Standoff laser-Induced thermal emission of explosives

Abstract

A laser mediated methodology for remote thermal excitation of analytes followed by standoff infrared (IR) detection is proposed. The goal of this study was to determine the feasibility of using laser induced thermal emission (LITE) to vibrationally excite explosives residues deposited on surface to detect the compounds remotely. Telescope based Fourier Transform IR (FT-IR) spectral measurements were carried out to examine substrates containing trace amounts of threat compounds used in explosive devices. Highly energetic materials (HEM) used as targets were pentaerythritol tetranitrate (PETN), triacetone triperoxide (TATP), 1,3,5- trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX), 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), 2,4-dinitrotoluene (DNT) and ammonium nitrate (AN) at concentrations from 5 to 200 μg/cm2 . Target substrates of various thicknesses were remotely heated using a high power CO2 laser, and their mid-IR (MIR) thermally stimulated emission spectra were recorded. The telescope was configured from reflective optical elements in order to minimize emission losses in the MIR frequencies and to provide optimum overall performance. Spectral replicas were acquired at distances from 4 to 64 m with an FT-IR interferometer at 4 cm-1 resolution and 10 scans. Laser power was varied from 4-36 W at radiation exposure times of 10, 20, 30 and 60 s. CO2 laser powers were adjusted to improve the detection and identification of the HEM samples. The advantages of increasing the thermal emission were easily observed in the results. Signal intensities were proportional to the thickness of the coated surface (a function of the surface concentration), as well as the laser power and laser exposure time. The limits of detection for the different explosive were from 21 to 1 μg/cm2 at 4 m. The detection was possible at 64 m for 200 μg/cm2 of RDX.

Se propone una metodología mediada por láser para la excitación térmica remota de analitos seguido por la detección infrarroja (IR) a distancia. El objetivo de este estudio fue determinar la viabilidad de la utilización de emisión térmica inducida por láser (LITE) para excitar vibracionalmente residuos de explosivos depositados sobre superficies para detectar los compuestos remotamente. Mediciones espectrales basadas en un telescopio infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR) se llevaron a cabo para examinar sustratos que contienen cantidades traza de compuestos peligrosos utilizados en dispositivos explosivos. Los materiales de alta energía utilizados fueron tetranitrato de pentaeritritol (PETN), triperoxido de triacetona (TATP), 1,3,5-trinitroperhidro-1,3,5-triazina (RDX), 2,4,6-trinitrotolueno (TNT), 2,4- dinitrotolueno (DNT) y nitrato de amonio (AN) a concentraciones de 5 a 200 μg/cm2 . Sustratos que sirvieron de blanco de diversos espesores se calentaron a distancia usando un láser de CO2 de alta potencia, y se registraron sus espectros de infrarrojo medio (MIR) de emisión estimulada térmicamente. El telescopio se configuró a partir de elementos ópticos reflectivos con el fin de minimizar las pérdidas de emisión en las frecuencias MIR y para proporcionar un rendimiento óptimo. Réplicas espectrales se adquirieron a distancias de 4 a 64 m con un interferómetro FT-IR de 4 cm- 1 de resolución y 10 scans. La potencia del láser se varió de 4 a 36 W y los tiempos de exposición de radiación fueron 10, 20, 30 y 60 s. La potencia de láser de CO2 se ajustó para mejorar la detección y la identificación de las muestras de HEM. Las ventajas de aumentar la emisión térmica se observan fácilmente en los resultados. Intensidades de señal fueron proporcionales al espesor de la superficie revestida (una función de la concentración superficial), así como la potencia del láser y el tiempo de exposición al láser. Los límites de detección para los distintos explosivos fueron desde 21 a 1 μg/cm2 a 4 m. La detección fue posible a 64 m para 200 μg/cm2 de RDX.