介紹了IMS AY05-02型離子遷移譜炸藥探測儀從原理、研制到設(shè)計的整個過程以及整機性能。探測儀能實現(xiàn)各種常見爆炸物樣品的鑒定，響應(yīng)速度快、探測靈敏、操作便捷，與國外同類型探測儀比較，本探測儀是一款值得推廣和應(yīng)用的現(xiàn)場快速探測設(shè)備。

關(guān)鍵詞：

離子遷移譜 爆炸物探測

一、引言

恐怖主義活動的猖獗和國內(nèi)外反恐形勢的發(fā)展，對炸藥（爆炸物）探測技術(shù)的要求越來越高，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儀器小巧實用、成本低廉，應(yīng)用更為廣泛，成為目前國際上緝毒、反恐及軍事等領(lǐng)域用于痕量物質(zhì)現(xiàn)場檢測的主流裝備。離子遷移譜分析技術(shù)是上世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種微量化學(xué)分析檢測技術(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，單周期測量耗時僅為毫秒級且不需真空支持。由于靈敏度高、便捷的優(yōu)點，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)物離子在電場中遷移率的差異來實現(xiàn)樣品分離和鑒定。離子遷移譜儀工作時首先采集待測物質(zhì)，使之進(jìn)入離化區(qū)并生成產(chǎn)物離子，接著產(chǎn)物離子在電場的作用下通過離子門，并在電場遷移區(qū)遷移，最后到達(dá)法拉第盤轉(zhuǎn)化為電信號。由于不同物質(zhì)的遷移率具有唯一性，因而其遷移時間也具有唯一性，本設(shè)備通過精確測定離子在電場作用下離化產(chǎn)物的不同，其離子穿過固定距離的遷移時間，來認(rèn)定被測可疑物質(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

離子遷移管是IMS爆炸物探測儀的核心部件，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部分組成。要讓離子遷移管正常工作并完成探測功能，必須有一套外圍的控制電路和設(shè)備實現(xiàn)對工作過程的控制、信號的采集和數(shù)據(jù)的處理。

（二）氣路的設(shè)計以及流量的定標(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，會與從遷移管尾部吹來氣體發(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靈敏度。流量的控制采用閉環(huán)模式，內(nèi)置氣泵推動載氣體和遷移氣體的循環(huán)，同時抽取從遷移管排出的氣體作為補給氣體。為了進(jìn)行精確的氣體流量控制，在儀器中通過測量氣體的壓力差來對流量進(jìn)行調(diào)控，實時反饋管道中的氣體流量信息。通過節(jié)流閥可實現(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)過程如圖2所示，在氣體回路里串聯(lián)流量計，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

儀器的電路設(shè)計與控制包括遷移管溫度控制、氣泵控制、離子信號放大以及離子管的開關(guān)門和場強的控制。直接采用法拉第盤作為電荷收集器得到的信噪比很低，因此需對離子信號放大，并通過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在時間軸上展開，就得到了離子遷移譜圖，即為一幅理想化的離子信號圖（如圖1）。離子信號放大部分的硬件框圖如圖3所示，法拉第盤輸出的弱信號通過預(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)的電勢差。高壓的平穩(wěn)程度直接影響遷移速率和測試準(zhǔn)確, 也影響門上的離子損失。

（四）控制模塊的設(shè)計

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

1. 實時管理和監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備。系統(tǒng)需對大量設(shè)備進(jìn)行實時控制，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、整機電流、溫度、按鍵操作等實時跟蹤控制。2. 實現(xiàn)人機操作界面。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)，同時將結(jié)果、狀態(tài)顯示于屏上。3. 完成對離子信號的采樣、等離子圖顯示和計算分析任務(wù)。離子遷移譜的運行系統(tǒng)不僅要實時數(shù)據(jù)處理，還要對多個參數(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)體制來提高系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)工作時，處理器承擔(dān)著大量的計算分析任務(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，同時內(nèi)置一些常見接口。為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，探測儀采用ARM9+DSP（OMAP5912）系統(tǒng)平臺，在嵌入式處理器上運行嵌入式實時操作系統(tǒng)。

四、本設(shè)備與國外同類成果的比較

目前國內(nèi)同類型的爆炸物痕量探測設(shè)備主要源于進(jìn)口，對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，其探測靈敏度與國外進(jìn)口設(shè)備相當(dāng)；考慮到中國國情，除常見高能軍事炸藥，還把黑火藥和硝酸銨也列入探測范圍之內(nèi)（探測性能指標(biāo)比較見表1），同時還可根據(jù)用戶需要增補或刪減報警樣本庫。

五、產(chǎn)品推廣情況

MS AY05-02便攜式爆炸物現(xiàn)場快速探測設(shè)備自2008年驗收以來，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上展示。2009年11月，該儀器在上海舉辦的工業(yè)博覽會上展示。進(jìn)行第二次五套的小批量生產(chǎn)，其中四套爆炸物探測儀用于培訓(xùn)參加上海世博會安保的一線公安干警，一臺設(shè)置了英文版的用戶界面參加歐洲安防展覽。2010年上海世博會期間，本專項支持完成的AY05-02炸藥探測儀在上海世博會安全保衛(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，基于本探測原理的便攜式探測儀共銷售183臺/套。目前國內(nèi)重點安檢領(lǐng)域（如機場、重要會議場所等）的痕量爆炸物探測設(shè)備主要來自歐美國家的高昂進(jìn)口產(chǎn)品，且售后技術(shù)服務(wù)手續(xù)繁瑣，而國產(chǎn)IMS AY05-02幾乎為同類進(jìn)口探測儀售價的一半，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爆炸物探測儀的推廣，可大大節(jié)約安檢部門和公安機關(guān)采購此類探測儀的成本。

六、總結(jié)

通過世博專項的資金支持，研制的IMS AY05-02爆炸物探測儀具有自主知識產(chǎn)權(quán)，且各項性能指標(biāo)基本與同類進(jìn)口探測儀達(dá)到同等量級。爆炸物探測儀可配備于全國性的公共安全領(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（如全國大、中城市軌道交通中，人流量大且空間相對密閉的場所）。隨著城市軌道交通的蓬勃興起，全國反恐部門對該設(shè)備需求量巨大；且面對新形勢下的維穩(wěn)需要，防止突發(fā)性事件發(fā)生，爆炸物探測儀也可用于大型公共場所如火車站、港口、公交樞紐和大型展會等的爆炸物違禁品的查探，對公安機關(guān)大型保衛(wèi)和日常檢、控工作具有十分重要的現(xiàn)實作用。