Группа российских ученых из НИЯУ МИФИ разработала новый вид детектора, отслеживающего нитросоединения (тротил, нитробензол и нитронафталин), которые используются для создания взрывчатки. Это устройство поможет повысить уровень безопасности в метро, аэропортах, железнодорожных вокзалах и на различных видах производства. О своем изобретении ученые рассказали на страницах журнала Sensors. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Картинка: реактор, где происходит реакция пирол...

Картинка: реактор, где происходит реакция пиролиза. Размеры указаны в миллиметрах. Источник: Samotaev et al / Sensors, 2020

Приезжая на вокзал или в аэропорт, в обязательном порядке необходимо пройти проверку. Чемоданы просвечивают рентгеновскими аппаратами, а люди, выкладывая ключи, бумажник и телефон, проходят сквозь рамку-металлодетектор. Помимо этого, приезжающих проверяют на следы токсичных и взрывчатых веществ. На пунктах досмотра устанавливают специальные устройства, которые должны выявлять нитросоединения. Сейчас есть два вида аппаратов, различающихся принципом работы. Первый основан на ионно-подвижной спектрометрии — устройство всасывает в себя окружающий воздух и по скорости движения ионов определяет, какие вещества в нем содержатся и в каком количестве. Подобные аппараты дают быстрый отклик, но весьма дорогостоящие и сложные в использовании. Второй подход — метод флуоресцентного тушения, который определяет интенсивность свечения ионов при контакте с особым светящимся соединением. Чем меньше уровень свечения, тем больше концентрация взрывчатого вещества. Детекторы, использующие этот метод, нестабильны и менее чувствительны. Несовершенство существующих технологий подтолкнуло ученых МИФИ к поиску нового подхода, который сочетал бы в себе приемлемую стоимость и высокое качество анализа.

В результате удалось разработать прототип детектора взрывчатых веществ, принцип работы которого еще не использовался ни в одном другом подобном аппарате. Все начинается с забора воздуха насосом, после этого он попадает в испаритель, где при температуре 80 ℃ из него выделяются пары тротила или других нитросоединений. Затем пары отправляются в реактор, и при температуре 450 ℃ происходит разложение вещества на составные элементы; такая реакция называется пиролизом. В результате получается диоксид азота NO2, концентрацию которого фиксирует специальный датчик. Помимо обнаружения взрывчатых веществ в воздухе, прототип может определять их следы на различных поверхностях. Для этого на аппарат устанавливается специальный модуль, который улавливает не пары, а твердые следы нитросоединений. Весь последующий процесс остается неизменным.

Как показали испытания, детектор определяет концентрацию вещества за 3 секунды, после этого ему потребуется около 3 минут на очистку. Предел обнаружения тротила у аппарата составляет от 10−11 г/см³ до 10–12 г/см³, что ставит его на уровень с дорогостоящими датчиками на основе ионно-подвижной спектрометрии. Однако разработанный в МИФИ прототип дешевле своих конкурентов. Также ученые позаботились о фильтрации фоновых газов и водяного пара, которые приводят к ложным срабатываниям детекторов. Для этого в конструкцию встроены датчики температуры и влажности. Они корректируют получаемый результат, поэтому при плавных и резких изменениях последнего параметра (на 50% и более) прототип все равно показывает верный результат.

Но детектор еще нужно дорабатывать: «В первую очередь, необходимо ускорить очистку: мы можем быстро определить концентрацию вещества, но затем приходится ждать перезарядки для следующего забора пробы. Подобным устройствам необходимо укладываться в нормативы служб безопасности, где-то 3–4 секунды. Как в аэропорту на проход через рамку есть определенный норматив, чтобы толпа не скапливалась», — рассказывает руководитель проекта Николай Самотаев, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры микро- и наноэлектроники, доцент Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ.

Также ученые разрабатывают миниатюрную версию аппарата. Он представляет собой коробку примерно 30×30×30 см. Авторы планируют сделать его меньше ручного пылесоса, что сделает прототип удобнее в эксплуатации.