便携式爆炸物现场快速探测设备 IMS AY05-02炸药探测仪

介绍了IMS AY05-02型离子迁移谱炸药探测仪从原理、研制到设计的整个过程以及整机性能。探测仪能实现各种常见爆炸物样品的鉴定，响应速度快、探测灵敏、操作便捷，与国外同类型探测仪比较，本探测仪是一款值得推广和应用的现场快速探测设备。

关键词：

离子迁移谱 爆炸物探测

一、引言

恐怖主义活动的猖獗和国内外反恐形势的发展，对炸药（爆炸物）探测技术的要求越来越高，传统技术也在不断推陈出新。离子迁移谱IMS（IMS, IonMobilitySpectrometry）技术最早出现于20世纪60年代，进入20世纪90年代后该技术得到了更深入的研究，使得离子迁移谱探测仪器小巧实用、成本低廉，应用更为广泛，成为目前国际上缉毒、反恐及军事等领域用于痕量物质现场检测的主流装备。离子迁移谱分析技术是上世纪60年代末发展起来的一种微量化学分析检测技术，早期也称为等离子色谱（Plasma Chromatography）。该技术从根本上讲是大气环境的离子分离技术，它比色谱分离速度快，单周期测量耗时仅为毫秒级且不需真空支持。由于灵敏度高、便捷的优点，IMS技术在许多领域都有广泛应用，特别是在爆炸物、毒品和化学战剂(CWAs)等检测方面的应用已达到相当高的水平。

二、基本原理

IMS在原理上接近质谱技术，它是利用在环境气压下待检中性分子离化反应，生成的产物离子在电场中迁移率的差异来实现样品分离和鉴定。离子迁移谱仪工作时首先采集待测物质，使之进入离化区并生成产物离子，接着产物离子在电场的作用下通过离子门，并在电场迁移区迁移，最后到达法拉第盘转化为电信号。由于不同物质的迁移率具有唯一性，因而其迁移时间也具有唯一性，本设备通过精确测定离子在电场作用下离化产物的不同，其离子穿过固定距离的迁移时间，来认定被测可疑物质中是否具有某些特定化学成分的分子。

三、仪器的研制

便携式爆炸物探测仪在系统结构上包括四部分，即离子管、电路、气路、控制系统。

（一）离子迁移管的设计

离子迁移管是IMS爆炸物探测仪的核心部件，其性能好坏直接关系到仪器的灵敏度和分辨率。它主要由进样装置、离化区、离子门、迁移区、电荷收集器以及迁移管外围气路六个部分组成。要让离子迁移管正常工作并完成探测功能，必须有一套外围的控制电路和设备实现对工作过程的控制、信号的采集和数据的处理。

（二）气路的设计以及流量的定标在迁移管中，还需要引入尾吹气体。如图1所示，当离子在迁移区内漂移时，会与从迁移管尾部吹来气体发生碰撞，一方面可以把一些杂质从迁移管中去掉，另一方面可以阻止多余的中性样品分子进入迁移区后继续产生离化反应，避免因中性样品分子继续反应而导致谱线变宽，从气路中气体流量大小直接影响到仪器的检测灵敏度。流量的控制采用闭环模式，内置气泵推动载气体和迁移气体的循环，同时抽取从迁移管排出的气体作为补给气体。为了进行精确的气体流量控制，在仪器中通过测量气体的压力差来对流量进行调控，实时反馈管道中的气体流量信息。通过节流阀可实现不同的气体压差，定标后很容易能够得到气体流量的准确值。定标过程如图2所示，在气体回路里串联流量计，调节气泵到固定流量，再调整仪器放大器外围电路，使输出模拟量达到需要值。

（三）电路部分的设计

仪器的电路设计与控制包括迁移管温度控制、气泵控制、离子信号放大以及离子管的开关门和场强的控制。直接采用法拉第盘作为电荷收集器得到的信噪比很低，因此需对离子信号放大，并通过A/D转换传送给主控制模块进行分析。由法拉第盘上接收到的弱信号在时间轴上展开，就得到了离子迁移谱图，即为一幅理想化的离子信号图（如图1）。离子信号放大部分的硬件框图如图3所示，法拉第盘输出的弱信号通过预放电路完成由弱电流到电压的转化和放大，再经过A/D转换传送给主控制模块。预放电路必须提供足够的增益，以满足A/D的需要。电场的建立需要在迁移管各处加上平稳高压， 使迁移管内从离子门到法拉第盘形成从高到低的正或负的电势差。高压的平稳程度直接影响迁移速率和测试准确, 也影响门上的离子损失。

（四）控制模块的设计

CPU主控模块是探测仪的心脏部件（其组成框图如图4所示），主要完成以下三个任务：

1. 实时管理和监控系统中所有设备。系统需对大量设备进行实时控制，如离子管上温度的恒定控制、气路的流量控制，还包括系统中电源、整机电流、温度、按键操作等实时跟踪控制。2. 实现人机操作界面。CPU要完成大量菜单图形显示任务，并根据用户所下达的指令，完成相应的操作任务，同时将结果、状态显示于屏上。3. 完成对离子信号的采样、等离子图显示和计算分析任务。离子迁移谱的运行系统不仅要实时数据处理，还要对多个参数进行控制，单任务环境已不适应它的需求，必须采用多任务体制来提高系统的实时性。系统工作时，处理器承担着大量的计算分析任务，因此，要求处理器具有较高的性能（大于50MIPS），并内置一定容量的缓存。另外，由于处理器要与大量外接设备相连，要求它有丰富的片内资源，同时内置一些常见接口。为了保证系统的可靠性，提高开发效率，缩短开发周期，探测仪采用ARM9+DSP（OMAP5912）系统平台，在嵌入式处理器上运行嵌入式实时操作系统。

四、本设备与国外同类成果的比较

目前国内同类型的爆炸物痕量探测设备主要源于进口，对操作人员的要求较高、使用和维护不便。本科研成果以服务公安实战需求为宗旨，设备响应速度快、使用便捷、中文菜单显示，其探测灵敏度与国外进口设备相当；考虑到中国国情，除常见高能军事炸药，还把黑火药和硝酸铵也列入探测范围之内（探测性能指标比较见表1），同时还可根据用户需要增补或删减报警样本库。

五、产品推广情况

MS AY05-02便携式爆炸物现场快速探测设备自2008年验收以来，主要应用情况如下：2008年底，完成了第一次十套的小批量试生产。2009年5月，该仪器在北京举行的禁毒反恐警用装备展览会上展示。2009年11月，该仪器在上海举办的工业博览会上展示。进行第二次五套的小批量生产，其中四套爆炸物探测仪用于培训参加上海世博会安保的一线公安干警，一台设置了英文版的用户界面参加欧洲安防展览。2010年上海世博会期间，本专项支持完成的AY05-02炸药探测仪在上海世博会安全保卫工作中发挥极大作用。上海、浙江周边各道口使用该设备近50套，从2010年4月中旬正式投入使用至世博会结束，共查获烟花、爆竹等爆炸物532件。截止2011年12月底，基于本探测原理的便携式探测仪共销售183台/套。目前国内重点安检领域（如机场、重要会议场所等）的痕量爆炸物探测设备主要来自欧美国家的高昂进口产品，且售后技术服务手续繁琐，而国产IMS AY05-02几乎为同类进口探测仪售价的一半，且后期的设备维护成本和技术服务成本远小于同类进口仪器。因此，IMSAY05-02爆炸物探测仪的推广，可大大节约安检部门和公安机关采购此类探测仪的成本。

六、总结

通过世博专项的资金支持，研制的IMS AY05-02爆炸物探测仪具有自主知识产权，且各项性能指标基本与同类进口探测仪达到同等量级。爆炸物探测仪可配备于全国性的公共安全领域，尤其是人口密度大的大、中城市的防爆反恐安保领域（如全国大、中城市轨道交通中，人流量大且空间相对密闭的场所）。随着城市轨道交通的蓬勃兴起，全国反恐部门对该设备需求量巨大；且面对新形势下的维稳需要，防止突发性事件发生，爆炸物探测仪也可用于大型公共场所如火车站、港口、公交枢纽和大型展会等的爆炸物违禁品的查探，对公安机关大型保卫和日常检、控工作具有十分重要的现实作用。