隐藏爆炸物的检测

摘要：对于在手提箱、货物、邮件、车辆、飞机中的和个人随身携带的隐藏爆炸物的检测主要是一个分析问题，它要求灵敏度高和方法精确。本文叙述了发展成熟的或者正处于发展阶段的检测方法。

Abstract：The detection of hidden explosives in suitcases, cargo, mail, vehicles, aircraft, and on personnel is a major analytical problem that requires highly sensitive and specific methods for its solution. This article describes the methods that have been developed and those that are still in advanced stages of development.

        恐怖主义行为，如1988 年泛美航空航班103在苏格兰上空的坠毁，1995 年俄克拉荷马州城市的爆炸，1993 年和2001 年9 月11 日纽约世贸中心的爆炸等世界上一系列恐怖爆炸事件，使人们意识到了恐怖主义的存在。
        对于在手提箱、货物、邮件、车辆、飞机中的和个人随身携带的隐藏爆炸物的检测主要是一个分析问题，它要求灵敏度高和方法精确^[1,2]。

        已发展和正在发展的方法可以分为三类：

        （１）气体和痕量检测方法检测从爆炸物中挥发出来或者残留在容器表面典型的爆炸物成分。
        （２）本体检测方法穿透性射线和探测对象的特定成分相互作用，在探测器上产生特征信号。
        （３）集成装置结合两种以上相同或者不同类型的检测方法。一种技术的优点可以弥补另一种的不足，或者一种检测装置的缺点可以用另一种来弥补。

        当设计爆炸物的检测装置或者测试检测装置时，需要考虑以下重要参数。

        检测的可能性：一种特定的检测装置在特定的条件下能够检测到一定量的某种爆炸物的可能性。

        假阴性：在测试物中未能测试到爆炸物。

        虚假警报（ 假阳性）： 虽然没有爆炸物，但是在测试物品时检测器会发出有爆炸物的报警信号。

        错误报警频率：将非爆炸物当作爆炸物的频率。

        检查时间：完全检查行李、包裹或者个人所需的最少时间。

        大多数爆炸物可以分为三类：标准爆炸物、简易爆炸物、塑性爆炸物（见表1 ）^[3] 。

1 气体和痕量检测

        这类检测针对的是可用来检测的爆炸物的量很少的情况。这是由于某些爆炸物的蒸气压很低（见图1），或者包裹得很好的炸弹只会有少量微粒残留在容器外面。在检测前，必须将这些微粒充分收集；有时还需要进行预富集。

1.1 犬类检测

        狗和其它一些动物有高度灵敏的嗅觉系统。人们训练狗去嗅爆炸物或者爆炸物中的特定成分。用狗探测爆炸物具有显著优点。它们是运动的，可以检查较大的空间，如礼堂，或者一层一层地检查建筑物以确保没有爆炸物。但是，用狗探测爆炸物有一些问题，如随着时间的增长检测效率会降低；行为具有多变性；为了取得好的效果需要指定训练者；运行费用高。

1 . 2 离子迁移谱（IMS）

        IMS 包括进样系统、大气压离子源、离子-分子反应器、离子漂移谱和检测器。在反应器中产生的样品离子在电场下进入漂移区，并根据迁移速度不同而分离。离子迁移谱反映的是离子流和由离子质量决定迁移时间之间的关系。

1 . 3 质谱（MS）

        MS 包括样品进样系统、离子源、质量分析器和检测器。尽管离子源可以处在真空或者大气压的环境中，但是离子根据质荷比（m/z）的差异在质量分析仪中的分离必须在高真空的条件下进行。检测到的离子分离情况构成质谱图。一种化合物的质谱图是特定的，可以作为指纹图谱。可以用于爆炸物检测的质谱仪通常基于小型的四极杆或者离子阱质量分析仪。虽然质谱仪比IMS的特异性更好，但是IMS由于不需要真空系统，因此更简单、更小型化、更便宜。

1 . 4 电子鼻（微传感器）

        电子鼻是一种手持或者移动的装置，不仅可以模拟犬类识别爆炸物，而且弥补了犬类的缺点^[4,5]。电子鼻通常包括化学传感系统和模式识别系统，如人工神经网络。每种气体在传感系统中产生一个信号或者指纹。不同化学物质的传感信号构成了指纹库，由模式识别系统识别并鉴定每种指纹。

        （1）荧光聚合物传感器荧光聚合物被用作化学检测器。它可以与爆炸物中的含氮化合物反应，导致荧光强度下降。只有与被分析物质的分子直接发生作用的生色团才被淬灭，其它的生色团仍然发荧光。最基本的传感器^[6]（见图2 ）由荧光激发光源组成，比如蓝光发光二极管。光通过透镜和滤光片后，窄波长（430nm）的光束投射到涂在两片玻璃上的聚合物薄膜上。利用泵将气体样品带过涂有聚合物薄膜的玻片。如果气体样品中含有爆炸物，光电倍增检测器将检测到该气体样品光强降低，并触发报警。

        （2）微型机电系统（MEMS）悬臂检测系统这种系统基于具有可吸附爆炸物气体的涂层、经微机械加工的硅悬臂（几百微米长，一微米厚）。爆炸物气体受热后发生的微小膨胀能被光束检测到。通过扫描悬臂的温度，可以根据爆炸物的爆燃温度检测到不同种类的爆炸物。

        （3）表面波检测器（SAW）利用射频电场，在压电材料表面可产生并放大表面波。如果爆炸物气体作用到压电材料表面，爆炸物和表面波发生相互作用，会引起声波特征（振幅、相位等）的变化， 从而被检测器识别。

        （4）石英晶体微天平（QCM）QCM 主要由带有连接线和塑料涂层的石英晶体（可以被看作是弹簧质量）构成。当塑料涂层吸附化学物质（比如爆炸物）时，系统的质量会增加，振动频率会下降。这会被检测器识别到。

2 本体检测方法（射线探针法）

        本体检测方法适于蒸气压低的爆炸物及密封物体的检查。

2.1 X- 射线技术

        （1）双能量X- 射线分析用两种能量不同的射线可以测定目标材料的密度及原子序数。

        （2）背向散射X- 射线分析从两种以上的角度观察并显示物体：一种是透射影像，至少还有一种是康普顿背向散射影像^[7]（见图3）。

        （3）计算断层照相法（CT）从不同角度观察物体的断层，再组合成三维图。

        （4）X - 射线相干散射（X-射线衍射）X- 射线与材料的晶格结构相互作用，形成散射（或者衍射）图像。

2.2 毫米波成像

        毫米波成像借助高频无线电波形成高分辨率的人体三维成像。这种射线是非离子化的（即不会引起危险）。可以穿透布，能被人体、金属、特别是绝缘材料反射，因此它能检查到隐藏的爆炸物和其它武器。

2.3 太赫兹技术

        太赫兹的频率范围在100 GHz 和10 THz（1011 ~ 1013）之间，即在电磁波频谱的红外和微波频率之间（见图4）。太赫兹射线能穿透布、纸、手提包和包装材料。因为这种射线是安全的，所以可以用来扫描人体。因为不同爆炸物有独特的太赫兹吸收谱，所以它能区分不同的爆炸物和其他物质。

2.4 中子和γ射线技术

        （1）热中子激活（TNA） 当热中子照射含氮的爆炸物时侯，会产生同位素15N，并发射出特征γ射线。T NA 就是基于测定这种γ射线的分析技术。

        （2）脉冲快中子分析（PFNA）用快中子束轰击目标物（比如箱子）。通过测量产生的γ射线来检测爆炸物。这种系统主要基于元素O、N和C 元素比值的三维图。

        （3）脉冲快中子照相技术用快中子束轰击目标物，可根据发射的中子谱来检测爆炸物。

        （4）γ 射线核共振吸收（NRA）用加速器产生的γ 射线穿透扫描对象，γ 射线会被氮原子核吸收。检测到的γ射线量的显著下降表明可能存在爆炸物。

2 . 5 核四极矩共振（NQR）

        用低强度的射频脉冲（0.5~6MHz）来扫描目标物。14N 的原子核按电磁场方向定位。在去除脉冲射频后，原子核恢复到原来状态，并产生特征无线电信号。信号被接收后，利用计算机进行分离，从而可以对材料进行识别。

3 集成装置

        这种装置将两种技术集成到一种检测系统上。两种技术既可以是不同的本体检测技术，也可以是一种本体检测技术和一种痕量检测技术。可以同时检测，也可以两步检测，例如，同时进行NQR 和X 射线扫描成像，或者分别进行CT 和IMS 检测。

4 检测对象

        检测对象包括非随身携带的行李、手提包、人（入口处）、登机牌、货物和远程检测。在远程检测时传感器和感兴趣的目标间有一定的距离，例如检测地雷、混乱环境中的爆炸物、集装箱、飞机、卡车、汽车， 以及人体炸弹。

5 展望

        在现有的检测器中， 应当降低错误报警率。将爆炸物从目标物转移到痕量检测器的方法仍需改进。在本体检测中，爆炸物的检测限需要进一步降低。新一代的气体和痕量检测器应该要小、更便于携带、成本更低。而且，需要发展基于纳米技术的新型检测器。本体检测器需要基于新技术，并且能用于远程检测。

参考文献

1. Yinon, J. Forensic and Environmental Detection of Explosives. John Wiley & Sons:Chichester, U. K. , 1999.
2. Yinon, J. Field detection and monitoring of explosives. Trends Anal Chem 2002, 21, 292-301.
3. Yinon, J. ; Zitrin, S. Modern Methods and Applications in Analysis of Explosives. John Wiley & Sons: Chichester, U.K., 1993.
4. Yinon, J. Detection of explosives by electronic noses. Anal. Chem. 2003, 75, 99A-105A.
5. Gardner, J.W., Yinon, J., Eds. Electronic Noses & Sensors for the Detection of Explosives.NATO Science Series; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 2004.
6. Cumming, C.J.; Aker, C.; Fisher, M.; Fox, M.;la Grone, M.J.; Reust, D.; Rockley, M.G.;Swager, T.M.; Towers, E.; Williams, V. Using novel fluorescent polymers as sensory materials for above-ground sensing of chemical signature compounds emanating from buried landmines. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 2001, 39, 1119-28.
7. http://www.as-e.com/products_solutions/ z_backscatter_transmission.asp.