1、 射线自动监测大气中 PM10 含量的设计方案第 30 卷第 3 期 ta-F 弘ACTAPHOToNICASINICAMarch2O01射线自动监测大气中 PM.含量的设计方案张玉钧刘文清郑朝晖王亚萍蒋舸扬宁柄超周斌(中国科学院安徽光学精密机械研究所光学环境监测研究宣.台肥 1125 信箱230031)摘要本文论述了应用卢射线吸收定律测量大气中 PM.含量的原理,分析了 GM计数管的特性及测量数据的统计特征,提出了.9 射线法在测量大气中 PM 含量的一种新的实现方法.关键词射线吸收定律:PM.统计特征0 引言大气悬浮颗粒污染物,尤其是可吸人颗粒物(InhalableParticulateM
2、atter,如 PM1)对健康影响是明显的.因此,监测大气中降尘,TSP,PM及其中的分散度和有害物质成分是很有必要的.世界上很多国家把大气中 PM 含量的多少作为大气质量的重要指标之一,对大气中 PM.含量实施 24h 连续监测.目前,较常采用的检测方法主要有以下几种:重量法,压电晶体差频法,光散射法等.射线吸收法是重量法中较常采用的一种,具有连续测量,价格低,系统工作可靠,运行费用低,安装简便,无需人员监守等优点.有关射线吸收定律国内外已有文献系统地论述,但有关构成实用系统中应当着重注意的技术问题及解决方法尚未见系统地论述,车文的目的在于系统地阐述利用射线吸收定律构成 PM.自动测量仪器的
3、设计方法.文中首先叙述.9 射线的吸收定律及其在用于测量大气中 PM.含量的方法;第节讨论放射性源和探测器的选择原则:第节分析测量数据的统计特征,推导 PM.含量的计算公式:最后在此基础上,提出了种用于测量大气中 PM.含量的新的系统实现方法.1IB 射线吸收定律及其应用1.1 卢射线的吸收定律原子核在发生,fl 衰变时.放出卢粒子.粒子实际上是一种快速带电粒子,它的穿透能力较收稿日期:2O.0070强,当它穿过一定厚度的吸收物质时,其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做 p 吸收.当吸收物质的厚度比粒子的射程小很多时,.9 射线在物质中的吸收,近似为I=Iemm(1)式中,.为役有吸收物
4、质时的强度;I 是口射线穿过厚度为的吸收物质后的强度,称为质量吸收系数或质量衰减系数,单位为 cm/g;称为质量厚度,单位为 g/cm.实验表明,对于不同的吸收物质,随原子序数的增加而缓慢地增加.对于同吸收物质,与放射能量有关,1.2 测量 PM.的方法:应用 p 射线测量 Plvl 原理如下述 :首先,探测电路记录下射线通过滤纸时强度,由式 fi)得I.=Ie 一(2)第二步:恒流抽气系统通过样气采集气路抽入一定量的空气,PM.颗粒被遮挡在滤纸面上第三步:探测器记录下此时.9 射线的强度,设为,.由式(i) 得I2:Ioem(3)式中,m 为 PM.的质量厚度 .假设,在整个测量过程中保持不
5、变.式(2)和(3) 联立,得=in(,/i!)【4)的单位为 g/cm,因为已知滤纸被探测面积和抽人的空气的体积.m 可以换算成 g/m,即每立方米空气中 PM.的含量密度.370 尘乍私 30 卷2 口射线放射源与卢射线探测器的选择与特性2.1 卢源的选择及的标定应选择半衰期很长的卢放射源,保证前后两次测量中,卢源的强度基本不变.C 源是理想的选择,其半衰期为 5730 年,放射能量 E为0.156MeV,放射性活度选为 35Mbq.使用此种射线源,安全耐用,对人体无害,不属于防治放射线规定的放射性同位素“.由于其半衰期为5730 年,在 PM.吸附前后(间隔30min)及相当长时间的射线
6、的测量中,可以认为其强度没有发生变化.一般每半年用标准质量的参考物校准一次值.2.2GM 计数管特性及正确使用由上述讨论可知,测量 PM.吸附前后卢射线穿过滤纸的强度,就可算出 PMr.的含量,用于辐射强度探测的探测器有气体探测器,闪烁探测器和半导体探测器等,其中用盖革和弥勒名字命名的气体探测器,盖革一弥勒计数器是较常用的探测器,简称 GM 计数器.GM 计数器利用气体倍增大大地增加了糟辐射轨迹产生的初始离子对所呈现的的电荷,GM 管中形成的电场很高,提高了每次雪崩的强度.在适当条件下,雪崩本身可以在管内其他位置触发一个次级雪崩.GM 计数器探测射线具有灵敏度高,脉冲幅度大,稳定性高,使用方便
7、,成本低廉,制作的工艺要求和仪器电路均较简单的优点.使整个测量系统可以做得轻巧灵便,适于携带.为正确使用 GM 计数测量 PM 有必要说明 GM 计数器的应用特性,包括工作电压的选择,死时间的校正等.2.2.1 工作电压的选择:在强度不变的放射源照射下,测量计数率随工作电压的变化,称为坪曲线.曲线的特点是当工作电压超过起始电压时,计数率由零迅速增大;工作电压继续升高时,计数率仅略随电压增大,并有一个明显的坪存在,工作电压再继续升高,计数率又急剧增大,这是因为计数管失去淬熄作用,形成连续放电.通常选择足以保证达到坪的平坦区域的工作点即可.从而,盖革放电的规模保持在最小值附近,这样计数稳定好,淬灭
8、气体消耗率也最低.2.2.2 死时间及校正方法入射粒子进入计数管引起放电后,形成了正离子鞘.使阳极周围的电场消弱,终止了放电.这时.若再有粒子进入就不能 Bf 起放电,直到正离子鞘移出强场区,场强恢复到足以维持放电的强度为止.这段时间称为死时间.经过死时间后,雪崩区的场强逐渐恢复.但是在正离子完全被收集之前是不能达到正常值的.在这期间,粒子进入计数管所产生的脉冲幅度要低于正常幅度,直到正离子全部被收集后才能完全恢复,这段时间称为恢复时间.在实际上更有意义的是计数系统的分辩时间 tr,因为电子线路有一定的触发阈,脉冲幅度必须超过 a 才能触动记录电路 .因此,从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢
9、复到d 的 t 时问内,进入计数管的粒子均无法记录下来.tt 便称为计数器系统的分辨时间.显然,td自+t.实际测量中,计数管有确定的分辨时间tr,若相继进入计数管的两粒子的时间小于分辨时间时,第二粒子会被蒲记,实测计数率低于实际计数率.为此需要作分辨时间校正,有时也称死时间校正.设入射粒子是统计性的,单位时间内进入探测器的平均粒子数即平均计数率为“.在分辨时间 tr 不变时,单位时间内的总分辨时间为ntf.在此 ntf 时间内进入计数器的粒子数为“.tf,因此,计数率的损失为An-Yt.一“=“ontf(5)于是,平均计数率为n 一/(1ntf)【6)2.2.3 计数管的探刹效率由于盖革管的
10、填充气体中的一个离子对就可以触发全面盖革放电,对进入计数管有效体积的任何带电粒子来说,计数效率基本上都是 1003 测量数据的特征在放射性测量中,即使所有实验条件都是稳定的.如源的放射性活度,源的位置,源与探测器之间的距离,探测器的工作电压等都保持不变.在相同时间内对同一对象进行多次测量,每次测到的计数并不完全相同而是围绕某个平均值上下涨落,这种现象称为放射性计数的统计涨落.这是微观粒子运动过程中的一种规律性现象,是放射性原子核衰变的随机性引起的.根据文献中对核衰变统计分布规律的讨论可知,在一定的时间间隔为进入探测器中并产生有效计数的变量“服从 Poisson 分布,可以描述3 期张玉钧等.射
11、线自动监测大气中 PM.古量的设计方案 371一一Xr(9)一篆 n一11n-.1n :.1(1114 系统设计即要保证抽气前后滤纸和探测器,源之间的相对位置不发生变化;4)的值一般每半年需要校准,在测量过程中,要保证的值与校准值一致.一方面要求源的半衰期非常长,认为在半年时间内基本无变化;另一方面要求测量过程中(包括PM.吸附前与吸附后), 放射源与探测器的相对位置不发生任何变化,滤纸的材质均匀,PM.在滤纸上分布均匀.图 1 射线法 PM-o 自动监测辱绕组成原理框图Fig.1SchematicdiagramofmeasuringthecontentofPMlusingray第一个条件和第
12、四个条件的第一部分由所选择的放射源的性质决定.如 2.1 节所述,C 是理想的选择.其它条件的满足就需要在系统设计时解决了.除了这些以外,还要考虑构成测试仪器需要的控制功能.4.2.1PM.吸附前后德纸与源和探 毗嚣相对位置保持不变及 PM.均匀吸附的实现仪器测量精度很大程度上取决于这一部分.在抽气过程中,如果气体在到达滤纸时无遮挡,直接通过滤纸.就可以使 PM.在滤纸表面均匀分布;为使滤纸,探测器,源之间的相对位置在 PM.吸附前后的测量中不发生变化,又要使源不遮挡气路和不被污染.我们在机械设计上,采用了一种简单实用又能保证定位精度的方法.在进行次新的测量时,首先走纸电机带动纸带系统更新滤纸
13、,为下一次测量作准备;源转动电机带动有源的鼓形转盘顺时针转动 9O.,将源与滤纸下的探测器的探测面对齐.系统处于测量状态,对空白滤纸进行计数;然后,逆时针转动鼓形转盘 90.使放射源转到存储位置,此时鼓形转盘上与源位置成 90.的通孔与上下抽气通路对准.系统处于抽气状态,抽气时间可以编程控制,372r a 乍职 3O 卷一般为半小时;抽气结束后,鼓形转盘顺时针转动90.,使源处于测量位置.对 PM.吸附后的滤纸进行计数;最后,由数据处理模块完成 PM.含量的计算.显然在上述过程中,源,滤纸和探测器的相对位置在 PM.吸附前后没有发生变化,并且抽气通路上无任何遮挡,从而保证了两次测量条件的一致和
14、 PM-均匀地吸附在滤纸上.4.2.2 仪器电路的设计仪器电路的组成包括盖革计数器前置放大与脉冲整形电路,82C54 定时计数器,流量检测与控制电路,源位置转动电机及其控制电路,走纸电机及其控制电路,滤纸压紧平台电机及其控制电路,电机位置检测光电耦台器,时钟电路,液晶显示器及其控制电路,键盘及其检测控制电路,打印机及其控制电路,采样管加热系统温度检测及控制电路,抽气泵电源控制电路,数据存储器,数据传输电路,420mA 信号输出电路,系统自检功能电路,主 CPU 及其外围电路,电源电路等.其中主CPu 选用AT89C52.配以时钟电路,液晶显示器及其控制电路,键盘及其检测控制电路,打印机及其控制
15、电路,存储器构成系统的主控部分,这部分内容比较成熟,本文不再赘述;下面仅叙述系统中特殊功能部分的实现方法.盖革计数器前置放大与脉冲整形电路的作用是对盖革管输出的脉冲信号进行预处理,使之满足计数器的输人信号电平要求.原理电路如图 2所示.对整形后的脉冲计数用 82C54 来完成,82C54 是工业标准的高性能 CHMOS 器件,输入和输出都与 TTL 电平兼容 ,有三个独立的 16 位可编程计数器,可以实现各种方式的计数功能,使用非常灵活,功能很强.三个计数器都是减法计数器,可以按二进制计数,也可以按十进制计数.最高计数频率为 10MHz,盖革计数管输出的脉冲频率小于10kHz.一图 2 盖革冒
16、前置放太与 IIL 脉冲形戚电路原理Fig.2Schematicdiagram.fpreampifierandgeneratingTTLpuseofGMc0unrer流量检测与控制电路的作用是保证颗粒物采用了光电耦合器完成这一功能.在电机轴上装有集过程中气路中气体流量恒定不变.这是因为采一带有狭缝的转盘,通常情况下状态电平为低电集气路中依据空气动力学原理分离 PM.(或平,当狭缝对准光电耦台器的光通道时,光耦导TSP)的切割器要求气路中抽气流量保持恒定才通?此时状态电平变为高电平-能正确分离出 PM.(或 TSP);因此为保证样气采进纸电机和抽气泵电机的控制是控制电机电集过程中能正确分离 PM
17、.(或 TSP)颗粒物,必须源的通电时间,进纸电机在每次测量之前?将滤纸使采集气体流量稳定不变.另外,根据恒定的流向前进一段,为新一轮的测量作准备-显然进给量值和样气采集时间可以确定样气采集的体积,量的多少对测量的结果无任何影响;交流电源的从而计算出每立方米空气中 PM.(或 TSP)的含通断采用 MPg40D4 固态继电器控制,通电时间量.本系统采用调节电动阎的开启大小使抽气流由主 CPU 的定时器 1 控制.抽气泵电机的控制量保持不变.与进纸电机相同.唯一的差别是抽气泵电机的通系统中共有两个直流电机和两个单相交流电电时间一般为半小时,而进纸电机的通电时间仅机,其中控制源位置转动和滤纸压紧平
18、台升降的为一分钟左右-电机是直流电机,进纸电机和抽气泵是交流电机.系统自检功能的实现由自检功能电路和自检由于控制源位置转动和滤纸压紧平台升降需要电子程序组成.自检程序在系统开机时,完成对系机能方便的实现正反转,所以采用直流电机比较统中各功能块的检查,如 RAM,机械转动定位,方便.流量检测与调整,计数器检验,GM 计数管高压为控制源的位置和滤纸压紧平台的松紧程检验,电源电压检验等.除 GM 计数管高压,电度,必须要精确控制电机的转动角度,在系统中采源电压,A/D 转换器基准电压以及计数器电路等3 期张玉钧等.卢射线自动监测大气中 PMo 古量的设计方案 373部分的检测需要专门的 19 检电路外,其余部分可直接根据应用电路进行判别.系统设有分频电路.将 AT89C52 的时钟信号经 16 分频后作为检测信号连接到多路开关输入端,多路开关的另一输入端接 GM 计数管的计数信号,自检时系统将检测信号端切换到计数器时钟信号端,启动计数器电路对检测信号进行计数.将结果与标准值进行比较,以确定计数器电路是否正常;利用 A/D
