便攜式爆炸物現場快速探測設備 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、研制到設計的整個過程以及整機性能。探測儀能實現各種常見爆炸物樣品的鑒定，響應速度快、探測靈敏、操作便捷，與國外同類型探測儀比較，本探測儀是一款值得推廣和應用的現場快速探測設備。

關鍵詞：

離子遷移譜 爆炸物探測

一、引言

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

二、基本原理

IMS在原理上接近質譜技術，它是利用在環境氣壓下待檢中性分子離化反應，生成的產物離子在電場中遷移率的差異來實現樣品分離和鑒定。離子遷移譜儀工作時首先采集待測物質，使之進入離化區并生成產物離子，接著產物離子在電場的作用下通過離子門，并在電場遷移區遷移，最后到達法拉第盤轉化為電信號。由于不同物質的遷移率具有唯一性，因而其遷移時間也具有唯一性，本設備通過精確測定離子在電場作用下離化產物的不同，其離子穿過固定距離的遷移時間，來認定被測可疑物質中是否具有某些特定化學成分的分子。

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，其性能好壞直接關系到儀器的靈敏度和分辨率。它主要由進樣裝置、離化區、離子門、遷移區、電荷收集器以及遷移管外圍氣路六個部分組成。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現對工作過程的控制、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，會與從遷移管尾部吹來氣體發生碰撞，一方面可以把一些雜質從遷移管中去掉，另一方面可以阻止多余的中性樣品分子進入遷移區后繼續產生離化反應，避免因中性樣品分子繼續反應而導致譜線變寬，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模式，內置氣泵推動載氣體和遷移氣體的循環，同時抽取從遷移管排出的氣體作為補給氣體。為了進行精確的氣體流量控制，在儀器中通過測量氣體的壓力差來對流量進行調控，實時反饋管道中的氣體流量信息。通過節流閥可實現不同的氣體壓差，定標后很容易能夠得到氣體流量的準確值。定標過程如圖2所示，在氣體回路里串聯流量計，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關門和場強的控制。直接采用法拉第盤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A/D轉換傳送給主控制模塊進行分析。由法拉第盤上接收到的弱信號在時間軸上展開，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，法拉第盤輸出的弱信號通過預放電路完成由弱電流到電壓的轉化和放大，再經過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，以滿足A/D的需要。電場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到法拉第盤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），主要完成以下三個任務：

1. 實時管理和監控系統中所有設備。系統需對大量設備進行實時控制，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、按鍵操作等實時跟蹤控制。2. 實現人機操作界面。CPU要完成大量菜單圖形顯示任務，并根據用戶所下達的指令，完成相應的操作任務，同時將結果、狀態顯示于屏上。3. 完成對離子信號的采樣、等離子圖顯示和計算分析任務。離子遷移譜的運行系統不僅要實時數據處理，還要對多個參數進行控制，單任務環境已不適應它的需求，必須采用多任務體制來提高系統的實時性。系統工作時，處理器承擔著大量的計算分析任務，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，同時內置一些常見接口。為了保證系統的可靠性，提高開發效率，縮短開發周期，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時操作系統。

四、本設備與國外同類成果的比較

目前國內同類型的爆炸物痕量探測設備主要源于進口，對操作人員的要求較高、使用和維護不便。本科研成果以服務公安實戰需求為宗旨，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口設備相當；考慮到中國國情，除常見高能軍事炸藥，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表1），同時還可根據用戶需要增補或刪減報警樣本庫。

五、產品推廣情況

MS AY05-02便攜式爆炸物現場快速探測設備自2008年驗收以來，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。2009年5月，該儀器在北京舉行的禁毒反恐警用裝備展覽會上展示。2009年11月，該儀器在上海舉辦的工業博覽會上展示。進行第二次五套的小批量生產，其中四套爆炸物探測儀用于培訓參加上海世博會安保的一線公安干警，一臺設置了英文版的用戶界面參加歐洲安防展覽。2010年上海世博會期間，本專項支持完成的AY05-02炸藥探測儀在上海世博會安全保衛工作中發揮極大作用。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售183臺/套。目前國內重點安檢領域（如機場、重要會議場所等）的痕量爆炸物探測設備主要來自歐美國家的高昂進口產品，且售后技術服務手續繁瑣，而國產IMS AY05-02幾乎為同類進口探測儀售價的一半，且后期的設備維護成本和技術服務成本遠小于同類進口儀器。因此，IMSAY05-02爆炸物探測儀的推廣，可大大節約安檢部門和公安機關采購此類探測儀的成本。

六、總結

通過世博專項的資金支持，研制的IMS AY05-02爆炸物探測儀具有自主知識產權，且各項性能指標基本與同類進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域，尤其是人口密度大的大、中城市的防爆反恐安保領域（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所）。隨著城市軌道交通的蓬勃興起，全國反恐部門對該設備需求量巨大；且面對新形勢下的維穩需要，防止突發性事件發生，爆炸物探測儀也可用于大型公共場所如火車站、港口、公交樞紐和大型展會等的爆炸物違禁品的查探，對公安機關大型保衛和日常檢、控工作具有十分重要的現實作用。