CN108445151A - 干法手套箱气溶胶监测系统及监测方法 - Google Patents

干法手套箱气溶胶监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温熔盐冶金技术领域，特别涉及一种干法手套箱气溶胶监测系统及监测方法。一种干法手套箱气溶胶监测系统，包括：干法手套箱、吹扫气供给系统、围封手套箱、气溶胶监测仪、排风系统；本申请所述的干法手套箱是指在本申请中相对体积比较大，操作工位比较多的主操作手套箱；本申请所述的围封手套箱是指本申请中专为放置仪器的手套箱。本发明采用围封手套箱设计，管道均采用波纹管，接头采用真空法兰接头与1/2快速接头，使得整套设备安装快速方便，实现了各个部件的密封，保证了系统所处房间环境(气溶胶浓度小于2×10‑2Bq/m3)不发生改变，最大程度的保障了工作人员的生命安全。

Description

干法手套箱气溶胶监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于高温熔盐冶金技术领域，特别涉及一种干法手套箱气溶胶监测系统及监测方法。
背景技术
法后处理的研究体系为高温熔盐体系，主要涉及化学活性很强的铀、钚金属和吸水性很强的氯化物熔盐的高温操作，高温条件下，铀、钚金属极易与空气中的水和氧发生化学反应。此外，氯化物熔盐吸收水分也将增大高温操作的难度和危险性，并造成铀、钚的水解，从而降低铀、钚的收率和纯度。
研究以二氧化钚为原料，制备金属钚。研究对象钚伴随有气溶胶α粒子，气溶胶的粒径一般在10-3～103微米数量级。测试工作场所中气溶胶的浓度比较常用的取样方法是过滤法、冲击法、向心分离法、静电收集法、粘着法以及落下灰的几种取样法。目前，主要的取样方法为过滤法，用抽取手套箱内一定体积的含有放射性气溶胶的空气通过某种过滤材料，把放射性气溶胶过滤下来，进行收集、测试。
针对总α、β活度浓度的实时监测分析技术，主要问题在于保证在线连续监测和取样系统的密封性。而目前的技术存在气密性不足，干法手套箱内气氛常被破坏，无法在线同步连续测量等问题。因此本发明设计开发了一套气密性良好、在线同步连续测量的监测系统。
发明内容
(一)发明创造的目的
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种密封性良好、在线同步连续测量气溶胶的监测系统并提供了相应的监测方法。
(二)技术方案
一种干法手套箱气溶胶监测系统，包括：干法手套箱、吹扫气供给系统、围封手套箱、气溶胶监测仪、排风系统；
本申请所述的干法手套箱是指在本申请中相对体积比较大，操作工位比较多的主操作手套箱；本申请所述的围封手套箱是指本申请中专为放置仪器的手套箱。
其中，所述气溶胶监测仪位于所述围封手套箱内；
所述干法手套箱设有气溶胶采集口和气溶胶回流口，气溶胶采集口通过第一管道穿过围封手套箱与气溶胶监测仪相连，在第一管道上设有第一阀门，气溶胶回流口通过第二管道穿过围封手套箱与气溶胶监测仪相连，在第二管道上设有第二阀门；
所述吹扫气供给系统通过第三阀门连接在第一阀门与围封手套箱之间的第一管道部分上；
所述排风系统通过第四阀门连接在第二阀门与围封手套箱之间的第二管道部分上。
其中所述气溶胶监测仪包括：
取样单元，所述取样单元与干法手套箱相连，用于收集来自干法手套箱的气溶胶样品；
测量单元，所述测量单元用于对取样单元收集的气溶胶样品进行检测；
真空泵，所述真空泵用于使含有气溶胶的气体流动通过取样单元，以使取样单元从所述气体中收集气溶胶样品。
其中，所述取样单元包括：风筒、压差仪、流量调节阀、伺服电机、滤纸筒、带编辑器的导带轮一、电动机齿轮、滤纸仓、带编辑器的导带轮二；
其中，风筒与流量调节阀相连，流量调节阀与真空泵相连；
滤纸从滤纸仓伸出穿过风筒，并通过带编辑器的导带轮二、带编辑器的导带轮一连接到滤纸筒，气溶胶样品收集在滤纸上；
压差仪安装在滤纸两侧，伺服电机通过带传动与滤纸筒相连。
所述测量单元包括：钝化注入离子平面硅探测器、电荷灵敏前置放大器、线性放大器、A/D变换器、ARM系统、FPGA控制单元、液晶显示器、控制电路；
其中，钝化注入离子平面硅探测器、电荷灵敏前置放大器、线性放大器、 A/D变换器、ARM系统、FPGA控制单元、控制电路、伺服电机依次相连，FPGA 控制单元同时与液晶显示器相连，所述控制电路同时与真空泵相连。
所述围封手套箱主要包括过渡仓、电控箱、主箱体、控制面板，所述气溶胶连续监测仪放置在主箱体内。
所述第一至四管道均为1/2波纹管。
所述第一至第四阀门均为1/2整体球阀。
所述管道进出干法手套箱和围封手套箱处均为KF40接头与1/2快速接头连接。
本申请所述的KF40接头是指公称直径为40mm的真空法兰。
所述吹扫气供给系统采用的是惰性气体。
所述取样单元进口处的管道接头为KF25接头。
本申请所述的KF25接头是指公称直径为25mm的真空法兰。
一种采用干法手套箱气溶胶监测系统监测气溶胶的方法，包括以下步骤：
监测前，关闭第一阀门和第二阀门，打开第三阀门和第四阀门，系统空转第一预定时间，以对系统进行预先吹扫操作，然后再进行手套箱操作；
监测中，关闭第三阀门和第四阀门，打开第一阀门和第二阀门，系统运转，对来自干法手套箱的气溶胶进行连续在线监测；
完毕后，关闭第一阀门和第二阀门，打开第三阀门和第四阀门，系统空转第二预定时间，以对系统进行再次吹扫操作。
还包括系统定期吹扫的步骤，其中，关闭第一阀门和第二阀门，打开第三阀门和第四阀门，利用吹扫气供给系统对系统进行定期吹扫，吹扫废气排入排风系统中。
在监测过程中，控制所述干法手套箱气溶胶监测系统中气体流速使干法手套箱内压力维持在-200pa～-500pa内。
所述第一预定时间大于15min。
所述第二预定时间大于30min。
(三)有益效果
本发明采用围封手套箱设计，管道均采用波纹管，接头采用真空法兰接头与 1/2快速接头，使得整套设备安装快速方便，实现了各个部件的密封，保证了系统所处房间环境(气溶胶浓度小于2×10-2Bq/m3)不发生改变，最大程度的保障了工作人员的生命安全。
在保证整套监测系统密封的基础上，采用自循环设计，在干法手套箱内同时设置气溶胶采集口和回流口，使得干法手套箱内气氛(水、氧含量小于1ppm) 始终不发生改变，最大程度保证了干法手套箱内的反应条件。
在保证系统密封及自循环的基础上，采用氩气冲洗设计，在完成监测任务之后可进行氩气冲洗，减少取样气体放射性核素在探头部位长期累积，从而提高测量的准确性，同时手套箱内壁光滑，易于去污，使得清洗系统不需要开箱操作；测量监测仪采用滤纸自动卷纸联动设计，使得测量过程中长时间不需要更换滤纸；以上设计大大提高了监测系统的维护寿命，使得监测系统从每次用完即维护延长至三个月一维护。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的干法手套箱与气溶胶监测系统的连接示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的气溶胶监测仪在围封手套箱内的管路连接示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的气溶胶监测仪内部结构示意图。
图4为根据本发明的一个实施例的围封手套箱的结构示意图。
其中1气溶胶采集口 2第一阀门 3吹扫气供给系统 4第二阀门 5围封手套箱 6取样单元 7测量单元 8第四阀门 9排风系统 10第三阀门 11真空泵 12气溶胶回流口 13干法手套箱 14、15、20接头 16第一管道、17第二管道、22第三管道、23第四管道 18、19、21、24快速接头 25风筒 26压差仪 27钝化注入离子平面硅探测器 28电荷灵敏前置放大器 29线性放大器 30 A/D变换器 31 ARM系统 32 FPGA控制单元 33液晶显示器 34控制电路 35伺服电机 36滤纸筒 37带编辑器的导带轮一 38电动机齿轮 39滤纸仓 40带编辑器的导带轮二 41流量调节阀 42过渡仓 43电控箱 44主箱体
具体实施方式
为了更好的说明本发明的技术方案，结合以下实施例进行详细说明：
1、根据本公开的一个实施例的干法手套箱气溶胶监测系统包括：
如图1所示，根据本发明的一个实施例的干法手套箱气溶胶监测系统包括：干法手套箱13、吹扫气供给系统3、围封手套箱5、气溶胶监测仪、排风系统9；
其中，所述气溶胶监测仪位于所述围封手套箱5内。
如图1和图2所示，所述干法手套箱13设有气溶胶采集口1和气溶胶回流口12，气溶胶采集口1通过第一管道16穿过围封手套箱5与气溶胶监测仪相连，在第一管道16上设有第一阀门2，气溶胶回流口1通过第二管道17穿过围封手套箱5与气溶胶监测仪相连，在第二管道17上设有第二阀门3。
如图1所示，所述吹扫气供给系统3通过第三阀门4连接在第一阀门2与围封手套箱3之间的第一管道16部分上；
所述排风系统9通过第四阀门8连接在第二阀门2与围封手套箱3之间的第二管道17部分上。
如图1所示，所述气溶胶监测仪包括：
取样单元6，所述取样单元6与干法手套箱13相连，用于收集来自干法手套箱13的气溶胶样品；
测量单元7，所述测量单元7用于对取样单元6收集的气溶胶样品进行检测；
真空泵11，所述真空泵11用于使含有气溶胶的气体流动通过取样单元6，以使取样单元6从所述气体中收集气溶胶样品。
如图3所示，所述取样单元6包括：风筒25、压差仪26、流量调节阀41、伺服电机35、滤纸筒36、带编辑器的导带轮一37、电动机齿轮38、滤纸仓39、带编辑器的导带轮二40；
其中，风筒25与流量调节阀41相连，流量调节阀41与真空泵11相连；
滤纸从滤纸仓39伸出穿过风筒25，并通过带编辑器的导带轮二40、带编辑器的导带轮一37连接到滤纸筒36，气溶胶样品收集在滤纸上；
压差仪26安装在滤纸两侧，伺服电机35通过带传动与滤纸筒36相连。
如图3所示，测量单元7包括：钝化注入离子平面硅探测器27、电荷灵敏前置放大器28、线性放大器29、A/D变换器30、ARM系统31、FPGA控制单元32、液晶显示器33、控制电路34；
其中，PIPS硅探测器27、电荷灵敏前置放大器28、线性放大器29、A/D变换器30、ARM系统31、FPGA控制单元32、控制电路34、伺服电机35依次相连，FPGA控制单元32同时与液晶显示器33相连，所述控制电路34同时与真空泵11相连。
如图4所示，围封手套箱5主要包括过渡仓42、电控箱43、主箱体44、控制面板45，所述气溶胶连续监测仪放置在主箱体44内。
如图1和图2所示，第一至四管道均为1/2波纹管。
如图1和图2所示，第一至第四阀门均为1/2整体球阀。
如图2所示，管道进出干法手套箱13和围封手套箱5处均为KF40接头与 1/2快速接头连接。
如图2所示，取样单元6进口处的管道接头为KF25接头。
本公开的一个实施例中吹扫气供给系统3采用的惰性气体是氩气，采用的监测气溶胶的方法，包括以下步骤：
监测前，关闭第一阀门2和第二阀门4，打开第三阀门10和第四阀门8，系统空转第一预定时间，以对系统进行预先吹扫操作，然后再进行手套箱操作；
监测中，关闭第三阀门10和第四阀门8，打开第一阀门2和第二阀门4，系统运转，对来自干法手套箱13的气溶胶进行连续在线监测；
完毕后，关闭第一阀门2和第二阀门4，打开第三阀门10和第四阀门8，系统空转第二预定时间，以对系统进行再次吹扫操作。
其中还包括系统定期吹扫的步骤，关闭第一阀门2和第二阀门4，打开第三阀门10和第四阀门8，利用吹扫气供给系统3对系统进行定期吹扫，吹扫废气排入排风系统9中。
其中还包括以下要求：在监测过程中，所述干法手套箱气溶胶监测系统中气体的流速为3.0m3/h；第一预定时间大于15min；第二预定时间大于30min。
本公开采用以上设备及方法做了分装二氧化钚时，干法手套箱内气溶胶浓度监测实验，并别在0.5小时、1小时、1.5小时记录数据，具体操作及结果如下：
1)在线监测前，关闭第一阀门2、第三阀门10，打开第二阀门4、第四阀门8，启动真空泵11，系统空转至少15min，然后在进行手套箱操作。
2)在线监测，关闭第二阀门4、第四阀门8，打开第一阀门2、第三阀门 10，气溶胶监测仪的气体流速为37LPM，即2.22m3/h，干法手套箱13内循环风机流速为60m3/，记录数据。
3)实验完毕后，关闭第一阀门2、第三阀门10，打开第二阀门4、第四阀门8，利用外部氩气源对系统进行吹扫操作，观察放射性活度浓度不再明显升高即可停止。或者多次实际操作积累一定经验后，吹扫30min，然后关闭系统。
4)箱体定期吹扫：关闭第一阀门2，第三阀门10，打开第二阀门4，第四阀门8，启动真空泵11对箱体进行定期吹扫，吹扫废气排入排风系统9。
实验例1
操作分装二氧化钚时，干法手套箱内气溶胶浓度在开始称量后0.5小时约为104Bq/m3，房间内气溶胶浓度约为0.01Bq/m3，干法手套箱内水、氧含量都小于1ppm。
实验例2
利用实施例1相同条件，干法手套箱内气溶胶浓度在开始称量后1小时约为103Bq/m3，房间内气溶胶浓度约为0Bq/m3，水、氧含量都小于1ppm。
实验例3
利用实施例1相同条件，干法手套箱内气溶胶浓度在开始称量后1.5小时约为102Bq/m3，房间内气溶胶浓度约为0Bq/m3，水、氧含量都小于1ppm。
从上述实施例结果得出本套监测系统及方法能够有效的实现在干法手套箱内气氛不被破坏的情况下进行气溶胶连续监测的功能，并且气密性良好，测量数据准确。
以上所述仅为本公开的示例实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种干法手套箱气溶胶监测系统，包括：干法手套箱(13)、吹扫气供给系统(3)、围封手套箱(5)、气溶胶监测仪、排风系统(9)；
其中，所述气溶胶监测仪位于所述围封手套(5)箱内；
所述干法手套箱(13)设有气溶胶采集口(1)和气溶胶回流口(12)，气溶胶采集口(1)通过第一管道(16)穿过围封手套箱(5)与气溶胶监测仪相连，在第一管道(16)上设有第一阀门(2)，气溶胶回流口(1)通过第二管道(17)穿过围封手套箱(5)与气溶胶监测仪相连，在第二管道(17)上设有第二阀门(3)；
所述吹扫气供给系统(3)通过第三阀门(4)连接在第一阀门(2)与围封手套箱(3)之间的第一管道(16)部分上；
所述排风系统(9)通过第四阀门(8)连接在第二阀门(2)与围封手套箱(3)之间的第二管道(17)部分上。
2.根据权利要求1所述的干法手套箱气溶胶监测系统，其中所述气溶胶监测仪包括：
取样单元(6)，所述取样单元(6)与干法手套箱(13)相连，用于收集来自干法手套箱(13)的气溶胶样品；
测量单元(7)，所述测量单元(7)用于对取样单元(6)收集的气溶胶样品进行检测；
真空泵(11)，所述真空泵(11)用于使含有气溶胶的气体流动通过取样单元(6)，以使取样单元(6)从所述气体中收集气溶胶样品。
3.根据权利要求2所述的干法手套箱气溶胶监测系统，其中，所述取样单元(6)包括：风筒(25)、压差仪(26)、流量调节阀(41)、伺服电机(35)、滤纸筒(36)、带编辑器的导带轮一(37)、电动机齿轮(38)、滤纸仓(39)、带编辑器的导带轮二(40)；
其中，风筒(25)与流量调节阀(41)相连，流量调节阀(41)与真空泵(11)相连；
滤纸从滤纸仓(39)伸出穿过风筒(25)，并通过带编辑器的导带轮二(40)、带编辑器的导带轮一(37)连接到滤纸筒(36)，气溶胶样品收集在滤纸上；
压差仪(26)安装在滤纸两侧，伺服电机(35)通过带传动与滤纸筒(36)相连。
4.根据权利要求3所述的干法手套箱气溶胶监测系统，其中，
所述测量单元(7)包括：离子注入平面硅探测器(27)、电荷灵敏前置放大器(28)、线性放大器(29)、A/D变换器(30)、ARM系统(31)、FPGA控制单元(32)、液晶显示器(33)、控制电路(34)；
其中，离子注入平面硅探测器(27)、电荷灵敏前置放大器(28)、线性放大器(29)、A/D变换器(30)、ARM系统(31)、FPGA控制单元(32)、控制电路(34)、伺服电机(35)依次相连，FPGA控制单元(32)同时与液晶显示器(33)相连，所述控制电路(34)同时与真空泵(11)相连。
5.根据权利要求4所述的干法手套箱气溶胶监测系统，其中，所述围封手套箱(5)主要包括过渡仓(42)、电控箱(43)、主箱体(44)、控制面板(45)，所述气溶胶连续监测仪放置在主箱体(44)内。
6.根据权利要求1所述干法手套箱气溶胶监测系统，其特征在于，所述第一至四管道均为1/2波纹管。
7.根据权利要求1所述干法手套箱气溶胶监测系统，其特征在于，所述第一至第四阀门均为1/2整体球阀。
8.根据权利要求1所述干法手套箱气溶胶监测系统，其特征在于，所述管道进出干法手套箱(13)和围封手套箱(5)处均为KF40接头与1/2快速接头连接。
9.根据权利要求1所述干法手套箱气溶胶监测系统，其特征在于，所述吹扫气供给系统(3)采用的是惰性气体。
10.根据权利要求2所述干法手套箱气溶胶监测系统，其特征在于，所述取样单元(6)进口处的管道接头为KF25接头。
11.一种采用根据权利要求1所述的干法手套箱气溶胶监测系统监测气溶胶的方法，包括以下步骤：
监测前，关闭第一阀门(2)和第二阀门(4)，打开第三阀门(10)和第四阀门(8)，系统空转第一预定时间，以对系统进行预先吹扫操作，然后再进行手套箱操作；
监测中，关闭第三阀门(10)和第四阀门(8)，打开第一阀门(2)和第二阀门(4)，系统运转，对来自干法手套箱(13)的气溶胶进行连续在线监测；
完毕后，关闭第一阀门(2)和第二阀门(4)，打开第三阀门(10)和第四阀门(8)，系统空转第二预定时间，以对系统进行再次吹扫操作。
12.根据权利要求11所述方法，还包括系统定期吹扫的步骤，其中，关闭第一阀门(2)和第二阀门(4)，打开第三阀门(10)和第四阀门(8)，利用吹扫气供给系统(3)对系统进行定期吹扫，吹扫废气排入排风系统(9)中。
13.根据权利要求11所述方法，其特征在于，在监测过程中，控制所述干法手套箱气溶胶监测系统中气体流速使干法手套箱内压力维持在-200pa～-500pa内。
14.根据权利要求11所述方法，其特征在于，所述第一预定时间大于15min。
15.根据权利要求11所述方法，其特征在于，所述第二预定时间大于30min。
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