一种节约型He-3气体灌充系统及方法与流程

本发明涉及气体灌充技术，具体涉及一种节约型he-3气体灌充系统及方法。

背景技术：

由于³he与中子核反应截面高，对伽玛不灵敏，³he气体广泛应用于中子探测上。其作为灵敏介质用作探测器的工作气体，可制作成³he正比计数管，³he一维位置灵敏探测器及³he多丝正比室等类型中子探测器。³he气体是产氚(³h)的副产品，氚会发生β衰变成为³he，再经过提纯便可得到满足应用需求的³he气体。氚是制造氢弹的重要原料，在工业上，利用反应堆的中子，采用氟化锂、碳酸锂或锂镁合金做靶材，能大量生产氚。美国和俄罗斯是世界上生产³he气体的两个主要国家。由于911事件，美国国土安全部为了防止核材料的走私和泄露用于恐怖袭击，征用了大量³he气体用于海关、港口、机场等地方的安检。俄罗斯由于削减核武器数量不需要那么多的氚所以关停了大部分产氚的反应堆。此外，近年来国外国内新建了很多中子科学中心，需要大量³he气体用于制作科学研究需要的中子探测器。这些因素导致³he的库存被消耗殆尽而年产量锐减，³he气体供不应求，价格持续飙升，一个大气压³he气体价格已达到每升几万元人民币。之前，在³he气体比较便宜存量较多产量较大的时候，³he气体用于制作中子探测器时，使用高气压³he气罐给探测器腔体充气，如图1所示。这样的方式存在很大问题也不是最节约的方式。首先，只能用高气压气罐给低气压探测器充气，一旦探测器腔内气体气压大于气罐气体气压，便不能用这种方法充气。其次，连接气路里的气体在充气完成后没法回收造成浪费。上个世纪八十年代初，那时候还不能从国外进口³he气体，国内³he气体产量较低比较稀缺，喻金火等人设计了³he正比计数管的充气系统(喻金火，林斐雯，肖文明，等.³he正比计数管的充气系统[j].原子能科学技术，1981，(04):460-463.)。该系统虽然设计巧妙，但是缺点也很明显。其一，只能将贮气瓶里的气体全部充入待充的³he计数管而不能准确控制充气量；其二，当贮气瓶容积较大时，增压泵活塞得长时间多次往复运动，耗时久且容易漏气。为了克服现有技术中设计及使用存在的问题，必须进行创新性设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种能够实现更加节约且充气方式不受约束的he-3气体灌充系统及方法。

本发明的技术方案如下：一种节约型he-3气体灌充系统，包括真空系统、供气系统、核心系统及受气系统，所述供气系统包括气罐连接器，以及相应的阀门、管路、压力传感器；所述受气系统包括探测器接头，以及相应的阀门、管路、压力传感器；供气系统与核心系统的输入端连接，受气系统与核心系统的输出端连接，并分别通过阀门进行隔离；所述核心系统包括回收罐、过滤筒、抽气设备，以及相应的阀门、管路、压力传感器，抽气设备能够将低气压输入端气体抽入高气压输出端，回收罐用于回收气体灌充操作结束后气路里的剩余气体；所述真空系统包括抽真空泵，以及相应的阀门、管路、真空计，用于在气体灌充操作前对系统管路抽真空。

进一步，如上所述的节约型he-3气体灌充系统，其中，所述核心系统的过滤筒和抽气设备的两端分别设置控制阀门，在需要使用时接入系统中，不需使用时过滤筒和抽气设备可以分别被与其并联的阀门短路。

进一步，如上所述的节约型he-3气体灌充系统，其中，所述核心系统的抽气设备包括隔膜泵和压缩机，可将输入端气体气压抽至不同低压状态。

进一步，如上所述的节约型he-3气体灌充系统，其中，所述核心系统的过滤筒内含有吸收剂，用于吸收he-3气体中的杂质，包括氧气和水蒸汽等。

进一步，如上所述的节约型he-3气体灌充系统，其中，所述真空系统的抽真空泵包括分子泵和机械泵，用于将系统管路抽至不同真空度。

进一步，如上所述的节约型he-3气体灌充系统，其中，在供气系统中还可以与气罐连接器并联设置其它探测器接头，在受气系统中也可以与探测器接头并联设置其它气罐连接器，he-3气体灌充系统可实现将he-3气体从气罐抽至探测器、从探测器抽至气罐、从气罐抽至其它气罐等操作。

一种采用上述系统进行he-3气体灌充的方法，包括：

(1)将气罐接入供气系统的气罐连接器，将探测器接入受气系统的探测器接头，对整个系统管路进行抽真空操作，抽真空后关闭受气系统和核心系统的阀门；

(2)打开气罐阀门和回收罐的控制阀门，对回收罐进行充气至目标气压值后，关闭气罐阀门；

(3)打开受气系统和核心系统的阀门，先凭借回收罐与探测器之间的气体压力差将he-3气体灌充进探测器，在气路气压达到平衡后，启用抽气设备继续将气体灌充进探测器，灌充结束后关闭探测器阀门、抽气设备及相应控制阀门；

(4)将回收罐与受气系统连通，利用气体压力差将气路内的气体回收至回收罐。

进一步，如上所述的方法，在步骤(1)抽真空操作中，先使用机械泵将系统管路真空度抽至1pa左右，再使用分子泵将真空度抽至1mpa以下。

进一步，如上所述的方法，步骤(2)中根据受气系统中探测器所需的充气量确定回收罐的目标气压值。

进一步，如上所述的方法，步骤(3)中，在凭借回收罐与探测器之间的气体压力差将he-3气体灌充进探测器阶段，抽气设备两端的控制阀门关闭，并被与其并联的阀门短路；在启动抽气设备后，依次通过压缩机和隔膜泵抽气，直至核心系统中真空度不再变化后停止抽气。

本发明的有益效果如下：

1)本发明能够采用回收罐回收绝大部分气路气体(主要是受气系统隔离阀门之后气路高气压气体)，回收罐容积≥5l，阀门之后气路容积<0.25l，所以气路气压达到平衡后大于95％的气体存储于回收罐里；

2)本发明充气时间短，不受气罐容积影响：从气罐灌充至回收罐大约10多分钟，从回收罐灌充至受气系统不到10分钟，总灌充时间大约20分钟，灌充时间与气体灌充量有关，与气罐容积无关；

3)本发明气罐内气体能按量充入探测器腔体：通过压力传感器读出回收罐气压，先将回收罐灌充至目标气压值，再将回收罐气体全部灌充至受气系统，以此达到准确控制气体灌充量的目的；

4)本发明可以将低气压气罐气体充入高气压探测器腔体内：压缩机、隔膜泵都可以将低气压输入端气体抽入高气压输出端，可将输入端气体气压抽至小于10mbar，最低可抽至1.5mbar。

附图说明

图1为传统³he气体灌充系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中节约型³he气体灌充系统组成示意图；

图3为本发明具体实施例中节约型³he气体灌充系统的灌充流程图；

图4为本发明具体实施例中节约型³he气体灌充系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的³he气体灌充系统的组成如图2所示，分为真空系统、供气系统、核心系统及受气系统四部分。供气系统包括气罐连接器，以及相应的阀门、管路、压力传感器。受气系统包括探测器接头，以及相应的阀门、管路、压力传感器；供气系统与核心系统的输入端连接，受气系统与核心系统的输出端连接，并分别通过阀门进行隔离。核心系统包括回收罐、过滤筒、隔膜泵、压缩机，以及相应的阀门、管路、压力传感器、真空计等，隔膜泵和压缩机能够将低气压输入端气体抽入高气压输出端，回收罐用于回收气体灌充操作结束后气路里的剩余气体；所述真空系统包括抽真空泵，以及相应的阀门、管路、真空计，用于在气体灌充操作前对系统管路抽真空。

本实施例中，³he气体灌充系统的具体结构如图4所示。真空系统包括阀门1、阀门2、kf16法兰、真空计、分子泵及机械泵。真空系统负责将气路气压抽至1mpa以下。工作时先打开机械泵，待真空度抽至1pa左右时再打开分子泵，继续将真空度抽至1mpa以下。供气系统包括阀门3、阀门4、压力传感器ps1、气罐连接器、探测器连接软管压缩接头、气罐以及探测器(气罐及探测器未在图中画出)。压力传感器ps1监测气路气压变化，用于计算和控制准确的充气量。受气系统包括阀门5、阀门6、压力传感器ps4、气罐连接器、探测器连接软管压缩接头、气罐以及探测器(气罐及探测器未在图中画出)。核心系统包括阀门7-17、压力传感器ps2、压力传感器ps3、真空计、回收罐、过滤筒、隔膜泵、压缩机及模拟压力计。阀门9、阀门10、阀门11分别用于短路过滤筒、隔膜泵、压缩机。阀门7、阀门8分别将核心系统与供气系统、受气系统隔离开来。回收罐体积较大，其作用是回收气路里的绝大部分气体，尤其是受气系统灌充结束时从压缩机至受气系统气罐/探测器之间气路里的高气压气体。过滤筒内含吸收剂，作用是吸收³he气体里的氧气和水蒸气。压缩机将低气压输入端气体抽入高气压输出端，可将输入端气体气压抽至低于0.8bar。隔膜泵也是将低气压输入端气体抽入高气压输出端，进一步降低输入端气体气压，输入端气体气压最低可抽至1.5mbar。隔膜泵输入输出端耐压最大1.1bar。

真空系统的机械泵、分子泵是相对独立的设备，可以在该系统使用前组装起来；供气、受气系统的气罐、探测器，可以根据具体需求选择组合。该³he气体灌充系统可实现将气体从气罐抽至探测器、从探测器抽至气罐、从气罐抽至其它气罐等功能。本实施例是使用该系统执行了将气体从气罐抽至探测器的操作实践。充气前探测器气压3.4bar，计划增加2bar将其充至5.4bar。³he气体灌充流程如图3所示，分为抽真空、灌充回收罐、灌充受气系统及气路气体回收四个部分，具体操作如下：

(一)抽真空：将气罐接入供气系统气罐连接器，将探测器接入受气系统探测器连接软管压缩接头。将系统接入电源，通过压力传感器ps1-ps4读出气路各处气压，为1bar。除阀门4、5及17外(默认回收罐存储少量上次操作回收的³he气体)，打开所有其它阀门(确保压力传感器ps2、ps3小于1.1bar才打开阀门14、15，否则会损坏隔膜泵)。先打开机械泵，通过真空系统真空计和核心系统真空计读取真空度，大约不到10分钟真空度抽至3pa(ps1-ps4显示为零)，打开分子泵继续抽，大约4小时后真空度抽至0.5mpa。关闭阀门1、2、3、6、8、9、10、11、12、13、14、15、16，关闭分子泵，关闭真空泵。

(二)灌充回收罐：打开阀门17，通过压力传感器ps1读出回收罐气压0.092bar，根据充气量7bar·l计算回收罐的目标气压值(7bar·l+0.092bar×5l)/5l＝1.492bar。打开阀门3，将气罐阀门置于半开状态，缓慢对回收罐充气达到1.49bar时，关闭气罐阀门。

(三)灌充受气系统：打开阀门12、13、10、11、8、6及探测器阀门，压力传感器ps1-ps4读数一致时(2.15bar左右)，气路气压达到平衡。关闭阀门11，打开阀门16。打开压缩机，待压力传感器ps2、ps3读数小于1bar时(0.9bar)，打开阀门14、15，关闭阀门10，打开隔膜泵。待核心系统真空计读数5mbar且不再变小时(此时压力传感器ps3读数应小于0.8bar，为0.55bar)，关闭探测器阀门和阀门8、16、15、14，关闭压缩机和隔膜泵，关闭阀门3、7、12、13。记录压力传感器ps4读数5.429bar。一共灌充了(5.429-3.383)bar×3.4l＝6.96bar·l气体，与目标值7l一致，探测器气压增加了2.046bar。

(四)气路气体回收：打开阀门9、10、11，压力传感器ps2、ps3读数一致时(0.01bar左右)，气路气压达到平衡。打开阀门8，压力传感器ps2-ps4读数一致时(0.1bar左右)，气路气压达到平衡，此时绝大部分气路气体(主要是阀门8之后气路高气压气体)已回收至回收罐。关闭阀门6、8、9、10、11、17，记录压力传感器ps2读数0.102bar，并将其连同本次操作日期及操作人员标注在回收罐上。

本发明提供的³he气体灌充系统可实现将气体从气罐抽至探测器、从探测器抽至气罐、从一个气罐抽至另一个气罐等功能。供气系统气压可比受气系统高，也可比受气系统低，可以准确控制充气量。若要将供气系统里的气体全部抽入受气系统，也可跳过第二步流程。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。这样，倘若对本发明的这些变型、用途适应性变化属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改变型和用途适应性变化在内。

上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。