Laserbohrverfahren zur Detektion verpackter Gefahrstoffe

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen zur Detektion von verpackten Gefahrstoffen wie beispielsweise Explosivstoffen. Hierzu wird in einem erstenSchritt die Verpackung mittels Laserbohrens durchdrungen, um anschließend den nun freiliegenden Gefahrstoff nachweisen zu können. Dies geschieht einerseits durch eine lasergestützte Probenahme und anschließende Detektion mit gängigen chemisch-analytischen Verfahren sowie direkt bei der Wechselwirkung zwischen Laser und Gefahrstoff mittels Ramanspektroskopie. Zudem werden schnelle in situ - Techniken im Hinblick auf ihre Eignung zur Überwachung des Laserbohrprozesses untersucht. Hier werden kostengünstige und kompakte Sensortechniken (Messung der Prozessgase durch Halbleitergassensoren, Messung des Luftschalls mittels Kondensatormikrofon) mit aufwendigeren und komplexeren spektroskopischen Verfahren (Plasma- und Ramanspektroskopie) bewertend verglichen. Anhand ausgewählter Modellsysteme in verkleinertem Maßstab werden die unterschiedlichen Verfahren unter Verwendung gängiger Verpackungs- und Hüllenmaterialien sowie anhand ausgewählter Explosivstoffe charakterisiert. Für das Laserverfahren kommen gepulste Nd:YAG Laser mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen zum Einsatz.Die Ergebnisse zeigen eine grundsätzliche Eignung des Verfahrens zur Probenahme und anschließenden Detektion der Zielstoffe, die ansonsten für Nachweismethoden nur schwer oder gar nicht zugänglich wären. Bezüglich der sensorischen Überwachung der Laserprozesse ergibt sich, dass mittels kompakter Sensorik bereits erste Aussagen zur Materialunterscheidung und Erkennung von Schichtübergängen oder auch des Durchbruchs der Bohrung getroffen werden können. Eine exaktere und auch schnellere sensorische Charakterisierung wird durch spektroskopische Methoden gestattet. So erweist sich der Einsatz der Plasmaspektroskopie als besonders geeignet für die Überwachung des laufenden Bohrfortschritts. Mittels Ramanspektroskopie gelingt eine Identifizierung der Zielstoffe durch den Bohrkanal hindurch unter Verwendung derselben Laserquelle sowohl für den Bohrvorgang als auch für die Anregung des Ramaneffekts. Subjects of this work are studies on the detection of concealed hazardous materials like for example explosives. In a first step, the shielding packaging isperforated by means of laser drilling to detect afterwards the now accessible target substance. This is done by a laser based sampling process followed bythe detection via established analytical methods and also by the direct interaction between laser and target substance via Raman spectroscopy. In addition,fast and on-site employable methods are examined in terms of their suitability for monitoring the laser drilling process. For this purpose, compact andcost-efficient sensor technologies (measurement of the process gases with semiconducting gas sensors, measurement of the airborne sound with a capacitormicrophone) are compared with more complex and expensive spectroscopic methods (plasma and Raman spectroscopy). With selected test specimens inreduced scale, the different methods are characterised using common packaging and explosive materials. For the laser drilling process, pulsed Nd:YAGlasers with different emission wavelengths come into operation.Results show the general suitability of the proposed method for the sampling process and detection of target substances, which are not at all or hardly accessible by other detection methods. Relating to the monitoring of the laser processes it can be shown that by using only compact sensors, first information about the drilled materials and material change and the breakthrough of the drilling process can be achieved. A more presice and faster characterisation can be reached using spectroscopic methods. Plasma spectroscopy is shown to be an appropriate method for monitoring the drilling progress. With the help of Raman spectroscopy, the identification of target substances through the bore hole is succeeded using the same laser source for the drilling process as well as for the stimulation of the Raman effect.