◎文/化利東 潘煥雙 袁野（安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司）

β射線法大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀是目前我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要常用設(shè)備，該儀器使用的探測(cè)器主要有蓋革管及閃爍體探測(cè)器。而閃爍體探測(cè)器的核心部件之一是PMT，PMT靈敏度優(yōu)異(高電流放大和高信噪比)、響應(yīng)快速，在微弱光信號(hào)、快速脈沖弱光等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、效果好。因此，基于PMT技術(shù)的探測(cè)器在β射線法大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀中得到廣泛應(yīng)用，憑借其性能穩(wěn)定、測(cè)量精確度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象探測(cè)領(lǐng)域占據(jù)了大部分市場(chǎng)。本文主要探討以PMT為核心元件的光閃爍體探測(cè)器（PMT探測(cè)組件）的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。

一、PMT探測(cè)組件的組成及功能

PMT探測(cè)組件是采用塑料閃爍體和光電倍增管耦合，加上信號(hào)處理電路，主要包括反光紙、塑料閃爍體、PMT、高壓電源、電路板、外套筒及固定結(jié)構(gòu)件，每一部件都單獨(dú)安裝，便于拆卸和更換，如圖1所示。

圖1 PMT探測(cè)模塊示意圖

反光紙是一種采用特殊的工藝將由玻璃微珠形成的反射層和PVC、PU等高分子材料相結(jié)合而形成的一種新穎的反光材料，利用反光膜的獨(dú)特性能，向光源方向反射光線，濾除白光對(duì)PMT測(cè)量的影響；塑料閃爍體是有機(jī)閃爍物質(zhì)在塑料中的固溶體，屬于有機(jī)閃爍體，當(dāng)有β射線入射時(shí)，塑料閃爍體分子被激發(fā)而發(fā)射熒光光子；PMT是一種建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子并獲倍增的真空光電發(fā)射器；電路板的主要功能是實(shí)現(xiàn)PMT分壓及電流信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換；高壓源為PMT提供600V左右的高壓，具體電壓可根據(jù)每個(gè)管子的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

二、PMT工作原理

β源輻射的粒子穿過(guò)反光紙進(jìn)入塑料閃爍體并與之發(fā)生作用，塑料閃爍體分子被激發(fā)，分子退激時(shí)發(fā)射熒光光子。熒光光子被PMT轉(zhuǎn)換為電子，然后依次經(jīng)過(guò)取樣放大電路、甄別電路和觸發(fā)電路，輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)，由微處理器MCU進(jìn)行處理，如圖2所示。

圖2 PMT模塊工作流程簡(jiǎn)圖

觸發(fā)電路是PMT探測(cè)模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。PMT是靈敏的高增益器件，其輸出電流與入射光能量成正比。此次選用的PMT包含一根內(nèi)部安裝了光電發(fā)射材料(光電陰極Photocathode)的玻璃真空套管、8個(gè)二次發(fā)射電極(打拿極Dynodes)和一個(gè)收集電極(陽(yáng)極Anode)。一個(gè)能量足夠高的光子(Photon)入射到光電陰極就會(huì)被吸收，同時(shí)釋放出一個(gè)電子（e-）。因?yàn)榈谝粋€(gè)打拿極保持高于陰極的電勢(shì)(二者之間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差)，發(fā)射出的電子會(huì)加速撞向打拿極，同時(shí)釋放出二次電子。通常每個(gè)打拿極維持比前一個(gè)高100～200 V的電勢(shì)。在打拿極鏈的末端，電子被陽(yáng)極收集，并輸出電流脈沖，整個(gè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 電子激發(fā)過(guò)程圖

有了電流脈沖還不夠，只有將輸出的電流脈沖換成電壓，才能供后續(xù)電路進(jìn)一步處理，故要設(shè)計(jì)一款PMT分壓及IV轉(zhuǎn)換電路，其中分壓是為前面的打拿極鏈提供電勢(shì)，其原理如圖4所示。在該圖中，PMT倍增級(jí)間的電阻取值應(yīng)與高壓模塊輸出的電流大小相匹配?，F(xiàn)將電阻（R1～R11）的阻值取為510 kΩ，將R12的阻值取為500Ω，同時(shí)在R12兩端并聯(lián)一個(gè)22pF的電容以降低信號(hào)的噪聲。PMT的P級(jí)（陽(yáng)極）直接輸出電流I,運(yùn)放引腳6輸出電壓U，兩者的關(guān)系為

圖4 分壓與IV轉(zhuǎn)換電路原理圖

光電倍增管陽(yáng)極輸出的電流信號(hào)很小，且混雜有暗電流、宇宙線等信號(hào)干擾。因此，電路經(jīng)逐級(jí)放大并通過(guò)甄別電路對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，從而得到一串合適的脈沖信號(hào)，最終輸出的幅度為3.6V正向TTL信號(hào)，可直接用微處理器的定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行采集計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值大小直接反應(yīng)β源輻射強(qiáng)度。根據(jù)上面的設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)并輸出圖紙加工，包括相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與加工，按圖1完成PMT探測(cè)組件的封裝工作。

三、PMT探測(cè)組件探測(cè)大氣顆粒物的工作原理

大氣顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀是用來(lái)測(cè)量大氣中懸浮顆粒物濃度的專(zhuān)用儀器，系統(tǒng)主機(jī)安裝在室內(nèi)，通過(guò)密封的管道和室外的切割器連接。采用β源作為放射源，利用恒流抽氣泵對(duì)大氣進(jìn)行采樣，采樣時(shí)根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)對(duì)采樣流量進(jìn)行閉環(huán)控制。顆粒物被吸附在β源和PMT探測(cè)模塊之間的濾紙表面，抽氣前后探測(cè)器計(jì)數(shù)值的改變量反應(yīng)了濾紙表面吸附顆粒物的量，再結(jié)合采樣體積，根據(jù)朗伯比爾定律計(jì)算出顆粒物的小時(shí)濃度[1]。顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖5。

圖5 顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

四、PMT探測(cè)組件在顆粒物監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的對(duì)比測(cè)試

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

LGH-01B型三代顆粒物監(jiān)測(cè)儀4套，手工采樣器3套，十萬(wàn)分之一電子天平1套，恒溫恒濕箱1套。將4套LGH-01B型設(shè)備按順序編號(hào)，其中1#、2#設(shè)備采用北京濱松CH286型閃爍體探測(cè)器（高壓模塊由濱松提供），3#、4#設(shè)備采用上述研制的PMT探測(cè)組件（高壓模塊在國(guó)內(nèi)定制）。

圖6 自制探測(cè)器與手工采樣器及濱松探測(cè)器參比圖

2.對(duì)比測(cè)試

4套LGH-01B型三代顆粒物監(jiān)測(cè)儀設(shè)備和3套手工采樣器同時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比測(cè)試[2]，選取9天的當(dāng)日0～23時(shí)的小時(shí)值，計(jì)算日均值，統(tǒng)計(jì)整理繪制出圖6的自制探測(cè)器分別與手工采樣器及濱松探測(cè)器的參比結(jié)果。

五、結(jié)論

PMT測(cè)量模塊應(yīng)用在大氣顆粒物監(jiān)測(cè)中，通過(guò)與手工采樣器及濱松探測(cè)器測(cè)量值對(duì)比，各測(cè)量指標(biāo)（其斜率K、 截距 B和相關(guān)性R2分別為 0.9871、0.428、0.9997及0.9918、-0.9661、0.9994） 均滿(mǎn)足環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。 因此，由PMT技術(shù)研制的探測(cè)組件完全可以用于β射線法大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀中。