CN106770458A - 氚气含氚量测量装置及方法 - Google Patents

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CN106770458A CN201710126975.2A CN201710126975A CN106770458A CN 106770458 A CN106770458 A CN 106770458A CN 201710126975 A CN201710126975 A CN 201710126975A CN 106770458 A CN106770458 A CN 106770458A
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Abstract

本发明涉及放射性物质含量测量技术领域，旨在解决现有技术中氚气含氚量测量受环境影响大、测量精度低的问题，提供一种氚气含氚量测量装置，其包括具有空腔的温控结构，分别设置于空腔中且均为中空结构的第一恒温体和第二恒温体。第一恒温体中设有用于容纳氚气的样品室。第二恒温体中设有用于容纳对照物的对照室。测量装置还设有测量电路和校核热源，测量电路包括由分别设置于样品室和对照室上的若干热敏元件相互电连接形成的热电单元。本发明还提供一种基于上述测量装置的氚气含氚量测量方法。本发明的有益效果是受环境影响小，测量精度高，满足工业需求。

Description

氚气含氚量测量装置及方法
技术领域
本发明涉及放射性物质含量测量技术领域，具体而言，涉及一种氚气含氚量测量装置。本发明还涉及一种氚气含氚量测量方法。
背景技术
氚是氢的同位素之一，具有放射性。氚进入人体后会对人体器官造成严重的伤害。氚含量的测量是氚的处理过程中一个不可或缺的环节。
然而现有技术中的氚含量测量方法得出的精度低且测量结果不稳定。
发明内容
本发明旨在提供一种氚气含氚量测量装置，以解决现有技术中的氚气含氚量测量精度低的问题。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述氚气含氚量测量装置的氚气含氚量测量方法，以解决现有技术中的氚气含氚量测量精度低的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
一种氚气含氚量测量装置，该测量装置包括具有空腔的温控结构，分别设置于空腔中且均为中空结构的第一恒温体和第二恒温体。第一恒温体中设有用于容纳氚气的样品室。第二恒温体中设有用于容纳对照物的对照室。测量装置还设有测量电路，测量电路包括由分别设置于样品室和对照室上的若干热敏元件相互电连接形成的热电单元。
进一步地：
热敏元件为帕尔贴，设置于样品室上的热敏元件与设置于对照室上热敏元件串联形成热电单元。
进一步地：
样品室和对照室均由铝构成，其内表面设有金镀层。
进一步地：
样品室通过第一吊杆悬空吊挂于第一恒温体之中；对照室通过第二吊杆悬空吊挂于第二恒温体之中。
进一步地：
测量装置还包括通入样品室的氚气加注系统，样品室中设有用于贮存氚气的贮氚体。
进一步地：
温控结构包括温控箱和设置于温控箱中的真空箱。
真空箱通过第一支撑件支撑于温控箱内的底面。
第一恒温体和第二恒温体设置于真空箱中。
进一步地：
测量装置还包括抽真空结构。
抽真空结构包括分子泵和油封真空泵。
分子泵连通真空箱，油封真空泵连接分子泵。
进一步地：
第一恒温体和第二恒温体分别通过第二支撑件和第三支撑件支撑于真空箱的内侧底面。
进一步地：
样品室的外表面与第一恒温体的内表面之间的间距处处相等。
一种氚气含氚量测量方法，该测量方法基于上述氚气含氚量测量装置。该测量方法包括以下步骤：
温度设置步骤：启动温控结构，并设置控制温度；
氚气样品及对照物添加步骤：向样品室中加入定量的氚气，向对照室中加入等量的对照物；
测量步骤：用测量电路测量热电单元的电学参数；
计算步骤：通过测量步骤的测量结构计算出氚气样品中的含氚量。
一种氚气含氚量测量装置，该测量装置包括具有空腔的温控结构，分别设置于空腔中且均为中空结构的第一恒温体和第二恒温体。第一恒温体中设有用于容纳氚气的样品室。第二恒温体中设有用于容纳对照物的对照室。测量装置还设有测量电路，测量电路包括由分别设置于样品室和对照室上的若干热敏元件相互电连接形成的热电单元。
综上所述，本实施例中的氚气含氚量测量装置通过温控结构精确控制测量的空腔中的温度，使得其中的第一恒温体和第二恒温体能够保持恒定的温度，样品室中加入的含氚气体辐射放热与温度恒定的第一恒温体之间形成稳定均匀的热场，对照组与第二恒温体之间的热场相当于样品室与第一恒温体之间在含氚样品未放热时的测得值，通过具有由分别设置于样品室和对照室上的若干热敏元件相互电连接形成热电单元的测量电路，可消去其他干扰因素的影响，测得仅由于含氚样品放热带来的影响，可精确地得出含氚样品的放热的功率，进而获得精确的氚含量。
本实施例中的氚气含氚量测量方法因基于上述氚气含氚量装置，同样具有测量精度高的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例一中的氚气含氚量测量装置的结构示意图；
图2是图1中的温控结构的结构示意图；
图3为本发明实施例一中的第一恒温体、样品室及校核热源的连接结构的结构示意图；
图4为本发明实施例一中的第二恒温体和对照室的连接结构的结构示意图；
图5为图1中的测量电路的结构示意图；
图6是图5的A处放大图；
图7是本发明实施例一中的氚气加注系统的结构示意图；
图8为本发明实施例二中的氚气含氚量测量方法的流程图；
图9为本发明实施例二中的热电单元两端的电压值U随放热功率变化的曲线图。
图标：010-测量装置；100-温控结构；101-空腔；110-温控箱；120-真空箱；130-第一支撑件；140-抽真空结构；141-分子泵；142-油封真空泵；143-真空计；200-第一恒温体；210-第二支撑件；300-第二恒温体；310-第三支撑件；400-样品室；410-第一吊杆；420-金镀层；430-贮氚体；500-对照室；510-第二吊杆；600-测量电路；610-热电单元；611-热敏元件；700-氚气加注系统；710-储气罐；720-通气管；730-开关阀；800-校核热源；810-加热电阻；820-加热电路；830-真空电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
图1为本实施例中的氚气含氚量测量装置010的结构示意图。请参照图1，本实施例中的测量装置010包括具有空腔101中的温控结构100，分别设置于空腔101中且均为中空结构的第一恒温体200和第二恒温体300。第一恒温体200中设有用于容纳氚气的样品室400，第二恒温体300中设有用于容纳对照物的对照室500。本实施例中的测量装置010还设有测量电路600和校核热源800。
图2是图1中的温控结构100的结构示意图。请参照图2，本实施例中的温控结构100包括温控箱110和设置于温控箱110中的真空箱120。真空箱120通过第一支撑件130支撑于温控箱110内的底面。真空箱120连通有抽真空结构140。抽真空结构140包括用于抽真空的分子泵141和油封真空泵142，以及用于测量真空度的真空计143。分子泵141连通真空箱120，油封真空泵142连接分子泵141。真空计143连通真空箱120，用于测量真空箱120的真空度。上述第一恒温体200和第二恒温体300设置于真空箱120中。
温控箱110的作用为保证内部温度恒定，使氚的测量时不会因为外界环境的温度变化而引入内部测量误差，本实施例优选地采用控温精度能达到0.1℃以上的温控箱110。
真空箱120可采用L不锈钢制作而成，并设置成上端开口的箱体和盖合箱体的箱盖通过螺栓和密封圈密封连接的结构。
真空箱120与外界的分子泵141(TMP)和油封真空泵142相连进行抽真空，使用真空计143进行测真空，其目的是进一步减少内部与外界的热交换。在实施例中，优选地将真空箱120的真空度设置为不高于100Pa。
第一支撑件130优选地采用隔热性能良好的材料，例如塑料制成，以减少内外的热交换，避免影响测量结果的准确性和精度。
图3为本实施例中的第一恒温体200、样品室400及校核热源800的连接结构的结构示意图。请参照图3，第一恒温体200为中空结构，样品室400通过第一吊杆410悬空吊挂于第一恒温体200之中。第一吊杆410采用隔热性能良好的材料制成，以减少内外热交换，确保测量精度。优选地，样品室400的外表面与第一恒温体200的内表面之间的间距处处相等，以使样品室400形成四周均匀的热场，有利于提高测量的精度。构成第一恒温体200的围壁的厚度处处一致，并且第一恒温体200采用吸热良好的铝制作而成。优选地，第一恒温体200应具有较大的厚度，以保证内部氚辐射的热散发出来被第一恒温体200吸收后第一恒温体200温度变化基本为零，以进一步能保证后面热电单元610的测量准确。事实上，由于每克氚的功率为0.324W，放热极少，且通常测量的氚为毫克级，其放热量对第一恒温体200温度的影响可忽略不计。
样品室400由铝材料构成，其内表面设有金镀层420。由于本实施例中的测量装置010在使用时，样品室400中的含氚样品在向外辐射时，主要由铝构成的样品室400的内壁受辐射可能被氧化而进行放热。该部分热量将会污染样品的辐射热场，影响测量结果的准确性。而金的性能稳定，在金镀层420的保护下受到辐射时不会发生氧化放热或其他吸热或放热的情况，确保测量的准确。样品室400中设有用于贮存氚气的贮氚体430，贮氚体430由按吸氢量计算得到的所需重量的吸氢材料构成。
本实施例中的氚气含氚量测量装置010还设有校核热源800。请继续参照图3，本实施例中的校核热源800包括设置于样品室400中的加热电阻810和与加热电阻810电连接的加热电路820，加热电路820可设置于温控结构100之外。本实施例中的校核热源800还包括两个贯穿样品室400的真空电极830，加热电阻810的两端分别连接于两个真空电极830位于样品室400中的连接端，加热电路820的两端分别连接两个真空电极830露在样品室400之外的连接端，从而构成用作校核热源800的电路。
图4为本实施例中的第二恒温体300和对照室500的连接结构的结构示意图。请参照图4，第二恒温体300和第一恒温体200结构、材料均相同，对照室500和样品室400的结构、材料也相同。对照室500通过第二吊杆510悬空吊挂于第一恒温体200之中，对照室500中设有与样品室400中的贮氚体430相同的结构。与第一吊杆410相同，第二吊杆510也采用隔热性能良好的材料制成，以减少内外热交换，确保测量精度。优选地，对照室500的外表面与第二恒温体300的内表面之间的间距处处相等，以使对照室500的布置与样品室400相同，减少影响因素。请再次参照图1，第一恒温体200和第二恒温体300分别通过第二支撑件210和第三支撑件310支撑于空腔101的底面上。
图5为图1中的测量电路600的结构示意图，图6为图5的A处放大图。请参照图5、图6，本实施例中的测量电路600包括由分别设置于样品室400和对照室500上的若干热敏元件611相互电连接形成的热电单元610。热敏元件611为帕尔贴。设置于样品室400上的热敏元件611与设置于对照室500上热敏元件611串联形成上述热电单元610。请结合参见图1，用于连接样品室400和对照室500上的热敏元件611的导线可通过分别设置在第一恒温体200和第二恒温体300上的孔洞穿出，在导线设置好后，可采用隔热材料封堵该孔洞。该孔洞优选地设置在第一恒温体200和第二恒温体300相对的一侧的侧壁上。测量电路600位于温控结构100之外的部分可通过设置在温控结构100上的通孔连接其内的热电单元610。热敏元件611可采用帕尔贴，该元件与热电偶工作原理一致，可直接将温度差转化为电压。本量热装置可采用多对热敏元件611串联而成构成热电单元610，例如超过两百对(为表达清晰，本实施例的附图5中只示出了数量较少的帕尔帖)，用于测量含氚样品在衰变所释放的功率。测量电路600还可包括与热电单元610电连接的直流放大器(图中未示出)，直流放大器可对热电单元610的输出电压进行放大，以提高测量电路600的灵敏度和测量的精度。经测试，本方案中热电单元610的灵敏度为52mV/K,分辨率为0.1MV，可测量的最小温度差为2×10-6K，测量结构的精度极高，满足工业需要。
图7是本实施例中的氚气加注系统700的结构示意图。请参照图7，测量装置010还包括通入样品室400的氚气加注系统700。氚气加注系统700包括储气罐710，通气管720和开关阀730。通气管720连通储气罐710和样品室400，开关阀730设置于通气管720上，用于控制通气管720的导通和隔断。请配合参见图1，通气管720和上述用于连接测量电路600位于温控结构100之外部分和测量电路600的热电单元610的导线可共用设置在温控结构100上的同一个孔，以尽可能地减少对温控结构100的破坏，确保温控的精度和测量结果不受环境温度影响，提高测量精度。请配合参见图1、图3，在本实施例中，通气管720可与第一吊杆410合为一体设置，即将第一吊杆410设置成空心管体，其一方面实现将样品室400吊挂于第一恒温结构，另一方面连通储气罐710和样品室400。为确保对照室500处的结构一致，第二吊杆510设置成与第一吊杆410相同的结构。
本实施例中的测量装置010在使用时，可先通过校核热源800对热电单元610两端的电压随其受到的热功率辐射的变化曲线，然后通过测量氚样品辐射时引起的热电单元610两端的电压值，再在上述变化曲线中得出该电压值对应的热辐射功率，记为氚样品的热辐射功率。最后可通过公式含氚量＝氚的热辐射功率/单位质量的氚的放热功率，算出样品中氚的含量。
综上所述，本实施例中的测量装置010至少具有以下有益效果：
1)本实施例中的样品室400与对照室500采用铝镀金的方式，既不影响含氚样品热功率向外部热电单元610的传递，也减少了铝部件表面氧化放热所引起的误差，样品室400与对照室500采用悬挂的方式设置，减少了因热传导而损失的氚放热，增加了测量精度；
2)使用热敏元件611串联而成的热电单元610相较传统的热电偶具有较高的灵敏度与分辨率，能更好测量温度变化，并且可直接以电压形式输出。本测量装置010中的热电单元610灵敏度和分辨率高，可测量温差精度低，因此可测量浓度低的含氚样品；
3)本实施例中的温控结构100通过温控箱110精确控制温度，再用真空箱120隔绝环境温度影响，能够使得内部的热场仅收含氚样品放热影响，从而避免环境干扰因素对测量结果的影响，确保测量的精度。
实施例二
本实施例提供一种氚气含氚量测量方法，该测量方法基于实施例一中所描述的氚气含氚量测量装置010。请参照图8，该测量方法包括以下步骤：
温度设置步骤：启动温控结构100，并设置和保持温控结构100内部温度恒定；
校核步骤：取一系列大小不同的放热功率值W，依次调节校核热源800的放热功率的大小等于上述放热功率，并记录测量电路600测量得到的热电单元610两端的电压值U；然后绘制热电单元610两端的电压值U随放热功率变化的曲线U-W；该曲线图请参见图9；
氚气样品氚放热功率求取步骤：向样品室400中加入定量的氚气，向对照室500中加入等量的对照物；记录测量电路600所示的热电单元610两端的电压值稳定时的电压值U2，并在校核步骤中获得的U-W曲线中找出电压值U2对应的放热功率的值W2；
氚含量计算步骤：根据氚气样品氚放热功率求取步骤的结果，通过公式m＝W2/K计算氚气样品中氚的含量；式中：m为样品中氚的含量，K为单位质量的氚的放热功率值,一般可取K＝0.324W/g。
本实施例中的氚气含氚量测量方法基于实施例一中氚气含氚量测量装置010，因此也具有测量精度高的有益效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述测量装置包括具有空腔的温控结构，分别设置于所述空腔中且均为中空结构的第一恒温体和第二恒温体；
所述第一恒温体中设有用于容纳氚气的样品室；
所述第二恒温体中设有用于容纳对照物的对照室；
所述测量装置还设有测量电路，所述测量电路包括由分别设置于所述样品室和所述对照室上的若干热敏元件相互电连接形成的热电单元,以及与所述热电单元电连接并用于测量所述热电单元两端电压值的外接电路部分；
所述样品室中还设有能够调节其发热功率的校核热源。
2.根据权利要求1所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述热敏元件为帕尔贴，设置于所述样品室上的所述热敏元件与设置于所述对照室上所述热敏元件串联形成所述热电单元。
3.根据权利要求1所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述样品室和所述对照室均由铝构成，其内表面设有金镀层。
4.根据权利要求1所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述样品室通过第一吊杆悬空吊挂于所述第一恒温体之中；所述对照室通过第二吊杆悬空吊挂于所述第二恒温体之中。
5.根据权利要求1所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述测量装置还包括通入所述样品室的氚气加注系统，所述样品室中设有用于贮存氚气的贮氚体。
6.根据权利要求1-5任一项所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述温控结构包括温控箱和设置于所述温控箱中的真空箱；
所述真空箱通过第一支撑件支撑于所述温控箱内的底面；
所述第一恒温体和所述第二恒温体设置于所述真空箱中。
7.根据权利要求6所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述测量装置还包括抽真空结构；
所述抽真空结构包括分子泵和油封真空泵；
所述分子泵连通所述真空箱，所述油封真空泵连接所述分子泵。
8.根据权利要求6所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述第一恒温体和所述第二恒温体分别通过第二支撑件和第三支撑件支撑于所述真空箱的内侧底面。
9.根据权利要求1-5任一项所述的氚气含氚量测量装置，其特征在于：
所述校核热源包括设置于所述样品室中的加热电阻和与所述加热电阻电连接且能够控制所述加热电阻按设定的发热功率发热的加热电路。
10.一种氚气含氚量测量方法，其特征在于：
所述测量方法基于如权利要求1-9任一项所述的氚气含氚量测量装置，所述测量方法包括以下步骤：
温度设置步骤：启动所述温控结构，并设置和保持温控结构内部温度恒定；
校核步骤：取一系列大小不同的放热功率值W，依次调节所述校核热源的放热功率的大小等于上述放热功率，并记录所述测量电路测量得到的所述热电单元两端的电压值U；然后绘制所述热电单元两端的电压值U随放热功率变化的曲线U-W；
氚气样品氚放热功率求取步骤：向所述样品室中加入定量的氚气，向所述对照室中加入等量的对照物；记录所述测量电路所示的所述热电单元两端的电压值稳定时的电压值U2，并在所述校核步骤中获得的U-W曲线中找出电压值U2对应的放热功率的值W2；
氚含量计算步骤：根据所述氚气样品氚放热功率求取步骤的结果，通过公式m＝W2/K计算氚气样品中氚的含量；式中：m为样品中氚的含量，K为单位质量的氚的放热功率值。
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