(57)【要約】  爆発物のようなエネルギー物質を検出する方法は、エネルギー物質の粒子を含むサンプルエリアを付勢することを含む。この方法では、サンプルエリアからの温度特性が監視され、そして粒子の発熱分解から放出された温度が検出される。この方法は、更に、検出された温度を分析して、分解を生じさせた発熱化合物の存在を決定することを含む。【選択図】図１
2009517630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
爆発物のようなエネルギー物質を検出する方法において、
エネルギー物質の粒子を含み得るサンプルエリアを付勢するステップと、
前記サンプルエリアからの温度特性を監視するステップと、
前記エネルギー物質の粒子が存在するときにその粒子の発熱分解から放出される温度を検出するステップと、
前記監視された温度特性を分析して前記粒子が存在するかどうか決定するステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
サンプルエリアを付勢する前記ステップは、サンプルエリアを抵抗加熱する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
サンプルエリアを抵抗加熱する前記段階は、導電性採取物質に電流を付与することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
導電性採取物質に電流を付与することは、メタルメッシュに電流を付与することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
導電性採取物質に電流を付与することは、段階的電流を付与することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
導電性採取物質に電流を付与することは、傾斜電流を付与することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
サンプル媒体を付勢する前記ステップは、サンプルエリアを放射加熱する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
サンプルエリアを放射加熱する前記段階は、前記サンプルエリアをフラッシュランプでフラッシュすることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
サンプルエリアを放射加熱する前記段階は、レーザを使用することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
サンプルエリアを放射加熱する前記段階は、サンプルエリアを放射加熱するのに使用される装置の隣接近隣を越えた距離からサンプルエリアを放射加熱することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
温度特性を監視する前記ステップは、赤外線放射を監視する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
粒子の発熱分解から放出される温度を検出する前記ステップは、トリアセトン・トリパーオキサイドの発熱分解から放出される温度を検出する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
検出された温度を分析する前記ステップは、ピクセルとバックグランド温度との間の差に対する温度データを分析する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
検出された温度を分析する前記ステップは、温度データの時間に対する変化を分析する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
検出された温度を分析する前記ステップは、温度データを分析して、発熱分解を受けた物質の分解の熱を決定する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
検出された温度を分析する前記ステップは、温度データを分析して、発熱分解を受けた物質の活性化エネルギーを決定する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記決定された分解の熱又は活性化エネルギーを使用して、発熱分解を受けた物質の特定形式又は分類を決定するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
燃焼のために得られる大気酸素を下げるステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
大気酸素を下げる前記ステップは、空気圧を下げる段階を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
大気酸素を下げる前記ステップは、非反応ガスを導入する段階を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
爆発物のようなエネルギー物質を検出するシステムにおいて、
エネルギー物質の粒子を含むサンプルエリアを付勢するように構成されたサンプル付勢装置と、
前記サンプルエリアからの温度特性を監視して、粒子の発熱分解から放出される温度を検出するように構成されたセンサと、
前記検出された温度を分析して、前記分解を引き起こした発熱化合物の存在を決定するように構成された分析装置と、
を備えたシステム。
【請求項２２】
前記サンプル付勢装置は、前記サンプルエリアを抵抗加熱するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記サンプル付勢装置は、導電性採取物質に電流を付与するように構成された、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記サンプル付勢装置は、メタルメッシュに電流を付与するように構成された、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記サンプル付勢装置は、段階的電流を付与するように構成された、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記サンプル付勢装置は、傾斜電流を付与するように構成された、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記サンプル付勢装置は、前記サンプルエリアを抵抗加熱するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記サンプル付勢装置は、前記サンプルエリアをフラッシュランプでフラッシュするように構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記サンプル付勢装置は、レーザを使用するように構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記サンプル付勢装置は、サンプルエリアを放射加熱するのに使用される装置の隣接近隣を越えた距離からサンプルエリアを放射加熱するように構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記センサは、赤外線放射を監視するよう構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記センサは、トリアセトン・トリパーオキサイドの発熱分解から放出される温度を検出するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記分析装置は、ピクセルとバックグランド温度との間の差に対する温度データを分析するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記分析装置は、温度データの時間に対する変化を分析するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記分析装置は、温度データを分析して、発熱分解を受けた物質の分解の熱を決定するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３６】
前記分析装置は、温度データを分析して、発熱分解を受けた物質の活性化エネルギーを決定するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３７】
前記分析装置は、前記決定された分解の熱又は活性化エネルギーを分析して、発熱分解を受けた物質の特定形式又は分類を決定するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３８】
燃焼のために得られる大気酸素を下げるように構成されたエアチャンバーを更に備えた、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３９】
前記エアチャンバーは、空気圧を減少するように構成された、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記エアチャンバーは、非反応ガスを導入するように構成された、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
爆発物のようなエネルギー物質を検出するシステムにおいて、
エネルギー物質の粒子を含むサンプルエリアを付勢する手段と、
前記サンプルエリアからの温度特性を監視して、粒子の発熱分解から放出される温度を検出する手段と、
前記検出された温度を分析して、前記分解を引き起こした発熱化合物の存在を決定する手段と、
を備えたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、爆発物のようなエネルギー物質の検出に係る。
【０００２】
クロスレファレンス：本出願は、２００５年７月２７日に出願された“Trace Explosives Detector Based Upon Detecting Exothermic Decomposition”と題する米国プロビジョナル特許出願第６０／７０２，６１６号；２００５年１２月２９日に出願された“Energetic Material Detector For Explosive Trace Detection”と題する第６０／７４３，０８３号、及び２００６年３月３日に出願された“Energetic Material Detector for Explosive Trace Detection”と題する第６０／７４３，４０２号の優先権を主張するものである。これらの各特許出願は、参考としてここに援用する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギー物質の存在を検出するために、物質の粒子を分析することができる。
【発明の開示】
【０００４】
１つの一般的態様において、爆発物のようなエネルギー物質の検出は、エネルギー物質の粒子を含み得るサンプルエリアを付勢することを含む。サンプルエリアからの温度特性を監視し、エネルギー物質の粒子が存在するときに粒子の発熱分解から放出される温度を検出する。監視された温度特性を分析して、粒子が存在するかどうか決定する。
【０００５】
その実施形態は、次の特徴の１つ以上を含む。例えば、サンプルエリアを抵抗加熱することができる。メタルメッシュのような導電性採取物質に電流を付与することができる。付与される電流は、段階的電流であるか、又は傾斜電流である。
【０００６】
又、サンプルエリアは、フラッシュランプ又はレーザ等で放射加熱することにより付勢してもよい。サンプルエリアは、装置の隣接近隣を越えた距離から放射加熱することができる。
【０００７】
赤外線放射を監視してもよく、物質の発熱分解から放出される赤外線放射を検出することができる。ピクセルとバックグランド温度との間の差、又は時間に伴う変化に対して、温度データを分析することができる。又、温度データを分析して、分解の熱を決定することもでき、或いは分解の熱又は活性化エネルギーを使用して、発熱分解を受けるトリアセトン・トリパーオキサイドのような物質の特定形式又は分類を決定することができる。
【０００８】
燃焼に利用できる大気中の酸素を下げることができる。空気圧を減少し、非反応ガスを導入することができる。
【０００９】
別の一般的態様において、爆発物のようなエネルギー物質を検出するシステムは、エネルギー物質の粒子を含むサンプルを付勢するように構成されたサンプル付勢装置を備えている。センサは、サンプルエリアからの温度特性を監視し、粒子の発熱分解から放出される温度を検出するように構成される。分析装置は、検出された温度を分析して、分解を引き起こした発熱化合物の存在を決定するように構成される。
【００１０】
その実施形態は、上述した特徴の１つ以上を含むことができる。
１つ以上の実施形態を、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。他の特徴及び効果は、以下の説明、添付図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
種々の図面において同じ要素は同じ参照記号で示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
個人は、普通でない物質や、検出を妨げる予防的方法を使用することによって爆発物を隠すことができる。例えば、手榴弾のような伝統的兵器は、個人においては金属検出器により又は手荷物においてはＸ線スキャナにより検出できるが、Ｃ−４やＴＮＴのような爆発物は、このような方法では検出できない。又、従来の爆発物検出装置は、特定の化学的構造をもつある既知の爆発物質を検出するように設計される。
【００１２】
広範囲な様々な潜在的に脅威を与える物質を選別するために、粒子のトレースサンプリングが使用される。より詳細には、トレース（例えば、微細な）粒子のサンプルが品目又は個人から採取され、爆発物又は脅威を表わす特性について分析される。粒子の分析は、イオン移動検出器（ＩＭＳ）、化学ルミネセンス検出器に結合されたガスクロマトグラフィー（ＧＣ−ＣＬ）、又は質量分光計のような様々なメカニズムを使用して行なうことができる。多くの技術は、特定の化学物質、又は非常に特定形式の構造をもつ化学物質しか検出できない。
【００１３】
粒子が爆発物であるかどうかは、粒子の熱分解（即ち、熱爆発）を誘発させることにより決定できる。特に、爆発物粒子は、熱分解の存在を監視しながら、素早く加熱することができる。抵抗加熱、導電性加熱、放射加熱又はレーザ加熱のような種々の方法を使用することができる。
【００１４】
抵抗加熱は、接近した距離で粒子が採取されて分析されるシステムに適している。例えば、強打(swipe)又は真空採取システムは、粒子をスチールメッシュに堆積し、スチールメッシュが直接的に抵抗加熱される。長距離システムの場合には、放射加熱が適している。例えば、放射ヒータがＸ線手荷物スキャナに組み込まれ、これを使用して、１ｍ以内の距離から爆発物又は他のエネルギー粒子を検出することができる。他のシステムは、例えば、数十メータ又は数百メータの非常に長い距離から放射加熱され検出される。
【００１５】
図１を参照すれば、検出システム１００は、採取物質１２０及び赤外線（ＩＲ）センサ１４０を使用してサンプル１１０を分析する。システム１００において、サンプル１１０は、採取物質１２０に載せられ、次いで、加熱されて（１２５）、熱分解を誘発させる。分解中にサンプル１１０からエネルギー１３０が放出され、そのエネルギーの一部分１３５がＩＲセンサ１４０により検出されて、爆発物粒子の存在を推測する。
【００１６】
サンプル１１０は、種々のソースから種々の方法により採取される。一般的に、爆発物又は他の物質を取り扱い又は処理する人々は、通常、物質のトレース残留物で汚染された状態になる。例えば、爆発物粒子が、爆弾や爆発物質を製造し及び／又は取り扱った後に手に残ることがあり、これら粒子のあるものが個人の衣服へ移送されることがある。又、このようなトレース残留物は、札入れや眼鏡やキーやハンドバッグやドア取手のような品目に移送されることがあり、そしてこれらの品目は、手を洗ったり個人が衣服を着替えたりしても手を再汚染するように働き得る。身体、衣服、又は物品が採取装置で拭かれるか又は採取物質１２０に真空付着され、トレース残留物をサンプル１１０として分析のために採取する。
【００１７】
採取物質１２０は、種々の材料、例えば、テフロン（登録商標）、ステンレススチールメッシュ、編まれた炭素繊維、不活性化されたガラスウールパッド、ニクロム線又はリボン、アルミニウム（及び／又はステンレススチール又はニッケル或いは他の金属）被覆のポリイミド、或いは炭素充填ポリイミドから作ることができる。抵抗加熱が使用される場合には、採取物質１２０は、導電性であることが必要である。放射加熱が使用される場合には、採取物質１２０の導電率は要求されない。
【００１８】
サンプルの熱分解を誘発することは、爆発物の熱分解に関連した急速な運動及び熱力学に依存する。ほとんどの分子は、酸素が不足する大気中で加熱されたときに吸熱的に分解するが、爆発物の化合物は、発熱的に分解し、周囲へ熱を放出する。放出された熱は、分解する爆発物を取り巻く分子へ直ちに移送され、その結果、温度が局部的に上昇して、爆発物サンプル１１０の存在及び／又は形式についての測定可能な指示を与える。
【００１９】
より詳細には、爆発物サンプル１１０は、嫌気的に加熱されたときには発熱的に分解する（周囲へ熱を放出する）。爆発物の質量が充分大きい場合には、温度が上昇して、反応速度をより一層加速し、付加的な熱を解放すると共に、暴走熱爆発に至る。臨界未満の質量の場合には、熱が周囲へ失われるので、物質が爆発の前に使い尽くされる。それでも、これらの臨界未満のケースでは、温度がその周囲より上昇した後に、周囲へと減衰して戻る。
【００２０】
ＩＲセンサ１４０は、分解中に放出される熱エネルギー１３０の部分１３５を感知し、ニトロ−有機物及びニトロ−塩、過酸化物、過塩素酸塩、火薬、及び未知の組成の自家製爆発物を含む爆発物を検出することができる。ＩＲセンサ１４０は、ＩＲ検出アレーを使用して、分解の熱的兆候を検出する。一実施形態では、ＩＲ検出アレーは、中間波ＩＲ（ＭＷＩＲ）、３ないし５ミクロン波長、５ないし８ミクロン波長、又は長波ＩＲ（ＬＷＩＲ）、８ないし１２ミクロン波長の領域において熱を検出し、爆発物粒子を取り巻く環境の温度を観察するように構成される。ＭＷＩＲ領域での検出を使用する熱像形成センサは、優れた解像度及びコントラストから利益を得る一方、ＬＷＩＲ領域で検出を行なうセンサは、小さな温度変動に対して高い感度を与え、且つ大気条件によりあまり影響を受けない（例えば、ＬＷＩＲ放射は、霧や煙を通して伝達することができる）。
【００２１】
トレース爆発物の分解については、本来的に小さな粒子サイズが検出プロセスを複雑にする。嫌気性熱分解を受ける爆発化合物については、爆発物の形式、その質量、加熱率、及び熱損失率に基づいて、放出熱が、５ないし５００ミリ秒の時間フレーム内で、２００℃の環境において約１００℃の温度上昇に等しくなると予想される。あるケースでは、時間フレームは、５ないし３０ミリ秒である。爆発物の分解により生じる全発熱エネルギーが、ＩＲ検出アレーの１つの瞬時視野（ＩＦＯＶ）を占有する場合には、ほとんどのＭＷＩＲ／ＬＷＩＲセンサが０．０５℃付近の感度を有するので、これを容易に検出することができる。しかしながら、この熱を放出する爆発物粒子のトレース量は、数ナノグラム程度の重さであり、そしてそれらの放出エネルギーは、直径が０．１ないし０．０１ｍｍの領域しか占有しない。典型的なセンサレンズのピクセル当たりのＩＦＯＶは、接近距離（ソースから約１フィート離れている）において直径が約２ｍｍであるから、トレース爆発物からの放出エネルギーは、ＩＦＯＶエリアにわたって検出することができない。このケースでは、温度上昇が全ＩＦＯＶにわたって希釈され、ナノグラムサイズの粒子に対して０．００３℃程度の温度上昇として現われる。
【００２２】
一実施形態では、局所化された熱の兆候を検出するために、ＩＲ検出アレーは、高速の微細な反応を記録するように適切に構成される。これらの制約のために、ＩＲセンサ１４０は、ピクセル当たり直径が５０ないし１５０ミクロン未満のＩＦＯＶを得ることのできるマクロ（クローズアップ）レンズを有する。更に、ＩＲセンサ１４０の解像度は、それら自身の個々の熱検出器として働く多数の個々のピクセルを与えると共に、エネルギー粒子の検出感度を高めるように働くに充分なものである。例えば、ＩＲセンサ１４０の解像度を２倍にすると、検出下限が４ないし８分の１に減少する。フレームとフレームとの間のＩＲセンサ１４０の積分時間がエネルギー放出に対して長い場合には、エネルギーが時間平均化され、センサによって捕捉されないことがある。例えば、５ないし１０ミリ秒の反応に対して、６０Ｈｚ（１６ｍｓ）像形成レートを使用すると、エネルギー粒子から放出される観察されるエネルギーは、３分の１未満に減少される。
【００２３】
一実施形態では、ＩＲセンサ１４０は、７．５ないし１４ミクロン範囲において敏感な長波赤外線検出器（ＬＷＩＲ）を含む。この検出器には、ピクセルを約５０ミクロンまで解像するために収束レンズが設けられる。システムのリフレッシュレートは、６０Ｈｚである。この検出器は、７６８００ピクセルをもつ３２０ｘ２４０アレーである。各ピクセルの感度は、０．０５℃として指定され、これは、中間ピコグラムレベルにおける感度を容易にする。粒子質量は、ピクセルサイズの３乗に逆比例するので、よりパワフルな収束レンズを使用することにより感度を向上させることができる。
【００２４】
以上の説明は、分解システムの一実施形態である。他の実施形態は、他の特徴又は異なる特徴を含んでもよい。例えば、採取物質１２０は、加熱のために固定される個々のサンプルでもよい。
【００２５】
図２を参照すれば、抵抗加熱を使用する検出システム２００は、導電性採取物質２１０と、制御システム２３０と、ＩＲセンサ２４０とを備えている。このシステム２００において、採取物質２１０に電流が流され、採取物質は、固有の抵抗値のために発熱し、サンプルのエネルギー分解を誘発する。
【００２６】
制御システム２３０は、導体２１０に流れる電流の流量及び時間巾を指令する。実施形態に基づき、種々の形式の電流信号が制御システム２３０により発生される。段階的電流は、電流を希望のレベルへ素早く調整するのに使用でき、大気中の酸化を最小にして全ての爆発物質に素早く分解を誘発するのに有用である。
【００２７】
他の実施形態では、一定の割合で増加する傾斜電流が使用される。熱分解は、異なる爆発物質に対して異なるエネルギーレベルで誘発されるので、傾斜電流は、システム２００が爆発物の性質をより正確に決定できるようにする。サンプルの更に別の特性を決定するために、例えば、平坦(plateau)のような他の電流形状が含まれてもよい。
【００２８】
酸素は反応場所に到達するのに時間がかかるので、迅速な加熱率は、ほぼ嫌気性の加熱条件を緩和する。特に、周囲酸素を伴う大気（例えば、空気）中でサンプルを加熱するときには、非爆発物粒子の燃焼又は酸化を回避するために、段階的電流により生じる加熱のような迅速な加熱（例えば、数十ミリ秒から１秒）が望ましい。酸素が反応場所に到達するのを許すに充分なほどゆっくり加熱されるときには（例えば、数秒）、ジーゼル燃料や砂糖のような汚染物が燃焼し又は酸化し得る。爆発物質は、化学的構造体又は混合物内で燃焼するのに必要な酸素を含むので、熱分解は、一般に、迅速な加熱中に、周囲の空気で燃焼される前に、誘発される。
【００２９】
１つの特定の実施形態では、導電性採取物質２１０は、４００メッシュ、３１６グレードのステンレススチールであり、これは、ワイヤ間に３８ミクロンの開口を含む。このメッシュは、４．５ボルト、約２２アンペアで動作する電源を使用して電気的に加熱され、一方、ＩＲセンサは、公称解像度限界が９０ミクロンである０．５Ｘマクロゲルマニウムレンズを使用してメッシュに焦点が合わせられる。ＩＲ検出器とデータ収集電子装置との間のファイアワイヤ(Firewire)を経て６０フレーム／秒でデータが収集される。
【００３０】
以上の説明は、抵抗加熱を使用する分解システムの一実施形態である。他の実施形態は、他の特徴又は異なる特徴を含んでもよい。例えば、導電性採取物質２１０は、耐熱性の採取物質が導体に取り付けられたものに置き換えられてもよい。又、制御システムに接続される熱感知装置は、熱レベルを検出してもよい。検出された熱レベルを使用して、制御システムとのフィードバックレベルを形成してもよい。
【００３１】
図３を参照すれば、放射加熱を使用する検出システム３００は、放射装置３１０と、高温計３２０と、ＩＲセンサ３４０と、サンプル３６０を支持するサンプル媒体３５０とを備えている。このシステム３００において、放射３１５がサンプル媒体３５０に向けられる。放射が当たると、サンプル媒体３５０が発熱し、サンプル３６０の熱分解が誘発される。
【００３２】
放射装置３１０によって放出される放射３１５の強度又は時間巾は、サンプル３６０の迅速な加熱をリアルタイムで測定する高温計３２０の測定値に基づく。一実施形態では、放射装置３１０は、熱分解を誘発するに充分なエネルギーを迅速に放出するフラッシュランプである。電力レベル及び使用物質を変更することにより、フラッシュランプの実施形態を使用して、数メータにある物体をフラッシュすることができる。ｑスイッチのニオブＹＡＧシステムのような赤外線レーザを使用して、サンプル３６０を加熱する場合には、長い距離（１０−１００ｍ）にわたって熱を伝達することができる。
【００３３】
以上の説明は、放射加熱を使用する分解システムの一実施形態である。他の実施形態は、他の特徴又は異なる特徴を含んでもよい。例えば、放射システムは、制御のために高温計を必要とせずに設定量のエネルギーを放出するように設計されてもよい。
【００３４】
図４を参照すれば、大気変更を使用する検出チャンバー４００は、空気圧を減少し、非反応性ガスを導入し又はその両方によりチャンバー４００に変更された大気４１０を発生するために、入口通気口４２０及び出口通気口４３０を備えている。変更された大気４１０は、汚染物との燃焼又は酸化に使用できる周囲酸素が少ないことを特徴とする。
【００３５】
入口通気口４２０は、任意であり、非反応性ガス、例えば、窒素又はネオンを大気中に導入する。非反応性ガスは、酸素ガスが燃焼又は酸化に利用されるのを減少する。出口通気口４３０は、ガスを除去して圧力を下げ、ひいては、チャンバー４００における酸素ガスの量を下げる。入口通気口４２０及び出口通気口４３０を使用することにより、汚染のおそれが低くなり、熱分解を誘発するための加熱が、空気中に燃焼を生じさせるレベルまで下げられる。チャンバー４００は、ゆっくりとした傾斜又は平坦形式の加熱を使用する実施形態に特に有用である。
【００３６】
以上の説明は、大気変更を使用する分解チャンバーの一実施形態である。他の実施形態は、他の特徴又は異なる特徴を含んでもよい。例えば、チャンバーは、入口通気口を必要とせずに単に大気を除去するように設計されてもよい。
【００３７】
図５を参照すれば、衝突採取器５００は、爆発物粒子を含む真空処理サンプルの１つ以上の空気流を採取物質５２０に堆積するように使用され、採取物質は、図１を参照して分解システム１００で説明したように分析される。空気流は、テストされるべき衣服、手荷物、又は個人の皮膚のような物体を真空処理することにより発生される。衝突採取器５００には、粒子が空気流から配管壁に落下するのを回避するために臨界流が存在する。サンプル流から落下する粒子の一例は、サンプルが失われて偽の否定を招くことである。別の例は、繰り越しである。より詳細には、粒子がサンプル流から落下した場合に、その粒子がその後のサンプルを際立たせて偽の肯定を招くという潜在性を有する。このような例があるために、肯定となる各サンプリングの後に、システムが付加的なサンプル物質なしに運転されるようなクリアパージサイクルが設けられる。
【００３８】
衝突採取器５００において、空気及び爆発物の蒸気は、バイパス流と採取器流との比に基づいて分割される。典型的な採取器流は、全流量の０ないし１０％である。しかしながら、粒子は、１８０°転向５１０を行うことができず、従って、採取物質５２０に衝突する。ターンスティルの配管をきれいに保つために、採取システムの下流にバルブを設け、サンプリング時間中を除いて、閉じた状態に保つことができる。
【００３９】
１つの特定の実施形態では、衝突採取器５００の内部の内径は、約１．５ｃｍである。外側リングは、直径が約３ｃｍである。採取物質５２０が回転する場合には、衝突採取器５００は、それ自身、採取物質５２０をきれいにすることが必要である。衝突採取器５００は、内側の管が採取物質５２０から約０．２ないし２．０ｃｍ離れた状態で、外側リングにおいて採取物質５２０の一部分に対してシールすることが必要である。シールを形成するために外側の管にＯリングが含まれてもよい。ある場合には、若干の漏れは受け容れられる。実施形態に基づいて、衝突採取器５００を下げてシールを形成するか、又は採取物質５２０それ自体を上げてシールを形成する。堆積が生じると、採取物質５２０、又は採取物質５２０の一部分を加熱して、分解を誘発することができる。
【００４０】
図６Ａを参照すれば、採取及び検出システム６００の上面図は、図５の衝突採取器５００及び採取物質５２０と、分解システム６３０とを含む。分解システム６３０は、図１ないし４のシステム１００ないし４００のいずれかでよい。採取及び検出システム６００において、衝突採取器５００は、サンプルを採取物質５２０堆積するのに使用される。媒体移動メカニズム６６０（図６Ｂ）は、カルーセルホイール６１０に装着された採取物質５２０を移動して、サンプルを含む採取物質５２０が衝突採取器の隣接領域から分解システム６３０内の領域へ移動されるようにする。堆積された物質は、次いで、特定材料のトレースについて分析される。
【００４１】
図６を参照すれば、採取及び検出システム６００の側面図は、加熱コントローラ６５０と、媒体移動メカニズム６６０とを含む。以下の説明は、抵抗及び放射加熱発熱分解に向けられた２つの特定の実施形態を言及するが、熱分解を開始するための他の方法を使用してもよい。特に、熱分解を生じさせるには、電磁放射、レーザ、暖かい空気を経て粒子への熱の対流、又は粒子への熱の伝導を使用することにより粒子の温度を上昇させることで充分である。
【００４２】
使用すべき特定の採取及び検出システム６００は、メンテナンス期とメンテナンス期の間の希望の期間、メンテナンスの容易さ、又はコストのようなファクタに基づく。図６Ａ及び６Ｂは、再使用可能な個別の採取物質５２０を伴うカルーセルホイール６１０を含む実施形態を示す。１回限りの又は再使用可能な採取物質５２０を伴う「リール対リール」システムのような他の実施形態を使用することもできる。このようなリール・対・リールメカニズムは、カルーセルホイール６１０よりも、構築するのにコストがかかり且つ（摩滅した採取物質５２０を交換することにより）維持するのがより困難である。リール・対・リールメカニズムは、より多くの採取物質を保持できるので、交換と交換との間の時間は、カルーセル実施形態の場合より長くなる。
【００４３】
カルーセルホイール６１０を含む、ここに示す実施形態では、採取物質５２０は、カルーセルホイール６１０内にあり、一連の個別の採取エリア又は連続する採取エリアのいずれかを含む。一連のステップにおいて、採取及び検出システム６００は、採取物質を採取物質５２０のエリアに集め、次いで、分解システム６３０へと回転し、堆積した物質を分析して、物質の粒子の存在を検出することができる。
【００４４】
カルーセルホイールを使用する種々の実施形態によれば、第１ステーションは、カルーセルホイール６１０に対してシールされる衝突採取器５００である。「ステーション」という語は、カルーセルホイール６１０の特定の位置又は回転度を指す。ステーションの位置は、カルーセルホイール６１０の角度位置においてその周囲に沿った穴の位置で決定される。粒子が衝突採取器５００で採取物質５２０のエリアに堆積された後に、カルーセルホイール６１０は、分解システム６３０である第２ステーションへ回転される。分解システム６３０の特性は、使用する検出ユニットに依存する。
【００４５】
採取物質５２０を回転し、そして前記実施形態では、カルーセルホイール６１０回転するために、媒体移動メカニズム６６０が使用される。高い位置精度を得るために、ステッパモータを使用することができる。ステッパモータは、高価であり、それを制御するために特殊な電子装置を必要とするので、使用できる簡単な代替手段は、一方向性又は両方向性ＤＣモータである。媒体移動メカニズム６６０の位置を決定しそして制御するのに、ＬＥＤ光学センサを使用することができる。カルーセルホイール６１０のメンテナンスは、採取物質５２０の日常の交換の間の期間を、例えば、１ヶ月に延長するように、自動ディスクローディング・アンローディングステーションを通して行うことができる。
【００４６】
抵抗加熱を含む一実施形態では、採取物質５２０の面積は、３ｃｍ2であり、採取物質５２０の両端には２つのコンタクトが配置されている。これらのコンタクトは、例えば、持ち上がった金属性隆起物（例えば、バッテリ用のコンタクトのような）、ロッド又はプレートのような種々の形状にすることができる。スプリング負荷されたコンタクトを使用して、接続を完成することもできる。カルーセルホイール６１０は、上下の半部分で設計されてもよい。１つのアッセンブル方法において、２つの半部分を分離し、採取物質５２０を下部の半部分に設置し、そして上部の半部分を採取物質５２０の上に取り付けて、サンドイッチを形成する。一実施形態では、採取物質５２０の各部分に対して、一方のコンタクトは、単一の共通接続点（図示せず）に結合される電極の形態であり、そして他方のコンタクト６６０は、独特の接続である。このような実施形態では、共通接続点が電源に常時接続され、そして一度に１つの独特の接続のみがなされて、１つの部分だけを抵抗加熱できるようにする。採取物質５２０は、光学センサ（又はカルーセルホイール６１０の実施形態について上述したＬＥＤセンサ）のための穴を含む。
【００４７】
オイルのような残留物質は、汚染を招くか、その後の測定値をマスクするか、或いは再使用可能な採取物質５２０の寿命を短縮し得る。採取物質５２０を、エネルギー物質の分解を誘発するに必要な温度より高い温度に加熱することにより、このような残留物質を焼き尽くすことができる。任意であるが、３００℃以上の温度での高温焼き尽くしを行なって、残留粒子を熱的に分解してもよい。
【００４８】
分解システム６３０又は加熱コントローラ６５０には高温計が含まれてもよい。加熱中に、採取物質５２０は、若干膨張する。歪を防止するために、採取物質５２０に若干張力がかかるように設計される。
【００４９】
図６Ｃを参照すれば、連続的採取物質システム６７５は、連続的導電性採取物質６８０及び個別のコンタクトポイント６８５を含む。このシステム６７５において、連続的物質６８０は、ホイールの巾に巻き付けられる。連続的物質６８０の一部分は、粒子が堆積される衝突採取器５００内にある。ホイールが回転するときに、その一部分が分解システム６３０内を移動する。
【００５０】
連続的システム６７５は、多数の個別のコンタクトポイント６８５を備え、ここに電気的接続が確立される。分解システム６３０が作動されると、個別のコンタクトポイント６８５を使用して、連続的物質６８０を通る電流を発生し、粒子を抵抗加熱する。電気的経路が連続的物質６８０の全周囲を通るのを防止するために、連続的物質６８０の一部分を黒のままにするか、さもなければ、切断してもよい。
【００５１】
以上の説明は、採取及び検出システム６００の実施形態であった。他の実施形態は、採取物質５２０に注入される溶液を、時々ではあるが、スケジュール通りにチェックして、物質の粒子を首尾良く検出するシステムの能力をテストする、等の異なる特徴を含む。このメカニズムは、周期的に交換する必要のある貯蔵部を含んでもよいし、例えば、ＬＥＥ小型可変容積ポンプ、モデル番号ＬＰＶＸ０５０２６００Ｂ（www.theleeco.comを参照）、又は小型ＫＮＦモデルＵＮＭＰ８３０（www.knf.comを参照）、或いは同様のポンプ、及びＬＥＥモデル番号ＩＮＫＸ０５１４４０ＡＡと同様のＬＥＥソレノイドバルブを含んでもよい。
【００５２】
図７Ａを参照すれば、ハンドヘルド検出装置７００は、スタンドオフリング７１０、トリガー７２０、フラッシュランプ７３０、高温計７３５、ＩＲ検出器アレー７４０、及び出力ディスプレイ７４５を備えている。この装置７００は、爆発物粒子を検出するためにサンプルまで持って行くことができる。
【００５３】
装置７００を動作するために、ユーザは、先ず、爆発物粒子に対してスキャンされるべきエリアにスタンドオフリング７１０を載せる。スタンドオフリング７１０は、サンプルとＩＲ検出器アレー７４０との間に適切な距離を与える。次いで、ユーザは、トリガー７２０を操作して、フラッシュランプ７３０を作動させ、加熱を生じさせる。フラッシュランプ７３０は、スタンドオフリング７１０に向けられ、サンプルを加熱して熱分解を誘発させる。サンプルのリアルタイム温度を、高温計７３５により測定し、このような測定は、フィードバックループの一部分であって、フラッシュランプ７３０により温度を能動的に制御することができる。ＩＲ検出器アレー７４０は、爆発物物質による分解を検出する。検出された結果は、出力ディスプレイ７４５により指示される。
【００５４】
図７Ｂを参照すれば、長距離検出システム７５０は、上述したように動作する検出装置７６０を備え、これは、ある距離にある物体７７０に向けられる。システム７５０において、検出装置７６０は、物体７７０の方向に放射を放出する。物体７７０に当たった後に、放射は、局所的な加熱を生じさせ、トレース爆発物粒子の熱分解を誘発する。分解から放出されるＩＲ放射が検出装置７６０により検出される。
【００５５】
特に、検出装置７６０は、フラッシュランプ７６４と、距離収束型ＩＲ検出アレー７６８とを備えている。フラッシュランプ７６４は、物体７７０に熱分解を生じさせるに充分な高エネルギー放射のパルスを放出する。放出されたＩＲ放射は、ＩＲ検出器７６８に当たり、トレース爆発物の肯定指示を可能にする。
【００５６】
検出装置７６０は、物体７７０から数十ないし数百メータの距離において動作することができる。レーザ加熱は、フラッシュランプ加熱の代替として使用できる。レーザハードウェアは、抵抗加熱又はフラッシュランプ加熱に必要なハードウェアよりも著しく複雑であり、電力消費であり、且つ高価である。従って、レーザは、実際には、主として、物体７７０が検出装置７６０の付近を著しく越えた距離にあるような実施形態に使用される。又、ＩＲ検出器アレー７６８を適当な小さなエリアに収束させるテレフォトレンズが含まれてもよい。一実施形態では、テレフォトレンズは、ＩＲ検出器アレー７６８が図１の解像度と同様の解像度で物体７７０を見るように、その焦点を合わせる。
【００５７】
一実施形態では、爆発物のためのチェックポイントは、乗物を爆発物に対して検出するために検出装置７６０を装備する。検出は、乗物の側部を横切ってフラッシュランプを動作し、走査されている物体７７０の種々のエリアに沿って爆発物を検出することを含む。
【００５８】
以上の説明は、ハンドヘルド及びレンジ検出装置の実施形態である。他の実施形態は、他の特徴又は異なる特徴を含む。例えば、種々の実施形態において、検出装置は、様々な乗物、例えば、装甲した個人用キャリア、戦車、航空機、又は遠洋航海船舶に取り付けられる。
【００５９】
図８Ａは、発熱分解検出のデータ８００を示す。特に、４つの異なる時間インスタンスにおいて分解する物質をもつサンプル媒体の絵が示されている。より詳細には、６０Ｈｚフレームレートを使用して無煙火薬の粒子をエネルギー検出するためのデータ８００が示されている。エレメント（ａ）は、比較的低温の粒子及びフィラメントを伴う初期のＩＲ映像を示す。次いで、エレメント（ｂ）は、爆発の直前に粒子の周りの温度上昇を示しているＩＲ映像を示す。次いで、エレメント（ｃ）は、粒子爆発を示しているＩＲ映像を示す。最後に、エレメント（ｄ）は、粒子爆発から生じるガス温度の上昇を示しているＩＲ映像を示す。
【００６０】
図８Ｂを参照すれば、同じ分解に対するデータ８５０が、無煙火薬を見るピクセルと、時間にわたってサンプル媒体を見るピクセルとの観点から示されている。データ８５０において、図８Ａのデータ８００からの４つの時間インスタンスがマークされる。より詳細には、無煙火薬を見る１つのピクセル及びサンプル媒体を見る１つのピクセルの熱的兆候の二次元プロットが示されている。
【００６１】
結果の分析解釈は、個々のピクセルの温度又は多数のピクセルの平均を時間の関数として検討することにより可能になる。結果は、粒子の急速な温度上昇が採取物質の温度上昇を越えることを示している。この特徴を、爆発物の存在を自動的に検出するためのアルゴリズムに使用することができる。特に、各エネルギー化合物は、分解の定量化可能な正の熱（Ｈ）及び定量化可能な活性化エネルギー（Ｅ）を有する。Ｈは、放出される全熱量に影響し、そしてＥは、熱放出率に影響する。これら２つの特性は、検出器が爆発物の種類及び／又は化学的組成を区別できるように相互作用する。
【００６２】
自動的アルゴリズムベースのターゲット確認を使用して、多数のピクセルを同時にトラッキングし、そして爆発物の独特の特性を自動的に確認する。簡単な改善は、変化するバックグランド温度を減算し、そしてその差を表示して、最大ピークが良く見えるようにすることを含む。温度の局部的最大値及び／又は最小値・対・時間のプロットは、爆発物の存在を指示し、温度の時間変化率がゼロに等しくなる（即ち、ｄＴ／ｄｔ＝０）ポイントとして数学的に定義される。しかしながら、採取物質の温度変動による局部的最大値も存在し得る。これら欠陥を修正するために、種々のポイントで記録された温度から採取物質の温度を減算することができる。
【００６３】
図９Ａは、検出された発熱分解の処理されたデータ結果９００を示す。この結果９００を決定するために、爆発物の特性であるスレッシュホールドレベルに対して生のデータの時間導関数を分析するアルゴリズムが使用される。生のデータは、１００ナノグラムのトリアセトン・トリパーオキサイド（ＴＡＴＰ）を加熱して発熱分解を誘発することにより得られた。映像から明らかなように、アルゴリズムにより分析的に決定されたスレッシュホールドをほぼ１２個のピクセルが越えた。ＴＡＴＰに対するこの応答レベルは、８ナノグラム／ピクセルの検出限界に相関している。
【００６４】
図９Ｂを参照すれば、プロット９５０は、図９Ａの処理されたデータ結果９００から、（１１０、１４０）におけるバックグランドピクセルと共に、（９５、１２３）におけるピクセルを示している。ＲＤＸ、ＴＮＴ、ＴＡＴＰ及びＡＮＦＯの検出は、典型的な使用状態のもとで、汚れた基板において１００、２５、及び１０ｎｇ未満のレベルでも、全て検証されている。又、検出は、ＰＥＴＮ、過酸化ベンゾイル、過塩素酸アンモニウム及び無煙火薬のような爆発物質についても立証された。
【００６５】
又、潜在的な干渉物質、例えば、砂糖、ジーゼル燃料、ガソリン、多数のハンドクリーム及びローション、香水、ふけ、人の皮膚の油、首の後から汗をふき取ったもの、並びにサラミ、ベーコン及び他の保存肉や魚製品に触ることによる指紋に対してもテストを行なったが、これらは全て、明確な「非アラーム」信号を与える。
【００６６】
図１０を参照すれば、爆発物のようなエネルギー物質の検出は、サンプルエリアを付勢し、温度特性を監視し、発熱分解から放出される温度を検出し、そして検出された温度を分析して、発熱化合物の存在を決定することを含む。
【００６７】
サンプルエリアが付勢される（ステップ１０１０）。図２及び３に示したように、サンプルエリアを付勢することは、抵抗加熱又は放射加熱を含む。サンプルエリアが付勢メカニズムから長い距離にあるときには、レーザのような他の方法を使用してもよい。
【００６８】
サンプルエリアの温度特性が監視される（ステップ１０２０）。サンプルエリアの温度に対応するエネルギーが、サンプルエリアに焦点を合わせたセンサを使用することにより検出される。サンプルエリア及びその周囲の物質又は採取エリアからの赤外線放射を感知するために赤外線センサが使用される。
【００６９】
発熱分解から放出された温度が検出される（ステップ１０３０）。より詳細には、サンプルエリアの発熱化合物が発熱すると、発熱化合物は、熱分解を受ける。熱分解から放出されるエネルギーは、温度特性を監視するセンサにより検出される。
【００７０】
検出された温度が分析されて、発熱化合物の存在を決定する（ステップ１０４０）。この分析は、エリアとその周囲との間の温度差、又は温度の時間変化率を決定することを含む。又、分析は、分解の熱、又は熱分解の活性化エネルギーを決定することを含む。決定された情報を使用して、発熱分解を受けた爆発物の特定形式又は分類を決定する。
【００７１】
種々の実施形態は、多数の他の利益を利用する。例えば、検出器の性能は、バックグランド物質の大きな過負荷の存在により悪影響を受けない。特に、サンプルが油性の物質でコーティングされたとき及び煙が明らかに見えるときでも性能の低下はない。この検出器では、２０００ｎｇの物質といった大きな過負荷から直ちに回復できる。更に、この検出器は、従来の検出器で逃していた化学物質、例えば、硝酸アンモニウム、ニトロセルロース、ＴＡＴＰ、過酸化ベンゾイル、過塩素酸アンモニウム、他の爆発化学物質、又は未知の化学物質の混合物を検出することができる。一般的に、物質が爆発できる場合には、熱分解を通して物質の存在を検出することができる。
【００７２】
他の実施形態も、特許請求の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】分解システムを示す。
【図２】抵抗加熱を使用する検出システムを示す。
【図３】放射加熱を使用する検出システムを示す。
【図４】大気変更を使用する検出チャンバーを示す。
【図５】衝突採取器を示す。
【図６Ａ】採取及び検出システムの上面図である。
【図６Ｂ】採取及び検出システムの側面図である。
【図６Ｃ】連続的な採取物質を伴う採取及び検出システムを示す。
【図７Ａ】ハンドヘルド検出システムを示す。
【図７Ｂ】レンジ型検出システムを示す。
【図８Ａ】粒子検出データを示す。
【図８Ｂ】粒子検出データを示す。
【図９Ａ】処理された粒子検出データを示す。
【図９Ｂ】処理された粒子検出データを示す。
【図１０】エネルギー物質を検出する方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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