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缉毒之眼
先进制造
2017-12-29 09:25
作者  王迎新 杨祎罡 赵自然 金颖康

集高能多能谱X射线成像、光中子瞬发γ能谱分析与太赫兹光谱分析于一体的检测技术,可让集装箱内的毒品等危险物品无所遁形。

船只携带着货运集装箱在各个港口之间往来穿梭,是运输货物的重要渠道。然而绞尽脑汁的贩毒人员也打起了集装箱的主意。根据世界海关组织的通报,大量的毒品、易制毒化学品通过集装箱进行贩运,世界各国海关多次查获利用集装箱大宗贩毒的案件。大量毒品可能被混杂在冻鱼等货物内,难以觅其踪迹。在中国,虽然海关查获的利用货运集装箱走私毒品案件的数量较少,但单个案件的缴获量常常很大,货运渠道毒品走私风险依然突出。

为了识别出集装箱内可能藏有的毒品,海关可以对集装箱进行开箱查验,但这需要耗费大量人力物力资源,且效率不高;更好的办法是先利用集装箱查验装备进行不开箱查验,判断可能存在毒品后再进行开箱检查以进一步确认,这样不仅可以有效减少海关监管的繁重劳动,还可以提高监管和查验效率。

对集装箱进行不开箱查验,国际上研究或应用的主要技术有X射线成像、计算机断层描(CT)技术和中子技术等。就X射线成像而言,双能量技术可以分辨有机物和无机物,但对毒品检测不具有特异性。CT技术可以实现对密度的精密测量,但成本高、扫描时间长,并不适合实际应用。相较之下,中子技术可从元素层面鉴别物质,在毒品、爆炸物等违禁物品检测中具有一定优势,但也存在各种各样的问题,或是误报率较高(如美国Rapiscan公司的热中子技术产品),或是成本高昂(如美国Ancore公司的脉冲快中子技术产品),或是需要中子发生器(如国内的同方威视技术股份有限公司推出的基于快中子技术的航空集装箱检测产品)。此外,还有一些中子技术尚处于实验室阶段,如利用具有连续能谱的快中子与被检测物体发生共振散射来实现物质识别与成像的技术、利用核材料在受中子照射后会放出缓发中子的特性来进行核材料检测的中子衰减时间差异法等。

而对于后续的开箱检查,需要进一步从分子结构水平在现场快速鉴识嫌疑物品是否为毒品并进行成分确认,国际上的主流技术有离子迁移谱(IMS)检测、拉曼光谱分析技术、快速检测箱/立显剂等。离子迁移谱检测技术将被分析物质微粒或挥发的气体收集起来实现痕量分析,具有很高的探测灵敏度,能达到纳克量级,是现场毒品快速鉴定的有效工具;但现场干扰物的存在会对探测结果造成一定影响,因此其物质分辨能力有限。拉曼光谱分析技术利用有机物分子同入射光作用之后的拉曼散射光谱得到分子振动、转动信息,根据不同分子结构所具有的不同特征光谱进行物质鉴别,具有快速简便的特点;但是样品状态、测定方式及外界条件会影响测量结果,并且只能检测样品表面成分,而无法分析其内部信息。快速检测箱/立显剂通过毒品与特定化学试剂反应所生成产物的颜色或沉淀物形态来鉴定毒品,可检测微克量级的毒品,检测速度快,操作简单,对毒品的针对性强、准确性高,但可探测毒品种类十分有限。新兴的非接触式检测技术——太赫兹光谱分析——是一种更好的选择,它能够提供化学物质的“指纹”信息,并且太赫兹辐射对非金属包装或遮挡材料有较好的穿透性,这对于毒品的现场快速鉴别有着特殊的价值;但目前太赫兹光谱技术用于毒品检测的研究尚处于实验室阶段,国内外只有关于毒品在太赫兹波段光谱特性的理论和实验研究,并无专用的现场检测仪器。

面对各有所长同时也各有所短的技术,如何才能提高集装箱毒品的查验准确率和效率呢?清华大学与同方威视技术股份有限公司的研究团队,与海关总署缉私局合作,在国家科技支撑计划课题“利用谱成像分析进行集装箱查毒技术和装备研究”的支持下,提出了将不同技术相结合的方式:将高能多能谱X射线成像在成像能力、检测速度方面的优势,光中子瞬发γ能谱分析技术在元素识别方面的优势以及太赫兹光谱分析技术在分子结构识别方面的优势充分结合起来,实现对集装箱藏毒的有效检测。具体思路是首先在不开箱的情况下,通过高能多能谱X射线成像和光中子瞬发γ能谱分析获取的形状、材料和元素信息,初步判断集装箱中是否可能藏有毒品并给出藏匿的位置,然后打开集装箱取出嫌疑物,通过太赫兹时域光谱分析检测其分子结构信息,进一步分析确认是否为毒品并判定毒品种类。这相当于提供了一双能洞彻事物的眼睛,有望让藏匿在集装箱内的毒品无所遁形。

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研究团队将高能多能谱X射线成像与光中子瞬发γ能谱分析技术相结合,研发出集二者优势于一体的装置,如图1所示。在该装置中,由加速器产生的高能双能X射线穿过集装箱,对集装箱进行透视成像,得到其内部物体的形状图像和有机物/无机物分类信息;同时X射线激发中子靶(重水靶或铍靶)发生光核反应,产生光中子,光中子在由石墨构成的散射空间内形成一个较强的快/热中子混合场,经过慢化后的中子与待检物中的核素发生核反应,核素吸收中子后放出具有特征能量的γ射线。利用γ探测器NaI(Tl)测量不同核素发射出的特征γ射线,得到感兴趣核素的特征γ强度分布图,也就是感兴趣核素(元素)在待测物体中的分布图。将中子提供的元素分布信息与X射线成像信息相结合,即可实现对可疑毒品的定位与检出,如图2所示。

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在研究过程中,研究团队完成了重水和铍两种光中子源的制备,经测试,光中子产额在每秒100亿个以上。利用自行制备的光中子源,研究团队开展了γ能谱测量实验,完成了光中子瞬发γ能谱能量刻度以及元素提取方法的研究。在元素识别实验中,研究团队在没有钢板遮挡的情况下摆放含有氢、氮、铁、氯这4种元素的不同物体,获取了这4种元素的分布图且其结果与实际情况吻合,证明了利用光中子瞬发γ能谱分析技术从元素的角度鉴别物质的可行性。研究团队还在基于加速器的高能多能谱X射线成像大型实验系统上升级开发了光中子瞬发γ能谱分析功能,对铁板屏蔽情况下的毒品模拟物进行了测量,可以在1秒的时间内准确检测出藏在5厘米厚铁板后的6.23千克******模拟物,证明高能多能谱X射线成像和光中子瞬发γ能谱分析技术能够取长补短,快速、有效地检测集装箱内藏匿的大宗毒品。

利用集成了高能多能谱X射线成像与光中子瞬发γ能谱分析的装置检测后,若显示集装箱内藏有毒品等违禁物品疑似物,则可以利用太赫兹时域光谱分析进一步识别毒品的种类和成分。

太赫兹时域光谱分析的光路原理为(见图3):飞秒激光器产生的飞秒激光经过分束镜后分成两束光,其中,透射的一束作为激发光,聚焦到外加偏置电压的光电导天线上,激发自由载流子,产生太赫兹波,太赫兹波经过抛物面镜和透镜后聚焦到样品上,透射样品之后会聚到ZnTe探测晶体上;被分束镜反射的一束光作为探测光,经过延迟线及硅片反射后与太赫兹波共线传播到ZnTe晶体上。太赫兹波作用于ZnTe晶体,使得线偏振的探测光变成椭圆偏振,探测光经λ/4波片和渥拉斯顿棱镜后被分成两个相互垂直的分量并由差分探测器测量,其光强差与太赫兹波的瞬时电场强度成正比。调节延迟线以改变激发光与探测光之间的光程差,可以在不同时刻对太赫兹波电场强度进行取样测量,从而得到太赫兹波的时域波形,通过傅里叶变换可得到太赫兹脉冲的频谱。测量与被检测样品相互作用前后的太赫兹脉冲波形,可提取样品的太赫兹光谱信息;利用太赫兹光谱的吸收特征即可鉴别物质种类或成分。毒品在太赫兹波段有显著的光谱特征(如图4所示),并且太赫兹波对常规非金属包装材料有良好的穿透性,因而可以通过该技术实现从分子结构水平准确判定鉴别毒品。

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研究团队建立了含有海洛因、******、可卡因、氯胺酮、吗啡、摇头丸、麻古、麻黄碱等20种典型毒品及易制毒化学品的太赫兹光谱数据库,并提出了基于多尺度线性拟合的太赫兹光谱拟合方法,包括多尺度寻峰、精确确定洛伦兹峰位和峰宽以及约束最小二乘求解3个步骤。由于同时知道了峰位、峰宽等信息,该方法可用于存在包装或遮挡材料干扰以及混合成分未知情况下的物质识别与分析,抗干扰能力强,适用于毒品的现场鉴别。为了使结果更加准确,研究团队自主研发了基于光纤飞秒激光器激发光电导天线产生、电光晶体探测太赫兹脉冲的光谱分析装置,攻克了高信噪比的脉冲高压控制、差分探测、锁相放大及延迟线控制等数据采集与电子学控制技术。

最终,通过增加系统便携性、加快太赫兹波形的采集速度、提高光谱的分辨率、改善信噪比、拓展光谱带宽等,成功研制出用于毒品现场鉴定的太赫兹时域光谱仪样机(如图5所示)。该光谱仪样机的外形尺寸为58 厘米×39厘米×25厘米,集成了约20种常见毒品的光谱数据,可鉴别有效体积大于0.07立方厘米的毒品嫌疑物,检测速度为20秒/次,可有效鉴定******、氯胺酮、可卡因、吗啡、摇头丸、咖啡因等毒品。

总的来说,研究团队提出的方法将高能多能谱X射线成像技术、光中子瞬发γ能谱分析技术和太赫兹光谱分析技术的优势相结合,实际上是通过形状、材料、元素和分子结构等各方面信息对集装箱藏毒进行检测,这种全新的思路对于解决毒品等违禁物品在集装箱内通过货运渠道贩运的问题具有重要的意义。

在研究层面,对于光中子技术,针对元素识别算法的效果会受待检物情况(大小、屏蔽)影响的问题,研究团队接下来将进一步提升算法的稳健性,从而提高元素的位置分辨率;对于太赫兹光谱技术,将优化改进光谱仪样机的机械稳定性,提升太赫兹信号的信噪比和光谱带宽,提升毒品识别及探测能力。在实战层面,清华大学与同方威视技术股份有限公司正在研发将高能多能谱X射线成像与光中子技术相结合的查毒设备产品,并计划在2018年赴海关集装箱查验现场开展实战测试。研究团队研发的准确度和效率更高的检测技术一旦发展成熟,将不仅可用于海关进出口集装箱查验,提升海关缉查毒品走私的能力,还可用于边境关卡的货运车辆检查,将各种危险品阻截于国门之外。届时,毒品等各类违禁和危险物品将再难逃过监管人员的法眼。

致谢:感谢国家科技支撑计划课题“利用谱成像分析进行集装箱查毒技术和装备研究”(课题编号:2013BAK14B03)的支持。

作者:王迎新、杨祎罡、赵自然、金颖康

(王迎新,清华大学工程物理系助理研究员;杨祎罡,清华大学工程物理系副教授;赵自然,清华大学工程物理系研究员;金颖康,同方威视技术股份有限公司高级工程师。)

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