Система спектроскопии научилась обнаруживать опасные аэрозоли по отражению света от дорожных знаков и деревьев
Учёные разработали новую систему инфракрасной спектроскопии, способную обнаруживать химические аэрозоли на расстоянии, используя свет, отражённый не от специальных зеркал, а от обычных поверхностей — дорожных знаков, стволов деревьев, окрашенных стен и других объектов. Разработка может упростить дистанционный мониторинг опасных веществ на промышленных предприятиях, массовых мероприятиях и других объектах с повышенными требованиями к безопасности.
Традиционные системы дистанционного химического анализа обычно требуют установки зеркала или другого высокоотражающего элемента в зоне наблюдения, чтобы вернуть лазерный луч к детектору. Такой подход плохо подходит для реальных условий: зеркала необходимо точно устанавливать, они быстро загрязняются и повреждаются.
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (PNNL) предложили отказаться от специальных отражателей. Вместо этого они направляют инфракрасный лазер на обычные поверхности, которые всё же отражают достаточное количество света для анализа. Недостаток отражённого сигнала компенсируется использованием мощного лазера и алгоритмов обработки данных, подавляющих шум.
«Наш подход устраняет необходимость устанавливать специальные отражатели. Мы используем отражения от повседневных объектов, что позволяет обнаруживать аэрозольные химические вещества на расстоянии без какого-либо оборудования в точке наблюдения», — пояснил руководитель исследования Тим Джонсон.
Ключевым элементом системы стал инфракрасный лазерный телескоп, который автоматически изменяет параметры луча в зависимости от расстояния до объекта и максимально эффективно собирает отражённый сигнал. Благодаря этому удалось обнаруживать аэрозоли и пары веществ на дистанции до 11 метров.
Чтобы определить, какие материалы подходят лучше всего, исследователи измерили отражательную способность почти 50 различных поверхностей, включая дорожные знаки, автомобильные кузова, древесную кору, гипсокартон, облицовочные панели и окрашенный картон. Наиболее эффективными оказались некоторые виды облицовки зданий и дорожные знаки.
Для проверки технологии учёные построили специальную аэрозольную камеру длиной около десяти метров, в которой могли создавать аэрозоли с точно заданным размером частиц и химическим составом. В испытаниях использовались как отдельные вещества, так и смеси.
Система успешно обнаружила и идентифицировала несколько типов аэрозолей, включая диэтилсебацат — безопасный аналог опасных химических веществ, применяемый в подобных исследованиях, а также карбонат кальция, входящий в состав мела и известняка. Во всех случаях метод корректно распознавал вещества, несмотря на различия в химическом составе и свойствах отражающих поверхностей.
По словам разработчиков, технология может использоваться для защиты работников опасных производств, военных объектов, мониторинга периметров предприятий, а также для раннего обнаружения случайных или преднамеренных выбросов химических веществ на стадионах, концертах и других массовых мероприятиях.
Следующим этапом станет проверка системы на более сложных аэрозольных смесях с широким диапазоном размеров частиц. Такие условия значительно усложняют интерпретацию инфракрасных спектров, поэтому исследователи планируют применять методы искусственного интеллекта и машинного обучения для более точной идентификации химических соединений.
Исследование в журнале Applied Optics.