β射线法原理及其对比应用

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引言：近年来，随着公众环保意识的提高以及对雾霾天气认识的深入，公众对环境空气 PM2.5 关注程度越来越高。 在国家 2012年颁布的新版《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中，PM2.5成为标准要求的常规监测项目。 PM2.5 在线监测设备也得到了环保部门广泛的应用。对于测试大气颗粒物常见的的三种方法，光散射式、β射线法、振荡天平法，他们各有其应用价值和优劣。大气颗粒物常采用的是振荡天平法、B射线吸收法、光散射法三种方法，之间数据的可比性尚存在许多问题。因为方法的测量原理不同影响因素也各异。振荡天平式颗粒物监测仪的测量原理是由于颗粒物的增加导致石英振子的震荡额率f变化，从而显示出质量浓度值;β射线吸收式颗粒物监测仪的测量原理是由于捕集到滤纸上的PMlo4B射线吸收值的增加，显示出质量浓度;光散射式颗粒物监测仪的测量原理是由于颗粒物对光散射量的增加，显示出相对浓度。
本文将重点研究探讨β射线法测试大气颗粒物的原理及其应用在实际工程中的优劣，并对利用β射线监测空气的设备进行简答的介绍。
关键词：空气监测  PM2.5  β射线法  应用仪器  

1.β射线原理   
β射线吸收原理：
   原子核在发生β衰变时,放出β粒子。β粒子实际上是一种快速带电粒子，它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。当吸收物质的厚度比β粒子的射程小很多时，β射线在物质中的吸收，近似为：
　　
式中：
　　I0——滤纸没有吸附吸收物质时的β粒子记数值；
　　I——是β射线穿过吸收物质厚度为tm的滤纸的β粒子记数值；
　　μm——称为质量吸收系数或质量衰减系数，单位为cm^2/mg，对于同一吸收物质，μm与放射能量有关；
　　tm——称为质量厚度，单位为mg/cm^2。                                                        
   β射线源采用放射源14C，放射能量在100μCi以下，半衰期为5730年，安全可靠。β射线吸收原理测量PM10普遍采用国际上流行的β射线吸收原理自动监测仪，仪器利用抽气泵对大气进行恒流采样，经PM10切割器切割后，大气中的PM10颗粒物吸附在β源和盖革计数管之间的滤纸表面，采样前后盖革计数管计数值的变化反映了滤纸上吸附灰尘的质量变化，由此可以得到采样空气中PM10的浓度。                                                                   首先，盖革计数管电路记录下β射线通过空白滤纸时的强度I1，由式（2）得：
　　
　　第二步：恒流抽气系统通过PM10切割器抽入一定体积的样气，PM10颗粒被阻留在仪器滤纸表面上；
　　第三步：探测器记录下此时β射线的强度，设为I2，由式（2）得：
　　
　　式中：Δm—— PM10的质量厚度，单位为mg/cm2。
　　假设I0在整个测量过程中保持不变。综合(3)和(4)，得：
　　
　第四步：根据滤纸被探测面积、采样流量和采样时间，计算出PM10的质量浓度。得：
　　
式中：C——PM10的质量浓度，mg/m3；
　　S——探测面积，cm2；
　　F——换算成标准状况下的采样流量，L/min；
　　t——采样时间，min。
2.测试仪器原理
大气中的悬浮颗粒物大致分类及其常用分析监测方法如下表所示：
颗粒物分类        缩写        定义        分析方法
                        手工分析        自动分析
总悬浮颗粒物        TSP        环境空气中空气动力学当量直径
≤100μm颗粒物        重量法
GB/T15432         
可吸入颗粒物        PM10        环境空气中空气动力学当量直径
≤10μm颗粒物        重量法HJ618        β射线法、微量震荡天平法
细颗粒物        PM2.5        环境空气中空气动力学当量直径
≤2.5μm颗粒物        重量法HJ618        β射线法、微量震荡天平
  β射线仪就是利用β射线衰减的原理，通过上面我们对β射线衰减原理的计算分析，现在就可以很清楚的了解到β射线仪的工作原理。环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。β射线法颗粒物监测仪由PM10采样头、PM2.5切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。流量为1m3/h的环境空气样品经过PM10采样头和PM2.5切割器后成为符合技术要求的颗粒物样品气体。在样品动态加热系统中，样品气体的相对湿度被调整到35%以下，样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧分别设置了Beta射线源和Beta射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时Beta射线检测器检测到的Beta射线强度会相应地减弱。由于Beta射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析Beta射线检测器的颗粒物质量数值，结合相同时段内采集的样品体积，最终得出采样时段的颗粒物浓度。配置有膜动态测量系统后，仪器能准确测量在这个过程中挥发掉的颗粒物，使最终报告数据得到有效补偿，理接近于直实值。

图片来自 四川瞭望LW5014iβ射线法监测系统（http://www.sclws.com/show-54-69-1.html）

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3.β射线法优势
   容易知道，利用此原理制作出的β射线仪不受粉尘粒子大小及颜色的影响。具有直读、快速测尘、操作简便及实时测量的的优点。并且在线监测仪结构简单， 需要的人工维护量相对较低，故障发生率也相对较低
   β射线法 PM2.5 在线监测设备一般分为步进式和连续式两种。 步进式仪器一般 1h 出 1 个数据，连续式仪器可进行连续测量。 颗粒物对 β 射线的吸收与颗粒物的种类、粒径、形状、颜色和化学组成等无关， 只与粒子的质量有关。 β 射线是由 14C射线源产生的低能射线，安全耐用。
   β射线吸收原理自动监测仪测量PM10的优点是要求样品量很少，根据实际需要，采样时间1~99min可调，可每小时自动得出一个监测数据，实时反映空气中PM10浓度的变化情况，并可进行数据传输，有利于远程监测和自动控制，并极大的减少了人工工作量。其缺点是和其他两种方法比较相对成本较高。

4.实验对比
4.1 β射线法与普通大流量采样对比器
   现将河北先河科技发展有限公司生产的XH2000D型β射线吸收原理PM10自动监测仪与大流量采样器对比实验数据结果列表如下：
日均值
监测仪器        2001.8.18
日均值(mg/m3)         2001.8.19
日均值(mg/m3)         2001.8.21
日均值(mg/m3)         2001.8.22
日均值(mg/m3)         2001.8.23
日均值(mg/m3)         五日均值
日流量采样器        0.302        0.094        0.155        0.340        0.157        0.210
自动监测仪        0.106        0.113        0.141        0.352        0.150        0.212
由以上数据可以得出：日均值最大偏差为0.019 mg/m3，五日均值相对误差为1%；日均值相关系数为99.2%。
   实验结论：以大流量采样器为基准，XH2000D型β射线吸收原理PM10自动监测仪具有较好的准确性。

4.2 β射线衰减法与微量振荡天平法测定空气中PM10的比较
   通过参考张元茂 ,郑叶飞（上海市环境监测中心站 ,上海        200030）《β射线衰减法与微量振荡天平法测定PM10的比较》中的实验结果，有以下结论：
   实验历时 3 个月共得有效日平均值 72 对 ,基本覆盖了上海市全年 PM10监测频率较高的浓度范围 ,具有一定的代表性。
(1)β射线衰减法是一种间接的测量方法 ,微量振荡天平法是一种直接质量测量法 ———称量法 ,后者比前者先进。
(2) 微量振荡天平法监测仪的检测限和精度均优于β射线衰减法监测仪。微量振荡天平法测量的准确性基本取决于采样流量 ,而β射线衰减法测量的准确性不仅与采样流量的准确性有关 ,而且还受颗粒物成分的影响 ,如果颗粒物中含有放射性元素氡 ,就会对测量产生干扰 ,所以微量振荡天平法测量的准确性要优于β射线衰减法。
(3) 微量振荡天平法监测仪每 2 s 输出 1 个 10 min 滚动平均值 ,因此它不仅比β射线衰减法监测仪更适宜连续在线实时测量 ,而且还能用于污染源调查和应急事故监测 ,若配上 ACCU (自动多通道颗粒物采集单元) 还能进行科研调查测量。
(4) 微量振荡天平法监测仪的结构略比β射线衰减法监测仪复杂 , 两种仪器的运行费用大致相当 ,维护量和故障率均较低。
(5) 微量振荡天平法监测仪在气候潮湿的情况下(如南方的梅雨季节) ,有时会产生负值。根据多年使用经验 ,将主流量设置在 1 L/ min ,并在滤膜负载量未超过 50 %时即予于更换 ,基本可消除负值。
(6)实验结果表明 β, 射线衰减法测量结果平均高于微量振荡天平法 1518 % ,它们之间平均偏差为 715 %。由两种测定方法的原理和监测仪器的性能可知 ,这种情况与β射线衰减法监测仪在现场环境测量过程中受干扰物和不确定因素影响较多有关。两种方法的测量结果具有一致性、相关性和可比性 ,它们之间的关系可用回归直线方程表示。

5.应用
射线测尘仪
射线测定仪是一种新型的 计测量系统, 悬浮粒子由真空泵吸入, 首先经过分析仪顶部的采样头, 然后进入仪器。粒子沉淀在玻璃棉滤纸上, 该纸可在 源和盖革计数器之间运动。通过测量沉淀粒子前后的放射线计数差来测定滤膜上沉积物的质量, 可准确可靠地测量空气中的颗粒物浓度。

参考文献：
辽宁城乡环境科技 第 25 卷 第 5 期2005年10月 《射线法和振荡天平法在监测中的应用》姜峰（大连市环境监测中心 大连 116023）
《β射线衰减法与微量振荡天平法测定PM10的比较》张元茂 ,郑叶飞(上海市环境监测中心站 ,上海        200030)
中国科学院安徽光学精密机械研究所量子电子学报，2001.2《大气中可吸入粉尘（PM10）β射线法测量的理论与数据处理》张玉钧，刘文清等