一种制备放射性石墨中碳‑14液体样品的方法与流程

本发明涉及核工业
技术领域：
，尤其涉及一种制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法。
背景技术：
：核工业中会使用大量的石墨材料，石墨受到中子辐照后会带有放射性。为处理放射性石墨，必须建立石墨中所含放射性的分析方法，特别是要准确的测定其中碳-14的含量。碳-14分析的难点在于将固体石墨材料中的碳-14制备成液体样品，便于后续使用精密的放射性分析仪器对碳-14进行分析。目前广泛采用的是“燃烧-吸收法”制备碳-14的液体样品。即，将含有碳-14的石墨在空气或氧气等助燃气中点燃，使碳转化为二氧化碳，再采用吸收液吸收二氧化碳。由于放射性石墨中还含有另一种放射性核素——氚。在燃烧过程中会形成含氚的水蒸气，也会被吸收液吸收，因此，对后续碳-14的放射性测量产生严重干扰。所以在吸收液之前，都要有一个去除水含氚的水蒸气的过程。例如，邱永梅等在反应堆退役石墨中14C分析制样实验系统研制(原子能科学技术，2010，Vol.44(suppl.)：119-123)一文中报道了续碳-14的制备方法和实验装置。其制备碳-14样品方法可以概括为：将石墨在氧气气氛下加热燃烧，气体通过冷凝管和硅胶干燥器来除去含氚水，通过收集器中的吸收液制备碳-14液体样品。然而，该方法和装置具有如下缺点：(1)设备复杂、部件多、体积大、集成度差；(2)难以实现标准化、多数是临时搭建的实验装置，不利于规模化生产和推广使用；(3)控制困难：气体流速太小时不利于石墨完全燃烧、气体流速太大时不利于二氧化碳气体完全被吸收液吸收；(4)放射性废物多：整个管路都会被碳-14、氚沾污；(5)设备存在危险性：石墨粉末比表面积大，与氧气混合易发生爆炸。为了部分解决上述方法的缺点，特别是出于操作安全的考虑，目前也存在一种使用耐高压样品燃烧装置(氧弹)来制备碳-14样品的技术。这类技术与之前所述样品制备方法的显著区别在于：引入了一种特殊的样品燃烧装置(氧弹)。具体地，该方法为：在一个密闭耐高压样品燃烧装置中使石墨与氧气燃烧生成二氧化碳和含氚水蒸气；然后将燃烧装置的阀门打开，将燃烧生成二氧化碳和含氚水蒸气引导至类似于邱永梅等提供的除水蒸气和吸收二氧化碳的装置中。然而，该方法和装置仍然具有如下缺点：(1)除样品燃烧装置外，需要另外配备除含氚水蒸气和吸收二氧化碳的装置：设备复杂、集成度差、大多需要临时搭建除水和吸收二氧化碳的装置、不利于装置推广使用。如果没有配套装置，则无法去除氚的干扰，难以用于C-14的准确分析；(2)样品燃烧装置的放气操作必须手动控制、工作强度大：样品燃烧装置放气的操作，需要根据内部残留压力来调解一个放气阀，保持放气速度缓慢稳定。目前这个操作只能通过人工手动控制螺旋放气阀来完成，工作人员需要连续数小时持续调解，工作强度很大；(3)手动放气操作造成吸收不稳定，实验误差大：样品燃烧装置放出的气体也要求缓慢通入氚水吸附材料和氢氧化钠溶液，通过速度对氚水和二氧化碳的吸收效果有直接影响。特别是，当通过速度过快会造成吸收率下降，影响测定的碳-14含量。但通过人工控制螺旋放气阀的方式来调节放气速度，放气速度波动大、吸收不稳定、实验误差大、结果重复性差。因此，提供一种简单有效的制备放射性石墨中碳-14的液体样品的方法成为目前需要解决的技术问题。技术实现要素：本发明提供一种简单有效的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法。一种制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，该方法包括：提供一密封的反应容器，该反应容器内具有一含氚水蒸气吸附装置，从而将该反应容器的内部空间分割成一第一空间和一第二空间；所述第一空间内设置有放射性石墨样品，所述第二空间内设置有二氧化碳吸收液；向所述密封的反应容器内充入助燃气，使所述反应容器内的气压强达到1-4MPa；使所述放射性石墨样品在助燃气中进行燃烧，在所述第一空间形成含氚水蒸气和二氧化碳气体；保持一段时间，使所述含氚水蒸气和二氧化碳气体通过所述吸附装置向所述第二空间扩散，所述含氚水蒸气被所述吸附装置吸收，且所述二氧化碳气体被所述吸收液吸收；以及对所述密封的反应容器进行排气。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述密封的反应容器包括：一承压钢瓶、一顶部端盖、一密封盖、两个电极和一点火丝；所述顶部端盖插入所述承压钢瓶的顶部开口之内，所述密封盖将所述顶部端盖固定在所述承压钢瓶上；所述两个电极间隔设置于所述顶部端盖上，且从外部延伸至所述承压钢瓶内部，所述两个电极延伸至所述承压钢瓶内部的一端通过该点火丝电连接；使所述放射性石墨样品在助燃气中进行燃烧的方法为向所述点火丝通电。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述吸附装置包括一第一透气隔板、一与该第一透气隔板间隔设置的第二透气隔板、一设置于所述第一透气隔板和第二透气隔板之间的水蒸气吸附材料以及一橡胶密封环。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述承压钢瓶的内壁为圆柱形，所述吸附装置为圆柱或圆台形，其侧面与所述承压钢瓶的内壁贴合，并依靠橡胶密封环实现侧壁密封。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述水蒸气吸附材料为吸水硅胶。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述承压钢瓶的内壁上形成台阶或设置凸起，从而使所述吸附装置卡固在该台阶或凸起处。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述两个电极和点火丝设置于所述第一空间；所述充排气阀设置于所述承压钢瓶上且直接与所述第二空间连通；所述密封的反应容器内充入助燃气的方法为通过该充排气阀充入纯氧气。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述吸收液为氢氧化钠溶液。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述吸收液中放置一磁力转子；所述使所述含氚水蒸气和二氧化碳气体通过所述吸附装置向所述第二空间扩散的步骤进一步包括：将反应容器放于一个磁力搅拌装置上，通过磁力带动磁力转子对所述吸收液进行搅拌。如上述的制备放射性石墨中碳-14液体样品的方法，其中，所述吸收液进行搅拌的时间为5-10分钟。相较于现有技术，本发明的方法使反应后气体中的二氧化碳扩散到达吸收碱液表面，避免了通过导管引导的手动控制放气过程的难度，不仅降低工作强度、大大提高了样品制备的效率，而且减少了人为的实验误差和不确定性，提高了样品制备过程的可靠性。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例提供的制备放射性石墨中碳-14的液体样品的实验装置的结构示意图。图2为本发明实施例提供的制备放射性石墨中碳-14的液体样品的方法流程图。附图标号说明实验装置10承压钢瓶101顶部端盖102密封盖103电极104点火丝105样品坩埚106充排气阀107烧杯108吸收碱液109吸附装置110第一透气隔板111水蒸气吸附材料112第二透气隔板113橡胶密封环114第一空间115第二空间116磁力转子117具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。请参见图1，本发明实施例提供的制备放射性石墨中碳-14的液体样品的实验装置10包括：一承压钢瓶101、一顶部端盖102、一密封盖103、两个电极104、一点火丝105、一样品坩埚106、一充排气阀107、一烧杯108、二氧化碳吸收碱液109以及一含氚水蒸气吸附装置110。所述承压钢瓶101的形状和尺寸不限，可以根据需要设置。可以理解，所述承压钢瓶101也可以为采用其它金属材料制备的可以承受高压的容器。本实施例中，所述承压钢瓶101为圆柱形，其侧边和底部密封，顶部开口且的具有与所述密封盖103配合的螺纹。所述顶部端盖102用于与所述承压钢瓶101构成一个密封的且可以承受高压的反应腔室。使用时，所述顶部端盖102插入所述承压钢瓶101的顶部开口之内。所述密封盖103用于将所述顶部端盖102固定在所述承压钢瓶101上。所述密封盖103的结构可以根据需要设置。本实施例中，所述密封盖103具有与所述承压钢瓶101的顶部配合的螺纹，且所述密封盖103与所述顶部端盖102为一体结构。使用时，所述密封盖103通过螺旋与所述承压钢瓶101固定连接，从而压住所述顶部端盖102，确保密封完好。所述两个电极104间隔设置于所述顶部端盖102上，且从外部延伸至所述承压钢瓶101内部。所述两个电极104露在外部的一端用于与外部电源连接，延伸至所述承压钢瓶101内部的一端用于施加电压，从而实现点火。所述点火的方式不限，可以为电弧放电等。可以理解，所述两个电极104的设置位置不限于所述顶部端盖102上，也可以设置于所述承压钢瓶101上，只要从外部延伸至所述承压钢瓶101内部即可。本实施例中，所述两个电极104延伸至所述承压钢瓶101内部的一端通过一点火丝105电连接。在外部电源通电情况下，通过所述两个电极104和点火丝105构成一个回路，所述点火丝105会瞬间点火并自身熔断。所述点火丝105会引燃所述样品坩埚106中的石墨待测样品，使样品燃烧气化。可以理解，所述电极104和点火丝105为可选结构，本发明也可以通过其它点燃装置或点燃方式实现引燃，例如将整个反应容器加热。所述样品坩埚106设置于所述承压钢瓶101内，用于承载石墨待测样品。所述样品坩埚106可以设置于所述承压钢瓶101内的一固定装置上。本实施例中，所述样品坩埚106固定于一电极104上，且所述电极104设置于所述顶部端盖102上，从而可以在打开所述顶部端盖102的同时将所述样品坩埚106从所述承压钢瓶101内取出，以便装在样品。可以理解，所述样品坩埚106不限于坩埚，只要是可以耐高温的样品承载装置即可。所述充排气阀107用于燃烧前向所述承压钢瓶101内充入氧气等助燃气，燃烧和吸收完成后排出所述承压钢瓶101内的废气。所述充排气阀107可以设置于所述承压钢瓶101上或所述顶部端盖102上。优选地，所述充排气阀107设置于所述承压钢瓶101上且位于所述样品坩埚106的背面，这样可以避免在充气过程中，气流将所述样品坩埚106内部的样品吹散。现有装置的充排气口通常设置于在所述顶部端盖102上，且正对装载样品的样品坩埚。当装置充入氧气时，进气气流可能将样品吹走。本实施例中，所述充排气阀107设置于所述承压钢瓶101靠近底部的侧壁上。所述含吸附装置110设置于所述承压钢瓶101内，从而将所述承压钢瓶101的内部空间分割成一第一空间115和一第二空间116。所述样品坩埚106设置于所述第一空间115内。所述吸附装置110具有多个通孔，所述第一空间115和一第二空间116仅通过所述吸附装置110连通。所述第一空间115内反应生产的含氚水蒸气和二氧化碳气体可以通过所述吸附装置110向所述第二空间116扩散，且所述含氚水蒸气可以被所述吸附装置110中的水蒸气吸附材料吸收。所述吸附装置110包括一第一透气隔板111、一与该第一透气隔板111间隔设置的第二透气隔板113、一设置于所述第一透气隔板111和第二透气隔板113之间的水蒸气吸附材料112以及一橡胶密封环114。优选地，所述第二透气隔板113边缘固定于所述橡胶密封环114上，从而形成一容器，以便放置该水蒸气吸附材料112。本实施例中，所述吸附装置110为圆柱或圆台形，其侧面与所述承压钢瓶101的内壁贴合，并依靠橡胶密封环114实现侧壁密封。所述承压钢瓶101的内壁上可以形成台阶或设置凸起(图未示)，从而使所述吸附装置110可以卡固在该台阶或凸起处。所述水蒸气吸附材料112可以为吸水硅胶等。所述吸水硅胶等材料自身堆积时存在大量空隙，与所述第一透气隔板111和第二透气隔板113共同构成了气体在所述第一空间115和一第二空间116之间自由流通的通道。所述烧杯108设置于所述承压钢瓶101内部的第二空间116内，用于盛放所述吸收碱液109。所述吸收碱液109用于吸收二氧化碳。可以理解，所述烧杯108也可以为其它盛放吸收碱液109的容器。本实施例中，所述烧杯108设置于所述承压钢瓶101底部。所述吸收碱液109为氢氧化钠水溶液。进一步，所述烧杯108内还可以包括一磁力转子117。所述磁力转子117用于搅拌所述吸收碱液109，从而加快所述吸收碱液109对二氧化碳的吸收。可以理解，所述磁力转子117为可选结构。可以理解，所述烧杯108、样品坩埚106以及二氧化碳吸收碱液109通常并不与其它元件一起生产销售，仅在该实验装置10制备放射性石墨中碳-14的液体样品时放入即可，因此，所述烧杯108、样品坩埚106以及二氧化碳吸收碱液109可以不理解为该实验装置10的一部分。请参见图2，本发明实施例进一步提供一种制备放射性石墨中碳-14的液体样品的方法。该方法包括以下步骤：S11，提供一密封的反应容器，该反应容器内具有一含氚水蒸气吸附装置110，从而将该反应容器的内部空间分割成一第一空间115和一第二空间116；所述第一空间115内设置有放射性石墨样品，所述第二空间116内设置有二氧化碳吸收碱液109；S12，向所述密封的反应容器内充入氧气等的助燃气，使所述反应容器内的气压强达到1-4MPa；S13，使所述放射性石墨样品在助燃气中进行燃烧，在所述第一空间115形成含氚水蒸气和二氧化碳气体；S14，保持一段时间，使所述含氚水蒸气和二氧化碳气体通过所述吸附装置110向所述第二空间116扩散，所述含氚水蒸气被所述吸附装置110吸收，且所述二氧化碳气体被所述吸收碱液109吸收；以及S15，对所述密封的反应容器进行排气。可以理解，所述步骤S14中，随着吸收碱液109对二氧化碳的吸收，第一空间115和第二空间116中二氧化碳会自发扩散，一定时间后，使得吸收碱液109对承压钢瓶101中所有二氧化碳完全吸收。而现有技术中，将反应后气体从承压反应容器中排出，再通过导管引导含氚水蒸气被所述吸附装置和二氧化碳气体吸收碱液中。该方法需要手动调控流量，保持流量足够小，避免对吸附除氚效果、二氧化碳吸收效果产生影响。而且，随着反应容器内的气压逐渐下降，需要持续手动调节来保证流量稳定。所述步骤S14中，还可以进一步对所述吸收碱液109进行搅拌，从而加快所述吸收碱液109对二氧化碳的吸收。可以理解，本发明的实验装置10和方法，不仅可以制备放射性石墨中碳-14的液体样品，其可以用于任何反应后生成两种以上不同气体，且有的气体需要被除去，有的气体需要被收集的实验。以下为本发明制备放射性石墨中碳-14的液体样品方法的具体实施例。实施例1本实施例中，采用实验装置10制备放射性石墨中碳-14的液体样品的方法如下：(1)打开该实验装置10的密封盖103，取出顶部端盖102；(2)在该顶部端盖102下方的内支架上放好样品坩埚106，品坩埚106内装入质量0.05-0.2g待测放射性石墨样品，并连接好点火丝105；(3)将装有固定体积5.0-20.0ml氢氧化钠吸收碱液109的烧杯108放入该承压钢瓶101底部；(4)根据需要在氚水蒸汽吸附装置110中装入适量硅胶水蒸气吸附材料112，封闭后放入该承压钢瓶101内部，保证该承压钢瓶101的内壁四周被该吸附装置110密封；(5)装回顶部端盖102，使电极104、点火丝105、样品坩埚106、和待燃烧样品装入该承压钢瓶101内；(6)封好该螺旋密封盖103；(7)从该充排气阀107充入适量的高压氧气，使该承压钢瓶101内部压强达到1MPa-4MPa；(8)将整个实验装置10置于冷水水域中，检漏确保实验装置10密封；(9)连接电极104到外部电源，通过外部电源点火引燃点火丝105和石墨待燃烧样品；(10)待样品燃烧完成并降温后，将实验装置10放于一个磁力搅拌装置上，通过磁力带动烧杯108中磁力转子117对吸收碱液109搅拌5-10分钟，促进该吸收碱液109对气体中二氧化碳的吸收；(11)二氧化碳吸收完全后，通过该充排气阀107将该承压钢瓶101中的气体排出，不必考虑排出速度，可以快速完成放气过程；(12)打开该密封盖103，取出烧杯108，烧杯108中的氢氧化钠吸收碱液109作为后续分析样品。为了检测本发明的实验装置10和制备方法中吸收碱液109对气体中二氧化碳的吸收情况，本实施例中，通过该充排气阀107将该承压钢瓶101中的气体排出的过程中，通过导管将排除的气体先缓慢通入另一烧杯内的第二氢氧化钠吸收碱液中，是该第二氢氧化钠吸收碱液进一步吸收气体残余的二氧化碳。结果发现，该第二氢氧化钠吸收碱液中吸收的二氧化碳几乎为零。由此可见，本发明的实验装置10和制备方法中吸收碱液109可以将该承压钢瓶101中的二氧化碳完全吸收。本发明具有以下优点：本发明的装置将含氚水蒸气吸收、二氧化碳吸收以及样品燃烧等功能都集成在承压钢瓶内部，操作简单；本发明的方法使反应后气体中的二氧化碳扩散到达吸收碱液表面，避免了通过导管引导的手动控制放气过程的难度，不仅降低工作强度、大大提高了样品制备的效率，而且减少了人为的实验误差和不确定性，提高了样品制备过程的可靠性。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3