سيستم‌هاي آشكارساز و هشدار عوامل شيميايي

[jackturbo 19]

چگونگي كشف و آشكار سازي ونيز آگاه شدن از انواع بخارها، مايعات و ذرات پراكنده در هوا زمينه تلاش شيميدان‌ها و صنايع دفاع مي‌باشد. در ميدان جنگ به آشكارسازهايي نياز است كه قابل حمل باشند و نسبت به عوامل شيميايي در هر شكل و حالتي پاسخ دهند. هر گونه اخطار هشدار در مورد سموم شيميايي به كار رفت و نوع آنها مي‌تواند از وقوع يك فاجعه جلوگيري كند. در اين مقاله تاريخچه جنگهاي شيميايي و روند توسعه سيستم‌هاي آشكار سازي و هشدار عوامل شيميايي براي كاربرد در ميدان نبرد مورد بحث قرار گرفته است.


مواد شيميايي در جنگ‌ها از چند قرن پيش استفاده شده‌اند. اما وقوع جنگ شيميايي تا قرن بيستم به خوبي مستند نيست. براي جلوگيري از تلفات، ضروري است تعيين وجود وشناسايي عوامل شيميايي به سرعت انجام شود. توانايي آشكار سازي و هشدار دقيق و سريع عوامل شيميايي راه حل اين مسئله است. براي فهم كاملتر مساله آشكارسازي عوامل شيميايي تحقيق و آزمايش در موارد زير ضروري است:


1 اثر ورود عوامل جديدي به ميدان جنگ يازراد خانه‌هاي كشور تا آنجا كه به دفاع شيميايي مربوط است.


2 توسعه تدريجي تجهيزات شيميايي براي آشكار سازي و شناسايي اين عوامل.


3 كاربرد فناوري‌هاي گوناگون براي مساله آشكار سازي.


دوران معاصر جنگ با مواد شيميايي سمي، از جنگ جهاني اول و از زماني كه آلمان در 22 آوريل 1915 گاز كلر (يك عامل خفه كننده) را در مقابل فرانسوي‌ها در جبهه غربي دراپيرس بلژيك به كار گرفت، آغاز شد. سربازان بي‌حفاظ فرانسوي از اين حمله شيميايي متحمل حدوداً 15،000 مصدوم و 5،000 كشته شدند.


در دوران جنگ تعداد زيادي «گاز جنگي» جديد به وسيله طرفين درگير به كار گرفته شد كه در نتيجه آن1،205،000 نفر مصدوم و 92،000 نفر كشته شدند. روسها متحمل بيشترين تلفات شدند حدوداً 420،000 مصدوم و 56،000 كشته.


در سال 1918 ايالات متحده براثر حمله شيميايي متحمل 71،345 مصدوم و 1،462 كشته شد.(1)


اولين «گازهاي جنگي» كه مورد استفاده قرار گرفتند مواد شيميايي آزمايشي بودند كه سيستم تنفسي را تحت تاثير قرار مي‌دادند. در سال 1917، ماسك گاز به قدري بهبود يافته بود كه به طور كامل حفاظت انفرادي در مقابل اين عوامل را انجام مي‌داد، و تنها قربانيان حملات شيميايي سربازاني بودند كه نمي‌توانستند به موقع از ماسك استفاده كنند يا كساني كه پس از حمله، ماسكهايشان را زودتر از موعود بر مي‌داشتند. براي مقابله با اين پيشرفت، آلمانها در سال 1917 استفاده از گاز خردل را آغاز كردند كه حفاظت در مقابل آن جز با استفاده از ماسك‌هاي پيشرفته ضد گاز انجام پذير نيست.


خردل مايعي است كه علاوه بر تخريب سيستم تنفسي موجب تاول زايي پوست و سوزش چشم هم مي‌شود(2). اولين حمله خردلي در مقياس وسيع در نيوپورت فرانسه به وسيله آلمانها بين 21 و 26 ژوئيه سال 1917 صورت گرفت نه تنها استفاده از ماسك‌هاي گاز سربازان را در مقابل خردل حفاظت نكرد بلكه تاول‌هاي ايجاد شده بر روي پوست و هم چنين جذب سريع از طريق پوتين و لباس، موجب افزايش تلفات گرديد. (3)


2ـ روند توسعه سيستم‌هاي آشكار سازي و هشدار عوامل شيميايي
روش‌هاي آشكار سازي قديمي عامل شيميايي مورد استفاده در جنگ جهاني اول اساساً شامل شناسايي عوامل از طريق ديدن و بو كردن بود. با اين وجود در سال 1918 اكثر ارتش‌هاي اروپايي رنگ‌ها،‌ گچ‌ها و پودرهاي آشكار ساز گاز تاول‌زا (شامل مواد رنگي كه در حضور مواد تاول زا مانند خردل تغيير رنگ مي‌دادند) را توسعه داده بودند. تنها «هشدار دهنده‌هاي گاز» زنگ‌ها، ناقوس‌ها، سوت‌هاي خطر و شيپورهاي كلاكسون (Klaxon horn) بودند كه به وسيله انسان به صدا در مي‌آمدند.


در ژوئن 1918، سرويس جنگ‌هاي شيميايي2 (CWS) در ايچ وود آرسنال ام.دي تمام برنامه‌هاي خود را به تحقيق و توسعه و تهيه مواد شيميايي اختصاص داده بود. مدت كوتاهي پس از آن، يك دانشگاه آمريكايي رنگ آشكار ساز بهبود يافته‌اي متشكل از يك رنگ توسعه يافته انگليسي را آماده بهره‌برادري نمود. قطرات خردل بوسيله يك واكنش شيميايي با رنگ فوق كه سبب تغيير رنگ از سبز زيتوني به قرمز مي‌شد، آشكار مي‌شدند(4).


در سال 1963 آلمانها بدون آگاهي منابع اطلاعاتي امريكايي عامل عصبي تايون (GA) را كشف و آماده استفادهكرده بودند. آلمانها اولين تاسيسات تهيه تابون را در سال 1939 ساخته و تا سال 1945، بالغ بر 12 هزار تن تابون تهيه كردند (5). تابون و ديگر عوامل عصبي هم خانواده آن‌(عوامل G)، نظير سارين (GB) و سومان (GD) كه توسط آلمانها توسعه يافتند داراي بسياري خصوصيات ايده‌آل براي استفاده به عنوان عوامل شيميايي بودند. اين مواد مايعاتي بسيار سمي، بي‌رنگ و بي بوهستند، گر چه ناخالصي‌هاي وارد شده در طي فرآيند ساخت، در آغاز به تابون بوي نامطبوعي مانند بوي ميوه تازه يا بوي شكلات مي‌دهد. استنشاق عامل عصبي به اندازهاي كه براي تشخيص بوي آنها كافي باشد موجب ناتوان شدن يا مرگ خواهد شد. تا قبل از 1940 CWS به اين مطلب پي برد كه اغلب روشهاي قابل اعتماد براي تشخيص عوامل شيميايي براساس حساسيت حواس انسان پايه گذاري شده است.


با درك اين موضوع كه روش‌هاي فوق غير قابل اعتماد و خطرناك هستند، اين مركز بلافاصله برنامه تحقيقاتي را آغاز كرد كه منجر به توسعه و طبقه بندي، توليد وصادرات تعدادي از آشكار سازهاي عوامل شيميايي تا سال 1942 شد. از جمله اينآشكار سازها رنگ M5 (آشكار ساز مايعات تاول زا) كاغذ M5 (آشكار ساز مايعات تاول زا) ماژيك M7 (آشكار ساز مايعات تاول زا) و كيست M4 H5 (شناساگر خردل)مي‌باشند. البته اين آشكار سازها تنها براي تشخيص مايعات يا بخارات غليظ عوامل تاول زا مانند خردل تركيب شده از استيلن و آرسنيك تري كلريد، خردل‌هاي نيتروژن دار (NH) و بعضي تركيبات آرسينكي موثر واقع مي‌شوند. (9)


تا سال 1941ايالات متحده زمان زيادي را صرف تحقيقات ويژه و كاربردي براي دست آوردن روشي حساس (كمتر از 4 ميلي گرم در متر مكعب)، قابل اعتماد و ساده براي تشخيص بخارات عوامل شيميايي كرده بود. واكنش‌هاي شيميايي براساس تغيير رنگ، تغيير اسيدينه، كدر شدن محلول، تشكيل رسوب و غيره براي اين منظور مورد مطالعه قرارگرفته‌اند.


روش‌هاي فيزيكي آشكار سازي ، براساس طيف سنجي تداخل وتجزيه امواج نور، قانون نفوذ مولكولي گراهام و هم چنين اندازه‌گيري ثابت‌هاي فيزيكي، مورد بررسي واقع شده است. روش‌هاي شيميايي، ـ فيزيكي نظير تشخيص تغييرات اسيدينه و اسكاليته (PH) قابليت هدايت، توليد گرما در يك واكنش گرمازا و فعاليت كاتاليتيكي نيز مطالعه شده‌اند. محققين هم چنين روش‌هاي تشخيص بيولوژيكي (علاوه بر روش‌هاي تشخيص انساني) شامل واكنش‌هاي قابل رويت خود در زير ميكروسكوپ و تاثير واكنش‌ها بر روي حيوانات كوچك، پرندگان و ماهي‌ها را بررسي كرده‌اند


بسياري از روش‌هاي امتحان شده در آزمايشگاه از حساسيت بسيار بالايي برخوردار بودند، اما نمي‌توانستند در زمينه رفع نيازهاي موجود مورد استفاده قرارگيرند. ضربه، تكان و ارتعاش اصلي ترين دلائل براي ضعف مكانيكي آشكارسازي آزمايشي بودند.


شرايط جوي، بسياري از ثابت‌هاي فيزيكي را تحت تاثير قرار مي‌دهد و روش‌هاي شيميايي در غلظت‌هاي زياد عوامل سمي يا در حضور مخلوط چندين عامل يا گاز متفاوت، گرد و غبار و گازهايي كه ممكن است در جنك به حساب آورده نشوند مانع از ارائه پاسخ‌هاي صحيح مي‌شوند. هم چنين،‌بسياري از وسايل سازماني براي استفاده سربازاني كه تعليمات فني محدودي را ديده‌‌اند خيلي پيچيده بودند.


در طول جنگ جهاني دوم، تعليمات و اصول آموزشي ايالات متحده براي تشخيص عوامل شيميايي وثبت برچسب روي ماسك‌هاي حفاظتي و چگونگي استفاده از حس بويايي براي تشخيص گازها به وسيله سربازان اجباري شد. اين روش عليرغم تلاش مداوم دانشمندان براي توسعه عوامل شيميايي جديد سمي، بدون رنگ وبو و با تاثير فوري، مورد تاكيد قرار گرفت. علاوه بر اين، عوامل شيميايي با غلظت زياد مي‌توانند باعث ناتواني حس بويايي شوند ودر نتيجه از شناسايي عوامل جلوگيري كنند و احتمال آسيب رساندن را نيز افزايش دهند.


هيچ گزارشي مبني بر استفاده از عوامل شيميايي در طي جنگ جهاني دوم منتشر نشده است. گر چه آلمانها بيش از 104 هزار تن مهمات شيميايي ذخيره كرده بودند. بخش عمده عوامل عصبي تابون آنها به صورت بمب ذخيره شده بود. «لوفت وافه (نيروي هوايي آلمان)» بيش از چهل هزار بمب 250 كيلوگرمي تابون در اختيار داشت كه اين مهمات در ايالت باواريا نگهداري مي‌شد.


تا اوايل 1945 كه ارتش ايالات متحده انبار مهمات عوامل عصبي آلمان در باواريا را تسخير كرد اين سلاح براي نيروهاي متفقين هنوز ناشناخته بود. در اين اثنا، ‌روس ها وسايل تهيه تابون در سيليا و اطلاعات مربوط به نحوه توليد عوامل عصبي مانند GB و GD را تحت كنترل خود گرفتند. بسياري از مهمات و آشكار سازهاي عوامل شيميايي اتحاد جماهير شوروي پس از تسخير انبار مهمات آلمان توسعه و تكامل يافت.


ارتش ايالات متحده وسايل مختلف آشكار سازي گاز از قبيل كيت‌ها، لوله‌ها، پمپ‌هاي دستي، پودر، كاغذها، مدادها، كارت‌هاي اسپري و خودروي تشخيص خودكار گاز را كه متعلق به آلمان‌ها بود تصاحب كرد. لوله‌ها هنگامي كه در معرض عوامل شيميايي قرار مي‌گرفتند براساس واكنش Schoenemann تغيير رنگ مي‌دادند و قادر به تشخيص خردل (H) مواد آرسينكي، CG, HN دي فسژن كلروپيكرين (PS) سيانيد كلريد (CK) فسژن اكسايم (CX) و هيدروژن سيانيد (AC) بودند.


لوله‌هاي داراي نوارهاي رنگي براي مشخص كردن نوع يا طبقه عوامل،‌ علامتگذاري شده بودند. ديگر عوامل شيميايي آلمانها كه شناسايي شدند عبارت بودند ازاتيل دي كلرو آرسين (ED) ، آدامزيت (DM) ، دي فنيل كلرو آرسين (DA) و دي فنيل سيانو آرسين (DC). تصرف عوامل شيميايي آلمان و افشاء اطلاعات فني مربوط به آنها داراي اثرات زير بودند:


1ـ تغيير اساسي در مباني روش‌هاي آشكار سازي وشناسايي از طريق حس بويايي.


2ـ تدارك نيازمندي‌هاي فوري براي تهيه دستگاههاي آشكارسازي و شناسايي عوامل عصبي.


3ـ تهيه يك سيستم اعلام خطر خودكار عوامل شيميايي با توانايي پاسخ گويي سريع براي تشخيص عوامل عصبي در اتمسفر.


هشدار دهنده‌هاي خود كار E 43 R 3 و E 21 نمونه‌هايي از تلاش‌هاي گذشته در زمينه سيستم‌هاي اعلام خطر و نمونه برداري ميداني عوامل عصبي براي استفاده ارتش هستند كه كاربرد جهاني دارند، حسگرهاي موجود در اين سيستم‌هاي اعلام خطر از نوع نوار رنگ سنجي (O- DIANISIDINE) است كه وقتي با يك معرف مرطوب شوند و در معرض عامل عصبي موجود در هوار قرارگيرند تغيير رنگ مي‌دهند. اعلام خطر E21 به صورت سيستم‌هاي M6 و M6 A1 براي اعلام خطر كار عامل G در ميدان اصلاح شده است چون استفاده از آن به اين دليل كه نمي‌توانست تمام ويژگي‌هاي فني مورد نياز را برآورده سازد محدود بود.


سيستم اعلام خطر خودكار عامل شيميايي M8 (ACAA) در سال 1969 به عنوان يك وسيله استاندار طبقه بندي شده سيستم M8 قابل حمل و نقل است وداراي يك واحد آشكار ساز و نمونه بردار نقطه‌اي الكترو شيميايي M43 و يك سيستم اعلام خطر M42 مي‌باشد كه هر دو با باتري عمل مي‌كنند استفاده از سيستم M8 بهصورت واحدهاي گروهاني در سراسر ارتش مجاز شمرده شده ملزومات مختلف،‌ نظير كين يدكي تجهيزات M229 منبع تغذيه M10، كيت مخصوص زمستان M253 باتري BA3317/U و كيت پايه M228 و M182 براي تقويت و پشتيباني سيستم اعلام خطر M8 در ميدان لازم هستند. براي كاهش هزينه‌هاي اوليه ميداني شدن براي يگانهاي خارج از كشور، ده مدل مختلف از آن براساس تركيب‌هاي گوناگون اين ملزومات طبقه بندي و مجاز شمرده شد. از آنجايي كه اين كار منجر به ايجاد مشكلات بسياري در اداره اين سيستم با تراكم بالا مي‌شد، در نهايت ده مدل اوليه به يك مدل كاهش داده شد. آشكار ساز M43 از الكتروليت مرطوب كننده كيست M229 استفاده مي‌كند كه با عبور از يك سلول الكترو شيميايي عوامل AC,CG, CK, CX, GA, GB, VX را در هوا تشخيص مي‌دهد. يك دستگاه تست M64 براي تست الكترونيك استفاده شده است. سيستم اعلام خطر M8 و منبع تغذيه M10 در سال 1981 پس از اصلاح به ترتيب با عناوين سيستم اعلام خطر M841 و منبع تغذيه M10 A1 براساس LCC-B دوباره طبقه بندي شدند.


سيستم اعلام خطر خودكار عوامل شيميايي M8A1 در سال 1981 از نظر نوع طبقه بندي شده هشدار دهنده M8A1 شامل يك واحد آشكار ساز M43A1 يك حسگر الكترونيكي، نمونه بردار نقطه‌اي براساس يونيزاسيون و يك واحد اعلام خطر M42 مي‌باشد. آشكار ساز M43A1 از يك منبع تابش آلفا (خشك) براي تشخيص عوامل عصبي سود مي‌برد. مزيت اصلي سيستم اعلام خطر M8A1 حذف قسمت پر هزينه كيت يديك M229 و سرويس وقت گير مورد نياز براي سيستم اعلام خطر M8 مي‌باشد منبع تغذيه


M10 A1 يك محصول پيشرفته است كه نيروي ذخيره كوچكتر و بسيار سازگار (از نظر شكل و اندازه) براي تبديل نيروي AC به DC به منظور به كار انداختن سيستم‌هاي اعلام خطر M8 و M8A1 در تاسيسات ثابت در اختيار مي‌گذارد. برخلاف واحد آشكارساز M43 واحد آشكار ساز M43A1 نمي‌تواند عوامل تاول زا، خون و خفه كننده را تشخيص دهد. طرح اصلاح شده دستگاه M43A1 شامل توسعه توانايي آشكار سازي اين عوامل و توكسين‌هاي استفاده شده به عنوان عوامل شيميايي مي‌باشد.


سيستم‌هاي خودكار بهبود يافته ديگر براي آشكار سازي در مراحل مختلف اصلاح و توسعه هستند. اين سيستم‌ها شامل آشكار سازها و XM21 يك سيستم اعلام خطر از راه دور عوامل شيميايي و اولين سيستم حسگر اسكن كننده خودكار است كه فناوري مادون قرمز غير فعال را براي آشكار سازي از راه دور بخار است عوامل شيميايي به كار گرفته است. سيتسم حسگر از راه دور از فناوري مادون قرمز مسير بلند (LOPAIR)1 بهره گرفته است كه در سال 1956 مورد بررسي قرار گرفت. حسگر XM21 جذب يا نشر انرژي مادون قرمز به وسيله بخارات عوامل شيميايي را در دامنه ديد (FOV)2 بابرد تقريبا 5 كيلومتر نشان مي‌دهد. سيستم اعلام خطر XM21 شامل يك آشكار ساز، سه پايه و يك منبع تغذيه مي‌باشد.


فناوري اعلام خطر XM21 براساس روشي است كه از طيف سنجي تبديل فوريه و الگوريتم‌هاي متمايز براي مقايسه طرح IR ابر عامل يا طرحهاي IR مواد زمينه‌اي كه به طور طبيعي حضور دارند بهره مي‌برند. سيستم اعلام خطر XM21 به طور كامل و در سال 1986 توسعه داده شده است.


از موارد قابل ذكر، توجه خاص طراحان سيستم‌هاي آشكار سازي و هشدار دهنده عوامل شيميايي براي توسعه سريع فناوري مادون قرمز فعال در طي دهه گذشته مي‌باشد براي فراهم شدن قابليت آشكار سازي (بخار يا آئروسل) عوامل شيميايي و مسافت سنجي (فاصله ابر) از راه دور CRDEC در حال توسعه تركيب روش تفريق تقاضلي (DISC) و فناوري آشكار سازي و مسافت سنجي تقاضلي جذب نور 4 مي‌باشد تا از اين طريق، فناوري حسگر از راه دور (DISC/DIAL) (DIAL) و (LIDAR) امكانپذير شود. از سال 1984 تا سال 1987 آزمايش‌هايي انجام گرفته كه در آنها از طريق DISC/DIAL براي بخارات و آئروسل عوامل شيميايي غلظت‌هاي آستانه در فواصل 5ـ 3 كيلومتر و آلودگي نسبت به عوامل شيميايي در فواصل 600 ـ 150 متر اندازه گيري شده است.


1- long path infra-red


2- field of view


3- differential scqtlered


4- differential absorpiont light dete ction and ransing


كاربرد اين روش هم چنين نشان داده است كه فناوري مادون قرمز فعال ميتواند قابليت‌هاي بي‌نظير ديگري مانند بررسي مقدماتي آشكار سازي شناسايي را فراهم كند كه از طريق فناوري IR غير فعال به تنهايي امكانپذير نيست.


براساس اين يافته‌ها و نيازمنديهاي نيروي هوايي CRDEC در حال توسعه سيستم‌هاي ثانويه آشكار سازي از راه دور عوامل شيميايي مي‌باشد.


اين سيستم دستگاهي مجهز به كنترل كامپيوتري و خودكار خواهد بود كه فناوري حسگرهاي مادون قرمز غير فعال را براي آشكار سازي از راه دور و تمايز عوامل، ترسيم، اعلام خطر و انتقال اطلاعات مسافت سنجي (فاصله، محل، محتوا و غلظت) در مورد بخارات، آئروسل و آلودگي سطحي محدود عوامل شيميايي بايكديگر تركيب مي‌كند. اين مدل براي برآورده كردن نيازهاي تاسيسات ثابت توسعه داده مي‌شود. همگام با توسعه اين سيستم نيروي زميني نيز سيستم نيروي هوايي رابراي رفع نيازمنديهاي تاسيسات ثابت به آشكار سازي و اعلام خطر (FSDWS)1 و سيستم فناوري اطلاعات اوليه شيميايي، بيولوژيكي و هسته‌اي (NVCRS)2 اصلاح نمود. برنامه تحقيقاتي به طور همزمان افزايش توانايي آشكارسازي براي عوامل سمي و بيولوژيك و استفاده از چرخبال،‌ هواپيماي بدون خلبان (RPV)3 و قمرهاي مصنوعي را دنبال مي‌كند.


1- Fixed Site Detdction and Warning System (FSDWS).


2- Nuclear, Biological and Chemical Reconnaissiance System (NBC)


3- Remotely Vehicles.





منابع:
1- A. prientiss, Chemicals in war, McGraw-Hill Book CO., Inc, NEW York NY, 1937.


2- PAM 14-50, Chemical Corps Training Information Pamphlet, US Army Chemical Center and School, Fort Mc Clellan AL, US Army Chemical Warfare School. Edgewood Arsenal, MD, 1931.


3- A Handbook of Chemical Warfare Agents, US Army Chemical Ware School. Edgewood Arsenal, ME 1931.


4- Report of Activities of the Technical Divion During World War II, Office of the Chief Chmical Warfar Service, Army Service Forces, Washington. DC, January 1946.


5- Report of Chmical Warfare Review Commission, Chmical Warfar Review Commission, Washington. DC, 11 June 1985.


6- E. Hoshall, Odor Udentification of Chemical Warfarc Agents, Chemical Warfare Service Bulletin 27, no.3, Washington DC, July 1941.


7- The History of Captured Enemy Toxic Munitions in the Amreican Zone, Europran Theater/Command May 1945 To August 1948, Office of the Chief Chemical Officer. Headquarters, European Command, August 1948.


8- Data Book on Type-Classified/standard Chemical Agents, Weapons, and Defense Materiel. Report No. CRDC-SP-85009. US Army Chemical Research and Development Center. Aberdeen proving Ground, MD,September 1985.08.22AR


9- 70-1 System Acquisition policy and proce dures, 10 October 1988.


10- G.G. Outterson R J.Norstrom, and RE. Wyant, Summary Stud of Detection and Warning, Draft Contractor Report, Battelle Columbus Laboratories, US Army Chemical Research and Development Center, Aberdeen proving GAROUND, MD APRIL 1981.


11- R. Show, J Hoffland, and J. Carrio, Remote Sensing for Chemical Defense,US Army Research Office. Research Triangle park, NC. 26 November 1985


12- TM 43-0001 26- Army Equipment Data Sheets Chemical Defense Equipment, Department of the Army, 12 may 1982.


13- Assessment of – Chemical and Biological Senaor Technologies, Board on Army Science and Technology. National Research Council, National Academy Press, Washington DC, 1984.


14- TM3-6665-319-10, Operators Manual-Water Testing Kil, Chemical Agents: M272, Department of Army, 30 November 1983.

منبع: http://www.dsrc.ir/view/article.aspx?id=655