Новая технология может отличать один тип газа от другого с большей точностью, чем большинство удаленных датчиков – даже в сложных смесях схожих химикатов – и при нормальном атмосферном давлении, что раньше считалось невозможным.
Исследователи говорят, что эту технику можно использовать, например, для проверки радиоактивных побочных продуктов в результате ядерных аварий или нарушений договора о контроле над вооружениями, или для удаленного мониторинга дымовых труб или заводов на предмет признаков загрязнения воздуха или химического оружия.
«Вы можете представить, как это устроить по периметру района, где живут солдаты, как своего рода натяжной трос для нервно-паралитического газа», – сказал ведущий автор Генри Эверитт, армейский ученый и адъюнкт-профессор физики в Университете Дьюка.
В этой технике используется вид невидимого света, называемый терагерцовым излучением или Т-лучами.
Т-лучи, которые уже используются для обнаружения опухолей и проверки пассажиров в аэропортах, находятся между микроволнами и инфракрасным излучением в электромагнитном спектре.
Удар по молекуле газа терагерцовым лучом нужной энергии заставляет молекулу переключаться между чередующимися вращательными состояниями, создавая характерный «отпечаток пальца» в спектре поглощения, как линии штрих-кода.
Датчики терагерцового диапазона использовались в течение десятилетий для определения следовых газов в сухих условиях низкого давления межзвездного пространства или в контролируемых условиях в лаборатории, где они способны однозначно идентифицировать и сверхчувствительно, частичное на триллион детектирования.
Но до сих пор попытки использовать тот же метод для обнаружения следовых газов в нормальных атмосферных условиях не увенчались успехом, потому что давление и водяной пар в воздухе размывают и ослабляют спектральный отпечаток.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Applied, Эверитт, физик из Университета штата Огайо Франк де Люсия и его коллеги разработали способ решения этой проблемы.
Их подход заключается в взрыве облака газа сразу двумя лучами.
Один из них – устойчивый терагерцовый луч, настроенный на определенную энергию вращательного перехода молекулы газа, которую они ищут.
Второй луч исходит от лазера, работающего в инфракрасном диапазоне, который излучает свет в виде высокоскоростных импульсов.
В U.S. Исследовательский центр армейской авиации и ракет недалеко от Хантсвилля, штат Алабама, исследователи установили единственный в своем роде инфракрасный лазер.
Изготовленный компанией STI Optronics, он способен испускать десятки импульсов инфракрасного света в секунду, каждый из которых имеет длительность менее миллиардной доли секунды.
«Это похоже на удар молекулы инфракрасной кувалдой», – сказал Эверитт.
Нормальное атмосферное давление по-прежнему размывает химический «штрих-код», создаваемый излучением терагерцового луча, но ультракороткие импульсы света от более мощного инфракрасного лазера выбивают молекулу из равновесия, вызывая мерцание размытых линий поглощения.
«Нам просто нужно настроить каждый луч на длину волны, которая соответствует типу молекулы, которую мы ищем, и если мы увидим изменение, мы знаем, что это должен быть именно этот газ и ничего больше», – сказал Эверитт.
Исследователи направили два луча на образцы газов метилфторида, хлористого метила и бромистого метила в лаборатории, чтобы определить, какая комбинация настроек лазера потребуется для обнаружения следовых количеств этих газов в различных погодных условиях.
«Волны терагерцового диапазона будут распространяться только до того момента, пока водяной пар в воздухе не поглотит их, а это значит, что такой подход работает намного лучше, скажем, в холодный зимний день, чем в жаркий летний день», – сказал Эверитт.
Исследователи говорят, что они могут обнаруживать следы газов на расстоянии до одного километра. Но даже в идеальных погодных условиях технология еще не готова к использованию в полевых условиях.
Во-первых, преобразование восьмифутового однотонного лазера во что-то более близкое по размеру к портфелю займет некоторое время.
Продемонстрировав, что методика может работать, их следующий шаг – выяснить, как настроить лучи для обнаружения дополнительных газов.
Первоначально они планируют сосредоточиться на токсичных промышленных химикатах, таких как аммиак, сероуглерод, азотная и серная кислоты.
В конце концов, исследователи говорят, что их метод может также быть полезен для правоохранительных органов при обнаружении токсичных газов, выделяемых метамлабораториями, и в других ситуациях, когда обнаружение у источника газа невозможно.
"Точечное зондирование с близкого расстояния всегда лучше, чем дистанционное зондирование, если оно у вас есть, но это не всегда возможно. Эти методы позволяют нам собирать химический интеллект, который говорит нам, что происходит, прежде чем мы куда-то доберемся », – сказал Эверитт.
Исследование было поддержано грантами Агентства по снижению оборонной угрозы (DTRA) и Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA). Дополнительную поддержку оказал U.S.
Армия.