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爆炸物探测与识别技术
[
摘
要
]
综述了爆炸物探测与识别所采
用的微量炸药探和块体炸
药探测两大类技术
,
讨论了每类技术所采用的探测方法及工作原理。
介绍了目前国外的探测设备
,
根据每种探测技术和探测设备在使用
中
存在的不足
,
对其今后可能的发展趋势作了进一步探讨。
[
关键词
]
爆炸物
探测与识别
探测设备
1
前言
近年来
,
恐怖爆炸事件频频发生在世界各地
,
各种形式的炸药
和爆炸装置被用于恐怖犯罪活动
,
造成了大量的人员伤亡和财产损
失。
为了把恐怖活
动遏制在未遂状态
,
人们把目光更多地投注在依靠
物理、
化学等科学技术手段对爆炸物的探测与识别上。
国外对这一领
域进行了大量深入的研究
,
在我国
,
由于起步较晚
,
与国外相比还
很大差距。
因此
,
有针对性地研究国外爆炸物探测与识别技术
,
对于
加快我国在这一领域的发展有着重要的现实意义。
2
爆炸物探测与识别的技术类型
爆炸物探测与识别技术有很多种
,
根据有关资料归纳统计
[1] ,
该
技术主要分为两大类
:
微量炸药探测和块体炸药探测
,
大致如图
1
所示。
图
1
爆炸物探测的主要技术类型
2
.
1
微量炸药探测
微量炸药探测是指对微
量
(
肉眼很难看见
)
的爆炸品残留物进行
取样和分析的技术。
爆炸品在处理
过程中总会留下气体或固体颗粒形
式的残留物
,
通过搜集这些残留物并使用相关的探测技术对其进行
分析
,
从而判断是否存在爆炸物。
常见的微量炸药探测技术有
离子迁
移光谱等电化学技术和激光拉曼光谱技术。
2
.
2
块体炸药探测
块体炸药探测是指探测
可见数量的炸药。通常包括
X
、
C
射线成像
技术和基于核的技术。
X
、
C
射线都是高能电磁波
,
当它们遇到物质时
,
会发生三种情况
:
透射、被吸收、散
射或反向散射。根据这三种现象
获得的信息
,
可以探测出物质的密度、
原子序数等特征量。
炸药的特
征就是密度高、
原子序数低。
当前
X
射线成像技术包括
:
单能
X
射线
技术、双能
X
射线技术、
CT
技术、反向散射技术
和荧光透视技术。
炸药探测的核技术主要包括核四极矩共振技术和中子技术。
与成像技
术相比
,
基于
核的技术探测性能更好。
下面介绍各种探测技术的原理
以及相关
的探测设备。
3
微量炸药探测技术
3. 1
离子迁移光谱技术
( IMS)
IMS
是最普通的微量炸药探测技术
,
其工作原理是
:
在离化区
,
炸
药的蒸气分子或固体颗粒与电子作用而变成负离子
,
负离子在迁移
区发生漂移
,
大致如图
2
所示。
< br>其漂移的速度取决于离子的质量、
电
荷和尺寸。
在有效控制迁移区电场强度的情况下
,
测量出
离子的迁移
率
(
指单位电场强度下离子
的漂移速度
)
。
根据离子的迁移率可以
识出
每种离子的原始物质。
图
2
样品离化与迁移示意图
不同的物质可能因为离子尺寸和质量相似而表现出相同的迁移
率。为了解决这个问题
,
国外发明了
一种叫做
GC
?
IMS
的组合系统。
分子在进入
IMS
之
__
前
,
先经过气相层析仪
(GC)
进行预先分馏。
GC
是一中空的管道
,
管道里涂有特殊的化学物质
,
这些化
学物质有选
择地与某些物质的分子发生作用
,
以此来影响该分子在
GC
中的漂移
速度
,
分子穿过
GC
所用的时间称为滞留时间
[1,2]
。这样
,
即使分
子表现出相同的迁移率也会由于滞留时间不同而被区分开来。
3
.
2
化
合光技术
(
CL
)
大多数炸药都含有硝基
(- NO 2 )
或硝酸酯基
(- ONO 2) ,
在化
合光系统中
,
< br>炸药分子首先被加热分解产生
NO
。
NO
与臭氧
(O3)
在真
空腔反应产生激发态的
NO 23
分子
,NO 23
衰变成非激发的
NO 2
时
,
将辐射一种具有特定频率的红外光子
( IR
)
。通过光电倍增器探测该
红外光子
,
光电倍增器的输出信号与真空腔中
NO
含量成正比
,
据此
< br>可以判断被检物中是否存在炸药。由于
NO
分子不仅存在于炸药中
,
化肥、香水等物质的热分解也产生
NO
,
所以单独使用
CL
技术不能够
辨认炸药种类
,
通常要与气相层析仪
(GC)
联用。
3
.
3
表面声波技术
(
< br>SAW
)
SAW
探测系统的
主要组成部分是一个具有特定共振频率的压电
晶体。当分子沉积在晶体表面时
,
晶体共振频率的变化与分子沉积的
质量成正比<
/p>
,
此频率的变化还依赖于分子的属性、
表面温度以及晶体
本身的化学性质。
同上述两种方法一样
,
SAW
系统也需要与
< br>GC
联用来
识别炸药种类。根据分子在
< br>GC
中不同的滞留时间
,
GC
?
SAW
系统可以
有效地区分不同的分子。
另外
,
该系统还能够区分挥发性物质和挥发
性物质。
3
.
4
热氧化还原技术
热氧化还原技术是基于炸药分子的热分解以及随后的
NO 2
还原
原理。
样品被导入系统并穿过浓缩
管时
,
浓缩管管道上涂有一层特殊
的
化学物质
,
用来有选择地吸附爆炸物蒸气。
< br>然后样品被快速地加热
分解并释放出可以探测的
NO 2
分子。
3
.
5
化学试剂法
当化学试剂添加到样品上时
,
样品会
变色。向样品里加入一系列
的化学试剂
,
观察每一次样品颜色的变化
,
以确定有无炸药。
图
3
EXPRAY
野外探测工具箱
图
< br>3
是目前
Mistral
安全公司生产的一种手持式
Expray
野外检
测工具箱
,
< br>它包括三种喷雾剂和一张特殊的试纸。
可用于检测
A
组炸
药
( TNT
、
DNT
和苦味酸等
)
、
B
组炸药
(
塑胶炸药
< br>H
、
RDX
、图
3
EXPRAY
野外探测工具箱
PETN
、
NG
和无烟粉等
)
和含
N
化合物。
3
.
6
质
谱分析技术
(
MS
)
与二次质谱技术
质谱法的理论依据是
:
具有不同质荷
比
(
即质量与所带电荷之
比
)
的离子在磁场中所受的作用力不同
,
因而运动方向也不同
,
导
致彼此分离。经过分别捕获收集
,
可以确定离子的种类和相对含量
,
最
后求得样品的定性和定量分析结果
[3]
。
有的质谱仪还与
GC
联用以
提高准确率。
MS
作为一种有效的实验室技术
,
目前已经运用于野外
,
该系统具有良
好的识别能力。
二次质谱技术的基本原理与之相似
,
只
是使用两层质谱仪。
离子通过第一层质谱仪后
,
具有不同质荷比的离
子被分离开来
,
被分离出的离子与中性原子核
(
如氦<
/p>
He )
发生碰撞
,
结果是大分子变成小离子
,
而小离子
的质量则可以通过第二层质谱
仪测定。这种技术可以精确测定多种炸药
< br>,
误报率比较低。
3
.
7
电子俘获技术
与前面几种方法一样
,
电子俘获技术也需要与
GC
联用。它的工
作原理是
:
首先使用放射源将气体混合物电离成自由电子
,
自由电
子在流向阳极时产生一恒定电流。从
GC
分馏出来的分子与这些电子
混合以后
,
炸药分子因捕获电子带上负电
,
结果只有少数电子流向
阳极
,
使得恒定电流减弱。
探测器通过分析这种变化来判断炸药的存
在。
3
.
8
紫外荧光技术
荧光是一种光致发光现象
,
物质在吸收紫外光以后
,
可发出与<
/p>
紫外光波长相同或较长波长的荧光。研究发现
[1,4]
,
在一定条件下
,
荧光强度与被测物质的浓度成正比。
因此
,
通过测量荧光的强度可以
定量测定许多痕量无机和有机组分。
3
.
9
激光拉曼光谱技术
激光拉曼光谱法是
基于运用激光作光源的拉曼散射而建立起来
的分析方法。
拉曼散
射是一种分子光谱
,
当物质分子受到光辐射照射
时
,
由于分子的振动或转动能级的跃迁使照射光被吸收并重新散射
出来<
/p>
,
散射光的波长可长于或短于照射光的波长。
< br>拉曼散射的波长与
物质的结构有关
,
可作定性分析的依据
;
拉曼散射的强
度可作定量
分析的依据
[3]
。
该方法可用来检测、
确定物质的名称和含量
,
也可用
于探测液体炸药。
美国
AHURA
公司研制了一种便携式拉曼光谱探测仪
“首席卫士”
(First
Defender XL)
,
如图
4
。
研究表明
[5]
,
“首席
卫士”能鉴别
2500
种液体和固体物质
,
适于探测鉴别各类液体。
图
4
“首席卫士”探测仪
4
块体炸药探测技术
4
.
1
X
射线成像技术
4
.
1
.
1
单能
X
射线成像技术
该技术使用单一能量的
X
射线
, X
射线在穿过物质时被吸收
,
强
度被衰减
,
衰减强度与每种物质的衰减系数以及该物质的密度、
厚度
有关
。
所以最终成像反映的是被测物体对
X
射线的吸收程度
,
它只适
于探测炸弹等高密度物质。
4
.
1
.
2
双能
X
射线成像技术
采用高、低两种能量的
X
射线对被检物进行扫描时
,
由于高
Z
物
质在两种能量水平下的成像都呈现暗色
,
而低
Z
物质则在低能
X
射
< br>线照射下的成像呈现较暗的颜色。计算机通过分析比较高能、低能
X
射线获得的两幅独立图像
,
最后鉴别出被检物中的
有机物
(
低
Z)
和
无机物
(
高
Z)
。
4
.
1
.
3
电脑断层技术
(
< br>CT
)
该技术是由医学上的
CT
成像技术发展而来的。
X
射线穿过物体
后被探测
,
得到在某个方向上的图像。
然后不断地旋转
X <
/p>
射线源和探
测器重新得到一系列的二维图像
(
基本上是旋转
1
°进行一个成像<
/p>
) ,
将得到的二维交叉片段成像
,
输入计算机处理后组合成三维图像。
由
于
CT
采用的是交叉片段成像
,
因此可以有效地识别隐藏的物体。
4
.
1
.
4
X
射线反向散射成像技术
X
射线反向散射成像技术是最近几年发展较快的一门新型探测
技术。当
X
射线与被检物质相互作用时会发生散射
,
X
射线的反向散
射量是不同物质的特
征量
,
据此可以区分低
Z
物质和高
Z
物质
[4]
。
X
射线反向散射成像系统既提供标准的
X
射线成像
,
又提供反向散射
X
射线成像。
标准的
X
射线成像可以鉴定高
Z
物质
(
如金属
)
。
反向散射
X
射线成像能准确探测有机物质
(
低
Z)
如塑性
炸药。
通过比较这两种
图像就能鉴别出物质的成分。
4
.
1
.
5
其它成像技术
立体断层
X
射线成像技术。
这是一种基于
X
射线逐行扫描的三维
成像技术。
与
CT
技术相比
,
其优越性在于
:
CT
成像缺少数据并且需
要许多片段图像来进行图像重构。而该技术只需要通过一
对透射
图像间的几何关系就能再现三维图像数据。
介电泳成像技术。
该成像