JP5990803B2 - ガス流中の爆発性物質粒子を検知するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はガス流中の爆発性物質粒子を検知するための方法および装置に関し、ガス流は特定の時間吸着ネットを通って導かれ、爆発性物質粒子がその上に吸着されるようにし、吸着ネットはその後爆発性物質粒子が脱離する加熱温度に加熱され、累積された爆発性物質粒子を含むガス流が、その検知のために検知器に供給される。

検知方法および検知装置は米国特許第６，６０４，４０６号により知られる。

特に民間空港におけるテロ目的の爆発性物質の使用の増加により、有効な爆発性物質検知器、及び携帯用のまたは特に必要とされる場所での使用に適したシステムに関する早急な必要性が生まれる。例えば、潜在的なテロリストが爆発性物質を加工する場合、衣服および皮膚に少量の爆発性物質の痕跡が残る。爆発性物質の痕跡を検知する方法は、例えば飛行機に乗る前に、これらの爆発性物質の痕跡を発見することを目的とする。このような状況において、ガス流、一般的には周囲空気は、分析される物品または人物の上を通過し、もしも存在する場合には、爆発性物質粒子が運ばれる。しかしながら、この種の検知は、爆発性物質の密度が非常に低い（通常ｐｐｔ（１兆分の１）の範囲）ことによって困難となる。通常の爆発性物質の気相平衡濃度は非常に低いので、気相における爆発物の直接検知はしばしば非常に困難である

爆発性物質の検知方法は米国特許第６，６０４，４０６号において開示され、検知対象の物質はフェルト、不織布、またはメッシュ形態の吸着ネット上の粒子として収集され、その後検知器に供給される。この既知の方法において、第１の吸着段階で、爆発性物質粒子を低濃度で含むガスは、フェルト、不織布、またはメッシュ形態の吸着ネットを通じて吸引され、ある程度の粒子がフィルタに吸着され、その結果フィルタ上の粒子濃度が時間とともに増加する。第２の方法段階、脱離段階において、吸着ネットは加熱され、吸着ネットを通過するガス流の流れ方向は逆転する。これに関連して、累積された爆発性物質粒子は吸着ネットから脱離され、高い濃度で検知器によって検知することができる。これに関する欠点は、比較的大きな粒子のみが吸着ネットに保持されて残り、一方で小さな粒子は通過し、検知に寄与することができない。

米国特許第６，６０４，４０６号

これに基づき、本発明の目的は、爆発性物質の検知能力をさらに向上すること、または検知の閾値をさらに下げることである。

この目的は、検知される爆発性物質粒子の粒子サイズまたは粒子直径よりも小さな孔径を有する、マイクロフィルタが吸着ネットとして使用されるという点で、本発明によって実現される。これに関して、用語「マイクロフィルタ」は、約１μｍ程度の厚みの膜を意味すると理解され、これは支持構造体の結果として機械的安定性を有し、規則的な穿孔を含む。これらの穿孔は、好ましくは同じ直径を有し、それは好ましくは１μｍよりも小さく、より好ましくは４００ｎｍよりも小さい。これによって、従来技術ではかなりの比率の粒子が吸着ネットのメッシュを通過することができ、累積が非常に少ないか、または非常に長い時間がかかるのに対して、従来技術とは異なり、ガス流中に存在する粒子の全てがその上に捕捉または吸着されることが可能になる。マイクロフィルタによって、粒子を表面に保持することができ、結果として、それらは容易に利用することができ、かつ再度容易に脱離することができる。対照的に、従来のメッシュは３次元の織物またはフェルトである。本発明によるこの構造は、粒子の全てが３次元構造体内ではなく単一の表面に存在し、そのため目的とする脱離がマイクロフィルタ表面の加熱によって可能となるため、特に脱離段階において有利である。所定の温度へのこの目標を定めた加熱は、特定の温度を設定することによって特定の爆発性物質に対する検知精度を実現するために、さらに使用され得る。

このようにして、小さな爆発性物質粒子の携帯型粒子−ガス変換が有利には可能となる。マイクロフィルタの熱質量が小さいので、加熱過程の間非常に速い温度上昇と共に低出力での操作が可能になる。このようにして、粒子が単に脱離される代わりに、それらは分離されることができ、分子群が分裂し、これによって例えば窒素族を含む分子の追跡など違う方法での検知方法が可能となり得る。

マイクロフィルタの孔径は、好ましくは検知される爆発性物質に応じて選択され、特定の爆発性物質を検知するために様々な孔径のマイクロフィルタを使用することも可能である。このために、マイクロフィルタを置換可能にすることも可能である。

検知の選択性をさらに向上させるために、異なる孔径を有する２つのマイクロフィルタを連続して配置し、第１のマイクロフィルタは大きくかつ不要な粒子を捕捉するために大きな孔径（例えば１μｍ）を有し、第２のマイクロフィルタは小さな孔径（例えば４００ｎｍ）を有し、下流に配置され、その上に検知される粒子が吸着されるようにすることも可能である。第２段階において、第２のマイクロフィルタのみ加熱され、その上に吸着された爆発性物質粒子のみが脱離され、検知器に供給されるようにする。その後、検知過程の終了後、第１のフィルタは、その上に吸着された不要な粒子を取り除くために加熱されてもよい。

本発明の有利な形態によれば、加熱温度が設定され、マイクロフィルタは加熱および脱離の後気相において爆発性物質粒子がマイクロフィルタを通過することができる孔径で使用される。この温度は、約１５０℃から２５０℃である。本方法の、簡単な構造の装置を使用することができる、この特に簡単な実施形態において、気体は様々な流れ方向に配置全体にわたって流れる必要が無い。これに関連して、ガス流は、好ましくは恒久的に活性化され、マイクロフィルタを恒久的に通過して流れ、ガス検知器にはガス流が常に流れる。しかしながら、特定の時間（特に約１０〜２０秒）の後、十分な粒子がマイクロフィルタに吸着され、マイクロフィルタが加熱されるとき、累積された爆発性物質粒子から得られる脱離物中に、爆発性物質粒子が十分な濃度で存在し、それは検知器によって良好に検知することができる。

上述の方法を実施するのに好ましい装置は、その下流に検知器が配置されるマイクロフィルタを含み、マイクロフィルタは加熱装置およびマイクロフィルタの温度を制御する制御装置を含む。この簡易な配置において、マイクロフィルタおよび検知器には常に同じ方向に、爆発性物質粒子を含むガス流が流れ、これは構造という観点から非常に簡単なものである。

本発明による方法の他の実施形態は、収集モードにおいて、ガス流がマイクロフィルタを通過し、その後の検知モードにおいて、ガス流は、反対の流れ方向で、この処理において加熱されたマイクロフィルタを通過して流れる。これに関連して、マイクロフィルタに付着した爆発性物質粒子が脱離され、検知器内においてこの累積された形態で分析され得る。これに関連して、ガス流は、検知モードにおいて、閉じた経路内を循環する。

本方法のこの実施形態を実施するための装置は、マイクロフィルタを有するフローダクトおよび検知器を有する循環ダクトを含み、循環ダクトは収集モードにおいて遮断することができ、かつ検知モードでフローダクトに接続することができ、閉じた環状ダクトを形成する。

有利な実施形態によれば、装置はマイクロフィルタを加熱するためのハロゲンランプを含み、それはコリメータを用いてマイクロフィルタ全体に平行かつ均一な照射を実施するか、または焦点レンズを用いてフィルタの特定の領域上に目標を有する方向で実施することが可能である。光学または抵抗温度計と併用して、マイクロフィルタの温度は正確に測定することができ、目標に応じて特定の温度を設定することを可能にする。これにより、時間に対する特定の所定の温度経過を設定することができ、様々なタイプの爆発性物質に対して選択的に実施することが可能となる。

製造方法において、上述の装置の一つを用いるためのマイクロフィルタは、好ましくはフォトリソグラフィエッチングプロセスによって製造され、所定のサイズ範囲の理想的な直径において、マイクロフィルタの全ての孔の形成を可能にする。

本発明は、好ましい実施例によって、添付される図面を参照しつつ、以下にさらに説明される。異なる図面において同様の参照番号は同様の要素を示す。

爆発性物質粒子を検知する装置の第１実施形態を示す。 ２つの異なる操作状態にある爆発性物質粒子を検知する装置の第２実施形態を示す。 爆発性物質粒子を検知する装置の第３実施形態を示す。 加熱可能なマイクロフィルタを有する検知装置の２つの実施形態を示す。

図１は、基本的にマイクロフィルタ１２、検知器１４、および吸引ポンプ１６からなる検知装置１０ａの第１実施形態を概略的に示す。爆発性物質粒子１８で汚染された物品２０も概略的に示され、その上を空気流２２が通過し、これはマイクロフィルタ１２を通過して流れ、さらに検知器１４を通過する。これに関連して、爆発性物質粒子１８（図面では非常に拡大されて示される）は、選択された孔径（爆発性物質粒子１８のサイズと比較して小さい）の結果として粒子はマイクロフィルタ１２を通過することができないので、マイクロフィルタ１２に付着する。特定の時間（好ましくは約１０から２０秒）の後、十分な爆発性物質粒子１８がマイクロフィルタ１２上に蓄積され、その後マイクロフィルタ１２が加熱装置２４を用いて好ましくは約１５０から２５０℃の温度に加熱される。高い温度の結果として、爆発性物質粒子１８はマイクロフィルタ１２から脱離し、気相となり、その状態でマイクロフィルタ１２の孔を通過することができ、結果的に高い濃度で検知器１４に供給され得る。数秒間の特定の時間（その間にマイクロフィルタ１２に付着している実質的に全ての爆発性物質粒子１８が脱離される）の後、加熱装置２４のスイッチが再度切られ、分析されるさらなる物品２０が爆発性物質粒子１８に関して、再度ガス流２２を用いて、分析され得る。

図２ａおよび２ｂは、爆発性物質粒子を検知するための装置１０ｂの第２実施形態を概略的に示す。これは、マイクロフィルタ１２が配置されるフローダクト３２が取り付けられる、ガス入り口３０を含む。フローダクト３２は一端において、マイクロフィルタ１２の両側でフローダクト３２に連結されるＵ字循環ダクト３４に連結される。フローダクト３２は、出口ダクト３６にさらに連結され、出口ダクト３６の中に吸引ポンプ３８が配置される。循環ポンプ３９が循環ダクト３４内に配置される。検知器４０は、好ましくはイオン移動度分光分析器（ＩＭＳ）または金属酸化物半導体ガスセンサ（ＭＯＸセンサ）であり、循環ダクト３４の壁にさらに配置される。フローダクト３２は入口ロック４２によって入口３０から、かつ出口ロック４４によって出口ダクト３６から、遮断され得る。

装置１０ｂが、図２ａに収集モードで示され、図２ｂに検知モードで示される。図２ａによる収集モードにおいて、入口ロック４２が開き、入口３０がフローダクト３２と連通するようにする。出口ダクト３６または循環ダクト３４のどちらかを交互に遮断する出口ロック４４は、循環ダクト３４を閉じる位置に配置される。吸引ポンプ３８を操作することによって、ガス流４６ａ（好ましくは周囲空気流）は入口３０内部に吸引され、そこからマイクロフィルタ１２、フローダクト３２、および出口ダクト３６を通過し、ガス出口４８に導かれる。これに関連して、ガス流４６ａと共に移送される爆発性物質粒子はマイクロフィルタ１２に保持され、その小さな孔径の結果として、そこで粒子が凝集される。出口ロック４４が循環ダクト３４を閉じているので、そこを通過して流れることはない。

数秒の時間の後、十分な爆発性物質粒子がマイクロフィルタ１２上に凝集したとき、装置は図２ｂに示される検知モードに切り替えられ、入口ロック４２は閉じられ、出口ロック４４は出口ダクト３６を閉じる位置に再配置される。さらに、吸引ポンプ３８のスイッチが切られ、循環ポンプ３９が代わりに作動される。この場合、閉じた環状のフローダクトが存在し、この中でガス流４６ｂが循環する。同時に、電流がコンタクト５０を介してマイクロフィルタ１２を通過し、マイクロフィルタ１２が、爆発性物質粒子がそこから脱離する温度に加熱されるようにする。ガス流４６ｂが循環する一方で、マイクロフィルタ１２に付着している爆発性物質粒子が脱離され、かつ爆発性物質が検知される検知器４０を通過する。循環ポンプ３９が作動され、循環ガス流４６ｂが、収集モードにおけるガス流４６ａとは反対の方向にマイクロフィルタ１２を通過するようにする。

図３は、基本的に図２ａおよび２ｂの１０ｂによる実施形態に対応する、検知装置のさらなる実施形態１０ｃを示す。それらの実施形態とは対照的に、閉じた循環ダクトは存在せず、代わりにフローダクト３２は入口５４および出口５６に連結される。この実施形態において、検知モードでは、循環される代わりに、ガスは入口５４を介して吸引され、マイクロフィルタ１２を通過し、吸引ポンプ３９を用いて出口５６に導かれ、ガス流４６ｃに同伴される爆発性物質粒子は検知器４０によって検知される。これに関連して、マイクロフィルタ１２は端子５０を用いて再度電気的に加熱される。

図４ａおよび４ｂは、加熱可能なマイクロフィルタを含む検知装置の２つの実施形態を示す。図４ａによる実施形態において、ガス入口６０は、マイクロフィルタ１２が配置されるフローダクト６２内に開く。ガス出口６４は、マイクロフィルタ１２から下流に提供される。好ましくは約１００から２００ワットの出力であるハロゲンランプ６６は、窓７０を通して電磁波のビーム６８をマイクロフィルタ１２上に向け、マイクロフィルタ１２を加熱する。窓７４を含む光学温度計７２が提供され、加熱されたマイクロフィルタ１２によって放射される熱放射７６を検知し、結果的にマイクロフィルタ１２の温度を測定する。操作の間、爆発性物質粒子を含むガスはガス入口６０およびフローダクト６２を通って流れ、マイクロフィルタ１２を通過し、爆発性物質粒子は、フィルタの孔径の結果として、マイクロフィルタ１２上に保持され続ける。ガス流はその後ガス出口６４を介して排出される。これに関連して、ハロゲンランプ６６のスイッチが切られる。これは、収集モードで数秒間にわたって実施される。その後の検知モードにおいて、ハロゲンランプ６６は作動され、マイクロフィルタ１２を加熱し、これは温度計７２によって監視される。ハロゲンランプ６６および温度センサ７２は制御手段を介して連結され、マイクロフィルタ１２の所定の温度または所定の温度変化が設定される。これに関連して、検知モードにおいて、図１による実施形態のように、収集モードと同じ流れ方向で、または図２および３による実施形態のように反対の流れ方向で、フローダクト６２中を流すことができる。

図４ｂによる実施形態において、マイクロフィルタ１２に関して抵抗ヒータが与えられ、端子５０を介して電気エネルギーを供給される。この実施形態は、熱放射に関して光学的経路が必要ではないため、構成の観点からみて簡単である。この目的で、マイクロフィルタが、電気コンタクトを介して抵抗加熱される金属基板に固定されるのが好都合である。その代わりに、表面のマイクロ構造を有する加熱要素がフィルタ上に構築されてよく、これは熱質量が非常に低く、その結果迅速かつ有効な加熱および冷却であるという利点を有する。

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 検知装置
１２ マイクロフィルタ
１４ 検知器
１６ 吸引ポンプ
１８ 爆発性物質粒子
２０ 汚染された物品
２２ ガス流
２４ 加熱装置
３０ ガス入り口
３２ フローダクト
３４ 循環ダクト
３６ 出口ダクト
３８ 吸引ポンプ
３９ 循環ポンプ
４０ 検知器
４２ 入口ロック
４４ 出口ロック
４６ａ、４６ｂ ガス流
５０ 端子
５４ 入口
５６ 出口
６０ ガス入口
６２ フローダクト
６４ ガス出口
６６ ハロゲンランプ
６８ 電磁波のビーム
７０、７４ 窓
７２ 温度センサ
７６ 熱放射

Claims (9)

1. ガス流（４６）が特定の時間吸着ネット（１２）を通過し、爆発性物質粒子（１８）がその上に吸着され、吸着ネット（１２）はその後爆発性物質粒子（１８）が脱離する加熱温度に加熱され、脱離された爆発性物質粒子を含むガス流が、その検知のために検知器（４０）に供給される、ガス流（４６）中の爆発性物質粒子を検知するための方法において、
   マイクロフィルタ（１２）が選択されて吸着ネットとして使用され、マイクロフィルタ（１２）が穿孔を含み、前記穿孔の孔径が１μｍ未満であり、選択された孔径の結果として前記爆発性物質粒子（１８）が前記吸着ネット（１２）の単一表面に存在することを特徴とする方法。
2. 前記穿孔の孔径が４００ｎｍ未満であるマイクロフィルタ（１２）が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 加熱温度が設定され、加熱および脱離の後、検知される爆発性物質粒子（１８）が気相でマイクロフィルタ（１２）を通過することができる孔径のマイクロフィルタ（１２）が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. マイクロフィルタ（１２）が、特定の爆発性物質を検知するために特定の温度に加熱されることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 収集モードにおいて、ガス流（４６ａ）がマイクロフィルタ（１２）を通過し、その後の検知モードにおいて、ガス流（４６ｂ）は、反対の流れ方向で、このとき加熱されるマイクロフィルタ（１２）を通過して流れ、これに関連して、爆発性物質粒子（１８）が脱離され、その後検知器（４０）に供給され、ガス流は、検知モードにおいて、閉じた経路内を循環し、流れがマイクロフィルタ（１２）を通過し、かつ検知器（４０）を通過するようにすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. ガス流中の爆発性物質粒子を検知するための方法を実施するための装置であって、
   その下流に検知器（４０）が配置されるマイクロフィルタ（１２）を含み、マイクロフィルタ（１２）は加熱装置（５０、６６）およびマイクロフィルタ（１２）の温度を制御する制御装置を含み、
   マイクロフィルタ（１２）が穿孔を含み、前記穿孔の孔径が１μｍ未満であり、選択された孔径の結果として前記爆発性物質粒子（１８）が前記マイクロフィルタ（１２）の単一表面に存在することを特徴とする、装置。
7. ガス流中の爆発性物質粒子を検知するための方法を実施するための装置であって、
   マイクロフィルタ（１２）を有するフローダクト（３２）、および検知器（４０）を有する循環ダクト（３４）を含み、循環ダクトは収集モードにおいて遮断することができ、かつ検知モードでフローダクト（３２）に接続することができ、閉じた環状ダクトを形成し、
   マイクロフィルタ（１２）が穿孔を含み、前記穿孔の孔径が１μｍ未満であり、選択された孔径の結果として前記爆発性物質粒子（１８）が前記マイクロフィルタ（１２）の単一表面に存在することを特徴とする、装置。
8. マイクロフィルタ（１２）を加熱するためのハロゲンランプ（６６）およびマイクロフィルタ（１２）の温度を検知するための温度センサ（７２）を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
9. マイクロフィルタ（１２）を抵抗加熱することができ、マイクロフィルタ（１２）の温度を検知するために温度センサ（７２）が提供されることを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。

Images