PMT技術在大氣顆粒物監(jiān)測中的應用

◎文/化利東 潘煥雙 袁野（安徽藍盾光電子股份有限公司）

β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀是目前我國大氣環(huán)境監(jiān)測的主要常用設備，該儀器使用的探測器主要有蓋革管及閃爍體探測器。而閃爍體探測器的核心部件之一是PMT，PMT靈敏度優(yōu)異(高電流放大和高信噪比)、響應快速，在微弱光信號、快速脈沖弱光等技術領域應用廣泛、效果好。因此，基于PMT技術的探測器在β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀中得到廣泛應用，憑借其性能穩(wěn)定、測量精確度高、操作簡單等特點，在環(huán)境監(jiān)測和氣象探測領域占據了大部分市場。本文主要探討以PMT為核心元件的光閃爍體探測器（PMT探測組件）的設計及其應用。

一、PMT探測組件的組成及功能

PMT探測組件是采用塑料閃爍體和光電倍增管耦合，加上信號處理電路，主要包括反光紙、塑料閃爍體、PMT、高壓電源、電路板、外套筒及固定結構件，每一部件都單獨安裝，便于拆卸和更換，如圖1所示。

圖1 PMT探測模塊示意圖

反光紙是一種采用特殊的工藝將由玻璃微珠形成的反射層和PVC、PU等高分子材料相結合而形成的一種新穎的反光材料，利用反光膜的獨特性能，向光源方向反射光線，濾除白光對PMT測量的影響；塑料閃爍體是有機閃爍物質在塑料中的固溶體，屬于有機閃爍體，當有β射線入射時，塑料閃爍體分子被激發(fā)而發(fā)射熒光光子；PMT是一種建立在光電子發(fā)射效應、二次電子發(fā)射和電子光學理論基礎上，把微弱入射光轉換成光電子并獲倍增的真空光電發(fā)射器；電路板的主要功能是實現PMT分壓及電流信號采集與轉換；高壓源為PMT提供600V左右的高壓，具體電壓可根據每個管子的特性進行調節(jié)。

二、PMT工作原理

β源輻射的粒子穿過反光紙進入塑料閃爍體并與之發(fā)生作用，塑料閃爍體分子被激發(fā)，分子退激時發(fā)射熒光光子。熒光光子被PMT轉換為電子，然后依次經過取樣放大電路、甄別電路和觸發(fā)電路，輸出一個標準的TTL電平信號，由微處理器MCU進行處理，如圖2所示。

圖2 PMT模塊工作流程簡圖

觸發(fā)電路是PMT探測模塊設計的關鍵技術之一。PMT是靈敏的高增益器件，其輸出電流與入射光能量成正比。此次選用的PMT包含一根內部安裝了光電發(fā)射材料(光電陰極Photocathode)的玻璃真空套管、8個二次發(fā)射電極(打拿極Dynodes)和一個收集電極(陽極Anode)。一個能量足夠高的光子(Photon)入射到光電陰極就會被吸收，同時釋放出一個電子（e-）。因為第一個打拿極保持高于陰極的電勢(二者之間產生一個電勢差)，發(fā)射出的電子會加速撞向打拿極，同時釋放出二次電子。通常每個打拿極維持比前一個高100～200 V的電勢。在打拿極鏈的末端，電子被陽極收集，并輸出電流脈沖，整個過程如圖3所示。

圖3 電子激發(fā)過程圖

有了電流脈沖還不夠，只有將輸出的電流脈沖換成電壓，才能供后續(xù)電路進一步處理，故要設計一款PMT分壓及IV轉換電路，其中分壓是為前面的打拿極鏈提供電勢，其原理如圖4所示。在該圖中，PMT倍增級間的電阻取值應與高壓模塊輸出的電流大小相匹配?，F將電阻（R1～R11）的阻值取為510 kΩ，將R12的阻值取為500Ω，同時在R12兩端并聯一個22pF的電容以降低信號的噪聲。PMT的P級（陽極）直接輸出電流I,運放引腳6輸出電壓U，兩者的關系為

圖4 分壓與IV轉換電路原理圖

光電倍增管陽極輸出的電流信號很小，且混雜有暗電流、宇宙線等信號干擾。因此，電路經逐級放大并通過甄別電路對有用信號進行區(qū)分，從而得到一串合適的脈沖信號，最終輸出的幅度為3.6V正向TTL信號，可直接用微處理器的定時計數器進行采集計數。計數值大小直接反應β源輻射強度。根據上面的設計要求，完成設計并輸出圖紙加工，包括相應的結構件設計與加工，按圖1完成PMT探測組件的封裝工作。

三、PMT探測組件探測大氣顆粒物的工作原理

大氣顆粒物自動監(jiān)測儀是用來測量大氣中懸浮顆粒物濃度的專用儀器，系統主機安裝在室內，通過密封的管道和室外的切割器連接。采用β源作為放射源，利用恒流抽氣泵對大氣進行采樣，采樣時根據環(huán)境變化實時對采樣流量進行閉環(huán)控制。顆粒物被吸附在β源和PMT探測模塊之間的濾紙表面，抽氣前后探測器計數值的改變量反應了濾紙表面吸附顆粒物的量，再結合采樣體積，根據朗伯比爾定律計算出顆粒物的小時濃度[1]。顆粒物監(jiān)測系統框圖見圖5。

圖5 顆粒物監(jiān)測系統框圖

四、PMT探測組件在顆粒物監(jiān)測應用中的對比測試

1.實驗準備

LGH-01B型三代顆粒物監(jiān)測儀4套，手工采樣器3套，十萬分之一電子天平1套，恒溫恒濕箱1套。將4套LGH-01B型設備按順序編號，其中1#、2#設備采用北京濱松CH286型閃爍體探測器（高壓模塊由濱松提供），3#、4#設備采用上述研制的PMT探測組件（高壓模塊在國內定制）。

圖6 自制探測器與手工采樣器及濱松探測器參比圖

2.對比測試

4套LGH-01B型三代顆粒物監(jiān)測儀設備和3套手工采樣器同時間段進行對比測試[2]，選取9天的當日0～23時的小時值，計算日均值，統計整理繪制出圖6的自制探測器分別與手工采樣器及濱松探測器的參比結果。

五、結論

PMT測量模塊應用在大氣顆粒物監(jiān)測中，通過與手工采樣器及濱松探測器測量值對比，各測量指標（其斜率K、 截距 B和相關性R2分別為 0.9871、0.428、0.9997及0.9918、-0.9661、0.9994） 均滿足環(huán)境監(jiān)測標準要求[3]。 因此，由PMT技術研制的探測組件完全可以用于β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀中。