氡氚分离及测量氚的系统及方法与流程

本发明属于放射性辐射防护测量
技术领域：
，具体涉及一种氡氚分离及测量氚的系统及方法。本方法能够应用在高氡背景下氚的绝对测量，及时提供氡背景下空气中氚浓度的实时数据。
背景技术：
：氚是氢的唯一放射性同位素，氚衰变发出的β射线最大能量为18.6kev，其平均能量为5.65kev。氚可能对包容材料产生腐蚀，或造成材料性能的退化(脆裂、老化)。而且，氚还能够经过吸入、食入和经完好皮肤渗入进入人体，被人体组织吸收并使之受到内照射危害，由于其放射性危害和它在环境中的特性，在辐射防护监测中，氚的监测日益受到重视。针对气体中高浓度氚的测量均是采用的电离室的方法。电离室对任一种放射性核素的单种放射性射线(α,β,γ,n)都能测量，但是在高氡背景下氚的测量不能分开进行测量，测量结果是氡氚的放射性强度的总和，从而使高氡背景下氚的测量存在技术瓶颈。本发明方法采用电离室测量技术，同时兼备了催化氧化除氚技术、气体干燥技术和气体清洗技术，采用催化氧化除氚技术，使其中氚全部转化为氚化水；采用干燥管干燥技术使气流中的气水高效分离；采用气体鼓泡技术对气流中的水汽进行清洗，将其中的氚成分尽数收集，实现高效的氡氚分离和环境保护。技术实现要素：本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种氡氚分离及测量氚的系统，包括：第一测量单元，其包括通过管道依次连接的催化器、干燥管、电离室ⅰ和排放单元ⅰ；第二测量单元，其包括通过管道依次连接的等效器、电离室ⅱ和排放单元ⅱ；其中，将同时含有氡和氚的气体样品分为两路，一路进入第一测量单元后在电离室ⅰ产生氡的电流信号，另一路进入第二测量单元后在电离室ⅱ产生氡和氚的叠加电流信号，通过收集电离室ⅰ和电离室ⅱ的电流信号并进行叠加处理，输出仅为氚信号，对氚信号处理，即可实现氚的在线监测及报警。优选的是，所述催化器为内径φ44mm×135mm的不锈钢管，内装催化剂；所述等效器为不锈钢容器；所述催化剂为镀1％pd的al2o3。优选的是，所述催化器设置在电加热炉内，电加热炉内设置有螺旋加热管，所述催化器置于螺旋加热管内；所述电加热炉上设置有硅酸铝纤维保温层；所述催化器内插有铠装热电偶。优选的是，所述干燥管为不锈钢外套型干燥管，该干燥管的内管将来自催化器的氚水迁移至干燥管的外套管，从内管输出的气体仅为含氡的气体。优选的是，所述排放单元ⅰ包括：流量计ⅰ，其一端通过管道连接在电离室ⅰ的气体出口，另一端与干燥管外套管的入口通过管道连接；鼓泡器，其通过管道与干燥管外套管的出口连接；所述鼓泡器与干燥管外套管的连接管道上设置有电磁阀ⅰ；所述鼓泡器的出口通过管道依次连接缓冲器ⅰ、以及并列的两套电磁阀ⅱ和真空泵ⅰ。优选的是，所述排放单元ⅰ包括：流量计ⅱ，其一端通过管道连接在电离室ⅰ的气体出口，另一端与干燥管外套管的入口通过管道连接；所述干燥管外套管的出口通过管道依次连接电磁阀ⅲ、缓冲器ⅱ、以及并列的两套电磁阀ⅲ和真空泵ⅱ。优选的是，所述排放单元ⅱ包括：流量计ⅲ，其一端通过管道连接在电离室ⅱ的气体出口，另一端与缓冲器ⅰ或缓冲器ⅱ的入口通过管道连接以接入排放单元ⅰ。优选的是，还包括：用于对进入催化器和等效器的气体进行过滤的过滤器ⅰ，其通过管道连接在催化器和等效器的入口；所述过滤器ⅰ的入口连接取样管接口；过滤器ⅱ，其连接在催化器和干燥管之间。本发明还提供一种采用上述的氡氚分离及测量氚的系统进行测量的方法，包括以下步骤：将含有氡和氚的气体样品分为两路，第一路进入第一测量单元的催化器，将含有氡和氚的气体中的t2催化为t2o后进入干燥管，干燥管内管将t2o迁移至干燥管外套管，t2从干燥管内管除去后，仅含有rn的气体进入电离室ⅰ，高压极性为负，将氡产生的-irn信号送前置放大电路叠加；第二路气体进入等效器，进入电离室ⅱ，高压极性为正，气体在的电离室ⅱ产生氡和氚的叠加信号irn+it，送前置放大电路进行信号叠加；前置放大电路将电离室ⅰ和电离室ⅱ信号叠加后，输出仅为氚信号，氚信号送入前置微电流放大器进行放大，再进行ad转换和数值分析，经运算后进行显示，实现氚在线监测及报警；经过电离室ⅰ和电离室ⅱ的气体通过排放单元ⅰ和排放单元ⅱ进行排放。优选的是，采用可编程控制器plc与电离室ⅰ和电离室ⅱ电连接以采集电离室ⅰ和电离室ⅱ的电流信号数据，并进行数据处理；采用触摸屏显示氡氚分离后经plc的数据处理结果。本发明至少包括以下有益效果：本发明采用氚氧催化、气液分离技术实现了氚的在线实时测量；采用plc加触摸屏进行自动控制和数据处理，减少人工干预，提高测量效率，保证了工作质量，其目的就是能在含氡气氛条件下，实现在线监测氚的异常释放。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明：图1为本发明氡氚分离及测量氚的系统的结构原理图；图2为本发明另一种氡氚分离及测量氚的系统的结构原理图(使用鼓泡器)；图3为本发明另一种氡氚分离及测量氚的系统的结构原理图(未使用鼓泡器)；图4为本发明另一种氡氚分离及测量氚的系统的结构原理图；图5为本发明另一种氡氚分离及测量氚的系统的立体结构前视图；图6为本发明另一种氡氚分离及测量氚的系统的立体结构后视图；图7为本发明氡氚分离及测量氚的系统的催化器的立体结构图(去掉电加热炉炉盖)；图8为本发明干燥管氚水蒸气分离性能测试系统原理图；图9为本发明的前置放大电路的结构原理图。具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。图1示出了本发明的一种氡氚分离及测量氚的系统，包括：第一测量单元，其包括通过管道依次连接的催化器3、干燥管5、电离室ⅰ6和排放单元ⅰ19；第二测量单元，其包括通过管道依次连接的等效器15、电离室ⅱ16和排放单元ⅱ20；其中，将含有氡和氚的气体样品分为两路，一路进入第一测量单元后在电离室ⅰ产生氡的电流信号，另一路进入第二测量单元后在电离室ⅱ产生氡和氚的叠加电流信号，通过收集电离室ⅰ和电离室ⅱ的电流信号并进行叠加处理，输出仅为氚信号，对氚信号处理，即可实现氚的在线监测及报警；排放单元ⅰ19和排放单元ⅱ20实现对经过电离室ⅰ和电离室ⅱ的气体进行排放。在上述技术方案中，氡氚测量原理是首先将含有氡和氚(rn+t2)的气体样品抽入电离室ⅱ，产生总的线性电流信号(irn+it)，再将气体样品中氚、氡分离，然后将含氡气体抽入电离室ⅰ，产生氡的线性电流信号(irn)；对称的电离室ⅰ和电离室ⅱ大小完全相同，但高压极性相反，电离室ⅰ和电离室ⅱ产生的信号在前置放大电路内进行叠加，叠加的总信号为i总＝(irn+it)-irn＝it，即叠加的总信号为氚信号，剔除氡的影响，总信号再进入信号放大器及数据单元进行处理，可实时给出气体样品的氚浓度；图9示出了前置放大电路的电路图，其中，a1——弱电流放大器，对弱电流进行电流转化及微分放大；a2——单端转双端放大器，单端信号转化为双端信号；a3——混频器，将信号频率转化为设计频率；a4——中频放大器，将转化频率的信号再次放大；a5——谐波滤波器，将不需要处理的频率滤掉；a6、a7——低漂移放大器，对信号进行放大；r1——反馈电阻，低噪音系数，电流微分放大；c1——反馈电容，可选用绝缘阻抗高的π型电容；c2、c3、c4——精密电容。在上述技术方案中，所述催化器为内径φ44mm×135mm的不锈钢管，内装催化剂；所述等效器为不锈钢容器；所述催化剂为镀1％pd的al2o3，该催化剂用于催化氧化将气态氚转化为液态氚，其转化效率可达99％以上。在上述技术方案中，如图5～7所示，所述催化器3设置在电加热炉31内，电加热炉31内设置有螺旋加热管32，所述催化器3置于螺旋加热管32内；所述电加热炉上设置有硅酸铝纤维保温层；所述催化器内插有铠装热电偶33；考虑到本系统催化剂的长期使用，需提供催化剂再生条件，即需要配置配套的电加热炉，采用螺旋加热管加热方式，绝缘电阻在5mω以上，加热功率1.5kw左右；催化管内中心插有铠装热电偶，便于测控催化剂的工作温度，通过铠装热电偶和plc自动采集控制催化炉的工作温度；加热目的主要是防止催化剂表面覆盖水膜而影响催化效率，因此，催化剂中心加热温度维持在100℃左右即可。在上述技术方案中，所述干燥管5为不锈钢外套型干燥管，其为美国博纯公司生产的pd-50型不锈钢外套型干燥管。该干燥管的内管将来自催化器的氚水迁移至干燥管的外套管，从内管输出的气体仅为含氡的气体。优选的是，如图2所示，所述排放单元ⅰ19包括：流量计ⅰ7，其一端通过管道连接在电离室ⅰ6的气体出口，另一端与干燥管5外套管的入口通过管道连接；气体经干燥管干燥后，其含水量极低，从电离室ⅰ6出来的气体可以作为反吹气体使用，将干燥管外套管内水汽带走；鼓泡器12，其通过管道与干燥管5外套管的出口连接；所述鼓泡器12与干燥管5外套管的连接管道上设置有电磁阀ⅰ11；所述鼓泡器12的出口通过管道依次连接缓冲器ⅰ10、以及并列的两套电磁阀ⅱ13,17和真空泵ⅰ14,18；采用这种方式，通过流量计ⅰ控制管道内气液流速，采用真空泵ⅰ作为整个系统气体和液体流动的动力，采用缓冲器ⅰ使气体流量稳定；将干燥管5外套管的水蒸气送入鼓泡器内鼓泡，鼓泡器内预先装有鼓泡液，将氚气被催化为的氚水高效收集；若发生报警事件，可以取1ml鼓泡液用液体闪烁分析仪进行氚谱分析，借此判断事故甄别，为事故应急待命提供确切的判断依据；此外，真空泵ⅰ可以作为整个系统气体和液体流动的动力；真空泵ⅰ采用德国bekervt4.8型无油选片式真空泵，双泵交替工作；电磁阀采用zbs-1型高端不锈钢电磁阀。在另一种技术方案中，如图3所示，所述排放单元ⅰ19包括：流量计ⅱ71，其一端通过管道连接在电离室ⅰ6的气体出口，另一端与干燥管5外套管的入口通过管道连接；所述干燥管5外套管的出口通过管道依次连接电磁阀ⅲ8、缓冲器ⅱ101、以及并列的两套电磁阀ⅲ131,171和真空泵ⅱ141,181，采用这种方式，通过流量计ⅱ71控制管道内气液流速，采用真空泵作为整个系统气体和液体流动的动力，采用缓冲器ⅱ使气体流量稳定。此外，如图4～6所示，可以将上述图2和3的两种技术方案合并为一种技术方案，可以采用电磁阀ⅲ8和电磁阀ⅰ11、鼓泡器12的并联连接，在实际应用过程中选择开启电磁阀ⅰ11或电磁阀ⅲ8，实现使用鼓泡器和不使用鼓泡器的工艺选择，同时，电离室ⅰ和电离室ⅱ为现有市售的电离室，其连接电源箱61和高压发生器62，实现其工作过程。在上述技术方案中，如图2～4所示，所述排放单元ⅱ包括：流量计ⅲ9，其一端通过管道连接在电离室ⅱ16的气体出口，另一端与缓冲器ⅰ10或缓冲器ⅱ101的入口通过管道连接已接入排放单元ⅰ，从而实现排放单元ⅱ的工艺过程，采用这种技术方案，使第二路气体通过电离室ⅱ后采用第一路气体的排放单元ⅰ，使系统的结构更加紧凑，并可以节约成本。在上述技术方案中，还包括：用于对进入催化器3和等效器15的气体进行过滤的过滤器ⅰ2，其通过管道连接在催化器3和等效器15的入口；所述过滤器ⅰ2的入口连接取样管接口1；过滤器ⅰ可以对气体进行除粉尘处理；过滤器ⅱ4，其连接在催化器和干燥管之间，过滤器ⅱ4的作用是过滤催化器中催化剂镀层微量脱落和局部粉化产生的粉尘。本发明还提供一种采用上述的氡氚分离及测量氚的系统进行测量的方法，包括以下步骤：将含有氡和氚的气体样品分为两路，第一路进入第一测量单元的催化器，将含有氡和氚的气体中的t2催化为t2o后进入干燥管，干燥管内管将t2o迁移至干燥管外套管，t2从干燥管内管除去后，仅含有rn的气体进入电离室ⅰ，高压极性为负，将氡产生的-irn信号送前置放大电路叠加；第二路气体进入等效器，进入电离室ⅱ，高压极性为正，气体在的电离室ⅱ产生氡和氚的叠加信号irn+it，送前置放大电路进行信号叠加；前置放大电路将电离室ⅰ和电离室ⅱ信号叠加后，输出仅为氚信号，氚信号送入前置微电流放大器进行放大，再进行ad转换和数值分析，经运算后进行显示，实现氚在线报警监测；经过电离室ⅰ和电离室ⅱ的气体通过排放单元ⅰ和排放单元ⅱ排放到实验室局排管道中。在上述技术方案中，采用可编程控制器plc与电离室ⅰ和电离室ⅱ电连接以采集电离室ⅰ和电离室ⅱ的电流信号数据，并进行数据处理；采用触摸屏显示氡氚分离后经plc数据处理后的结果。本发明的氡氚分离及测量氚的系统的技术核心是催化器的催化反应和干燥管的气体干燥，下面分别对两者的效率进行测试：催化器的催化效率测试：将装有103bq/l量级的ht气体容器串联在内置催化器的电加热炉前，容器有效容积为1l，电加热炉可连续对催化反应器加温，用房间空气作为冲洗气体，流量控制为1l/min，载带ht进入催化反应器催化为hto，经干燥管后，进入鼓泡器，被鼓泡液收集。鼓泡器内装填30ml纯净水鼓泡液，运行60min后停机，取1ml鼓泡液用液体闪烁分析仪测量，从而计算出催化效率，表1示出了催化效率测试结果；表1由表1可见，催化剂在常温(20℃)时，催化效率可达32％，催化剂加热到50℃时，催化效率达到95％，已经开始上升。100℃时，催化效率接近100％，所以，催化温度控制在50℃～110℃范围内为宜。干燥管氚水蒸气分离性能测试：测试系统原理见图8，在鼓泡器111中加入50ml氚水，从载气罐116通入氩气，通过鼓泡，在室温20℃时，产生相对湿度90％～98％的氚化水蒸气，以此作为实验气源，其氚浓度值稳定在1.6×106bq/m3。将氚化水蒸气通入干燥管112，流量计115控制流量在1l/min，出口接1#电离室113，测量后气体进入干燥管冲洗气路，将透过管壁的水汽带走，出口接2#电离室114进行氚化水蒸气监测，以作为比对；表2示出了干燥管分离性能测试(bq/m3)表2序号测试时间(min)2#电离室1#电离室101.6×1051.62×1052207.4×1051.63×1053409.7×1051.58×1054601.1×1061.49×10551201.1×1061.61×105测试结果可以看出，干燥管有较好的氚水蒸气分离作用。由于氚化水蒸气透过干燥管磺酸壁需要大约20min，所以今后高氡背景下氚甄别，等待时间应不小于20min，完全透过大约需要60min，这是高氡背景下氚甄别定量分析需要鼓泡器运行高氡背景下氚甄别的时间。从表2也可看出，氚化水蒸气不能到达干燥管内管出口，在长达60min内，1#电离室读数始终处于本底水平。干燥管透氚性能测试：系统如图8所示，在鼓泡器中不加入鼓泡液，取样流量为1l/min。用氩气作为干燥管冲洗气，流量控制在1l/min，测试时间为140min，结果见表3干燥管透氚性测试(bq/m3)；表3序号测试时间(min)2#电离室1#电离室101.4×1051.67×1052101.4×1051.63×1053209.3×1051.64×1054303.5×1061.60×1055401.1×1071.59×1056507.6×1071.63×1057601.5×1071.59×1058702.4×1071.66×1059801.3×1071.58×10510909.3×1071.66×105111005.2×1061.60×105121103.1×1061.61×105131208.4×1051.65×105141307.7×1051.62×105151404.6×1051.64×105测试结果表明，干燥管冲洗气流中，氚浓度不超过本底，ht不能通过干燥管内管。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12