β 放射源質量檢測儀的開發及應用

文/鄧龍龍 呂 峰 化利東（安徽安光環境科技有限公司）

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

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

一、β 放射源質量評價指標及檢測原理

用于顆粒物監測儀的β 放射源的質量指標包括表面特性、發射率、穩定性、均勻性等，這些指標直接影響顆粒物監測儀的PMT計數，從而影響顆粒物監測數據的準確性。

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，其表面應平整、光潔，無起皮現象，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。

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

根據β 射線法顆粒物監測儀測量原理，計數誤差會導致顆粒物濃度誤差，兩者之間的關系見表1。根據中華人民共和國國家環境保護標準《環境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）連續自動監測系統技術要求及檢測方法》（HJ 653—2013），顆粒物監測儀的檢測限為2μg/m，因此，放射源的發射率誤差要小于0.045%。

表1 計數誤差與濃度誤差關系

均勻性是表示放射性物質在β 源活性區分布的均勻程度，指的是β 源的每個部分發射率的一致情況。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準偏差作為均勻性變化系數。發射率越一致，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 放射源活性區域每一小部分的發射率，再計算各部分發射率的相對標準偏差。由上文分析可知，放射源各部分發射率的相對標準偏差同樣應小于0.045%。

二、β 放射源質量檢測儀的開發

目前市場上還沒有能同時對β 放射源發射率及均勻性同時檢測的設備，開發一套自動β 放射源檢測儀有助于保證β 放射源的質量，提高β 放射源用于β 射線法顆粒物自動監測儀時顆粒物濃度監測數據的準確性及一致性。

β 放射源檢測儀以4 個濱松320 探測器為核心模塊，基于STM32 平臺進行設計，力求實現穩定性高、精度高、環境適宜性強，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 個放射源的表面發射率和表面發射率均勻性。β 放射源測量儀主要由PMT探測器檢測系統、采集系統、圓盤轉動系統、主控板、電源模塊等部分組成，其系統組成示意圖如圖1 所示。

圖1 β 放射源檢測儀系統示意圖

PMT 探測器檢測系統由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放射源發出的射線，閃爍體分子呈激發狀態，分子退激時，產生熒光光子進入光電倍增管轉換為電子并放大，輸出電流脈沖，濱松320 探測器輸出一個標準TTL 信號到主控板，進行計數。

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

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

圓盤轉動系統由測量定位光耦、輔助定位光耦、電機等組成，主要用于實現β 放射源表面發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，主控板控制驅動板中繼電器的閉合使得電機旋轉并停止到固定位置。

軟件基于STM32 平臺使用實時操作系統uCOSII 進行設計，軟件時基1 ms。主要任務劃分為主測量任務、電機任務、DHS 控制任務、數據存儲導出任務、顯示任務、按鍵任務等。

系統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，完成后儀器處于預熱等待狀態，點擊觸摸屏表面發射率按鍵，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射率，并在觸控屏顯示器上顯示測量結果；點擊觸控屏顯示器表面發射率均勻性按鍵，通過測量定位光耦反饋信號，進行圓盤轉動，每次停止后計算各β 放射源限定區域表面發射率，共重復4 次操作，最后使用4 次表面發射率的數值計算其表面發射率的均勻性，并在觸控屏顯示器顯示測量結果。系統軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統軟件流程示意圖

三、 實驗與分析

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

表2 放射源發射率測試結果

由表2 中結果可知，此次測試所用的放射源發射率均在3.6×10s左右，滿足顆粒物監測儀對β 放射源的發射率大于3×10s的要求。同時，同一個放射源的4 次計數相對標準偏差均小于0.045%，說明放射源的穩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，測試結果見表3。

表3 放射源表面發射率均勻性測試結果

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

四、 結語

通過對β 射線顆粒物監測儀使用的β 放射源性能指標研究，開發了一款適合快速檢測β 放射源發射率及β 放射源活性表面均勻性的β 放射源檢測儀，最后對設備的實際檢測效果進行了測試。測試結果表明本檢測儀具有自動化程度高、穩定性好等優點。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 放射源活性區每一小部分的發射率，再計算各部分發射率的相對標準偏差，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。