CN107261972A - 一种氚气标准气的配制装置及配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于标准气体制备技术领域，涉及一种氚气标准气的配制装置及配制方法。所述的氚气标准气的配制装置包括甲烷原料气钢瓶、氮气原料气钢瓶、甲烷原料气输送管路、氮气原料气输送管路、初级稀释气输送管路、次级稀释气输送管路、气体输送主管路、气体输送旁路管路、压力表、氚发光管、金属套管、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶、分装气瓶、真空机组、阀门。利用本发明的氚气标准气的配制装置及配制方法，能够在更加准确的配制氚气标准气的基础上，减少配制过程中氚气放射性活度损失、向外界泄漏和对工作人员的辐射伤害，并提高配制氚气标准气的安全性。

Description

一种氚气标准气的配制装置及配制方法

技术领域

本发明属于标准气体制备技术领域，涉及一种氚气标准气的配制装置及配制方法。

背景技术

氚是氢的放射性同位素，是最大衰变能为18.6keV的纯β放射体，半衰期为12.35a。在线测量涉氚场所的氚浓度，对于工作人员、工作场所环境以及公众的辐射安全具有重要的意义。由于氚发射的β粒子的低能特性，探测方法复杂；空气中氚的实时监测仪表在测量过程中存在各种各样的影响因素；氚监测仪的校准目前误差较大，这些共同导致氚气活度量值无法准确获得。但解决氚气活度测量准确性问题的首要因素是优化氚气标准气体的制备方法和定值方法，从而确保氚气活度量值源头的有效和准确性。

《GB/T 7165.5-2008气态排出流(放射性)活度连续监测设备》(该标准源自国际标准IEC 60761-5：2002)的第5部分“氚监测仪的特殊要求”中规定：为保证氚气监测仪一类的仪表测量准确性，需通过与待测对象相同的标准源对其进行校准。该标准源，即标准气体是含有拟测特定形态氚的已知氚体积活度的空气。该标准附录A推荐的氚化气体标准源主要分压缩氚气混合气和氚化水蒸气混合气两种。基于易用性和重复性，国际上氚监测仪的校准多选择易实现活度准确定值的氚气作为标准源。

原始的氚气源一般活度较高，无法直接作为标准气体源用于氚监测仪的校准，需要进行逐级稀释。氚气标准源作为标准混合气体，由于氚的同位素交换和易扩散特性，制备较为复杂，且稳定性不易保证。此外，原始高比活度氚气的生产一般需借助反应堆或加速器，方法较为复杂且成本高。氚气发光管可作为高比活度氚气源的提取来源。氚气发光管(参见发表在《辐射防护通讯》2009年第29卷第6期上的文章“氚气自发光管及其应用”)是一个内壁涂磷光物质并充入氚气的密封硼硅酸盐玻璃包囊，所用氚气的活度每支最大为50GBq(标准状况下50GBq氚气的体积约为0.52mL)。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种氚气标准气的配制装置，以能够在更加准确的配制氚气标准气的基础上，减少配制过程中氚气放射性活度损失、向外界泄漏和对工作人员的辐射伤害，并提高配制氚气标准气的安全性。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，所述的配制装置包括甲烷原料气钢瓶、氮气原料气钢瓶、甲烷原料气输送管路、氮气原料气输送管路、初级稀释气输送管路、次级稀释气输送管路、气体输送主管路、气体输送旁路管路、压力表、氚发光管、金属套管、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶、分装气瓶、真空机组、阀门，

所述的甲烷原料气钢瓶、氮气原料气钢瓶、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶分别提供的甲烷原料气、氮气原料气、氚气初级稀释气、氚气次级稀释气，分别经所述的甲烷原料气输送管路、氮气原料气输送管路、初级稀释气输送管路、次级稀释气输送管路输送后，共用所述的气体输送主管路进行输送，所述的气体输送主管路的末端连接有用于抽真空的所述的真空机组；

各条所述的气体输送旁路管路一端连接所述的气体输送主管路，另一端分别连接所述的压力表、金属套管、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶、分装气瓶，其中连接所述的金属套管的气体输送旁路管路有两条，一条用于向所述的金属套管中导入甲烷原料气，一条用于导出甲烷和氚气混合气体；

所述的氚发光管置于所述的金属套管内，用于在刺破后释放其中的氚气；

所述的初级稀释气瓶在制备氚气初级稀释气时连接在所述的金属套管后一条气体输送旁路管路的末端，在制备氚气次级稀释气时连接在所述的初级稀释气输送管路的起始端；

所述的次级稀释气瓶在制备氚气次级稀释气时连接在所述的金属套管后一条气体输送旁路管路的末端，在分装氚气次级稀释气时连接在所述的次级稀释气输送管路的起始端；

所述的阀门设置在各条气体输送的管路上(包括甲烷原料气输送管路、氮气原料气输送管路、初级稀释气输送管路、次级稀释气输送管路、气体输送主管路、气体输送旁路管路)。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的金属套管包括侧壁，所述的氚发光管固定在所述的侧壁上。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的金属套管还包括设置在其底部的螺栓，用于进一步固定所述的氚发光管。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的金属套管还包括顶针，设置在所述的氚发光管的对侧，用于刺破所述的氚发光管释放其中的氚气。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的顶针可在所述的金属套管外通过螺纹的方式调节深度。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的金属套管还包括设置在其顶部的过滤芯，用于防止氚发光管破碎后玻璃渣进入所述的气体输送旁路管路。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的初级稀释气瓶在制备氚气初级稀释气时，以及所述的次级稀释气瓶在制备氚气次级稀释气时连接同一条所述的气体输送旁路管路的末端。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氚气标准气的配制装置，其中所述的分装气瓶为多个，分别连接不同的气体输送旁路管路。

本发明的第二个目的是提供前述氘气标准气的配制装置配制氘气标准气的方法，以能够在更加准确的配制氚气标准气的基础上，减少配制过程中氚气放射性活度损失、向外界泄漏和对工作人员的辐射伤害，并提高配制氚气标准气的安全性。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供前述氘气标准气的配制装置配制氘气标准气的方法，包括如下步骤：

1)将所述的初级稀释气瓶连接所述的气体输送旁路管路的末端，用所述的真空机组在打开相应管路上的阀门后对甲烷原料气输送管路，气体输送主管路，连接金属套管、压力表、初级稀释气瓶的气体输送旁路管路进行抽真空处理；

2)关闭所述的真空机组、打开所述的甲烷原料气钢瓶的减压阀、刺破所述的氚发光管、打开所述的初级稀释气瓶的自带阀门后，向所述的初级稀释气瓶中充入所述的氚气初级稀释气，称量充气前后所述的初级稀释气瓶的质量，得到充入氚气的总质量；

3)关闭前述各阀门，将所述的初级稀释气瓶连接所述的初级稀释气输送管路的起始端，并将所述的次级稀释气瓶连接所述的气体输送旁路管路的末端，用所述的真空机组在打开相应管路上的阀门及后对氮气原料气输送管路，初级稀释气输送管路，气体输送主管路，连接压力表、次级稀释气瓶的气体输送旁路管路进行抽真空处理；

4)关闭所述的真空机组、打开所述的氮气原料气钢瓶的减压阀以及所述的初级稀释气瓶和次级稀释气瓶的自带阀门后，向所述的次级稀释气瓶中充入所述的氚气次级稀释气，称量充气前后所述的次级稀释气瓶的质量，得到充入氚气的总质量；

5)关闭前述各阀门，将所述的次级稀释气瓶连接所述的次级稀释气输送管路的起始端，用所述的真空机组在打开相应管路上的阀门后对次级稀释气输送管路，气体输送主管路，连接压力表、分装气瓶的气体输送旁路管路进行抽真空处理；

6)关闭所述的真空机组、打开所述的次级稀释气瓶的自带阀门后向所述的分装气瓶中充入氚气标准气，并对分装的氚气标准气进行活度浓度定值。

在一种优选的实施方案中，本发明提供前述氘气标准气的配制装置配制氘气标准气的方法，其中步骤2)中称量充气前后所述的初级稀释气瓶的质量，和/或步骤4)中称量充气前后所述的次级稀释气瓶的质量采用量程0-16kg，精度0.001g的宽量程高精度天平。

本发明的有益效果在于，利用本发明的氚气标准气的配制装置及配制方法，能够在更加准确的配制氚气标准气的基础上，减少配制过程中氚气放射性活度损失、向外界泄漏和对工作人员的辐射伤害，并提高配制氚气标准气的安全性。

本发明的有益效果具体体现如下：

(1)使用氚发光管这种密封氚材料作为制备氚气标准源的氚原料，解决了氚气材料不便储存、运输、转移的难题。自主设计一套破碎装置，在密封金属套管外部通过螺纹部件旋进顶针破碎氚发光管外壳，释放出其中的氚气，极大减少了工作人员与氚的直接接触，从而减少了氚气对工作人员的潜在辐射损伤，同时避免了制备氚气标准源过程中氚气向外界环境的转移，很大程度上减少了制备过程中的放射性污染。

(2)使用甲烷作为初级稀释气体，利用甲烷中氢与氚气中氚的同位素交换，有效的减少了初级稀释过程中由于壁吸附、氚与管壁材料同位素交换等因素带来的氚放射性活度损失，并对于氚气标准源的稳定性有着重要的贡献。同时使用氮气作为次级稀释气体，使得制备的氚气标准源中甲烷含量低于爆炸下限(5％)，避免了氚气标准源使用过程中可能出现的闪爆等危险因素，有效的增加氚气标准源制备过程中的安全保障，同时制备的氚气标准源在储存、运输、使用方面也拥有较大的便利性。

(3)通过宽量程高精度天平称量气瓶配气前后质量变化，利用称量法计算氚气的稀释倍数，只需对初级稀释氚气的活度浓度定值便可通过改变充入气体质量来制备不同活度浓度的氚气标准源，有效的减少了氚气标准源制备工程中对于活度定值次数的需求，同时满足了监测校准过程中对于不同活度氚气标准源的需求。

(4)采用等压的方式进行氚气标准源的分装，有效的保障氚气标准源的重复性。

附图说明

图1为示例性的本发明的氚气标准气的配制装置的组成图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的氚气标准气的配制装置如图1所示，包括甲烷原料气钢瓶1、氮气原料气钢瓶2、甲烷原料气输送管路3、氮气原料气输送管路4、初级稀释气输送管路5、次级稀释气输送管路6、气体输送主管路7、气体输送旁路管路8、压力表9、氚发光管10、金属套管11、初级稀释气12瓶、次级稀释气瓶13、分装气瓶14、真空机组15、阀门(包括V1、V2、V3、V11-V14、V21-25、V31-36)、侧壁16、顶针17、过滤芯18、螺栓。

甲烷原料气钢瓶1、氮气原料气钢瓶2、初级稀释气瓶12、次级稀释气瓶13分别提供的甲烷原料气、氮气原料气、氚气初级稀释气、氚气次级稀释气，分别经甲烷原料气输送管路3、氮气原料气输送管路4、初级稀释气输送管路5、次级稀释气输送管路6输送后，共用气体输送主管路7进行输送，气体输送主管路7的末端连接有用于抽真空的真空机组15。

各条气体输送旁路管路8一端连接气体输送主管路7，另一端分别连接压力表9、金属套管11、初级稀释气瓶12、次级稀释气瓶13、分装气瓶14。其中连接金属套管11的气体输送旁路管路8有两条，一条用于向金属套管11中导入甲烷原料气，一条用于导出甲烷和氚气混合气体。

氚发光管10置于金属套管11内。金属套管11包括侧壁16，氚发光管10固定在侧壁11上。螺栓设置在金属套管11的底部，用于进一步固定氚发光管10。顶针17设置在金属套管11外氚发光管10的对侧，用于刺破氚发光管10释放其中的氚气。顶针17可通过螺纹的方式调节深度。过滤芯18设置在金属套管11的顶部，用于防止氚发光管10破碎后玻璃渣进入气体输送旁路管路8。

初级稀释气瓶12在制备氚气初级稀释气时连接在金属套管11后一条气体输送旁路管路8的末端，在制备氚气次级稀释气时连接在初级稀释气输送管路5的起始端。

次级稀释气瓶13在制备氚气次级稀释气时连接在金属套管11后一条气体输送旁路管路8的末端，在分装氚气次级稀释气时连接在次级稀释气输送管路6的起始端。

初级稀释气瓶12在制备氚气初级稀释气时，以及次级稀释气瓶13在制备氚气次级稀释气时连接同一条气体输送旁路管路8的末端。

阀门V1、V23、V2、V3先后设置在气体输送主管路7上；阀门V11设置在氮气原料气输送管路4上；阀门V12设置在甲烷原料气输送管路3上；阀门V13设置在初级稀释气输送管路5上；阀门V14设置在次级稀释气输送管路6上；阀门V21、V22设置在一端连接金属套管11的气体输送旁路管路8上(用于控制向金属套管11中导入甲烷原料气)；阀门V24设置在一端连接金属套管11的气体输送旁路管路8上(用于控制导出甲烷和氚气混合气体)；阀门V25设置在一端连接初级稀释气瓶12或次级稀释气瓶13的气体输送旁路管路8上；阀门V31-36分别设置在不同的一端连接分装气瓶14的气体输送旁路管路8上。

分装气瓶14为多个，分别连接不同的气体输送旁路管路8。

利用上述示例性的本发明的氚气标准气的配制装置进行示例性的氚气标准气的配制的方法如下。

(1)将初级稀释气瓶12连接气体输送旁路管路8的末端，用真空机组15在打开阀门V12、V1、V23、V2、V3、V21、V22、V24、V25后对甲烷原料气输送管路3，气体输送主管路7，连接金属套管11、压力表9、初级稀释气瓶12的气体输送旁路管路8进行抽真空处理。

(2)关闭真空机组15、打开甲烷原料气钢瓶1的减压阀至输出压力降至10bar、关闭阀门V23、刺破氚发光管10、打开初级稀释气瓶12的自带的阀门后，向初级稀释气瓶12中充入氚气初级稀释气，直至初级稀释气瓶12中压力达到100bar后关闭阀门V12、V1、V2、V3、V21、V22、V24、V25及甲烷原料气钢瓶1的减压阀和初级稀释气瓶12的自带阀门，用量程0-16kg，精度0.001g的宽量程高精度天平称量充气前后初级稀释气瓶12的质量，得到充入氚气的总质量。

(3)将初级稀释气瓶12连接初级稀释气输送管路5的起始端，并将次级稀释气瓶13连接气体输送旁路管路8的末端，用真空机组15在打开阀门V11、V13、V1、V23、V2、V3、V25后对氮气原料气输送管路4，初级稀释气输送管路5，气体输送主管路7，连接压力表9、次级稀释气瓶13的气体输送旁路管路8进行抽真空处理。

(4)关闭真空机组15、打开氮气原料气钢瓶2的减压阀至输出压力降至10bar、打开初级稀释气瓶12和次级稀释气瓶13的自带阀门后，向次级稀释气瓶13中充入氚气次级稀释气，直至次级稀释气瓶13中压力达到100bar后关闭阀门V11、V13、V1、V23、V2、V3、V25及初级稀释气瓶12、次级稀释气瓶13的自带阀门和氮气原料气钢瓶2的减压阀，用量程0-16kg，精度0.001g的宽量程高精度天平称量充气前后次级稀释气瓶13的质量，得到充入氚气的总质量。

(5)将次级稀释气瓶13连接次级稀释气输送管路6的起始端，用真空机组在打开阀门V14、V1、V23、V2、V3以及V31-V36中的一个或多个后对次级稀释气输送管路6，气体输送主管路7，连接压力表9、分装气瓶14的气体输送旁路管路8进行抽真空处理。

(6)关闭真空机组15、打开次级稀释气瓶13的自带阀门后向分装气瓶14中充入氚气标准气，并对分装的氚气标准气进行活度浓度定值。

上述示例性的本发明的氚气标准气的配制方法的具体操作举例如下：

取一支外径6mm，长100mm，总活度50GBq的氚发光管10，破碎后将甲烷气体充入10L的初级稀释气瓶12。压力充至100bar后称重，质量717g，活度浓度为50MBq/L。将初级稀释气瓶12接入初级稀释气输送管路5的起始端，用氮气将氚气初级稀释气充入10L的次级稀释气瓶13。压力充至100bar后称重，质量1.25kg，并准确称量充入的初级稀释氚气质量为7.17g。使用长度补偿型内充气正比计数器对次级稀释氚气定值，标况下活度浓度为0.5MBq/L。将次级稀释氚气分装至1L的分装气瓶14中，直至压力充至10bar，由此制备成氚气标准源。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种氚气标准气的配制装置，其特征在于：所述的配制装置包括甲烷原料气钢瓶、氮气原料气钢瓶、甲烷原料气输送管路、氮气原料气输送管路、初级稀释气输送管路、次级稀释气输送管路、气体输送主管路、气体输送旁路管路、压力表、氚发光管、金属套管、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶、分装气瓶、真空机组、阀门，

所述的甲烷原料气钢瓶、氮气原料气钢瓶、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶分别提供的甲烷原料气、氮气原料气、氚气初级稀释气、氚气次级稀释气，分别经所述的甲烷原料气输送管路、氮气原料气输送管路、初级稀释气输送管路、次级稀释气输送管路输送后，共用所述的气体输送主管路进行输送，所述的气体输送主管路的末端连接有用于抽真空的所述的真空机组；

各条所述的气体输送旁路管路一端连接所述的气体输送主管路，另一端分别连接所述的压力表、金属套管、初级稀释气瓶、次级稀释气瓶、分装气瓶，其中连接所述的金属套管的气体输送旁路管路有两条，一条用于向所述的金属套管中导入甲烷原料气，一条用于导出甲烷和氚气混合气体；

所述的氚发光管置于所述的金属套管内，用于在刺破后释放其中的氚气；

所述的初级稀释气瓶在制备氚气初级稀释气时连接在所述的金属套管后一条气体输送旁路管路的末端，在制备氚气次级稀释气时连接在所述的初级稀释气输送管路的起始端；

所述的次级稀释气瓶在制备氚气次级稀释气时连接在所述的金属套管后一条气体输送旁路管路的末端，在分装氚气次级稀释气时连接在所述的次级稀释气输送管路的起始端；

所述的阀门设置在各条气体输送的管路上。

2.根据权利要求1所述的配制装置，其特征在于：所述的金属套管包括侧壁，所述的氚发光管固定在所述的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的配制装置，其特征在于：所述的金属套管还包括设置在其底部的螺栓，用于进一步固定所述的氚发光管。

4.根据权利要求2所述的配制装置，其特征在于：所述的金属套管还包括顶针，设置在所述的氚发光管的对侧，用于刺破所述的氚发光管释放其中的氚气。

5.根据权利要求4所述的配制装置，其特征在于：所述的顶针可在所述的金属套管外通过螺纹的方式调节深度。

6.根据权利要求4所述的配制装置，其特征在于：所述的金属套管还包括设置在其顶部的过滤芯，用于防止氚发光管破碎后玻璃渣进入所述的气体输送旁路管路。

7.根据权利要求1所述的配制装置，其特征在于：所述的初级稀释气瓶在制备氚气初级稀释气时，以及所述的次级稀释气瓶在制备氚气次级稀释气时连接同一条所述的气体输送旁路管路的末端。

8.根据权利要求1所述的配制装置，其特征在于：所述的分装气瓶为多个，分别连接不同的气体输送旁路管路。

9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述的配制装置配制氘气标准气的方法，包括如下步骤：

1)将所述的初级稀释气瓶连接所述的气体输送旁路管路的末端，用所述的真空机组在打开相应管路上的阀门后对甲烷原料气输送管路，气体输送主管路，连接金属套管、压力表、初级稀释气瓶的气体输送旁路管路进行抽真空处理；

2)关闭所述的真空机组、打开所述的甲烷原料气钢瓶的减压阀、刺破所述的氚发光管、打开所述的初级稀释气瓶的自带阀门后，向所述的初级稀释气瓶中充入所述的氚气初级稀释气，称量充气前后所述的初级稀释气瓶的质量，得到充入氚气的总质量；

3)关闭前述各阀门，将所述的初级稀释气瓶连接所述的初级稀释气输送管路的起始端，并将所述的次级稀释气瓶连接所述的气体输送旁路管路的末端，用所述的真空机组在打开相应管路上的阀门及后对氮气原料气输送管路，初级稀释气输送管路，气体输送主管路，连接压力表、次级稀释气瓶的气体输送旁路管路进行抽真空处理；

4)关闭所述的真空机组、打开所述的氮气原料气钢瓶的减压阀以及所述的初级稀释气瓶和次级稀释气瓶的自带阀门后，向所述的次级稀释气瓶中充入所述的氚气次级稀释气，称量充气前后所述的次级稀释气瓶的质量，得到充入氚气的总质量；

5)关闭前述各阀门，将所述的次级稀释气瓶连接所述的次级稀释气输送管路的起始端，用所述的真空机组在打开相应管路上的阀门后对次级稀释气输送管路，气体输送主管路，连接压力表、分装气瓶的气体输送旁路管路进行抽真空处理；

6)关闭所述的真空机组、打开所述的次级稀释气瓶的自带阀门后向所述的分装气瓶中充入氚气标准气，并对分装的氚气标准气进行活度浓度定值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤2)中称量充气前后所述的初级稀释气瓶的质量，和/或步骤4)中称量充气前后所述的次级稀释气瓶的质量采用量程0-16kg，精度0.001g的天平。