Способ проверки наличия заданных веществ в образце

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПРОВЕРКИ НАЛИЧИЯ ЗАДАННЫХ ВЕЩЕСТВ В ОБРАЗЦЕ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Есман Александр Константинович Гончаренко Игорь Андреевич Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Способ проверки наличия заданных веществ в образце, включающий его облучение монохроматическим излучением с длиной волны, находящейся вблизи спектральных линий поглощения искомых веществ, регистрацию и обработку рассеянного назад рамановского излучения и определение наличия либо отсутствия веществ в образце путем сравнения результатов обработки с известными их спектрами, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют рассеянное вперед рэлеевское и рамановское излучение, а также рассеянное назад рэлеевское излучение, выделяют матрицу интенсивностей световых, характеризующий ширину -той спектральной линии -го искомого вещества, где 1,1, преобразуют матрицув матрицу соответствующих электрических сигналов , формируют матрицу опорных уровнейс учетом интегральной интенсивности всех спектральных составляющих электрических сигналов, полученных ранее для соответствующего вещества, в соответствии с выражением где С - заранее построенная матрица постоянных уровней интенсивности спектральных линий искомых веществ, путем поэлементного сравнения матрицыс матрицейформируют матрицу соответствующих логических сигналов , и над каждым столбцом логических сигналоввыполняют логическую операцию И, результаты которой подвергают указанному сравнению со спектром -го вещества для определения его наличия или отсутствия в образце. Изобретение относится к области инфракрасной спектроскопии и может использоваться для поиска опасных веществ в окружающей среде, ручной клади, грузах и т.д. Известен способ спектроскопии комбинационного рассеяния 1 (рамановской спектроскопии) для определения способности объектов к химическому взаимодействию, в котором облучают объект источником света, собирают излучение комбинационного рассеяния(рамановское излучение), анализируют его и сравнивают со стандартными спектрами комбинационного рассеяния (рамановскими спектрами), по результатам анализа определяют способность объекта к химическим реакциям. Способ не позволяет идентифицировать конкретные вещества в объекте достаточно быстро, т.к. в нем для анализа используется вся информация о спектре, вместе с тем информативность анализа снижена из-за игнорирования прошедшего через объект и рассеянного вперед излучения. Наиболее близким по технической сущности является способ 2 рамановской спектроскопии, который состоит в дейтерировании оксидом дейтерия образца, состоящего из набора веществ подаче монохроматического излучения на образец удалении рэлеевского света (света, рассеянного вперед) получении излучения комбинационного рассеяния рамановского излучения, рассеянного назад деполяризации рамановского излучения калибровке рамановского излучения по отношению к стандарту рамановского дифференциального сечения направлении рамановского излучения в спектроанализатор обеспечении идентификации веществ в образце. Способ не позволяет идентифицировать сильно поглощающие образцы, а также образцы, не поддающиеся дейтерированию игнорирование рэлеевской компоненты рассеянного света снижает информативность и достоверность идентификации веществ. Техническая задача - расширение функциональных возможностей при одновременном увеличении информативности, достоверности и быстродействии идентификации веществ. Поставленная техническая задача решается тем, что по способу проверки наличия заданных веществ в образце, включающему его облучение монохроматическим излучением с длиной волны, находящейся вблизи спектральных линий поглощения искомых веществ,егистрацию и обработку рассеянного назад рамановского излучения и определение наличия либо отсутствия веществ в образце птем сравнения результатов обработки с известными их спектрами, дополнительно регистрируют рассеянное вперед релеевское и рамановское излучение, а также рассеянное назад рэлеевское излучение, выделяют матрицу интенсив 2 9625 1 2007.08.30 ностей световых сигналоввсего зарегистрированного излучения, попадающих в спектральный интервал , характеризующий ширину -той спектральной линии -го искомого вещества, где 1,1, преобразуют матрицув матрицу соответствующих электрических сигналов , формируют матрицу опорных уровней Р с учетом интегральной интенсивности всех спектральных составляющих электрических сигналов, полученных ранее для соответствующего вещества в соответствии с выражением где С - заранее построенная матрица постоянных уровней интенсивности спектральных линий искомых веществ, путем поэлементного сравнения матрицы Р с матрицейформируют матрицу соответствующих логических сигналов , и над каждым столбцом логических сигналов , выполняют логическую операцию И, результаты которой подвергают указанному сравнению со спектром -го вещества для определения его наличия или отсутствия в образце. Совокупность всех признаков в предлагаемом способе позволяет расширить диапазон распознаваемых веществ в образце за счет использования не только рассеянного обратно рамановского излучения, но и прямого - рамановского, а также еще рэлеевского излучения. Более того, увеличение количества типов используемых рассеянных излучений (прямого рамановского и рэлеевского) для идентификации, при одновременном существенном сокращении объема анализируемой информации (т.е. только информативных, а не всех спектральных составляющих) позволяет увеличивать информативность и достоверность распознавания при одновременном уменьшении времени, необходимого для получения решения о наличии конкретного вещества в образце. Сущность способа заключается в следующей последовательности операций подают монохроматическое излучения на образец, получают рассеянные излучения, собирают рассеянное вперед и назад рамановское излучение, собирают рассеянное вперед и назад рэлеевское излучение, выделяют из собранных рамановского и светового потока рэлеевского излучения матрицу интенсивностей световых сигналов , попадающих в спектральные интервалы , преобразуют матрицу интенсивностей выделенных световых сигналовв матрицу соответствующих электрических сигналовформируют матрицу опорных уровней Р, путем сравнения указанной матрицы Р с матрицей электрических сигналовформируют матрицу соответствующих логических сигналовнад каждым столбцом логических сигналоввыполняют логическую операцию И и по результату определяют наличие идентифицируемого -го вещества в образце. Эффективное решение поставленной технической задачи достигается тем, что матрицу опорных уровней Р получают путем суммирования матрицы постоянных уровней С с динамической константой, определяемой с учетом интегральной интенсивности всех спектральных составляющих электрических сигналов, полученных ранее для соответствующего идентифицируемого вещества, в соответствии с выражением 1. Способ реализуется устройством, приведенным на фиг. 1, где 1 - лазер 2 - светоделительная призма 3 - образец 4, 11 - первая, вторая линзы 5, 12 - первая, вторая входные призмы 6, 13 - первый и второй матричные фотоприемники 7, 8, 9, 14, 15, 16 - выходные призмы 10, 17 - первый и второй диспергирующие блоки 18, 32 - планарные волноводы 1924 - волоконные брэгговские решетки (ВБР) 31 - блок обработки информации. На фиг. 2 приведен вариант топологии диспергирующих блоков 10, 17, где 2530 - ответвители. В конкретном исполнении лазер 1 - это источник монохроматического света с длиной волны, эффективно поглощаемой образцом, например 3,7 мкм 3 для образцов, со 3 9625 1 2007.08.30 держащих любые нитраты, в том числе взрывчатые вещества светоделительная призма 2 это равносторонняя призма, выполненная из кристалла германия с просветляющим покрытием, как в 4 первая и вторая линзы 4, 11 - это собирающие линзы из германия с просветляющими покрытиями 4 первая 5 и вторая 12 входные призмы - это выполненные из кристаллов германия призмы с просветляющим покрытием 4 первый 6 и второй 13 матричные фотоприемники - это приемники инфракрасного диапазона соответствующей размерности выходные призмы 7, 8, 9, 14, 15, 16 - призмы из германия, выполненные методами интегральной технологии первый 10 и второй 17 диспергирующие блоки - это выполненные на кремниевых подложках германиевые волноводы 18, 32 толщиной 7 мкм и шириной 27 мкм, на поверхности указанных волноводов 18, 32 травлением выполнены ВБР 1924, штрихи которых имеют глубину 0,5 мкм и период 1,7 мкм (для длины волны 13,8 мкм - одной из спектральных линий тринитротолуола) ответвители 2530 выполнены травлением в одном технологическом процессе вместе с волноводами 18, 32 блок обработки информации 31 выполнен на основе микропроцессорной техники. Работает устройство следующим образом. Лазер 1 генерирует монохроматическое излучение с 03,7 мкм и через светоделительную призму 2 подает его на образец 3, содержащий взрывчатые вещества. Длина волны 3,7 мкм находится вблизи линий поглощения большинства взрывчатых веществ (тринитротолуол, ТЭН и др.). В образце происходит комбинационное рассеяние вперед и назад, с изменением длины волны - рамановское излучение, отражение от поверхности без изменения длины волны при наличии в образце металлических составляющих, рассеяние вперед без изменения длины волны (рэлеевское излучение). Рассеяние вперед отсутствует для полностью металлических образцов. Рассеянные вперед спектральные составляющие 0 изв диапазоне длин волн 3,714 мкм отклоняются светоделительной призмой 2, собираются второй линзой 11 и через вторую входную призму 12 вводятся во второй диспергирующий блок 17, где каждая спектральная составляющая 0 изотражается соответствующей ВБР 1924, соответствующим ответвителем 2530 (фиг. 2) выделяется каждый световой сигнална соответствующую выходную призму или 14, или 15, или 16, которые отклоняют указанные сигналы перпендикулярно плоскости второго диспергирующего блока 17. Матрица световых сигналовпараллельно поступает на вход второго матричного фотоприемника 13, где они преобразуются в матрицу электрических сигналов , которая после опроса поступает в блок обработки информации 31. Аналогично работает первый 10 диспергирующий блок с первым 6 матричным фотоприемником 6, с той лишь разницей, что диапазон длин волн на его входе смещен в область более коротких длин волн. Блок обработки информации 31 формирует матрицу соответствующих логических сигналови производит идентификацию исследуемого образца. Источники информации 1. Патент США 6040191. 2. Патент США 6040906. 3. Андреев Ю.М. Источник излучения в диапазонах 2,1-2,3 и 3,7-4,3 мкм для спектроскопии атмосферы // Прикладная спектроскопия. - Т. 68. -6. - 2001 г. - С. 812. 4. Гайпутдинов И.С., Гусев А.Г., Мустаев Р.М. и др. Двухдиапазонное просветление оптических элементов для тепловизионных приборов // Оптический журнал. - Т. 69. -4. 2002 г. - С. 64. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5