【正文】 ................................................................................................ 39 附錄 2 ......................................................................................................... 54 III 致謝 ............................................................................................................ 69 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 環(huán)境監(jiān)測的概念及其發(fā)展 一 、 環(huán)境監(jiān)測的概念 環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境科學(xué)的一個(gè)重要分支，是環(huán)境科學(xué)的工具、手段。所以，環(huán)境監(jiān)測是間斷或者連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的種類、濃度、觀察分析其變化和對(duì)環(huán)境影響的過程。除現(xiàn)有污染物的監(jiān)測外，還應(yīng)有生物的、生態(tài)的監(jiān)測，還應(yīng)有其他的監(jiān)測，所以，環(huán)境監(jiān)測又可以表示為用科學(xué)的方法監(jiān)測和測定代表環(huán)境質(zhì)量及發(fā)展變化趨勢的各種數(shù)據(jù)的全過程。 二、環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展 環(huán)境污染雖然自古就有，但環(huán)境科學(xué)作為一門學(xué)科是在二十世紀(jì) 50 年代才開始發(fā)展起來的，最初危害較大的環(huán)境污染事件主要是由于化學(xué)毒物所造成的，因此，對(duì)環(huán)境樣品進(jìn)行化學(xué)分析以確定其組成和含量的環(huán)境分析就產(chǎn)生了。因此，環(huán)境分析實(shí)際上是分析化學(xué)的發(fā)展。 到了 70 年代，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到影響環(huán)境質(zhì)量的因素不僅是化學(xué)因素，還有物理因素，例如噪聲、光、熱、電磁輻射、放射性等。此外，某一化學(xué)毒物的含量僅是影響環(huán)境質(zhì)量的因素之一，環(huán)境中各種污染物之間、污染物與其他物質(zhì)、其他因素之間還存在著相加和拮抗作用。環(huán)境監(jiān)測的手段除了化學(xué)的、還有物理的、生物的等等。 監(jiān)測手段和監(jiān)測范圍的擴(kuò)大，雖然能夠說明區(qū)域性的環(huán)境質(zhì)量，但由于受采樣手段、采樣頻率、采樣數(shù)量、分析速度、數(shù)據(jù)處理速度等限制，仍不能及時(shí)地監(jiān)視環(huán)境質(zhì)量變化，預(yù)測變化趨勢，更不能根據(jù)監(jiān)測結(jié)果發(fā)布采取應(yīng)急措施的指令。可以在極短時(shí)間內(nèi)觀察到空氣、水體 污染濃度變化、預(yù)測預(yù)報(bào)未來環(huán)境質(zhì)量。這一階段稱為污染防治監(jiān)測階段或自動(dòng)監(jiān)測階段 ]2[ 。 我國環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀 我國從 70 年代開始逐步建立了中央、省、地市、縣區(qū)的四級(jí)監(jiān)測機(jī)構(gòu)，制定了各種監(jiān)測管理制度。開展了優(yōu)化布點(diǎn)，統(tǒng)一監(jiān)測的方法，進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，實(shí)行分析人員 上崗合格證制，創(chuàng)建和評(píng)選了國家和省級(jí)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，編輯出版了質(zhì)量保證手冊(cè)，從而保證了監(jiān)測工作質(zhì)量，達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精密性、代表性、可比性、完整性的 QA 目標(biāo)。 我國制定并頒布實(shí)施了環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范及有關(guān)的技術(shù)管理規(guī)定，使環(huán)境監(jiān)測技術(shù)管理走上了規(guī)范化的軌道，全國監(jiān)測系統(tǒng)可以開展水、氣、渣、土壤、生物、噪聲、放射性等要素 200 多個(gè)項(xiàng)目的環(huán)境質(zhì)量和污染源監(jiān)測，還可以承擔(dān)較復(fù)雜的環(huán)境問題調(diào)查，各級(jí)監(jiān)測站獲獎(jiǎng) 科研項(xiàng)目 1800多項(xiàng)，其中有環(huán)境背景值、工業(yè)污染源、酸雨、和農(nóng)藥污染調(diào)查等大型課題，更多的則是實(shí)用監(jiān)測技術(shù)。 “八五”第一年，我們就通過優(yōu)化篩選建立了由 200 個(gè)站組成的“國家環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)” (簡稱“國控網(wǎng)” )。根據(jù)加強(qiáng)流域環(huán)境管理的需要， 1994 年以來，分別組建了“長江暨三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”、“淮河流域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”、“太湖流 域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”和“近岸海域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”。 目前，全國共有專業(yè)、行業(yè)監(jiān)測站 4800 多個(gè)，其中環(huán)保系統(tǒng) 2200 多個(gè)監(jiān)測站，行業(yè)監(jiān)測站 2600 多個(gè)。此外還建有噪聲監(jiān)測網(wǎng)、輻射監(jiān)測網(wǎng)、區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)等。目前，我國已制定各類國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn) 410 項(xiàng)，覆蓋了大氣、水質(zhì)、土壤、噪聲、輻射、固體廢物、農(nóng)藥等領(lǐng)域。需監(jiān)測的污染因子達(dá)百余種。某些元素的原子核不穩(wěn)定，內(nèi)部能夠自發(fā)地改變核結(jié)構(gòu)，從一種核變成為另一種核， 并放射出帶電的或者不帶電的粒子 (α、 β)或射線 (γ)，這種性質(zhì)稱為放射性衰變，簡稱放射性。含有不穩(wěn)定原子核的元素稱為放射性元素，不穩(wěn)定的核稱為放射性原子核由不穩(wěn)定的原子核在衰變過程中釋放出的肉眼看不見的粒子流，就稱之為放射線。含有放射性元素的物質(zhì)就稱為放射性物質(zhì)。 環(huán)境中放射性的來源和危害 一、天然放射性的來源 (1) 宇宙射線及其引生的放射性核素：宇宙射線是一種從宇宙空間射到地面來的射線，由初級(jí)宇宙射線和次級(jí)宇宙射線組成。 (2) 天然系列放射性核素：多數(shù)天然放射性核素在地球起源時(shí)就存在于地殼之中，經(jīng)過天長日久的地質(zhì)年代，母體和子體之間已達(dá)到放射性平衡，從而建立了放射性核素的系列。 二、人為放射性污染的來源 引起環(huán)境放射性污染的主要來源是生產(chǎn)和應(yīng)用放射性物質(zhì)的單位所排出的放射性廢物，以及核武器爆炸、核事故等產(chǎn)生的放射性物質(zhì)。其核裂變產(chǎn)物包括 200 多種放射性核素，還有核爆炸過程中產(chǎn)生的中子與大氣、土壤、建筑材料中的核素發(fā)生核反應(yīng)形成的中子活化合物，以及剩 余未起反應(yīng)的核素。它們?cè)谶\(yùn)行過程中排放含各種核裂變產(chǎn)物的三廢排放物；特別是發(fā)生事故時(shí)，將會(huì)有大量放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中去，造成嚴(yán)重污染事故。 (4) 放射性礦的開采和利用：在稀土金屬和其他共生金屬礦開采、提煉過程中，其三廢排放物中含有鈾、釷、氡等放射性核素，將造成所在局部地區(qū)的污染。人體一次或短期內(nèi)接受大劑量照射，將引起急性輻射損傷，如核爆炸、核反應(yīng)堆事故等造成的損傷。輻射引起的電子激發(fā)作用和電離作用使機(jī)體分子不穩(wěn)定和破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子鍵斷裂和畸變，破壞對(duì)人類新陳代謝有重要意義的酶。 監(jiān)測對(duì)象及方法 一、放射性監(jiān)測的對(duì)象及內(nèi)容 放射性監(jiān)測按照監(jiān)測對(duì)象可分為： ① 現(xiàn)場監(jiān)測，即對(duì)放射性物質(zhì)生產(chǎn)或應(yīng)用單位內(nèi)部工作區(qū)域所作的監(jiān)測；②個(gè)人劑量監(jiān)測，即對(duì)放射性專業(yè)工作人員或公眾作內(nèi)照射和外照射的劑量監(jiān)測；③環(huán)境監(jiān)測，即對(duì)放射性生產(chǎn)和應(yīng)用單位外部環(huán)境，包括空氣、水體、土壤、生物、固體廢物等所作的監(jiān)測。 二、放射性監(jiān)測方法 環(huán)境放射性監(jiān)測方法有定期監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測。 對(duì)環(huán)境樣品進(jìn)行放射性測量和對(duì)非放射性環(huán)境樣品監(jiān)測過程一樣，也是經(jīng)過樣品采集、樣品預(yù)處理和選擇適宜方法、儀器測定三個(gè)過程。 (2) 樣品預(yù)處理：樣品預(yù)處理的目的是濃集對(duì)象核素、去除干擾核素和將樣品的物理形態(tài)轉(zhuǎn)換成易于進(jìn)行放射性 檢測的形態(tài)。 (3) 環(huán)境中放射性監(jiān)測：①水樣的總 α 放射性活度測定；②水樣中總β放射性活度測量；③土壤中總 α、 β放射性活度的測量；④氚的放射性監(jiān)測；⑤各種形態(tài) I 的放射性監(jiān)測。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)、內(nèi)容和要求 本設(shè)計(jì)采用 MSP430 單片機(jī)對(duì)工作環(huán)境 中的γ射線進(jìn)行檢測的裝置設(shè)計(jì)。首先要查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)MSP430 單片機(jī)的軟硬件知識(shí)，設(shè)計(jì)硬件電路，然后學(xué)習(xí) C 語言的相關(guān)知識(shí)，用 C 語言編制數(shù)據(jù)采集 (計(jì)數(shù)器 )、數(shù)碼顯示、鍵盤、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)通訊(RS232)等應(yīng)用程序，最后在 IAR 為 MSP430 設(shè)計(jì)的仿真工具上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，完成設(shè)計(jì)。對(duì)放射性物質(zhì)的活度或劑量進(jìn)行測 定時(shí)需要專用的放射性檢測儀器，表 21 中列舉了各種常用的放射性檢測器。最常用的檢測器有三類，即電離型檢測器、閃爍檢測器和半導(dǎo)體檢測器。應(yīng)用氣體電離原理的檢測器又可分為電流電離室、正比計(jì)數(shù)管和蓋革計(jì)數(shù)管 (GM 管 )三種。以上三種檢測器之所以有不同的工作狀態(tài)和不同的功能，主要是由于對(duì)它們所施加的工作電壓不同，從而引起電離過程不同。 電流電離室 電流電離室通常用來研究帶電粒子所引起的總電離效應(yīng)，也就是測量輻射強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化；還可以制造成能監(jiān)測個(gè)人吸收劑量的劑量儀。由于電離電流十分 微弱 (通常在 1210? A 左右或更小 )，所以電流電離室還要同高倍數(shù)的電流放大器配合使用。正比計(jì)數(shù)管給出的脈沖幅度正比于初級(jí)致電離粒子所消耗的能量，所以還可以用于能譜測量，但條件是初級(jí)粒子必須把其全部能量損耗在計(jì)數(shù)管的氣體之內(nèi)。 一般的正比計(jì)數(shù)管由一圓柱金屬筒內(nèi)安上一條金屬絲構(gòu)成，筒內(nèi) 充甲烷 (或氬 )和碳?xì)浠衔锏臍怏w，充氣壓力和大氣壓一樣。由于輸出脈沖的大小正比于入射粒子的初始電離能，所以把這類檢測器定名為正比計(jì)數(shù)管。該計(jì)數(shù)器對(duì)進(jìn)入其靈敏區(qū)域的粒子的有效 計(jì)數(shù)率接近于 100%；它的另一個(gè)工作特點(diǎn)是，對(duì)不同射線都給出大小相同的脈沖，因此不能用于區(qū)別不同的射線。 常見的蓋革計(jì)數(shù)管為一密閉的玻璃管 (長約 12cm，直徑約 )，中間一條細(xì)絲作為陽極，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或另外放進(jìn)一金屬圓筒作第 2 章 放射性檢測儀器原理 9 為陰極，蓋革計(jì)數(shù)管內(nèi)充約相當(dāng)于 1/5atm(約 20kPa)的惰性氣體氬，當(dāng)氣體受輻照電離后，在工作電壓下產(chǎn)生微弱電流，再將其放大 710 ~ 1010 倍。蓋革管的充氣氣壓小于 1/4atm (約 25kPa)，工作電壓從幾百伏特至 1500 伏特。圖 21 所示是蓋革計(jì)數(shù)管用于測量射線強(qiáng)度的整套示意圖。 閃爍檢測器 閃爍檢測器是利用射線與物質(zhì)作用發(fā)生閃光的儀器。 閃爍檢測器以其高靈敏度和高計(jì)數(shù)率的優(yōu)點(diǎn)而被用作測量 α輻照強(qiáng)度、β輻照強(qiáng)度、 γ 輻照強(qiáng)度。通過能譜測量，鑒別放射性核素，并且在適當(dāng)?shù)臈l件，能夠定量的分析幾種放射性核素的混合物。閃爍檢測器的測量結(jié)果在 量子統(tǒng)計(jì)性的限度內(nèi)有一定的重復(fù)性。 閃爍檢測器的工作原理與以下三個(gè)過程相關(guān)聯(lián)： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (1) 射線使某些熒光體分子激發(fā)，當(dāng)分子重返低能級(jí)時(shí)，即發(fā)出光子； (2) 光電敏感物質(zhì)受光后發(fā)出光電子； (3) 光電子經(jīng)倍增放大后得到可測量的輸出脈沖。粒子射入元件后，產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，從而得到可測量的脈沖電流。與前述兩類檢測器相比，在半導(dǎo)體檢 測元件中產(chǎn)生電子 空穴對(duì)所需能量要小得多。也就是說，在同樣外加能量下，半導(dǎo)體中生成電子 空穴對(duì)數(shù)比閃爍探測器中生成的光電子數(shù)多 1000 倍。其缺點(diǎn)是由于制造工藝等方面的原因，檢測靈敏區(qū)范圍較小。 硅半導(dǎo)體檢測器可用于 α 計(jì)數(shù)和測定 α 能譜及 β 能譜。在鍺半導(dǎo)體單晶體中滲入 Li 制成鍺半導(dǎo)體元件，具有更優(yōu)越的檢測性能。應(yīng)用這類檢測元件時(shí)，因?yàn)槭覝叵落嚾菀滋右?，所以要在液氮?(196℃ )工作 ]5[ 。其中電離型檢測器中，又重點(diǎn)介紹了電流電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革 (GM)計(jì)數(shù)管三種電離型檢測器，針對(duì)各種不同放射性檢測儀器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)擬定采用蓋革 (GM)計(jì)數(shù)管作為射線數(shù)據(jù)采集的傳感器。單片機(jī)在設(shè)計(jì)上主要突出了控制功能，調(diào)整了接口配置，在單一芯片上制成了結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算機(jī)，因此，單片機(jī)也稱 為微控制器 (MCU)。 (2) 面向控制，能針對(duì)性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳性價(jià)比。 (4) 可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高 ]6[ 。這些微控制器被設(shè)計(jì)為可用電池工作，而且可以有很長使用時(shí)間的應(yīng)用。 MSP430 系列單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，有及廣闊的應(yīng)用范圍。 一、 低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機(jī)，在 ~ 電壓、 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 電電流 (在 ~400uA 之間 )因不同的工作模式而不同；具有 16 個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請(qǐng)求將 CPU 喚醒只要 6us，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可將 CPU 置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。 四、 豐富的片內(nèi)外設(shè) MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富 的片內(nèi)外設(shè)。其中看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)為 A/D 轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲 /比較功能，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有兩個(gè)串口，可方便地實(shí)現(xiàn) 多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多可達(dá)到 6 8 條 I/O 口線，而且 I/O 口線具有中斷能力； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 120 段。 五、 方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 4 種類型器件： OTP 型、 FLASH 型、 EPROM 型和 ROM 型。對(duì)于 OTP 型和 ROM 型的器件是第 3 章 MSP430 單片機(jī)原理 13 用相對(duì)應(yīng)的 EPROM 型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之 后再燒寫掩膜芯片；而對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)語言有匯編語言和 C語言。 MSP430 單片機(jī) 結(jié)構(gòu) MSP430 結(jié)構(gòu)概述 MSP430 系列單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 (2) 直接嵌入仿真處理，具有 JTAG 接口。 (4) 16 位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更為有效。 MSP430 的內(nèi)核 CPU 結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨而設(shè)