一种宽浓度放射性元素态T标准气制备装置及其制备方法与流程

一种宽浓度放射性元素态t标准气制备装置及其制备方法
技术领域
1.本发明属于放射性标准气领域，具体涉及一种宽浓度放射性元素态t标准气制备装置及其制备方法。


背景技术：

2.某些核电站、靶t生产、中子发生器生产、核设施退役等场所在生产运行中会产生一种放射性产物—t。为了有效及时的了解现场区域的t辐射水平，目前空气中t的在线监测主要采用电离室测量的方法。根据相关计量标准，需定期对这些涉及人员安全和工艺设备安全的辐射监测设备进行校准检定，以确保仪器功能稳定完好，测量数据准确可信。
3.根据行业标准，用于t监测的电离室标准的检定方法应该是采用标准活度t气源对电离室进行响应测试，但是目前国内采用该种检定方法的检定机构或企业单位所使用的标准t气大多依赖国外采购，这就将面临以下问题：一、标准t气源活度无法溯源，其准确性和可靠性存在疑问；二、因为涉及到放射性，采购申请往往需征得国家、省、市、县等相关行政和环保部门的批准，提交申请后还需等待国外相关部门的审核批准，这就导致整个采购的周期漫长、程序复杂等问题；三、标准气源由厂家制备到交货后使用方的现场使用，由于采购周期的漫长和t这种核素的易迁移扩散特性，其活度浓度的准确性无法保证；四、气源在彻底使用完后，存放标准气源的贮气瓶作为放射性废物需进行报废处理，既增加了固体废物的产量，也增加了管理的成本。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种宽浓度放射性元素态t标准气制备装置，可以配制备不同活度浓度范围的t标准气，同时能够对所制备的t标准气的活度浓度进行实验验证，保证了标准气源的准确性、可靠性以及配气装置的有效性。
5.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种宽浓度放射性元素态t标准气制备装置，包括气源制备及测定单元、一级稀释单元、定量单元以及二级稀释单元；
6.所述气源制备及测定单元，用于通过电解法制备含t气源及测量含t气源活度浓度a，所述含t气源的活度浓度通过电解-液体闪烁计数法以及质谱法的综合测量结果得到含t气源的活度浓度a；
7.所述一级稀释单元,用于对气源制备及测定单元输送的t气源与氦气或净化空气进行混合实现一级稀释；
8.所述定量单元，位于所述一级稀释单元与所述二级稀释单元之间，用于将一级稀释单元中的气体定量抽取至二级稀释单元中以定量配备目标浓度的标准气；
9.所述二级稀释单元，用于对从所述定量单元输送的t气源与氦气进行混合实现二级稀释。
10.进一步，还包括所述标准气验证单元，所述标准气验证单元外接所述二级稀释单元，通过标准气验证单元对所述二级稀释单元中的气体的放射性体积活度进行测量计算，
可以得到由于管路气体吸附给二级稀释单元中得到的目标气体浓度带来的浓度偏差，并据此对系统造成的浓度偏差进行修正。
11.进一步，还包括尾气收集单元，所述尾气收集单元与一级稀释单元和/或二级稀释单元连接，用于对一级稀释单元的第一混合罐和/或二级稀释单元的第二混合罐内的剩余标气进行收集和贮存。
12.进一步，所述气源制备及测定单元包含电解净化子单元、工艺系统、第一取样管、第二取样管、压力表以及真空泵；
13.所述电解净化子单元，用于将重水反应堆慢化剂dto进行电解，电解为含t溶液，并将含t溶液中的杂质去除；
14.使用液体闪烁计数器分析电解槽内液体,t活度浓度，通过电解槽将dto电解得到含t气体，通过计算可得标准状况下t气体体积活度浓度a；
15.所述工艺系统将含t气源依次输送至串接的第一取样管和第二取样管，所述第一取样管后端针阀和第二取样管的前端针阀之间外接一个压力表，以测量两个取样管中的压力，所述压力表通过针阀连接真空泵，通过采用质谱仪测量分析第二取样管中的含t气源总活度即可知第一取样管中的含t气源活度a；
16.所述气源制备及测定单元根据液体闪烁计数器以及质谱仪测量综合测量计算结果得到含t气源活度a。
17.进一步，所述一级稀释单元包括第一混合罐，所述第一混合罐上端配备有第一温度计和第一压力表组件，并作为氦气的进气口和一级稀释气的排气口。
18.进一步，所述第一压力表组件由真空计和压力变送器组成，在0.01pa-0.1mpa时启用真空计，在0.1mpa-5mpa时启用压力变送器。
19.进一步，所述定量单元包括定量罐，所述定量罐上端装有真空计，用以测量定量罐内气体的压力，进而计算分析罐内的总放射性活度，一级稀释单元的第一混合罐与定量罐之间设有排气针阀，排气针阀排气口为外界，可作为装置清洗气的排气口，避免一二级稀释单元交叉污染。
20.进一步，所述尾气收集单元包括贮氢合金罐，所述贮氢合金罐外包加热套件并置于升降架上，其上端装温度计，所述贮氢合金罐进气侧连接缓冲罐。
21.第二方面：一种宽浓度放射性元素态t标准气制备方法，应用于如第一方面及其任一可选实施方式中所述的一种宽浓度放射性元素态t标准气制备装置中，包括以下步骤：
22.s1:通过电解法制备含t气源及测量含t气源活度浓度a，所述含t气源的活度浓度通过电解-液体闪烁计数法以及质谱法的综合测量结果得到含t气源的活度浓度a；
23.s2:对气源制备及测定单元输送的t气源与氦气或净化空气进行混合实现一级稀释；
24.s3:将一级稀释单元中的气体定量抽取至二级稀释单元中以定量配备目标浓度的标准气；
25.s4:对从所述定量单元输送的t气源与氦气进行混合实现二级稀释以得到目标t标准气源。
26.进一步，还包括步骤s5:通过标准气验证单元对所述二级稀释单元中的气体的放射性体积活度进行测量计算，可以得到由于管路气体吸附给二级稀释单元中得到的目标气
体浓度带来的浓度偏差，并据此对系统造成的浓度偏差进行修正。
27.进一步，还包括步骤s6:对一级稀释单元的第一混合罐和/或二级稀释单元的第二混合罐内的剩余标气进行收集和贮存。
28.进一步，步骤s1包括
29.子步骤s101:将重水反应堆慢化剂dto进行电解，电解为含t溶液，并将含t溶液中的杂质去除；
30.使用液体闪烁计数器分析电解槽内液体,t活度浓度，通过电解槽将dto电解得到含t气体，通过计算可得标准状况下t气体体积活度浓度a；
31.子步骤s102:将含t气源依次输送至串接的第一取样管和第二取样管，所述第一取样管后端针阀和第二取样管的前端针阀之间外接一个压力表，以测量两个取样管中的压力，所述压力表通过针阀连接真空泵，通过采用质谱仪测量分析第二取样管中的含t气源总活度即可知第一取样管中的含t气源活度a；
32.所述气源制备及测定单元根据液体闪烁计数器以及质谱仪测量综合测量计算结果得到含t气源活度a。
33.进一步，所述子步骤s101:使用液体闪烁计数器分析电解槽内液体进而通过计算得标准状况下t气体体积活度浓度式中：a为第一取样管内h-3活度；p为第一取样管压力，通过压力表测得；v1为第一取样管体积；m为重水d2o摩尔质量；am为重水中h-3质量活度浓度；r为气体常数；t为第一取样管气体温度。
34.进一步，所述子步骤s102:通过采用质谱仪测量分析第二取样管中的含t气源总活度即可知第一取样管中的含t气源活度式中：a为第一取样管内h-3活度；η为第一取样管内h-3丰度；t0为标准温度；p为第一取样管压力，通过压力表测得；v1为第一取样管体积；av为t2体积比活度；t为第一取样管气体温度；p0为标准大气压。
35.进一步，步骤s3包括
36.通过阀门开启将第一混合罐内少量气体排入至定量罐中，可计算罐内气体的总放射性活度，定量罐中的放射性总活度记为a2；a2的值通过如下公式进行计算得到：式中：a2为定量罐中放射性总活度；a1为一级稀释后第一混合罐罐内气体的放射性体积活度，v4为定量罐的体积，p
21
为定量罐未注入气体时的压力，p
22
为定量罐注入气体后的压力，p0为标准大气压。
37.进一步，步骤s4包括
38.通过开启后续阀门，将定量罐内气体全部注入到配气装置第二混合罐内，补充氦气至第二混合罐至设计压力，作为对气源的二级稀释，二级稀释后第二混合罐内气体的放射性体积活度：式中：a3为二级稀释后第二混合罐内气体的放射性体积活度；a2为定量罐中放射性总活度；p0为标准大气压；v3为第二混合罐的体积，p3为第二混合罐稀释后的压力。
39.本发明的效果在于：采用本发明公开的一种可以制备不同活度浓度范围的t标准气制备装置，可将气源体积活度浓度降低8个数量级，丰度低至ppt级别，制备体积活度浓度区间为5.97
×
104bq/m
3-1.0
×
1014bq/m3，合成不确定度≤3％。同时能够对所配制的t标准气的活度浓度进行实验验证，保证了标准气源的准确性、可靠性以及配气装置的有效性，其可应用于以下方面：
40.(a)对辐射监测系统流气式电离室型监测仪进行测试、校准；(b)对便携式流气式电离室型监测仪进行测试、校准；(c)对工艺监视用流气式电离室型监测仪进行测试、校准；(d)可用于t取样器催化氧化效率验证实验；(e)可用于元素态t在氧气、空气中转化速率验证实验；(f)可用于元素态t对生物体生物效应影响的验证实验。
附图说明
41.图1为本发明所述一种超宽浓度放射性元素态t标准气制备装置的标准t气源取样装置示意框图；
42.图2为本发明所述一种超宽浓度放射性元素态t标准气制备装置的标准t标准气配制装置示意框图；
43.其中：1-工艺系统、2-针阀、3-针阀、4、第一取样管、5-针阀、6-针阀、7、第二取样管、8-针阀、9-针阀、10-压力表、11-针阀、12-真空泵、13-升降架、14-加热套件、15-贮氢合金罐、16-温度计、17-针阀、18-缓冲罐、19-针阀、20-温度计、21-第一压力表组件、22-针阀、23-针阀、24-针阀、25-针阀、26-针阀、27-针阀、28-真空计、29-定量罐、30-针阀、31-质量流量控制器、32-针阀、33-温度计、34-第二压力表组件、35-针阀、36-针阀、37-针阀、38-针阀、39-流量计、40-针阀、41-针阀、42-催化氧化床、43-冷却器、44-收集罐、45-标准气验证单元、46-第一混合罐、47-第二混合罐。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
45.如图1和图2所示，本发明提供了的元素态t标准气制备装置包括:气源制备及测定单元、一级稀释单元、定量单元、二级稀释单元、尾气收集单元、标准气验证单元。
46.(1)气源制备及测定单元，用于制备含t气源及测量含t气源活度浓度。
47.气源制备及测定单元包含电解净化子单元、工艺系统1、第一取样管4、第二取样管7、压力表10以及真空泵12。
48.电解净化子单元将重水反应堆慢化剂dto进行电解，电解为含t溶液，并将含t溶液中的杂质去除。
49.使用液体闪烁计数器分析电解槽内液体,t活度浓度，通过电解槽将dto电解得到含t气体，通过计算可得标准状况下t气体体积活度浓度a。如果计算得到的标准状况下t气体体积活度浓度太低，可以由工艺系统1对得到的标准状况下t气体进行富集浓缩，由工艺系统1将含t气源依次输送至串接的第一取样管4和第二取样管7，所述第一取样管4两端各接有针阀3、5，所述第二取样管7两端各接有针阀6、8，第一取样管4前端针阀3的进气侧另外接有一个针阀2，所述第一取样管4后端针阀5和第二取样管7的前端针阀6之间外接一个压力表10测量两个取样管中的压力，所述压力表10进气侧装有针阀9，所述压力表10的针阀9
进气侧与第二取样管7后端针阀8排气侧串接有针阀11，所述针阀11排气侧与第二取样管7后端针阀8排气侧汇总连接真空泵12，通过采用质谱仪测量分析第二取样管7中的t总活度即可知第一取样管4中的t活度a。
50.由真空泵12将取样装置系统抽真空，随后工艺气体或电解产生的气源依次流向第一取样管4和第二取样管7，当管路内部压力稳定后关闭两根取样管各自两端的阀门，通过质谱仪测量计算，得到第二取样管7中t气源的总放射性活度a。
51.气源制备及测定单元制备的t气体的总放射性活度浓度可通过质谱法和/或电解-液体闪烁计数法进行计算。通常采用电解-液体闪烁计数法对低放射性活度的气体进行测量，采用质谱法对高放射性活度的气体进行测量，能确保宽浓度范围内放射性活度的气体测量的准确性。由于事先不清楚所制备的t气体的总放射性活度浓度范围，所以通常采用电解-液体闪烁计数法分析电解槽内液体t活度浓度，通过电解槽将dto电解得到含t气体，通过计算可得标准状况下t气体体积活度浓度a。并且采用质谱仪测量分析第二取样管7中的t总活度即可知第一取样管4中的t活度a。根据采用两种方式测量得到的结果可知所制备的t气体的总放射性活度浓度范围，根据所制备的t气体的总放射性活度浓度范围确定将哪种方式测量得到的结果作为准确的活度浓度值a。
52.将第二取样管7中t气源的总放射性活度值记为a，单位为bq。
53.质谱法计算取样管中的放射性活度：
[0054][0055]
式中：
[0056]
a为第一取样管4内h-3活度，单位为bq；
[0057]
η为第一取样管4内h-3丰度，量纲为1；
[0058]
t0为标准温度，293.15k。
[0059]
p为第一取样管4压力，通过图1中压力表10测得，单位pa；
[0060]
v1为第一取样管4体积，单位m3；
[0061]
av为t2体积比活度，单位为bq/m3，数值为9.546
×
1016。
[0062]
t为第一取样管4气体温度，单位为k；
[0063]
p0为标准大气压，单位为pa，取值为101325pa；
[0064]
电解-液体闪烁计数法计算取样管中的放射性活度：
[0065][0066]
式中：
[0067]
a为第一取样管4内h-3活度，单位为bq；
[0068]
p为第一取样管4压力，通过图1中压力表10测得，单位pa；
[0069]
v1为第一取样管4体积，单位m3；
[0070]
m为重水d2o摩尔质量，20.0275g/mol；
[0071]
am为重水中h-3质量活度浓度，单位为bq/g；
[0072]
r为气体常数，8.314j/(mol
·
k)；
[0073]
t为第一取样管4气体温度，单位为k；
[0074]
(2)一级稀释单元：包括第一混合罐，所述第一混合罐上端配备有第一温度计20和第一压力表组件21，所述第一压力表组件21由真空计和压力变送器组成，可覆盖0.01pa-5mpa的压力范围，在0.01pa-0.1mpa时启用真空计，在0.1mpa-5mpa时启用压力变送器，在满足足够宽压力范围的同时保证测量数据的准确性。第一混合罐46顶端接有针阀22，所述针阀22通过三通连接针阀23和24，分别作为载气的进气口和一级稀释气的排气口。
[0075]
由于所配标准气源分子质量为5-6，初步选用氮气、空气、氦气做为载气。氦气与dt、t2分子质量、速率分布较为接近，而且氦气是无毒无害惰性气体，不会与dt、t2发生相互作用，因此在本实施例中选用氦气做为载气。
[0076]
将第一取样管4的气体全部排入至第一混合罐46，再将氦气载气通过针阀23注入第一混合罐至设计压力，作为对第一取样管4中t气源的一级稀释。
[0077]
一级稀释后第一混合罐内气体的放射性体积活度记为a1，a1的值通过如下公式进行计算得到：
[0078][0079]
式中：
[0080]
a1为一级稀释后第一混合罐内气体的放射性体积活度，单位bq/m3；
[0081]
a为第一取样管4内h-3活度，单位为bq；
[0082]
p0为标准大气压，单位为pa，取值为101325pa；
[0083]
v2为第一混合罐体积，在本实施例中第一混合罐的体积为20l；
[0084]
p1为第一混合罐稀释后压力。
[0085]
(3)定量单元：包括定量罐29，所述定量罐29上端装有真空计28，用以测量定量罐29内气体的压力，进而计算分析罐内的总放射性活度。第一混合罐与定量罐29之间串接针阀25、26，通过所述两个针阀的的阀门开合手动调节可以控制定量罐中的压力逐渐接近设计压力。所述针阀26排气侧与针阀27并接，27针阀排气口为外界，可作为装置清洗气的排气口，避免一二级稀释单元交叉污染。
[0086]
通过阀门开启将第一混合罐46内少量气体排入至定量罐29中，可计算罐内气体的总放射性活度。
[0087]
定量罐29中的放射性总活度记为a2
[0088][0089]
式中：
[0090]
a2为定量罐中放射性总活度，单位bq；
[0091]
a1为一级稀释后第一混合罐罐内气体的放射性体积活度，单位bq/m3；
[0092]
v4为定量罐29的体积，在本实施例中选用体积为100ml的定量罐；
[0093]
p21为定量罐29未注入气体时的压力；
[0094]
p22为定量罐29注入气体后的压力；
[0095]
p0为标准大气压，单位为pa，取值为101325pa。
[0096]
(4)二级稀释单元：包括第二混合罐47，所述第二混合罐47上端装的第二温度计31和第二压力表组件34，所述第二压力表组件34与所述第一压力表组件21构成完全相同。第二混合罐罐顶端接有针阀35，所述针阀35通过三通连接针阀36和37，分别作为载气的进气口和二级稀释气的排气口。所述定量罐29与第二混合罐47之间依次串接针阀30和32，所述两个针阀30和32之间接有质量流量控制器31，用以计算定量罐29进入第二混合罐的气体累积流量。
[0097]
通过开启后续阀门，将定量罐29内气体全部注入到配气装置第二混合罐内，补充氦气至第二混合罐至设计压力，作为对气源的二级稀释。
[0098]
二级稀释后第二混合罐内气体的放射性体积活度：
[0099][0100]
式中：
[0101]
a3为二级稀释后第二混合罐内气体的放射性体积活度，单位bq/m3；
[0102]
a2为定量罐29中放射性总活度，单位bq；
[0103]
p0为标准大气压，单位为pa，取值为101325pa；
[0104]
v3为第二混合罐的体积，在本实施例中，第二混合罐的体积为20l；
[0105]
p3为第二混合罐稀释后的压力。
[0106]
(5)尾气收集单元：包括贮氢合金罐15，所述贮氢合金罐15外包加热套件14并置于升降架13上，其上端装和针阀17以及温度计16，以显示加热温度，所述贮氢合金罐15进气侧依次串接针阀17、缓冲罐18和针阀19，所述针阀19进气侧与第一混合罐连接。在本实施例中以所述尾气收集单元与所述第一混合罐连接进行具体说明，但对此不作限定，尾气收集单元也可以与第二混合罐连接，该尾气收集单元可以在第一混合罐和/或第二混合罐使用完毕后对第一混合罐和/或第二混合罐内的剩余标气进行收集和贮存，减少了尾气的排放，保护了环境和操作人员的健康。第一混合罐和/或第二混合罐再次使用时通过加热贮氢合金罐15的方法即可重新释放存储的标气获取原始的t气源品质。
[0107]
(6)标准气验证单元：所述标准气验证单元外接第二混合罐，所述标准气验证单元包括依次串接的流量计39、针阀40、催化氧化床42，冷却器43以及收集罐44，其中所述针阀和催化氧化床之间外接针阀41，用以作为催化氧化所需氧气的进气口。由于管路对放射性气体会存在吸附，因此第二混合罐内气体的放射性体积活度与通过上式计算得到的a3之间存在偏差，通过标准气验证单元对第二混合罐中的气体的放射性体积活度进行计算，可以得到由于管路气体吸附给气体稀释带来的浓度偏差，并据此对偏差进行修正。
[0108]
阀门38排气侧接有催化氧化床42，可通过催化氧化的方式验证所配制气体的活度浓度，也可对尾气进行收集处理，保护环境。
[0109]
通过上述实施例可以看出，本发明公开的一种宽浓度放射性元素态t标准气源配置装置及其方法，能够配备量程范围广、测量精度高的t标准气，同时能够对所制备的t标准气的活度浓度进行实验验证，保证了标准气的准确性、可靠性以及配气装置的有效性，同时提供了尾气收集和处理装置，减少了废气的排放量。
[0110]
同时，制备的标准气可用于不同型号类型的流气式电离室的测试、校准；t取样器
催化氧化效率的验证；元素态t在氧气、空气中转化速率的实验验证；元素态t对生物体生物效应影响的验证实验。
[0111]
此装置标准气源现配现用，保证气源活度的准确性，减少装置管路中的记忆效应，同时还减少从工艺取样的风险和工作量。
[0112]
装置中连接管道均为ep级不锈钢管道，管路及罐体采用电镀工艺处理形成一层氧化铬膜，装置设计完成后配制标准气源前采用同位素h、d气体对其进行喂养，降低装置对其吸附，减少后期的对标准气源的影响。
[0113]
一、二级稀释单元分别可以配制不同量级的t标准气，可单独作为高中低活度浓度气源使用，满足不同规格仪器设备和试验需求。一、二级稀释单元分别设有各自的尾气排放口，避免了一级稀释单元尾气对后端装置放射性交叉污染，一旦交叉污染后端装置可能无法再次使用。
[0114]
装置使用完成并进行尾气收集后，对其进行清洗，依次用干燥的空气和氢气进行吹扫，降低残余气源记忆效应，提高装置再次配气的精确度。
[0115]
第一混合罐以及第二混合罐排气口方向朝上，防止形成死体积，导致清洗不干净。第一混合罐以及第二混合罐内部分进气管钻孔，呈螺旋排布，使罐内气体混合更加均匀，同时清洗时更彻底。
[0116]
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。