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[2011-3-29]
 
【安防知识网】众所周知,大规模杀伤性武器的存在可能造成不可估量的伤亡和财产损失,因此对先进的探测技术一直存在迫切要求。为应对此类威胁,化学、生物、放射性及核物质探测器随之应运而生。
  2010年10月29日,即将从也门起飞前往美国的货运飞机上,在两个看起来稀松平常的包裹中发现藏有炸弹,炸弹使用的是塑胶炸药,并安装了起爆装置,虽然并未造成人员伤亡,但自此以后,美国航空旅行的检查比以往更加严格了。大规模杀伤性武器所引起的恐怖事件告诉我们,化学(chemical)、生物(biological)、放射性(radiological)及核物质(nuclear)(简称为CBRN)袭击并非只出现在遥远的战场。
  CBRN探测技术背景
  CBRN探测器能够对各种有害物质的袭击更加及时地做出反应。过去手持探测器技术都是基于离子迁移率光谱测定技术(ion mobility spectrometry,简称IMS),这种技术目前仍在广泛使用。Hotzone Solutions公司总经理Dieter Rothbacher 指出:“虽然采用IMS技术的仪器能够探测到可疑物质的存在,却并不能确定是什么物质,也不能通过分析获得更多信息。”
  近年,越来越多的探测产品开始采用傅立叶变化红外光谱分析技术(Fourier transform IR spectrometry,简称FTIR)。Rothbacher说:“基于FTIR技术的设备仪器除了能够对液态和固体的物质进行分析,还能提供一些客观存在的气态物质的相关信息。并且越来越多的仪器本身内建了数据库,这样可以对当时的情况做出判断,可以及时为用户提供相关的现场信息。”目前此类设备的探测技术在灵敏度和可靠性上都有了长足进步,从而大大提高了探测准确率。
  Idaho技术公司生物防卫部市场经理Lou Banks表示,在生物制剂探测方面,聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,简称PCR)技术已经成熟,已经走出实验室,开始应用在手持生物制剂探测仪上。他认为:“PCR作为一项分子技术,能够探测到病原体DNA的数量,从而大大提高了灵敏度。”www.ztwl.cn
  基质辅助激光解吸-飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight,简称MALDI-TOF)技术的发展推动了生物制剂探测的进步。IB咨询公司的咨询师Rutger Gaasbeek认为:“在对物质进行判断方面,PCR仍然是首选技术,但是业内仍在努力开发MALDI-TOF技术。这些技术目前大多出于军事目的而开发,未来必将逐渐进入民用,如医疗等领域。”
  通过化学试剂增强探测能力主要是为了获得更多的检测范围和更高的灵敏度。“过去,只有化学战剂(CWA)探测能力扩展到了包含30种有毒工业及化学气体,“Environics公司研发部门副总裁Osmo Anttalainen提到,“近些年来,手持式探测器逐渐能够探测到更多的气体,从而更好地满足了民用安保对探测的需求。”
  放射性探测器通常分为两类:人体辐射探测器(personal-radiation detector,简称PRD)和放射性同位素识别装置 (radioactiveisotope identification devices,简称RIID)。Morpho Detection公司项目经理Lester Koga说:“PRD通常用于个人防护和基础研究。而RIID则用于识别放射性同位素,从而确定受测物的危险等级,比如特殊核物质、医疗核物质、工业核材料或者自然界产生的放射性物质。”
  要想确定探测到的辐射源是来自化疗病人还是特殊的核材料,精确度就显得十分重要。“一般来说,能量分辨率的百分比越低,说明放射性同位素探测的读数越精确,产生的误判就越少,”Koga表示。
  对于小于1%的能量分辨率,高纯度锗(HPGe))是可用的最佳基准物质,但是在室温情况下无法利用其进行操作,因此需要进行低温冷却。这限制了此类探测设备的尺寸、重量和电池使用时间,Koga解释道。
  使用新的探测材料,如碲化镉锌(CZT),可在不降低放射性探测精度的情况下减轻探测设备的重量,同时满足便携的要求。Koga指出:“CZT可达到小于2%的能量分辨率,提高了检出概率,与碘化纳相比,能够更准确地识别放射性同位素,其携带也比HPGe材料的探测器更为方便。”CZT与廉价的普通碘化纳材料探测器相比,其应用障碍在于其高昂的价格。
  第一道防卫线
  相对于便携式设备来说,使用固定设备上往往会造成体积过分庞大,且功耗的要求也无法满足,但事实上,在手持式、移动式及固定式探测器上所使用的基本的传感器技术仍然一致。人们在研发上投入了大量精力,期望开发出轻便、可持久使用的便携式探测器。同时使各种仪器,包括便携式和固定仪器,具备更强的CBRN探测能力。其中最主要的区分在于仪器的使用者对的目的都各不相同。Field Forensics首席执行官Craig Johnson认为:“CBRN方面的专家、执法人员以及应急行动人员由于任务各异,对于探测器的使用会有不同的要求。在各种情况下,为了达到最佳的效果,也需要使用特定的设备。”www.ztwl.cn
  由于使用者期望实现的目标,以及任务要求的不同,手持、移动及固定探测仪使用都比较频繁。Rothbacher说,探测器的检测范围越广,就越昂贵。利用仪器设备内置的软件可进行细微的调整与故障诊断,而在一些其他设备内的软件根本不能根据不同情况进行调制。迄今为止,第三方仪器和内嵌软件还都不具备兼容性。
  手持式设备外形尺寸、重量和能耗都受到限制,移动与固定系统受到这些因素的影响则较少,因此可以具备更佳性能,Anttalainen表示,还需要考虑易用性和维护要求的差异性。值得注意的是移动式探测仪也可当作固定探测仪使用,在一个控制管理中心的庞大探测网络中充当一个节点。只要具备充裕的电池供电能力,移动探测仪可以持续使用更长时间。
  金融危机对CBRN也产生了冲击。“经济衰退造成了政府资金的减少,这确实影响了全球许多国家政府的采购习惯,例如美国,以及欧洲、亚洲的一些国家,”Rothbacher说。一些新兴地区市受到的影响却比较小,如经济增长较快的新兴经济体,商机较多。
  一些厂商停止了在研发上的投入,这有可能使得一些正在开发的技术夭折。“削减预算对新型传感器,尤其是军事环境中所使用的传感器的研发产生了相当大的影响。不过,经济衰退也许并非研发速度放缓的主要原因。Monica Heyl Associates公司首席执行官Monica Heyl表示,在美国,军方和国土防卫的需求是不能打折扣的,这也许就是新品研发计划需要放在首要位置的原因。
  探测网络
  从某种意义上来说,一台探测仪,无论是手持、移动还是固定设备,都是一个CBRN探测、分析及识别设备网络中的前端工具。探测器所提供的数据即可作为独立的工具,也可作为网络的一部分,这个工具或网络将对危险物质做出正确判断和识别,从而协助移动或固定检验室的工作。“当进入可能发生CBRN行为的建筑内时,手持式检测仪是很有用的,因为它能够发出警告,并确定可疑物质的位置,”Heyl说道,“稍后可以在实验设备中对可疑物质进行进一步分析,从而做出细致而又精确的鉴定,这些设备可以是移动设备、组合设备或是固定设备。”
  基于法律和取证意图,对特定物质的探测和识别取决于不同客户与国家的具体要求。Anttalainen表示:“通常情况下需对独立的多个样本进行实验室分析,以确定探测的结果。然而这取决于用户。探测器设备商可帮助用户选择适当的取样与分析方法,并使用探测器对取样区域进行检测。”www.ztwl.cn
  数据和样本的传输
  将测得数据传输到中央数据库主要有两种方式。第一种,对于诸如放射线这样的无形危险,手持式辐射探测器的内置空间可以存储其频谱记录。Koga提到:“目的是为了在放射源进行检测之后,进行非现场的进一步分析,或将记录下来的频谱发送给配备了更加强大设备的相关小组或部门,以进行更高级的分析。”探测器检测到的电子信号也可以通过无线或有线传输方式传送到中央数据库,以进一步查询或研究。而且CBRN探测器可与其他安防系统相连接,只要它们之间的接口相互兼容。
  第二种传送主要是针对有形物质,如化学、生物制剂与气体的威胁。除了要探测到这些威胁以外,现场工程师还需要收集样本以便进行进一步测试和实验室分析。Heyl说道:“简单地说,通过收集样本,并使用预先清理干净的容器呈放好,然后进行双层包装,放入另一个容器送到指定的实验室。”
  现在,移动实验室得到了越来越多的应用。使用它,可以在采样后立即进行测试分析,以尽快获得结果。“这些实验室是现场危险评估方面的重要进步,”Germfree公司总裁Keith Landy说道。
  移动实验室是灵活、可靠的,即使在严酷的天气中,仍然坚固耐用。Heyl表示:“在事发现场向事件负责人汇报信息,有助于做出及时的决策,以保护生命、设施及环境的完整和安全。移动实验室能够将可靠的数据发送给事件负责人。”另外,移动实验室还能对样本进行存档,然后将样本和相关数据提供给固定实验室,进行长期保存。尤其在调查司法案件时,样本往往需要在适当的环境下进行储存,以满足将来法庭取证的要求。当确认不再需要这些样本时,专家即可在实验室内将其处理掉。
  只要采取了正确的方式,完整地储存样本、保存证据的移动或固定实验室,均可使样本得到良好的保存。如保险箱、监控摄像机、环境控制设备及控制记录仪等,都是实验室内常用的设备。在指定的入口处安装的生物识别设备,如视网膜和指纹识别设备,也是常用的附加设备。“新的安防技术越来越方便,也越来越廉价,这使得我们可以采用各种安全手段更加方便地将样本保存在移动和固定实验室中,”Heyl说,“为了保证样本的完整性,样本及相关信息,如一系列的保管记录等,必须在适当的环境里保存,以确保在司法过程中不失去其价值。”
  数据安全www.ztwl.cn
  收集探测器探测到的可疑物质信息,仅仅完成了工作的一半。当不明物质被确定后,需将探测数据发送给相关机构,以便对识别结果进行检查,采取进一步行动。Gaasbeek提到:“当前有一种趋势,即将多台探测器或报告的数据集成在一个用户界面中,从而使得大厦业主或应急人员对环境了如指掌。这种趋势在重大基础设施的集成化安防系统或是应急软件系统中比较常见。在这些环境中,常将模型与地理信息系统结合起来,以获得对环境的最佳了解。”
  有些与CBRN应急处置相关的信息需要告知公众,但如果将这些信息进行收集、集成,并与其他信息相关联起来,就将成为机密,仅仅允许在一个特定的体系内共享。Johnson 说道:“对于旨在对CBRN事件做出慎重与协同处置的机构来说,数据安全是至关重要的。为了防止泄密,常见的策略是对数据进行加密与分区隔离。”
  目前,还未发现有国家级或跨国的数据库互通,虽然确实存在各国政府机构间的协作。“在美国,类似国家核检测办公室和能源部这样的机构往往签有协议,为本地、各州及联邦机构提供一切必要的支持,”Koga说道。
  更新、标准、测试与培训
  技术的更新换代是否成功,取决于厂商能够为客户带来什么。Johnson 认为:“对于新推出的技术,会有大约5-10%的客户愿意掏腰包,而其余的则会守着原有技术,抱着等等看的心态。他们观望是为了看一看新技术是否会被接受。比较特殊的是,一些新技术一诞生就解决了某种悬而未绝的问题,比如货物检查中的气味探测,或是这种技术是由管理机构强行推广的。”然而,通常技术升级只会出现在一次性设备或有固定周期可重复使用的配件和软件,硬件的升级则比较少见,因为客户宁愿购买最新的产品,而不是对现有的硬件进行更新。一些业内专家发现,军方往往是最新硬件产品的主要购买者。
  目前CBRN探测仪尚无现成标准。Rothbacher透露:“在欧洲,CBRN检测设备测试机构联盟EU CREATIF正试图制订一套欧洲测试标准。”北约也对探测器测试提出了基本要求和环境标准。这些标准往往适用于军事领域,而并不适合民用市场,因为在民用市场,对威胁等级有着不同的定义。Gaasbeek认为:“如果测试标准制订时考虑的是恐怖袭击的情况,那么其关注点会放在对更高的灵敏度和精确度的要求上。这些新标准看来无法在短期内****,但在军事应用上也不可能降低所针对的威胁等级。”
  CBRN探测仪现场测量规范的完善尚待时日。“由于探测仪器现场实际使用的经验仍比较有限,用户还很难了解某种探测仪的优点和缺点,因此要想调整或改善现有规范并非易事,”Gaasbeek称。客户仍需完全了解所采购的仪器设备的性能,并确定它们是否能够达到系统所需要的功能。
  第三方实验室检测是解决这种问题的一个方法,它可以替代现场检测,我们不可能在一个机场拿真的核武器来测试仪器设备的灵敏度。Anttalainen指出:“通常,仪器设备的性能证明文件是第三方研究机构实验室提供的测试报告。大多数情况下,客户在采购阶段会在本国的国家实验室对产品进行检测,并由最终用户进行现场测试。”
  测试被限定在特殊的区域,用户可以使用CBRN检测模拟器进行培训。Argon电子公司销售及市场经理John Saunders表示:“如今所采购的探测器使用的技术多种多样,以满足到不同的工作参数,从而提出了相互验证的要求。这就要求我们拥有对多种仪器操作进行培训的能力。我们很难使用真正的探测器来达到这种要求,但是可以利用集成的模拟训练系统来实现。”为了达到培训的目的,用户已经开始购买模拟设备来代替昂贵的探测仪器进行训练。
  在市场需求的驱动下,CBRN产业现有的技术必将走向成熟。长期的研发投入也会不断促进现有产品的改善,以获得更高的灵敏度和准确率。而在民用领域终,尤其是医疗领域,将会采用专业化的探测技术以获取更高的诊断精度和更快的探测速度。Heyl表示:“在美国,业界与政府紧密合作,共同努力保持技术领先。例如,将战场医疗技术移植到工业与商业实用科技中来。另外一种发展方向,是机器人的研制。过去为军事目的研制的机器人,现在为了工业及医疗的需要,也开始在民用领域使用。”

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