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炸药探测器是什么原理?

【杨光的回答(11票)】:

炸药探测器的有很多种类,机理都不太一样。比如这货的原理你肯定知道:

别笑,这是事实。自从二战以来嗅探犬就广泛用于爆炸物的检测。不过你说这不算,这就抖机灵的回答,动物又不是机器。我要说:还真有把动物做成机器检测炸药的。比如这货:

看见里面的小蜜蜂了吧?把它卡在那让它的喙部遮挡住下面的光束,一闻到爆炸物的气味,小蜜蜂的喙部就会扩张,遮挡的光束信号就发生变化,以此产生电信号报警。

小蜜蜂怎么会有这么这么逆天的功能呢?实际上这个机器是美国国防部下属研究项目的一种爆炸物检测原型机。蜜蜂也必须是经过培训才能上岗的,培训方式也很简单,跟巴普洛夫训练他家的狗的一样。先让蜜蜂闻爆炸物的气味,如果其喙部扩张就会吃到预先抹在其触角上的糖,长此以往训练,蜜蜂就建立了爆炸物气味——喙部扩张——有糖吃这样一个条件反射。这个原型机可以以此检测出TNT、塑胶炸药、PE-4和C-4炸药。

不过后来因为这种原因,美国国防部并没有推广使用这种检测器,这就是后话了。

想想小蜜蜂也是够可怜的,不能去采花蜜反而要软禁在这小盒子里遭这罪。

好了,前面就当热热身。下面我们就严肃地讨论一下题主的这个问题。

可以确定的是,不用动物一样可以检测出炸药来,毕竟嗅探犬也有累的时候,小蜜蜂也有不按套路出牌的时刻。

首先,炸药成分怎么采集?

要知道,接触过爆炸物的嫌疑人周身肯定会不会避免地残留有爆炸物粉末,所以就可以依靠擦拭等方式采集到这些粉末,即便它的含量非常低。不过较真的小伙伴说了,那嫌疑人洗个澡、里里外外换上新衣服不就完了。的确是这样,所以也有很多炸药探测器采集的样本就是空气样苯,只要附近有爆炸物,这些检测器可以做到比嗅探犬还灵敏地识别出极其微量的爆炸物的“气味”,当然所谓的气味化学本质上来讲就是爆炸物在其平衡蒸汽压中的那些极微量的分子。

然后就是,怎么证明含有炸药?伪装在人群中的恐怖分子又不会在他的炸药包上贴上标签。要回答这个问题,就得知道炸药是什么。下图所列就是目前军用民用炸药的主要成分。

从本质上来说,它们就是一些有机物小分子,只不过就是因为极不稳定被开发成炸药了。只要通过现代物理、化学手段检测出这些成分即可,并且这些手段非常灵敏,总结起来,大概可以分成两类:

1.利用炸药化学成分的分子特征信息。包括但不限于离子迁移质谱(IMS)、红外光谱、拉曼光谱、太赫兹光谱。

什么意思呢?就如同我们区别张三与李四主要就是依靠他们表现出来的外貌,这里“外貌”就是这个人的特征信息,而我们区别不同种类的分子就是依靠它们在不同测试手段下所测试出来的”谱图“,这里”谱图“就是这种分子的特征信息。所以,如同看外貌就知道是哪个人,看“谱图”就能确定是哪种分子。化学专业的人知道,其实这就是有机分子结构鉴定的基础。

我们以离子迁移质谱为例进行说明,现在大多数炸药检测仪的都是依靠此技术。

首先,采集到的气体样本被离子化,然后进入有电场存在漂移管,在漂移管中的漂移时间和分子质量是相关的,这个“谱图”的表现形式就是仪器采集到的不同质量数的强度,如果某一个数值和某种已知爆炸物成分相吻合,那么就有理由强烈怀疑附近有爆炸物存在。

就如同不仅可以通过人的外貌区分不同的人,通过他的声音、字迹、指纹等等。类似的,还可以用红外光谱、拉曼光谱等提取到分子的其他特征信息。这里就不再详述了。

现在的技术已经可以把这些仪器做的小型化,极大地提高的了仪器的可携带性与适用范围。

2.利用炸药化学成分参与的物理、化学反应所产生的可视化信号。

“可视化”是指所产生的变化现象可以被人类直接或者间接的观察到。直接的现象就是指这些物理、化学变化的反应现象比较明显,可以被人类肉眼直接观察到(即便肉眼可以直接观察,为了减少主观影响因素,很多还是内置了定量的仪器)。比如下图就是具有荧光性质的纳米粒子阵列,与不同浓度的TNT蒸气接触后产生化学反应,会使得其荧光强度发生不同程度的猝灭。有的显色也不一定是荧光显色,普通的颜色变化也可。这些原理的都已经有商业化产品。

间接的现象是指产生的物理、化学变化可能肉眼还无法方便识别,但是可以通过信号放大或者转化,产生电流、电压、导电性质等变化。因此,基于这样的设计原理的产品可以说是五花八门。比如可以利用平板电容器极板上的特殊涂层与爆炸物蒸气的反应导致电容变化产生的信号。

总体来讲,当今的爆炸物检测也只能检测出使用最为广泛的十几种到几十种爆炸物成分,如果恐怖分子研制出了成分全新的炸药,依据检测原理绝大部分现有的爆炸物检测仪都是无能为力的。不过考虑到军工业上终极大杀器是核武器的现状,以及绝大多数恐怖分子二混子水平的文化程度,我倒不认为他们会开发出全新的炸药,顶多在配方比例上折腾折腾。

就这些,如有谬误,还望指出!

参考资料:

  1. Bogue, R.,Detecting explosives and chemical weapons: a review of recent developments. Sens.Rev. 2015,35 (3), 237-243.

  2. Bogue, R.,Terrorism and military actions pose the ultimate challenge to gas sensing. Sens.Rev. 2011,31 (1), 6-12.

  3. Caygill,J. S.; Davis, F.; Higson, S. P. J., Current trends in explosive detectiontechniques. Talanta 2012,88, 14-29.

  4. Sun, X.;Wang, Y.; Lei, Y., Fluorescence based explosive detection: from mechanisms tosensory materials. Chemical Society Reviews 2015,44 (22),8019-8061.

  5. Gao, D.;Wang, Z.; Liu, B.; Ni, L.; Wu, M.; Zhang, Z., Resonance EnergyTransfer-Amplifying Fluorescence Quenching at the Surface of SilicaNanoparticles toward Ultrasensitive Detection of TNT. Analytical Chemistry 2008,80 (22), 8545-8553.

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