安全檢查中爆炸物探測儀器設計與應用探討

何山 天津濱海國際機場

引言

當今世界和平與發展依然是國際社會的主旋率，但是民族分裂勢力、宗教極端勢力、暴力恐怖勢力活動猖獗，傳統與非傳統的安全威脅仍然存在，并在局部呈現上升趨勢。爆炸物的現場檢測技術是安全防范的重要手段，正日益彰顯出廣泛的應用前景。

目前，爆炸物探測技術主要分為兩大類，即以蒸氣/微粒探測為代表的化學型探測技術和以X射線、γ射線、中子等介質探測為代表的能量型探測技術。在以化學型探測技術為原理的爆炸物探測儀器中，普遍采用基于離子遷移譜技術的爆炸物探測儀器?；诖思夹g的分析儀器的應用與生產在國內則剛剛起步，本文是筆者集多款離子遷移譜分析儀器現場實際應用的經驗與感受，分析了離子遷移譜技術的需求，探討了適合我國國情的離子遷移譜分析儀器設計思想與故障維修方法。

一、離子遷移譜（IMS）爆炸物/毒品探測儀器的工作原理

離子遷移譜原理如圖1所示：

基于離子遷移譜技術探測爆炸物/毒品的儀器工作過程有以下三個關鍵步驟：

（一）樣品采集

爆炸物同其他各種化學物質一樣，都能或多或少地揮發出氣態物質或釋放極微小的顆粒。在制造爆炸物及偽裝或包裝過程中，很可能在犯罪分子的手上、手接觸的部位以及包裝箱上，吸附、粘附著痕量（皮克級）的爆炸物。通過樣品采集過程，將吸附、粘附著痕量的爆炸物物質采集到檢測設備中。樣品采集方式主要有氣流采樣（颶風采樣）與試紙采樣兩種。

（二）離子化過程

該過程是將采集到的樣品物質通過加熱使其中的待檢測物質迅速氣化，將氣化的待檢測物質離子化主要有射線照射、激光照射（使電子的能級發生躍遷）、高電壓（直流）電離三 種方式。

（三）探測過程

將離子化的被檢測物送入漂移電場（遷移管IMS）。離子從開始漂移至到達收集電極（探測極）這段時間稱為該離子的漂移時間，相同質量電荷比的離子，其漂移時間也相同。因此，漂移時間已成為該離子的一種特征參數，是區別不同離子的主要參數。利用計算機技術將新檢測到的被檢測物信息與計算機記憶的信息進行一一比對，從而確定被檢測物是否含有爆炸物的成分。

二、基于離子遷移譜技術的爆炸物探測儀器的設計思路與技術實現

利用離子遷移技術進行化學測量具有重要的價值，基于該種技術的分析儀器轉化為安檢現場的實際應用尚需要實現一些相關的技術突破與創新，這種基于離子遷移技術的分析儀器在設計制造中，既要遵循離子遷移的技術原理、技術特性，以及化學測量儀器的共性外，還應考慮環境、使用現場、用戶等諸多方面的需求。

基于離子遷移譜技術的分析儀器應用于安全防范工作中，對于探測爆炸物將發揮重要的作用。這類儀器在規模化投入安防現場的實際應用時，要能夠適應長時間運行、使用環境差（相對于實驗室環境）等諸多情況，真正在做到反恐防爆第一線“拉得出、用得了、查得到”。本文對基于離子遷移譜技術的爆炸物 /毒品探測儀器的設計思路與技術實現做一闡述。

（一）遷移管單次同時檢測正、負離子（雙模探測模式）

由于爆炸物、毒品的多樣化，打破了原來被檢測物氣相分子-離子的反應生成的規律，因為化學性質的差異，傳統含硝基類爆炸物的檢測通常由負離子IMS完成，新型過氧化類爆炸物的檢測則由正離子IMS完成。然而，在實際爆炸物篩查中，傳統的離子遷移譜分析儀器僅有一種工作極性，無法完成這兩種爆炸物的單次同時檢測一些可塑性爆炸物經氣相分子-離子反應生成的離子帶有正電荷，因此為了確保物質檢測的可靠性與有效性，要求遷移管能夠拓寬爆炸物的檢測種類，具有同時檢測正、負離子的特性，降低爆炸物的漏檢率，主要有以下兩種實現方式：

1. 單只遷移管

可快速切換極性的離子聚焦離子遷移管，單次檢查即可獲得檢測樣品的正、負離子譜圖信息，實現經氣相分子-離子的反應生成正離子或負離子的痕量爆炸物的單次同時檢測。

2. 雙遷移管

將檢測樣品氣體一分為二，進入不同的遷移管，分別檢測經氣相分子-離子的反應生成正離子或負離子的痕量爆炸物樣品。

（二）電離源

在離子遷移測量中，要先生成氣相離子然后才能進行產物離子的分離和檢測，在樣品進入遷移管的同時電離過程就開始進行了。IMS分析中的離子化過程，通常都是在常壓條件下的空氣中進行的，通常空氣中含有氧氣和水，因此，生成離子的反映要在有水和氧氣的情況下進行。常見的電離源有：放射源、光致放電管、激光電離、電噴霧電離、火焰電離點暈放電和表面電離源。

（三）儀器外觀及顯示、操控部件

分析儀器的外觀設計盡可能緊湊、縮小體積、美觀，外殼顏色可有若干種，便于用戶根據現場的色調進行合理搭配；顯示屏可根據儀器的尺寸選擇適合人體工程學的高清、高亮、大視角、大屏幕16:9式設計，外觀可考慮超薄、窄邊框的流行式設計，屏幕材質以TFT-LCD或AMOLED為宜，屏幕設置主屏與副屏兩面，主屏固定于分析儀器的最近操作及觀察位置，根據需要可調整視角或反轉，副屏可置于儀器的周邊，可同步顯示測試結果或顯示指定的公共類信息；同時，可將大部分操控集成至主屏幕上，選擇耐用觸屏。

（四）計算機軟、硬件及網絡配置

計算機可采用單主板計算機、固態硬盤、可擴展RAM存儲器插槽、WIN系統，以方便操作使用，維護保養，軟件升級。隨著我國自主知識產權的操作系統的研發成功，在國產儀器的設計制造中要逐步普及使用國產操作系統。

實現網絡化，實現方式優先選擇有線與無線二種方式，用于設備管理、實時監控設備、相關檢測數據推送，人員管理、故障遠程診斷等。

關于數據本地輸出，輸出內容主要是檢測結果數據，儀器當前頁面的截屏圖片；在數據輸出方式上，可設置多個USB數據接口，方便數據設備的連接；在打印輸出方面，以往的儀器只能實現自帶打印機的輸出，這里使用能接駁普通打印機的儀 器，實現廣譜打印。

（五）人工智能技術的應用

伴隨著人工智能技術的快速發展與規?；瘧茫沟脤⑦@一新興技術融入載氣凈化裝置成為現實。目前筆者著力聚焦將安檢現場待檢對象數量與檢查通道的開放應用狀況的智能識別，以此來控制載氣的發生量，從而更好地保護載氣發生裝置，進一步降低能耗，使其發揮更大的能效；同時還會將探測結果與被檢人的日常行為相關聯，進一步提升對被檢人行為的辨識能力。

三、爆炸物探測儀器的性能分析

（一）儀器的可靠性

基于離子遷移譜技術的爆炸物探測儀應用在我國安防一線擔負反恐防爆探測重要任務。由于此類儀器從開機上電到正常工作需要經歷較長時間的預熱過程，因此，該種儀器不適用于即開即用，只能是采取加電待機的使用模式，此間儀器一旦出現故障，將會嚴重影響現場的安全檢查工作的進行，儀器的這種特性決定了其應用在安防現場，長時間運行時（通常每天運行20小時以上），必須有良好的可靠性。影響可靠性的因素很多，在此，筆者僅對元器件、部件的篩選及應用，電路、氣路的設計、設置做一提示。

（二）儀器的安全性

作為一款探測危險物品保障安全的科學儀器，在設計、制造、使用過程中首先應該關注的就是其安全性。第一，要考慮的是安全檢測，即探測的準確性，設計制造中要著力降低誤報率；第二，基于離子遷移譜技術的爆炸物探測儀，其內部組件必須包含高電壓發生組件和高溫發生部件，在設計中要考慮電磁、熱輻射的對其他元器件的干擾，在制造工藝上要合理布局，盡量避免電磁環境、熱環境對儀器造成的弊端，防止使用中出現因高電壓、高熱量等帶來安全隱患，嚴格保障安全。

（三）適應性

這里所說的適應性主要是指對使用環境的適應。實現安全保障儀器化的設備應能夠滿足各種安防現場的使用要求：在使用環境上要能夠滿足室內、室外兼容使用，高溫、低溫二重天的考驗，干燥與潮濕環境錘煉，一般工作溫度范圍要求是-10℃～50℃，工作濕度范圍要求是90%相對濕度下無冷凝。

（四）便捷性

在儀器設計中要體現出使用的便捷性有諸多方面，如使用、操作、維護保養、故障修理恢復等方面。

在產品維護保養的清潔方面，有兩種情況：（1）外部清潔，應避免難于清潔的死角、溝道等；（2）內部的清潔，在確保干凈、徹底清潔的前提下，如何最大限度地壓縮離子遷移管的自清潔時間是值得深入研究和解決的難題。

在儀器的使用方面，工作電源適應要寬泛，以寬電壓帶設計為宜（如110VAC～220VAV），并且要能適應電源的波動（如±15%的波動范圍）；在供電方式上，除常規的外部市電供電方式外，還應具備多種方式供電：（1）充電電池供電，一般使用鋰電池，可熱插拔，提供1小時的供電模式；（2）車載電源供電，可利用汽車內的點煙器等接口引出車內電源。

此外，在產品設計中，考慮到方便保養、易于修理的問題，如易于開啟與關閉的外殼，方便的可恢復性操作（如儀器過載保護后的恢復），易損部件的更換，電子部件的模塊化處理及簡便的模塊替換方式，都是在產品設計制造中值得注意的問題。

（五）附屬設施

離子遷移譜分析儀器常被安置在操作臺上。操作臺高度，以便于使用者站立操作分析儀器為宜；大小以臺面略大于分析儀器底盤面積為佳。載氣凈化裝置及其與分析儀器的聯動裝置，可以安放于操作臺內部。

在操作臺的周邊可以安置若干顯示屏：做到位置可調，播放內容可自主設定（公共場所使用分析儀器時，可滾動播出一些周知性或公益性信息），亦可與分析儀器顯示內容并機播放。

（六）降低運行成本

首先考慮的是耗材的問題。應該盡量少使用耗材，即可使用或可不使用耗材的情況，盡量不使用耗材；需使用耗材的情況，考慮可否通過技術攻關，突破技術壁壘，實現非耗材，如通過研發凈化動力氣流裝置，實現在線制備載氣，替代凈化空氣的耗材；必須使用耗材時，使用低價格的耗材。其次，要關注故障維修成本。這就要求在制作過程中，我們選擇儀器集成部件要兼顧性能與價格，平衡性價比，既能夠滿足使用，保證性能及可靠性，又可以用較低的價格購買，即物美價廉的部件，實現低成本維修。

四、循環氣路系統的創新應用

儀器應用于安防現場以后，除上述的運行成本問題外，可靠性方面亦存在一些缺陷，較為突出的是循環氣路系統中的空氣壓縮機（微型氣泵）故障時有發生，為此，在儀器的后期使用過程中筆者依據現場情況、運行需求及儀器技術特點，本著必須與可能的原則，研發了新型循環氣路系統，并與儀器實現聯動。

傳統的基于離子遷移譜技術的爆炸物探測儀器的循環氣路系統用以為儀器提供載氣和漂移氣體，對于實驗室儀器或簡單的間歇式使用的儀器，載氣和漂移器都可用壓縮儲氣筒提供。然而，一般的用于安全檢查工作現場的便攜式（特別是手持式）儀器是不能用儲氣筒的，而需要用儀器上裝有分子篩或吸附劑的凈化器對環境空氣凈化來提供載氣和漂移氣。凈化器是循環氣路系統的一個組成部分，系統內裝有氣泵用來向遷移管提供載氣和漂移氣二種動力氣流，同時也將環境空氣吸進儀器的進樣口。儀器內的氣路系統與外界環境是處于壓力平衡狀態，外界氣壓變化不會使遷移管內的氣壓大于環境氣壓。對于連接氣路各部分的管線要絕對純凈，無雜質，宜采用食品級高分子管路。氣泵亦應選擇可靠性強，體積小，運行噪聲低的隔膜泵。

（一）新型循環氣路凈化動力氣流裝置

近年來，由于此類儀器大量地、長時間地應用在安全防范工作現場，打破了原有的實驗室或間歇式使用的模式。因此，儀器部件的一些弊端也逐漸顯現出來，如：隔膜泵耐久性、可靠性差；凈化器耗材（干燥劑）使用量大，替換下來的耗材大量堆積，難以處置，污染環境。即使近年來一些儀器自備無需更換干燥劑的再生系統，循環使用干燥劑，也會造成儀器體積、能耗增大，影響便攜性，更為嚴重的是，由于循環使用，導致干燥劑脫水能力不均衡，使載氣凈化水平不穩定，常常影響探測準確性。

對于上述弊端，在現場使用中，筆者探索出了一些實用的對策：（1）使用價格較低的有刷（電機）隔膜泵代替無刷（電機）隔膜泵，降低了這一易損部件的成本；（2）嘗試對損壞的隔膜泵進行修復，更換損壞的電機及隔膜組件，進一步降低了儀器故障的維修成本；（3）研發對吸進儀器的進樣口的環境空氣進行物理方法在線凈化的裝置即凈化動力氣流裝置（該裝置已經取得中國專利授權），徹底廢除了可靠性差、易于損壞的隔膜泵及污染環境的干燥劑。儀器可搭配在線制備脫水、凈化動力氣流的裝置并與之實現聯動，這便是離子遷移譜爆炸物探測器于安檢現場的一種創新應用。

（二）凈化動力氣流裝置與分析儀器的聯動

為了有效地解決凈化動力氣流裝置與分析儀器的聯動的問題，筆者設計制作了聯動裝置。該裝置連接爆炸物探測儀器（分析儀器）與凈化動力氣流裝置（載氣凈化器），解決了爆炸物探測器與載氣凈化器聯動的問題。使分析儀器使用與載氣凈化器供氣同步。本裝置由控制信號采集與處理板、電氣控制部分及控制顯示面板組成。其特征在于：來自分析儀器的控制信號及氣流狀態異常（氣壓、流速、濕度）信號由信號采集與處理板對信號進行識別、處理，同操作面板共同對電氣控制部分進行控制，以實現載氣凈化器狀態顯示、載氣凈化器部件的供電及分析儀器的供電控制，分析儀器使用與載氣凈化器同步供氣。

本裝置由一個24VDC電源提供工作電壓，來自分析儀器的氣壓、流速、濕度異常信號及控制信號經信號采集與處理板處理后與操作面板共同控制電氣控制部分的相關繼電器輸出，以實現載氣凈化器的開關機控制，其特征在于：開關機操作是由操作面板上的鑰匙開關及通電按鈕來完成的；控制載氣凈化器的準備狀態（紅色指示燈顯示）與就緒狀態（綠色指示燈顯示）的轉換，其特征在于準備（紅色）/就緒（綠色）狀態的指示是由操作面板上的單體雙色指示燈來指示的；對載氣凈化器部件的供電，經凈化處理的載氣達標后（時間延遲）向分析儀器供電，其特征在于對載氣凈化器部件的供電是由繼電器K1來控制的，對分析儀器的供電是由時間繼電器TK來控制的；實現分析儀器開啟與載氣凈化器提供達標載氣同步，其特征在于采集自分析儀器經信號采集處理板處理后做為分析儀器開啟與載氣凈化器供氣同步控制信號；當氣壓、流速、濕度異常時立即停止向分析儀器供氣，其特征在于信號采集處理板識別出氣壓、流速、濕度異常信號后輸出電磁閥關閉信號。

載氣凈化器與分析儀器聯動的控制裝置的操作顯示面板由鑰匙開關（通電）、帶藍色指示燈的一開一閉點動按鈕（啟動）、單體雙色（紅/綠）指示燈組成（準備/就緒）組成。順時針旋轉鑰匙開關90°，裝置通電，啟動按鈕中的藍色環狀指示燈點亮，按下啟動按鈕，準備/就緒指示燈顯示紅色，裝置進入準備狀態，此間，裝置產生的凈化載氣隨時間推移逐漸達標，分析儀器無法開啟，當準備/就緒指示燈轉變為綠色時，裝置進入就緒狀態，此間，分析儀器可以開啟，載氣凈化器在分析儀器開啟時同步向其供氣。

載氣凈化器與分析儀器聯動的控制裝置的信號采集與處理板接收來自分析儀器的控制信號，氣壓、流速、濕度異常信號，來控制載氣凈化器中的一個電磁閥及操作顯示面板上的準備/就緒狀態指示燈。分析儀器開啟時，信號采集與處理板控制電磁閥打開，開始向分析儀器供氣；氣壓、流速、濕度異常時，信號采集與處理板控制電磁閥關閉，載氣凈化器停止向分析儀器供氣，其準備/就緒指示燈由綠色變為紅色。

載氣凈化器與分析儀器聯動的控制裝置電氣控制部分由空氣開關、24VDC電源、繼電器（2只）、時間繼電器、220VAC電源插座（2個）。當載氣凈化器開啟時繼電器K2動作，載氣凈化器部件電源通電，載氣凈化器工作，時間繼電器延時3分鐘后，分析儀器電源接通。K1繼電器的一組常開觸點串聯鑰匙開關后作為自保供電，另一組常開觸點為24VDC供電，用于K2、TK、線圈驅動、指示燈供電，經信號采集與處理板為電磁閥開啟供電。K1線圈“+”連操作顯示面板的點動按鈕的常開觸點。220VAC經K2繼電器后連220VAC電源插座Z1，為凈化器部件供電；220VAC火線經TK后，連220VAC電源插座Z2，為分析儀器供電?？諝忾_關聯入主干電路，為過流及安全保護。

五、未來發展

總之，這種工作在常壓條件下的離子遷移進行化學表征是一種非常優異的微量物質鑒別方法，自應用以來顯示出良好的爆炸物探測效果。但是，究其探測結果，就爆炸物而言，只能說明其探測物質是否在爆炸物的范圍內，尚不能做出定性的判定，屬于篩查性質的檢測技術。

自上世紀五、六十年代出現的質譜探測技術，由于其是在真空條件下測量被檢測物的分子量，因而能夠據其“分子指紋”特征，對被檢測物進行定性判定，所以說這是一種較離子遷移譜技術更為準確的爆炸物探測辨識方法，但是基于這種技術的探測方法，由于對環境及技術條件要求比較高，目前還只是實現了實驗室中進行的分析探測。筆者有志于聯合國內分析化學領域的質譜學業界精英進行基于質譜技術的爆炸物探測儀器化的探索工作，力爭在不久的將來實現安檢現場爆炸物探測的質譜技術應用。

六、結語

目前，在我國公共安全探測領域使用的痕量爆炸物檢測儀，大多為進口品牌所壟斷，這些儀器在用戶體驗、運行成本、可靠性、環境適用性等方面，陸續發現了諸多不盡人意之處。因此，基于筆者在安全防范、防爆安檢實際工作中，使用和維護離子遷移譜爆炸物探測儀的經驗，結合當前安防形勢和安防工作的實際需要，以及新興的技術手段，對我國快速發展的離子遷移譜技術，提出以上適合實戰應用的設計思路，希望在這種分析儀器的研制過程中，相關研發單位本著精心設計、精良制造的原則，以應用現場實際需求為設計導向的理念，打造出既傳承科學精髓，又貼近實際應用的個性化、人性化精品。