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炸藥探測器是什麼原理?

2017年10月19日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 29 ℃ 次

【楊光的回答(11票)】:

炸藥探測器的有很多種類,機理都不太一樣。比如這貨的原理你肯定知道:

別笑,這是事實。自從二戰以來嗅探犬就廣泛用於爆炸物的檢測。不過你說這不算,這就抖機靈的回答,動物又不是機器。我要說:還真有把動物做成機器檢測炸藥的。比如這貨:

看見裡面的小蜜蜂了吧?把它卡在那讓它的喙部遮擋住下面的光束,一聞到爆炸物的氣味,小蜜蜂的喙部就會擴張,遮擋的光束信號就發生變化,以此產生電信號報警。

小蜜蜂怎麼會有這麼這麼逆天的功能呢?實際上這個機器是美國國防部下屬研究項目的一種爆炸物檢測原型機。蜜蜂也必須是經過培訓才能上崗的,培訓方式也很簡單,跟巴普洛夫訓練他家的狗的一樣。先讓蜜蜂聞爆炸物的氣味,如果其喙部擴張就會吃到預先抹在其觸角上的糖,長此以往訓練,蜜蜂就建立了爆炸物氣味——喙部擴張——有糖吃這樣一個條件反射。這個原型機可以以此檢測出TNT、塑膠炸藥、PE-4和C-4炸藥。

不過後來因為這種原因,美國國防部並沒有推廣使用這種檢測器,這就是後話了。

想想小蜜蜂也是夠可憐的,不能去採花蜜反而要軟禁在這小盒子裡遭這罪。

好了,前面就當熱熱身。下面我們就嚴肅地討論一下題主的這個問題。

可以確定的是,不用動物一樣可以檢測出炸藥來,畢竟嗅探犬也有累的時候,小蜜蜂也有不按套路出牌的時刻。

首先,炸藥成分怎麼採集?

要知道,接觸過爆炸物的嫌疑人週身肯定會不會避免地殘留有爆炸物粉末,所以就可以依靠擦拭等方式採集到這些粉末,即便它的含量非常低。不過較真的小夥伴說了,那嫌疑人洗個澡、裡裡外外換上新衣服不就完了。的確是這樣,所以也有很多炸藥探測器採集的樣本就是空氣樣苯,只要附近有爆炸物,這些檢測器可以做到比嗅探犬還靈敏地識別出極其微量的爆炸物的「氣味」,當然所謂的氣味化學本質上來講就是爆炸物在其平衡蒸汽壓中的那些極微量的分子。

然後就是,怎麼證明含有炸藥?偽裝在人群中的恐怖分子又不會在他的炸藥包上貼上標籤。要回答這個問題,就得知道炸藥是什麼。下圖所列就是目前軍用民用炸藥的主要成分。

從本質上來說,它們就是一些有機物小分子,只不過就是因為極不穩定被開發成炸藥了。只要通過現代物理、化學手段檢測出這些成分即可,並且這些手段非常靈敏,總結起來,大概可以分成兩類:

1.利用炸藥化學成分的分子特徵信息。包括但不限於離子遷移質譜(IMS)、紅外光譜、拉曼光譜、太赫茲光譜。

什麼意思呢?就如同我們區別張三與李四主要就是依靠他們表現出來的外貌,這裡「外貌」就是這個人的特徵信息,而我們區別不同種類的分子就是依靠它們在不同測試手段下所測試出來的」譜圖「,這裡」譜圖「就是這種分子的特徵信息。所以,如同看外貌就知道是哪個人,看「譜圖」就能確定是哪種分子。化學專業的人知道,其實這就是有機分子結構鑒定的基礎。

我們以離子遷移質譜為例進行說明,現在大多數炸藥檢測儀的都是依靠此技術。

首先,採集到的氣體樣本被離子化,然後進入有電場存在漂移管,在漂移管中的漂移時間和分子質量是相關的,這個「譜圖」的表現形式就是儀器採集到的不同質量數的強度,如果某一個數值和某種已知爆炸物成分相吻合,那麼就有理由強烈懷疑附近有爆炸物存在。

就如同不僅可以通過人的外貌區分不同的人,通過他的聲音、字跡、指紋等等。類似的,還可以用紅外光譜、拉曼光譜等提取到分子的其他特徵信息。這裡就不再詳述了。

現在的技術已經可以把這些儀器做的小型化,極大地提高的了儀器的可攜帶性與適用範圍。

2.利用炸藥化學成分參與的物理、化學反應所產生的可視化信號。

「可視化」是指所產生的變化現象可以被人類直接或者間接的觀察到。直接的現象就是指這些物理、化學變化的反應現象比較明顯,可以被人類肉眼直接觀察到(即便肉眼可以直接觀察,為了減少主觀影響因素,很多還是內置了定量的儀器)。比如下圖就是具有螢光性質的納米粒子陣列,與不同濃度的TNT蒸氣接觸後產生化學反應,會使得其螢光強度發生不同程度的猝滅。有的顯色也不一定是螢光顯色,普通的顏色變化也可。這些原理的都已經有商業化產品。

間接的現象是指產生的物理、化學變化可能肉眼還無法方便識別,但是可以通過信號放大或者轉化,產生電流、電壓、導電性質等變化。因此,基於這樣的設計原理的產品可以說是五花八門。比如可以利用平板電容器極板上的特殊塗層與爆炸物蒸氣的反應導致電容變化產生的信號。

總體來講,當今的爆炸物檢測也只能檢測出使用最為廣泛的十幾種到幾十種爆炸物成分,如果恐怖分子研製出了成分全新的炸藥,依據檢測原理絕大部分現有的爆炸物檢測儀都是無能為力的。不過考慮到軍工業上終極大殺器是核武器的現狀,以及絕大多數恐怖分子二混子水平的文化程度,我倒不認為他們會開發出全新的炸藥,頂多在配方比例上折騰折騰。

就這些,如有謬誤,還望指出!

參考資料:

  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.

標籤:-化學 -科學 -物理學 -爆炸 -恐怖主義


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