CN103742783B - 具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置，包括温度测量单元、自动控制单元和液氮加灌单元；自动控制单元包括220V电源、启动按钮、交流接触器、温度控制器、电磁阀；电磁阀安装于液氮泵的排气管处，电磁阀的两个输入端分别通过交流接触器的KM2触点和KM3触点接220V电源的L相和N相；电磁阀在KM2触点和KM3触点的输出电压接通时为关闭状态，电压断开时处于打开状态。本发明具有温度监测和杜瓦罐内液氮加灌溢满时液氮泵自动停止功能，且在温度高于设定的阈值时，自动控制单元具有不可逆性，实现了液氮加灌过程中无人值守的功能。

Description

具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置

技术领域

本分明属于核辐射高纯锗(HPGe)γ能谱探测器维护技术领域，具体涉及到一种具有自动停止功能便携式HPGe探测器液氮加灌装置。

背景技术

高纯锗(HPGe)探测器由于具有良好的能量分辨率等特性，已被广泛应用于科学研究、工农业生产和环境放射性等领域的γ能谱测试中。由于锗晶体的禁带宽度较低，为了降低分子热运动产生的漏电流噪声，液氮常作为导冷剂为HPGe探测器的正常工作提供所需的低温环境，因此定期向HPGe探测器的杜瓦罐内补充液氮是一项必不可少的常规工作。液氮从运输周转容器通过加灌装置输送到杜瓦罐内，在杜瓦罐充满液氮时，为防止杜瓦罐内喷溢出的液氮损伤探测器的控制和信号传输电缆，同时为较少液氮的浪费，需人员现场值守及时关闭加灌装置，因此一般每周的液氮加灌定期例行工作比较浪费人力，特别是当较多HPGe探测器放置于不同房间的情形。

HPGe探测器加灌液氮的常见方法有：手动倾倒、增压式方法和自动控制的方法。手动倾倒的方法是将液氮从周转罐中倾倒一开放式漏斗再注入杜瓦罐内，因此该方法劳动强度大，在倾倒和注入过程中液氮的蒸发损耗较大，且飞溅出的液氮可能对操作人员造成损伤。增压式方法常通过自增压容器或加压的方法实现液氮的转移，自增压容器成本较高，且首先需将液氮从运输周转罐内转移至其内，因此劳动强度和液氮损耗均较大。加压的方法是通过人力、电加热和气泵增压的方式使运输周转罐内的液氮增压。人力增压是通过手捏吸球或脚踩踏板的方式来加灌液氮，效率较低，工作强度大；电加热的方法是采用电烙铁芯等加热器件通电使液氮汽化的方式实现增压，加热器件需浸泡于液氮中加热，因此加热器件及其连线容易损坏，需定期维修或替换。同时加热器件的功率需选择合适，功率较小时，则注满液氮的时间较长；功率过大，则注满后运输罐内的余热使液氮继续排出造成的浪费较大。气泵增压的方式需净化压缩空气中凝聚的水汽和油蒸汽，水汽容易凝结成冰而造成加灌管路的堵塞，油蒸汽可对使探测器的冷指造成污染。

目前HPGe探测器加灌液氮方法的相关报道有：

(1)专利申请公布号CN102661484A是将一个或多个温度传感器置于液氮容器内监测液氮液位变化的温度，为高温超导线圈持续提供低温。温度传感器置于杜瓦罐内，其连线处于低温的环境因而容易损坏。HPGe探测器与杜瓦罐通过密封圈实现密封，因此需在密封圈开孔引出温度传感器的连线。若温度传感器固定于杜瓦罐的内壁，更换温度传感器时需将HPGe探测器从杜瓦罐中拔出，且必须使HPGe探测器在室温下回温后才能再次插入杜瓦罐中，待HPGe探测器彻底冷却后方能工作，这一过程大约需要24小时左右，另外杜瓦罐口部的内径为60mm，因此不便操作将温度传感器固定于杜瓦罐内壁。若温度传感器通过密封圈悬吊于杜瓦罐内，则温度传感器距离液氮加灌管的最远距离为30mm，在液氮加灌过程中温度易于变动而可能引起控制器误判；连线损坏也可能导致温度传感器掉于杜瓦罐底部，取出比较麻烦。因此对于HPGe探测器，温度传感器不适合布放于杜瓦罐内。

(2)文献“高纯锗探测器液氮自动补给系统研制”(马瑞刚等，原子能科学技术，2006年第40卷第1期)是通过锗探测器真空室内自带的热敏电阻、置于杜瓦内的温度传感器或热敏电阻与信号调理控制电路配合实现监测锗晶体的温度以确定是否向杜瓦罐内补给液氮。由于热敏电阻输出的电压信号与温度成非线性关系，需对每一个探测器进行标定；温度传感器置于杜瓦内，存在更换比较费时费力等不便因素；HPGe探测器在加载高压运行过程中，若液氮出现不足温度上升时，温度保护电路自动卸载高压以保护探测器免受损伤，因此热敏电阻与信号调理电路配合的方法是剔除了探测器温度保护电路功能，对探测器的安全运行存有隐患。另外这种与“杜瓦液氮瓶自动灌装系统的研制”(张向阳等，原子能科学技术，2006年第40卷增刊)的液氮自动补给系统适用于多个就近布放的探测器阵列自动加灌液氮，因此需要一个大容量的液氮储罐，且首先应定期向储罐中补充液氮，不适用于多个探测器放置于不同实验室的情形，否则由于管路太长造成加灌时间长和液氮的浪费。

为保障HPGe探测器在测量样品的放射性γ能谱过程中避免麦克风效应，一般需每周定期加灌液氮，且在加灌过程和加灌完毕后的一段时间内，停止测量。因此上述的液氮加灌方法中，不适用于存放于不同实验室HPGe探测器无人员现场值守的液氮加灌。

发明内容

本发明设计了一种具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置，适用于较多HPGe探测器放置于不同实验房间内的例行液氮加灌，解决了液氮加灌过程中人员现场值守的技术问题。

本发明解决其技术难题所采用的技术方案是：

一种具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置，其特殊之处在于：

包括温度测量单元、自动控制单元和液氮加灌单元；

所述自动控制单元包括220V电源、启动按钮3、交流接触器、温度控制器7、电磁阀14；

所述电磁阀14安装于液氮泵30的排液管34处，所述电磁阀14的两个输入端分别通过交流接触器的KM2触点10和KM3触点11接220V电源的L相1和N相2；所述电磁阀14在KM2触点10和KM3触点11的输出电压接通时为关闭状态，电压断开时处于打开状态；

所述温度控制器7的输出电压的L相9通过交流接触器的KM1触点6后连接至交流接触器KM线圈5的一端，所述交流接触器KM线圈5的另一端连接至220V电源的N相2；

所述启动按钮3两端分别接交流接触器的KM1触点6的两端；

所述220V电源L相1和N相2分别接温度控制器7的电源输入端，

所述温度测量单元包括Pt100铂电阻传感器8；

所述Pt100铂电阻传感器8安装于HPGe探测器杜瓦罐40的排气管42处，其输出端与温度控制器7连接；

所述液氮加灌单元包括液氮运输容器20、空气压缩机12、油水分离器13和液氮泵30组成；

所述空气压缩机12的工作电源分别通过交流接触器的KM2触点10和KM3触点11接220V电源L相1和N相2；

所述空气压缩机12的压缩空气通过油水分离器13后进入液氮运输罐20内；

所述液氮泵30用于将液氮运输容器20内的液氮输送至高纯锗探测器的杜瓦罐40内。

上述液氮泵30包括上端圆柱内径大于上端圆柱内径的中空圆柱形壳体35、垂直错位设置在壳体35外表面两侧的充气管33和排液管34、同轴设置在壳体35中心且直插于液氮运输容器20底部的液氮输运管38、外套于液氮输运管38管口的乳胶软管39，所述壳体35的上端圆柱顶部外侧面设置有上密封装置，所述壳体35的下端圆柱底面设置有密封液氮运输容器20的开口部的下密封装置；所述壳体35的下端圆柱的端面设置有倒角结构。

上述上密封装置包括密封螺栓31、O型密封圈Ⅰ32，所述O型密封圈Ⅰ32设置在密封螺栓31和壳体35的上端圆柱端面之间，所述固定螺栓31设置在壳体35的上端圆柱外表面端用于压紧O型密封圈Ⅰ32；所述下密封装置包括密封器件36、固定把手37和O型密封圈Ⅱ32-2，所述密封器件36为外套于壳体35下端圆柱外表面的中空圆柱，所述密封器件36的上端面为楔形斜面结构，所述固定把手37之一设置在壳体35下部外表面且高度与密封器件36上端斜面的顶点一致，所述固定把手37之二设置在密封器件36的外表面，所述密封器件36和固定把手37用于压紧O型密封圈Ⅱ32-2。

本发明的优点是：

1、本发明采用Pt100铂电阻传感器、温度控制器、启动按钮和交流接触器构成自动控制单元，具有温度监测和杜瓦罐内液氮加灌溢满时液氮泵自动停止功能，且在温度高于设定的阈值时，自动控制单元具有不可逆性，实现了液氮加灌过程中无人值守的功能。

2、本发明采用无油润滑式空气压缩机和油水分离器实现分离净化压缩空气。

3、本发明设计的电磁阀在液氮加灌过程和加灌完毕后具有自动开闭的功能。

4、本发明设计的液氮泵可实现液氮从运输容器加灌至杜瓦罐内，且在加灌过程中，充气管和排液管不易堵塞，通过简洁操作密封装置实现密封固定。

5、本发明设计的液氮加灌装置结构紧凑，连接便利，具有便携式的特点。

附图说明

图1是HPGe探测器液氮加灌装置结构示意图；

图2是液氮泵结构示意图；

附图标记如下：1－220V电源L相，2－220V电源N相，3－启动按钮，4-铁芯，5－KM线圈，6－KM1触点，7－温度控制器，8－Pt100铂电阻传感器，9－温度控制器输出电源L相，10－KM2触点，11－KM3触点，12－空气压缩机，13－油水分离器，14－电磁阀；20－液氮运输容器；30－液氮泵，31－密封螺栓，32－O型密封圈Ⅰ，32-2－O型密封圈Ⅱ，33－充气管，34－排液管，35－壳体，36－密封器件，37－固定把手，38－液氮输运管，39－乳胶软管；40－杜瓦罐，41－液氮加灌管，42－排气管，43－密封圈；50－高纯锗探测器。

具体实施方式

一种具有自动停止功能便携式的HPGe探测器液氮加灌装置，由自动控制、温度测量和液氮加灌三个单元组成；

自动控制单元由220V电源L相1、220V电源N相2、启动按钮3、铁芯4、KM线圈5、KM1触点6、KM2触点10、KM3触点11和电磁阀14组成，实现液氮加灌、溢满时自动停止和电磁阀开闭功能；

温度测量单元由Pt100铂电阻传感器8和温度控制器7组成，实现杜瓦罐排气管处温度的监测和交流接触器工作电压的切断功能；

加灌单元由空气压缩机12、油水分离器13和液氮泵30组成，实现液氮的加灌功能。

如图1所示，铁芯4、KM线圈5、KM1触点6、KM2触点10和KM3触点11构成了交流接触器(图1虚线所示)。KM线圈5的A1端子与220V电源的N相2连接，A2端子与启动按钮3连接，温度控制器7输出电压的L相9与启动按钮3的一端连接，利用交流接触器的触点可开闭电路，实现远距离接通和分断电路。

温度控制器7的输出电压的L相9也与KM1触点6的输出连接，按下启动按钮3后，交流接触器接通，KM1触点6闭合，KM线圈5的A2端子也与KM1触点6连接，实现交流接触器自锁功能，在启动按钮3断开时，由于闭合的触点接通，交流接触器继续维持启动状态，空气压缩机12的工作电源仍处于接通状态。

在向杜瓦罐40内加灌液氮的过程中，从排气管42排出液氮蒸汽的最低温度为-130℃，液氮加满时，排气管42排出液氮，排气管42处的温度瞬间由-130℃降为-196℃。由于液氮蒸汽和液氮的温度相差较大，且铂电阻具有精度高、稳定性好和性能可靠等特点，因此铂电阻温度传感器8安装于排气管42处监测此处的温度变化，在温度控制器7内设置温度阈值为-130℃。温度传感器选用Pt100铂电阻8，与温度控制器7组成了-200℃～+50℃的温度测量范围。

当Pt100铂电阻传感器8监测杜瓦罐排气管处42的温度高于温度控制器7中的预设值时，温度控制器7输出电压的L相9接通，温度低于阈值时，切断L相9的输出；

交流接触器的工作原理是：在220V电源的L相1、N相2供电时，温度控制器7接通，铂电阻温度传感器8测量的是环境温度，温度控制器7的输出电压L相9接通。加灌液氮时，按下启动按钮3，交流接触器的KM线圈5通电，铁芯4产生电磁吸力，吸合触点闭合，从而接通电源，使常开触点(KM1触点6、KM2触点10和KM3触点11)同时闭合，KM2触点10和KM3触点11的输出电压接通，提供了空气压缩机12和电磁阀14的工作电源。

空气压缩机12工作使液氮运输容器20内部增压，液氮通过液氮泵30加灌至杜瓦罐40内。电磁阀14安装于液氮泵30的排液管34处，常开型工作原理，在220V的工作电源接通即加灌液氮过程中，电磁阀14关闭。

当HPGe探测器杜瓦罐40内的液氮从排气管42溢出时，Pt100铂电阻传感器8监测的温度低于阈值-130℃时，温度控制器7的L相9输出切断，KM线圈5断电，铁芯4的电磁吸力消失，使触点断开，KM2触点10和KM3触点11的电压输出中断，切断了空气压缩机12和电磁阀14的工作电源，空气压缩机12停止工作，液氮停止加灌，同时电磁阀14打开，使液氮运输容器20剩余的压力压出的液氮从液氮泵的排液管34排出，不再向杜瓦罐40输送液氮，以防止过多溢出的液氮损伤探测器的控制和信号传输电缆，并较少液氮的浪费。

当杜瓦罐40的排气管42处温度高于阈值-130℃时，温度控制器7的输出电压L相9再次接通，在启动按钮3不再按下时，交流接触器的触点断开，空气压缩机12的电源仍处于断开状态，不恢复向杜瓦罐40内再次加灌液氮，因此在液氮加灌时，仅需按下启动按钮3即可实现无人值守；

为了防止压缩空气中凝聚的油气和水分进入杜瓦罐污染HPGe探测器或使液氮输送管路冻结堵塞管路，空气压缩机12选择无油润滑式空气压缩机，且在空气压缩机12的出气口处安装了油水分离器13，压缩空气进入油水分离器的壳体后，气流受隔板阻挡撞击，产生环形回转，使水滴在离心力和惯性力的作用下，从空气中分离析出并沉降在壳体底部，实现分离净化压缩空气，使干燥清洁的气体从油水分离器13的出口排出输送到液氮运输罐20内，增压后液氮通过液氮泵30的液氮输运管38和液氮加灌管41输送到杜瓦罐40内。因此无油润滑式的空气压缩机12和油水分离器13实现压缩空气中的水汽得到分离净化。

如图1所示，液氮泵30由密封螺栓31、O型密封圈Ⅰ32、充气管33、排液管34、壳体35、密封器件36、固定把手37、液氮输运管38和乳胶软管39构成(图2所示)。

在壳体35的上端圆柱外表面设置有与密封螺栓31匹配的螺纹，上端圆柱的上表面设置有O型密封圈Ⅰ32，通过旋紧固定螺栓31压紧O型密封圈Ⅰ32实现壳体35与液氮输运管38的密封固定。

密封器件36为中空圆柱外套于壳体35下部圆柱的外表面，且密封器件36的上端面为螺旋斜面结构；固定把手37之一设置在壳体35下部外表面且高度与密封器件36上端斜面的顶点一致，另一固定把手37设置在密封器件36的外表面。通过旋紧两个固定把手37，使密封器件36压紧O型密封圈Ⅱ32-2，O型密封圈Ⅱ32-2选择硅橡胶材质，在低温下具有良好的密封性能。因此可方便快捷实现液氮泵30与液氮运输容器20的开口部之间的密封。

壳体35为上端部内径大于下端部内径的中孔圆柱体结构，充气管33和排液管34与壳体35的上部圆柱外表面两侧的开孔处连接，长度不深入至壳体35的内表面，且在垂直方向上错位设计，这种结构可避免加灌过程中液氮与环境热交换在液氮输运管38外表面凝结的霜汽结冰而堵塞充气管33和排液管34。

壳体35的下端圆面为倒角结构，方便液氮泵30与从液氮运输容器20内拆卸。

充气管33在壳体35的内表面不外露，液氮输运管38与壳体35的中心同轴设置且直插于液氮运输容器20底部，这种设计使压缩空气从液氮运输容器20的液氮液面上部增压，保障液氮液面下降后运输容器20中的液氮仍能连续从液氮输运38管输送出。

乳胶软管39的一端外套于液氮输运管排出口处，另一段套于杜瓦罐40的液氮加灌管41外表面，实现液氮从液氮运输容器20输送至杜瓦罐40内。

自动控制单元安装于一控制箱内，空气压缩机12和电磁阀14的电源可插于控制箱面板的插座，在每个HPGe探测器杜瓦罐40的排气管42处均安装Pt100铂电阻传感器8，与温度控制器7的连线为插拔快接头连接方式，因此轻便快捷，具有便携的特点。

本发明具体工作过程：

1、将液氮泵30插入液氮运输容器20内旋转固定把手37实现密封固定，将液氮输送管38与杜瓦罐的液氮加灌管41通过乳胶软管39连接；

2、将Pt100铂电阻传感器8与温度控制器的7快插头连接；

3、将空气压缩机12和电磁阀14的电源分别插预控制箱后面板交流接触器KM2触点10和KM3触点11的输出插座；

4、接通220V电源L相1、N相2；

5、手动按下启动按钮3；

6、液氮开始加灌直至溢满时自动停止加灌。

Claims (3)

1.一种具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置，其特征在于：

包括温度测量单元、自动控制单元和液氮加灌单元；

所述自动控制单元包括220V电源、启动按钮(3)、交流接触器、温度控制器(7)、电磁阀(14)；

所述电磁阀(14)安装于液氮泵(30)的排液管(34)处，所述电磁阀(14)的两个输入端分别通过交流接触器的KM2触点(10)和KM3触点(11)接220V电源的L相(1)和N相(2)；所述电磁阀(14)在KM2触点(10)和KM3触点(11)的输出电压接通时为关闭状态，电压断开时处于打开状态；

所述温度控制器(7)的输出电压的L相(9)通过交流接触器的KM1触点(6)后连接至交流接触器KM线圈(5)的一端，所述交流接触器KM线圈(5)的另一端连接至220V电源的N相(2)；

所述启动按钮(3)两端分别接交流接触器的KM1触点(6)的两端；

所述220V电源L相(1)和N相(2)分别接温度控制器(7)的电源输入端，

所述温度测量单元包括Pt100铂电阻传感器(8)；

所述Pt100铂电阻传感器(8)安装于HPGe探测器杜瓦罐(40)的排气管(42)处，其输出端与温度控制器(7)连接；

所述液氮加灌单元包括液氮运输容器(20)、空气压缩机(12)、油水分离器(13)和液氮泵(30)组成；

所述空气压缩机(12)的工作电源分别通过交流接触器的KM2触点(10)和KM3触点(11)接220V电源L相(1)和N相(2)；

所述空气压缩机(12)的压缩空气通过油水分离器(13)后进入液氮运输容器(20)内；

所述液氮泵(30)用于将液氮运输容器(20)内的液氮输送至高纯锗探测器的杜瓦罐(40)内。

2.根据权利要求1所述的具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置，其特征在于：所述液氮泵(30)包括上端圆柱内径大于上端圆柱内径的中空圆柱形壳体(35)、垂直错位设置在壳体(35)外表面两侧的充气管(33)和排液管(34)、同轴设置在壳体(35)中心且直插于液氮运输容器(20)底部的液氮输运管(38)、外套于液氮输运管(38)管口的乳胶软管(39)，所述壳体(35)的上端圆柱顶部外侧面设置有上密封装置，所述壳体(35)的下端圆柱底面设置有密封液氮运输容器(20)的开口部的下密封装置；所述壳体(35)的下端圆柱的端面设置有倒角结构。

3.根据权利要求2所述的具有自动停止功能便携式高纯锗探测器液氮加灌装置，其特征在于：所述上密封装置包括密封螺栓(31)、O型密封圈Ⅰ(32)，所述O型密封圈Ⅰ(32)设置在密封螺栓(31)和壳体(35)的上端圆柱端面之间，所述密封螺栓(31)设置在壳体(35)的上端圆柱外表面端用于压紧O型密封圈Ⅰ(32)；所述下密封装置包括密封器件(36)、固定把手(37)和O型密封圈Ⅱ(32-2)，所述密封器件(36)为外套于壳体(35)下端圆柱外表面的中空圆柱，所述密封器件(36)的上端面为楔形斜面结构，所述固定把手(37)之一设置在壳体(35)下部外表面且高度与密封器件(36)上端斜面的顶点一致，所述固定把手(37)之二设置在密封器件(36)的外表面，所述密封器件(36)和固定把手(37)用于压紧O型密封圈Ⅱ(32-2)。