β射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用

李宗伦，赵修良，彭丽婧，刘丽艳

(1.南华大学 核科学技术学院,湖南 衡阳 421001；2.湖南环境生物职业技术学院,湖南 衡阳 421005)

煤矿粉尘影响矿井安全生产，威胁职工身体健康，是煤矿五大灾害之一。在煤矿开采过程中，如钻眼、爆破、掘井及采煤作业，顶板管理、煤的装载运输等各个环节，都会产生大量的粉尘。各环节产生的粉尘量的比例大致为：采煤工作面约占45%～80%。掘进工作面约占20%～38%。锚喷作业点约占10%～15%，运输通风巷道约占5%～10%，其他作业点约占2%～5%。煤矿粉尘危害人体健康，轻者会患呼吸道疾病，重者会患尘肺病；引发爆炸，煤尘的爆炸浓度下限为30～50g/m3，上限为1000～2000g/m3；降低工作场所的能见度；增加工伤事故的发生；加速机械磨损。

目前，煤矿中使用的粉尘监测方法，有重量法、X射线衍射法、光学分光镜法、散射光法、压电天平法、β射线粉尘测量法。其中β射线法测定尘粒的质量浓度与透过的物质质量有关，而不受颗粒直径、成分、颜色及分散状态的影响，它是粉尘浓度的间接测量方法中较准确的一种。能更有效的监测煤矿粉尘浓度，对抓好矿井综合测尘工作，促进矿井安全生产，保障职工身体健康具有重大意义。

1 β射线粉尘测量仪系统结构与工作原理

一般β射线粉尘测量仪系统，由β射线探测、粉尘采样、信号处理与单片机(微处理器)系统组成，系统结构如图1所示。

β源采用一般14C，β射线由G-M计数器(探测器)探测，用滤膜夹将待测滤膜置于放射源与计数器之间进行测量。所得脉冲信号经过放大成形后，经单道脉冲幅度分析器分析，选择对应β射线幅度的电压脉冲信号转变为数字脉冲信号。数字脉冲信号的计数由单片机(微处理器)系统实现。该系统对数据进行处理、显示，并通过其键盘和LCD/LED显示器实现人机对话，满足参数设置与粉尘浓度测量结果输出，即滤膜重量(mg)及粉尘浓度测量数据，可以自动显示在单片机(微处理器)系统的液晶或发光二极管显示器上。

图1 β射线粉尘测量仪系统结构

β射线粉尘测量仪系统的工作流程，可分为三个具体步骤：

(1)首先，透过空白滤纸样品介质的β射线，由G-M探测器探测。经过脉冲信号放大成形与单道脉冲幅度分析器后，由单片机(微处理器)系统分析处理，并记录透过空白滤纸样品介质β射线的强度。

(2)在空白滤纸样品测量过程的同时，由单片机(微处理器)系统控制的抽气泵系统，以恒定流量通过采气气路抽入一定量的被采样空气，其气体中颗粒不断吸附在被测滤纸样品面上，其吸附量与控制采样抽气时间有关。

(3)经过一定的采样抽气时间后，对吸附气体颗粒(粉尘)的被测滤纸样品的探测、处理，与透过空白滤纸样品介质β射线强度的测量过程相同。

β射线粉尘测量仪通过以上过程达到空气中粉尘浓度测量目的，是基于β射线吸收法的基本原理。

β射线吸收法的基本原理为:β射线通过介质层时，由于介质层的吸收作用，其射线强度将会减弱，减弱程度与介质层的质量厚度(单位面积上介质质量)有关，其减弱关系在一定范围内大致遵从指数衰减规律，如式(1)所示。假设质量m的粉尘均匀分布在面积A上，即存在：

(1)

式中:d=m/A(mg/cm2)，是粉尘的表面质量；n0、n分别代表采样粉尘前后，计数器每分钟以电流脉冲方式所记录下来的β粒子数，这个脉冲计数率表征了放射穿透强度； (μ/ρ)是质量衰减系数，该系数是介质层衰减系数与介质层密度的比值，受粉尘粒子化学成分的影响，与电子密度有关。对于β射线粉尘测量仪使用的特定场所来说，该系数是个常值，因此由式(1)得到粉尘的绝对质量表达式(2)，即：

(2)

式中:m是粉尘的绝对质量，单位mg； A为粉尘分布的表面积，单位cm2。

粉尘绝对质量m和气体采样体积Q的比值，就是粉尘浓度c，关系式(3)所示:

(3)

2 β射线粉尘测量仪在煤尘浓度监测中的应用

粉尘含量的测量方法，有重量法、X射线衍射法、光学分光镜法、散射光法、压电天平法、β射线粉尘测量法。

重量法作为粉尘测量的最常见的方法，测量的精度较高，是粉尘测量的标准方法。但该法满足不了自动、连续、无人操作以及数据的自动记录和传输的需要。X射线衍射法只能检测大气中游离的二氧化硅，不能进行全面检测。光学分光镜法、散射光法、压电天平法，虽然能够及时测得生产现场的粉尘浓度，但精度均不高，尤其国产仪器误差较大。

β射线粉尘测量法能自动连续地监测大气中的总粉尘质量浓度和工作岗位上的总粉尘质量浓度或呼吸性粉尘浓度，具有重量法、X射线衍射法、光学分光镜法、散射光法、压电天平法等粉尘测量技术无法比拟的优点：它可以直接测出粉尘的质量浓度，而不受粉尘种类、粒度，分散度、形状、颜色、光泽等因素的影响；其测量结果可与经典的标准方法—称重法等效，它可以减少样品的处理时间和受污染的机会；不会带来人为误差且无误差积累，不需要经常校准和调零；能实现自动连续监测；监测过的样品可以保留。

目前，在煤矿中使用的粉尘测量仪，有全自动式粉尘测试仪、直读式粉尘测试仪、激光式粉尘测试仪、防爆式粉尘测试仪、便携式粉尘测量仪及粉尘采样器六种。从理论上讲，全自动式粉尘测试仪、直读式粉尘测试仪、激光式粉尘测试仪、防爆式粉尘测试仪、便携式粉尘测量仪有很多优点。但前些年国产的直读式测尘仪，由于其测量精度、工作机理等多方面的因素所限制，在煤矿行业得不到推广应用。国内各煤矿目前普遍使用的都是粉尘采样器，粉尘采样器的优点是测量精度较高，理论上能达到±10%，但其缺点也较多，如影响测量精度的因素较多、占用房间和设备较多、采样时间较长、操作程序繁杂、仪器维修量大、花费成本较高等等。国内各煤矿井下粉尘检测点很多，一般都在100个左右，而且按照有关规定，每个测尘点每月要测尘两次，测尘采样、称重、计算等一系列工作相当繁琐；粉尘采样器测尘方法，远远满足不了测尘工作的需要。而β射线煤尘测量仪测值稳定，体积小，重量轻，操作简单，使用方便，更适用于存在易燃易爆可燃性气体混合的煤矿工作环境。

3 β射线粉尘测量误差问题探讨

β射线测尘仪是利用β射线通过介质时被吸收的原理设计的，当射线能量恒定时，吸收量与物质的质量的关系为:

式中:N为采样后被介质吸收后的召粒子计数；N0为采样前未经介质吸收的β粒子计数；μm为β粒子对特定介质的吸收系数((cm2/mg)；d为吸收介质的厚度(cm)；ρ为介质的相对密度(mg/cm3)；乘积1(1=dρ)为吸收介质的面密度(mg/cm2)，也称为质量厚度。

β射线粉尘测定法是粉尘浓度的间接测量方法中较准确的一种。国内外已有多种型号的β射线测尘仪，它们大多采用塑料闪烁探头，探测效率较低，因而要采用较强的β射线源(约60μCi，即2. 22*106Bq)，存在安全隐患。因此，通过大量的实验与探索降低源的放射性活度，是β射线粉尘测量急需解决的关键问题。同时，在老式粉尘测量中，采样器和探测器为两个分离的独立系统；采样结束后，通过自动化技术将滤膜运输到探测器中；其间不可避免的会产生测量误差，如：采样滤纸移位、大气中存在的放射性粉尘等。而新的测量方法，则可将采样与探测融合为统一的监测系统，当需要采样时，90°旋转滤膜夹，使之与气泵连通后开始采样，采样完成后将滤膜夹旋回原位(图1)。这种融合后的监测系统，将大大降低粉尘在传输过程中所受到的干扰，提高了测量精度。β射线粉尘测量仪系统结构设计见图1。

4 结语

β射线测尘仪具有许多其他测尘方法无法比拟的优点，到目前为止，已经取得迅速发展:从台站式到便携式；从测量总粉尘浓度到测量可吸人粉尘及其他；从一般自动监测到微电脑管理，实现监测自动化、智能化；从大气环境监测到工作环境、居住环境监测等，β射线测尘仪正在相关领域发挥着重要作用。随着科学技术的不断进步，相信会有更多更好的β射线测尘仪不断面世，为煤矿安全生产作出贡献。

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