尘埃颗粒监测用茁探测器敏感度指标的提高

崔晓静 CUI Xiao-jing

（北京滨松光子技术股份有限公司，廊坊 065001）

（Beijing Hamamatsu Photon Techniques INC，Langfang 065001，China）

摘要：本文简述了应用β射线吸收定律测量大气中PM10含量的原理，分析了β探测器测试的特性，并提出了提高探测器测试敏感度的一种方法。

Abstract： This paper introduces the principle of applying the law of β-ray absorption for the measurement of PM10 content， analyzes the characteristics of the β detector test， and proposes a method for improving the sensitivity of the detector test.

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关键词 ：β射线吸收定律；PM10；β探测器；敏感度

Key words： β-ray absorption law；PM10；β detector；sensitivity

中图分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0133-02

作者简介：崔晓静（1983-），女，辽宁阜新人，助理工程师，研究方向为光信息科学与技术。

0 引言

大气悬浮颗粒污染物，尤其是可吸入颗粒物（ Inhalable Particulate Matter，如PM10、PM2.5）对健康影响是明显的。因此，包括我国在内的世界上多个国家把大气中PM10含量的多少作为大气质量的重要监测指标之一，对大气中PM10含量实施连续监测。

利用β射线吸收法使用塑料闪烁探测器（本文中简称β探测器）或者盖革管进行PM10含量测定的方法，为PM10含量测定常用的重量法检测；除了重量法外还有压电晶体差频法、光散射法等。

目前在国内的PM10测试仪器主要使用G-M 计数管进行相关的设计，由于盖革管存在死时间长引起的计数丢失和寿命短等问题，使用闪烁探测器进行测试，将成为其升级的产品，目前在国外的PM10监测仪器上已经开始使用。β探测器作为一类探测器，国内外研究的很充分了，但有关尘埃监测上的应用中注意的技术问题及解决方法尚未见系统的阐述和说明。

吸附在滤纸上PM10含量为mg量级，要求对其进行测定时，需要探测器具有很高的灵敏度。本文的目的在于介绍β探测器的灵敏度的提高的一种方法。

1 β射线吸收定律及其测量原理

1.1 β射线的吸收定律

β射线的穿透能力很弱，当他通过吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。

1.2 β探测器测量PM10原理如下简述：

2 β探测器基本工作原理、主要的组成结构以及应用

2.1 β探测器其工作原理

β射线与闪烁体作用后产生的光信号进入PMT，经转换倍增后输出，再经放大、脉冲成形、幅度甄别处理，输出的TTL信号连接PM10后续的计数和软件处理系统可以实现PM10的含量的测试。

2.2 β探测器组成

屏蔽窗、晶体、PMT、后续电路系统、高低压供电模块。

2.3 用于尘埃监测的β探测器的应用

①由上述讨论可知，应用β探测器测量PM10吸附前后β射线穿过滤纸的强度变化，即可算出PM10的含量。

②探测器记录下β射线通过干净滤纸时强度为I0，通过吸附PM10后滤纸的强度为I1，假设I0 在整个测量过程中保持不变，由相关的资料和公式（1）介绍可以推导出每立方米空气中PM10的含量密度C为

其中：μm为质量厚度，Q为抽气比率，Δt为采样时间，A为PM10吸附后的尘斑的面积。

③由（2）中公式可以看出ln（I0/I）前面值为常数，与探测器的测试值相关的值只有ln（I0/I）。这里为了方便分析计算，将常数认定为1。对于探测器来说，提高ln（I0/I）值，即可以提高探测器的敏感度。

3 β探测器的敏感度指标的提高的测试分析和验证

3.1 理论分析：

β射线通过衰减物质时，除了按照衰减规律，计数发生变化外，β射线的能量也发生变化，能谱的形状发生变化。根据曲线的变化情况，选择合适的阈值工作点电压，可以有效提高探测器的敏感度。

3.2 方案设计：

保证探测器和源的位置保持不变，分别测试分析干净滤纸和加尘斑之后的滤纸的曲线的变化，以及尘埃量的变化（PM10含量）的变化趋势。确认主要的工作点。

3.3 测试的能谱曲线图以及分析：

无滤纸以及滤纸尘斑变化前后的能谱曲线如图1所示。

说明：

①B代表的蓝色曲线：为带有尘斑的滤纸的能谱曲线图；C代表的红色曲线：为干净滤纸的能谱曲线图；D代表的黑色曲线：为无滤纸的能谱曲线图。

②三种曲线为按照统计计数进行的归一化曲线。

曲线的数据分析：从图1可以看出，探测器和源之间的吸收介质增加（加有滤纸以及加有尘斑的滤纸），能谱曲线会向道址的小的方向移动，改变能谱曲线中的低阈的道址值，计算ln（I0/I），表1中为消除滤纸放置的误差因素，采集的10组数据，对其进行改变低阈后的值时，相应的ln（I0/I）（尘埃量的数量值）也会随时进行变化，具体见表1和曲线（图2）。 表1为针对测试的曲线，使用多道的采集软件对数据分段取点进行理论分析。

说明：曲线中的横坐标为低阈的阈值道址，纵坐标为对应的归一化的尘埃值。图2中，通过用10种不同颜色的曲线，表示在不同的阀值电压下，计算PM10含量的曲线图的变化。从图中可以看出，阀值电压越高，测量的PM10含量增长的越明显。

根据3.3中测试数据，分析增大谱线中阈值时，探测器的敏感度呈现提高的趋势，对应在探测器的设计中，电路中增大甄别电路中阈值，即可以有效提高探测器的灵敏度，鉴于此对于电路部分进行参数修改，更改电路参数后的验证。

根据测试能谱分析得到的结果，将实际的阈值电压和道址对应后，更改低阈的阈值进行测试验证3.3中表1和图2分析的结果是否正确。

在图3中，主要是通过改变电路的阀值，在不同阀值下对PM10进行测量，从图中的曲线来看，阀值越高，PM10测量的数值越大。

3.4 分析和实验验证结果

从3.3和3.4的数据分析和实际测试的结果可以看出，在提高探测器电路的阈值时，可以提高探测器的敏感度。本次测试的一组数据中比最初设计时的0.12V，提高了10%。

4 结束语

针对探测器用于尘埃颗粒监测中应用特点，从理论和实际测试分析处理，提高探测器的阈值是有效提高探测器的敏感度的一种方法，可以适用于微小量级的PM10或者PM2.5的监测，不仅可以提高检测的准确性，还可以降低检测工作的难度。

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参考文献：

[1]张玉钧，等.β射线自动监测大气中PM10含量的设计方案[J].光子学报，2001年3月.

[2]崔永思，等.大气污染监测方法[M].北京：化学工业出版社，1997：1013-1030.

[3]吴治华，等.原子核物理实验方法[M].北京：原子能出版社， 1997：1-21.