Wykrywacz materiałów wybuchowych Fido

Przenośny wykrywacz materiałów wybuchowych Fido XT

Wykrywacz materiałów wybuchowych Fido to zasilane bateryjnie, ręczne urządzenie sensoryczne, które wykorzystuje wzmacniające fluorescencyjne materiały polimerowe (AFP) do wykrywania śladowych ilości materiałów wybuchowych, takich jak trinitrotoluen (TNT) . Został opracowany przez Nomadics, spółkę zależną ICX Technologies (obecnie należącą do FLIR Systems ), na początku 2000 roku w ramach programu Dog's Nose Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) . Wykrywacz materiałów wybuchowych Fido jest uważany za pierwszy sztuczny nos zdolny do wykrywania min przeciwpiechotnych w świecie rzeczywistym. Nazwa urządzenia pochodzi od jego zdolności do wykrywania oparów materiałów wybuchowych w stężeniu części na kwadrylion (1 na 10^15), co jest porównywalne z czułością nosa psa tropiącego bomby , czyli historycznym „złotym standardem” wykrywania ukryte materiały wybuchowe.

Przegląd

Wykrywacz materiałów wybuchowych Fido działa jako wykrywacz śladowych materiałów wybuchowych dzięki zastosowaniu specjalnie wykonanej fluorescencyjnej folii polimerowej, która jest niezwykle wrażliwa na cząsteczki trotylu, który można znaleźć w ponad 85 procentach rozmieszczonych min lądowych.

Cienka warstwa składa się z wielu powtarzających się łańcuchów wzmacniających polimerów fluorescencyjnych, które naturalnie emitują światło widzialne pod wpływem promieni ultrafioletowych . Fluorescencja jest wynikiem ruchu elektronów w stanie wzbudzonym (tj. ekscytonów ) w dół szkieletu polimeru i pomiędzy sąsiednimi łańcuchami polimeru po pochłonięciu fotonu światła. Jednak reakcje fluorescencji zostają wygaszone w momencie, gdy cząsteczka z niedoborem elektronów, taka jak TNT, wiąże się z polimerem i zatrzymuje migrujący ekscyton w miejscu wiązania. Pojedyncza cząsteczka TNT jest w stanie zmniejszyć fluorescencję całych łańcuchów polimerowych w cienkiej warstwie, wzmacniając w ten sposób efekt pojedynczego zdarzenia wiązania TNT, które może ominąć wykrywanie mniej czułych czujników molekularnych. Konstrukcja cienkiej warstwy pozwala cząsteczkom TNT wiązać się w dowolnym miejscu wzdłuż łańcucha polimeru , drastycznie zwiększając liczbę możliwości wystąpienia zdarzenia wiązania TNT. Wzmacniające polimery fluorescencyjne stosowane w detektorze materiałów wybuchowych Fido zostały zaprojektowane tak, aby preferencyjnie reagować na nitroaromatyczne materiały wybuchowe. Uważa się, że wiązanie cząsteczek TNT jest spowodowane oddziaływaniem typu elektrostatycznego między polimerem a docelowym analitem. Selektywność można również poprawić, syntetyzując w polimerze struktury, które są elektrostatycznymi lustrzanymi odbiciami pożądanych docelowych analitów. Według doniesień istnieją dowody na to, że polimery mogą wzmacniać wygaszanie reakcji fluorescencji od 100 do 1000 razy w porównaniu z konwencjonalnymi mechanizmami wygaszania.

Fluorescencyjna folia polimerowa jest pokryta wewnętrzną powierzchnią maleńkich szklanych rurek, których detektor materiałów wybuchowych Fido używa do zasysania powietrza. Niebieska dioda elektroluminescencyjna (LED) wewnątrz detektora służy do wzbudzania fluorescencyjnych elektronów polimerowych, a fotopowielacze detektora wzmacniają i odczytują długość fali emitowanego światła, aby stwierdzić, czy światło wytwarzane przez warstwę polimeru przygasło. Detektor materiałów wybuchowych Fido zapewnia prawie natychmiastową analizę próbkowanego powietrza w czasie zbliżonym do rzeczywistego, rejestrując intensywność fotopowielaczy, która jest odwrotnie proporcjonalna do masy analitu, który wiąże się z filmami polimerowymi. Folie polimerowe można wielokrotnie eksponować na próbki ze względu na odwracalny charakter wiązania analitów z folią. Detektor materiałów wybuchowych Fido może przywrócić intensywność fluorescencji warstw polimerowych do poziomu bliskiego początkowemu odczytowi linii bazowej poprzez wciągnięcie nowego strumienia czystego powietrza w celu omiatania warstwy polimerowej i desorpcji analitu.

Historia

Wynalezienie detektora materiałów wybuchowych Fido w dużej mierze opierało się na wynalezieniu wzmacniającego polimeru fluorescencyjnego (AFP) pod koniec lat 90. W tamtym czasie stosowanie polimerów fluorescencyjnych w stanie stałym było trudne ze względu na znacznie zmniejszoną czułość i fluorescencję w porównaniu z polimerami w roztworze. W 1995 roku chemik Timothy Swager z Massachusetts Institute of Technology (MIT) jako pierwszy zademonstrował możliwość wzmocnienia sygnału sensorycznego przy użyciu drutu molekularnego . Technika ta została później wykorzystana przez firmę Swager do opracowania AFP po raz pierwszy. Wkrótce potem Swager otrzymał amerykański grant na badania wojskowe w celu włączenia AFP do technologii przeciwminowej w ramach programu wykrywania niewybuchów DARPA, który był również bardziej nieformalnie znany jako program Dog's Nose . Licencjonował technologię AFP firmie Nomadic i współpracował z nią przy tworzeniu prototypu polimerów fluorescencyjnych, które można by wykorzystać do wykrywania materiałów wybuchowych.

Pierwsze testy terenowe wczesnych prototypów detektora materiałów wybuchowych Fido przeprowadzono w 1999 roku w Fort Leonard Wood, MO. W 2001 roku opracowano wariant detektora materiałów wybuchowych Fido, znany jako SeaDog, do wykrywania śladowych ilości trotylu pod wodą. SeaDog został następnie zintegrowany z autonomicznym pojazdem podwodnym (AUV) w ramach programu CSME (Chemical Sensing in the Marine Environment) Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, stając się pierwszym, który zademonstrował mapowanie wybuchowego pióropusza pod wodą w czasie rzeczywistym. W 2002 roku firma Nomadics została sfinansowana ze środków Strategicznego Programu Badań i Rozwoju Środowiska (SERDP) w celu skonfigurowania detektora materiałów wybuchowych Fido w taki sposób, aby mógł być używany do monitorowania zanieczyszczenia wód gruntowych materiałami wybuchowymi. System był dalej modyfikowany i testowany w terenie przez różne organizacje w Departamencie Obrony USA , w tym Laboratorium Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych (ARL) oraz Dyrekcję ds. Noktowizorów i Czujników Elektronicznych (NVESD) .

Wykrywacz materiałów wybuchowych Fido był promowany przez firmę Nomadics jako tani system, ponieważ większość sprzętu, poza AFP, składa się z komercyjnych, gotowych komponentów elektronicznych i optycznych (COTS). W przeciwieństwie do większości fluorescencyjnych gaszących czujników materiałów wybuchowych urządzenie nie wymagało laserów na ciele stałym i nie było tak ściśle ograniczone wymaganiami dotyczącymi stabilności termicznej . W 2003 roku Nomadics ustalił, że włączenie dwuelementowego czujnika matrycowego do detektora materiałów wybuchowych Fido może znacznie poprawić zdolność urządzenia do rozróżniania związków chemicznych będących sygnaturami chemicznymi od potencjalnych chemicznych substancji zakłócających bez utraty czułości czujnika.

Do 2004 roku fundusze z Army Research Office (ARO) doprowadziły do opracowania miniaturowego podręcznego prototypu wykrywacza materiałów wybuchowych Fido, który był w stanie działać przez około sześć godzin na jednym ładowalnym akumulatorze . Do produkcji tego systemu wykorzystano tańsze i bardziej wytrzymałe komponenty, takie jak zastąpienie fotopowielacza mniej czułą fotodiodą . Zmiany te spowodowały wzrost poziomu hałasu, który zdaniem naukowców prawdopodobnie nie byłby znaczący dla większości zastosowań.

W 2005 roku Swager i jego zespół odkryli, że dostosowanie mocy pompy do wartości nieco powyżej progu wymaganego dla lasera znacznie osłabiło emisję lasera, powodując trzydziestokrotny wzrost czułości czujników detektora materiałów wybuchowych Fido, gdy system działa w pobliżu progu lasera. W tym samym roku firma Nomadics wprowadziła na rynek nową wersję urządzenia, znaną jako Fido XT Explosives Detector, która zawierała rozszerzenie na uwięzi, które umożliwiało oddzielenie głowicy pobierającej ślady związków wybuchowych od reszty urządzenia. Wariant XT zawierał również koncentrator wstępny, który umożliwiał urządzeniu pobranie próbki 1000 litrów powietrza w tym samym czasie, w jakim urządzenie pobrałoby próbkę 1 litra powietrza bez wzmocnienia. Ten nowy dodatek umożliwił urządzeniu wykrycie źródła oparów bez fizycznego kontaktu czujnika z zanieczyszczonym przedmiotem.

W trakcie ciągłego rozwoju wykrywacz materiałów wybuchowych Fido był wielokrotnie modyfikowany przez armię amerykańską i montowany na różnego rodzaju platformach w celu wykrywania śladów oparów materiałów wybuchowych w niebezpiecznych środowiskach i trudno dostępnych miejscach. Jednym z wyróżniających się przykładów był plan zintegrowania detektora materiałów wybuchowych Fido z platformami robotów w celu zdalnego wykrywania improwizowanych urządzeń wybuchowych (IED) . Początkowo zaproponowany przez ówczesnego zastępcę sekretarza armii ds. zaopatrzenia, logistyki i technologii (ASAALT) , projekt był prowadzony przez Joint IED Defeat Task Force (JIEDDTF) w ramach 90-dniowego harmonogramu dostaw, który obiecywał wyprodukowanie dziesięciu zintegrowanych systemy dla żołnierzy w przestrzeniach bojowych. Po długich rozważaniach PackBot firmy iRobot został wybrany jako platforma robota dla detektora materiałów wybuchowych Fido. Jednak ze względu na wyzwania związane z ograniczeniami kosztowymi i czasowymi, tylko połowa z proponowanych dziesięciu prototypowych jednostek została ostatecznie wyprodukowana, przetestowana i umieszczona w Afganistanie i Iraku . Podczas gdy wystawione prototypy napotkały problemy techniczne, które utrudniały działanie, naprawy przeprowadzone przez zespoły naukowców z różnych laboratoriów wojskowych były w stanie rozwiązać wiele pojawiających się problemów. Inne wysiłki obejmowały opracowanie AutoCoptera firmy Neural Robotics, Inc., w którym detektor został zamontowany na małej platformie bezzałogowego helikoptera, a także integrację systemu wykrywania z Foster-Miller TALON i smokiem US Marine Corps Biegacz .

Do 2010 roku ponad 1500 wykrywaczy materiałów wybuchowych Fido zostało przekazanych żołnierzom amerykańskim, a Kongres Stanów Zjednoczonych przekazał Nomadicom 7 milionów dolarów na produkcję większej liczby wykrywaczy materiałów wybuchowych Fido do amerykańskich operacji wojskowych. W 2011 roku firma FLIR Systems (dawniej Nomadics) wypuściła na rynek aktualizację detektora materiałów wybuchowych Fido XT o nazwie Fido NXT, która zawierała nowy projekt, dzięki któremu urządzenie było bardziej trwałe i modułowe.

Testy

Fort Leonard Wood

Testy w ślepym terenie detektora materiałów wybuchowych Fido po raz pierwszy odbyły się w ośrodku DARPA w Ft. Leonard Wood, MO, w celu oceny działania urządzenia w porównaniu z wyszkolonymi psami. Podczas próby na polu testowym umieszczono miny lądowe z dwiema flagami oddalonymi od siebie o około 50 cm, wskazującymi lokalizację każdej pozycji testowej. Miny lądowe były autentycznymi TMA5 lub PMA1A z usuniętymi zapalnikami i detonatorami wraz z zatyczkami transportowymi zakrywającymi detonator. Trzy różne zespoły miały za zadanie wykryć zakopane miny w każdej pozycji testowej. Jeden z nich wykorzystywał wykrywacz materiałów wybuchowych Fido, a dwa pozostałe były doświadczonymi zespołami psów, z których jeden był przeszkolony w wykrywaniu materiałów wybuchowych (np. bomb), a drugi w wykrywaniu min przeciwpiechotnych.

Zgodnie z wynikami testów terenowych, psi zespół przeszkolony w wykrywaniu min przeciwpiechotnych radził sobie lepiej niż psi zespół przeszkolony w wykrywaniu materiałów wybuchowych. Ten ostatni ostatecznie wycofał się z prób polowych ze względu na ogromną trudność wykonania zadania. Jednak nawet psi zespół z prawdziwym doświadczeniem w znajdowaniu min lądowych miał trudności z wykonaniem zadania z powodu bardzo gorących i suchych warunków pogodowych na polu. Z kolei zespół korzystający z wykrywacza materiałów wybuchowych Fido generalnie radził sobie lepiej niż doświadczony psi zespół wykrywający miny lądowe. Jeśli chodzi o wykrywanie min przeciwpiechotnych TMA5 w plastikowych obudowach, najlepsze działanie czujnika wykazało prawdopodobieństwo wykrycia na poziomie 89% przy 27% prawdopodobieństwie fałszywego alarmu. Na zakończenie testów terenowych DARPA potwierdziła, że wydajność wykrywacza materiałów wybuchowych Fido była na poziomie równym lub lepszym niż wyszkolone kły, co oznacza, że po raz pierwszy elektroniczne urządzenie „sniffer” wykazało zdolność wykrywania min przeciwpiechotnych porównywalną do tresowanych kłów w warunkach polowych.

Rakovo Polje

W 2001 roku naukowcy sponsorowani przez Army Communications Electronics Command, Night Vision and Electronic Sensors Directorate przeprowadzili test w ślepym polu, porównując wydajność detektora materiałów wybuchowych Fido z wydajnością systemu MECHEM Explosives and Drug Detection System (MEDDS), który również ustalił, czy lub żaden obszar nie zawiera śladów wybuchowych oparów. Testy odbywały się na poligonie Rakovo Polje w Chorwacji od lipca 2001 do sierpnia 2003. Celem testów terenowych było ustalenie, czy technologia MEDDS może zostać ulepszona przez włączenie wykrywacza materiałów wybuchowych Fido. Pole testowe, na którym przeprowadzono eksperyment, zawierało od 8 do 15 pojedynczych min lądowych (PROM-1, TMA-1A, PMA-2 i PMA-3) losowo rozmieszczonych na głębokości 10, 15 lub 20 cm pod powierzchnią. Oddzielne pole testowe zostało utworzone w sąsiedztwie głównego pola testowego, aby określić, jak daleko od miny można wykryć śladowe poziomy skażenia. W czasie trwania eksperymentu przeprowadzono wielokrotne pobieranie próbek w teście terenowym.

Wyniki badania wykazały, że zarówno detektor materiałów wybuchowych Fido, jak i MEDDS były w stanie wykryć opary materiałów wybuchowych w miejscu testowania, nawet gdy mijały miesiące i drastycznie zmieniały się warunki terenowe. Jednak nie było żadnych dostrzegalnych wzorców ani żadnej korelacji między wynikami próbkowania dwóch systemów detektorów. Badanie wykazało również, że ślady związków wybuchowych (ERC) są w dużej mierze przenoszone przez ruch wody w glebie, a nie przez dyfuzję molekularną . Jeśli chodzi o wydajność detektora materiałów wybuchowych Fido, system wykrył 59 pozytywów ze 108 próbek (55 procent), przy czym większość pozytywów znajdowała się głębiej w glebie podczas pobierania próbek z bliskiej odległości w maju 2003 r. Dla porównania, MEDDS znalazł 71 procent próbek przy użyciu własnych probówek i 83 procent próbek przy użyciu probówek Fido.

Poligon doświadczalny Yuma

W 2001 roku naukowcy z Nomadics przeprowadzili testy terenowe w Yuma Proving Ground w Arizonie, aby przetestować zdolność czujników detektora materiałów wybuchowych Fido do pobierania próbek tylko cząstek gleby i oparów. Stanowisko testowe w Yuma Proving Ground znajdowało się w trudnych warunkach pustynnych z wyjątkowo suchą glebą, co ograniczyło transport ERC przez ruch wody w glebie. Pole testowe zostało zorganizowane w pięć pasów, z których każdy był podzielony na 100 komórek oznaczonych bardzo lekką liną. Detektor materiałów wybuchowych Fido został wykorzystany do analizy próbek pobranych z każdej celi na każdym pasie w celu określenia lokalizacji zakopanych min przy standardach kalibracji bardzo niskich stężeń. Jednak chociaż detektor z powodzeniem wykrył sygnatury min, nie był w stanie precyzyjnie wskazać dokładnej lokalizacji min na pasach z jakimkolwiek stopniem pewności. Naukowcy doszli do wniosku, że wydajność urządzenia była spowodowana dużą gęstością min na pasach, co powodowało nakładanie się sygnatur chemicznych z min, co utrudniało dokładne określenie lokalizacji min. Jednak wykrywacz materiałów wybuchowych Fido generował mniej odpowiedzi czujników w obszarach oddalonych od lokalizacji min, podczas gdy reakcje czujników w pasach minowych były częste, pomimo faktu, że sygnatury min mogą przemieszczać się znacznie daleko od centrum miny. Naukowcy odkryli również, że intensywność reakcji czujnika wzrosła po nocy z lekkim deszczem. W badaniu stwierdzono, że chociaż wykrywacz materiałów wybuchowych Fido może mieć trudności z określeniem dokładnej lokalizacji zakopanych min przeciwpiechotnych, może być przydatny w wykrywaniu obecności skupisk min.

Specyfikacje

Dane techniczne detektora materiałów wybuchowych Fido XT
Rozmiar	9,8” x 4,8” x 2”
Waga	700 g z baterią
Bateria	Litowo-jonowa
Żywotność baterii	4 godziny
Zasilacz	100 - 250 V, 50 - 60 Hz
Pamięć	256MB
Wykrywalne substancje wybuchowe	Związki nitroaromatyczne
Wrażliwość	1 femtogram (1 x 10^-15 g) dla TNT
Czas analizy	5 sekund
Prezentacja wyników	Wyświetlanie wykresu słupkowego; sygnał dźwiękowy; połączenie z komputerem zewnętrznym
Problemy z bezpieczeństwem	Umiarkowanie gorąca końcówka (90 stopni Celsjusza)

Wydajność

Detektor materiałów wybuchowych Fido może pobierać próbki jedną z trzech metod. Najbardziej powszechną metodą jest bezpośrednie próbkowanie śladów oparów w czasie rzeczywistym za pomocą czujnika Fido, który zwykle dostarcza danych najbardziej wrażliwych na położenie i pozwala na lepsze wykrywanie charakterystycznych „gorących punktów”. Podejście to koncentruje się na pobieraniu próbek w bezpośrednim sąsiedztwie wlotu czujnika, a zatem charakteryzuje się niską objętościową częstotliwością próbkowania. Ze względu na to, że stężenie ERC w sygnaturze oparów jest o pięć do sześciu rzędów wielkości mniejsze niż stężenie zanieczyszczonej gleby wytwarzającej sygnaturę oparów, powodzenie tej metody zależy w dużej mierze od stanu pola minowego w momencie pobierania próbek. Korzystne warunki obejmują wysokie temperatury, lekkie wiatry, wilgotne warunki glebowe i wszelkie inne czynniki, które pomagają zwiększyć stężenie pary lub rozproszyć sygnaturę pary. Najlepsze odnotowane działanie detektora materiałów wybuchowych Fido przy użyciu tej metody wystąpiło podczas testu terenowego DARPA w Ft. Leonarda Wooda, gdzie urządzenie osiągnęło 100-procentowe prawdopodobieństwo wykrycia przy 10-procentowym wskaźniku fałszywych alarmów .

Inną możliwą metodą pobierania próbek jest użycie elektrostatycznego kolektora cząstek gleby (ESPC), który wykorzystuje dwie elektrody i strumień powietrza do usuwania cząstek gleby z ziemi. Naładowane elektrostatycznie próbki gleby, które przywierają do elektrody zewnętrznej, są następnie przemieszczane do fiolki do pobierania próbek i ekstrahowane do acetonu, po czym trafiają do detektora materiałów wybuchowych Fido za pomocą przenośnego chromatografu gazowego . Takie podejście umożliwia użytkownikom pobieranie próbek gleby ze znacznie większego obszaru w porównaniu z metodą bezpośredniego pobierania próbek. W przypadku trzeciej metody pobierania próbek pobiera się próbki zarówno cząstek gleby, jak i oparów, wciągając duże ilości powietrza przez warstwę materiału adsorbującego przeznaczonego do wychwytywania ERC. Po pobraniu próbki uwięzione anality są ekstrahowane do rozpuszczalnika i prezentowane detektorowi materiałów wybuchowych Fido za pomocą przenośnego chromatografu gazowego. Takie podejście zwykle pozwala na szybkie pobieranie próbek z dużych obszarów.

Pomimo wygody detektora materiałów wybuchowych Fido, wyszkolone psy tropiące pozostają najlepszym dostępnym systemem wykrywania materiałów wybuchowych. Naukowcy zauważyli, że urządzenie nadal napotyka problemy związane ze stosunkowo niskim wskaźnikiem wykrywalności (89 procent) i stosunkowo wysokim wskaźnikiem fałszywych alarmów (27 procent). Jednak dane zebrane z różnych testów terenowych potwierdzają wniosek, że wykrywacz materiałów wybuchowych Fido ma możliwości wykrywania TNT co najmniej porównywalne z wyszkolonym psem tropiącym. Ponadto zwolennicy urządzenia argumentowali, że system Fido umożliwia wykrywanie materiałów wybuchowych w sytuacjach lepiej dostosowanych do maszyn niż z psem i przewodnikiem, na przykład w ekstremalnych warunkach z trudnymi warunkami pogodowymi. Urządzenie może również wykrywać kilka różnych rodzajów materiałów wybuchowych niż tylko TNT i może być bardziej spójne niż wyszkolony pies, którego szkolenie może być kosztowne i na którego działanie może wpływać wiele nieznanych i niekontrolowanych czynników. Jednak wykrywacz materiałów wybuchowych Fido jest również hamowany przez temperaturę otoczenia , tak że nominalna temperatura pracy systemu wynosi 32 stopnie Celsjusza.

Aplikacje

W połowie 2000 roku wykrywacz materiałów wybuchowych Fido został wdrożony zarówno w Afganistanie, jak i Iraku jako przenośne urządzenie podręczne lub dodatek do platformy robota. Detektor materiałów wybuchowych Fido znalazł również zastosowanie jako narzędzie do kontroli pojazdów w celu zwalczania improwizowanych urządzeń wybuchowych przenoszonych przez pojazdy (VBIED) używanych przez powstańców w Iraku. W 2017 roku Biuro Przedstawiciela Obrony USA w Pakistanie (ODRP) dostarczyło armii pakistańskiej ponad 50 urządzeń Fido w ramach wartej 128 milionów dolarów inicjatywy zwalczania terroryzmu IED . Poza domeną wojskową wykrywacz materiałów wybuchowych Fido został włączony jako narzędzie do ochrony lotnisk i budynków, a nawet był używany przez policję Parku Narodowego podczas obchodów 4 lipca 2006 roku w Washington DC Mall . W 2009 roku została uruchomiona wersja systemu Fido do ochrony lotnisk , która wkrótce stała się powszechnie używana przez Administrację Bezpieczeństwa Transportu na co najmniej 70 lotniskach w całym kraju.

Nagrody

Wykrywacz materiałów wybuchowych Fido został doceniony wieloma nagrodami od czasu jego powstania na początku XXI wieku. Ręczna wersja systemu została uznana przez armię amerykańską za jeden z dziesięciu największych wynalazków w 2005 roku, a zrobotyzowana platforma Packbot ze zintegrowanym wykrywaczem materiałów wybuchowych Fido otrzymała tę samą nagrodę w 2006 roku. W 2007 roku Timothy Swager wygrał nagrodę Lemelson- Nagroda MIT za pracę nad wzmacnianiem polimerów fluorescencyjnych. Później zdobył nagrodę American Chemical Society Award for Creative Invention w 2013 roku.

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne