Обнаружение микрочастиц химических веществ
Группа изобретений относится к системе и способу бесконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности, которая находится в движении относительно системы сбора проб микрочастиц. Способ включает освобождение микрочастиц с целевой поверхности и перенос микрочастиц посредством вихря, направленного наружу в направлении целевой поверхности. При этом вихрь выходит из выходного отверстия для обеспечения направленного наружу и вращающегося газового потока, являющегося концентрическим с направленным внутрь газовоздушным потоком. Затем собирают упомянутые микрочастицы из направленного внутрь газовоздушного потока. Причем относительная скорость поперек линии прямой видимости между целевой поверхностью и выходным отверстием для направленного наружу и вращающегося газового потока больше 15 сантиметров в секунду. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности сбора проб целевых микрочастиц при движении. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка является частичным продолжением заявки США № 11/492672, зарегистрированной 25 июля 2006 г. (ожидает рассмотрения), которая является частичным продолжением заявки США 11/258477, зарегистрированной 25 октября 2005 г. (ожидает рассмотрения), и которая заявляет приоритет предварительной заявки 60/708017, зарегистрированной 12 августа 2005 г. (ожидает рассмотрения), и которая является частичным продолжением заявки США 10/890820, зарегистрированной 14 июля 2004 г. (в настоящее время патент США № 7098672), которая является частичным продолжением заявки США 10/818434, зарегистрированной 5 апреля 2004 г. (в настоящее время патент США № 6870155), которая является частичным продолжением заявки США 10/349491, зарегистрированной 22 января 2003 г. (в настоящее время патент США 6828795), которая является частичным продолжением заявки США 10/295039, зарегистрированной 14 ноября 2002 г., и которая является частичным продолжением заявки США 10/295010, зарегистрированной 14 ноября 2002 г. (в настоящее время патент США № 6861646), которая заявляет приоритет согласно предварительной заявке 60/363485, зарегистрированной 12 марта 2002 г., и предварительной заявке 60/357618, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., и предварительной заявке 60/357394, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., которые все включены сюда посредством ссылки.
Настоящая заявка является также частичным продолжением заявки США № 11/248603, зарегистрированной 12 октября 2005 г. (ожидает рассмотрения), которая является частичным продолжением заявки США № 10/890820, зарегистрированной 14 июля 2002 г. (в настоящее время патент США № 7098672) и которая является частичным продолжением заявки США № 10/853563, зарегистрированной 25 мая 2004 г. (ожидает рассмотрения), которая является частичным продолжением заявки США 10/818434, зарегистрированной 5 апреля 2004 г. (в настоящее время патент США № 6870155), которая является частичным продолжением заявки США 10/754088, зарегистрированной 7 января 2004 г. (в настоящее время патент США № 6888128), которая заявляет приоритет предварительной заявки 60/473649, зарегистрированной 28 мая 2003 г., и предварительной заявки 60/363485, зарегистрированной 12 марта 2002 г., и предварительной заявки 60/363485, зарегистрированной 12 марта 2002 г., и предварительной заявки 60/363485, зарегистрированной 12 марта 2002, и предварительной заявки 60/363485, зарегистрированной 12 марта 2002 г., и предварительной заявки 60/357394, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357618, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357394, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357618, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357394, зарегистрированной 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357618, зарегистрированный 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357394, зарегистрированный 15 февраля 2002 г., и предварительной заявки 60/357618, зарегистрированный 15 февраля 2002 г., которые все внесены сюда посредством ссылки.
Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая заявка относится к обнаружению микрочастиц химических веществ, таких как взрывчатые вещества или наркотики, и более подробно к безконтактному сбору микрочастиц веществ с поверхности, которая двигается относительно системы сбора проб микрочастиц.
2. Описание предшествующего уровня техники
Существует широкое разнообразие приборов, способных обнаруживать и идентифицировать частицы наркотиков или взрывчатых веществ, когда проба микрочастиц переносится в прибор и в дальнейшем выпаривается. Примерами являются, в частности, спектрометры подвижности ионов, масс-спектрометры, газовые хроматографы, датчики поверхностных акустических волн, датчики консольных балок и детекторы захвата электронов. Точно также существуют несколько путей, обычно используемых для переноса упомянутых частиц в измерительный прибор, некоторые из которых объединены с прибором, а некоторые требуют, чтобы перенос выполнялся оператором. Примерами являются, в частности, механический перенос собранной пробы к прибору, вакуумный сбор паров или частиц и вихревое вакуумное взятие проб.
В упомянутых выше примерах сбор частиц начинается с их прикрепления к поверхности слабыми химическими связями, силами ван-дер-Ваальса, механическим прикреплением к волокнистой структуре или порам, электростатическим притяжением или захватом липким материалом, такими как смазка. Для частиц наркотиков и взрывчатых веществ силы поверхностной адгезии могут быть относительно большими, создавая трудности при их удалении простыми способами переноса с малыми движущими силами, такими как при сдувании потоками воздуха. Удаление таких сильно прилипших частиц сдуванием потоками воздуха обычно успешно только для самых больших, самых тяжелых частиц, обладающих наибольшей площадью поверхности для сдувающего воздуха. В целом, сдувание воздухом не может легко удалять частицы взрывчатых веществ или наркотиков с твердых поверхностей, а только с гибких поверхностей, таких как ткань, где колеблющееся движение материала обеспечивает движущую силу для механического удаления частиц, или с нестабильных поверхностей, таких как картон, где материал вещества может отслаиваться вместе с целевой частицей. Даже для ткани поток воздуха для сдувания обычно требует очень высокой скорости потока, чтобы получить какой-то эффект, и тоже только для наибольших частиц, что, таким образом, делает процесс очень неэффективным. Поверхности, подвергающиеся обдуву воздухом во время обычного использования, такие как боковые стороны транспортного средства, особенно трудны для получения пробы для определения следов химических веществ простым использованием воздушной струи.
Расстояние между целевой поверхностью и дующей воздушной струей также имеет значение. Как известно, воздушные струи, выходящие из сопел, отклоняются и замедляются по скорости в зависимости от расстояния из-за взаимодействия с окружающей атмосферой, заставляющей их терять эффективность при перемещении частиц с увеличением расстояния от сопел. Сопло, использующее аэрозоль, содержащий газ под давлением и твердые частицы, чтобы усилить освобождение целевых частиц, аналогично затрагиваются этим эффектом и частицы аэрозоля быстро замедляются с увеличением расстояния.
В некоторых случаях процесс взятия пробы начинается с оператора или механизма, физически протирающего абсорбирующим, часто текстурированным материалом, таким как химическая фильтровальная бумага, поверхность, которая должна быть проверена. Частицы интересующего химического вещества могут быть затем перенесены и сконцентрированы на или в поверхностной текстуре абсорбера, выполняя механическое действие протирки. Этот промежуточный абсорбер затем переносится в непосредственную близость к измерительному прибору, чтобы сделать измерение. Способ протирки обычно работает надежно и эффективно, но может быть дорогостоящим, поскольку носитель обычно требует частой замены.
Существует множество применений, в которых желательно избегать ручной протирки поверхности для получения микрочастиц. К ним относятся взятие проб без оператора, взятие проб с большой поверхности, дистанционное взятие проб, автоматизированное взятие проб и ситуации, в которых частая замена протирочных материалов неприемлема. Примерами применений, для которых желателен безконтактный тип обнаружения, являются проверка людей, пакетов, багажа, почты, объектов на производственной линии и транспортных средств. Однако целевые объекты каждого из этих применений часто находятся в движении, например предметы на движущейся транспортерной ленте, идущие люди и движущиеся транспортные средства. Хотя возможно потребовать, чтобы эти целевые объекты прекратили движение во время процесса измерения, было бы предпочтительно исследовать эти целевые объекты в то время, когда они находятся в движении относительно системы сбора проб микрочастиц. Также для системы сбора проб микрочастиц было бы предпочтительно функционировать с одинаковой эффективностью, независимо от того, движется ли целевой объект при неподвижной системе сбора проб микрочастиц или система сбора проб микрочастиц движется при неподвижном целевом объекте. В некоторых случаях, как целевой объект, так и система сбора проб микрочастиц предпочтительно могут быть в движении. Примерами, в которых типовая система обнаружения находится в движении при неподвижном целевом объекте, являются робот, сканирующий боковую поверхность подозрительного транспортного средства, и портальная рама для обнаружения взрывчатых веществ при проходе людей, где система взятия проб сканирует человека сбоку.
Соответственно было бы желательно обеспечить систему сбора проб микрочастиц, которая позволяет осуществлять эффективный сбор проб целевых микрочастиц в то время, как целевая поверхность и система сбора проб микрочастиц находятся в относительном движении.
Сущность изобретения
В соответствии с описанной здесь системой способ безконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности содержит освобождение микрочастиц с целевой поверхности. Средство переноса, которое обеспечивается для микрочастиц, и создает вихрь, направленный наружу в направлении целевой поверхности, в котором вихрь выходит из выходного отверстия для направления наружу и закручивания газового потока, который концентричен с направленным внутрь газовоздушным потоком. Микрочастицы собираются из упомянутого направленного внутрь газовоздушного потока, в котором относительная скорость поперек линии прямой видимости между упомянутой целевой поверхностью и выходным отверстием для упомянутого направленного наружу и закрученного потока газа больше пятнадцати сантиметров в секунду.
Соответственно в дополнение к описанной здесь системе система сбора проб микрочастиц обеспечивается для сбора проб целевых частиц в то время, когда целевая поверхность и система сбора проб микрочастиц находятся в относительном движении. Относительное движение определяется как относительная скорость поперек линии прямой видимости между целевой поверхностью и системой сбора проб микрочастиц, и может быть больше пятнадцати сантиметров (шесть дюймов) в секунду. Например, обычными являются объекты, движущиеся на ленточном транспортере, которые часто могут двигаться со скоростью больше пятнадцати сантиметров (шесть дюймов) в секунду и ускоряться до шестидесяти сантиметров (два фута) в секунду. Идущий человек может двигаться со скоростью между шестьюдесятью и ста сантиметрами (два-три фута) в секунду. Движение транспортных средств может быть намного более быстрым.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе система безконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности содержит компонент освобождения частиц, компонент переноса частиц и компонент сбора частиц. Компонент освобождения частиц освобождает микрочастицы с целевой поверхности. Компонент переноса микрочастиц переносит микрочастицы с целевой поверхности, причем компонент переноса микрочастиц обеспечивает вихрь, направленный снаружи на целевую поверхность, причем вихрь выходит из выходного отверстия для направления наружу и вращения потока газа, который концентричен с направленным внутрь газовоздушным потоком. Компонент сбора частиц, который отбирает микрочастицы у направленного внутрь потока газа и воздушного потока, в котором относительная скорость поперек линии прямой видимости между целевой поверхностью и выходным отверстием для направленного наружу и закрученного потока газа больше пятнадцати сантиметров в секунду.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе компонент освобождения частиц может содержать сопло для газовой струи или струи аэрозоля, каждая из которых может обеспечиваться источником газа под давлением и направляться на целевую поверхность, которая может быть загрязнена следами наркотиков или химикатов, сопутствующих взрывчатым веществам. Источник газа под давлением может работать непрерывно или предпочтительно быть импульсным. Предпочтительно импульс может быть меньше одной секунды. Давление газа может составлять приблизительно сто фунтов на квадратный дюйм, значение, которое может быть легко получено с помощью небольших компрессоров, но могут также использоваться и значительно более высокие давления, и может ограничиваться только доступностью, стоимостью и ограничениями техники безопасности для газа под давлением. Например, газовый баллон высокого давления, возможно, неприемлем в общественном месте из-за риска взрыва, вызванного неправильным обращением.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе струи газа или струи аэрозольной смеси частиц и газа используются, чтобы помочь в освобождении целевых частиц. Струи могут быть нацелены так, чтобы дуть по касательной к поверхности целевого объекта и в направлении активной зоны компонента переноса частиц, или струи могут быть нацелены так, чтобы дуть в точку на целевом объекте, которая находится в пределах активной зоны компонента переноса частиц.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе компонент переноса частиц может быть вихревой системой взятия проб, вариант которой иногда упоминается как вихревой аттрактор. Вихревая система взятия проб может содержать направленный наружу и вращающийся газовый поток, действующий совместно с направленным внутрь газовоздушным потоком, который захватывает и переносит целевые частицы пробы химического вещества. Направленный наружу и вращающийся поток газа системы взятия проб может окружать направленный внутрь газовоздушный поток и вращаться вокруг оси, определяемой направленным внутрь газовоздушным потоком.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе частичный вакуум, образующийся за счет направленного внутрь газовоздушного потока, может быть достаточно мощным, чтобы обеспечивать силу, направленную радиально внутрь в направлении оси, определяемой направленным внутрь газовоздушным потоком, которая, по существу, равна направленной радиально наружу центробежной силе направленного наружу и вращающегося газового потока.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе направленный наружу и вращающийся поток газа может обеспечиваться, по меньшей мере, одним из таких устройств, как газовый насос, вентилятор, крыльчатка, воздуходувка, воздушный шабер или устройство подачи сжатого воздуха. Направленный внутрь газовоздушный поток может создаваться, по меньшей мере, одним из таких устройств, как вакуумный насос, вентилятор, крыльчатка или вакуумный генератор Вентури.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе газ направленного наружу и вращающегося газового потока может быть, по меньшей мере, одним из таких газов, как воздух, азот, двуокись углерода или аргон. Газ направленного наружу и вращающегося газового потока может быть нагрет выше температуры окружающей среды. Дополнительно газ направленного наружу и вращающегося газового потока может содержать химические присадки, чтобы улучшить рабочие характеристики системы сбора проб.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе источник впуска для механизма, вызывающего направленный наружу и вращающийся газовый поток может также, по существу, обеспечивать направленный внутрь газовый и воздушный поток. В этом случае вихревая система взятия проб может быть определена как вихревой аттрактор.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе максимальная относительная скорость поперек линии прямой видимости между выходным отверстием для направленного наружу и вращающегося газа и целевой поверхностью может быть пропорциональна диаметру выходного отверстия и равна приблизительно четырехкратному диаметру в секунду. Так как относительная скорость поперек линии прямой видимости определяется как, по меньшей мере, пятнадцать сантиметров в секунду, выходное отверстие для направленного наружу и вращающегося газа должно было бы иметь диаметр, по меньшей мере, 3,7 сантиметра (1,5 дюйма). Полезное максимальное рабочее расстояние от выходного отверстия для эффективного сбора целевых частиц составляет приблизительно один-два диаметра выходного отверстия или приблизительно 3,7-7,5 сантиметров (1,5-3 дюйма) для диаметра 3,7 сантиметра. Точно так же вихрь при выходном отверстии 1,3 фута может принимать максимальную относительную скорость 5,3 фута в секунду на расстоянии до 2,6 футов.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе зона на целевой поверхности, с которой целевые частицы могут быть непосредственно собраны, может определяться площадью, через которую направленный внутрь газовый и воздушный поток пересекает поверхность целевого объекта в то время, когда целевой объект или система сбора проб микрочастиц движутся в течение периода сбора проб. Диаметр проходящего внутрь газового и воздушного потока может составлять приблизительно восемьдесят процентов от диаметра выходного отверстия для направленного наружу и вращающегося воздуха. Для поверхности, вертикальная ось которой параллельна оси системы сбора проб микрочастиц и движется перпендикулярно к системе сбора проб микрочастиц, область может иметь форму "велотрека" с концами в виде полуокружностей, имеющих диаметр направленного внутрь газовоздушного потока, и центральную прямоугольную зону с одной стороной, имеющую тот же самый размер, что и диаметр полуокружности на конце, и другой стороной, равной скорости прохождения расстояния между целевой поверхностью и системой сбора проб микрочастиц, умноженной на период взятия пробы. Например, если целевой объект движется перпендикулярно к системе сбора проб микрочастиц со скоростью два фута в секунду, взятие пробы длится две секунды и выходной диаметр отверстия равен 1,33 фута, полоса на целевом объекте, с которой могут быть непосредственно собраны целевые частицы, имеет размеры 1,06 фута на 5,06 фута с концами в форме полуокружности. Поэтому может быть предпочтительно, чтобы выходное отверстие было как можно больше для применения, чтобы максимизировать площадь целевой поверхности, с которой могут браться пробы одной системой сбора проб микрочастиц.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе может использоваться множество систем сбора проб микрочастиц, чтобы увеличить площадь сбора проб на целевой поверхности, а также уменьшить время, требующееся для получения упомянутой пробы. Примером использования множества систем сбора проб микрочастиц может быть, по меньшей мере, одна вертикальная матрица из систем сбора проб микрочастиц, расположенных с одной или с обеих сторон идущего человека в конструкции, упоминаемой как турникет. Другим примером могут быть, по меньшей мере, две системы сбора проб, расположенные по сторонам движущегося ленточного транспортера, перевозящего пакеты или багаж. По меньшей мере, вторая система сбора проб микрочастиц может быть произвольно расположена над движущимся ленточным транспортером. Кроме того, дополнительные системы сбора проб микрочастиц могут быть произвольно добавлены с целью позволить увеличить скорость ленточного транспортера, чередуя при этом, какая из систем сбора проб микрочастиц в настоящее время собирает пробы, а какая в настоящее время анализирует собранную ранее пробу.
Соответственно дополнительно к описанной здесь системе компонент сбора частиц может быть любым из множества способов сбора частиц. К примерам относятся, без ограничения, сетчатый фильтр, плетеная трехмерная сетка, фильтр, изготовленный из обычно используемых фильтровых материалов, абсорбирующая поверхность, которая может иметь химическое покрытие, чтобы усилить адгезию, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, импактор частиц и специально разработанный материал с мелкими гравированными отверстиями, пропускающими воздух, но задерживающими частицы.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления системы описаны со ссылкой на несколько чертежей, на которых:
Фиг. 1 - схематическое изображение переносного вакуумного насоса с фильтром для сбора микрочастиц, используемого совместно с существующими протирочными системами.
Фиг. 2 - схематическое изображение системы освобождения частиц и способа действия, соответствующих варианту осуществления описанной здесь системы, в которой струйное сопло расположено внутри газовоздушного потока, проходящего внутрь в направлении системы сбора проб микрочастиц в форме вихревого аттрактора.
Фиг. 3 - схематическое изображение системы освобождения частиц и способа действия, соответствующих варианту осуществления описанной здесь системы, в которой струйное сопло направлено по касательной к целевой поверхности и к газовоздушному потоку, который проходит внутрь в направлении системы сбора проб микрочастиц в форме вихревого аттрактора.
Фиг. 4 - схематическое изображение системы освобождения частиц и способа действия, соответствующих варианту осуществления описанной здесь системы, в которой струйное сопло расположено внутри газовоздушного потока, который проходит внутрь к системе сбора проб микрочастиц в форме завихрителя.
Фиг. 5 - схематическое изображение, показывающее применение способа безконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности, когда целевой объект движется на ленточном транспортере и система сбора проб микрочастиц является неподвижной, в соответствии с вариантом осуществления описанной здесь системы.
Фиг. 6 - схематическое изображение, показывающее применение способа безконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности, когда система сбора проб микрочастиц движется на гусеничном транспортном средстве и целевая поверхность неподвижна в соответствии с вариантом осуществления описанной здесь системы.
Подробное описание различных вариантов осуществления
Переносной вакуумный насос с фильтром для сбора микрочастиц, используемый совместно с существующими системами протирки, представлен на фиг. 1, показывающей основные признаки безконтактной системы сбора частиц, основанной на существующем состоянии техники. Устройство 4 сбора проб находится в непосредственной близости к целевой поверхности 1, так что оно может брать пробу целевых микрочастиц 2. Вакуумный насос 5 устройства 4 сбора проб включается, создавая входящий поток воздуха 7. Наполнитель 3 для сбора пробы расположен между целевой поверхностью 1 и вакуумным насосом 5 таким образом, что любые микрочастицы могут быть собраны на или в наполнителе 3 для сбора пробы. Наполнитель 3 для сбора пробы может быть фильтром, таким как химическая фильтровальная бумага. Наполнитель 3 для сбора пробы затем вынимается из устройства 4 сбора пробы и переносится на отдельный прибор обнаружения, чтобы определить, были ли собраны микрочастицы целевого вещества. Разделительное расстояние между устройством 4 сбора пробы и целевой поверхностью обычно меньше дюйма и часто намного меньше дюйма, потому что для достижения мобильности вакуумный насос 5 обычно работает от аккумулятора и не создает большой воздушный поток через наполнитель 3 для сбора пробы. Устройство 4 сбора пробы может также тереться по целевой поверхности 1, чтобы механически истирать микрочастицы и повышать эффективность для сбора. Однако при использовании такого режима система не является безконтактной системой сбора пробы.
На фиг. 2 показана система 100 для освобождения микрочастиц, переноса и сбора и способ действия в соответствии с вариантом осуществления описанной здесь системы. Компонент освобождения микрочастиц может содержать струйное сопло 150, которое может быть расположено внутри газовоздушного потока 107, направленного внутрь к системе 104 сбора проб микрочастиц, которая может быть в форме вихревого аттрактора. Направленный наружу и вращающийся поток 106 газа может выходить из выходного отверстия 108. Вихревой аттрактор может использовать единый механизм для создания как направленного наружу и вращающегося газового потока 106, так и направленного внутрь газовоздушного потока 107, который здесь показан в виде вентилятора 105 с крыльчаткой. Сопло 150 может обеспечиваться подачей газа из баллона 111, и газовый поток может включаться и выключаться, используя распределительный клапан 110, который, как вариант, может включаться электрически. Сопло 150 может быть расположено внутри зоны системы 104 сбора проб микрочастиц, в которой газовоздушный поток 107 проходит внутри, как показано направлением стрелок. Выход сопла 150 может быть струей газа 155, которая воздействует на целевую поверхность 101, чтобы освобождать микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 153 из участка 102 на целевой поверхности 101. Наполнитель 103 для сбора пробы может быть расположен внутри газовоздушного потока 107, который может также захватывать освобожденные микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 153. Наполнитель 103 для сбора пробы может быть сеткой из нержавеющей стали, которая может обеспечить простоту очистки и долговечность.
Система 100 может обеспечивать безконтактный сбор проб целевых частиц в то время, когда целевая поверхность 101 и система 104 сбора проб микрочастиц находятся в относительном движении, как дополнительно описано здесь. Относительное движение может быть определено как относительная скорость поперек линии прямой видимости между целевой поверхностью и системой сбора проб микрочастиц, и может иметь скорость более пятнадцати сантиметров (шесть дюймов) в секунду. Например, объекты, движущиеся на ленточном транспортере, часто могут двигаться со скоростью больше пятнадцати сантиметров (шесть дюймов) в секунду и ускорения до шестидесяти сантиметров (два фута точки) в секунду являются обычными. Идущий человек может двигаться со скоростью между шестьюдесятью и ста сантиметрами (два-три фута) в секунду. Движение транспортных средств может быть намного более быстрым.
Сопло 150 компонента освобождения частиц может выпускать газовую струю или струю аэрозоля, любая из которых может обеспечиваться источником газа под давлением (баллон 111), и направляться на целевую поверхность 101, которая может быть загрязнена следами химических веществ, связанных с наркотиками или взрывчатыми веществами. Источник газа под давлением может работать непрерывно или предпочтительно быть импульсным. Импульс предпочтительно может быть меньше одной секунды. Давление газа может составлять приблизительно сто фунтов на квадратный дюйм, значение, легко получаемое с помощью малых компрессоров, но могут также использоваться и значительно более высокие давления, которые могут ограничиваться только наличием, стоимостью и ограничениями техники безопасности для газа под давлением. Например, газовый баллон высокого давления может быть неприемлем в общественном месте, поскольку создает риск взрыва из-за неправильного обращения.
Компонент переноса частиц может содержать вихревую систему взятия проб, которая иногда упоминается как вихревой аттрактор, и может использовать такой механизм, как вентилятор 105 с крыльчаткой. Вихревая система взятия проб может содержать направленный наружу и вращающийся газовый поток 106, действующий совместно с направленным внутрь газовоздушным потоком 107, который захватывает и переносит целевые частицы пробы химического вещества. Направленный наружу и вращающийся газовый поток 106 системы взятия проб может окружать направленный внутрь газовоздушный поток 107 и вращаться вокруг оси, определяемой направленным внутрь газовоздушным потоком 107.
Струи газа или струи аэрозольной смеси частиц и газа из сопла 150 могут использоваться для оказания помощи в освобождении целевых частиц. Струи могут быть нацелены так, чтобы дуть по касательной к поверхности целевого объекта 101 и в направлении активной зоны компонента переноса частиц, или струи могут быть нацелены так, чтобы дуть в точку на целевом объекте, которая находится внутри активной зоны компонента переноса частиц, как далее описано здесь.
Частичный вакуум может быть создан направленным внутрь газовоздушным потоком 107, который может иметь достаточную мощность, чтобы обеспечить силу, направленную внутрь по радиусу к оси, определяемой направленным внутрь газовоздушным потоком 107, которая, по существу, равна направленной по радиусу наружу центробежной силе направленного наружу и вращающегося газового потока 106. В различных вариантах осуществления направленный наружу и вращающийся газовый поток 106 может обеспечиваться, по меньшей мере, одним из таких устройств, как газовый насос, вентилятор, крыльчатка, воздуходувка, воздушный шабер или устройство подачи сжатого воздуха, а направленный внутрь газовый и воздушный поток 107 может создаваться, по меньшей мере, одним из таких устройств, как вакуумный насос, вентилятор, крыльчатка или вакуумный генератор Вентури. Газ направленного наружу и вращающегося газового потока 106 может быть, по меньшей мере, одним из таких газов, как воздух, азот, двуокись углерода или аргон, может быть нагрет выше температуры окружающей среды и может содержать химические присадки, чтобы улучшить рабочие характеристики системы 104. Источник впуска для механизма, вызывающего направленный наружу и вращающийся газовый поток 106, может также, по существу, обеспечивать направленный внутрь газовоздушный поток 107. В этом случае, как будет дополнительно описано здесь в другом месте, вихревая система взятия проб может быть определена как вихревой аттрактор.
Максимальная относительная скорость поперек линии прямой видимости между выходным отверстием 108 для направленного наружу и вращающегося газового потока 106 и целевой поверхностью 101 может быть пропорциональна диаметру выходного отверстия 108 и равна приблизительно четырехкратному диаметру в секунду. Так как относительная скорость может быть, по меньшей мере, пятнадцать сантиметров в секунду, соответствующий размер выходного отверстия 108 для дующего наружу и вращающегося газа 106 может иметь диаметр, по меньшей мере, 3,7 сантиметра (1,5 дюйма). Полезное максимальное рабочее расстояние от выходного отверстия 108 для эффективного сбора целевых частиц составляет приблизительно один-два диаметра выходного отверстия 108 или приблизительно 3,7-7,5 сантиметров (1,5-3 дюйма) для диаметра 3,7 сантиметра. Точно также вихрь при выходном отверстии 108 1,3 фута может принимать максимальную относительную скорость 5,3 фута в секунду на расстоянии до 2,6 футов. Признается, что эти значения основаны на обычно встречающихся насосах и вентиляторах. Специальный вентилятор или насос высокой производительности может быть способен обеспечивать большее максимальное рабочее расстояние и большую относительную скорость.
Зона на целевой поверхности 101, с которой целевые частицы могут быть непосредственно собраны, может определяться площадью, через которую направленный внутрь газовый и воздушный поток пересекает поверхность 101 целевого объекта, в то время как целевой объект или система сбора проб микрочастиц движутся в течение периода сбора проб. Диаметр проходящего внутрь газового и воздушного потока 107 может составлять приблизительно восемьдесят процентов от диаметра выходного отверстия для направленного наружу и вращающегося потока 106 воздуха. Для поверхности, вертикальная ось которой параллельна оси системы 104 сбора проб микрочастиц и движется перпендикулярно к системе 104 сбора проб микрочастиц, область сбора проб может иметь форму "велотрека" с концами в виде полуокружностей, имеющих диаметр проходящего внутрь внутреннего газового и воздушного потока 107, и центральную прямоугольную зону с одной стороной, имеющую тот же самый размер, что и диаметр полуокружности на конце, и другой стороной, равной относительной скорости прохождения расстояния между целевой поверхностью 101 и системой 104 сбора проб микрочастиц, умноженной на период взятия пробы. Например, если целевой объект движется перпендикулярно к системе сбора проб микрочастиц со скоростью два фута в секунду, взятие пробы длится две секунды и диаметр выходного отверстия 108 равен 1,33 фута, полоса на целевом объекте, с которой могут быть непосредственно собраны целевые частицы, имеет размеры 1,06 фута на 5,06 фута с концами в форме полуокружности. Поэтому может быть предпочтительно, чтобы выходное отверстие 108 было как можно больше для применения, чтобы максимизировать площадь целевой поверхности 101, с которой могут браться пробы одной системой 104 сбора проб микрочастиц.
Чтобы увеличить площадь сбора проб на целевой поверхности, а также уменьшить время, требующееся для получения упомянутой пробы, может использоваться множество систем сбора проб микрочастиц, как дополнительно описано здесь. Примером использования множества систем сбора проб микрочастиц может быть, по меньшей мере, одна вертикальная матрица из систем сбора проб микрочастиц, расположенных с одной или с обеих сторон идущего человека в конструкции, упоминаемой как турникет. Другим примером могут быть, по меньшей мере, две системы сбора проб, расположенные по сторонам движущегося ленточного транспортера, перевозящего пакеты или багаж. По меньшей мере, вторая система сбора проб микрочастиц может быть произвольно расположена над движущимся ленточным транспортером. Кроме того, дополнительные системы сбора проб микрочастиц могут быть произвольно добавлены с целью позволить увеличить скорость ленточного транспортера, чередуя при этом, какая из систем сбора проб микрочастиц в настоящее время собирает пробы, а какая в настоящее время анализирует собранную ранее пробу.
Система 104 сбора проб микрочастиц может содержать любые компоненты из множества способов сбора частиц. К примерам относятся, без ограничения, сетчатый фильтр, плетеная трехмерная сетка, фильтр, изготовленный из обычно используемых фильтровых материалов, абсорбирующая поверхность, которая может иметь химическое покрытие, чтобы усилить адгезию, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, импактор частиц и специально разработанный материал с мелкими гравированными отверстиями, пропускающими воздух, но задерживающими частицы.
На фиг. 3 показана система 200 освобождения, переноса и сбора микрочастиц и способ действия в соответствии с другим вариантом осуществления описанной здесь системы. Компонент освобождения микрочастиц может содержать струйное сопло 250, которое может быть расположено так, чтобы быть нацеленным по касательной к целевой поверхности 201 и в направлении газовоздушного потока 207, направленного внутрь системы 204 сбора проб микрочастиц и который здесь имеет форму вихревого аттрактора. Направленный наружу и вращающийся поток 206 газа может выходить из выходного отверстия 208. Вихревой аттрактор может использовать единый механизм для создания как направленного наружу и вращающегося потока 206 газа, так и направленного внутрь газовоздушного потока 207, который здесь показан в виде вентилятора 205 с крыльчаткой. Сопло 250 может снабжаться газом из баллона 211, и газовый поток включается и выключается, используя распределительный клапан 210, который, как вариант, может включаться электрически. Выходом сопла 250 может быть струя газа 255, которая воздействует на целевую поверхность 201, чтобы освободить микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 253 с участка 202 на целевой поверхности 201. Наполнитель 203 для сбора пробы может быть расположен внутри направленного внутрь газовоздушного потока 207, который может также захватывать освобожденные микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 253. Наполнитель 203 для сбора пробы может быть сеткой из нержавеющей стали, которая способна обеспечить простоту очистки и долговечность.
На фиг. 4 показана система 300 для освобождения, переноса и сбора микрочастиц и способ действия в соответствии с другим вариантом осуществления описанной здесь системы. Компонент освобождения микрочастиц может содержать струйное сопло 350, которое может быть расположено внутри газовоздушного потока 307, протекающего в направлении системы 304 сбора проб микрочастиц, которая здесь имеет форму завихрителя. Направленный наружу и вращающийся поток 306 газа может выходить из выходного отверстия 308. Вихрь может использовать отдельные механизмы для создания направленного наружу и вращающегося потока 306 газа и направленного внутрь газовоздушного потока 307, которые здесь показаны в виде касательно установленных воздуходувок 309 и установленного на оси вентилятора 305 соответственно. Сопло 350 может снабжаться газом из баллона 311 и газовый поток включается и выключается, используя распределительный клапан 310, который, как вариант, может включаться электрически. Сопло 350 может быть расположено внутри зоны системы 304 сбора проб микрочастиц, в которую газовоздушный поток 307 проходит внутрь, как указано направлением стрелок. Выход сопла 350 может быть струей газа 355, которая воздействует на целевую поверхность 301, чтобы освободить микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 353 с участка 302 на целевой поверхности 301. Как вариант, выход сопла 350 может быть аэрозолем из твердых частиц и газа. Наполнитель 303 для сбора пробы может быть расположен внутри направленного внутрь газовоздушного потока 307, который может также захватывать освобожденные микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 353.
На фиг. 5 показана система 400, имеющая конфигурацию, использующую способ безконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности в соответствии с описанным здесь вариантом осуществления системы. В представленной конфигурации целевая поверхность 401 объекта движется, а система 404 сбора проб микрочастиц неподвижна. Пример показан для пакета на движущемся ленточном транспортере 440, но подобная конфигурация может использоваться для багажа и объектов на производственной линии. Система 404 сбора проб микрочастиц может содержать два устройства 404a, 404b сбора проб микрочастиц, основанных на конструкции вихревого аттрактора, которые показаны расположенными по бокам движущегося ленточного транспортера 440 и обращенными к ленточному транспортеру 440. Вихревой аттрактор может использовать единый общий механизм, предпочтительно крыльчатку для создания как направленного наружу газового потока 406, так и направленного внутрь газовоздушного потока 407. Возможные целевые поверхности 401 содержат переднюю и заднюю стороны, верхнюю сторону и две боковые стороны пакета. В примере, показанном на чертеже, частицы 453 освобождаются из источника 402 частиц на верхней стороне. Сопло 450 может снабжаться газом из резервуара 411, и поток газа может включаться или выключаться средством 410 управления, например электрическим. Сопло 450 выбрасывает струю 455 по касательной в направлении целевой поверхности 401 и также нацелено в зону направленного внутрь газовоздушного потока 407, который создается системой 404 сбора проб микрочастиц. Освобожденные частицы 453 могут захватываться в газовый поток одного или обоих устройств 404а, b сбора проб микрочастиц. В системе 404 сбора проб микрочастиц могут использоваться два устройства 404а, b сбора проб микрочастиц, чтобы иметь возможность собирать частицы с самых разных сторон трехмерных объектов, таких как пакет. Два устройства 404а, b сбора проб микрочастиц могут также быть полезны, чтобы уравновешивать силы всасывания на целевом объекте 401, которые создаются направленным внутрь газовоздушным потоком 407, чтобы избежать перемещения легких по весу объектов. Две системы сбора проб микрочастиц 404 могут быть дополнительно полезны, чтобы увеличить общую эффективность обнаружения и скорость прохождения. Как пример действия сил всасывания, если в качестве системы сбора проб микрочастиц использовался вихревой аттрактор, поскольку система сбора проб микрочастиц расположена непосредственно над движущимся ленточным транспортером, существует риск подъема облегченных пакетов, таких как большие пересылочные конверты, с ленточного транспортера к вихревому аттрактору. Система, показанная в этом примере, может также содержать другие сопла 451а, 451b, 451с, расположенные внутри проходящего внутрь газового и воздушного потока 407. Сопла 451а-с предпочтительно могут использоваться для освобождения микрочастиц с боковых сторон пакета.
На фиг.6 показана система 500, обладающая другой конфигурацией, которая использует безконтактный сбор микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности в соответствии с вариантом осуществления описанной здесь системы. В этой конфигурации целевая поверхность 501 объекта является неподвижной, а система 504 сбора проб микрочастиц движется. Пример показан для неподвижного транспортного средства 520 с системой 504 сбора проб микрочастиц, установленной на двигающейся автоматизированной платформе, но подобная конфигурация с другим механизмом движения может использоваться для портальной рамы для прохода людей, чтобы проверять наличие микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков на одежде. Система 504 сбора проб микрочастиц, основанная на конструкции с вихревым аттрактором, показана расположенной сбоку от транспортного средства 520 с такой целевой поверхностью 501, как дверная ручка и дверное уплотнение транспортного средства 520. Вихревой аттрактор может использовать единый механизм, предпочтительно крыльчатку, чтобы создавать как направленный наружу и вращающийся газовый поток 506, так и направленный внутрь газовоздушный поток 507. В примере, показанном на чертеже, частицы 553 освобождаются из источника 502 частиц на двери транспортного средства. Аэрозольное сопло 550, расположенное внутри направленного внутрь газовоздушного потока 507, может направлять аэрозольную струю 557 на целевую поверхность 501. Наполнитель 503 для сбора пробы может быть расположен внутри направленного внутрь газовоздушного потока 507, который может также захватывать освобожденные микрочастицы взрывчатых веществ или наркотиков 553. В показанном примере частицы аэрозоля могут подаваться из баллона 530. Газ для смешивания с частицами аэрозоля может подаваться из баллона 511 и объединяться с частицами аэрозоля в смесительной камере с клапаном 513. Движение автоматизированной платформы, несущей систему 504 сбора проб микрочастиц, может обеспечиваться гусеничной системой 541 привода.
Описанная здесь система может содержать любую комбинацию вариантов осуществления, обсужденных здесь, также как и другие признаки, такие как признаки, описанные в обычно назначаемых для совместного рассмотрения заявках и/или в выданных патентах США, таких как заявка США №60/708017, зарегистрированная 25 октября 2005 г., патент США №6861646, патент США №6870155 и патент США №6888128, которые все включены сюда посредством ссылки, и/или другие патенты или патентные заявки, внесенные сюда посредством ссылки.
Другие варианты осуществления изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники после рассмотрения описания и практики использования изобретения, раскрытых здесь. Подразумевается, что описание и примеры должны рассматриваться только как примеры, а действительный объем и сущность изобретения указываются приведенной далее формулой изобретения.
1. Способ бесконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности, содержащий этапы, на которых: освобождают микрочастицы с целевой поверхности;
обеспечивают перенос микрочастиц, который содержит вихрь, направленный наружу в направлении целевой поверхности, при этом вихрь выходит из выходного отверстия для обеспечения направленного наружу и вращающегося газового потока, являющегося концентрическим с направленным внутрь газовоздушным потоком;
собирают упомянутые микрочастицы из направленного внутрь газовоздушного потока,
при этом относительная скорость поперек линии прямой видимости между целевой поверхностью и выходным отверстием для направленного наружу и вращающегося газового потока больше 15 сантиметров в секунду.
2. Способ по п.1, в котором освобождение частиц содержит использование струи, которая является, по меньшей мере, струей газа или струей аэрозоля.
3. Способ по п.2, в котором струя направлена в направлении целевой поверхности, которая находится в пределах части вихря, который является направленным внутрь газовоздушным потоком.
4. Способ по п.2, в котором струя выбивает микрочастицы в направленный внутрь газовоздушный поток.
5. Способ по п.1, в котором направленный наружу и вращающийся газовый поток вращается вокруг оси, определяемой направленным внутрь газовоздушным потоком.
6. Способ по п.1, в котором направленный внутрь газовоздушный поток создает частичный вакуум достаточной мощности, чтобы обеспечить силу, направленную радиально внутрь в направлении оси, определяемой центром направленного внутрь газовоздушного потока, упомянутую силу, по существу равную центробежной силе, направленной по радиусу наружу за счет вращения направленного наружу и вращающегося газового потока.
7. Способ по п.1, в котором направленный наружу и вращающийся газ вихря обеспечивается, по меньшей мере, одним из следующих устройств: газовый насос, вентилятор, крыльчатка, воздуходувка, воздушный шабер и устройство подачи сжатого воздуха.
8. Способ по п.1, в котором упомянутый направленный внутрь газовоздушный поток вихря обеспечивается, по меньшей мере, одним из следующих устройств: вакуумным насосом, вентилятором, крыльчаткой и вакуумным насосом Вентури.
9. Способ по п.5, в котором газ является одним из следующих газов: воздухом, двуокисью углерода, азотом и аргоном.
10. Способ по п.1, в котором выходное отверстие для направленного наружу и вращающегося газового потока имеет диаметр больше 3,75 сантиметра.
11. Способ по п.5, в котором температура газа направленного наружу и вращающегося газового потока соответствует или превышает температуру окружающей среды.
12. Способ по п.5, в котором направленный наружу и вращающийся газовый поток содержит химические присадки, улучшающие характеристики обнаружения.
13. Способ по п.5, в котором направленный наружу и вращающийся газовый поток и направленный внутрь газовоздушный поток обеспечиваются объединенной системой.
14. Способ по п.13, в котором объединенной системой является вихревой аттрактор.
15. Способ по п.1, в котором сбор микрочастиц содержит использование, по меньшей мере, одного из следующих устройств: сетчатого фильтра, плетеной трехмерной сетки, фильтра, изготовленного из фильтрующих материалов, поверхности с химическим покрытием для улучшения адгезии или адсорбции, вихревого сепаратора частиц, электростатического коллектора частиц, импактора частиц и разработанного материала с гравированными отверстиями для пропускания газа и воздуха, но, предпочтительно, задержания частиц.
16. Способ по п.1, в котором используют множество систем бесконтактного сбора микрочастиц для увеличения площади сбора проб на целевой поверхности.
17. Способ по п.1, в котором используют множество систем бесконтактного сбора микрочастиц для уравновешивания силы всасывания на поверхности легких целевых объектов.
18. Способ по п.1, в котором используют множество систем бесконтактного сбора микрочастиц для уменьшения времени, требующегося для выполнения сбора микрочастиц.
19. Система бесконтактного сбора микрочастиц взрывчатых веществ или наркотиков с целевой поверхности, содержащая:
компонент освобождения частиц, который освобождает микрочастицы с целевой поверхности;
компонент переноса частиц, который переносит микрочастицы с целевой поверхности, при этом компонент переноса частиц обеспечивает вихрь, направленный наружу в направлении целевой поверхности, при этом вихрь выходит из выходного отверстия для направления наружу и вращения газового потока, который является концентрическим с направленным внутрь газовоздушным потоком;
компонент сбора частиц, который собирает микрочастицы из направленного внутрь газовоздушного потока, в котором относительная скорость поперек линии прямой видимости между целевой поверхностью и выходным отверстием для направления наружу и вращения газового потока больше 15 сантиметров в секунду.
20. Система п.19, в которой компонент освобождения частиц содержит сопло, которое выпускает, по меньшей мере, струю газа или струю аэрозоля.
21. Система по п.19, в которой компонент переноса частиц содержит вихревую систему взятия пробы.
22. Система по п.19, в которой компонент сбора частиц содержит, по меньшей мере, одно из следующих устройств: сетчатый фильтр, плетеную трехмерную сетку, фильтр, изготовленный из фильтрующих материалов, абсорбентную поверхность, которая может иметь химическое покрытие для улучшения адгезии, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, импактор частиц и разработанный материал с гравированными отверстиями для пропускания воздуха, но задержания частиц.
