β射線粉塵測(cè)量?jī)x在煤礦粉塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李宗倫，趙修良，彭麗婧，劉麗艷

(1.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421001；2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421005)

煤礦粉塵影響礦井安全生產(chǎn)，威脅職工身體健康，是煤礦五大災(zāi)害之一。在煤礦開采過程中，如鉆眼、爆破、掘井及采煤作業(yè)，頂板管理、煤的裝載運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)，都會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的粉塵量的比例大致為：采煤工作面約占45%～80%。掘進(jìn)工作面約占20%～38%。錨噴作業(yè)點(diǎn)約占10%～15%，運(yùn)輸通風(fēng)巷道約占5%～10%，其他作業(yè)點(diǎn)約占2%～5%。煤礦粉塵危害人體健康，輕者會(huì)患呼吸道疾病，重者會(huì)患?jí)m肺病；引發(fā)爆炸，煤塵的爆炸濃度下限為30～50g/m3，上限為1000～2000g/m3；降低工作場(chǎng)所的能見度；增加工傷事故的發(fā)生；加速機(jī)械磨損。

目前，煤礦中使用的粉塵監(jiān)測(cè)方法，有重量法、X射線衍射法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法、β射線粉塵測(cè)量法。其中β射線法測(cè)定塵粒的質(zhì)量濃度與透過的物質(zhì)質(zhì)量有關(guān)，而不受顆粒直徑、成分、顏色及分散狀態(tài)的影響，它是粉塵濃度的間接測(cè)量方法中較準(zhǔn)確的一種。能更有效的監(jiān)測(cè)煤礦粉塵濃度，對(duì)抓好礦井綜合測(cè)塵工作，促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)，保障職工身體健康具有重大意義。

1 β射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

一般β射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)，由β射線探測(cè)、粉塵采樣、信號(hào)處理與單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

β源采用一般14C，β射線由G-M計(jì)數(shù)器(探測(cè)器)探測(cè)，用濾膜夾將待測(cè)濾膜置于放射源與計(jì)數(shù)器之間進(jìn)行測(cè)量。所得脈沖信號(hào)經(jīng)過放大成形后，經(jīng)單道脈沖幅度分析器分析，選擇對(duì)應(yīng)β射線幅度的電壓脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)由單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，并通過其鍵盤和LCD/LED顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，滿足參數(shù)設(shè)置與粉塵濃度測(cè)量結(jié)果輸出，即濾膜重量(mg)及粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)顯示在單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)的液晶或發(fā)光二極管顯示器上。

圖1 β射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

β射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的工作流程，可分為三個(gè)具體步驟：

(1)首先，透過空白濾紙樣品介質(zhì)的β射線，由G-M探測(cè)器探測(cè)。經(jīng)過脈沖信號(hào)放大成形與單道脈沖幅度分析器后，由單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)分析處理，并記錄透過空白濾紙樣品介質(zhì)β射線的強(qiáng)度。

(2)在空白濾紙樣品測(cè)量過程的同時(shí)，由單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)控制的抽氣泵系統(tǒng)，以恒定流量通過采氣氣路抽入一定量的被采樣空氣，其氣體中顆粒不斷吸附在被測(cè)濾紙樣品面上，其吸附量與控制采樣抽氣時(shí)間有關(guān)。

(3)經(jīng)過一定的采樣抽氣時(shí)間后，對(duì)吸附氣體顆粒(粉塵)的被測(cè)濾紙樣品的探測(cè)、處理，與透過空白濾紙樣品介質(zhì)β射線強(qiáng)度的測(cè)量過程相同。

β射線粉塵測(cè)量?jī)x通過以上過程達(dá)到空氣中粉塵濃度測(cè)量目的，是基于β射線吸收法的基本原理。

β射線吸收法的基本原理為:β射線通過介質(zhì)層時(shí)，由于介質(zhì)層的吸收作用，其射線強(qiáng)度將會(huì)減弱，減弱程度與介質(zhì)層的質(zhì)量厚度(單位面積上介質(zhì)質(zhì)量)有關(guān)，其減弱關(guān)系在一定范圍內(nèi)大致遵從指數(shù)衰減規(guī)律，如式(1)所示。假設(shè)質(zhì)量m的粉塵均勻分布在面積A上，即存在：

(1)

式中:d=m/A(mg/cm2)，是粉塵的表面質(zhì)量；n0、n分別代表采樣粉塵前后，計(jì)數(shù)器每分鐘以電流脈沖方式所記錄下來的β粒子數(shù)，這個(gè)脈沖計(jì)數(shù)率表征了放射穿透強(qiáng)度； (μ/ρ)是質(zhì)量衰減系數(shù)，該系數(shù)是介質(zhì)層衰減系數(shù)與介質(zhì)層密度的比值，受粉塵粒子化學(xué)成分的影響，與電子密度有關(guān)。對(duì)于β射線粉塵測(cè)量?jī)x使用的特定場(chǎng)所來說，該系數(shù)是個(gè)常值，因此由式(1)得到粉塵的絕對(duì)質(zhì)量表達(dá)式(2)，即：

(2)

式中:m是粉塵的絕對(duì)質(zhì)量，單位mg； A為粉塵分布的表面積，單位cm2。

粉塵絕對(duì)質(zhì)量m和氣體采樣體積Q的比值，就是粉塵濃度c，關(guān)系式(3)所示:

(3)

2 β射線粉塵測(cè)量?jī)x在煤塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

粉塵含量的測(cè)量方法，有重量法、X射線衍射法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法、β射線粉塵測(cè)量法。

重量法作為粉塵測(cè)量的最常見的方法，測(cè)量的精度較高，是粉塵測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但該法滿足不了自動(dòng)、連續(xù)、無人操作以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄和傳輸?shù)男枰?。X射線衍射法只能檢測(cè)大氣中游離的二氧化硅，不能進(jìn)行全面檢測(cè)。光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法，雖然能夠及時(shí)測(cè)得生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度，但精度均不高，尤其國產(chǎn)儀器誤差較大。

β射線粉塵測(cè)量法能自動(dòng)連續(xù)地監(jiān)測(cè)大氣中的總粉塵質(zhì)量濃度和工作崗位上的總粉塵質(zhì)量濃度或呼吸性粉塵濃度，具有重量法、X射線衍射法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法等粉塵測(cè)量技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：它可以直接測(cè)出粉塵的質(zhì)量濃度，而不受粉塵種類、粒度，分散度、形狀、顏色、光澤等因素的影響；其測(cè)量結(jié)果可與經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)方法—稱重法等效，它可以減少樣品的處理時(shí)間和受污染的機(jī)會(huì)；不會(huì)帶來人為誤差且無誤差積累，不需要經(jīng)常校準(zhǔn)和調(diào)零；能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)過的樣品可以保留。

目前，在煤礦中使用的粉塵測(cè)量?jī)x，有全自動(dòng)式粉塵測(cè)試儀、直讀式粉塵測(cè)試儀、激光式粉塵測(cè)試儀、防爆式粉塵測(cè)試儀、便攜式粉塵測(cè)量?jī)x及粉塵采樣器六種。從理論上講，全自動(dòng)式粉塵測(cè)試儀、直讀式粉塵測(cè)試儀、激光式粉塵測(cè)試儀、防爆式粉塵測(cè)試儀、便攜式粉塵測(cè)量?jī)x有很多優(yōu)點(diǎn)。但前些年國產(chǎn)的直讀式測(cè)塵儀，由于其測(cè)量精度、工作機(jī)理等多方面的因素所限制，在煤礦行業(yè)得不到推廣應(yīng)用。國內(nèi)各煤礦目前普遍使用的都是粉塵采樣器，粉塵采樣器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，理論上能達(dá)到±10%，但其缺點(diǎn)也較多，如影響測(cè)量精度的因素較多、占用房間和設(shè)備較多、采樣時(shí)間較長(zhǎng)、操作程序繁雜、儀器維修量大、花費(fèi)成本較高等等。國內(nèi)各煤礦井下粉塵檢測(cè)點(diǎn)很多，一般都在100個(gè)左右，而且按照有關(guān)規(guī)定，每個(gè)測(cè)塵點(diǎn)每月要測(cè)塵兩次，測(cè)塵采樣、稱重、計(jì)算等一系列工作相當(dāng)繁瑣；粉塵采樣器測(cè)塵方法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了測(cè)塵工作的需要。而β射線煤塵測(cè)量?jī)x測(cè)值穩(wěn)定，體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)單，使用方便，更適用于存在易燃易爆可燃性氣體混合的煤礦工作環(huán)境。

3 β射線粉塵測(cè)量誤差問題探討

β射線測(cè)塵儀是利用β射線通過介質(zhì)時(shí)被吸收的原理設(shè)計(jì)的，當(dāng)射線能量恒定時(shí)，吸收量與物質(zhì)的質(zhì)量的關(guān)系為:

式中:N為采樣后被介質(zhì)吸收后的召粒子計(jì)數(shù)；N0為采樣前未經(jīng)介質(zhì)吸收的β粒子計(jì)數(shù)；μm為β粒子對(duì)特定介質(zhì)的吸收系數(shù)((cm2/mg)；d為吸收介質(zhì)的厚度(cm)；ρ為介質(zhì)的相對(duì)密度(mg/cm3)；乘積1(1=dρ)為吸收介質(zhì)的面密度(mg/cm2)，也稱為質(zhì)量厚度。

β射線粉塵測(cè)定法是粉塵濃度的間接測(cè)量方法中較準(zhǔn)確的一種。國內(nèi)外已有多種型號(hào)的β射線測(cè)塵儀，它們大多采用塑料閃爍探頭，探測(cè)效率較低，因而要采用較強(qiáng)的β射線源(約60μCi，即2. 22*106Bq)，存在安全隱患。因此，通過大量的實(shí)驗(yàn)與探索降低源的放射性活度，是β射線粉塵測(cè)量急需解決的關(guān)鍵問題。同時(shí)，在老式粉塵測(cè)量中，采樣器和探測(cè)器為兩個(gè)分離的獨(dú)立系統(tǒng)；采樣結(jié)束后，通過自動(dòng)化技術(shù)將濾膜運(yùn)輸?shù)教綔y(cè)器中；其間不可避免的會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，如：采樣濾紙移位、大氣中存在的放射性粉塵等。而新的測(cè)量方法，則可將采樣與探測(cè)融合為統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)需要采樣時(shí)，90°旋轉(zhuǎn)濾膜夾，使之與氣泵連通后開始采樣，采樣完成后將濾膜夾旋回原位(圖1)。這種融合后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將大大降低粉塵在傳輸過程中所受到的干擾，提高了測(cè)量精度。β射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

4 結(jié)語

β射線測(cè)塵儀具有許多其他測(cè)塵方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，到目前為止，已經(jīng)取得迅速發(fā)展:從臺(tái)站式到便攜式；從測(cè)量總粉塵濃度到測(cè)量可吸人粉塵及其他；從一般自動(dòng)監(jiān)測(cè)到微電腦管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化；從大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)到工作環(huán)境、居住環(huán)境監(jiān)測(cè)等，β射線測(cè)塵儀正在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信會(huì)有更多更好的β射線測(cè)塵儀不斷面世，為煤礦安全生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)。

[1] 王緒友，劉守華，陳淮新.煤礦粉塵濃度比對(duì)性測(cè)量方案可行性探討[J].工業(yè)計(jì)量，2000(1).

[2] 李 靜,韓旻晨.用β吸收法測(cè)定空氣中粉塵質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究[J].輻射防護(hù)通訊，2001，21(2)：14-17.

[3] 張玉鈞，劉文清，等.大氣中可吸粉塵(PM10)β射線法測(cè)量的理論與數(shù)據(jù)處理[J].量子電子學(xué)報(bào)，2001，18(1)：75-81.

[4] 熊慶國.影響β射線測(cè)塵儀測(cè)試精度問題探討[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29(6)：33-34.

[5] 王緒友，劉守華，陳淮新.煤礦粉塵濃度比對(duì)性測(cè)量方案可行性探討[J].工業(yè)計(jì)量，2000(z1).

[6] Papoulis Athanasios.Probability Random Variables and Stochastic Processes[M]，2nd Edition.McGraw-Hill Inc.1984.

[7] Sauada S,Kobayashi K.Dust detection using mutiple reflection[J].Appl.Opt,1991, 3D;4966