浅谈爆炸物探测技术
更新时间：2018-10-17 18:46 作者：安检设备
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。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。
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GCöIMS 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, 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(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, 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GC联用来识别炸药种类。根据分子在GC 中不同的滞留时间, GCöSAW 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。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是目前Mistral 安全公司生产的一种手持式Expray 野外检测工具箱, 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, 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, 散射光的波长可长于或短于照射光的波长。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。
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(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 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) , 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。该成像技术使用低能微波照射物体, 测量物体的电介质和损失系数, 物体的介电性能与其物理、化学性质有关。该系统将测得的电介质与已知的电介质(如人体电介质) 相比较从而辨别出异常区域。低能X 射线反散射成像技术。该技术利用低能X 射线反向散射来检查人体和找出藏在人体上的炸药等违禁物品。
4. 2 C射线成像技术
C射线成像技术的基本原理与X 射线相似, 由于C射线的穿透力更强, 照射在被检物上时生成的图像质量更好。目前国外研制了一种名为“车辆与集装箱检查系统”(VACIS ) 的C射线探测系统, 据称,该系统可以探测到集装箱中的汽车[1,4] 。
4. 3 核四极矩共振(NQR)
NQR 是一种新兴的爆炸物探测技术。原子核总是处于周围带电粒子所形成的电磁场中, 如果电场梯度不为零, 原子核的四极体(相应于原子核体积中具有对称轴的旋转椭球体部分) 与电场相互作用而呈现一定的电四极矩, 电四极矩的存在, 使得原子核具有相应的能量, 表现为一系列分立的能级。如果从外部施加一射频场, 原子核就会发生能级跃迁, 即发生原子核电四极矩共振。产生共振的条件满足下列方程式:
$E = hv 0
式中$E ——原子核能级的能量之差;
h ——普朗克常量;
v0 ——共振吸收的频率。
由于原子核周围的电场是由其周围的带电粒子所决定的, 故不仅不同原子核的电四极矩共振频率不同, 即使同一种原子核处在不同的分子中时, 也会因分子内部结构的不同而使得电四极矩共振频率不同。可见, 一旦检测到电四极矩共振信号, 则不但可以判定是哪种原子核, 而且可以判定是哪种分子, 核四极矩共振技术的这一特性使其应用到炸药探测中成为可能[6]。由表1 可见, 炸药富含氮。氮原子核呈椭球形, 电四极矩不为零, 可作为炸药的一种特征成分对其进行探测。美国的量子磁公司运用核四极矩共振技术研制出了NQR 500 中子探测系统(图5) ,现在主要用于机场检测行李、包裹等大型物体。
表1 几种常见炸药中N 的百分含量
4. 4 中子技术
20 世纪70 年代末, 国外就开始了中子技术探测爆炸物方面的研究。目前已经探索出的技术方案主要有热中子法、快中子法、脉冲快中子法、脉冲快中子与热中子结合的方法等[1,4,7] 。
4. 4. 1 热中子法(TNA)
炸药富含氮, 由放射源产生的热中子撞击氮的原子核, 发生热中子俘获反应:
n+ 14N-15N·-15N +10.8 MeV γ
反应首先产生不稳定的15N·, 15N·衰变成15N时将辐射出一种能量为10.8MeV 的C射线。这个10.8MeV 的C射线就表征了被检物中14N 的存在。在一定强度的热中子照射下, C射线的强度与物品中氮的含量成正比[3]。C射线能谱仪通过探测这种C射线的强度和能量就可以推测被检物中氮的含量,从而判断是否存在爆炸物。
4. 4. 2 快中子法(FNA)
与TNA 技术相似, 不同的是FNA 使用高能快速中子, 高能快速中子与被测物的N、C 和O 三种元素都能发生非弹性散射:
n+ 14N 14N + n’+5.11 MeVγ
n+ 12C 12C+ n’+4.43 MeVγ
n+ 16O 16O+ n’+6.13 MeVγ
通过测量这三种元素的特征C射线, 从而确定物品中C、N 和O 三种元素的含量, 所以FNA 比TNA 技术具有更强的识别能力。
4. 4. 3 脉冲快速中子法(PFNA)
PFNA 是FNA 技术的发展, 它采用准直脉冲中子源对被检物进行扫描, 充分利用快慢C射线的时间差来降低本底。脉冲快中子与C、O、H、N 四种原子核都能相互作用, 释放出特征C射线。如果脉冲时间达到ns 级且中子源单色性好时, 通过引入飞行时间技术, 可以确定出这四种元素在被检物中的空间分布[1,6] , 如图6 所示。这种方法具有较高的空间分辨本领和较强的识别能力, 但是需要解决高速准直的脉冲中子源等问题, 目前正处于研究阶段[2,4,7] 。
4. 4. 4 脉冲快速/热中子法(PFTNA)
该技术同时结合PFNA 和TNA 两种技术的优点。由氘氚脉冲中子管产生的Ls 级脉冲快中子与热中子同时照射被检物, 脉冲快中子与C、O 发生非弹性散射, 从而确定出物品中C 和O 的含量; 然后,中子被慢化, 热中子与N、H 继续发生俘获反应, 这样就得到物品中N和H 的含量[8,9] 。根据物品中C、N、O 和H 四种元素的含量比就可以识别爆炸物,因为常见炸药的元素含量比具有唯一性(表2)。基于该方法,SAIC 公司生产了一种名为PELAN 的中子探测系统, 见图7。
表2 几种常见炸药的元素含量比
元素相对含量比
[C ]/[O ] [H ]/[N ] [C ]/[N ] [O ]/[N ] [C ]/[H ]
梯恩梯 0.876 0.120 2.000 2.284 16.648
黑索今 0.375 0.072 0.429 1.142 5.946
奥克托今 0.375 0.072 0.429 1.142 5.946
太安 0.313 0.144 0.536 3.426 7.432
硝酸铵 - 0.144 - 1.713 -
硝化甘油 0.250 0.120 0.514 3.426 7.135
特屈儿 0.657 0.072 1.200 1.827 16.648
5 各种探测技术存在的问题及发展趋势研究
5. 1 各种探测技术在实施时存在的问题
微量炸药探测的技术简单, 但要以收集蒸气或残留的固体颗粒为前提, 对于那些不易挥发或封装严密的炸药就不适用了。如质谱分析技术, 检测微粒的分子量, 因而探测的灵敏度及可靠性均较高, 但这仅限于那些容易沾染的物质, 对于挥发性差的RDX、PETN 等炸药就不可靠。相比之下, 块体炸药探测技术对采样的依赖性小, 并且不受背景的影响, 但该技术也有缺陷。X 射线成像是目前最常见的探测技术, 它是根据被测物体的密度大小来判断的。虽然有的仪器还附加上原子序数等信息以进一步提高准确率, 但密度和原子序数不能唯一地表征炸药。在实际使用时, 对无害物品的频繁误报是它的一个主要缺点。中子技术主要是根据炸药含氮丰富的特点来判断炸药的存在, 由于其敏感的只是氮的含量, 而与氮所处的化学环境无关, 即使加上空间分辨技术, 也容易产生误报。
5. 2 探测技术和探测设备的发展趋势
从探测技术上看, 其发展趋势一方面是由单一探测技术向复合探测技术方向发展; 另一方面是探索研究更高新的核物理技术, 由对单元素的分析转向对多元素的分析。相应的探测设备改进时, 一是将几种不同的探测技术揉合在一个系统里, 克服单一技术探测的不足; 其次要研制小型便携、无须接触、灵敏度高的新型探测设备。
6 结束语
爆炸物探测与识别技术在国外已经有深入的研究, 许多探测设备已经面世, 但仍有缺陷。由于每种技术设备均有特定的使用环境和针对性, 因此要准确无误地探测与识别爆炸物仍是值得长期研究的题。
[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
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。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。
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GCöIMS 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, 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(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, 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GC联用来识别炸药种类。根据分子在GC 中不同的滞留时间, GCöSAW 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。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是目前Mistral 安全公司生产的一种手持式Expray 野外检测工具箱, 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, 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, 散射光的波长可长于或短于照射光的波长。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。
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(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 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) , 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。该成像技术使用低能微波照射物体, 测量物体的电介质和损失系数, 物体的介电性能与其物理、化学性质有关。该系统将测得的电介质与已知的电介质(如人体电介质) 相比较从而辨别出异常区域。低能X 射线反散射成像技术。该技术利用低能X 射线反向散射来检查人体和找出藏在人体上的炸药等违禁物品。
4. 2 C射线成像技术
C射线成像技术的基本原理与X 射线相似, 由于C射线的穿透力更强, 照射在被检物上时生成的图像质量更好。目前国外研制了一种名为“车辆与集装箱检查系统”(VACIS ) 的C射线探测系统, 据称,该系统可以探测到集装箱中的汽车[1,4] 。
4. 3 核四极矩共振(NQR)
NQR 是一种新兴的爆炸物探测技术。原子核总是处于周围带电粒子所形成的电磁场中, 如果电场梯度不为零, 原子核的四极体(相应于原子核体积中具有对称轴的旋转椭球体部分) 与电场相互作用而呈现一定的电四极矩, 电四极矩的存在, 使得原子核具有相应的能量, 表现为一系列分立的能级。如果从外部施加一射频场, 原子核就会发生能级跃迁, 即发生原子核电四极矩共振。产生共振的条件满足下列方程式:
$E = hv 0
式中$E ——原子核能级的能量之差;
h ——普朗克常量;
v0 ——共振吸收的频率。
由于原子核周围的电场是由其周围的带电粒子所决定的, 故不仅不同原子核的电四极矩共振频率不同, 即使同一种原子核处在不同的分子中时, 也会因分子内部结构的不同而使得电四极矩共振频率不同。可见, 一旦检测到电四极矩共振信号, 则不但可以判定是哪种原子核, 而且可以判定是哪种分子, 核四极矩共振技术的这一特性使其应用到炸药探测中成为可能[6]。由表1 可见, 炸药富含氮。氮原子核呈椭球形, 电四极矩不为零, 可作为炸药的一种特征成分对其进行探测。美国的量子磁公司运用核四极矩共振技术研制出了NQR 500 中子探测系统(图5) ,现在主要用于机场检测行李、包裹等大型物体。
表1 几种常见炸药中N 的百分含量
| 名称 | 分子式N | 的百分含量ö% |
| TNT | C7H5N3O6 | 18.503 |
| 黑索今 | C3H6N6O6 | 37.839 |
| 奥克托今 | C5H8N4O12 | 37.839 |
| 太安 | C4H8N8O8 | 17.725 |
| 硝酸铵 | H4N2O3 | 34.999 |
| 硝化甘油 | C7H5N5O8 | 18.506 |
| 特屈儿 | C3H5N3O9 | 24.393 |
20 世纪70 年代末, 国外就开始了中子技术探测爆炸物方面的研究。目前已经探索出的技术方案主要有热中子法、快中子法、脉冲快中子法、脉冲快中子与热中子结合的方法等[1,4,7] 。
4. 4. 1 热中子法(TNA)
炸药富含氮, 由放射源产生的热中子撞击氮的原子核, 发生热中子俘获反应:
n+ 14N-15N·-15N +10.8 MeV γ
反应首先产生不稳定的15N·, 15N·衰变成15N时将辐射出一种能量为10.8MeV 的C射线。这个10.8MeV 的C射线就表征了被检物中14N 的存在。在一定强度的热中子照射下, C射线的强度与物品中氮的含量成正比[3]。C射线能谱仪通过探测这种C射线的强度和能量就可以推测被检物中氮的含量,从而判断是否存在爆炸物。
4. 4. 2 快中子法(FNA)
与TNA 技术相似, 不同的是FNA 使用高能快速中子, 高能快速中子与被测物的N、C 和O 三种元素都能发生非弹性散射:
n+ 14N 14N + n’+5.11 MeVγ
n+ 12C 12C+ n’+4.43 MeVγ
n+ 16O 16O+ n’+6.13 MeVγ
通过测量这三种元素的特征C射线, 从而确定物品中C、N 和O 三种元素的含量, 所以FNA 比TNA 技术具有更强的识别能力。
4. 4. 3 脉冲快速中子法(PFNA)
PFNA 是FNA 技术的发展, 它采用准直脉冲中子源对被检物进行扫描, 充分利用快慢C射线的时间差来降低本底。脉冲快中子与C、O、H、N 四种原子核都能相互作用, 释放出特征C射线。如果脉冲时间达到ns 级且中子源单色性好时, 通过引入飞行时间技术, 可以确定出这四种元素在被检物中的空间分布[1,6] , 如图6 所示。这种方法具有较高的空间分辨本领和较强的识别能力, 但是需要解决高速准直的脉冲中子源等问题, 目前正处于研究阶段[2,4,7] 。
4. 4. 4 脉冲快速/热中子法(PFTNA)
该技术同时结合PFNA 和TNA 两种技术的优点。由氘氚脉冲中子管产生的Ls 级脉冲快中子与热中子同时照射被检物, 脉冲快中子与C、O 发生非弹性散射, 从而确定出物品中C 和O 的含量; 然后,中子被慢化, 热中子与N、H 继续发生俘获反应, 这样就得到物品中N和H 的含量[8,9] 。根据物品中C、N、O 和H 四种元素的含量比就可以识别爆炸物,因为常见炸药的元素含量比具有唯一性(表2)。基于该方法,SAIC 公司生产了一种名为PELAN 的中子探测系统, 见图7。
表2 几种常见炸药的元素含量比
元素相对含量比
[C ]/[O ] [H ]/[N ] [C ]/[N ] [O ]/[N ] [C ]/[H ]
梯恩梯 0.876 0.120 2.000 2.284 16.648
黑索今 0.375 0.072 0.429 1.142 5.946
奥克托今 0.375 0.072 0.429 1.142 5.946
太安 0.313 0.144 0.536 3.426 7.432
硝酸铵 - 0.144 - 1.713 -
硝化甘油 0.250 0.120 0.514 3.426 7.135
特屈儿 0.657 0.072 1.200 1.827 16.648
5 各种探测技术存在的问题及发展趋势研究
5. 1 各种探测技术在实施时存在的问题
微量炸药探测的技术简单, 但要以收集蒸气或残留的固体颗粒为前提, 对于那些不易挥发或封装严密的炸药就不适用了。如质谱分析技术, 检测微粒的分子量, 因而探测的灵敏度及可靠性均较高, 但这仅限于那些容易沾染的物质, 对于挥发性差的RDX、PETN 等炸药就不可靠。相比之下, 块体炸药探测技术对采样的依赖性小, 并且不受背景的影响, 但该技术也有缺陷。X 射线成像是目前最常见的探测技术, 它是根据被测物体的密度大小来判断的。虽然有的仪器还附加上原子序数等信息以进一步提高准确率, 但密度和原子序数不能唯一地表征炸药。在实际使用时, 对无害物品的频繁误报是它的一个主要缺点。中子技术主要是根据炸药含氮丰富的特点来判断炸药的存在, 由于其敏感的只是氮的含量, 而与氮所处的化学环境无关, 即使加上空间分辨技术, 也容易产生误报。
5. 2 探测技术和探测设备的发展趋势
从探测技术上看, 其发展趋势一方面是由单一探测技术向复合探测技术方向发展; 另一方面是探索研究更高新的核物理技术, 由对单元素的分析转向对多元素的分析。相应的探测设备改进时, 一是将几种不同的探测技术揉合在一个系统里, 克服单一技术探测的不足; 其次要研制小型便携、无须接触、灵敏度高的新型探测设备。
6 结束语
爆炸物探测与识别技术在国外已经有深入的研究, 许多探测设备已经面世, 但仍有缺陷。由于每种技术设备均有特定的使用环境和针对性, 因此要准确无误地探测与识别爆炸物仍是值得长期研究的题。
