一种常温移动式氙取样预浓集系统、方法及其应用与流程

1.本发明属于监测取样技术领域，具体涉及一种常温移动式氙取样预浓集系统、方法及其应用。


背景技术：

2.现有的放射性氙同位素的取样技术主要有地下取样、空中取样和地表取样三种方式。地下取样，是采集指定现场的土壤以下的气体样品，但是由于种种原因，监测系统很难进行现场原位取样监测，也难以取到有价值的短寿命裂变产物。空中取样，是指在大气输运模拟计算的支撑下，到达指定位置，获得有效的样品，空中取样所取样品包含的信息量大，且具备快速取样及分析的能力，但是空中取样对取样系统要求高，需要其满足载机平台的各项苛刻要求。地表取样，是采集地表空气样品，属于远距离监测，地表取样受限于风向，获取有价值的短寿命裂变产物具有一定的不确定性。地表取样分为低温取样和常温取样，它们各有优缺点，低温取样的收集效率高，速度快，但是不利于野外作业，常温取样操作简单、方便，更有利于野外作业，但是体积和重量比低温取样的大，电功率也相应增加。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提供一种常温移动式氙取样预浓集系统、方法及其应用。具体采取如下技术方案：一种常温移动式氙取样预浓集系统，其特征在于，所述氙取样预浓集系统包括依次连接的取样模块、纯化模块及预浓集模块；所述取样模块是指完成系统取样功能的模块，包括空压机b1，空压机b1进气口前端加装有能够过滤空气样品中颗粒状物质的过滤器，空压机b1出气口后端安装有空气样品干燥部件；所述纯化模块是指完成系统纯化功能的模块，包含纯化柱c1、质量流量控制器f1和f2、压力传感器p1、管道和阀门v1、v2、v3、v4、v5和v6，其中，质量流量控制器f2的前端与空压机b1出气口后端的空气样品干燥部件相连，质量流量控制器f2的后端与阀门v2的一端相连，阀门v2的另一端与第一t型头连接，第一t型头的另外两端分别连接靠近阀门v1的第二t型头的一端和阀门v3，第二t型头的另外两端分别连接阀门v1和预浓集模块的阀门v7，阀门v1的另一端连接质量流量控制器f1的出口端，质量流量控制器f1的进口端连接外接的高纯氮气，阀门v3的另一端与第三t型头相连，第三t型头的另外两端分别连接压力传感器p1和纯化柱c1的进口端，纯化柱c1的出口端连接阀门v4，阀门v4的另一端与第四t型头相连，第四t型头的另外两端分别连接阀门v5和v6，阀门v5的另一端与预浓集模块靠近阀门v8的第六t型头的一端相连，阀门v6的另一端直接放空；所述预浓集模块是指完成系统预浓集功能的模块，包含预浓集柱c2、质量流量控制器f3、压力传感器p2、压力传感器p3、管道和阀门v7、v8、v9、v10、v11和v12，外接的高纯氦气与质量流量控制器f3的进口端相连，质量流量控制器f3的出口端与阀门v12相连，阀门v12的另一端与第五t型头的一端相连，第五t型头的另外两端分别连接阀门v7和第六t型头的一端，第六t型头的另外两端分别连接阀门v8和纯化模块的阀门v5，阀门v8的另一端与第七t型头相
连，第七t型头的另外两端分别连接压力传感器p2和预浓集柱c2的进口端，预浓集柱c2的出口端与第八t型头的一端相连，第八t型头的另外两端分别连接压力传感器p3和阀门v9，阀门v9的另一端与第九t型头相连，第九t型头的另外两端分别连接阀门v10和v11，阀门v10的另一端与外部的分离纯化系统相连，阀门v11的另一端直接放空；所述氙取样预浓集系统搭建于移动平台上，组成了三条气路，第一条气路为取样气路，由空压机b1在取样区域抽取大气样品，依次流经纯化模块的质量流量控制器f2、阀门v2、v3、压力传感器p1、常温的纯化柱c1、阀门v4和v5， 预浓集模块的阀门v8、压力传感器p2、常温的预浓集柱c2、压力传感器p3、阀门v9和v11，非氙气体组分直接排空；第二条气路是预浓集样品的解吸气路，由外接的高纯氦气以一定的流量，依次流经预浓集模块的质量流量控制器f3、阀门v12、v8、压力传感器p2、处于解吸温度的预浓集柱c2、压力传感器p3、阀门v9和v10，由外部的分离纯化系统再次收集氙样品；第三条气路是通气加热活化再生气路，由外接的高纯氮气以一定的流量，依次流经纯化模块的质量流量控制器f1、阀门v1后，分为两条支路：一条支路是纯化柱c1的通气加热活化再生气路，高纯氮气从阀门v1出来后，依次流经纯化模块的阀门v3、压力传感器p1、加热的纯化柱c1、阀门v4和v6，最后直接排空；另一条支路是预浓集柱c2的通气加热活化再生气路，高纯氮气从阀门v1出来后，依次流经预浓集模块的阀门v7、v8、压力传感器p2、加热的预浓集柱c2、压力传感器p3、阀门v9和v11，最后直接排空，所述通气加热活化再生气路的两条支路可以并行，也可以单独进行。该预浓集模块用于常温条件下对空气样品中的氙进行预浓集，通过非氙气体的大量排放，提高空气样品中氙的浓度。本发明小型化、可模块化的常温移动式氙取样预浓集系统能够单套或多套地快速搭建在一个移动平台上，机动灵活，取样区域覆盖宽广；在常温条件下，采用不同的取样模式满足不同取样时间和不同取样总量的需求，完成对立方米量级空气样品中氙的快速取样、纯化和预浓集，且具有运行成本低，操作简单，氙的预浓集效果好的特点。
4.进一步，所述取样模块中的空压机b1的空载速率不小于200l/min，出口压力稳定且不低于0.5mpa，以确保空气样品能持续稳定的以大流速依次通过纯化模块和预浓集模块，快速完成立方米量级空气样品的取样、纯化和预浓集；空压机b1进气口前端加装有能够过滤空气样品中可能存在的颗粒状物质的过滤器，防止空压机b1的堵塞，以确保空压机b1拥有持续稳定的供气能力；空压机b1出气口后端安装有能够干燥空气样品的部件，以减轻纯化模块的除水压力，有利于纯化模块的小型化。
5.进一步，所述纯化模块中，纯化柱c1为内装4a分子筛的不锈钢柱四根串联而成，以确保取到的立方米量级空气样品中的水基本除去，且4a分子筛的装填量最优，有利于系统的小型化，以及纯化柱c1活化再生时所需加热电功率的减少。
6.进一步，所述预浓集模块中，预浓集柱c2为内装碳分子筛的不锈钢柱四根串联而成，以确保取到的立方米量级空气样品中的氙被完全吸附在预浓集柱c2上，且碳分子筛的装填量最优，有利于系统的小型化，以及预浓集柱c2活化再生或加热解吸时所需加热电功率的减少，还能节约加热解吸时流洗气的体积和所需的时间。
7.进一步，所述纯化模块中的纯化柱c1与所述预浓集模块中的预浓集柱c2泄漏率小于1
×
10
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8 pa
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m3/s，以确保空气样品中氙的损失率最低；最大工作压力0.5mpa，以确保大流速的空气样品安全通过。
8.进一步，所述纯化模块和所述预浓集模块还包含温度传感器和加热圈，所述温度
传感器为铠装热电偶，密封于一根插在纯化柱c1或预浓集柱c2柱体中间的盲管内，盲管插入柱体内的端口为完全密闭状态，以确保测到的温度为纯化柱c1或预浓集柱c2柱内柱材料的真实温度，有利于对纯化柱c1或预浓集柱c2加热通气活化再生时的温度进行精确控制，确保活化再生的有效性和高效性；加热圈的最高使用温度为400℃，温升速率为25℃/min ~ 40℃/min，适中的加热功率，有利于预浓集柱c2在加热解吸时，在较短时间内升到解吸温度，且温度不会大幅过冲，能够得到精确控制，有利于预浓集柱c2所吸附的空气样品中氙的完全解吸，且不会将可能存在的氡解吸出来，确保后期放射性氙物理测量的准确性和精确性，还缩短了全流程的处理时间。
9.进一步，所述常温移动式氙取样预浓集系统数量为n套，n大于等于2，n套常温移动式氙取样预浓集系统能够快速搭建在同一移动平台上。
10.本发明还公开了一种基于前述常温移动式氙取样预浓集系统的氙取样预浓集方法，其特征在于，所述方法具体包含如下步骤：a. 常温移动式氙取样预浓集系统快速搭建在一个移动平台上，到达指定的取样区域后，打开阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，启动空压机b1，空气样品流经纯化模块中的纯化柱c1除杂纯化，再通过预浓集模块中的预浓集柱c2吸附空气样品中的氙，并从阀门v11排空大量的非氙气体，提高空气样品中氙的浓度，从而启动大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集；b. 当质量流量控制器f2的累积流量达到所需取样量时，依次关闭空压机b1，以及阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，结束大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集。
11.进一步，步骤a具体为采用n套移动式氙预浓集系统进行氙取样预浓集，包含如下步骤：a1. 根据取样时间和取样总量的需求，选定n套常温移动式氙取样预浓集系统的具体实施取样模式，其中，取样模式可以分为n套系统一起取样、n套系统分组取样、n套系统依次取样三种模式；a2. n套常温移动式氙取样预浓集系统快速搭建在一个移动平台上，到达指定的取样区域后，根据选定的取样模式，设置质量流量控制器f2的流量，依据前述的单套常温移动式氙取样预浓集系统的操作方法，依次打开各套系统的阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，启动各套系统的空压机b1，空气样品流经纯化模块中的纯化柱c1除杂纯化，再通过预浓集模块中的预浓集柱c2吸附空气样品中的氙，并从阀门v11排空大量的非氙气体，提高空气样品中氙的浓度，获得预浓集的氙样品，从而启动大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集。
12.进一步，步骤（b）具体为当n个质量流量控制器f2的总累积流量达到所需取样量时，依次关闭n套系统的空压机b1，以及阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，结束大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集。
13.本发明还提供了一种如前述常温移动式氙取样预浓集系统或氙取样预浓集方法的应用，所述的系统或方法适用于立方米量级空气样品中氙的取样预浓集。
14.进一步，所述移动平台是一个置于自带动力、可移动物体上的方舱，小型化、模块化的单套或多套系统可以快速搭建在方舱中，系统、方舱和自带动力、可移动的物体既各自独立，又可以相互有机组合，使系统具有机动灵活性，取样区域覆盖宽广。自带动力、可移动的物体优选为拖挂车。
15.进一步，所述常温条件是指纯化柱c1和预浓集柱c2处于工作环境中的自然状态，
无需提供额外的热源或冷源，便于野外作业，且操作简单，还降低了运行成本。
16.本发明研制的常温移动式氙取样预浓集系统，单套该系统包括三个模块：取样模块、纯化模块和预浓集模块。该系统实现了小型化、模块化，单套或多套系统能够快速搭建在一个移动平台上，机动灵活，取样区域覆盖宽广。本发明的氙取样预浓集方法能够在常温条件下，采用不同的取样模式满足不同取样时间和不同取样总量的需求，且具有运行成本低，操作简单，氙的预浓集效果好的特点，实现了立方米量级空气样品中氙的快速和高效取样，为放射性氙的应急监测提供了坚实的技术支撑。
附图说明
17.图1是本发明常温移动式氙取样预浓集系统的示意图；图中，1.取样模块
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2.纯化模块
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3.预浓集模块。
具体实施方式
18.下面基于实施例结合附图对本发明的内容作进一步详细的说明。
19.如图1所示，本发明常温移动式氙取样预浓集系统通过小型化、模块化，能够快速搭建于一个移动平台上，完成常温条件下大量空气样品中氙的取样、纯化、预浓集。单套常温移动式氙取样预浓集系统包括三个模块：取样模块1、纯化模块2、预浓集模块3，上述三个模块用金属管依次连接；用于常温条件下对空气样品中的氙进行预浓集，通过非氙气体的大量排放，提高空气样品中氙的浓度所述取样模块1是指完成系统取样功能的模块，包括空压机b1，空压机b1进气口前端加装有能够过滤空气样品中颗粒状物质的过滤器，空压机b1出气口后端安装有空气样品干燥部件；所述纯化模块2是指完成系统纯化功能的模块，包含纯化柱c1、质量流量控制器f1和f2、压力传感器p1、管道和阀门v1、v2、v3、v4、v5和v6，其中，质量流量控制器f2的前端与空压机b1出气口后端的空气样品干燥部件相连，质量流量控制器f2的后端与阀门v2的一端相连，阀门v2的另一端与第一t型头连接，第一t型头的另外两端分别连接靠近阀门v1的第二t型头的一端和阀门v3，第二t型头的另外两端分别连接阀门v1和预浓集模块3的阀门v7，阀门v1的另一端连接质量流量控制器f1的出口端，质量流量控制器f1的进口端连接外接的高纯氮气，阀门v3的另一端与第三t型头相连，第三t型头的另外两端分别连接压力传感器p1和纯化柱c1的进口端，纯化柱c1的出口端连接阀门v4，阀门v4的另一端与第四t型头相连，第四t型头的另外两端分别连接阀门v5和v6，阀门v5的另一端与预浓集模块3靠近阀门v8的第六t型头的一端相连，阀门v6的另一端直接放空；所述预浓集模块3是指完成系统预浓集功能的模块，包含预浓集柱c2、质量流量控制器f3、压力传感器p2、压力传感器p3、管道和阀门v7、v8、v9、v10、v11和v12，外接的高纯氦气与质量流量控制器f3的进口端相连，该模块用于常温条件下对空气样品中的氙进行预浓集，通过非氙气体的大量排放，提高空气样品中氙的浓度。其中，质量流量控制器f3的出口端与阀门v12相连，阀门v12的另一端与第五t型头的一端相连，第五t型头的另外两端分别连接阀门v7和第六t型头的一端，第六t型头的另外两端分别连接阀门v8和纯化模块2的阀门v5，阀门v8的另一端与第七t型头相连，第七t型头的另外两端分别连接压力传感器p2和
预浓集柱c2的进口端，预浓集柱c2的出口端与第八t型头的一端相连，第八t型头的另外两端分别连接压力传感器p3和阀门v9，阀门v9的另一端与第九t型头相连，第九t型头的另外两端分别连接阀门v10和v11，阀门v10的另一端与外部的分离纯化系统相连，阀门v11的另一端直接放空；所述氙取样预浓集系统搭建于移动平台上，组成了三条气路，第一条气路为取样气路，由空压机b1在取样区域抽取大气样品，依次流经纯化模块2的质量流量控制器f2、阀门v2、v3、压力传感器p1、常温的纯化柱c1、阀门v4和v5、 预浓集模块3的阀门v8、压力传感器p2、常温的预浓集柱c2、压力传感器p3、阀门v9和v11，非氙气体组分直接排空；第二条气路是预浓集样品的解吸气路，由外接的高纯氦气以一定的流量，依次流经预浓集模块3的质量流量控制器f3、阀门v12、v8、压力传感器p2、处于解吸温度的预浓集柱c2、压力传感器p3、阀门v9和v10，由外部的分离纯化系统再次收集氙样品；第三条气路是通气加热活化再生气路，由外接的高纯氮气以一定的流量，依次流经纯化模块2的质量流量控制器f1、阀门v1后，分为两条支路：一条支路是纯化柱c1的通气加热活化再生气路，高纯氮气从阀门v1出来后，依次流经纯化模块2的阀门v3、压力传感器p1、加热的纯化柱c1、阀门v4和v6，最后直接排空；另一条支路是预浓集柱c2的通气加热活化再生气路，高纯氮气从阀门v1出来后，依次流经预浓集模块3的阀门v7、v8、压力传感器p2、加热的预浓集柱c2、压力传感器p3、阀门v9和v11，最后直接排空，所述通气加热活化再生气路的两条支路可以并行，也可以单独进行。
20.所述小型化、模块化的单套或多套氙取样预浓集系统能建于一个移动平台上，且在常温条件下，采用不同的取样模式满足不同取样时间和不同取样总量的需求，完成对立方米量级空气样品中氙的快速取样、纯化和预浓集。
21.进一步，所述取样模块中的空压机b1的空载速率不小于200l/min，出口压力稳定且不低于0.5mpa。
22.进一步，所述纯化模块中，纯化柱c1为内装4a分子筛的不锈钢柱。所述预浓集模块中，预浓集柱c2为内装碳分子筛的不锈钢柱。
23.进一步，所述纯化模块中的纯化柱c1与所述预浓集模块中的预浓集柱c2泄漏率小于1
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m3/s，最大工作压力0.5mpa。
24.进一步，所述纯化模块和所述预浓集模块还包含温度传感器和加热圈，所述加热圈的最高使用温度为400℃，温升速率在25℃/min~40℃/min。
25.在另一个优选的实施例中，根据实际的任务要求，为了适应不同取样量和取样时间的需求，所述的常温移动式氙取样预浓集系统数量可以为n套，n大于等于2，即取样模块1、纯化模块2、预浓集模块3数量均大于等于2。
26.进一步，n套常温移动式氙取样预浓集系统实现了常温条件下的小型化，模块化，单套或多套系统能够快速搭建在一个移动平台上，具有机动灵活性，能够满足快速、有效应对特殊情况下不同取样量和取样时间对应不同的取样模式的需求。
27.本发明还提供了一种基于前述常温移动式氙取样预浓集系统的氙取样预浓集的方法，具体包含如下步骤：a. 常温移动式氙取样预浓集系统快速搭建在一个移动平台上，到达指定的取样区域后，打开阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，启动空压机b1，空气样品流经纯化模块2中的纯化柱c1除杂纯化，再通过预浓集模块3中的预浓集柱c2吸附空气样品中的氙，并从阀门
v11排空大量的非氙气体，提高空气样品中氙的浓度，从而启动大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集；b. 当质量流量控制器f2的累积流量达到所需取样量时，依次关闭空压机b1，以及阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，结束大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集。
28.通过将本方法收集到的空气样品中氙的预浓集样品引入到分离纯化系统，进行进一步的分离纯化处理，可应用于放射性氙的物理测量。
29.进一步，步骤a具体为，该空气样品中氙取样预浓集的方法采用n套常温移动式取样预浓集系统进行氙取样预浓集，包含如下步骤：a1. 根据取样时间和取样总量的需求，选定n套常温移动式氙取样预浓集系统的具体实施取样模式，其中，取样模式可以分为n套系统一起取样、n套系统分组取样、n套系统依次取样三种模式；a2. n套常温移动式氙取样预浓集系统快速搭建在一个移动平台上，到达指定的取样区域后，根据选定的取样模式，设置质量流量控制器f2的流量，依次打开各套系统的阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，启动各套系统的空压机b1，空气样品流经纯化模块2中的纯化柱c1除杂纯化，再通过预浓集模块3中的预浓集柱c2吸附空气样品中的氙，并从阀门v11排空大量的非氙气体，提高空气样品中氙的浓度，从而启动大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集；此时，步骤b具体为当n个质量流量控制器f2的总累积流量达到所需取样量时，依次关闭n套系统的空压机b1，以及阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，结束大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集。
30.进一步，所述移动平台是一个置于自带动力、可移动物体上的方舱，小型化、模块化的单套或多套系统可以快速搭建在方舱中。自带动力、可移动的物体优选为拖挂车。
31.进一步，所述常温条件是指纯化柱c1和预浓集柱c2处于工作环境中的自然状态，无需提供额外的热源或冷源，便于野外作业，且操作简单，还降低了运行成本。
32.本发明的常温移动式氙取样预浓集系统，实现了小型化、模块化，单套或多套系统能够快速搭建在一个移动平台上，机动灵活，取样区域覆盖宽广。本发明的氙取样预浓集方法能够在常温条件下，采用不同的取样模式满足不同取样时间和不同取样总量的需求，且具有运行成本低，操作简单，氙的预浓集效果好的特点，满足进一步分离、纯化及物理测量的需要。
33.实施例1本实施例中，将四套上述常温移动式氙取样预浓集系统并联、快速搭建于方舱之中，方舱放置在一辆拖挂车的平板上，系统、方舱和拖挂车各自独立，适用于60m3~100m3空气样品中氙的取样预浓集。其中，各套系统中纯化模块的纯化柱c1为内装4a分子筛的φ70
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500 mm不锈钢柱四根串联而成；预浓集模块中预浓集柱c2为内装碳分子筛的φ70
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500 mm不锈钢柱四根串联而成。根据取样时间和取样总量的需求，可选择的取样模式见表1。
34.表1 四套常温移动式氙取样预浓集系统可选择的取样模式一览表
以四套常温移动式氙取样预浓集系统在2h取60m3空气样品为例，选择的取样模式为4套常温移动式氙取样预浓集系统一起取样。
35.在本实施例常温移动式氙取样预浓集系统工作前后，将四套系统的纯化柱c1加热通气活化或再生。在该常温移动式氙取样预浓集系统工作前后，设置质量流量控制器f1为2l/min，高纯氮通过纯化柱c1后直接排空，纯化柱c1设置加热温度为400℃，活化8h以上，然后停止加热，继续通入氮自然降温至室温，待用。
36.将四套系统的预浓集柱c2加热通气活化或再生及将氙气体样品解析转移。在常温移动式氙取样预浓集系统工作前后，设置质量流量控制器f1为2l/min，高纯氮通过预浓集柱c2后直接排空，预浓集柱c2设置加热温度为350℃，活化6h以上，然后停止加热，继续通入氮自然降温至室温，待用。
37.四套常温移动式氙取样预浓集系统快速搭建在一个移动平台上，到达指定的取样区域后，设置质量流量控制器f2的流量为125l/min，依次打开四套系统的阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，启动四套系统的空压机b1，空气样品流经纯化模块2中的纯化柱c1除杂纯化，再通过预浓集模块3中的预浓集柱c2吸附空气样品中的氙，并从阀门v11排空大量的非氙气体，提高空气样品中氙的浓度，从而启动大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集；当4个质量流量控制器f2的总累积流量达到60m3时，依次关闭四套系统的空压机b1，以及阀门v2、v3、v4、v5、v8、v9和v11，结束大量空气样品中氙的取样、纯化和预浓集。
38.四套常温移动式氙取样预浓集系统完成取样，准备进行样品转移时，依次将四套常温移动式氙取样预浓集系统的预浓集柱c2加热到300℃，设置质量流量控制器f3高纯氦的流量为5l/min，通入高纯氦，将四套预浓集柱c2内的氙气体样品流洗至分离纯化系统，当质量流量控制器f3的高纯氦累积流量达到100l时，依次停止四套系统的预浓集柱c2内的氙气体样品的转移。
39.本发明所述具体实施方案只是各种可能中的一种较为容易的方式。所有相关实施案例均为示例性的而非穷尽性的，该发明绝不仅仅限于所述实施案例。在不偏离本发明的实施案例范围和精神的情况下，许多修改和变更都是可能的和显而易见的。