摘 要：依笔者多年安防工作技术保障经历与体验，阐述了现场实际应用中对设计基于离子迁移谱技术的分析仪器的需求，并基于这种实际需求，探索基于离子迁移谱技术的爆炸物探测器的设计思想。提出了爆炸物探测技术的科学分类及发展方向等。
关键词：安全检查 爆炸物 探测仪器 设计思想
引 言
当今世界和平与发展依然是国际社会的主旋率，但是民族分裂势力、宗教极端势力、暴力恐怖势力活动猖獗，传统与非传统的安全威胁仍然存在，并在局部呈现上升趋势。爆炸物的现场检测技术是安全防范的重要手段，正日益彰显出广泛的应用前景。
目前，爆炸物探测技术主要分为两大类，即以蒸气/微粒探测为代表的化学型探测技术和以X射线、γ射线、中子等介质探测为代表的能量型探测技术。在以化学型探测技术为原理的爆炸物探测仪器中，普遍采用基于离子迁移谱技术的爆炸物探测仪器。基于此技术的分析仪器的应用与生产在国内则刚刚起步，本文是笔者集多款离子迁移谱分析仪器现场实际应用的经验与感受，分析了离子迁移谱技术的需求，探讨了适合我国国情的离子迁移谱分析仪器设计思想与故障维修方法。
一、离子迁移谱（IMS）爆炸物/毒品探测仪器的工作原理
离子迁移谱原理如图1所示：
基于离子迁移谱技术探测爆炸物/毒品的仪器工作过程有以下三个关键步骤：
（一）样品采集
爆炸物同其他各种化学物质一样，都能或多或少地挥发出气态物质或释放极微小的颗粒。在制造爆炸物及伪装或包装过程中，很可能在犯罪分子的手上、手接触的部位以及包装箱上，吸附、粘附着痕量（皮克级）的爆炸物。通过样品采集过程，将吸附、粘附着痕量的爆炸物物质采集到检测设备中。样品采集方式主要有气流采样（飓风采样）与试纸采样两种。
（二）离子化过程
该过程是将采集到的样品物质通过加热使其中的待检测物质迅速气化，将气化的待检测物质离子化主要有射线照射、激光照射（使电子的能级发生跃迁）、高电压（直流）电离三种方式。
（三）探测过程
将离子化的被检测物送入漂移电场（迁移管IMS）。离子从开始漂移至到达收集电极（探测极）这段时间称为该离子的漂移时间，相同质量电荷比的离子，其漂移时间也相同。因此，漂移时间已成为该离子的一种特征参数，是区别不同离子的主要参数。利用计算机技术将新检测到的被检测物信息与计算机记忆的信息进行一一比对，从而确定被检测物是否含有爆炸物的成分。
二、基于离子迁移谱技术的爆炸物探测仪器的设计思路与技术实现
利用离子迁移技术进行化学测量具有重要的价值，基于该种技术的分析仪器转化为安检现场的实际应用尚需要实现一些相关的技术突破与创新，这种基于离子迁移技术的分析仪器在设计制造中，既要遵循离子迁移的技术原理、技术特性，以及化学测量仪器的共性外，还应考虑环境、使用现场、用户等诸多方面的需求。
基于离子迁移谱技术的分析仪器应用于安全防范工作中，对于探测爆炸物将发挥重要的作用。这类仪器在规模化投入安防现场的实际应用时，要能够适应长时间运行、使用环境差（相对于实验室环境）等诸多情况，真正在做到反恐防爆第一线“拉得出、用得了、查得到”。本文对基于离子迁移谱技术的爆炸物/毒品探测仪器的设计思路与技术实现做一阐述。
（一）迁移管单次同时检测正、负离子（双模探测模式）
由于爆炸物、毒品的多样化，打破了原来被检测物气相分子—离子的反应生成的规律，因为化学性质的差异，传统含硝基类爆炸物的检测通常由负离子IMS完成，新型过氧化类爆炸物的检测则由正离子IMS完成。然而，在实际爆炸物筛查中，传统的离子迁移谱分析仪器仅有一种工作极性， 无法完成这两种爆炸物的单次同时检测一些可塑性爆炸物经气相分子—离子反应生成的离子带有正电荷，因此为了确保物质检测的可靠性与有效性，要求迁移管能够拓宽爆炸物的检测种类，具有同时检测正、负离子的特性，降低爆炸物的漏检率，主要有以下两种实现方式：
1.单只迁移管
可快速切换极性的离子聚焦离子迁移管，单次检查即可获得检测样品的正、负离子谱图信息，实现经气相分子—离子的反应生成正离子或负离子的痕量爆炸物的单次同时检测。
2.双迁移管
将检测样品气体一分为二，进入不同的迁移管，分别检测经气相分子—离子的反应生成正离子或负离子的痕量爆炸物样品。
（二）电离源
在离子迁移测量中，要先生成气相离子然后才能进行产物离子的分离和检测，在样品进入迁移管的同时电离过程就开始进行了。IMS分析中的离子化过程，通常都是在常压条件下的空气中进行的，通常空气中含有氧气和水，因此，生成离子的反映要在有水和氧气的情况下进行。常见的电离源有：放射源、光致放电管、激光电离、电喷雾电离、火焰电离点晕放电和表面电离源。
（三）仪器外观及显示、操控部件
分析仪器的外观设计尽可能紧凑、缩小体积、美观，外壳颜色可有若干种，便于用户根据现场的色调进行合理搭配；显示屏可根据仪器的尺寸选择适合人体工程学的高清、高亮、大视角、大屏幕16:9式设计，外观可考虑超薄、窄边框的流行式设计，屏幕材质以TFT-LCD或AMOLED为宜，屏幕设置主屏与副屏两面，主屏固定于分析仪器的最近操作及观察位置，根据需要可调整视角或反转，副屏可置于仪器的周边，可同步显示测试结果或显示指定的公共类信息；同时，可将大部分操控集成至主屏幕上，选择耐用触屏。
（四）计算机软、硬件及网络配置
计算机可采用单主板计算机、固态硬盘、可扩展RAM存储器插槽、WIN系统，以方便操作使用，维护保养，软件升级。随着我国自主知识产权的操作系统的研发成功，在国产仪器的设计制造中要逐步普及使用国产操作系统。
实现网络化，实现方式优先选择有线与无线二种方式，用于设备管理、实时监控设备、相关检测数据推送，人员管理、故障远程诊断等。
关于数据本地输出，输出内容主要是检测结果数据，仪器当前页面的截屏图片；在数据输出方式上，可设置多个USB数据接口，方便数据设备的连接；在打印输出方面，以往的仪器只能实现自带打印机的输出，这里使用能接驳普通打印机的仪器，实现广谱打印。
（五）人工智能技术的应用
伴随着人工智能技术的快速发展与规模化应用，使得将这一新兴技术融入载气净化装置成为现实。目前笔者着力聚焦将安检现场待检对象数量与检查通道的开放应用状况的智能识别，以此来控制载气的发生量，从而更好地保护载气发生装置，进一步降低能耗，使其发挥更大的能效；同时还会将探测结果与被检人的日常行为相关联，进一步提升对被检人行为的辨识能力。
三、爆炸物探测仪器的性能分析
（一）仪器的可靠性
基于离子迁移谱技术的爆炸物探测仪应用在我国安防一线担负反恐防爆探测重要任务。由于此类仪器从开机上电到正常工作需要经历较长时间的预热过程，因此，该种仪器不适用于即开即用，只能是采取加电待机的使用模式，此间仪器一旦出现故障，将会严重影响现场的安全检查工作的进行，仪器的这种特性决定了其应用在安防现场，长时间运行时（通常每天运行20小时以上），必须有良好的可靠性。影响可靠性的因素很多，在此，笔者仅对元器件、部件的筛选及应用，电路、气路的设计、设置做一提示。
（二）仪器的安全性
作为一款探测危险物品保障安全的科学仪器，在设计、制造、使用过程中首先应该关注的就是其安全性。第一，要考虑的是安全检测，即探测的准确性，设计制造中要着力降低误报率；第二，基于离子迁移谱技术的爆炸物探测仪，其内部组件必须包含高电压发生组件和高温发生部件，在设计中要考虑电磁、热辐射的对其他元器件的干扰，在制造工艺上要合理布局，尽量避免电磁环境、热环境对仪器造成的弊端，防止使用中出现因高电压、高热量等带来安全隐患，严格保障安全。
（三）适应性
这里所说的适应性主要是指对使用环境的适应。实现安全保障仪器化的设备应能够满足各种安防现场的使用要求：在使用环境上要能够满足室内、室外兼容使用，高温、低温二重天的考验，干燥与潮湿环境锤炼，一般工作温度范围要求是-10℃～50℃，工作湿度范围要求是90%相对湿度下无冷凝。
（四）便捷性
在仪器设计中要体现出使用的便捷性有诸多方面，如使用、操作、维护保养、故障修理恢复等方面。
在产品维护保养的清洁方面，有两种情况：（1）外部清洁，应避免难于清洁的死角、沟道等；（2）内部的清洁，在确保干净、彻底清洁的前提下，如何最大限度地压缩离子迁移管的自清洁时间是值得深入研究和解决的难题。
在仪器的使用方面，工作电源适应要宽泛，以宽电压带设计为宜（如110VAC～220VAV），并且要能适应电源的波动（如±15%的波动范围）；在供电方式上，除常规的外部市电供电方式外，还应具备多种方式供电：（1）充电电池供电，一般使用锂电池，可热插拔，提供1小时的供电模式；（2）车载电源供电，可利用汽车内的点烟器等接口引出车内电源。
此外，在产品设计中，考虑到方便保养、易于修理的问题，如易于开启与关闭的外壳，方便的可恢复性操作（如仪器过载保护后的恢复），易损部件的更换，电子部件的模块化处理及简便的模块替换方式，都是在产品设计制造中值 得注意的问题。
（五）附属设施
离子迁移谱分析仪器常被安置在操作台上。操作台高度，以便于使用者站立操作分析仪器为宜；大小以台面略大于分析仪器底盘面积为佳。载气净化装置及其与分析仪器的联动装置，可以安放于操作台内部。
在操作台的周边可以安置若干显示屏：做到位置可调，播放内容可自主设定（公共场所使用分析仪器时，可滚动播出一些周知性或公益性信息），亦可与分析仪器显示内容并机播放。
（六）降低运行成本
首先考虑的是耗材的问题。应该尽量少使用耗材，即可使用或可不使用耗材的情况，尽量不使用耗材；需使用耗材的情况，考虑可否通过技术攻关，突破技术壁垒，实现非耗材，如通过研发净化动力气流装置，实现在线制备载气，替代净化空气的耗材；必须使用耗材时，使用低价格的耗材。其次，要关注故障维修成本。这就要求在制作过程中，我们选择仪器集成部件要兼顾性能与价格，平衡性价比，既能够满足使用，保证性能及可靠性，又可以用较低的价格购买，即物美价廉的部件，实现低成本维修。
四、循环气路系统的创新应用
仪器应用于安防现场以后，除上述的运行成本问题外，可靠性方面亦存在一些缺陷，较为突出的是循环气路系统中的空气压缩机（微型气泵）故障时有发生，为此，在仪器的后期使用过程中笔者依据现场情况、运行需求及仪器技术特点，本着必须与可能的原则，研发了新型循环气路系统，并与仪器实现联动。
传统的基于离子迁移谱技术的爆炸物探测仪器的循环气路系统用以为仪器提供载气和漂移气体，对于实验室仪器或简单的间歇式使用的仪器，载气和漂移器都可用压缩储气筒提供。然而，一般的用于安全检查工作现场的便携式（特别是手持式）仪器是不能用储气筒的，而需要用仪器上装有分子筛或吸附剂的净化器对环境空气净化来提供载气和漂移气。净化器是循环气路系统的一个组成部分，系统内装有气泵用来向迁移管提供载气和漂移气二种动力气流，同时也将环境空气吸进仪器的进样口。仪器内的气路系统与外界环境是处于压力平衡状态，外界气压变化不会使迁移管内的气压大于环境气压。对于连接气路各部分的管线要绝对纯净，无杂质，宜采用食品级高分子管路。气泵亦应选择可靠性强，体积小，运行噪声低的隔膜泵。
（一）新型循环气路净化动力气流装置
近年来，由于此类仪器大量地、长时间地应用在安全防范工作现场，打破了原有的实验室或间歇式使用的模式。因此，仪器部件的一些弊端也逐渐显现出来，如：隔膜泵耐久性、可靠性差；净化器耗材（干燥剂）使用量大，替换下来的耗材大量堆积，难以处置，污染环境。即使近年来一些仪器自备无需更换干燥剂的再生系统，循环使用干燥剂，也会造成仪器体积、能耗增大，影响便携性，更为严重的是，由于循环使用，导致干燥剂脱水能力不均衡，使载气净化水平不稳定，常常影响探测准确性。
对于上述弊端，在现场使用中，笔者探索出了一些实用的对策：（1）使用价格较低的有刷（电机）隔膜泵代替无刷（电机）隔膜泵，降低了这一易损部件的成本；（2）尝试对损坏的隔膜泵进行修复，更换损坏的电机及隔膜组件，进一步降低了仪器故障的维修成本；（3）研发对吸进仪器的进样口的环境空气进行物理方法在线净化的装置即净化动力气流装置（该装置已经取得中国专利授权），彻底废除了可靠性差、易于损坏的隔膜泵及污染环境的干燥剂。仪器可搭配在线制备脱水、净化动力气流的装置并与之实现联动，这便是离子迁移谱爆炸物探测器于安检现场的一种创新应用。
（二）净化动力气流装置与分析仪器的联动
为了有效地解决净化动力气流装置与分析仪器的联动的问题，笔者设计制作了联动装置。该装置连接爆炸物探测仪器（分析仪器）与净化动力气流装置（载气净化器），解决了爆炸物探测器与载气净化器联动的问题。使分析仪器使用与载气净化器供气同步。本装置由控制信号采集与处理板、电气控制部分及控制显示面板组成。其特征在于：来自分析仪器的控制信号及气流状态异常（气压、流速、湿度）信号由信号采集与处理板对信号进行识别、处理，同操作面板共同对电气控制部分进行控制，以实现载气净化器状态显示、载气净化器部件的供电及分析仪器的供电控制，分析仪器使用与载气净化器同步供气。
本装置由一个24VDC电源提供工作电压，来自分析仪器的气压、流速、湿度异常信号及控制信号经信号采集与处理板处理后与操作面板共同控制电气控制部分的相关继电器输出，以实现载气净化器的开关机控制，其特征在于：开关机操作是由操作面板上的钥匙开关及通电按钮来完成的；控制载气净化器的准备状态（红色指示灯显示）与就绪状态（绿色指示灯显示）的转换，其特征在于准备（红色）/就绪（绿色）状态的指示是由操作面板上的单体双色指示灯来指示的；对载气净化器部件的供电，经净化处理的载气达标后（时间延迟）向分析仪器供电，其特征在于对载气净化器部件的供电是由继电器K1来控制的，对分析仪器的供电是由时间继电器TK来控制的；实现分析仪器开启与载气净化器提供达标载气同步，其特征在于采集自分析仪器经信号采集处理板处理后做为分析仪器开启与载气净化器供气同步控制信号；当气压、流速、湿度异常时立即停止向分析仪器供气，其特征在于信号采集处理板识别出气压、流速、湿度异常信号后输出电磁阀关闭信号。
载气净化器与分析仪器联动的控制装置的操作显示面板由钥匙开关（通电）、带蓝色指示灯的一开一闭点动按钮（启动）、单体双色（红/绿）指示灯组成（准备/就绪）组成。顺时针旋转钥匙开关90°，装置通电，启动按钮中的蓝色环状指示灯点亮，按下启动按钮，准备/就绪指示灯显示红色，装置进入准备状态，此间，装置产生的净化载气随时间推移逐渐达标，分析仪器无法开启，当准备/就绪指示灯转变为绿色时，装置进入就绪状态，此间，分析仪器可以开启，载气净化器在分析仪器开启时同步向其供气。
载气净化器与分析仪器联动的控制装置的信号采集与处理板接收来自分析仪器的控制信号，气压、流速、湿度异常信号，来控制载气净化器中的一个电磁阀及操作显示面板上的准备/就绪状态指示灯。分析仪器开启时，信号采集与处理板控制电磁阀打开，开始向分析仪器供气；气压、流速、湿度异常时，信号采集与处理板控制电磁阀关闭，载气净化器停止向分析仪器供气，其准备/就绪指示灯由绿色变为红色。
载气净化器与分析仪器联动的控制装置电气控制部分由空气开关、24VDC电源、继电器（2只）、时间继电器、220VAC电源插座（2个）。当载气净化器开启时继电器K2动作，载气净化器部件电源通电，载气净化器工作，时间继电器延时3分钟后，分析仪器电源接通。K1继电器的一组常开触点串联钥匙开关后作为自保供电，另一组常开触点为24VDC供电，用于K2、TK、线圈驱动、指示灯供电，经信号采集与处理板为电磁阀开启供电。K1线圈“＋”连操作显示面板的点动按钮的常开触点。220VAC经K2继电器后连220VAC电源插座Z1，为净化器部件供电；220VAC火线经TK后，连220VAC电源插座Z2，为分析仪器供电。空气开关联入主干电路，为过流及安全保护。
五、未来发展
总之，这种工作在常压条件下的离子迁移进行化学表征是一种非常优异的微量物质鉴别方法，自应用以来显示出良好的爆炸物探测效果。但是，究其探测结果，就爆炸物而言，只能说明其探测物质是否在爆炸物的范围内，尚不能做出定性的判定，属于筛查性质的检测技术。
自上世纪五、六十年代出现的质谱探测技术，由于其是在真空条件下测量被检测物的分子量，因而能够据其“分子指纹”特征，对被检测物进行定性判定，所以说这是一种较离子迁移谱技术更为准确的爆炸物探测辨识方法，但是基于这种技术的探测方法，由于对环境及技术条件要求比较高，目前还只是实现了实验室中进行的分析探测。笔者有志于联合国内分析化学领域的质谱学业界精英进行基于质谱技术的爆炸物探测仪器化的探索工作，力争在不久的将来实现安检现场爆炸物探测的质谱技术应用。
六、结语
目前，在我国公共安全探测领域使用的痕量爆炸物检测仪，大多为进口品牌所垄断，这些仪器在用户体验、运行成本、可靠性、环境适用性等方面，陆续发现了诸多不尽人意之处。因此，基于笔者在安全防范、防爆安检实际工作中，使用和维护离子迁移谱爆炸物探测仪的经验，结合当前安防形势和安防工作的实际需要，以及新兴的技术手段，对我国快速发展的离子迁移谱技术，提出以上适合实战应用的设计思路，希望在这种分析仪器的研制过程中，相关研发单位本着精心设计、精良制造的原则，以应用现场实际需求为设计导向的理念，打造出既传承科学精髓，又贴近实际应用的个性化、人性化精品。
参考文献
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