便攜式爆炸物現場(chǎng)快速探測設備 IMS AY05-02炸藥探測儀

介紹了IMS AY05-02型離子遷移譜炸藥探測儀從原理、研制到設計的整個(gè)過(guò)程以及整機性能。探測儀能實(shí)現各種常見(jiàn)爆炸物樣品的鑒定，響應速度快、探測靈敏、操作便捷，與國外同類(lèi)型探測儀比較，本探測儀是一款值得推廣和應用的現場(chǎng)快速探測設備。

關(guān)鍵詞：

離子遷移譜 爆炸物探測

一、引言

恐怖主義活動(dòng)的猖獗和國內外反恐形勢的發(fā)展，對炸藥（爆炸物）探測技術(shù)的要求越來(lái)越高，傳統技術(shù)也在不斷推陳出新。離子遷移譜IMS（IMS, IonMobilitySpectrometry）技術(shù)最早出現于20世紀60年代，進(jìn)入20世紀90年代后該技術(shù)得到了更深入的研究，使得離子遷移譜探測儀器小巧實(shí)用、成本低廉，應用更為廣泛，成為目前國際上緝毒、反恐及軍事等領(lǐng)域用于痕量物質(zhì)現場(chǎng)檢測的主流裝備。離子遷移譜分析技術(shù)是上世紀60年代末發(fā)展起來(lái)的一種微量化學(xué)分析檢測技術(shù)，早期也稱(chēng)為等離子色譜（Plasma Chromatography）。該技術(shù)從根本上講是大氣環(huán)境的離子分離技術(shù)，它比色譜分離速度快，單周期測量耗時(shí)僅為毫秒級且不需真空支持。由于靈敏度高、便捷的優(yōu)點(diǎn)，IMS技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛應用，特別是在爆炸物、毒品和化學(xué)戰劑(CWAs)等檢測方面的應用已達到相當高的水平。

二、基本原理

IMS在原理上接近質(zhì)譜技術(shù)，它是利用在環(huán)境氣壓下待檢中性分子離化反應，生成的產(chǎn)物離子在電場(chǎng)中遷移率的差異來(lái)實(shí)現樣品分離和鑒定。離子遷移譜儀工作時(shí)首先采集待測物質(zhì)，使之進(jìn)入離化區并生成產(chǎn)物離子，接著(zhù)產(chǎn)物離子在電場(chǎng)的作用下通過(guò)離子門(mén)，并在電場(chǎng)遷移區遷移，最后到達法拉第盤(pán)轉化為電信號。由于不同物質(zhì)的遷移率具有唯一性，因而其遷移時(shí)間也具有唯一性，本設備通過(guò)精確測定離子在電場(chǎng)作用下離化產(chǎn)物的不同，其離子穿過(guò)固定距離的遷移時(shí)間，來(lái)認定被測可疑物質(zhì)中是否具有某些特定化學(xué)成分的分子。

三、儀器的研制

便攜式爆炸物探測儀在系統結構上包括四部分，即離子管、電路、氣路、控制系統。

（一）離子遷移管的設計

離子遷移管是IMS爆炸物探測儀的核心部件，其性能好壞直接關(guān)系到儀器的靈敏度和分辨率。它主要由進(jìn)樣裝置、離化區、離子門(mén)、遷移區、電荷收集器以及遷移管外圍氣路六個(gè)部分組成。要讓離子遷移管正常工作并完成探測功能，必須有一套外圍的控制電路和設備實(shí)現對工作過(guò)程的控制、信號的采集和數據的處理。

（二）氣路的設計以及流量的定標在遷移管中，還需要引入尾吹氣體。如圖1所示，當離子在遷移區內漂移時(shí)，會(huì )與從遷移管尾部吹來(lái)氣體發(fā)生碰撞，一方面可以把一些雜質(zhì)從遷移管中去掉，另一方面可以阻止多余的中性樣品分子進(jìn)入遷移區后繼續產(chǎn)生離化反應，避免因中性樣品分子繼續反應而導致譜線(xiàn)變寬，從氣路中氣體流量大小直接影響到儀器的檢測靈敏度。流量的控制采用閉環(huán)模式，內置氣泵推動(dòng)載氣體和遷移氣體的循環(huán)，同時(shí)抽取從遷移管排出的氣體作為補給氣體。為了進(jìn)行精確的氣體流量控制，在儀器中通過(guò)測量氣體的壓力差來(lái)對流量進(jìn)行調控，實(shí)時(shí)反饋管道中的氣體流量信息。通過(guò)節流閥可實(shí)現不同的氣體壓差，定標后很容易能夠得到氣體流量的準確值。定標過(guò)程如圖2所示，在氣體回路里串聯(lián)流量計，調節氣泵到固定流量，再調整儀器放大器外圍電路，使輸出模擬量達到需要值。

（三）電路部分的設計

儀器的電路設計與控制包括遷移管溫度控制、氣泵控制、離子信號放大以及離子管的開(kāi)關(guān)門(mén)和場(chǎng)強的控制。直接采用法拉第盤(pán)作為電荷收集器得到的信噪比很低，因此需對離子信號放大，并通過(guò)A/D轉換傳送給主控制模塊進(jìn)行分析。由法拉第盤(pán)上接收到的弱信號在時(shí)間軸上展開(kāi)，就得到了離子遷移譜圖，即為一幅理想化的離子信號圖（如圖1）。離子信號放大部分的硬件框圖如圖3所示，法拉第盤(pán)輸出的弱信號通過(guò)預放電路完成由弱電流到電壓的轉化和放大，再經(jīng)過(guò)A/D轉換傳送給主控制模塊。預放電路必須提供足夠的增益，以滿(mǎn)足A/D的需要。電場(chǎng)的建立需要在遷移管各處加上平穩高壓， 使遷移管內從離子門(mén)到法拉第盤(pán)形成從高到低的正或負的電勢差。高壓的平穩程度直接影響遷移速率和測試準確, 也影響門(mén)上的離子損失。

（四）控制模塊的設計

CPU主控模塊是探測儀的心臟部件（其組成框圖如圖4所示），主要完成以下三個(gè)任務(wù)：

1. 實(shí)時(shí)管理和監控系統中所有設備。系統需對大量設備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，如離子管上溫度的恒定控制、氣路的流量控制，還包括系統中電源、整機電流、溫度、按鍵操作等實(shí)時(shí)跟蹤控制。2. 實(shí)現人機操作界面。CPU要完成大量菜單圖形顯示任務(wù)，并根據用戶(hù)所下達的指令，完成相應的操作任務(wù)，同時(shí)將結果、狀態(tài)顯示于屏上。3. 完成對離子信號的采樣、等離子圖顯示和計算分析任務(wù)。離子遷移譜的運行系統不僅要實(shí)時(shí)數據處理，還要對多個(gè)參數進(jìn)行控制，單任務(wù)環(huán)境已不適應它的需求，必須采用多任務(wù)體制來(lái)提高系統的實(shí)時(shí)性。系統工作時(shí)，處理器承擔著(zhù)大量的計算分析任務(wù)，因此，要求處理器具有較高的性能（大于50MIPS），并內置一定容量的緩存。另外，由于處理器要與大量外接設備相連，要求它有豐富的片內資源，同時(shí)內置一些常見(jiàn)接口。為了保證系統的可靠性，提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，探測儀采用ARM9+DSP（OMAP5912）系統平臺，在嵌入式處理器上運行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

四、本設備與國外同類(lèi)成果的比較

目前國內同類(lèi)型的爆炸物痕量探測設備主要源于進(jìn)口，對操作人員的要求較高、使用和維護不便。本科研成果以服務(wù)公安實(shí)戰需求為宗旨，設備響應速度快、使用便捷、中文菜單顯示，其探測靈敏度與國外進(jìn)口設備相當；考慮到中國國情，除常見(jiàn)高能軍事炸藥，還把黑火藥和硝酸銨也列入探測范圍之內（探測性能指標比較見(jiàn)表1），同時(shí)還可根據用戶(hù)需要增補或刪減報警樣本庫。

五、產(chǎn)品推廣情況

MS AY05-02便攜式爆炸物現場(chǎng)快速探測設備自2008年驗收以來(lái)，主要應用情況如下：2008年底，完成了第一次十套的小批量試生產(chǎn)。2009年5月，該儀器在北京舉行的禁毒反恐警用裝備展覽會(huì )上展示。2009年11月，該儀器在上海舉辦的工業(yè)博覽會(huì )上展示。進(jìn)行第二次五套的小批量生產(chǎn)，其中四套爆炸物探測儀用于培訓參加上海世博會(huì )安保的一線(xiàn)公安干警，一臺設置了英文版的用戶(hù)界面參加歐洲安防展覽。2010年上海世博會(huì )期間，本專(zhuān)項支持完成的AY05-02炸藥探測儀在上海世博會(huì )安全保衛工作中發(fā)揮極大作用。上海、浙江周邊各道口使用該設備近50套，從2010年4月中旬正式投入使用至世博會(huì )結束，共查獲煙花、爆竹等爆炸物532件。截止2011年12月底，基于本探測原理的便攜式探測儀共銷(xiāo)售183臺/套。目前國內重點(diǎn)安檢領(lǐng)域（如機場(chǎng)、重要會(huì )議場(chǎng)所等）的痕量爆炸物探測設備主要來(lái)自歐美國家的高昂進(jìn)口產(chǎn)品，且售后技術(shù)服務(wù)手續繁瑣，而國產(chǎn)IMS AY05-02幾乎為同類(lèi)進(jìn)口探測儀售價(jià)的一半，且后期的設備維護成本和技術(shù)服務(wù)成本遠小于同類(lèi)進(jìn)口儀器。因此，IMSAY05-02爆炸物探測儀的推廣，可大大節約安檢部門(mén)和公安機關(guān)采購此類(lèi)探測儀的成本。

六、總結

通過(guò)世博專(zhuān)項的資金支持，研制的IMS AY05-02爆炸物探測儀具有自主知識產(chǎn)權，且各項性能指標基本與同類(lèi)進(jìn)口探測儀達到同等量級。爆炸物探測儀可配備于全國性的公共安全領(lǐng)域，尤其是人口密度大的大、中城市的防爆反恐安保領(lǐng)域（如全國大、中城市軌道交通中，人流量大且空間相對密閉的場(chǎng)所）。隨著(zhù)城市軌道交通的蓬勃興起，全國反恐部門(mén)對該設備需求量巨大；且面對新形勢下的維穩需要，防止突發(fā)性事件發(fā)生，爆炸物探測儀也可用于大型公共場(chǎng)所如火車(chē)站、港口、公交樞紐和大型展會(huì )等的爆炸物違禁品的查探，對公安機關(guān)大型保衛和日常檢、控工作具有十分重要的現實(shí)作用。