核四极矩共振爆炸物检测系统的研制

何高魁中国原子能科学研究院

2010 年 8 月 , 贵阳

一、项目背景

近些年来 , 世界范围内恐怖爆炸威胁不断增加 洛克比空难 : 1988 年 12 月美国泛美航空公司 103 航

班发生爆炸，造成 270 人死亡 . 震惊世界 !

此后 , 世界各国均加强了对航空恐怖事件的防范，并开始重视炸药检测技术的研究。

洛克比空难

1996 年 7 月，亚特兰大奥林匹克公园突然发生炸弹爆炸， 1 名妇女当场死亡， 111 人受伤。

2004 年的 8 月 24 日俄罗斯两架客机坠毁

2007 年 2 月 :3 周内，英国连续发生7 起邮件炸弹爆炸

欧盟频遭邮件炸弹骚扰欧盟主席普罗迪 , 欧洲中央银行 , 欧洲刑警组织 ,

意大利 , 西班牙 , 加拿大…

08 年 : 昆明公共汽车爆炸 , 北京公共汽车爆炸…

针对国家领导人的邮件炸弹事件

“ 邮件炸弹”也是恐怖分子进行敲诈、勒索、制造恐怖事件的工具。

反恐是全球所关注的问题，关系到国家安全 爆炸物检测是反恐的重要部分，各国都加大

投入研究开发有效的检测技术和设备

为防止恐怖爆炸袭击，除了在机场，口岸、车站、重要会议场馆等装备有效的爆炸物检测设备外，邮件中的爆炸物检测也是十分必要的。

爆炸物检测技术 X- 射线扫描 C-T 扫描

气相分析

核四极共振 中子分析 毫米波（ T-Hz ）

EDS-M 邮件爆炸物检测系统 <---NQR 技术

二、核四极共振 (NQR) 原理

非球形核具有核四极矩特性

核四极矩与核外电场梯度相互作用电场梯度由物质分子结构决定 , 与外界无关 .

强烈依赖于物质的分子结构、化学键和原子价态特定的谱线对应于特定的物质

核四极共振原理

外部电场

核磁共振 (NMR) 和 NQR

核四极矩产生的能级 :

e2qQ: 核四极耦合常数 ;

η : 电场梯度 (EFG) 的不对称系数 .

不同核 , 四极矩不一样同一种核 , 所处的分子结构不同

核四极共振原理

)]()3[()12(4

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yxzQ IIIIII

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能级不同

Ex

Ez

能级状态和 NQR 频率

f1 f2 f3

0.5MHz 5MHz

RF RF

RF

Relax Relax

Relax

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核四极共振原理

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对于 14N:

核四极共振检测技术的特点 : 基于核四极矩与核外电场梯度之间的相

互作用 ;不同的核 , 核四极矩不同 ;同一种核 , 分子结构不同 , 电场梯度不

同 ;迄今为止 ,没有发现相同的共振频率 .指纹检测技术

三、核四极共振检测爆炸物机理

大多数爆炸物含氮量丰富 TNT: 18.5% 黑素金 (RDX): 38.0% 奥托金 (HMX): 37.8% 潘太 (PETN): 17.7%

氮 -14丰度约为 99.63%

氮 -14自旋为 1, 非球形核 , 具有核四极矩特性

14N 是一种很好的 NQR探针，可以利用14N-NQR方法探测炸药

核四极共振爆炸物检测机理

核四极共振爆炸物检测技术的特点 基于分子结构的超精细相互作用探测方法是一种能够排除其它物干扰的爆炸物指纹检测

技术能确定炸药种类和重量非破坏性、非放射性、对其它其它物品没有影响

分析速度较快

四、系统设计

计算机控制接口及软

件

发射单元

自动调谐

匹配单元

接收单元

探测器

样品

系统硬件结构

系统设计

设计目标

系统设计

实用型爆炸物检测系统

发射单元

系统设计

激发脉冲

发射门控

射频功放

探测器

Gate

匹配网络

接收单元

系统设计

保护电路

信号放大

带通滤波

A/D

转换

四相检测

探测器

自动调谐 ->解决分布电容问题 自动频率跟踪 ->调整频率

时 / 频域变换 结果显示 /报警 报警阈的计算 历史记录保存 友好的界面

系统设计

｝系统软件

系统设计

系统方案

探头

计算机

四相检测

ADC

D

D

S

脉冲序列

系统设计

脉冲 NQR 技术 , 多次累加 , 提高信噪 比

多次累加 ,使得探测微弱信号 成为可能

操作界面

系统设计

技术参数

系统设计

直接数字合 成产生激发脉冲，相位精度： 0.1 度，频率分辨率 0.5Hz ， 脉冲分辨： 20nS.

信号放 大器： 40dB+72dB 。 射频功率放大器： 500W脉冲功率，

频率范围： 250kHz-12MHz, 上升 /下降时间： <100nS ，

马达驱动可变电容调谐。温度采集探头： Pt100.数据采集： 14 位 A/D ，时钟 50MHz 。探测腔灵敏体积： 10升。

五、系统调试及测试

模拟实验 (粗调 )—> 晶体

爆炸物实验 (细调 )

晶体实验：基本调试 FID

系统调试及测试

晶体实验：基本调试 频谱

系统调试及测试

爆炸物实验：提高灵敏度 50g RDX FID

系统调试及测试

系统调试及测试

50g RDX 频谱

系统调试及测试

10g RDX FID

系统调试及测试

10g RDX 频谱

系统调试及测试

数据处理

系统调试及测试

系统性能测试

测试样品：编号为 1号和 2号的 EMS包，其中

1号包 装填 10 克 RDX ，并装有若干纸张， 2号包只装有纸张若干

1号包 连续测试 100 次 . 报警 99次，可疑 1次，准确率 99% ，无漏报

2号包 连续测试 100 次 . 报警 0次，安全 100次，无误报

系统调试及测试

系统指标

灵敏体积： 10升（信件、快件 26X20 ） 检测爆炸物种类：塑性炸药（ RDX ）， C-

4, 塑 -4,聚黑 -2 高聚物粘结 , B 炸药 . 灵敏度：< 10 克 探测时间：< 15秒

系统通过 了奥运防暴安检装备专家验收自主研发的实用设备还需研发新的 NQR 技术 (激励 ,数据处

理… ),解决更多的爆炸物检测推广应用

六、总结

手提包检测系统

谢 谢谢 谢 !!