隱藏爆炸物的檢測

摘要：對于在手提箱、貨物、郵件、車輛、飛機中的和個人隨身攜帶的隱藏爆炸物的檢測主要是一個分析問題，它要求靈敏度高和方法精確。本文敘述了發展成熟的或者正處于發展階段的檢測方法。

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.

        恐怖主義行為，如1988 年泛美航空航班103在蘇格蘭上空的墜毀，1995 年俄克拉荷馬州城市的爆炸，1993 年和2001 年9 月11 日紐約世貿中心的爆炸等世界上一系列恐怖爆炸事件，使人們意識到了恐怖主義的存在。
        對于在手提箱、貨物、郵件、車輛、飛機中的和個人隨身攜帶的隱藏爆炸物的檢測主要是一個分析問題，它要求靈敏度高和方法精確^[1,2]。

        已發展和正在發展的方法可以分為三類：

        （１）氣體和痕量檢測方法檢測從爆炸物中揮發出來或者殘留在容器表面典型的爆炸物成分。
        （２）本體檢測方法穿透性射線和探測對象的特定成分相互作用，在探測器上產生特征信號。
        （３）集成裝置結合兩種以上相同或者不同類型的檢測方法。一種技術的優點可以彌補另一種的不足，或者一種檢測裝置的缺點可以用另一種來彌補。

        當設計爆炸物的檢測裝置或者測試檢測裝置時，需要考慮以下重要參數。

        檢測的可能性：一種特定的檢測裝置在特定的條件下能夠檢測到一定量的某種爆炸物的可能性。

        假陰性：在測試物中未能測試到爆炸物。

        虛假警報（ 假陽性）： 雖然沒有爆炸物，但是在測試物品時檢測器會發出有爆炸物的報警信號。

        錯誤報警頻率：將非爆炸物當作爆炸物的頻率。

        檢查時間：完全檢查行李、包裹或者個人所需的最少時間。

        大多數爆炸物可以分為三類：標準爆炸物、簡易爆炸物、塑性爆炸物（見表1 ）^[3] 。

1 氣體和痕量檢測

        這類檢測針對的是可用來檢測的爆炸物的量很少的情況。這是由于某些爆炸物的蒸氣壓很低（見圖1），或者包裹得很好的炸彈只會有少量微粒殘留在容器外面。在檢測前，必須將這些微粒充分收集；有時還需要進行預富集。

1.1 犬類檢測

        狗和其它一些動物有高度靈敏的嗅覺系統。人們訓練狗去嗅爆炸物或者爆炸物中的特定成分。用狗探測爆炸物具有顯著優點。它們是運動的，可以檢查較大的空間，如禮堂，或者一層一層地檢查建筑物以確保沒有爆炸物。但是，用狗探測爆炸物有一些問題，如隨著時間的增長檢測效率會降低；行為具有多變性；為了取得好的效果需要指定訓練者；運行費用高。

1 . 2 離子遷移譜（IMS）

        IMS 包括進樣系統、大氣壓離子源、離子-分子反應器、離子漂移譜和檢測器。在反應器中產生的樣品離子在電場下進入漂移區，并根據遷移速度不同而分離。離子遷移譜反映的是離子流和由離子質量決定遷移時間之間的關系。

1 . 3 質譜（MS）

        MS 包括樣品進樣系統、離子源、質量分析器和檢測器。盡管離子源可以處在真空或者大氣壓的環境中，但是離子根據質荷比（m/z）的差異在質量分析儀中的分離必須在高真空的條件下進行。檢測到的離子分離情況構成質譜圖。一種化合物的質譜圖是特定的，可以作為指紋圖譜。可以用于爆炸物檢測的質譜儀通常基于小型的四極桿或者離子阱質量分析儀。雖然質譜儀比IMS的特異性更好，但是IMS由于不需要真空系統，因此更簡單、更小型化、更便宜。

1 . 4 電子鼻（微傳感器）

        電子鼻是一種手持或者移動的裝置，不僅可以模擬犬類識別爆炸物，而且彌補了犬類的缺點^[4,5]。電子鼻通常包括化學傳感系統和模式識別系統，如人工神經網絡。每種氣體在傳感系統中產生一個信號或者指紋。不同化學物質的傳感信號構成了指紋庫，由模式識別系統識別并鑒定每種指紋。

        （1）熒光聚合物傳感器熒光聚合物被用作化學檢測器。它可以與爆炸物中的含氮化合物反應，導致熒光強度下降。只有與被分析物質的分子直接發生作用的生色團才被淬滅，其它的生色團仍然發熒光。最基本的傳感器^[6]（見圖2 ）由熒光激發光源組成，比如藍光發光二極管。光通過透鏡和濾光片后，窄波長（430nm）的光束投射到涂在兩片玻璃上的聚合物薄膜上。利用泵將氣體樣品帶過涂有聚合物薄膜的玻片。如果氣體樣品中含有爆炸物，光電倍增檢測器將檢測到該氣體樣品光強降低，并觸發報警。

        （2）微型機電系統（MEMS）懸臂檢測系統這種系統基于具有可吸附爆炸物氣體的涂層、經微機械加工的硅懸臂（幾百微米長，一微米厚）。爆炸物氣體受熱后發生的微小膨脹能被光束檢測到。通過掃描懸臂的溫度，可以根據爆炸物的爆燃溫度檢測到不同種類的爆炸物。

        （3）表面波檢測器（SAW）利用射頻電場，在壓電材料表面可產生并放大表面波。如果爆炸物氣體作用到壓電材料表面，爆炸物和表面波發生相互作用，會引起聲波特征（振幅、相位等）的變化， 從而被檢測器識別。

        （4）石英晶體微天平（QCM）QCM 主要由帶有連接線和塑料涂層的石英晶體（可以被看作是彈簧質量）構成。當塑料涂層吸附化學物質（比如爆炸物）時，系統的質量會增加，振動頻率會下降。這會被檢測器識別到。

2 本體檢測方法（射線探針法）

        本體檢測方法適于蒸氣壓低的爆炸物及密封物體的檢查。

2.1 X- 射線技術

        （1）雙能量X- 射線分析用兩種能量不同的射線可以測定目標材料的密度及原子序數。

        （2）背向散射X- 射線分析從兩種以上的角度觀察并顯示物體：一種是透射影像，至少還有一種是康普頓背向散射影像^[7]（見圖3）。

        （3）計算斷層照相法（CT）從不同角度觀察物體的斷層，再組合成三維圖。

        （4）X - 射線相干散射（X-射線衍射）X- 射線與材料的晶格結構相互作用，形成散射（或者衍射）圖像。

2.2 毫米波成像

        毫米波成像借助高頻無線電波形成高分辨率的人體三維成像。這種射線是非離子化的（即不會引起危險）。可以穿透布，能被人體、金屬、特別是絕緣材料反射，因此它能檢查到隱藏的爆炸物和其它武器。

2.3 太赫茲技術

        太赫茲的頻率范圍在100 GHz 和10 THz（1011 ~ 1013）之間，即在電磁波頻譜的紅外和微波頻率之間（見圖4）。太赫茲射線能穿透布、紙、手提包和包裝材料。因為這種射線是安全的，所以可以用來掃描人體。因為不同爆炸物有獨特的太赫茲吸收譜，所以它能區分不同的爆炸物和其他物質。

2.4 中子和γ射線技術

        （1）熱中子激活（TNA） 當熱中子照射含氮的爆炸物時侯，會產生同位素15N，并發射出特征γ射線。T NA 就是基于測定這種γ射線的分析技術。

        （2）脈沖快中子分析（PFNA）用快中子束轟擊目標物（比如箱子）。通過測量產生的γ射線來檢測爆炸物。這種系統主要基于元素O、N和C 元素比值的三維圖。

        （3）脈沖快中子照相技術用快中子束轟擊目標物，可根據發射的中子譜來檢測爆炸物。

        （4）γ 射線核共振吸收（NRA）用加速器產生的γ 射線穿透掃描對象，γ 射線會被氮原子核吸收。檢測到的γ射線量的顯著下降表明可能存在爆炸物。

2 . 5 核四極矩共振（NQR）

        用低強度的射頻脈沖（0.5~6MHz）來掃描目標物。14N 的原子核按電磁場方向定位。在去除脈沖射頻后，原子核恢復到原來狀態，并產生特征無線電信號。信號被接收后，利用計算機進行分離，從而可以對材料進行識別。

3 集成裝置

        這種裝置將兩種技術集成到一種檢測系統上。兩種技術既可以是不同的本體檢測技術，也可以是一種本體檢測技術和一種痕量檢測技術。可以同時檢測，也可以兩步檢測，例如，同時進行NQR 和X 射線掃描成像，或者分別進行CT 和IMS 檢測。

4 檢測對象

        檢測對象包括非隨身攜帶的行李、手提包、人（入口處）、登機牌、貨物和遠程檢測。在遠程檢測時傳感器和感興趣的目標間有一定的距離，例如檢測地雷、混亂環境中的爆炸物、集裝箱、飛機、卡車、汽車， 以及人體炸彈。

5 展望

        在現有的檢測器中， 應當降低錯誤報警率。將爆炸物從目標物轉移到痕量檢測器的方法仍需改進。在本體檢測中，爆炸物的檢測限需要進一步降低。新一代的氣體和痕量檢測器應該要小、更便于攜帶、成本更低。而且，需要發展基于納米技術的新型檢測器。本體檢測器需要基于新技術，并且能用于遠程檢測。

參考文獻

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.