β 放射源質(zhì)量檢測(cè)儀的開發(fā)及應(yīng)用

文/鄧龍龍 呂 峰 化利東（安徽安光環(huán)境科技有限公司）

β 射線顆粒物監(jiān)測(cè)法是大氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)的一種國(guó)家認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是要求樣品量很少，可每小時(shí)自動(dòng)得出一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反映空氣中顆粒物濃度的變化情況，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有利于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，并可極大地減少人工工作量。因此，β 射線顆粒物監(jiān)測(cè)法已經(jīng)成為大氣環(huán)境顆粒物濃度的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要方法。

β 射線顆粒物監(jiān)測(cè)法的基本原理為β 射線穿過(guò)待測(cè)定物質(zhì)后，其強(qiáng)度衰減程度與被穿透物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)，因此使用的放射源性能對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有直接影響，尤其對(duì)其使用的β 放射源的β 粒子發(fā)射率要求較高，要求發(fā)射率至少要達(dá)到3×10s。然而，市場(chǎng)上常用的β 放射源因生產(chǎn)工藝等原因發(fā)射的β 粒子能量低、射程短、有機(jī)膜厚、產(chǎn)品自吸收大，并不是所有β 放射源均能滿足β 射線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)放射源發(fā)射率的要求。因此，將β 放射源用于β射線顆粒物監(jiān)測(cè)儀之前需對(duì)β 放射源本身質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

一、β 放射源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及檢測(cè)原理

用于顆粒物監(jiān)測(cè)儀的β 放射源的質(zhì)量指標(biāo)包括表面特性、發(fā)射率、穩(wěn)定性、均勻性等，這些指標(biāo)直接影響顆粒物監(jiān)測(cè)儀的PMT計(jì)數(shù)，從而影響顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表面特性指的是放射源表面的光潔程度。對(duì)于β 放射源的表面特性檢測(cè)，可用肉眼或用放大鏡直接觀測(cè)其活性表面。表面特性好的β 放射源，其表面應(yīng)平整、光潔，無(wú)起皮現(xiàn)象，無(wú)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(wěn)定性描述的是整塊源發(fā)射率的變化情況，即放射性物質(zhì)的減少程度，變化或者減少越小說(shuō)明越穩(wěn)定。使用PMT 探測(cè)器對(duì)待測(cè)β 放射源計(jì)數(shù)的方法能對(duì)β 放射源的發(fā)射率進(jìn)行高精度測(cè)量，可以檢驗(yàn)β 放射源的發(fā)射率是否穩(wěn)定并且滿足β 射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀對(duì)放射源發(fā)射率的要求。

根據(jù)β 射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀測(cè)量原理，計(jì)數(shù)誤差會(huì)導(dǎo)致顆粒物濃度誤差，兩者之間的關(guān)系見表1。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ 653—2013），顆粒物監(jiān)測(cè)儀的檢測(cè)限為2μg/m，因此，放射源的發(fā)射率誤差要小于0.045%。

表1 計(jì)數(shù)誤差與濃度誤差關(guān)系

均勻性是表示放射性物質(zhì)在β 源活性區(qū)分布的均勻程度，指的是β 源的每個(gè)部分發(fā)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(gè)面積相等的部分，計(jì)算各個(gè)部分的測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為均勻性變化系數(shù)。發(fā)射率越一致，均勻性越好。檢驗(yàn)β 放射源均勻性可用擋板覆蓋法，分別測(cè)量β 放射源活性區(qū)域每一小部分的發(fā)射率，再計(jì)算各部分發(fā)射率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。由上文分析可知，放射源各部分發(fā)射率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差同樣應(yīng)小于0.045%。

二、β 放射源質(zhì)量檢測(cè)儀的開發(fā)

目前市場(chǎng)上還沒(méi)有能同時(shí)對(duì)β 放射源發(fā)射率及均勻性同時(shí)檢測(cè)的設(shè)備，開發(fā)一套自動(dòng)β 放射源檢測(cè)儀有助于保證β 放射源的質(zhì)量，提高β 放射源用于β 射線法顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀時(shí)顆粒物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及一致性。

β 放射源檢測(cè)儀以4 個(gè)濱松320 探測(cè)器為核心模塊，基于STM32 平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性高、精度高、環(huán)境適宜性強(qiáng)，保證整個(gè)測(cè)量過(guò)程通過(guò)人機(jī)交互的方式，可同時(shí)自動(dòng)測(cè)量4 個(gè)放射源的表面發(fā)射率和表面發(fā)射率均勻性。β 放射源測(cè)量?jī)x主要由PMT探測(cè)器檢測(cè)系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、主控板、電源模塊等部分組成，其系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 β 放射源檢測(cè)儀系統(tǒng)示意圖

PMT 探測(cè)器檢測(cè)系統(tǒng)由4 個(gè)濱松320 探測(cè)器、加熱器、溫度傳感器等組成。濱松320 探測(cè)器屏蔽窗檢測(cè)到β放射源發(fā)出的射線，閃爍體分子呈激發(fā)狀態(tài)，分子退激時(shí)，產(chǎn)生熒光光子進(jìn)入光電倍增管轉(zhuǎn)換為電子并放大，輸出電流脈沖，濱松320 探測(cè)器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TTL 信號(hào)到主控板，進(jìn)行計(jì)數(shù)。

主控板通過(guò)對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)的采集計(jì)算放射源表面的發(fā)射率及均勻性。同時(shí)，主控板通過(guò)溫度傳感器反饋的信號(hào)，根據(jù)PID 算法輸出PWM波控制驅(qū)動(dòng)板對(duì)加熱器的加熱功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，將檢測(cè)系統(tǒng)所處腔室溫度維持在設(shè)定值，減少外界環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)濱松320 探測(cè)器造成的影響。

采集系統(tǒng)由環(huán)境溫度傳感器及大氣壓傳感器等組成，主要測(cè)量PMT 探測(cè)器檢測(cè)系統(tǒng)所處腔室的環(huán)境溫濕度以及氣壓狀態(tài)，用于PMT 探測(cè)器計(jì)數(shù)的補(bǔ)償，進(jìn)一步提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由測(cè)量定位光耦、輔助定位光耦、電機(jī)等組成，主要用于實(shí)現(xiàn)β 放射源表面發(fā)射率和均勻性測(cè)量的切換，通過(guò)兩個(gè)定位光耦的高低電平的反饋信號(hào)，主控板控制驅(qū)動(dòng)板中繼電器的閉合使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)并停止到固定位置。

軟件基于STM32 平臺(tái)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOSII 進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件時(shí)基1 ms。主要任務(wù)劃分為主測(cè)量任務(wù)、電機(jī)任務(wù)、DHS 控制任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)導(dǎo)出任務(wù)、顯示任務(wù)、按鍵任務(wù)等。

系統(tǒng)軟件的主要流程如下：儀器開機(jī)后，通過(guò)輔助定位光耦的反饋信號(hào)進(jìn)行圓盤位置的初始化操作，完成后儀器處于預(yù)熱等待狀態(tài)，點(diǎn)擊觸摸屏表面發(fā)射率按鍵，儀器開始采集4 個(gè)濱松320 探測(cè)器的TTL 信號(hào)，采集完成計(jì)算其表面發(fā)射率，并在觸控屏顯示器上顯示測(cè)量結(jié)果；點(diǎn)擊觸控屏顯示器表面發(fā)射率均勻性按鍵，通過(guò)測(cè)量定位光耦反饋信號(hào)，進(jìn)行圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，每次停止后計(jì)算各β 放射源限定區(qū)域表面發(fā)射率，共重復(fù)4 次操作，最后使用4 次表面發(fā)射率的數(shù)值計(jì)算其表面發(fā)射率的均勻性，并在觸控屏顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程示意圖

三、 實(shí)驗(yàn)與分析

選擇4 個(gè)由原子高科股份有限公司生產(chǎn)的直徑17mm、高度4.5mm、放射源活性區(qū)直徑12mm、名義活度100μCi的同一批次生產(chǎn)的放射源，將其放入上述的β 放射源檢測(cè)儀中檢測(cè)，對(duì)其表面發(fā)射率重復(fù)測(cè)試4 次，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 放射源發(fā)射率測(cè)試結(jié)果

由表2 中結(jié)果可知，此次測(cè)試所用的放射源發(fā)射率均在3.6×10s左右，滿足顆粒物監(jiān)測(cè)儀對(duì)β 放射源的發(fā)射率大于3×10s的要求。同時(shí)，同一個(gè)放射源的4 次計(jì)數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.045%，說(shuō)明放射源的穩(wěn)定性也滿足使用要求。

對(duì)上述4 個(gè)β 放射源進(jìn)行均勻性檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 放射源表面發(fā)射率均勻性測(cè)試結(jié)果

從表3 中結(jié)果可知，此次測(cè)試所用的放射源各區(qū)域表面發(fā)射率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.045%，放射源的均勻性滿足顆粒物監(jiān)測(cè)儀對(duì)β 放射源均勻性的使用要求。同時(shí)，上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明，減小放射源面積會(huì)造成計(jì)數(shù)總數(shù)變小，因PMT探測(cè)器對(duì)β 放射源計(jì)數(shù)時(shí)本身存在噪聲，放射源各區(qū)域表面發(fā)射率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差比整個(gè)放射源活性面的發(fā)射率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大。這也是要求在顆粒物監(jiān)測(cè)儀用β 放射源需要有較高發(fā)射率的原因。

四、 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)β 射線顆粒物監(jiān)測(cè)儀使用的β 放射源性能指標(biāo)研究，開發(fā)了一款適合快速檢測(cè)β 放射源發(fā)射率及β 放射源活性表面均勻性的β 放射源檢測(cè)儀，最后對(duì)設(shè)備的實(shí)際檢測(cè)效果進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明本檢測(cè)儀具有自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)儀能同時(shí)檢測(cè)4 個(gè)放射源，有較高的檢測(cè)效率。但在評(píng)價(jià)放射源均勻性時(shí)分別測(cè)β 放射源活性區(qū)每一小部分的發(fā)射率，再計(jì)算各部分發(fā)射率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，還不能將整個(gè)面源的所有部分都分析到，會(huì)造成某些部分的遺漏。