本发明涉及一种用于3he正比计数器研制和改进的充注试验装置及其实现方法。
背景技术
中子不带电荷，不能直接引起物质“电离”与“激发”，对中子的探测主要通过对它与物质作用产生的次级带电粒子的探测而实现。3he管是一种气体探测器，也被称为3he正比计数器，相比较于其它探测器，具有更高的反应截面，而3he管中的气氛环境是3he正比计数器的稳定工作的首要条件，其主要的技术难点在于3he气体的珍贵，及其与其它混合气体的精确配比，现有充注技术通常采用大量3he气体与其它气体进行预混后充注到3he正比计数器管体中，是以浪费大量3he气体为前提进行充注试验，并且需要相应的高压混气装置，这种方法适用于确定气体最优配方之后的气体充注试验，而对于3he正比计数器研制和改进试验而言，过于浪费和繁琐。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于3he正比计数器研制和改进的充注试验装置及其实现方法，主要解决现有技术中存在的3he正比计数器研制和改进试验装置的充注实验相对繁琐的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于3he正比计数器研制和改进的充注试验装置，包括依次通过管路连接的机械泵、分子泵、电磁阀、3he正比计数器装置、3he气源装置和充注装置，包裹在管路上并用于对管路内气体进行烘烤除湿的管路加热带，安装在管路上用于检测管路温度的第一温度计；
所述3he正比计数器装置包括3he正比计数器，同时与3he正比计数器连接的3he管阀和第一压力表，以及与3he正比计数器连接并用于测试其温度的第二温度计；
所述3he气源装置包括3he气源瓶，以及与3he气源瓶依次连接的3he减压阀与气源阀；
所述充注装置包括多个用于存储为3he正比计数器提供不同成分其他的配气瓶，以及与配气瓶配套使用的减压阀和混气阀；
其中，与3he正比计数器连接的3he管阀和第一压力表用于对管内气体充注量进行控制的，并且电磁阀、3he管阀、气源阀和混气阀通过管路连接。
进一步地，所述分子泵与电磁阀之间安装有过压保护的第二压力表，安装在电磁阀与3he管阀之间的截止阀，以及用于监测电磁阀和截止阀之间压力的第三压力表。
优选地，所述气源阀与流量控制阀之间还连接有真空抽气阀。
进一步地，所述的装置的实现方法，包括如下步骤：
(1)保持所有气瓶和仪器仪表关闭，开启所有流量控制阀，开启机械泵和电磁阀，启动管路加热带进行烘烤除湿，同时通过第一温度计监控管路的加热温度，并通过第二温度计监控3he正比计数器的加热温度；
(2)关闭电磁阀，开启分子泵至稳定转速后开启电磁阀，将管路抽至低真空，然后关闭截止阀、3he管阀和气源阀，开启任一配气瓶至一定压力后关闭，记录第一压力表的气压值，然后关闭真空抽气阀，开启3he管阀，再次记录第一压力表的气压值，并按照下列公式得出截止阀至真空抽气阀之间管道体积和3he正比计数器管体体积的体积比k：
式中，p1、p2分别为第一次和第二次记录的第一压力表的气压值，v1是截止阀至真空抽气阀之间管道体积，v2是3he正比计数器管体体积；
(3)开启截止阀和真空抽气阀，将管路抽至低真空度，确定3he正比计数器成分和配比，所需3he气体压强为phe，所需其它混合气体压强为p混，然后关闭所有配气瓶前的流量阀，关闭截止阀和真空抽气阀，开启3he气源瓶，缓慢开启气源阀使第一压力表到一定压力值pnhe，然后关闭气源阀，紧接着关闭3he管阀，开启截止阀，将管路抽至低真空，然后关闭截止阀，开启真空抽气阀，缓慢开启相应配气瓶的混气阀使第一压力表到达一定压力值pn混后关闭真空抽气阀和配气瓶，然后开启3he管阀，让3he气体和混合气体在3he管中充分混合均匀，则可通过以下公式计算相应的pnhe和pn混：
式中，phe和pnhe分别为混合气体中3he气体的压强和所需的充注压强，p混和pn混分别为混合气体中混合器的压强和所需的充注压强；
(4)关闭3he管阀，开启截止阀和真空抽气阀，将管路抽至低真空后，关闭截止阀、真空抽气阀和混气阀，然后依次关闭分子泵、电磁阀和机械泵，并取下3he正比计数器。
具体地，所述步骤中，管路加热带不对3he气源瓶进行加热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过管理加热带进行烘烤除湿，避免了管路内残余的空气和水蒸气对实验的影响，同时为充注系统在高温环境下使用做好了准备，并且将3he气源瓶和其他气体的配气瓶分离设置，根据实际需要将3he气体和其他气体一并充入3he正比计数器中，从而为3he正比计数器研制提供了方便、快捷准确的多气体混合充注试验环境。
(2)本发明在3he气源瓶和各个配气瓶前端都设有相应的阀门，在节约3he气体的前提下，避免了3he气源瓶中剩余气体被污染，为配气瓶中充入不同的气体，可实现多种气体的均匀混合，既可以在配气瓶中预先混合保护气，也可以通过分压定律，结合多次抽气注入的方式实现多种气体的混合。
(3)本发明的计算方法简单合理、准确度比较高、易于改造、操作简便，可根据需求对配气瓶数量和配气瓶气体进行更换和调整，并且通过更换相应阀门，以及结合pc控制技术，可实现半自动或全自动充注控制，方便快捷，甚至可以批量生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明试制he-3管中子测试坪曲线结果示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-机械泵，2-分子泵，3-电磁阀，4-管路加热带，5-第一温度计，6-3he正比计数器，7-3he管阀，8-第一压力表，9-3he气源瓶，10-3he减压阀，11气源阀，12-配气瓶，13-减压阀，14-混气阀，15-第二压力表，16-截止阀，17-第三压力表，18-第二温度计，19-真空抽气阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1与图2所示，一种用于3he正比计数器研制和改进的充注试验装置，包括依次通过管路连接的机械泵1、分子泵2、电磁阀3、3he正比计数器装置、3he气源装置和充注装置，包裹在管路上并用于对管路内气体进行烘烤除湿的管路加热带4，安装在管路上用于检测管路温度的第一温度计5；所述3he正比计数器装置包括3he正比计数器6，同时与3he正比计数器6连接的3he管阀7和第一压力表8；所述3he气源装置包括3he气源瓶9，以及与3he气源瓶9依次连接的3he减压阀10与气源阀11；所述充注装置包括多个用于存储为3he正比计数器5提供不同成分其他的配气瓶12，以及与配气瓶12配套使用的减压阀13和混气阀14；
其中，与3he正比计数器6连接的3he管阀7和第一压力表8用于对管内气体充注量进行控制的，并且3he管阀7、气源阀11和混气阀14通过管路连接。
并且，所述分子泵2与电磁阀3之间安装有过压保护的第二压力表15，安装在电磁阀3与3he管阀7之间的截止阀16，以及用于监测电磁阀3和截止阀16之间压力的第三压力表17；所述3he正比计数器6外接有用于测试其温度的第二温度计18；所述气源阀11与流量控制阀14之间还连接有真空抽气阀19，其中，真空抽气阀19一方面用于对气源的二次保护，另一方面便于在后续气体充注时，减少对起源前管路的污染，同时减少3he气体的浪费。
本发明结合了理想气体状态方程和道尔顿分压定律的相关原理对3he正比计数器管进行充注，其充注过程如下：
首先，保持所有气瓶和仪器仪表关闭，开启所有流量控制阀，开启机械泵和电磁阀，启动管路加热带4，并通过第一温度计5监控加热温度，通常为110℃即可，对管路和3he正比计数6进行烘烤除湿，首次烘烤至少12h。
然后，关闭电磁3，开启分子泵2至稳定转速后再重启电磁阀3，将管路抽至低真空比如10-5pa，默认在此低压下，管路内仅含微量杂质气体，然后关闭截止阀16、3he管阀7和气源阀11，开启任一配气瓶12至一个大气压后关闭配气瓶12，记录第一压力表8的气压值p1＝0.1mpa，然后关闭真空抽气阀19，开启3he管阀7，让气体充注到3he正比计数器6管体内，再次记录第一压力表8的气压值，假设气压值为p2＝0.02mpa，根据理想气体状态方程pv＝nrt，可以得出截止阀16至真空抽气阀19之间管道体积v1和3he正比计数器6管体体积v2的体积比k：
p1v1＝p2(v1+v2)
紧接着，开启截止阀16和真空抽气阀19，将管路抽至10-5pa，确定3he正比计数器6成分和配比例如：3he气体和超高纯ar2的混合气体，所需3he气体压强为phe＝0.1mpa，所需超高纯ar2压强为p混＝0.3mpa，关闭所有配气12前的流量阀，关闭截止阀16和真空抽气阀19，开启3he气源瓶9，缓慢开启气源阀11使第一压力表8达到一定压力值pnhe，然后关闭气源阀11，紧接着关闭3he管阀7，开启截止阀16，将管路抽至10-5pa，然后关闭截止阀16，开启真空抽气阀19，缓慢开启ar2配气瓶12的混气阀14使第一压力表8达到到达一定压力值pn混后关闭真空抽气阀19和配气瓶12，然后开启3he管阀7保持1h，让3he气体和混合气体在3he管中充分混合均匀，其中充注气体压力值pnhe和pn混可根据公式计算出：
相应的，如果先充注ar2后充注3he气体，对应需要充注的pn混为0.125mpa，而3he气体为1.5mpa，其所需的气体总量是不变的，达到的充注效果也是一样的。
最后，关闭3he管阀7，开启截止阀16和真空抽气阀19，将管路抽至低0.5pa后，关闭截止阀16、真空抽气阀19和混气阀14，然后依次关闭分子泵2、电磁阀3和机械泵1，并取下3he正比计数器6进行后续电学性能测量。
本发明通过搭建管路系统，结合理想气体状态方程和道尔顿分压定律，实现了3he正比计数器管体不同配方不同配比气氛的快速充注，系统操作简便、易于改造、计算方法简单合理、准确度比较高，非常适用于3he正比计数器研制和优化配方，并为半自动化或全自动化批量生产3he正比计数器提供一种简便可靠的操作系统。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。