PMT技术在大气颗粒物监测中的应用

◎文/化利东 潘焕双 袁野（安徽蓝盾光电子股份有限公司）

β射线法大气颗粒物监测仪是目前我国大气环境监测的主要常用设备，该仪器使用的探测器主要有盖革管及闪烁体探测器。而闪烁体探测器的核心部件之一是PMT，PMT灵敏度优异(高电流放大和高信噪比)、响应快速，在微弱光信号、快速脉冲弱光等技术领域应用广泛、效果好。因此，基于PMT技术的探测器在β射线法大气颗粒物监测仪中得到广泛应用，凭借其性能稳定、测量精确度高、操作简单等特点，在环境监测和气象探测领域占据了大部分市场。本文主要探讨以PMT为核心元件的光闪烁体探测器（PMT探测组件）的设计及其应用。

一、PMT探测组件的组成及功能

PMT探测组件是采用塑料闪烁体和光电倍增管耦合，加上信号处理电路，主要包括反光纸、塑料闪烁体、PMT、高压电源、电路板、外套筒及固定结构件，每一部件都单独安装，便于拆卸和更换，如图1所示。

图1 PMT探测模块示意图

反光纸是一种采用特殊的工艺将由玻璃微珠形成的反射层和PVC、PU等高分子材料相结合而形成的一种新颖的反光材料，利用反光膜的独特性能，向光源方向反射光线，滤除白光对PMT测量的影响；塑料闪烁体是有机闪烁物质在塑料中的固溶体，属于有机闪烁体，当有β射线入射时，塑料闪烁体分子被激发而发射荧光光子；PMT是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，把微弱入射光转换成光电子并获倍增的真空光电发射器；电路板的主要功能是实现PMT分压及电流信号采集与转换；高压源为PMT提供600V左右的高压，具体电压可根据每个管子的特性进行调节。

二、PMT工作原理

β源辐射的粒子穿过反光纸进入塑料闪烁体并与之发生作用，塑料闪烁体分子被激发，分子退激时发射荧光光子。荧光光子被PMT转换为电子，然后依次经过取样放大电路、甄别电路和触发电路，输出一个标准的TTL电平信号，由微处理器MCU进行处理，如图2所示。

图2 PMT模块工作流程简图

触发电路是PMT探测模块设计的关键技术之一。PMT是灵敏的高增益器件，其输出电流与入射光能量成正比。此次选用的PMT包含一根内部安装了光电发射材料(光电阴极Photocathode)的玻璃真空套管、8个二次发射电极(打拿极Dynodes)和一个收集电极(阳极Anode)。一个能量足够高的光子(Photon)入射到光电阴极就会被吸收，同时释放出一个电子（e-）。因为第一个打拿极保持高于阴极的电势(二者之间产生一个电势差)，发射出的电子会加速撞向打拿极，同时释放出二次电子。通常每个打拿极维持比前一个高100～200 V的电势。在打拿极链的末端，电子被阳极收集，并输出电流脉冲，整个过程如图3所示。

图3 电子激发过程图

有了电流脉冲还不够，只有将输出的电流脉冲换成电压，才能供后续电路进一步处理，故要设计一款PMT分压及IV转换电路，其中分压是为前面的打拿极链提供电势，其原理如图4所示。在该图中，PMT倍增级间的电阻取值应与高压模块输出的电流大小相匹配。现将电阻（R1～R11）的阻值取为510 kΩ，将R12的阻值取为500Ω，同时在R12两端并联一个22pF的电容以降低信号的噪声。PMT的P级（阳极）直接输出电流I,运放引脚6输出电压U，两者的关系为

图4 分压与IV转换电路原理图

光电倍增管阳极输出的电流信号很小，且混杂有暗电流、宇宙线等信号干扰。因此，电路经逐级放大并通过甄别电路对有用信号进行区分，从而得到一串合适的脉冲信号，最终输出的幅度为3.6V正向TTL信号，可直接用微处理器的定时计数器进行采集计数。计数值大小直接反应β源辐射强度。根据上面的设计要求，完成设计并输出图纸加工，包括相应的结构件设计与加工，按图1完成PMT探测组件的封装工作。

三、PMT探测组件探测大气颗粒物的工作原理

大气颗粒物自动监测仪是用来测量大气中悬浮颗粒物浓度的专用仪器，系统主机安装在室内，通过密封的管道和室外的切割器连接。采用β源作为放射源，利用恒流抽气泵对大气进行采样，采样时根据环境变化实时对采样流量进行闭环控制。颗粒物被吸附在β源和PMT探测模块之间的滤纸表面，抽气前后探测器计数值的改变量反应了滤纸表面吸附颗粒物的量，再结合采样体积，根据朗伯比尔定律计算出颗粒物的小时浓度[1]。颗粒物监测系统框图见图5。

图5 颗粒物监测系统框图

四、PMT探测组件在颗粒物监测应用中的对比测试

1.实验准备

LGH-01B型三代颗粒物监测仪4套，手工采样器3套，十万分之一电子天平1套，恒温恒湿箱1套。将4套LGH-01B型设备按顺序编号，其中1#、2#设备采用北京滨松CH286型闪烁体探测器（高压模块由滨松提供），3#、4#设备采用上述研制的PMT探测组件（高压模块在国内定制）。

图6 自制探测器与手工采样器及滨松探测器参比图

2.对比测试

4套LGH-01B型三代颗粒物监测仪设备和3套手工采样器同时间段进行对比测试[2]，选取9天的当日0～23时的小时值，计算日均值，统计整理绘制出图6的自制探测器分别与手工采样器及滨松探测器的参比结果。

五、结论

PMT测量模块应用在大气颗粒物监测中，通过与手工采样器及滨松探测器测量值对比，各测量指标（其斜率K、 截距 B和相关性R2分别为 0.9871、0.428、0.9997及0.9918、-0.9661、0.9994） 均满足环境监测标准要求[3]。 因此，由PMT技术研制的探测组件完全可以用于β射线法大气颗粒物监测仪中。