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Detection of triacetone triperoxide using temperature cycled metal-oxide semiconductor gas sensors
(2015)
Unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtungen sind Bedrohungen in den weltweiten Konfliktherden und werden bei terroristischen Aktivitäten verwendet. Der Schutz von Menschen und Material erfordert daher effektive Gegenmaßnahmen. Dazu gehört auch die Anforderung an Sicherheitskräfte oder militärisches Personal, unbekannte Substanzfunde mit geringem zeitlichem und logistischem Aufwand vor Ort als gefährdend oder unkritisch einzustufen. Um Explosivstoffe von nicht-explosiven Materialien zu unterscheiden, kann die bei Explosivstoffen initiierbare, stark exotherme Reaktion genutzt werden. Diese resultiert in Strahlungsemissionen sowie in lokaler Druck- und Temperaturerhöhung. Die Messung dieser Reaktionseffekte und die Anforderung an eine mobile, einfach zu bedienende und robuste Analytik werden durch ein System ermöglicht, das Proben im einstelligen mg-Bereich durch schnelles Erhitzen auf mikrostrukturierten Heizern zum chemischen Umsatz anregt. Die emittierte Strahlung wird mit Photodioden im Bereich des sichtbaren und nah-infraroten Lichts aufgenommen, ein Sensor registriert die Druckerhöhung in einer geschlossenen Versuchskammer. In einem zweiten Aufbau werden die gasförmigen Reaktionsprodukte über ein Sensorarray von vier kommerziellen Gassensoren geleitet und die Signalantworten der Halbleitergassensoren mittels Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die schnelle thermische Aktivierung für die untersuchten primären Explosivstoffe, Treibladungspulver, sowie Trinitrotoluol (TNT) reproduzierbar erfolgt. Nicht-Explosivstoffe werden dabei im untersuchten Umfang sicher als unkritisch erkannt. Die Auswertung der Gassensorsignale liefert eine Unterscheidung von Nitrat- und Peroxid-basierten Sprengstoffen sowie von nicht-explosiven Substanzen.
At the "Future Security 2011" we presented an overview of our studies on the "Detection and Identification of Illicit and Hazardous Substances with Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry (PTR-MS)" including first results on explosives, chemical warfare agents and illicit and prescribed drugs detection. Since then we have considerably extended these preliminary studies to the detection of defined traces of some of the most common explosives, namely TNT, PETN, TATP, and DATP deposited into aluminum foam bodies, and to the detection of a number of novel and widely unknown designer drugs: ethylphenidate, 4-fluoroamphetamine and dimethocaine. Moreover, we have dramatically improved our time-of-flight based PTR-MS instruments by substantially increasing their sensitivity and hence lowering the detection limit, making them even more suitable and applicable to threat agents with extremely low vapour pressures. Data from measurements on certified gas standards are presented in order to underline these statements. The data demonstrate that, in comparison to the first generation instruments, a gain of one order of magnitude in terms of sensitivity and detection limit has been obtained.
Sicherheit im Fährverkehr
(2012)
Das Förderprojekt VESPERPLUS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Sicherheitsforschungsprogramms der Bundesregierung im Themenschwerpunkt "Schutz von Verkehrsinfrastrukturen" mit dem Gesamtziel der Erhöhung des Standards der Sicherheitsmaßnahmen im Fährverkehr gefördert. Das Forschungsprojekt ordnet sich in das übergeordnete Fachgebiet der "Maritimen Verkehrssicherheit" ein und widmet sich als Verbundprojekt der Problematik terroristischer Bedrohungen im Bereich des Seetransports. Forschungsschwerpunkte sind dabei Arbeiten zur vorhandenen Sicherheitsstruktur, Gefahrstoffkontrollen, Entscheidungsunterstützung an Bord von Fährschiffen, Schulung und Training sowie begleitende Forschung zu menschlichem Verhalten und Auswirkungen auf Gesellschaft und Wirtschaft.
The choice of suitable semiconducting metal oxide (MOX) gas sensors for the detection of a specific gas or gas mixture is time-consuming since the sensor’s sensitivity needs to be characterized at multiple temperatures to find its optimal operating conditions. To obtain reliable measurement results, it is very important that the power for the sensor’s integrated heater is stable, regulated and error-free (or error-tolerant). Especially the error-free requirement can be only be achieved if the power supply implements failure-avoiding and failure-detection methods. The biggest challenge is deriving multiple different voltages from a common supply in an efficient way while keeping the system as small and lightweight as possible. This work presents a reliable, compact, embedded system that addresses the power supply requirements for fully automated simultaneous sensor characterization for up to 16 sensors at multiple temperatures. The system implements efficient (avg. 83.3% efficiency) voltage conversion with low ripple output (<32 mV) and supports static or temperature-cycled heating modes. Voltage and current of each channel are constantly monitored and regulated to guarantee reliable operation. To evaluate the proposed design, 16 sensors were screened. The results are shown in the experimental part of this work.
The simultaneous operation of multiple different semiconducting metal oxide (MOX) gas sensors is demanding for the readout circuitry. The challenge results from the strongly varying signal intensities of the various sensor types to the target gas. While some sensors change their resistance only slightly, other types can react with a resistive change over a range of several decades. Therefore, a suitable readout circuit has to be able to capture all these resistive variations, requiring it to have a very large dynamic range. This work presents a compact embedded system that provides a full, high range input interface (readout and heater management) for MOX sensor operation. The system is modular and consists of a central mainboard that holds up to eight sensor-modules, each capable of supporting up to two MOX sensors, therefore supporting a total maximum of 16 different sensors. Its wide input range is archived using the resistance-to-time measurement method. The system is solely built with commercial off-the-shelf components and tested over a range spanning from 100Ω to 5 GΩ (9.7 decades) with an average measurement error of 0.27% and a maximum error of 2.11%. The heater management uses a well-tested power-circuit and supports multiple modes of operation, hence enabling the system to be used in highly automated measurement applications. The experimental part of this work presents the results of an exemplary screening of 16 sensors, which was performed to evaluate the system’s performance.
