低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器

1.本发明涉及高纯惰性气体的纯化技术领域，具体来说是一种高速去除高纯惰性气体中极痕量的n、o、h等元素，并且同时无明显的对粒子探测器有害的氡等放射性杂质及其他化学杂质放出的低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器。


背景技术：

2.暗物质探测、无中微子双贝塔衰变探测等稀有事例高能物理实验所期望的信号非常稀少与微弱，建造探测器的材料以及探测介质都需要严格控制放射性本底，低放射性本底金属材料的甄选与来源问题是稀有事例高能物理实验领域亟待解决的一个核心问题。氙、氩等惰性气体常作为此类探测器的靶物质，目标粒子与靶物质碰撞后会放出自由电子，靶物质中的n、o、h等杂质元素会吸收自由电子从而恶化探测器的性能，所以需要严格控制靶物质中n、o、h等元素含量。
3.目前一般粒子探测器所用的高纯氙、氩采用半导体行业的纯化器去除n、o、h，起纯化作用的填料物质主要是锆铝合金、锆钒铁合金等，工作温度一般低于400℃，惰性气体中的n、o、h杂质与填料反应生产固态化合物得以固化，从而气体得到了提纯。但此类纯化器有个缺点就是所用的填料放氡率水平较高，有些纯化器放氡率极高，这些氡随循环气体进入粒子探测器后引起本底升高，恶化了探测器性能。另外，已有纯化器价格较为昂贵，且纯化速率较低，对于未来数十吨级、百吨级的探测器来说，这些纯化器的纯化速率还是偏低。
4.随着高能物理实验研究的推进，对靶物质的纯度要求越来越高，对粒子探测器的本底水平要求越来越苛刻，从而对纯化器也提出了更高要求，需要有更好的纯化速度、纯化效果，放氡率低。并且随着实验规模的扩大，实验空间越来越紧张，从而希望纯化器在提高纯化性能的同时不增加体积。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，需要从两方面入手。一方面是采用高纯填料，可选的填料包括锆、铪、钛、钒、铁、铜等，这些材料需要经过真空电子束冶炼或电解精炼且经过放射性测量，
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th的含量不超过10mbq/kg，以控制纯化器的放氡率。另一方面就是提高填料的工作温度，比如提高到800℃，杂质元素与填料有更高的反应活性与速度，可获得更好的纯化效果。但在如此高的温度下，已有法兰难以同时满足高密封性、高洁净度、更换便利性的要求等，所以法兰密封也需要同时考虑高温工况要求。
6.本发明的技术解决方案如下：
7.一种低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特点在于，包括主管道及连接的进口管道、出口管道，待纯化气体首先在换热器与已纯化气体进行换热，然后经过分支管道加热后进入主管道与内部的高纯金属填料反应，气体中的n、h、o杂质与高纯金属填料反应生产固态化合物而得以纯化，热后进入出口管道及换热器与待纯化气体换热。
8.在所述出口管道外套装有上端封头，在所述主管道外套装有主加热与保温层，在
所述入口管道外套装有下端封头；在所述上端封头和主保温层顶部之间、在所述下端封头和主保温层底部之间均设有密封连接结构；
9.所述封头刀口法兰与所述上端封头或下端封头为焊接成型或整体加工成型，所述主管道刀口法兰与所述主管道为焊接成型或整体加工成型，所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰通过紧固件和密封圈密封固定连接；
10.所述上端封头和下端封头内部中空，供出口管道或入口管道通过，形成内管道，该内管道靠近所述封头刀口法兰的一端套设有若干阻流翅片约束高温气体的流动路径。
11.进一步，所述高纯金属填料为经过真空电子束冶炼或电解精炼且经过放射性测量，
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th的含量不超过10mbq/kg。
12.优先的，所述高纯金属填料为锆、铪、钛、钒、铜或铁。
13.进一步，所述主管道中段部分的表面温度工作状态时不低于600℃。
14.进一步，所述分支管道外套设有分支加热与保温层。
15.进一步，在所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰之间、所述主管道上还设有散热机构，使所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰的温度不超过200℃。
16.进一步，所述散热结构为若干风冷散热片和/或水冷夹套。
17.优选的，所述风冷散热片最靠近所述主管道中点处的一片，与所述主管道内壁上的所述固定环位置接近，或者如果采用水冷夹套，则所述主管道外侧的所述水冷夹套位置上接近所述固定环。
18.进一步，所述阻流翅片的外径比所述夹套管的内径小3～5mm，作为抽真空的泻流通道，或者在夹套管内部设置阻流翅片，阻流翅片设有通孔，通孔直径比所述内管道大3～5mm。
19.进一步，所述夹套管的管段部分与所述主管道、刀口法兰无接触，至少相距2mm。
20.所述夹套管内、下侧固定环处，设有滤网或多孔板。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果：
22.1)确保刀口法兰的工作温度，在主管道及刀口法兰内设计一个夹套管结构，夹套管管段外壁与刀口法兰相距5～10毫米，高温介质只能通过夹套管内部流动，而刀口法兰与夹套之间的气体无强迫对流。因为气体的热导率较差，自然对流的高纯介质气体与刀口法兰之间的传热能力也较小，夹套管外壁与刀口法兰之间的高纯介质实质上具有隔热的效果，所以高温高纯介质对刀口法兰的加热功率就较小，再考虑到刀口法兰的散热，可以使刀口法兰及垫片工作在较低温度，从而保证了刀口法兰的可靠性与密封性。
23.2)高纯填料放置在高温合金管道内，管道外依次是加热装置与保温材料，保证填料工作在合适的温度。
24.3)经过纯化后的介质温度极高，离开纯化填料后，首先与待纯化的低温、常温介质热交换，一方面回收能量，减小对进气加热功率的需求，另一方面是使已经纯化的气体降温，保证使用安全。
25.4)所用材料事先经过放射性检测与控制、放氡率检测与控制，保证纯化后的气体不会被氡气污染。
附图说明
26.图1为本发明低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器实施例的结构示意图
27.图2为本发明适用于高温工况的刀口法兰实施例1结构设计图
28.图3为本发明适用于高温工况的刀口法兰实施例2结构设计图
29.图4为本发明夹套管结构图
30.图中：1-换热器出口管道；2-换热器；2a-换热器热侧出口管道；2b-换热器热侧入口管道；2c-换热器冷侧入口管道；2d-换热器冷侧出口管道；3-上端封头；4-主管道；5-主加热与保温层；7-下端封头；8-入口管道；10-分支管道；11-分支加热与保温层；13-出口管道；12-高纯金属填料；21-封头刀口法兰；22-紧固件；23铜密封圈；24-主管道刀口法兰；25-内管道；26-阻流翅片；27-上夹套管；28-螺钉；29-上侧固定环；30-风冷散热片31-下侧固定环；32-滤网或多孔板；33-下夹套管；41-管段；42-夹套管法兰。
具体实施方式
31.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
32.原料甄选，用高纯锗谱仪、icp-ms等痕量检测设备，选取放射性较低的金属原材料以及清洗剂。相关的管道内壁、金属填料需要进行室温放氡率测量，高温放氡率测量，折算到放氡面积，放氡率不超过1mbq/平方米方可使用；金属填料的
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th放射性本底水平不超过10mbq/kg；正常运行时盛放金属填料的高温管道有保温层处的外壁，工作温度不低于600℃。高温管道的进气管或排气管伸入夹套管内部，夹套管与进气管、排气管之间有一片或者多片阻流翅片。阻流翅片可以焊接在夹套管内侧，阻流翅片通孔截面积大于进气管或者排气管截面积1～10平方厘米。阻流翅片也可以焊接在进气管、排气管外侧，阻流翅片尺寸略小于夹套管内部尺寸，之间间隙截面积1～10平方厘米。
33.实施例1
34.如图1所示，出口管道1为已纯化气体的出口，与换热器2的热侧入口管道2b连接，换热器2为套管换热器或者板式换热器或者管壳换热器，气体入口2c为待纯化气体的进口，也就是换热器2的冷侧进口管道，分支管道10为待纯化气体经过换热器2之后的高温气体，已纯化气体在离开换热器2的热侧出口管道时，已经与待纯化气体进行充分热交换之后被冷却，既提高了设备安全性，又有效利用了热能。分支管道10外设计分支加热与保温层11，在分支管道10的温度低于额定温度时开启电加热功能直至到达额定温度800℃。待纯化气体经过分支管道10到达主管道4的入口管道8，并进入主管道4。主管道4中装有一种或者多种高纯金属填料12，这些填料包括高纯锆、铪、钒、钛、铁、铜等，主管道4外为有主加热与保温层5，通过开关电加热功能保证主管道4工作在额定温度800℃，并且把热量传递到内部的金属填料12中，以获得期望的反应温度。待纯化气体通过高纯金属填料12间的空隙，高纯金属吸附待纯化气体中的n、o、h杂质并反应生成固态化合物，从而纯化了气体。纯化后的气体经管道及换热器冷却后进入粒子探测器。上端封头3封闭主管道4的上端空间，并有管道1排出已纯化气体，下端封头7封闭主管道4的下端空间，由入口管道8输送已经加热的待纯化气体进入。拆掉上端封头3、下端封头7与主管道4连接的螺栓后，可以方便装卸、更换高温管道中的高纯金属填料12。
35.图2为本发明适用于高温工况的刀口法兰实施例1结构设计图，如图2所示，为主管道4、上端封头3连接结构及细节。上端封头3有封头刀口法兰21，本发明采用的型号为cf160，内径150mm，主管道4上端有主管道刀口法兰24，封头刀口法兰21与主管道刀口法兰24之间有铜密封圈23，两个刀口法兰用紧固件22连接，实现密封。上端封头内部有内管道25，为已纯化气体的排出管，内管道25末端有若干片圆形阻流翅片26，内管道25、阻流翅片26、封头刀口法兰21同心。主管道4外侧靠主管道近刀口法兰24处即离主管道刀口法兰24的150mm距离内有若干风冷散热片30，风冷散热片也可以预留螺纹孔、通孔等便于固定热管结构或其他热良导体，以实现对风冷能力的扩展设计，这里也可以设计为水冷夹套，以保证主管道刀口法兰24不受主管道4中部位置的高温影响。风冷散热片30与主管道4焊接到一起，以获得良好的传热效果。主管道4内部焊接有上侧固定环29，上侧固定环29上有螺纹通孔，夹套管27的法兰42用螺钉28固定到上侧固定环29上。上侧固定环29与外侧的风冷散热片30大概处于同一高度位置。夹套管27安装后与主管道4、刀口法兰24、上端封头3的管段、刀口法兰22、管道25、阻流翅片26同心。阻流翅片26外径比夹套管27内径小3～5mm，作为抽真空阶段的泻流通道。夹套管27的管段41与主管道4、刀口法兰22、刀口法兰24无直接接触，相距2mm～10mm或者更多，以避免固体间的热传导。如此设计，可以避免高温、流动的已纯化气体直接加热刀口法兰22、刀口法兰24及附近管段，这样可以保证刀口法兰22、主管道刀口法兰24一直处于200℃的额定工作温度范围内，确保法兰的密封性。
36.下端封头7及其附近的结构与上端封头3的结构是一样的，也可以避免高温待纯化气体对刀口法兰的加热，可以保证刀口法兰工作在额定温度范围内并保证密封性能。唯一的区别是如图3所示，下侧固定环31与夹套管33之间有一与夹套管33法兰外径相同或略小于主管道4内径的滤网或者多孔板32，孔径不大于2mm，以支撑高纯金属填料12在指定范围内，保证纯化工艺的进行。滤网或者多孔板32也可以焊接到主管道4的下测固定环31上。
37.主管道4总长1m，可以装高纯填料的位置长约700mm，直径150mm，有效空间约12l，可装入3mm粒度的高纯锆约40kg，或者3mm粒度的高纯铪80kg，或者装入锆、铪、钒、钛、铁颗粒的混合物。
38.经试验表明，本发明利用经电子束冶炼的低放射性高纯金属锆、铪、铁、钒、钛等金属在600℃以上与高纯惰性气体中的氮、氢、氧等元素反应生成固态化合物从而实现对高纯惰性气体的提纯。对高纯惰性气体的纯化效果好，释放的氡气较少，可以满足稀有事例实验氩、氙等靶物质的高速、高纯纯化要求。并且在填料使用寿命结束后可以方便的更换填料。可以满足方便更换填料及确保密封性，高温管道的连接法兰内部设计有夹套管、阻流翅片等结构，保证连接刀口法兰工作在较低温度。能解决稀有事例高能物理实验对大量高纯惰性气体高速纯化的需求，也解决了高温工况对高密封性高洁净度法兰连接的需求。
39.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。