空腔式β射線粉塵測量儀的可行性研究

李宗倫+彭麗婧+李傳琦

摘 要 文章闡述了在粉塵濃度在線連續(xù)監(jiān)測中發(fā)揮了獨特優(yōu)勢的空腔式β射線粉塵測量技術的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及理論模擬結(jié)果，研究了空腔式β射線粉塵測量儀在粉塵監(jiān)測中可能的使用效果，提出了研制測量儀的理論方案。

關鍵詞 空腔；β射線；粉塵測量儀

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7597（2014）15-0022-02

Feasibility study on dust measuring cavity instrument

based on β-ray

Zonglun Li1，Lijing Peng2，Chuanqi Li3

（1.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，hengy 421001，China；2.Hunan Institute of Technology，Institute of Safty and Enviromental Enginneering，hengy 421002，China；3.School of Computer，University of South China，hengy 421001，China）

Abstract： This paper states the working principle， system structure and the theory simulation results of the cavity type beta-ray dust measurement technology which has an advantage in on-line continuous monitoring the concentration of dust ， studies its possible effects on dust monitoring and puts forward the theoretical scheme of developing the measuring instrument.

Key words： Cavity；Beta ray；Dust measuring instrument

隨著人類社會的發(fā)展及現(xiàn)代化工業(yè)的進步，大氣中粉塵濃度的含量越來越高；特別是一些特殊行業(yè)的工作環(huán)境，有時甚至能達到危害工作人員身體健康的程度。因此，對大氣中粉塵濃度進行監(jiān)測已成為迫在眉睫的之事。然而，現(xiàn)階段大氣粉塵測量技術及儀器不能滿足自動，實時數(shù)據(jù)連續(xù)測量（現(xiàn)階段的粉塵測量儀多為濾膜式測量儀），無人操作及數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)囊?。為此，對空腔式β射線粉塵測量儀的技術開發(fā)進行了可行性研究。它可以實現(xiàn)連續(xù)自動監(jiān)測大氣中的粉塵濃度，并將數(shù)據(jù)記錄儲存。

1 儀器工作原理

強度恒定的β源發(fā)出的β射線通過介質(zhì)時，β粒子與介質(zhì)中的電子相互碰撞損失能量而被吸收。在低能條件下，吸收程度取決于介質(zhì)的質(zhì)量，與粉塵粒子的粒度、成分、顏色及分散狀態(tài)等無關。吸收量與物質(zhì)的質(zhì)量關系為式（1）：

（1）

式中：N為采樣后被介質(zhì)吸收后的β粒子計數(shù)；N0為采樣前未經(jīng)介質(zhì)吸收的β粒子計數(shù)；μm為β粒子對特定介質(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)的相對密度（mg/cm3）。

儀器的工作原理基于上式即應用β射線吸收技術來測量大氣中粉塵的質(zhì)量濃度。

2 儀器結(jié)構(gòu)與設計

儀器采用單片機控制，由探測及控制兩部分組成。儀器結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)原理框圖

2.1 探測部分設計

采用C14作為工作源，形狀是直徑為1 cm的圓形面源，活度定為0.2mCi，其活度大小低于五類源，屬豁免源，由于活度低，可有效降低使用人員所接受的劑量，提高安全性，但是如果長時間直接接觸，仍然會對人體產(chǎn)生影響，由于其放出的粒子能量為0.156MeV，在空氣中的最大射程約為0.26 m，因此，在使用時操作人員應與儀器保持一定距離，該距離≥30 cm，為使探測器能達到最佳性能，探測器與放射源的距離應保持在5 cm左右，探測器采用G-M計數(shù)管，如圖2所示。

圖2 探測部分示意框圖

由上述可知，源與探測器之間的有效測量體積為15.7 cm3，通過模擬；當源與探測器之間的空間為空氣時，探測器的測量數(shù)據(jù)為1.96mCi，探測效率為98%；因此，在理論上，空腔式β射線粉塵測量儀是可以實現(xiàn)的。

當粉塵處于源于探測器之間時，阻隔了部分β射線穿過，使探測器所形成的脈沖信號減少，通過其減少幅度，可得粉塵的絕對質(zhì)量，如式（2）所示：

（2）

式中：m是粉塵的絕對質(zhì)量，單位mg；A是粉塵分布的表面積，單位cm2；（ρ/μ）是質(zhì)量衰減系數(shù)；n0、n分別代表源于探測器之間在沒有粉塵和有粉塵時以電流脈沖記錄下來的β粒子數(shù)。其中衰減系數(shù)受粉塵粒子化學成分影響，對于β射線粉塵測量儀來說，當場所類型一致時，該系數(shù)是個常值。

粉塵絕對質(zhì)量m與有效測量體積d的比值，就是粉塵濃度，如式（3）所示：

c=m/d（15.7 cm3） （3）

2.2 控制部分設計

由G-M探測器得到的脈沖信號，經(jīng)放大器放大后通過微處理器進行計算處理，數(shù)據(jù)保存在存儲器中，并在顯示屏中顯示出來；同時，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至總監(jiān)控平臺和操作器上。當數(shù)據(jù)超標時儀器報警，報警可分兩個級別，既吸入粉塵濃度超標報警及粉塵濃度達到爆炸臨界值報警。儀器內(nèi)部示意圖如圖3所示。

圖3 儀器內(nèi)部示意圖

為保證操作人員安全，儀器設置為外部遙控操作，儀器外部示意圖如圖2所示，操作器為帶有藍牙功能及操作測量軟件的手機，通過手機開通儀器電源開關；并通過測量軟件選擇測量場所，因在不同場所中，空氣中粉塵化學成分不同，粉塵的衰減系數(shù)有較大區(qū)別，因此，儀器在使用過程中需要選擇所使用的場所，以確定衰減系數(shù)，從而降低測量誤差。

3 結(jié)束語

β射線粉塵測量儀具有其他測塵方式無法比擬的優(yōu)點，到目前為止，已經(jīng)取得迅速發(fā)展，在相關領域發(fā)揮著重要的作用。而空腔式β射線粉塵測量儀更是擁有可針對不同場所的粉塵濃度進行測量，數(shù)據(jù)準確，自動化，智能化，簡便易操作，安全性高等優(yōu)點。我相信，該技術將會成為測塵技術中新的主力軍，為環(huán)境保護事業(yè)作出更大貢獻。

基金項目

湖南省科技廳（工業(yè)支撐項目）（編號：2012GK3133）

資助。

參考文獻

[1]曹光輝.β射線粉塵濃度測量儀采樣器及機械裝置[D].南華大學，2012.

[2]練德幸.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度監(jiān)測技術研究[D].南華大學，2012.

[3]李宗倫，趙修良，彭麗婧，等.β射線粉塵測量儀在煤礦粉塵濃度監(jiān)測中的應用[J].中國礦業(yè)，2010（03）：107-109.

[4]李宗倫.β射線式粉塵測量儀源—探測器優(yōu)化與采樣裝置概念設計[D].南華大學，2010.

[5]練德幸，趙修良，劉麗艷，等.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度測量系統(tǒng)[J].南華大學學報（自然科學版），2011（04）：35-40.

[6]曹光輝，趙修良，練德幸，等.基于GPRS的β射線透射式粉塵監(jiān)測系統(tǒng)[J].科學技術與工程，2012（06）：1405-1408.

作者簡介

李宗倫（1982-），男，湖南衡陽人，碩士，主要從事核技術應用及輻射防護方面的研究。endprint

摘 要 文章闡述了在粉塵濃度在線連續(xù)監(jiān)測中發(fā)揮了獨特優(yōu)勢的空腔式β射線粉塵測量技術的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及理論模擬結(jié)果，研究了空腔式β射線粉塵測量儀在粉塵監(jiān)測中可能的使用效果，提出了研制測量儀的理論方案。

關鍵詞 空腔；β射線；粉塵測量儀

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7597（2014）15-0022-02

Feasibility study on dust measuring cavity instrument

based on β-ray

Zonglun Li1，Lijing Peng2，Chuanqi Li3

（1.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，hengy 421001，China；2.Hunan Institute of Technology，Institute of Safty and Enviromental Enginneering，hengy 421002，China；3.School of Computer，University of South China，hengy 421001，China）

Abstract： This paper states the working principle， system structure and the theory simulation results of the cavity type beta-ray dust measurement technology which has an advantage in on-line continuous monitoring the concentration of dust ， studies its possible effects on dust monitoring and puts forward the theoretical scheme of developing the measuring instrument.

Key words： Cavity；Beta ray；Dust measuring instrument

隨著人類社會的發(fā)展及現(xiàn)代化工業(yè)的進步，大氣中粉塵濃度的含量越來越高；特別是一些特殊行業(yè)的工作環(huán)境，有時甚至能達到危害工作人員身體健康的程度。因此，對大氣中粉塵濃度進行監(jiān)測已成為迫在眉睫的之事。然而，現(xiàn)階段大氣粉塵測量技術及儀器不能滿足自動，實時數(shù)據(jù)連續(xù)測量（現(xiàn)階段的粉塵測量儀多為濾膜式測量儀），無人操作及數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)囊?。為此，對空腔式β射線粉塵測量儀的技術開發(fā)進行了可行性研究。它可以實現(xiàn)連續(xù)自動監(jiān)測大氣中的粉塵濃度，并將數(shù)據(jù)記錄儲存。

1 儀器工作原理

強度恒定的β源發(fā)出的β射線通過介質(zhì)時，β粒子與介質(zhì)中的電子相互碰撞損失能量而被吸收。在低能條件下，吸收程度取決于介質(zhì)的質(zhì)量，與粉塵粒子的粒度、成分、顏色及分散狀態(tài)等無關。吸收量與物質(zhì)的質(zhì)量關系為式（1）：

（1）

式中：N為采樣后被介質(zhì)吸收后的β粒子計數(shù)；N0為采樣前未經(jīng)介質(zhì)吸收的β粒子計數(shù)；μm為β粒子對特定介質(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)的相對密度（mg/cm3）。

儀器的工作原理基于上式即應用β射線吸收技術來測量大氣中粉塵的質(zhì)量濃度。

2 儀器結(jié)構(gòu)與設計

儀器采用單片機控制，由探測及控制兩部分組成。儀器結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)原理框圖

2.1 探測部分設計

采用C14作為工作源，形狀是直徑為1 cm的圓形面源，活度定為0.2mCi，其活度大小低于五類源，屬豁免源，由于活度低，可有效降低使用人員所接受的劑量，提高安全性，但是如果長時間直接接觸，仍然會對人體產(chǎn)生影響，由于其放出的粒子能量為0.156MeV，在空氣中的最大射程約為0.26 m，因此，在使用時操作人員應與儀器保持一定距離，該距離≥30 cm，為使探測器能達到最佳性能，探測器與放射源的距離應保持在5 cm左右，探測器采用G-M計數(shù)管，如圖2所示。

圖2 探測部分示意框圖

由上述可知，源與探測器之間的有效測量體積為15.7 cm3，通過模擬；當源與探測器之間的空間為空氣時，探測器的測量數(shù)據(jù)為1.96mCi，探測效率為98%；因此，在理論上，空腔式β射線粉塵測量儀是可以實現(xiàn)的。

當粉塵處于源于探測器之間時，阻隔了部分β射線穿過，使探測器所形成的脈沖信號減少，通過其減少幅度，可得粉塵的絕對質(zhì)量，如式（2）所示：

（2）

式中：m是粉塵的絕對質(zhì)量，單位mg；A是粉塵分布的表面積，單位cm2；（ρ/μ）是質(zhì)量衰減系數(shù)；n0、n分別代表源于探測器之間在沒有粉塵和有粉塵時以電流脈沖記錄下來的β粒子數(shù)。其中衰減系數(shù)受粉塵粒子化學成分影響，對于β射線粉塵測量儀來說，當場所類型一致時，該系數(shù)是個常值。

粉塵絕對質(zhì)量m與有效測量體積d的比值，就是粉塵濃度，如式（3）所示：

c=m/d（15.7 cm3） （3）

2.2 控制部分設計

由G-M探測器得到的脈沖信號，經(jīng)放大器放大后通過微處理器進行計算處理，數(shù)據(jù)保存在存儲器中，并在顯示屏中顯示出來；同時，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至總監(jiān)控平臺和操作器上。當數(shù)據(jù)超標時儀器報警，報警可分兩個級別，既吸入粉塵濃度超標報警及粉塵濃度達到爆炸臨界值報警。儀器內(nèi)部示意圖如圖3所示。

圖3 儀器內(nèi)部示意圖

為保證操作人員安全，儀器設置為外部遙控操作，儀器外部示意圖如圖2所示，操作器為帶有藍牙功能及操作測量軟件的手機，通過手機開通儀器電源開關；并通過測量軟件選擇測量場所，因在不同場所中，空氣中粉塵化學成分不同，粉塵的衰減系數(shù)有較大區(qū)別，因此，儀器在使用過程中需要選擇所使用的場所，以確定衰減系數(shù)，從而降低測量誤差。

3 結(jié)束語

β射線粉塵測量儀具有其他測塵方式無法比擬的優(yōu)點，到目前為止，已經(jīng)取得迅速發(fā)展，在相關領域發(fā)揮著重要的作用。而空腔式β射線粉塵測量儀更是擁有可針對不同場所的粉塵濃度進行測量，數(shù)據(jù)準確，自動化，智能化，簡便易操作，安全性高等優(yōu)點。我相信，該技術將會成為測塵技術中新的主力軍，為環(huán)境保護事業(yè)作出更大貢獻。

基金項目

湖南省科技廳（工業(yè)支撐項目）（編號：2012GK3133）

資助。

參考文獻

[1]曹光輝.β射線粉塵濃度測量儀采樣器及機械裝置[D].南華大學，2012.

[2]練德幸.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度監(jiān)測技術研究[D].南華大學，2012.

[3]李宗倫，趙修良，彭麗婧，等.β射線粉塵測量儀在煤礦粉塵濃度監(jiān)測中的應用[J].中國礦業(yè)，2010（03）：107-109.

[4]李宗倫.β射線式粉塵測量儀源—探測器優(yōu)化與采樣裝置概念設計[D].南華大學，2010.

[5]練德幸，趙修良，劉麗艷，等.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度測量系統(tǒng)[J].南華大學學報（自然科學版），2011（04）：35-40.

[6]曹光輝，趙修良，練德幸，等.基于GPRS的β射線透射式粉塵監(jiān)測系統(tǒng)[J].科學技術與工程，2012（06）：1405-1408.

作者簡介

李宗倫（1982-），男，湖南衡陽人，碩士，主要從事核技術應用及輻射防護方面的研究。endprint

摘 要 文章闡述了在粉塵濃度在線連續(xù)監(jiān)測中發(fā)揮了獨特優(yōu)勢的空腔式β射線粉塵測量技術的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及理論模擬結(jié)果，研究了空腔式β射線粉塵測量儀在粉塵監(jiān)測中可能的使用效果，提出了研制測量儀的理論方案。

關鍵詞 空腔；β射線；粉塵測量儀

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7597（2014）15-0022-02

Feasibility study on dust measuring cavity instrument

based on β-ray

Zonglun Li1，Lijing Peng2，Chuanqi Li3

（1.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，hengy 421001，China；2.Hunan Institute of Technology，Institute of Safty and Enviromental Enginneering，hengy 421002，China；3.School of Computer，University of South China，hengy 421001，China）

Abstract： This paper states the working principle， system structure and the theory simulation results of the cavity type beta-ray dust measurement technology which has an advantage in on-line continuous monitoring the concentration of dust ， studies its possible effects on dust monitoring and puts forward the theoretical scheme of developing the measuring instrument.

Key words： Cavity；Beta ray；Dust measuring instrument

隨著人類社會的發(fā)展及現(xiàn)代化工業(yè)的進步，大氣中粉塵濃度的含量越來越高；特別是一些特殊行業(yè)的工作環(huán)境，有時甚至能達到危害工作人員身體健康的程度。因此，對大氣中粉塵濃度進行監(jiān)測已成為迫在眉睫的之事。然而，現(xiàn)階段大氣粉塵測量技術及儀器不能滿足自動，實時數(shù)據(jù)連續(xù)測量（現(xiàn)階段的粉塵測量儀多為濾膜式測量儀），無人操作及數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)囊?。為此，對空腔式β射線粉塵測量儀的技術開發(fā)進行了可行性研究。它可以實現(xiàn)連續(xù)自動監(jiān)測大氣中的粉塵濃度，并將數(shù)據(jù)記錄儲存。

1 儀器工作原理

強度恒定的β源發(fā)出的β射線通過介質(zhì)時，β粒子與介質(zhì)中的電子相互碰撞損失能量而被吸收。在低能條件下，吸收程度取決于介質(zhì)的質(zhì)量，與粉塵粒子的粒度、成分、顏色及分散狀態(tài)等無關。吸收量與物質(zhì)的質(zhì)量關系為式（1）：

（1）

式中：N為采樣后被介質(zhì)吸收后的β粒子計數(shù)；N0為采樣前未經(jīng)介質(zhì)吸收的β粒子計數(shù)；μm為β粒子對特定介質(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)的相對密度（mg/cm3）。

儀器的工作原理基于上式即應用β射線吸收技術來測量大氣中粉塵的質(zhì)量濃度。

2 儀器結(jié)構(gòu)與設計

儀器采用單片機控制，由探測及控制兩部分組成。儀器結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)原理框圖

2.1 探測部分設計

采用C14作為工作源，形狀是直徑為1 cm的圓形面源，活度定為0.2mCi，其活度大小低于五類源，屬豁免源，由于活度低，可有效降低使用人員所接受的劑量，提高安全性，但是如果長時間直接接觸，仍然會對人體產(chǎn)生影響，由于其放出的粒子能量為0.156MeV，在空氣中的最大射程約為0.26 m，因此，在使用時操作人員應與儀器保持一定距離，該距離≥30 cm，為使探測器能達到最佳性能，探測器與放射源的距離應保持在5 cm左右，探測器采用G-M計數(shù)管，如圖2所示。

圖2 探測部分示意框圖

由上述可知，源與探測器之間的有效測量體積為15.7 cm3，通過模擬；當源與探測器之間的空間為空氣時，探測器的測量數(shù)據(jù)為1.96mCi，探測效率為98%；因此，在理論上，空腔式β射線粉塵測量儀是可以實現(xiàn)的。

當粉塵處于源于探測器之間時，阻隔了部分β射線穿過，使探測器所形成的脈沖信號減少，通過其減少幅度，可得粉塵的絕對質(zhì)量，如式（2）所示：

（2）

式中：m是粉塵的絕對質(zhì)量，單位mg；A是粉塵分布的表面積，單位cm2；（ρ/μ）是質(zhì)量衰減系數(shù)；n0、n分別代表源于探測器之間在沒有粉塵和有粉塵時以電流脈沖記錄下來的β粒子數(shù)。其中衰減系數(shù)受粉塵粒子化學成分影響，對于β射線粉塵測量儀來說，當場所類型一致時，該系數(shù)是個常值。

粉塵絕對質(zhì)量m與有效測量體積d的比值，就是粉塵濃度，如式（3）所示：

c=m/d（15.7 cm3） （3）

2.2 控制部分設計

由G-M探測器得到的脈沖信號，經(jīng)放大器放大后通過微處理器進行計算處理，數(shù)據(jù)保存在存儲器中，并在顯示屏中顯示出來；同時，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至總監(jiān)控平臺和操作器上。當數(shù)據(jù)超標時儀器報警，報警可分兩個級別，既吸入粉塵濃度超標報警及粉塵濃度達到爆炸臨界值報警。儀器內(nèi)部示意圖如圖3所示。

圖3 儀器內(nèi)部示意圖

為保證操作人員安全，儀器設置為外部遙控操作，儀器外部示意圖如圖2所示，操作器為帶有藍牙功能及操作測量軟件的手機，通過手機開通儀器電源開關；并通過測量軟件選擇測量場所，因在不同場所中，空氣中粉塵化學成分不同，粉塵的衰減系數(shù)有較大區(qū)別，因此，儀器在使用過程中需要選擇所使用的場所，以確定衰減系數(shù)，從而降低測量誤差。

3 結(jié)束語

β射線粉塵測量儀具有其他測塵方式無法比擬的優(yōu)點，到目前為止，已經(jīng)取得迅速發(fā)展，在相關領域發(fā)揮著重要的作用。而空腔式β射線粉塵測量儀更是擁有可針對不同場所的粉塵濃度進行測量，數(shù)據(jù)準確，自動化，智能化，簡便易操作，安全性高等優(yōu)點。我相信，該技術將會成為測塵技術中新的主力軍，為環(huán)境保護事業(yè)作出更大貢獻。

基金項目

湖南省科技廳（工業(yè)支撐項目）（編號：2012GK3133）

資助。

參考文獻

[1]曹光輝.β射線粉塵濃度測量儀采樣器及機械裝置[D].南華大學，2012.

[2]練德幸.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度監(jiān)測技術研究[D].南華大學，2012.

[3]李宗倫，趙修良，彭麗婧，等.β射線粉塵測量儀在煤礦粉塵濃度監(jiān)測中的應用[J].中國礦業(yè)，2010（03）：107-109.

[4]李宗倫.β射線式粉塵測量儀源—探測器優(yōu)化與采樣裝置概念設計[D].南華大學，2010.

[5]練德幸，趙修良，劉麗艷，等.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度測量系統(tǒng)[J].南華大學學報（自然科學版），2011（04）：35-40.

[6]曹光輝，趙修良，練德幸，等.基于GPRS的β射線透射式粉塵監(jiān)測系統(tǒng)[J].科學技術與工程，2012（06）：1405-1408.

作者簡介

李宗倫（1982-），男，湖南衡陽人，碩士，主要從事核技術應用及輻射防護方面的研究。endprint