文/鄧龍龍 呂 峰 化利東（安徽安光環(huán)境科技有限公司）

β 射線顆粒物監(jiān)測法是大氣顆粒物濃度監(jiān)測的一種國家認可的標(biāo)準(zhǔn)方法，其優(yōu)點是要求樣品量很少，可每小時自動得出一個監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時反映空氣中顆粒物濃度的變化情況，并可進行數(shù)據(jù)傳輸，有利于遠程監(jiān)測和自動控制，并可極大地減少人工工作量。因此，β 射線顆粒物監(jiān)測法已經(jīng)成為大氣環(huán)境顆粒物濃度的連續(xù)自動監(jiān)測的主要方法。

β 射線顆粒物監(jiān)測法的基本原理為β 射線穿過待測定物質(zhì)后，其強度衰減程度與被穿透物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)，因此使用的放射源性能對監(jiān)測結(jié)果有直接影響，尤其對其使用的β 放射源的β 粒子發(fā)射率要求較高，要求發(fā)射率至少要達到3×10s。然而，市場上常用的β 放射源因生產(chǎn)工藝等原因發(fā)射的β 粒子能量低、射程短、有機膜厚、產(chǎn)品自吸收大，并不是所有β 放射源均能滿足β 射線自動監(jiān)測儀器對放射源發(fā)射率的要求。因此，將β 放射源用于β射線顆粒物監(jiān)測儀之前需對β 放射源本身質(zhì)量進行檢測。

一、β 放射源質(zhì)量評價指標(biāo)及檢測原理

用于顆粒物監(jiān)測儀的β 放射源的質(zhì)量指標(biāo)包括表面特性、發(fā)射率、穩(wěn)定性、均勻性等，這些指標(biāo)直接影響顆粒物監(jiān)測儀的PMT計數(shù)，從而影響顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表面特性指的是放射源表面的光潔程度。對于β 放射源的表面特性檢測，可用肉眼或用放大鏡直接觀測其活性表面。表面特性好的β 放射源，其表面應(yīng)平整、光潔，無起皮現(xiàn)象，無粉末狀物或其他可見的可脫落物。β 放射源的表面光潔程度，也直接影響到放射源的均勻性。

穩(wěn)定性描述的是整塊源發(fā)射率的變化情況，即放射性物質(zhì)的減少程度，變化或者減少越小說明越穩(wěn)定。使用PMT 探測器對待測β 放射源計數(shù)的方法能對β 放射源的發(fā)射率進行高精度測量，可以檢驗β 放射源的發(fā)射率是否穩(wěn)定并且滿足β 射線法顆粒物監(jiān)測儀對放射源發(fā)射率的要求。

根據(jù)β 射線法顆粒物監(jiān)測儀測量原理，計數(shù)誤差會導(dǎo)致顆粒物濃度誤差，兩者之間的關(guān)系見表1。根據(jù)中華人民共和國國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》（HJ 653—2013），顆粒物監(jiān)測儀的檢測限為2μg/m，因此，放射源的發(fā)射率誤差要小于0.045%。

表1 計數(shù)誤差與濃度誤差關(guān)系

均勻性是表示放射性物質(zhì)在β 源活性區(qū)分布的均勻程度，指的是β 源的每個部分發(fā)射率的一致情況。均勻性的表示方法如下：將平面源分為若干個面積相等的部分，計算各個部分的測量值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差作為均勻性變化系數(shù)。發(fā)射率越一致，均勻性越好。檢驗β 放射源均勻性可用擋板覆蓋法，分別測量β 放射源活性區(qū)域每一小部分的發(fā)射率，再計算各部分發(fā)射率的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。由上文分析可知，放射源各部分發(fā)射率的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差同樣應(yīng)小于0.045%。

二、β 放射源質(zhì)量檢測儀的開發(fā)

目前市場上還沒有能同時對β 放射源發(fā)射率及均勻性同時檢測的設(shè)備，開發(fā)一套自動β 放射源檢測儀有助于保證β 放射源的質(zhì)量，提高β 放射源用于β 射線法顆粒物自動監(jiān)測儀時顆粒物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及一致性。

β 放射源檢測儀以4 個濱松320 探測器為核心模塊，基于STM32 平臺進行設(shè)計，力求實現(xiàn)穩(wěn)定性高、精度高、環(huán)境適宜性強，保證整個測量過程通過人機交互的方式，可同時自動測量4 個放射源的表面發(fā)射率和表面發(fā)射率均勻性。β 放射源測量儀主要由PMT探測器檢測系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、圓盤轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、主控板、電源模塊等部分組成，其系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 β 放射源檢測儀系統(tǒng)示意圖

PMT 探測器檢測系統(tǒng)由4 個濱松320 探測器、加熱器、溫度傳感器等組成。濱松320 探測器屏蔽窗檢測到β放射源發(fā)出的射線，閃爍體分子呈激發(fā)狀態(tài)，分子退激時，產(chǎn)生熒光光子進入光電倍增管轉(zhuǎn)換為電子并放大，輸出電流脈沖，濱松320 探測器輸出一個標(biāo)準(zhǔn)TTL 信號到主控板，進行計數(shù)。

主控板通過對各傳感器數(shù)據(jù)的采集計算放射源表面的發(fā)射率及均勻性。同時，主控板通過溫度傳感器反饋的信號，根據(jù)PID 算法輸出PWM波控制驅(qū)動板對加熱器的加熱功率進行實時調(diào)節(jié)，將檢測系統(tǒng)所處腔室溫度維持在設(shè)定值，減少外界環(huán)境溫度波動對濱松320 探測器造成的影響。

采集系統(tǒng)由環(huán)境溫度傳感器及大氣壓傳感器等組成，主要測量PMT 探測器檢測系統(tǒng)所處腔室的環(huán)境溫濕度以及氣壓狀態(tài)，用于PMT 探測器計數(shù)的補償，進一步提高測量的準(zhǔn)確性。

圓盤轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由測量定位光耦、輔助定位光耦、電機等組成，主要用于實現(xiàn)β 放射源表面發(fā)射率和均勻性測量的切換，通過兩個定位光耦的高低電平的反饋信號，主控板控制驅(qū)動板中繼電器的閉合使得電機旋轉(zhuǎn)并停止到固定位置。

軟件基于STM32 平臺使用實時操作系統(tǒng)uCOSII 進行設(shè)計，軟件時基1 ms。主要任務(wù)劃分為主測量任務(wù)、電機任務(wù)、DHS 控制任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲導(dǎo)出任務(wù)、顯示任務(wù)、按鍵任務(wù)等。

系統(tǒng)軟件的主要流程如下：儀器開機后，通過輔助定位光耦的反饋信號進行圓盤位置的初始化操作，完成后儀器處于預(yù)熱等待狀態(tài)，點擊觸摸屏表面發(fā)射率按鍵，儀器開始采集4 個濱松320 探測器的TTL 信號，采集完成計算其表面發(fā)射率，并在觸控屏顯示器上顯示測量結(jié)果；點擊觸控屏顯示器表面發(fā)射率均勻性按鍵，通過測量定位光耦反饋信號，進行圓盤轉(zhuǎn)動，每次停止后計算各β 放射源限定區(qū)域表面發(fā)射率，共重復(fù)4 次操作，最后使用4 次表面發(fā)射率的數(shù)值計算其表面發(fā)射率的均勻性，并在觸控屏顯示器顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程示意圖

三、 實驗與分析

選擇4 個由原子高科股份有限公司生產(chǎn)的直徑17mm、高度4.5mm、放射源活性區(qū)直徑12mm、名義活度100μCi的同一批次生產(chǎn)的放射源，將其放入上述的β 放射源檢測儀中檢測，對其表面發(fā)射率重復(fù)測試4 次，測試結(jié)果見表2。

表2 放射源發(fā)射率測試結(jié)果

由表2 中結(jié)果可知，此次測試所用的放射源發(fā)射率均在3.6×10s左右，滿足顆粒物監(jiān)測儀對β 放射源的發(fā)射率大于3×10s的要求。同時，同一個放射源的4 次計數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.045%，說明放射源的穩(wěn)定性也滿足使用要求。

對上述4 個β 放射源進行均勻性檢測，測試結(jié)果見表3。

表3 放射源表面發(fā)射率均勻性測試結(jié)果

從表3 中結(jié)果可知，此次測試所用的放射源各區(qū)域表面發(fā)射率相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.045%，放射源的均勻性滿足顆粒物監(jiān)測儀對β 放射源均勻性的使用要求。同時，上述兩個實驗的結(jié)果說明，減小放射源面積會造成計數(shù)總數(shù)變小，因PMT探測器對β 放射源計數(shù)時本身存在噪聲，放射源各區(qū)域表面發(fā)射率相對標(biāo)準(zhǔn)偏差比整個放射源活性面的發(fā)射率相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大。這也是要求在顆粒物監(jiān)測儀用β 放射源需要有較高發(fā)射率的原因。

四、 結(jié)語

通過對β 射線顆粒物監(jiān)測儀使用的β 放射源性能指標(biāo)研究，開發(fā)了一款適合快速檢測β 放射源發(fā)射率及β 放射源活性表面均勻性的β 放射源檢測儀，最后對設(shè)備的實際檢測效果進行了測試。測試結(jié)果表明本檢測儀具有自動化程度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。檢測儀能同時檢測4 個放射源，有較高的檢測效率。但在評價放射源均勻性時分別測β 放射源活性區(qū)每一小部分的發(fā)射率，再計算各部分發(fā)射率的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，還不能將整個面源的所有部分都分析到，會造成某些部分的遺漏。