CN103364480A - 离子迁移谱爆炸物探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于危险物质探测技术领域，具体涉及一种针对痕量物质的爆炸物的探测系统。一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其技术方案是，它包括：采样装置（1）、进气口加热器（2）、外循环气路（30）、内循环气路（40）、传感器（50）、电源模块（6）、放大器（7）、单片机控制系统（8）、高压模块（9）和漂移管（10）；本发明离子分离技术，样品分子在漂移管（10）内电离源的作用下，产生相应的产物离子；产物离子受电场的加速和中性大气分子的碰撞减速获得了一个恒定的平均速度；不同的产物离子其荷质比、空间几何构型和碰撞截面不同，因而获得的平均速度也不同，所以在经过一段电场以后它们就被分离，先后到达收集电极，从而完成整个检测过程。

Description

离子迁移谱爆炸物探测系统

技术领域

本发明属于危险物质探测技术领域，具体涉及一种针对痕量物质的爆炸物的探测系统。

背景技术

随着飞机炸弹，劫持飞机和恐怖威胁事件在强度和多样化上的不断成长，探测隐蔽的爆炸物和武器的仪器的研制就越来越显得至关重要了。在民用领域，对爆炸物等威胁性物品的探测也是非常必要的，例如，银行，公共建筑。对爆炸物探测器的要求是高灵敏度，低误报率和结构紧凑，操作方便。

非军用场合的使用的爆炸物主要包括NG，TNT或其他的多硝基化合物。

当今存在多种探测爆炸物的技术方法。其中包括：用放射性示踪物标记爆炸物。另外一种技术就是利用灵敏的电子捕获传感器测试多硝基化合物的气相色谱浓度，并分离。然而，要制造一个足够灵敏度的仪器，需要很长的反应时间，因为灵敏度与样品通过色谱柱的时间有直接的关系。灵敏度很高的色谱的操作也是很复杂的。还有一种方法就是通过NO击穿分解多硝基化合物，再通过探测NO的荧光性或通过与氧原子的化学发光反应来探测。这些方法对任何能够击穿NO的有机物都有反应。

质谱气体分析仪是可以直接观测NG或TNT的。但如果要清晰的分辨这两种物质或其他的相似分子量的化合物，就需要分辨力很高的质谱。即使如此，这些仪器也达不到10ppb的水平。先用气相色谱分离可以提高仪器的分辨力两个数量级，但是，也延长了响应时间。质谱色谱联用仅仅是优于色谱单独使用的情况，但都增加了仪器的耗费和操作过程。

发明内容

本发明的目的是：为克服现有技术的不足，提出一种离子迁移谱爆炸物探测系统，具有结构简单、体积小和便于携带的特点；

本发明的技术方案是：一种离子迁移谱爆炸物探测系统，它包括：采样装置、进气口加热器、外循环气路、内循环气路、传感器、电源模块、放大器、单片机、高压模块和漂移管；

漂移管内设有离子门，离子门将漂移管的内部分隔成反应区和漂移区；反应区内安装有渗透膜和电离源，漂移区内安装有孔栅和收集电极；

外循环气路包括：三通阀A、三通阀B、三通阀C、压力传感器A、抽气泵A、抽气泵B和过滤器；其中，三通阀A的一端与三通阀C连通，三通阀B的一端接入压力传感器A，另一端通过管路依次连接抽气泵A、流量传感器A与过滤器，三通阀B的第三个端口通过管路依次连接抽气泵B与流量传感器B，过滤器与流量传感器B的管路汇聚后接入三通阀C；

内循环气路包括三条底部互通的支路，其中，支路一上设有电子捕获剂，支路二上依次设有流量传感器C、抽气泵C、分子筛过滤器、碳过滤器、气溶胶过滤器和压力传感器B；

传感器包括：温度传感器与湿度传感器；

电源模块提供电力；

整体连接关系为：采样装置通过进气口加热器与外循环气路中的三通阀A连接；三通阀A的一端通过管路接入漂移管内的渗透膜的前方，三通阀B的一端通过压力传感器A接入漂移管内的渗透膜的前方，三通阀C的一个端口与外界大气相通；内循环气路的三条支路均接入漂移管，其中，支路一与支路二位于渗透膜与离子门之间，支路三位于收集电极的后方；放大器与收集电极相连；高压模块的两端接入漂移管内，分别位于渗透膜的前方与收集电极的前方；传感器接入离子门与孔栅之间的漂移管内部；采样装置，进气口加热器，外循环气路中的压力传感器A、抽气泵A、抽气泵B，内循环气路中的流量传感器C、抽气泵C、压力传感器B，传感器，放大器，高压模块，电源模块均与单片机连接。

本发明离子分离技术，样品分子在电离源的作用下，产生相应的产物离子。将这些产物离子放置在大气环境恒定电场中，它们因受电场的加速和中性大气分子的碰撞减速，在宏观上就表现为获得了一个恒定的平均速度；由于不同的产物离子其荷质比、空间几何构型和碰撞截面不同，因而获得的平均速度也不同，所以在经过一段电场以后它们就被分离，先后到达收集电极，从而完成整个检测过程；

本发明的有益效果是：（1）由于大多数爆炸物都是含有硝基的有机物，通常都会表现出相当高的电子亲和力，因此在化学离化过程中他们能够通过质子夺取反应、电子附着反应、电子交换反应等生成相对稳定的带负电的产物离子，爆炸物探测不同于化学毒剂探测，只产生负的产物离子，只需负漂移管传感器即可；因此，本发明采用单漂移管设计，结构简单，体积小，便于携带。

（2）为了增强灵敏度和去除背景干扰，本发明添加易挥发的有机化合物作为反应物以产生反应物离子，要求反应物的电子亲和力小于待测爆炸物，而大于干扰物质，这样就可以有效地防止背景干扰对离子迁移谱信号的影响。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中外循环气路示意图；

图3为本发明中内循环气路示意图；

其中，1-采样装置、2-进气口加热器、30-外循环气路、31-三通阀A、32-三通阀B、33-抽气泵A、34-抽气泵B、35-过滤器、36-三通阀C、37-压力传感器A、40-内循环气路、41-抽气泵C、42-分子筛过滤器、42-碳过滤器、44-气溶胶过滤器、45-电子捕获助剂、46-压力传感器B、50-传感器、6-电源模块、7-放大器、8-单片机、9-高压模块、10-漂移管。

具体实施方式

参见附图1，一种离子迁移谱爆炸物探测系统，它包括：采样装置1、进气口加热器2、外循环气路30、内循环气路40、传感器50、电源模块6、放大器7、单片机8、高压模块9和漂移管10；

漂移管10内设有离子门13，离子门13将漂移管10的内部分隔成反应区16和漂移区17；反应区16内安装有渗透膜11和电离源12，漂移区17内安装有孔栅14和收集电极15；

参见附图2，外循环气路30包括：三通阀A31、三通阀B32、三通阀C36、压力传感器A37、抽气泵A33、抽气泵B34和过滤器35；其中，三通阀A31的一端与三通阀C36连通，三通阀B32的一端接入压力传感器A37，另一端通过管路依次连接抽气泵A33、流量传感器A与过滤器35，三通阀B32的第三个端口通过管路依次连接抽气泵B34与流量传感器B，过滤器35与流量传感器B的管路汇聚后接入三通阀C36；外循环气路30的流量控制在300-600mL/min；

参见附图3，内循环气路40包括三条底部互通的支路，其中，支路一上设有电子捕获助剂45，支路二上依次设有流量传感器C、抽气泵C41、分子筛过滤器42、碳过滤器43、气溶胶过滤器44和压力传感器B46；内循环气路40的支路一与支路三中的气体分别为载气和漂移气，载气和漂移气流量载气和漂移气流量控制在200ml/min和400ml/min；

传感器50包括：温度传感器与湿度传感器；

电源模块6提供电力；

进气口加热器2在探测固体颗粒状爆炸物时，需要加热至180-250℃；

高压模块9的输出为负高压，高压值负2000-负2500V；

整体连接关系为：采样装置1通过进气口加热器2与外循环气路30中的三通阀A31连接；三通阀A31的一端通过管路接入漂移管10内的渗透膜11的前方，三通阀B32的一端通过压力传感器A37接入漂移管10内的渗透膜11的前方，三通阀C36的一个端口与外界大气相通；内循环气路40的三条支路均接入漂移管10，其中，支路一与支路二位于渗透膜11与离子门13之间，支路三位于收集电极15的后方；放大器7与收集电极15相连；高压模块9的两端接入漂移管10内，分别位于渗透膜11的前方与收集电极15的前方；传感器50接入离子门13与孔栅14之间的漂移管10内部；采样装置1，进气口加热器2，外循环气路30中的压力传感器A37、抽气泵A33、抽气泵B34，内循环气路40中的流量传感器C、抽气泵C41、压力传感器B46，传感器50，放大器7，高压模块9，电源模块6均与单片机8连接。

本发明探测TNT时，以SF6作为爆炸物探测的反应物为例，即电子捕获助剂45为SF6；

反应物SF6通过电子转移反应形成SF6-，当反应物负离子SF6-遇到爆炸物分子TNT时，就会发生下面的电子转移：

SF6-+TNT→SF6+TNT-

这是由于TNT分子的电子亲和力大于SF6（1.2eV），空气中其他的大部分物质的电子亲和力都低于SF6；因此，上所示的反应不会发生在SF6-和空气中的其他物质之间；这样就在一定程度上减少了背景环境的干扰，提高了探测的灵敏度和准确性。

本发明的探测过程为：采样装置1采集到的爆炸物样品首先通过进气口加热器2加热，爆炸物样品在外循环气路30的作用下进入漂移管传感器10内，样品分子附着在渗透膜11上，空气中其他小分子随气流排出漂移管10外；内循环气路40的气流分两部分，一部分作为载气，在渗透膜后携带附着在渗透膜上的爆炸物分子一起进入反应区16，进入反应区16的样品分子在电离源12的作用下，发生离化反应，产生负离子；高压模块9分别连接漂移管10的两端，在反应区和漂移区分别形成反应区电场和漂移区电场；反应区16内产生的样品负离子在反应区电场的作用下，聚集在离子门13处；单片机8定期地给离子门13发送控制信号，使样品离子以周期脉冲的形式进入漂移区17内；在漂移区电场的作用下，通过离子门13的离子脉冲以一定的速度移向收集电极15，形成电流-漂移时间谱信号；连接收集电极15和单片机8的放大器7，将信号放大并转变为电压-时间谱信号传输至控制系统8；通过软件计算和处理，最后得出谱信号的特征值，以确定待测样品的种类和浓度等级；内循环气路40的另一部分作为漂移气，从漂移管10的尾端进入漂移区17，在气流的作用下，携带漂移区内残留的以及被收集电极15中和的分子自离子门后的排气口排出漂移管10，以保持管内清洁；

离子在电场中的漂移速度一方面取决于离子的结构和质荷比；另一方面取决于压力、流量、温度、湿度和电场强度等工作条件，为提高爆炸物探测仪的灵敏度和准确度，需要控制系统中的压力、温度、湿度和电场强度等工作参数，压力传感器、流量传感器、温度传感器和湿度传感器检测漂移管内的气压、载气和漂移气的流量、反应区和漂移区内温度、内循环气路中的湿度等参数，通过单片机给出控制信号，使压力、流量、温度和湿度稳定在预定值范围内；通过控制高压模块输出的高压值，控制反应区16和漂移区17内的电场强度的恒定。

Claims (6)

1.一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其特征是，它包括：采样装置（1）、进气口加热器（2）、外循环气路（30）、内循环气路（40）、传感器（50）、电源模块（6）、放大器（7）、单片机（8）、高压模块（9）和漂移管（10）；

所述漂移管（10）内设有离子门（13），所述离子门（13）将所述漂移管（10）的内部分隔成反应区（16）和漂移区（17）；所述反应区（16）内安装有渗透膜（11）和电离源（12），所述漂移区（17）内安装有孔栅（14）和收集电极（15）；

所述外循环气路（30）包括：三通阀A（31）、三通阀B（32）、三通阀C（36）、压力传感器A（37）、抽气泵A（33）、抽气泵B（34）和过滤器（35）；其中，所述三通阀A（31）的一端与所述三通阀C（36）连通，所述三通阀B（32）的一端接入所述压力传感器A（37），另一端通过管路依次连接所述抽气泵A（33）、流量传感器A与所述过滤器（35），所述三通阀B（32）的第三个端口通过管路依次连接所述抽气泵B（34）与流量传感器B，所述过滤器（35）与所述流量传感器B的管路汇聚后接入所述三通阀C（36）；

所述内循环气路（40）包括三条底部互通的支路，其中，支路一上设有电子捕获剂（45），支路二上依次设有流量传感器C、抽气泵C（41）、分子筛过滤器（42）、碳过滤器（43）、气溶胶过滤器（44）和压力传感器B（46）；

所述传感器（50）包括：温度传感器与湿度传感器；

所述电源模块（6）提供电力；

整体连接关系为：所述采样装置（1）通过所述进气口加热器（2）与所述外循环气路（30）中的三通阀A（31）连接；所述三通阀A（31）的一端通过管路接入所述漂移管（10）内的所述渗透膜（11）的前方，所述三通阀B（32）的一端通过所述压力传感器A（37）接入所述漂移管（10）内的所述渗透膜（11）的前方，所述三通阀C（36）的一个端口与外界大气相通；所述内循环气路（40）的三条支路均接入所述漂移管（10），其中，支路一与支路二位于所述渗透膜（11）与所述离子门（13）之间，所述支路三位于所述收集电极（15）的后方；所述放大器（7）与所述收集电极（15）相连；所述高压模块（9）的两端接入漂移管（10）内，分别位于所述渗透膜（11）的前方与所述收集电极（15）的前方；所述传感器（50）接入所述离子门（13）与所述孔栅（14）之间的漂移管（10）内部；所述采样装置（1），所述进气口加热器（2），所述外循环气路（30）中的所述压力传感器A（37）、所述抽气泵A（33）、所述抽气泵B（34），所述内循环气路（40）中的所述流量传感器C、所述抽气泵C（41）、所述压力传感器B（46），所述传感器（50），所述放大器（7），所述高压模块（9），所述电源模块（6）均与所述单片机（8）连接。

2.如权利要求1所述的一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其特征是，所述进气口加热器（2）在探测固体颗粒状爆炸物时，需要加热至180-250℃。

3.如权利要求1所述的一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其特征是，所述外循环气路（30）的流量控制在300-600mL/min。

4.如权利要求1或2所述的一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其特征是，所述内循环气路（40）的支路一与支路三中的气体分别为载气和漂移气，所述载气和所述漂移气流量控制在200ml/min和400ml/min。

5.如权利要求1或2所述的一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其特征是，所述高压模块（9）的输出为负高压，高压值负2000-负2500V。

6.如权利要求1或2所述的一种离子迁移谱爆炸物探测系统，其特征是，所述电子捕获助剂（45）为SF₆。

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