安检探测器能检测

据物理学家组织网6月4日报道，美国马里兰大学纳米物理和先进材料中心的研究人员开发出一种新型热电子辐射热测量计，这种红外光敏探测器能广泛应用于生化武器的远距离探测、机场安检扫描仪等安全成像技术领域，并促进对于宇宙结构的研究等。相关研究报告发表在6月3日出版的《自然纳米技术》杂志上。 　　科学家利用双层石墨烯研发了这款辐射热测量计。石墨烯具有完全零能耗的带隙，因此其能吸收任何能量形式的光子，特别是能量极低的光子，如太赫兹或红外及亚毫米波等。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。光子带隙结构能使某些波段的电磁波完全不能在其中传播，于是在频谱上形成带隙。 　　而石墨烯的另一特性也使其十分适合作为光子吸收器：吸收能量的电子仍能保持自身的高效，不会因为材料原子的振动而损失能量。同时，这一特性还使得石墨烯具有极低的电阻。研究人员正是基于石墨烯的这两种特性设计出了热电子辐射热测量计，它能通过测量电阻的变化而工作，这种变化是由电子吸光之后自身变热所致。 　　通常来说，石墨烯的电阻几乎不受温度的影响，并不适用于辐射热测量计。因此研究人员采用了一种特别的技巧：当双层石墨烯暴露于电场时，其具有一个大小适中的带隙，既可将电阻和温度联系起来，又可保持其吸收低能量红外光子的能力。 　　研究人员发现，在5开氏度的情况下，新型辐射热测量计可达到与现有辐射热测量计同等的灵敏度，但速度可增快1000多倍。他们推测其可在更低的温度下，超越目前所有的探测技术。 　　新装置作为快速、敏感、低噪声的亚毫米波探测器尤具前景。亚毫米波的光子由相对凉爽的星际分子所发出，因此很难被探测到。通过观察这些星际分子云，天文学家能够研究恒星和星系形成的早期阶段。而敏感的亚毫米波探测器能帮助构建新的天文台，确定十分遥远的年轻星系的红移和质量，从而推进有关暗能量和宇宙结构发展的研究。 　　虽然一些挑战仍然存在，比如双层石墨烯只能吸收很少部分的入射光，这使得新型辐射热测量计要比使用其他材料的类似设备具备更高的电阻，因而很难在高频下正常工作，但研究人员称，他们正在努力改进自身的设计以克服上述困难，其亦对石墨烯作为光电探测材料的光明前景抱有极大信心。

据美国物理学家组织网2月7日报道，瑞典查尔姆斯理工大学的科学家开发出迄今世界上最灵敏的新式声波探测器，能检测到量子水平的声波。该研究有望带来一种将声子和电子结合在一起的量子电路，为量子物理开辟新的研究方向。相关论文发表在最近出版的《自然物理学》上。 　　这种“量子麦克”探测器是一种压电耦合单电子晶体管，这种晶体管中通过电流时，一次只过一个电子。研究小组模拟了卵石投入池塘形成的涟漪，并让这种声波在微晶片的表面而不是在空气中传播。这种声波波长仅3微米，但声波传过来时，探测器能迅速感知到。 　　他们还在芯片表面制作了一种3毫米长的回音腔，这样即使声音在晶体上传播的速度是其在空气中的10倍，探测器也能够极灵敏地追踪声波脉冲在回音腔壁之间来回反射，由此能清晰检出声波的性质。 　　研究人员指出，这种表面声波探测对波峰高度只有质子直径的百分之几的声波敏感，探测灵敏度在单个声子水平，频率为932兆赫兹。如此轻微的声音遵从量子力学法则而不是经典力学法则，其性质更像是光。 　　“该实验是用经典声波来做的，但我们把各项准备工作就绪，却发现研究的是标准的量子声波，此前还没有人做过这样的实验。”论文第一作者、博士生马丁古斯塔夫森说。 　　“量子麦克”探测器能检测的声波不仅极其轻微，其频率几乎达到了1千兆赫，比一组A音高21个八度。这种音调对人类听觉而言是太高了。研究人员还指出，他们的项目将表面声波的独特性和量子电路紧密结合在一起，为研究开辟了新方向，如声子—声子的相互作用、声波结合超导量子比特研究等。

p 　　在机场中，美国运输安全管理局(TSA)的工作人员扫描检测你的手以及笔记本电脑等等物品时所使用的技术正是“痕量检测”的一种形式——离子迁移谱(ion mobility spectroscopy)。在几秒钟之内，样品首先被汽化成了化学离子，然后探测器再通过其分子大小和形状来识别其是否为爆炸物，而如果确实是爆炸物就会触发警报。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 1_副本.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201610/insimg/a7e49f29-6fda-4c6b-8e08-171b8b3924c1.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" span style=" FONT-SIZE: 14px COLOR: #0070c0" strong 接触式取样可以是一种非常有效的方式，但其前提是恐怖分子必须在到达袭击目标前接受安检 /strong /span /p p 　　但当待测对象较多时，这种手段就变得既费时又费力，而且其有效性很大程度上依赖于工作人员的取样水平。此外，这种技术还需要接触式取样，也就是说安检人员不得不接触到那些有可能存在残留物的物体表面。因此，当不法之徒不打算通过安检，他们的个人物品也没有机会被搜查时，这种技术就毫无用武之地了。 /p p 　　还有一些安检小队则依靠训练过的狗，利用它们灵敏的嗅觉来嗅出爆炸物。可是例行部署探测犬的背后意味着极为繁重的后勤和训练工作。与此同时，直接用狗近身检测也可能使某些特殊文化背景的旅客感到反感。 /p p 　　于是，研究人员长久以来都致力于开发一种新型的，可以像犬类一样“嗅”出爆炸物蒸汽的化学探测技术。不过这些年来很多尝试都由于灵敏度不够而失败了。针对这个问题，我们的研究小组已经从事了近20年的研究工作并且取得了很大的进展。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 2_副本.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201610/insimg/28c5d07c-f408-4123-9e84-1af6f5300f37.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" span style=" FONT-SIZE: 14px COLOR: #0070c0" strong 　　在机场里，炸弹嗅探犬是安检人员的好拍档 /strong /span /p p 　　 strong 越来越灵敏 /strong /p p 　　想要设计一种能与狗鼻子相匹敌的技术，其最大的难点在于绝大部分爆炸物的饱和蒸气压都非常非常的低。某个材料的“平衡蒸气压”从根本上说是在一个特定温度的理想条件下，空气中该材料的含量有多少(也就是可供探测的含量有多少)。 /p p 　　全世界的军队普遍使用的含氮有机炸药(如TNT，RDX和PETN)的平衡蒸汽压只有万亿分之一左右。换句话说，如果想要在实际的工作环境中(如机场中拥挤忙碌的登机区)可靠地嗅出这些爆炸物的蒸汽，探测器的灵敏度必须达到千万亿分之一(ppq)的水平。 /p p 　　可是这已经超过了痕量检测设备的能力范围。要知道，拥有325ppq的探测水平就相当于能够在整个地球的范围内找到一棵特定的树。 /p p 　　不过，近期的研究已经将探测水平推进到了千万亿分之一这样的范围。在2008年，一个国际小组使用一种称为二次电喷雾电离质谱分析的先进电离技术，达到了比探测TNT和PETN所需的万亿分之一更优的探测水平。 /p p 　　在2012年，我们在美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究组通过使用大气流管质谱分析(AFT-MS)成功对平衡蒸气压低于25ppq的RDX蒸汽进行了直接、实时的探测。 /p p 　　质谱仪的灵敏度取决于有多少目标分子能够被电离并转移进入质谱仪以供探测。这个过程进行的越充分，其灵敏度就会越高。我们的AFT-MS设计的特别之处就在于它利用时间来最大化爆炸物蒸汽分子与离子源产生的空气离子之间发生碰撞的几率。正是这些空气离子与爆炸物分子之间反应的程度决定了灵敏度的高低。AFT-MS的使用，让我们在今天有能力探测到一系列平衡蒸气压低于10ppq水平的爆炸物。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 3_副本.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201610/insimg/9942068c-b47e-4832-84ab-06d563e6f5da.jpg" / img title=" 3_副本.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201610/insimg/e55e63e6-dc03-4db6-9737-4b229f5353ec.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" span style=" FONT-SIZE: 14px COLOR: #0070c0" strong 完美简洁的AFT-MS装置原理示意图 /strong /span /p p 　 strong 　下一步：投入实际使用 /strong /p p 　　因此，我们目前研发出来的爆炸物化学探测仪器已经不必再受制于接触式取样，而是可以和犬类一样去“嗅”出炸药的味道。 /p p 　　该仪器为安全检查提供了令人振奋的新的可能性：第一，它具有与犬类相似的爆炸物蒸汽探测的能力，第二，它可以连续不间断地工作。痕量探测的取样不再需要直接接触待测的可疑物品。而工程师则可以设计出一种非侵入的“穿行式”爆炸物探测装置，一如那些我们常见的金属探测器。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 4_副本.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201610/insimg/40e61eee-2199-48e1-a666-1ea3cc793029.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" span style=" FONT-SIZE: 14px COLOR: #0070c0" strong PNNL的研究人员Robert Ewing正在往探测器中放置痕量蒸汽样品 /strong /span /p p 　　这项技术真正的创新之处在于其极高的灵敏度，这使得它可以对蒸汽羽流进行直接探测。因此我们不用再先收集爆炸物颗粒，然后再将其气化(比如在过去的痕量探测技术中，为了取出人们身上的颗粒而使用噪音非常大的空气喷嘴)。现在，更高的灵敏度意味着当旅客们穿行而过时，我们就能够对空气中的爆炸物分子进行连续不断的采样了。 /p p 　　该技术手段毫无疑问会让机场安检变得更轻松，同时还能大大提高安检口的吞吐能力，改善旅客们的体验。我们也可以将该类型的装置置于机场航站楼或者其他公共设施的入口处，炸药一旦进入这栋建筑就可以立刻被探测到(而不是仅仅当炸药通过安检口时才能探测)，这显然将大大提高公共场所的安全性。 /p p 　　通过增加一个扫描器可用的信息独立模块，该蒸汽探测性能也可以加强安全性。目前，包括X射线和毫米波成像等在内的大多数安检技术都是基于对异常状况的观测，也就是说TSA的工作人员们会从影像中找出那些看起来形状可疑的物体。而蒸汽探测技术可以为他们提供一个能够识别特定化学品的全新工具。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 5_副本.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201610/insimg/ddef1337-8871-4ed1-b9b3-de39ba4dee9c.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" span style=" FONT-SIZE: 14px COLOR: #0070c0" strong 同一地点、同一时间进行两种检测——利用质谱仪进行的蒸汽探测和利用目前部署的全身扫描仪进行的视觉成像 /strong /span /p p 　　两种技术的整合将为我们提供一种双管齐下的爆炸物探测手段：当检测一个人或者包裹时，我们既能够观察爆炸物的影像，又可以“闻”到它散发出的蒸汽羽流。就好比如果你想认出一个久未谋面的人，你很可能既需要看一看他的近照，同时还需要听一听他的声音，而不是只需要这两样信息中的一种。 /p p 　　受到了狗鼻子那强大探测能力的启发，我们已经在发展能与之比肩的探测技术的道路上取得了可喜的进展。这种以爆炸物为目标的蒸汽探测技术既可以有效提高公共场所的安全系数，又可以让安检环境变得不那么扰人。下一步的研究则是在继续优化这项技术的同时尽量降低其成本，最终目的是让这些探测器能够在你身边的每一座机场中大显身手。 /p p & nbsp /p