介紹了IMS AY05-02型離子遷移譜炸藥探測(cè)儀從原理,、研制到設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程以及整機(jī)性能。探測(cè)儀能實(shí)現(xiàn)各種常見(jiàn)爆炸物樣品的鑒定,，響應(yīng)速度快,、探測(cè)靈敏,、操作便捷，與國(guó)外同類型探測(cè)儀比較,，本探測(cè)儀是一款值得推廣和應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)快速探測(cè)設(shè)備,。

關(guān)鍵詞：

離子遷移譜 爆炸物探測(cè)

一、引言

恐怖主義活動(dòng)的猖獗和國(guó)內(nèi)外反恐形勢(shì)的發(fā)展,，對(duì)炸藥（爆炸物）探測(cè)技術(shù)的要求越來(lái)越高,，傳統(tǒng)技術(shù)也在不斷推陳出新。離子遷移譜IMS（IMS, IonMobilitySpectrometry）技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后該技術(shù)得到了更深入的研究,，使得離子遷移譜探測(cè)儀器小巧實(shí)用、成本低廉,，應(yīng)用更為廣泛,，成為目前國(guó)際上緝毒,、反恐及軍事等領(lǐng)域用于痕量物質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的主流裝備。離子遷移譜分析技術(shù)是上世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的一種微量化學(xué)分析檢測(cè)技術(shù),，早期也稱為等離子色譜（Plasma Chromatography）,。該技術(shù)從根本上講是大氣環(huán)境的離子分離技術(shù)，它比色譜分離速度快,，單周期測(cè)量耗時(shí)僅為毫秒級(jí)且不需真空支持,。由于靈敏度高、便捷的優(yōu)點(diǎn),，IMS技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,，特別是在爆炸物、毒品和化學(xué)戰(zhàn)劑(CWAs)等檢測(cè)方面的應(yīng)用已達(dá)到相當(dāng)高的水平,。

二,、基本原理

IMS在原理上接近質(zhì)譜技術(shù)，它是利用在環(huán)境氣壓下待檢中性分子離化反應(yīng),，生成的產(chǎn)物離子在電場(chǎng)中遷移率的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品分離和鑒定,。離子遷移譜儀工作時(shí)首先采集待測(cè)物質(zhì)，使之進(jìn)入離化區(qū)并生成產(chǎn)物離子,，接著產(chǎn)物離子在電場(chǎng)的作用下通過(guò)離子門,，并在電場(chǎng)遷移區(qū)遷移，最后到達(dá)法拉第盤轉(zhuǎn)化為電信號(hào),。由于不同物質(zhì)的遷移率具有唯一性,，因而其遷移時(shí)間也具有唯一性，本設(shè)備通過(guò)精確測(cè)定離子在電場(chǎng)作用下離化產(chǎn)物的不同,，其離子穿過(guò)固定距離的遷移時(shí)間,，來(lái)認(rèn)定被測(cè)可疑物質(zhì)中是否具有某些特定化學(xué)成分的分子。

三,、儀器的研制

便攜式爆炸物探測(cè)儀在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括四部分,，即離子管、電路,、氣路,、控制系統(tǒng)。

（一）離子遷移管的設(shè)計(jì)

離子遷移管是IMS爆炸物探測(cè)儀的核心部件,，其性能好壞直接關(guān)系到儀器的靈敏度和分辨率,。它主要由進(jìn)樣裝置、離化區(qū),、離子門,、遷移區(qū),、電荷收集器以及遷移管外圍氣路六個(gè)部分組成,。要讓離子遷移管正常工作并完成探測(cè)功能，必須有一套外圍的控制電路和設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)工作過(guò)程的控制、信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的處理,。

（二）氣路的設(shè)計(jì)以及流量的定標(biāo)在遷移管中,，還需要引入尾吹氣體。如圖1所示,，當(dāng)離子在遷移區(qū)內(nèi)漂移時(shí),，會(huì)與從遷移管尾部吹來(lái)氣體發(fā)生碰撞，一方面可以把一些雜質(zhì)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(jìn)入遷移區(qū)后繼續(xù)產(chǎn)生離化反應(yīng),，避免因中性樣品分子繼續(xù)反應(yīng)而導(dǎo)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(cè)靈敏度,。流量的控制采用閉環(huán)模式,，內(nèi)置氣泵推動(dòng)載氣體和遷移氣體的循環(huán)，同時(shí)抽取從遷移管排出的氣體作為補(bǔ)給氣體,。為了進(jìn)行精確的氣體流量控制,，在儀器中通過(guò)測(cè)量氣體的壓力差來(lái)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)控，實(shí)時(shí)反饋管道中的氣體流量信息,。通過(guò)節(jié)流閥可實(shí)現(xiàn)不同的氣體壓差,，定標(biāo)后很容易能夠得到氣體流量的準(zhǔn)確值。定標(biāo)過(guò)程如圖2所示,，在氣體回路里串聯(lián)流量計(jì),，調(diào)節(jié)氣泵到固定流量，再調(diào)整儀器放大器外圍電路,，使輸出模擬量達(dá)到需要值,。

（三）電路部分的設(shè)計(jì)

儀器的電路設(shè)計(jì)與控制包括遷移管溫度控制、氣泵控制,、離子信號(hào)放大以及離子管的開(kāi)關(guān)門和場(chǎng)強(qiáng)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(duì)離子信號(hào)放大,，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳送給主控制模塊進(jìn)行分析,。由法拉第盤上接收到的弱信號(hào)在時(shí)間軸上展開(kāi)，就得到了離子遷移譜圖,，即為一幅理想化的離子信號(hào)圖（如圖1）,。離子信號(hào)放大部分的硬件框圖如圖3所示，法拉第盤輸出的弱信號(hào)通過(guò)預(yù)放電路完成由弱電流到電壓的轉(zhuǎn)化和放大,，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳送給主控制模塊,。預(yù)放電路必須提供足夠的增益，以滿足A/D的需要,。電場(chǎng)的建立需要在遷移管各處加上平穩(wěn)高壓,， 使遷移管內(nèi)從離子門到法拉第盤形成從高到低的正或負(fù)的電勢(shì)差,。高壓的平穩(wěn)程度直接影響遷移速率和測(cè)試準(zhǔn)確, 也影響門上的離子損失。

（四）控制模塊的設(shè)計(jì)

CPU主控模塊是探測(cè)儀的心臟部件（其組成框圖如圖4所示）,，主要完成以下三個(gè)任務(wù)：

1. 實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備,。系統(tǒng)需對(duì)大量設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)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(tǒng)中電源、整機(jī)電流,、溫度,、按鍵操作等實(shí)時(shí)跟蹤控制。2. 實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作界面,。CPU要完成大量菜單圖形顯示任務(wù),，并根據(jù)用戶所下達(dá)的指令，完成相應(yīng)的操作任務(wù),，同時(shí)將結(jié)果,、狀態(tài)顯示于屏上。3. 完成對(duì)離子信號(hào)的采樣,、等離子圖顯示和計(jì)算分析任務(wù),。離子遷移譜的運(yùn)行系統(tǒng)不僅要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，還要對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制,，單任務(wù)環(huán)境已不適應(yīng)它的需求,，必須采用多任務(wù)體制來(lái)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)工作時(shí),，處理器承擔(dān)著大量的計(jì)算分析任務(wù),，因此，要求處理器具有較高的性能（大于50MIPS）,，并內(nèi)置一定容量的緩存,。另外，由于處理器要與大量外接設(shè)備相連,，要求它有豐富的片內(nèi)資源,，同時(shí)內(nèi)置一些常見(jiàn)接口。為了保證系統(tǒng)的可靠性,，提高開(kāi)發(fā)效率,，縮短開(kāi)發(fā)周期，探測(cè)儀采用ARM9+DSP（OMAP5912）系統(tǒng)平臺(tái),，在嵌入式處理器上運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),。

四、本設(shè)備與國(guó)外同類成果的比較

目前國(guó)內(nèi)同類型的爆炸物痕量探測(cè)設(shè)備主要源于進(jìn)口,，對(duì)操作人員的要求較高,、使用和維護(hù)不便,。本科研成果以服務(wù)公安實(shí)戰(zhàn)需求為宗旨，設(shè)備響應(yīng)速度快,、使用便捷,、中文菜單顯示,，其探測(cè)靈敏度與國(guó)外進(jìn)口設(shè)備相當(dāng),；考慮到中國(guó)國(guó)情，除常見(jiàn)高能軍事炸藥,，還把黑火藥和硝酸銨也列入探測(cè)范圍之內(nèi)（探測(cè)性能指標(biāo)比較見(jiàn)表1）,，同時(shí)還可根據(jù)用戶需要增補(bǔ)或刪減報(bào)警樣本庫(kù)。

五,、產(chǎn)品推廣情況

MS AY05-02便攜式爆炸物現(xiàn)場(chǎng)快速探測(cè)設(shè)備自2008年驗(yàn)收以來(lái),，主要應(yīng)用情況如下：2008年底，完成了第一次十套的小批量試生產(chǎn),。2009年5月,，該儀器在北京舉行的禁毒反恐警用裝備展覽會(huì)上展示。2009年11月,，該儀器在上海舉辦的工業(yè)博覽會(huì)上展示,。進(jìn)行第二次五套的小批量生產(chǎn)，其中四套爆炸物探測(cè)儀用于培訓(xùn)參加上海世博會(huì)安保的一線公安干警,，一臺(tái)設(shè)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(huì)期間，本專項(xiàng)支持完成的AY05-02炸藥探測(cè)儀在上海世博會(huì)安全保衛(wèi)工作中發(fā)揮極大作用,。上海,、浙江周邊各道口使用該設(shè)備近50套，從2010年4月中旬正式投入使用至世博會(huì)結(jié)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(cè)原理的便攜式探測(cè)儀共銷售183臺(tái)/套,。目前國(guó)內(nèi)重點(diǎn)安檢領(lǐng)域（如機(jī)場(chǎng)、重要會(huì)議場(chǎng)所等）的痕量爆炸物探測(cè)設(shè)備主要來(lái)自歐美國(guó)家的高昂進(jìn)口產(chǎn)品,，且售后技術(shù)服務(wù)手續(xù)繁瑣,，而國(guó)產(chǎn)IMS AY05-02幾乎為同類進(jìn)口探測(cè)儀售價(jià)的一半，且后期的設(shè)備維護(hù)成本和技術(shù)服務(wù)成本遠(yuǎn)小于同類進(jìn)口儀器,。因此,，IMSAY05-02爆炸物探測(cè)儀的推廣，可大大節(jié)約安檢部門和公安機(jī)關(guān)采購(gòu)此類探測(cè)儀的成本,。

六,、總結(jié)

通過(guò)世博專項(xiàng)的資金支持,，研制的IMS AY05-02爆炸物探測(cè)儀具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且各項(xiàng)性能指標(biāo)基本與同類進(jìn)口探測(cè)儀達(dá)到同等量級(jí),。爆炸物探測(cè)儀可配備于全國(guó)性的公共安全領(lǐng)域,，尤其是人口密度大的大、中城市的防爆反恐安保領(lǐng)域（如全國(guó)大,、中城市軌道交通中,，人流量大且空間相對(duì)密閉的場(chǎng)所）。隨著城市軌道交通的蓬勃興起,，全國(guó)反恐部門對(duì)該設(shè)備需求量巨大,；且面對(duì)新形勢(shì)下的維穩(wěn)需要，防止突發(fā)性事件發(fā)生,，爆炸物探測(cè)儀也可用于大型公共場(chǎng)所如火車站,、港口、公交樞紐和大型展會(huì)等的爆炸物違禁品的查探,，對(duì)公安機(jī)關(guān)大型保衛(wèi)和日常檢,、控工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)作用。