CN101644686A - 一种爆炸物及毒品的联合在线检测仪及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台式X光扫描初选/离子迁移谱爆炸物在线检测仪。X射线检测仪采用双视角双能量安检仪，使用两个角度，两种能量的X射线进行扫描，提高图像的清晰度，利于危险品的鉴定。离子迁移谱采用一种复合阵列型离子迁移谱仪，由正、负离子检测模式，至少两种电离方式相组合，构成复合阵列型离子迁移谱仪，来拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。X射线仪可以快速的进行行李的扫描，离子迁移谱能够对可疑物进行精确的测量，二者结合，缩短了行李检测速度，提高了危险品的检测准确度。

Description

一种爆炸物及毒品的联合在线检测仪及其应用

技术领域

本发明属于安检分析仪，具体地说是一种台式X光扫描初选/离子迁移谱爆炸物(毒品)联合在线检测仪，本装置使用X光透视扫描筛选可疑物品，离子迁移谱精确测量相结合快速的对物品进行安全检查。

背景技术

多年来毒品走私和爆炸恐怖活动一直成为海关、航空、交通运输打击犯罪、安全防范的重点。由于犯罪分子的犯罪手段越来越先进，使传统的检测手段无能为力。如何提高鉴别精度，在高速流动的人群、货物群中快速、准确地将隐藏的毒品或炸药检测出来已成为一项十分紧迫和有待解决的技术难题。形式的发展促使世界各国都在探索更加先进的安全检查新技术、新设备，例如中子探测器、毫米波安全检查摄像机、微波全息摄影检查法、核磁共振探测技术、Y射线检查系统等。在各种已大量投入使用和趋于成熟的安全检查技术中，低成本，低剂量，可成像X射线安全检查设备的应用最为普遍。该设备是一种利用X射线的穿透能力，通过对监视器上显示的X光透视物体的图像来分辨物体的类型实现，对行李、货物进行快速不开箱检查的系统。它能提供组成物体的物质的一些重要特性，其中最有用的信息就是物体的密度(ρ)和有效原子序数(Z_eff)。从理论上来讲，已知物体的密度和有效原子序数就可以准确的确定物质的类型，X射线检测装置已被看作是安全防御的第一道防线。

目前，双能量穿透技术，多视角系统，非连续性散射等多种X射线技术可以应用于违禁品探测领域，然而没有任何一种技术可以单独提供准确识别物体的物质类型所需的两个参数即密度和有效原子序数。由于各类技术均有特定的使用环境和针对性，尤其在目前各种恐怖活动与违法犯罪行为更具有一定的隐蔽性，单一使用任何一种技术设备都难以满足安全防范技术及反恐防爆的要求。所以有必要采用数据融合技术，所有的信息被结合在一起以提高探测水平。

离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是20世纪70年代出现的一种分析检测技术，80年代该技术被应用于现场分析检测，它的基本原理是：在大气压条件下，待测样品被电离形成离子，生成的离子在外加电场力作用下运动。在弱电场(小于1000V/cm)的范围内，离子运动的速度正比于电场强度，v＝KE，这里v为离子的速度，E为电场强度，K为离子迁移率，离子的迁移率在弱电场的范围内为常数，其数值主要取决于离子的结构、质量、电荷数和尾吹气的种类等因素，不同的离子其迁移率的数值有所不同。这样，根据测量得到的迁移时间就可以推断出样品的成分。

离子迁移谱依据离子迁移率K₀来对不同化合物进行识别，K₀是归一化后的约化迁移率， $K_0=K\×\frac{P}{101}\×\frac{273}{T},$ 它是与离子的质量和结构以及漂移气体分子的性质有关的常数，是离子迁移谱中用来识别物种的特征量。商品化仪器的分辨率在30左右。常见的小分子化合物K₀的值一般在1.5～2.0cm²V^-1s^-1之间。不同的化合物的K₀值差别很小，如VUV光电离甲醛、乙醛、丙酮和丁酮得到离子的K₀的最大差别只有1％。单一电离源的离子迁移谱的可分辨的化合物容量只有20-30。为解决这种低分辨引起峰重叠，我们最近研制了VUV光电离、放射性⁶³Ni和尖端放电(CD)的离子迁移谱仪，对常见的有机化合物，如甲醛、乙醛、丙酮和丁酮、苯系物、H₂S和HCl等化合物进行测量时发现，同一种化合物在不同的电离方式下可以产生不同的离子，对应不同的迁移率；正负离子迁移谱也有很大的差别。因此我们提出组合电离模式的离子迁移谱分析仪，拓宽了离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高了离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。如单一迁移谱的分辨能力为10，三电离源的分辨能力可以达到10³，考虑单一电离源改变迁移管的正负极性，理论分辨能力可以达到10⁶。

发明内容

结合X射线扫描和离子迁移谱的优点，本发明设计了X光扫描初选/离子迁移谱爆炸物在线检测仪；同时使用两种爆炸物的探测技术，提高爆炸物和毒品的检出率以及检测准确度。

一种爆炸物及毒品的联合在线检测仪，由X射线安全检查仪和离子迁移谱仪组合而成。

所述X射线安全检查仪为常规的台式双视角双能量X射线安全检查仪，其包括行李运输带，X射线检测仪双视角成90度，一个射线源设置在行李运输带的上方，另外一个射线源设置在行李运输带侧面的机架上。

所述离子迁移谱仪为复合阵列型离子迁移谱仪，由正负离子检测模式、至少二种电离方式相组合，构成复合阵列型离子迁移谱仪，来实现对复杂样品的快速识别与解析。

检测仪应用时：

1)将被测物品置于台式双视角双能量X射线安全检查仪的行李运输带，由式的X射线检测仪使用两个角度、两种能量的X射线对被测物品进行扫描，使用台式X光扫描初选确认是否为可疑物；

2)采用离子迁移谱进行可疑物质分析，对物品进行确认。

所述正、负离子检测模式采用同一套离子迁移管及其信号采集系统，通过采取正、负离子检测模式切换的方法来完成检测。

所述电离方式为光离子化电离(VUV)、放射性⁶³Ni电离、尖端放电电离或电喷雾电离；

所述复合阵列型离子迁移谱仪，指正、负离子检测模式与二种电离方式相组合，构成的同时检测四路信号的复合阵列型离子迁移谱仪；

所述至少二种电离方式相组合，是指复合阵列型离子迁移谱仪同时使用两种、三种或者四种以上所述的电离方式。

所述二种电离方式组合分别由配有同一种电离源的离子迁移管及其信号采集系统，或者配有另外一种不同电离源的离子迁移管及其信号采集系统构成。

本发明公开了一种台式X光扫描初选/离子迁移谱爆炸物在线检测仪。X射线检测仪采用双视角双能量安检仪，使用两个角度，两种能量的X射线进行扫描，提高图像的清晰度，利于危险品的鉴定。离子迁移谱采用一种复合阵列型离子迁移谱仪，由正、负离子检测模式，至少两种电离方式相组合，构成复合阵列型离子迁移谱仪，来拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。X射线仪可以快速的进行行李的扫描，离子迁移谱能够对可疑物进行精确的测量，二者结合，缩短了行李检测速度，提高了危险品的检测准确度。

附图说明

图1为常规的双视角X射线安检示意图；

图2复合阵列型离子迁移谱仪示意图(VUV光电离源、放射性⁶³Ni电离源和放电电离源组合)；

图3苯乙烯在VUV光电离、放电电离和放射性⁶³Ni电离，正离子检测模式下的迁移谱图。

图中：1为滚轴电机，2为电源适配器，3为光障，4为传送带，5为探测器与控制器，6为通迅数据接口，7为射线源，8为锥形射线，9为准置器，10为离子迁移谱阵列；11为样品，12为进样系统，13为样品前处理模块，14为VUV光电离源，15为放射源，16为尖端放电源，17为数据采集卡，18为R485。

具体实施方式

本发明公开了一种台式X光扫描初选/离子迁移谱爆炸物在线检测仪。X射线检测仪采用双视角安检仪，使用两个角度的X射线进行扫描，提高图像的清晰度，利于危险品的鉴定。被测的行李通过无极变速的传送带进入到X射线检测仪中，通过一光触发器控制X射线的开关，在传送带的上端具有一X射线源，该射线通过准置器后从行李物品的上方进行照射，与X射线相对的位置上具有一探测器逐行采集穿过物体的X射线，通过晶体材料将X射线转换成可见光，然后硅光电二极管对可见光进行探测和精确测量从而实现对X射线的探测，数据经过数据通讯接口进入到计算机中并转化成一个二维灰度图像。在行李前进方向的侧面同样有一个X射线发射装置，该装置与上述X射线装置相同，在垂直方向上进行扫描。

离子迁移谱中，样品经过进样纸(液体样品可以把进样纸浸入采集，固体样品可以在样品的表面进行擦拭取样)进入到进样系统中，进样系统加热，样品挥发后通过载气吹入到电离系统，电离后，离子经过离子门进入到一均匀电场，该均匀电场是由高压源通过串联的电阻使得各不锈钢金属环具有一定的电压，聚四氟乙烯主要用来使各不锈钢金属环绝缘开，这样在离子迁移谱的内部腔体中便形成一定程度上相当均匀的轴向电场。离子在电场力的作用下沿轴向向前运动。离子门用来控制离子以脉冲的方式进入后面的迁移管中，不同的离子由于其迁移率的不同因而具有不同的漂移速度，从而到达法拉第接收盘的时间不同，便形成了离子迁移谱图。通过电源极性变化，在同一台离子迁移谱上我们可以实现正负离子检测。

离子迁移谱采用一种复合阵列型离子迁移谱仪，由正、负离子检测模式，至少两种电离方式相组合，构成复合阵列型离子迁移谱仪，来拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。X射线仪可以快速的进行行李的扫描，离子迁移谱能够对可疑物进行精确的测量，二者结合，缩短了行李检测速度，提高了危险品的检测准确度。

为了提高离子迁移谱对样品的分析识别能力，本发明将至少两种电离方式(这里以VUV光电离和放射性⁶³Ni电离为例)，正、负离子两种检测模式相结合，构成一种复合阵列型离子迁移谱仪如图2所示。图2给出的是三种电离模式(如VUV光电离、放射性⁶³Ni电离和放电电离)相组合所构成的复合阵列型离子迁移谱仪的示意图。各个迁移管可以单独工作、同时工作和组合工作，同时每套迁移管均可以进行正、负离子检测模式切换。这三套离子迁移谱仪共享漂移气体的净化系统、控制系统和保温系统。离子信号用微电流放大器分别放大后，进入多通道数据采集卡采集，计算机对数据进行分析得到待测样品的种类和浓度。

本发明装置是按如下过程操作的：

行李等物品通过传送带进入到X射线检查系统中，如图1所示，在检查区共有两束X射线，这两束X射线相互垂直，同时扫描，具有两个探测器，而且，发出的X射线具有高低两个波段的能量，这样通过双重的扫描，加上双视角扫描，所得的两路数据在计算机中经过算法的计算，可以对隐藏在其他覆盖物中的物体得到更加清楚的三维图像；

在双能量X射线安检系统中，X射线穿透物体，在探测器上分别得到高能衰减和低能衰减。材料识别是利用特定物质对高能X射线和低能X射线的衰减不同来确定，通常用高能X射线的衰减比上低能X射线的衰减，或低能X射线的衰减比上高能X射线的衰减来区分材料，并用K值来表示。K值与物质原子序数有着密切关系。由物质有效原子序数与K值关系分析可知，Z_eff与K值表达相同的物理特性，K值可由表征物质X射线衰减特性的高能灰度值G_h和低能灰度值G_l计算得到，定义K＝G_l/G_h。对于连续能谱、夹心探测结构的双能量X射线安检机，物质的X射线衰减特性还与物质的密度和厚度有关。在连续能谱下，G_h＝I₀e^-uLh^dQ，G_l＝I₀e^-uLl^dQ。这里L_h、L_l分别为连续能谱下的平均衰减系数，d为物体厚度，Q为物质密度。对于单一的G_h或G_l，L_h或L_l不反映材料识别特性，只有K＝G_l/G_h才反映材料识别特性。这样G_h或G_l可看作是d和Q的函数，即f(Q，d)。如果将K值与f(Q，d)做为两个平面的相互垂直的坐标轴，就构成了一个材料识别平面。

根据炸药、毒品探测的要求和图象处理的特点，探测算法采用了机器智能与人的智能相结合的技术路线。对一般包裹的电子剥离采用实时的剔除算法，对特别背景材料采用人机交互的方式完成。

从人机交互拿到的样品，由于包内物质不确定，那么可以通过与之相联用的阵列式离子迁移谱来进行进一步的鉴定。图2给出的是三种电离模式(如VUV光电离、放射性⁶³Ni电离和放电电离)相组合所构成的复合阵列型离子迁移谱仪的示意图。如果是液体样品，那么，可以把采样纸直接的浸入到液体样品中，拿出进样纸，直接加入到离子迁移谱中进行分析，比如说是易燃物质苯乙烯，采用VUV光电离、放电电离和放射性⁶³Ni电离，正离子检测模式下的迁移谱图。从图三中可以看出，苯乙烯在三种电离方式下正离子的响应(无论是响应时间，还是响应强度)均不同。利用软件对三种电离方式的谱图进行解析，可以为离子迁移谱识别样品提供了更加丰富的信息，提高了分析的准确性。固体样品可以采用进样纸在行李表面进行擦拭的方法收集危险化学品，然后把进样纸插进离子迁移谱进行分析。

Claims (7)

1.一种爆炸物及毒品的联合在线检测仪，其特征在于：由X射线安全检查仪和离子迁移谱仪组合而成。

2.根据权利要求1所述检测仪，其特征在于：所述X射线安全检查仪为常规的台式双视角双能量X射线安全检查仪，其包括行李运输带，X射线检测仪双视角成90度，一个射线源设置在行李运输带的上方，另外一个射线源设置在行李运输带侧面的机架上。

3.根据权利要求1所述检测仪，其特征在于：所述离子迁移谱仪为复合阵列型离子迁移谱仪，由正负离子检测模式、至少二种电离方式相组合，构成复合阵列型离子迁移谱仪，来实现对复杂样品的快速识别与解析。

4.一种权利要求1所述检测仪的应用，其特征在于：

1)将被测物品置于台式双视角双能量X射线安全检查仪的行李运输带，由式的X射线检测仪使用两个角度、两种能量的X射线对被测物品进行扫描，使用台式X光扫描初选确认是否为可疑物；

2)采用离子迁移谱进行可疑物质分析，对物品进行确认。

5.根据权利要求4所述检测仪的应用，其特征在于：所述正、负离子检测模式采用同一套离子迁移管及其信号采集系统，通过采取正、负离子检测模式切换的方法来完成检测。

6.根据权利要求4所述检测仪的应用，其特征在于：所述电离方式为光离子化电离(VUV)、放射性⁶³Ni电离、尖端放电电离或电喷雾电离；

所述复合阵列型离子迁移谱仪，指正、负离子检测模式与二种电离方式相组合，构成的同时检测四路信号的复合阵列型离子迁移谱仪；

所述至少二种电离方式相组合，是指复合阵列型离子迁移谱仪同时使用两种、三种或者四种以上所述的电离方式。

7.根据权利要求4所述检测仪的应用，其特征在于：所述二种电离方式组合分别由配有同一种电离源的离子迁移管及其信号采集系统，或者配有另外一种不同电离源的离子迁移管及其信号采集系统构成。

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