DE-102018132033-B4 - Verfahren und System zum Detektieren von mindestens einem Gefahrstoff

Abstract

Verfahren zum Detektieren von mindestens einem Gefahrstoff, insbesondere eines Explosivstoffs, an einer Probe (26), insbesondere in einem räumlichen Detektionsbereich (18), bei welchem Verfahren mit einem ersten optischen Spektroskopieverfahren ein erstes optisches Spektrum der Probe (26) während eines ersten Spektrumaufnahmezeitfensters (106) aufgenommen wird und mit einem zweiten optischen Spektroskopieverfahren ein zweites optisches Spektrum der Probe (26) während eines zweiten Spektrumaufnahmezeitfensters (108) aufgenommen wird, wobei sich das erste und das zweite optische Spektroskopieverfahren unterscheiden, wobei das erste optische Spektrum und das zweite optische Spektrum mit bereitgestellten Referenzspektren des mindestens einen Gefahrstoffs verglichen werden zum Bestimmen, ob der mindestens eine Gefahrstoff an der Probe (26) vorhanden ist oder nicht, wobei das erste optische Spektroskopieverfahren Infrarotspektroskopie ist, insbesondere MIR-Reflexionsspektroskopie, und dass von der Probe (26) als erstes Spektrum ein Infrarotspektrum aufgenommen wird, dass das zweite optische Spektroskopieverfahren Ramanspektroskopie ist, insbesondere UV-Raman-Spektroskopie, und dass von der Probe (26) als zweites Spektrum ein Raman-Spektrum aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spektrumaufnahmezeitfenster (106) und das zweite Spektrumaufnahmezeitfenster (108) zeitlich mindestens teilweise überlappen, insbesondere vollständig, dass zum Aufnehmen des ersten optischen Spektrums die Probe (26) mit erster gepulster elektromagnetischer Strahlung (50) beaufschlagt wird und dass eine Intensität von der Probe (26) zurückgestreuter erster Streustrahlung (60) detektiert wird, dass zum Aufnehmen des zweiten optischen Spektrums die Probe mit zweiter gepulster elektromagnetischer Strahlung (76) beaufschlagt wird und dass eine Intensität von der Probe (26) zurückgestreuter zweiter Streustrahlung (86) spektral aufgelöst detektiert wird.

Inventors

• Christoph Kölbl
• Frank Duschek
• Anja Köhntopp
• Carsten Pargmann
• Florian Gebert

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20181213

Claims (20)

1. Verfahren zum Detektieren von mindestens einem Gefahrstoff, insbesondere eines Explosivstoffs, an einer Probe (26), insbesondere in einem räumlichen Detektionsbereich (18), bei welchem Verfahren mit einem ersten optischen Spektroskopieverfahren ein erstes optisches Spektrum der Probe (26) während eines ersten Spektrumaufnahmezeitfensters (106) aufgenommen wird und mit einem zweiten optischen Spektroskopieverfahren ein zweites optisches Spektrum der Probe (26) während eines zweiten Spektrumaufnahmezeitfensters (108) aufgenommen wird, wobei sich das erste und das zweite optische Spektroskopieverfahren unterscheiden, wobei das erste optische Spektrum und das zweite optische Spektrum mit bereitgestellten Referenzspektren des mindestens einen Gefahrstoffs verglichen werden zum Bestimmen, ob der mindestens eine Gefahrstoff an der Probe (26) vorhanden ist oder nicht, wobei das erste optische Spektroskopieverfahren Infrarotspektroskopie ist, insbesondere MIR-Reflexionsspektroskopie, und dass von der Probe (26) als erstes Spektrum ein Infrarotspektrum aufgenommen wird, dass das zweite optische Spektroskopieverfahren Ramanspektroskopie ist, insbesondere UV-Raman-Spektroskopie, und dass von der Probe (26) als zweites Spektrum ein Raman-Spektrum aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet , dass das erste Spektrumaufnahmezeitfenster (106) und das zweite Spektrumaufnahmezeitfenster (108) zeitlich mindestens teilweise überlappen, insbesondere vollständig, dass zum Aufnehmen des ersten optischen Spektrums die Probe (26) mit erster gepulster elektromagnetischer Strahlung (50) beaufschlagt wird und dass eine Intensität von der Probe (26) zurückgestreuter erster Streustrahlung (60) detektiert wird, dass zum Aufnehmen des zweiten optischen Spektrums die Probe mit zweiter gepulster elektromagnetischer Strahlung (76) beaufschlagt wird und dass eine Intensität von der Probe (26) zurückgestreuter zweiter Streustrahlung (86) spektral aufgelöst detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das erste optische Spektrum und das zweite optische Spektrum der Probe (26) dann aufgenommen werden, wenn die Probe (26) in einem räumlich vorgegebenen Detektionsbereich (18) angeordnet ist.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass a) eine Wellenlänge der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) während des ersten Spektrumaufnahmezeitfensters (106) durchgestimmt wird und dass die Intensität der ersten Streustrahlung (60) in Abhängigkeit der Wellenlänge der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) detektiert wird und/oder b) die erste gepulste elektromagnetische Strahlung (50) mit einer ersten Strahlungsquelle (48), insbesondere in Form eines ersten Lasers (52), weiter insbesondere in Form eines IR-Lasers (54), erzeugt wird und/oder c) die erste gepulste elektromagnetische Strahlung (50) über die Probe (26) gescannt wird, insbesondere ein- oder zweidimensional.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass a) eine Wellenlänge der zweiten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (76) während des zweiten Spektrumaufnahmezeitfensters (108) konstant gehalten wird und/oder b) die zweite gepulste elektromagnetische Strahlung (76) mit einer zweiten Strahlungsquelle (74), insbesondere in Form eines zweiten Lasers (78), weiter insbesondere in Form eines UV-Lasers (80), erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass a) die zweite gepulste elektromagnetische Strahlung (76) über die Probe (26) gescannt wird, insbesondere ein- oder zweidimensional, und/oder b) die erste gepulste elektromagnetische Strahlung (50) mit einer ersten Repetitionsrate erzeugt wird und dass die zweite gepulste elektromagnetische Strahlung (76) mit einer zweiten Repetitionsrate erzeugt wird, und dass die erste Repetitionsrate und die zweite Repetitionsrate identisch oder unterschiedlich sind.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Probe (26) mit der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) und der zweiten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (76) a) synchron beaufschlagt wird und dass die von der Probe (26) rückgestreute erste Streustrahlung (60) und zweite Streustrahlung (86) synchron detektiert wird oder b) asynchron beaufschlagt wird und dass die von der Probe (26) rückgestreute erste Streustrahlung (60) und zweite Streustrahlung (86) asynchron detektiert wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, soweit diese direkt oder indirekt auf die Alternative b) des Anspruchs 3 oder auf die Alternative b) des Anspruchs 4 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet , dass ein Abstand (58, 84) der Probe (26) von der ersten Strahlungsquelle (48) und/oder von der zweiten Strahlungsquelle (74) durch eine Laufzeitmessung der Pulse (110, 112) der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) und/oder der zweiten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (76) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass das erste Spektrumaufnahmezeitfenster (106) in eine Mehrzahl erster Messintervalle (M n ) unterteilt wird und dass in jedem erstem Messin-tervall (M n ) ein Puls (110) der ersten elektromagnetischen Strahlung (50) mit einer ersten Pulsbreite erzeugt wird, dass die erste Streustrahlung (60) in einem ersten Messzeitfenster (116) des ersten Messintervalls (M n ) detektiert wird, wobei insbesondere a) das erste Messzeitfenster (116) eine Länge aufweist, welche der ersten Pulsbreite entspricht, und/oder b) die erste Pulsbreite maximal 10% des ersten Messintervalls (M n ) entspricht und/oder c) in jedem ersten Messintervall (M n ) nach jedem ersten Messzeitfenster (116) in einem ersten Hintergrundmesszeitfenster (120) erste Hintergrundstrahlung detektiert wird, wobei insbesondere das erste Hintergrundmesszeitfenster (120) eine Länge aufweist, welche der ersten Pulsbreite entspricht, und/oder zum Bestimmen des ersten optischen Spektrums eine Differenz zwischen der detektierten ersten Streustrahlung (60) und der detektierten ersten Hintergrundstrahlung gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass das zweite Spektrumaufnahmezeitfenster (108) in eine Mehrzahl zweiter Messintervalle (R m ) unterteilt wird und dass in jedem zweiten Messintervall (R m ) ein Puls (112) der zweiten elektromagnetischen Strahlung (76) mit einer zweiten Pulsbreite erzeugt wird, dass die zweite Streustrahlung (86) in einem zweiten Messzeitfenster (118) des zweiten Messintervalls (R m ) detektiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass a) das zweite Messzeitfenster (118) eine Länge aufweist, welche der zweiten Pulsbreite entspricht, und/oder b) die zweite Pulsbreite maximal 10% des zweiten Messintervalls (R m ) entspricht und/oder c) in jedem zweiten Messintervall (R m ) nach jedem zweiten Messzeitfenster (118) in einem zweiten Hintergrundmesszeitfenster (122) zweite Hintergrundstrahlung detektiert wird, wobei insbesondere c1) das zweite Hintergrundmesszeitfenster (122) eine Zeitdauer aufweist, welche der ersten Pulsbreite entspricht, und/oder c2) zum Bestimmen des zweiten optischen Spektrums eine Differenz zwischen der detektierten zweiten Streustrahlung und (86) der detektierten zweiten Hintergrundstrahlung gebildet wird, und/oder d) die erste Pulsbreite und die zweite Pulsbreite identisch vorgegeben werden.
11. System (10) zum Detektieren von mindestens einem Gefahrstoff, insbesondere eines Explosivstoffs, an einer Probe, insbesondere in einem räumlichen Detektionsbereich (18), welches System (10) eine erste optische Spektroskopieeinrichtung (28) zum Aufnehmen eines ersten optischen Spektrums der Probe (26) während eines ersten Spektrumaufnahmezeitfensters (106) und eine zweite optische Spektroskopieeinrichtung (30) zum Aufnehmen eines zweiten optischen Spektrums der Probe (26) während eines zweiten Spektrumaufnahmezeitfensters (108) umfasst, wobei sich die erste und die zweite optische Spektroskopieeinrichtung (28, 30) unterscheiden, wobei das System (10) eine Auswerteeinrichtung (42) umfasst zum Vergleichen des ersten optischen Spektrums und des zweiten optischen Spektrums mit bereitgestellten Referenzspektren des mindestens einen Gefahrstoffs und zum Bestimmen, ob der mindestens eine Gefahrstoff an der Probe (26) vorhanden ist oder nicht, wobei die erste optische Spektroskopieeinrichtung (28) ein Infrarotspektrometer (44) ist oder umfasst, insbesondere ein MIR-Reflexionsspektrometer (46), wobei die zweite optische Spektroskopieeinrichtung (30) ein Ramanspektrometer (70) ist oder umfasst, insbesondere UV-RamanSpektrometer (72), dadurch gekennzeichnet , dass das erste Spektrumaufnahmezeitfenster (106) und das zweite Spektrumaufnahmezeitfenster (108) zeitlich mindestens teilweise überlappen, insbesondere vollständig, dass die erste Spektroskopieeinrichtung (28) eine erste Strahlungsquelle (48) zum Erzeugen erster gepulster elektromagnetischer Strahlung (50) umfasst und einen ersten Detektor (64) zum Messen einer Intensität von der Probe (26) zurückgestreuter erster Streustrahlung (60), dass die zweite Spektroskopieeinrichtung (30) eine zweite Strahlungsquelle (74) zum Erzeugen zweiter gepulster elektromagnetischer Strahlung (76) umfasst und einen zweiten Detektor (90) zum wellenlängenabhängigen Messen einer Intensität von der Probe (26) zurückgestreuter zweiter Streustrahlung (86).
12. System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , dass das System einen räumlich vorgegebenen Detektionsbereich (18) umfasst, in dem die Probe (26) zum Aufnehmen des ersten optischen Spektrums und des zweiten optischen Spektrums angeordnet ist.
13. System nach Anspruch 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet , dass die erste Strahlungsquelle (48) ausgebildet ist zum Durchstimmen einer Wellenlänge der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) während des ersten Spektrumaufnahmezeitfensters (106).
14. System nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet , dass die erste Strahlungsquelle (48) in Form eines ersten Lasers (52) ausgebildet ist, insbesondere in Form eines IR-Lasers (54).
15. System nach Anspruch 13 oder 14 , dadurch gekennzeichnet , dass das System (10) eine erste Scaneinrichtung (38) umfasst zum Scannen der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) über die Probe (26), insbesondere ein- oder zweidimensional.
16. System nach einem der Ansprüche 11 bis 15 , dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Strahlungsquelle (74) ausgebildet ist zum Erzeugen der zweiten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (76) mit konstanter Wellenlänge.
17. System nach einem der Ansprüche 11 bis 15 , dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Strahlungsquelle (74) in Form eines zweiten Lasers (78) ausgebildet ist, insbesondere in Form eines UV-Lasers (80).
18. System nach Anspruch 16 oder 17 , dadurch gekennzeichnet , dass a) das System (10) eine zweite Scaneinrichtung (40) umfasst zum Scannen der zweiten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (76) über die Probe (26), insbesondere ein- oder zweidimensional und/oder b) die erste Strahlungsquelle (48) ausgebildet ist zum Erzeugen der ersten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (50) mit einer ersten Repetitionsrate und dass die zweite Strahlungsquelle (74) ausgebildet ist zum Erzeugen der zweiten gepulsten elektromagnetischen Strahlung (76) mit einer zweiten Repetitionsrate und dass die erste Repetitionsrate und die zweite Repetitionsrate identisch oder unterschiedlich sind und/oder c) das System (10) eine Abstandsbestimmungseinrichtung umfasst zum Bestimmen eines Abstands der Probe (26) von der ersten Strahlungsquelle (48) und/oder von der zweiten Strahlungsquelle (74).
19. System nach Anspruch 11 bis 18 , dadurch gekennzeichnet , dass das System (10) a) eine Bedieneinrichtung (22) umfasst zum Eingeben von Daten und/oder b) eine Steuerungseinrichtung (32) umfasst zum Steuern der ersten und/oder zweiten optischen Spektroskopieeinrichtung (28, 30) und/oder c) eine Speichereinrichtung (36) umfasst zum Speichern von Referenzspektren von Gefahrstoffen und zum Speichern des gemessenen ersten optischen Spektrums und des gemessenen zweiten optischen Spektrums und/oder d) eine Ausgabeeinrichtung (34) umfasst zum Ausgeben einer Information, ob der mindestens eine Gefahrstoff an der Probe (26) vorhanden ist oder nicht.
20. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 19 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von mindestens einem Gefahrstoff, insbesondere eines Explosivstoffs, an einer Probe, insbesondere in einem räumlichen Detektionsbereich, bei welchem Verfahren mit einem ersten optischen Spektroskopieverfahren ein erstes optisches Spektrum der Probe während eines ersten Spektrumaufnahmezeitfensters aufgenommen wird und mit einem zweiten optischen Spektroskopieverfahren ein zweites optisches Spektrum der Probe während eines zweiten Spektrumaufnahmezeitfensters aufgenommen wird, wobei sich das erste und das zweite optische Spektroskopieverfahren unterscheiden, wobei das erste optische Spektrum und das zweite optische Spektrum mit bereitgestellten Referenzspektren des mindestens einen Gefahrstoffs verglichen werden zum Bestimmen, ob der mindestens eine Gefahrstoff an der Probe vorhanden ist oder nicht, wobei das erste optische Spektroskopieverfahren Infrarotspektroskopie ist, insbesondere MIR-Reflexionsspektroskopie, und dass von der Probe als erstes Spektrum ein Infrarotspektrum aufgenommen wird, dass das zweite optische Spektroskopieverfahren Ramanspektroskopie ist, insbesondere UV-Raman-Spektroskopie, und dass von der Probe als zweites Spektrum ein Raman-Spektrum aufgenommen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Detektieren von mindestens einem Gefahrstoff, insbesondere eines Explosivstoffs, an einer Probe, insbesondere in einem räumlichen Detektionsbereich, welches System eine erste optische Spektroskopieeinrichtung zum Aufnehmen eines ersten optischen Spektrums der Probe während eines ersten Spektrumaufnahmezeitfensters und eine zweite optische Spektroskopieeinrichtung zum Aufnehmen eines zweiten optischen Spektrums der Probe während eines zweiten Spektrumaufnahmezeitfensters umfasst, wobei sich die erste und die zweite optische Spektroskopieeinrichtung unterscheiden, wobei das System eine Auswerteeinrichtung umfasst zum Vergleichen des ersten optischen Spektrums und des zweiten optischen Spektrums mit bereitgestellten Referenzspektren des mindestens einen Gefahrstoffs und zum Bestimmen, ob der mindestens eine Gefahrstoff an der Probe vorhanden ist oder nicht, wobei die erste optische Spektroskopieeinrichtung ein Infrarotspektrometer ist oder umfasst, insbesondere ein MIR-Reflexionsspektrometer, wobei die zweite optische Spektroskopieeinrichtung ein Ramanspektrometer ist oder umfasst, insbesondere UV-Raman-Spektrometer. Insbesondere bei der Durchführung von Sicherheitskontrollen, beispielsweise an Grenzübergängen oder auf Flughäfen, werden unterschiedliche Geräte eingesetzt, insbesondere Sicherheitsscanner, Röntgengeräte und Metalldetektoren, mit denen gefährliche Gegenstände erkannt werden können. Allerdings ist es mit diesen Geräten nicht möglich, Gefahrstoffe, wie insbesondere Explosivstoffe beziehungsweise Sprengstoffe, direkt zu erkennen oder zu identifizieren. Bislang ist der direkte Nachweis derartiger Gefahrstoffe nur unter Laborbedingung an großen Mengen Reinstoff gezeigt worden. Daher werden bei den Sicherheitskontrollen nach wie vor nur stichprobenartig Probenabstriche von verdächtigen Oberflächen genommen, um eine Person und insbesondere auch deren Gepäck auf Kontamination und Kontakt mit einem Gefahrstoff zu überprüfen. Die Analyse dieser Stichprobe erfolgt bislang in einem zusätzlichen Kontrollschritt. Es ist bekannt, chemische Stoffe mittels optischer Spektroskopie zu charakterisieren. Zum Einsatz kommen hier insbesondere die Ramanspektroskopie sowie die Infrarotspektroskopie. Bei der Infrarotspektroskopie wird die Wellenlänge des die Probe anregenden Lichts durchgestimmt und die Absorption der Probe in Abhängigkeit der Anregungswellenlänge bestimmt. Absorptionsbanden ergeben sich insbesondere bei Wellenlängen, die einer Molekülschwingung oder Rotation des Moleküls entsprechen. Bei der Ramanspektroskopie wird die inelastische Streuung von Licht an Molekülen untersucht. Dabei wird die Probe mit Licht sehr kurzer Wellenlänge beaufschlagt. Die Wellenlänge rückgestreuten Lichts wird aufgrund der Wechselwirkung mit Molekülen der Probe zu längeren Wellenlängen hin verschoben. Die Intensität des rückgestreuten Lichts wird mit einem Detektor wellenlängenabhängig gemessen. Eine Verschiebung der Wellenlänge entspricht dabei einer bestimmten Schwingung des Moleküls. Ein Problem beim Detektieren von Gefahrstoffen ist insbesondere, dass die bekannten Verfahren sehr zeitaufwendig sind, so dass bislang eine Detektion in Echtzeit praktisch nicht möglich ist. Ein Einsatz von Systemen der eingangs beschriebenen Art bei Sicherheitskontrollen ist daher in der Praxis nicht möglich, da die erforderlichen Messzeiten zu lange dauern, um insbesondere jede Person und jedes Gepäckstück entsprechend auf Gefahrstoffe zu überprüfen. In der US 2016 / 0 041 101 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Detektieren und Identifizieren nicht leichtflüchtiger Substanzen in einer Gasphase mittels Oberflächenverstärkter Schwingungsspektroskopie beschrieb