плотно прижимает руку к подложке 6, оставляя на ней свои отпечатки и возможные следы ВВ (или на подложку помещается обследуемый документ). После удаления с подложки руки или документа с помощью нагревателя 7 (или ИК излучателей 11) подложка нагревается и дистанционно обдувается сильно закрученной охлажденной струей воздуха. Для этого побудитель расхода (не показан) забирает из атмосферы через фильтр и охладитель воздуха (они тоже не показаны) поток воздуха и транспортирует его по каналу 4 к завихрителю 3, который формирует уже закрученную плоскую струю и подает ее на внутреннюю поверхность рефлектора 2. Рефлектор 2 направляет выходящую из завихрителя 3 закрученную струю в сторону подложки 6. Сильно закрученная струя за счет центробежного разлета обладает пониженным статическим давлением, а в ее приосевой области возникает обратное течение воздуха [4]. С помощью побудителя всасываемого потока воздуха (не показан) поступающий с обратным течением от подложки поток воздуха просасывается через отсасывающий канал 5 (или несколько отсасывающих каналов 5 - фиг.3) и выбрасывается в атмосферу. При этом центральная часть потока с парами пробы попадает по входной патрубок 8 газоанализатора СПИП 1 и засасывается его воздухозаборным устройством для анализа. При этом подложка 6 может быть также использована для биометрических методов идентификации личности.

В устройстве, представленном на фиг.2, вместо одной подложки 6 одновременно используют несколько подложек 9, на каждой из которых имеются отпечатки пальцев и/или документов с предполагаемыми следами ВВ. Подложки 9 располагают на общем основании 10 и одновременно нагревают лампами 11. Воздушным потоком собираются пары проб со всех подложек 9 во входной патрубок 8 газоанализатора СПИП 1. В случае, если обнаружены пары ВВ в общей пробе, производят детальный анализ отдельных подложек 9 и выявляют из них искомую. Для удобства идентификации подложек 9 они могут быть маркированы своими номерами и каждый номер присвоен отдельному человеку. В случае обнаружения подложки с парами ВВ идентификация личности не представляется сложной процедурой.

Газоанализатор СПИП 1, используемый в заявляемом способе, имеет явные преимущества по чувствительности и селективности перед классическим спектрометром ионной подвижности (СИП), который традиционно используется в устройствах оперативного обследования поверхностей на предмет наличия следов ВВ, в основном из-за своей портативности и быстродействия. Разделение ионов в СИП происходит по параметру подвижности. Низкая чувствительность СИП связана с принципиально импульсным характером ввода ионов в дрейфовую трубку, вследствие чего регистрируется лишь около 1% ионизированной примеси. Низкая же селективность анализа вызвана недостаточной степенью разделения тяжелых примесей (с молекулярным весом выше 100 а.е.м.) из-за малого отличия их коэффициентов подвижности К_о. В результате пики регистрируемых примесей и пики мешающих фоновых веществ с близкими значениями К_о перекрываются между собой и выходят неразделенными, что приводит к невозможности отличить полезный сигнал от мешающего, например парфюмерии. В отличие от СИП устройства СПИП базируются на зависимости приращения коэффициента подвижности ионов от напряженности электрического поля и лишены основных недостатков СИП. Параметр приращения подвижности более индивидуален особенно для тяжелых примесей, чем коэффициент подвижности К₀, поэтому устройства, основанные на этом принципе, имеют значительные преимущества по селективности по сравнению с традиционными СИП. Кроме того, ввод ионов в дрейфовый промежуток СПИП производится непрерывным потоком, обеспечивая тем самым более высокие уровни чувствительности.

Однако для получения высокой чувствительности и селективности анализа воздушный поток с ионами пробы, поступающий в дрейфовый промежуток СПИП, должен иметь низкую температуру (около 20-25°С). Однако известно, что для эффективного съема следов ВВ с подложки требуется ее нагреть до температуры порядка 100°С.Особенно это необходимо для ВВ с использованием пластита, в котором используются труднолетучие компоненты с крайне низким давлением насыщенного пара, такие как гексоген. Поэтому перед вводом десорбированных паров ВВ в СПИП их требуется охладить. Обычно для этого используется разбавление пробы большим воздушным потоком низкой температуры. При этом неизбежны снижение чувствительности анализа за счет разбавления и потери пробы на холодных стенках устройства. Кроме того, адсорбция пробы на стенках приводит к возникновению остаточного сигнала, устранение которого требует дополнительного времени и снижает быстродействие всего цикла анализа. В предлагаемом способе дистанционный отбор пробы с подложки производится охлажденной сильно закрученной воздушной струей, что обеспечивает следующие преимущества.

Во-первых, радиальная скорость обратного течения в сильно закрученной струе направлена к ее оси. Это приводит к тому, что паровая фаза, отобранная с поверхности подложки в процессе своего движения в обратном течении к СПИП, локализуется вблизи оси пробоотборной струи. В результате этого проба подходит к входному патрубку 8 газоанализатора практически без разбавления и может быть отобрана практически без потерь любым, сколь угодно малым потоком, создаваемым непосредственно заборным устройством СПИП 1.

Во-вторых, закрученная струя в предлагаемом способе формируется воздухом, который не контактирует непосредственно с подложкой, а поступает в аппарат закручивания через канал транспортировки нагнетаемого потока воздуха. Чистый вихревой поток, обтекая внутреннюю поверхность рефлектора 2, защищает его от возможного попадания молекул анализируемой примеси из обратного течения. Внутри устройства поток с пробой от подложки и поток, образующий закрученную струю, двигаются по изолированным непересекающимся каналам, и проскочившие в отсасывающий канал примеси пробы не загрязняют вихреобразующий поток. Организованная таким образом структура течений дистанционного пробоотбора обеспечивает эффективное охлаждение пробы и одновременно исключает возникновение остаточного сигнала («памяти») при повторных обследованиях.

Зачастую, на одно обследование отводится весьма малое время, например при контроле пассажиропотока в аэропортах или вокзалах. В этом случае целесообразно проводить одновременный анализ сразу нескольких подложек. Площадь обследования при этом увеличивается, что влечет за собой необходимость увеличения отсасывающего потока путем увеличения числа отсасывающих каналов.

Для проведения экспериментальных испытаний способа был изготовлен лабораторный макет устройства, на базе газоанализатора СПИП «Пилот» фирмы Лаванда-Ю с чувствительность регистрации паров ТНТ 10 ^-13 г/см³, расходом отбираемого воздушного потока 3 л/мин. Для создания закрученной обдувающей струи использовали рефлектор 2 диаметром 80 мм, неподвижную крыльчатку завихрителя 3 диаметром 45 мм и канал обдувающего потока воздуха 4 шириной 4 мм, выполненный в виде улиточного завихрителя. Угол лопаток крыльчатки завихрителя равен 45°. Вихревой обдувающий поток составлял 330 л/мин. Подложка была выполнена из листовой нержавеющей стали толщиной 0,3 мм размером 120 мм на 170 мм. Для нагрева подложки использовали резистивный нагреватель мощностью 30 Вт и галогенные лампы мощностью 100 Вт, обеспечивающие температуру нагрева подложки 30°-100°С. В качестве обследуемого документа использовали паспорт с различными типами обложек, кредитные карточки, водительские удостоверения, пластиковые и бумажные проездные документы. Отбор пробы с подложки осуществляли с расстояния 30-100 мм.

Были проведены экспериментальные испытания устройства на эффективность обнаружения следов ВВ на руках человека или на документах. В качестве ВВ использовали технический ТНТ и пластит на основе гексогена. Испытания показали уверенное обнаружение следов ВВ на руках человека даже через 3-5 суток после их контакта с ВВ, а на поверхности документов - через 15 суток и более.

Литература

1. US 5476794, МКИ F42B 13/10, 1995 г.

2. US 5571976, МКИ G01N 1/08, 1996 г.

3. US 5741984, МКИ G01N 1/04, 1998 г.

4. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б.Ахмедова. - М., "Энергия", 1977, с.8-10.