CN109632410B - 一种气态氚自动化连续采样制样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气态氚自动化连续采样制样装置及方法，该装置包括氧化组件、吸附组件以及排气组件，所述采样制样装置还包括解吸组件、贮存组件以及配样组件，所述采样制样装置具有第一工作状态和第二工作状态，当所述采样制样装置为第一工作状态时，所述氧化组件、所述吸附组件和所述排气组件依次相连通；当所述采样制样装置为第二工作状态时，所述解吸组件、所述吸附组件、所述贮存组件和所述配样组件依次相连通，本发明的气态氚自动化连续采样制样装可稳定从空气中采集不同形态的氚，制得的氚样放置于超低本底液闪谱仪上测量，探测限低至1Bq/L；本发明全程通过程序控制、实施，一键式操作，无人值守，稳定可靠，适用于空气氚测量采样。

Description

一种气态氚自动化连续采样制样装置及方法

技术领域

本发明属于环境检测领域，具体涉及一种气态氚自动化连续采样制样装置及方法。

背景技术

核设施运行过程中将产生大量的³H，通过气态或液态的形式释放到环境中，通过生态循环进入生物圈，进而进入人体内，造成辐照损伤。³H的半衰期为10年，发射纯β射线，最大能量18.4keV。考虑到¹⁴C能量较低，最适用的测量方法是通过液闪谱仪测量。

目前，传统的气态氚采样装置的采样方式主要分为两类，第一类是通过低温制冷空气，将其中的水分冷凝为冰，再通过加热回温的方式得到待测水样，该类采样方式受空气湿度限制较大，对于低湿度环境下，该采样方式就难以实现；第二类采样方式是通过硅胶吸附，再通过加热解吸制得待测水样，该类采样方式最大的缺点是不能采集空气中的有机氚，进而低估了空气中氚的活度浓度。

传统的气态氚采样装置均只能实现单个样品采集，不能实现样品连续采集，自动化程度太低。

发明内容

本发明基于现有技术存在的缺陷提供一种气态氚自动化连续采样制样装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种气态氚自动化连续采样制样装置，包括用以抽取空气并将其中的有机态物质转化为水和二氧化碳的氧化组件、用以吸附经过所述氧化组件后气体中水的吸附组件以及用以与所述吸附组件相连的排气组件，所述采样制样装置还包括用以将所述吸附组件中吸附的水进行解吸的解吸组件、用以将解吸后的气体进一步冷凝为液体并将其储存的贮存组件以及与所述贮存组件相连用以进行样品调配的配样组件，所述采样制样装置具有第一工作状态和第二工作状态，当所述采样制样装置为第一工作状态时，所述氧化组件、所述吸附组件和所述排气组件依次相连通；当所述采样制样装置为第二工作状态时，所述解吸组件、所述吸附组件、所述贮存组件和所述配样组件依次相连通。

进一步的，所述采样制样装置还包括工控装置，所述氧化组件、所述排气组件、所述解吸组件、所述贮存组件和所述配样组件均与所述工控组件电连接。

进一步的，所述氧化组件、所述吸附组件和所述贮存组件之间通过第一三通阀相连，所述第一三通阀具有用以将所述氧化组件和所述吸附组件相连通的第一使用状态以及用以将所述吸附组件和所述贮存组件相连通的第二使用状态；所述吸附组件、所述排气组件和所述解吸组件之间通过第二三通阀相连，所述第二三通阀具有用以将所述吸附组件和所述排气组件相连通的第一使用状态以及用以将所述解吸组件和所述吸附组件相连通的第二使用状态；所述第一三通阀和所述第二三通阀均与所述工控装置相连。

进一步的，所述氧化组件包括依次相连的抽气泵、过滤器、氧化炉、第一气体质量流量计和气体单向阀，所述过滤器和所述第一气体质量流量计之间的管路上还设有第一温度传感器、第一湿度传感器和第一压力传感器。

进一步的，所述吸附组件包括吸附柱；所述排气组件包括第二气体质量流量计以及设于所述第二气体质量流量计与所述第二三通阀之间的第二温度传感器、第二湿度传感器和第二压力传感器。

进一步的，所述解吸组件包括与所述第二三通阀依次相连的加热炉和氮气气源；所述贮存组件包括与所述第一三通阀依次相连的冷凝器和贮存器。

进一步的，所述配样组件包括设有进样泵的第一支路、设有试剂瓶的第二支路以及设有液闪计数瓶的第三支路，所述液闪计数瓶设于托盘上，所述托盘具有用以驱使其沿水平方向移动的第一驱动机构以及用以使其旋转从而切换至下一液闪计数瓶的旋转切换机构，所述液闪计数瓶上盖设有瓶盖，所述液闪计数瓶具有用以对其进行夹紧或放松的夹持机构，所述瓶盖具有用以驱使其沿竖直方向移动的第二驱动机构以及用以驱使其转动从而配合的自所述液闪计数瓶上拧开或拧紧在所述液闪计数瓶上的第三驱动机构。

进一步的，所述贮存组件、所述第一支路、所述第二支路以及所述第三支路之间通过一进三出式切换阀相连，所述一进三出式切换阀具有将所述第一支路和所述贮存组件相连通的第一使用状态、将所述第一支路与所述第二支路相连通的第二使用状态以及将所述第一支路和所述第三支路相连通的第三使用状态。

本发明还公开一种采用上述装置采集制备空气氚样品的方法，包括如下步骤：

(a)打开氮气气源，设定单次采样时间和两次采样的时间间隔；

(b)拧开待采样液闪计数瓶上的瓶盖；

(c)将所述氧化炉升温至450℃，所述第一三通阀调至第一使用状态，所述第二三通阀调至第一使用状态，打开所述抽气泵采集空气；

(d)待气体采集完成，调节所述冷凝器温度至-10℃，调节所述加热炉温度至200℃，切换所述第一三通阀至第二使用状态，所述第二三通阀至第二使用状态，打开所述氮气气源，解吸所述吸附柱上的含氚水，解吸后的含氚水经所述冷凝器冷凝后贮存至所述贮存器中；

(e)调节所述切换阀至第一使用状态，移取含氚水样，调节所述切换阀至第三使用状态，将移取的水样注入所述液闪计数瓶；调节所述切换阀至第二使用状态，移取液体闪烁液，调节所述切换阀至第三使用状态，将移取的液体闪烁液注入所述液闪计数瓶；

(f)拧盖密封，即得所需样品。

进一步的，还包括以下步骤：

(g)停止所述氧化炉和所述加热炉加热，停止所述冷凝器制冷，程序恢复至初始状态。

(h)按照步骤(b)～步骤(g)操作，采集制备周期内剩余数量的空气氚样品。

采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的气态氚自动化连续采样制样装置，将空气中不同形态的氚全部转化为氚水，统一贮存至贮存器内，再通过进样泵准确移取8mL水样至20mL规格的液闪计数瓶内，随后控制切换阀，利用进样泵移取12mL闪烁液至液闪计数瓶内。完成加样后，托盘载动液闪计数瓶至拧盖处，完成计数瓶密封；该方法可稳定从空气中采集不同形态的氚，制得的氚样放置于超低本底液闪谱仪上测量，探测限低至1Bq/L；本发明全程通过程序控制、实施，一键式操作，无人值守，稳定可靠，适用于空气氚测量采样。本发明的测量结果则更能代表对应时间段内空气中氚的活度浓度，转化效率超过95％。

附图说明

附图1为本发明的气态氚自动化连续采样制样装置的结构示意图。

其中，

1、抽气泵；2、过滤器；3、第一温度传感器；4、第一湿度传感器；5、第一压力传感器；6、第一气体质量流量计；7、气体单向阀；8、氧化炉；9、第一三通阀；10、冷凝器；11、截止阀；12、贮存器；13、切换阀；14、试剂瓶；15、液闪计数瓶；16、托盘；17、进样泵；18、吸附柱；19、第二三通阀；20、第二温度传感器；21、第二湿度传感器；22、第二压力传感器；23、第二气体质量流量计；24、氮气气源；25、加热炉。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种气态氚自动化连续采样制样装置，包括用以抽取空气并将其中的有机态物质转化为水和二氧化碳的氧化组件、用以吸附经过氧化组件后气体中水的吸附组件以及用以与吸附组件相连的排气组件，采样制样装置还包括用以将吸附组件中吸附的水进行解吸的解吸组件、用以将解吸后的气体进一步冷凝为液体并将其储存的贮存组件以及与贮存组件相连用以进行样品调配的配样组件，采样制样装置具有第一工作状态和第二工作状态，当采样制样装置为第一工作状态时，氧化组件、吸附组件和排气组件依次相连通；当采样制样装置为第二工作状态时，解吸组件、吸附组件、贮存组件和配样组件依次相连通。

采样制样装置还包括工控装置，氧化组件、排气组件、解吸组件、贮存组件和配样组件均与工控组件电连接。通过工控装置实现全程自动控制、实施。

氧化组件、吸附组件和贮存组件之间通过第一三通阀9相连，第一三通阀9具有用以将氧化组件和吸附组件相连通的第一使用状态以及用以将吸附组件和贮存组件相连通的第二使用状态。吸附组件、排气组件和解吸组件之间通过第二三通阀19相连，第二三通阀19具有用以将吸附组件和排气组件相连通的第一使用状态以及用以将解吸组件和吸附组件相连通的第二使用状态。第一三通阀9和第二三通阀19均与工控装置相连，通过工控装置可控制第一三通阀9和第二三通阀19在不同的使用状态之间进行切换。

具体的，氧化组件包括依次相连的抽气泵1、过滤器2、氧化炉8、第一气体质量流量计6和气体单向阀7，过滤器2和第一气体质量流量计6之间的管路上还设有第一温度传感器3、第一湿度传感器4和第一压力传感器5。抽气泵1功率可调，进而抽气流量可调。在450℃条件下，氧化炉8用于将空气中的有机态物质转化为水和二氧化碳，从而将空气中不同形态的氚全部转化为氚水。

吸附组件包括吸附柱18。排气组件包括第二气体质量流量计23以及设于第二气体质量流量计23与第二三通阀19之间的第二温度传感器20、第二湿度传感器21和第二压力传感器22。解吸组件包括与第二三通阀19依次相连的加热炉25和氮气气源24(氮气纯度≥99.999％)。贮存组件包括与第一三通阀9依次相连的冷凝器10和贮存器12，贮存器12的底部设有用以排料的中截止阀11。

配样组件包括设有进样泵17的第一支路、设有试剂瓶14的第二支路以及设有液闪计数瓶15的第三支路。进样泵17可根据控制程序添加固定体积的液体闪烁液或水样，体积精度为±0.1mL。试剂瓶14中装有液体闪烁液，液闪计数瓶15设于托盘16上，本实施例中，液闪计数瓶15的规格为20mL。

液闪计数瓶15设置在托盘16上，托盘16具有用以驱使其沿水平方向移动的第一驱动机构以及用以使其旋转从而切换到下一个液闪计数瓶15的旋转切换机构。液闪计数瓶15上盖设有瓶盖，为保证稳定性，液闪计数瓶15具有用以对其进行夹紧或放松的夹持机构。瓶盖具有用以驱使其沿竖直方向移动的第二驱动机构以及用以驱使其转动从而配合的自液闪计数瓶15上拧开或拧紧在液闪计数瓶15上的第三驱动机构。通过以上设置，液闪计数瓶15可实现自动开瓶盖和拧瓶盖。通过主程序控制，每完成1个样品制备，托盘16旋转一次，进行下一个样品的制备过程，进而达到连续采样制样的目的。

贮存组件、第一支路、第二支路以及第三支路之间通过一进三出式切换阀13相连，一进三出式切换阀13具有将第一支路和贮存组件相连通的第一使用状态、将第一支路与第二支路相连通的第二使用状态以及将第一支路和第三支路相连通的第三使用状态。当进样泵17与贮存器12连通时移取水样，与试剂瓶14连通时移取液体闪烁液，与液闪计数瓶15连通时加入水样或液体闪烁液。

以下说明采用本发明的装置采集制备空气氚样品的详细过程。需要说明的是，以下步骤仅仅为本发明的检测装置用以采集制备空气氚样品的某一特定实施例，不能以此作为本发明的气态氚自动化连续采样制样装置的方法、功能的限定。

采用本发明的装置采集制备空气氚样品具体包括如下步骤：

(a)准备阶段。将一个周期需要采集数量的多个20mL液闪计数瓶15盖好盖子，分别放置在托盘16上，打开氮气气源24，设定单次采样时间和两次采样的时间间隔。

(b)采样阶段。启动程序，通过程序控制，将第1号的托盘16及托盘16上的20mL液闪计数瓶15移动至拧盖处，拧开瓶盖；托盘16将液闪计数瓶15瓶身移动至装样位置。

(c)将氧化炉8升温至450℃，第一三通阀9至第一使用状态(即氧化炉8与吸附柱18相通)，第二三通阀19至第一使用状态(即吸附柱18与第二气体质量流量计23相通)，打开抽气泵1，开始采集空气。

(d)待气体采集完成后，调节冷凝器10温度至-10℃，调节加热炉25至200℃，切换第一三通阀9至第二使用状态(即冷凝器10与吸附柱18相通)，第二三通阀19至第二使用状态(即吸附柱18与加热炉25相通)，打开氮气气源24，调节气体流量为100mL/min，解吸吸附柱18上的含氚水，解吸后的含氚水经冷凝器10冷凝后贮存至贮存器12中。

(e)调节切换阀13至第一使用状态(即进样泵17与贮存器12连通)，移取8mL水样，调节切换阀13至第三使用状态(即进样泵17与20mL液闪计数瓶15连通)，将8mL水样注入20mL液闪计数瓶15；调节切换阀13至第二使用状态(即进样泵17与试剂瓶14连通)，移取12mL液体闪烁液，调节切换阀13至第三使用状态，将12mL液体闪烁液注入20mL液闪计数瓶15。

(f)托盘16载动20mL液闪计数瓶15瓶身至拧盖处，拧盖密封，随后回到样品承载盘上，打开截止阀11，排尽贮存器12中的含氚水。

(g)停止氧化炉8和加热炉25加热，停止冷凝器10制冷，程序恢复至初始状态。

(h)按照步骤(b)～步骤(g)操作，采集制备周期内剩余数量的空气氚样品。

(i)待周期内全部样品制备结束后，程序结束。关闭N₂阀门。

通过第一气体质量流量计6、第一温度传感器3、第一湿度传感器4和第一压力传感器5测得的数据可由公式(1)计算标况下采样体积：

式中：

V₀：标况下采样体积，m³；

P₁：第一压力传感器5测得压力，kPa；

V₁：第一气体质量流量计6测得体积，m³；

T₁：第一温度传感器3测得温度，K；

T₀：标况下温度，318K；

P₀：标况下压力，101.325kPa。

本发明装置内的绝对湿度由公式(2)计算获得：

ρ_w＝611f·10^{7.5(T-273.15)/(T-35.85)}·1000/(461.5T) (2)

式中：

ρ_w：绝对湿度，g/m³；

f：相对湿度，RH％；

T：温度，K。

吸附柱18吸水效率通过公式(3)计算获得：

式中：

η：吸附柱18吸水效率，％；

f₁：第一湿度传感器4测量值，RH％；

T₁：第一温度传感器3测量值，K；

f₂：第二湿度传感器21测量值，RH％；

T₂：第二温度传感器20测量值，K。

将制备好的样品放置于超低温低液闪谱仪上测量，记录测量时间、计数率、探测效率、本底计数时间及本底计数率，通过公式(4)和公式(5)计算样品活度浓度，通过公式(6)计算方法探测限。

其中：

A：空气中氚活度浓度，Bq/m³；

n_c：样品计数率，CPM；

n_b：本底计数率，CPM；

E_f：仪器探测效率；

其中：

MDC：空气中氚方法探测限，Bq/m³；

t_c：样品计数时间，min；

t_b：本底计数时间，min。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气态氚自动化连续采样制样装置，其特征在于：包括用以抽取空气并将其中的有机态物质转化为水和二氧化碳的氧化组件、用以吸附经过所述氧化组件后气体中水的吸附组件以及用以与所述吸附组件相连的排气组件，所述采样制样装置还包括用以将所述吸附组件中吸附的水进行解吸的解吸组件、用以将解吸后的气体进一步冷凝为液体并将其储存的贮存组件以及与所述贮存组件相连用以进行样品调配的配样组件，所述采样制样装置具有第一工作状态和第二工作状态，当所述采样制样装置为第一工作状态时，所述氧化组件、所述吸附组件和所述排气组件依次相连通；当所述采样制样装置为第二工作状态时，所述解吸组件、所述吸附组件、所述贮存组件和所述配样组件依次相连通；

所述采样制样装置还包括工控装置，所述氧化组件、所述排气组件、所述解吸组件、所述贮存组件和所述配样组件均与所述工控组件电连接；

所述氧化组件、所述吸附组件和所述贮存组件之间通过第一三通阀相连，所述第一三通阀具有用以将所述氧化组件和所述吸附组件相连通的第一使用状态以及用以将所述吸附组件和所述贮存组件相连通的第二使用状态；所述吸附组件、所述排气组件和所述解吸组件之间通过第二三通阀相连，所述第二三通阀具有用以将所述吸附组件和所述排气组件相连通的第一使用状态以及用以将所述解吸组件和所述吸附组件相连通的第二使用状态；所述第一三通阀和所述第二三通阀均与所述工控装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种气态氚自动化连续采样制样装置，其特征在于：所述氧化组件包括依次相连的抽气泵、过滤器、氧化炉、第一气体质量流量计和气体单向阀，所述过滤器和所述第一气体质量流量计之间的管路上还设有第一温度传感器、第一湿度传感器和第一压力传感器。

3.根据权利要求2所述的一种气态氚自动化连续采样制样装置，其特征在于：所述吸附组件包括吸附柱；所述排气组件包括第二气体质量流量计以及设于所述第二气体质量流量计与所述第二三通阀之间的第二温度传感器、第二湿度传感器和第二压力传感器。

4.根据权利要求3所述的一种气态氚自动化连续采样制样装置，其特征在于：所述解吸组件包括与所述第二三通阀依次相连的加热炉和氮气气源；所述贮存组件包括与所述第一三通阀依次相连的冷凝器和贮存器。

5.根据权利要求4所述的一种气态氚自动化连续采样制样装置，其特征在于：所述配样组件包括设有进样泵的第一支路、设有试剂瓶的第二支路以及设有液闪计数瓶的第三支路，所述液闪计数瓶设于托盘上，所述托盘具有用以驱使其沿水平方向移动的第一驱动机构以及用以使其旋转从而切换至下一液闪计数瓶的旋转切换机构，所述液闪计数瓶上盖设有瓶盖，所述液闪计数瓶具有用以对其进行夹紧或放松的夹持机构，所述瓶盖具有用以驱使其沿竖直方向移动的第二驱动机构以及用以驱使其转动从而配合的自所述液闪计数瓶上拧开或拧紧在所述液闪计数瓶上的第三驱动机构。

6.根据权利要求5所述的一种气态氚自动化连续采样制样装置，其特征在于：所述贮存组件、所述第一支路、所述第二支路以及所述第三支路之间通过一进三出式切换阀相连，所述一进三出式切换阀具有将所述第一支路和所述贮存组件相连通的第一使用状态、将所述第一支路与所述第二支路相连通的第二使用状态以及将所述第一支路和所述第三支路相连通的第三使用状态。

7.一种采用权利要求6所述装置采集制备空气氚样品的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)打开氮气气源，设定单次采样时间和两次采样的时间间隔；

(b)拧开待采样液闪计数瓶上的瓶盖；

(c)将所述氧化炉升温至450℃，所述第一三通阀调至第一使用状态，所述第二三通阀调至第一使用状态，打开所述抽气泵采集空气；

(d)待气体采集完成，调节所述冷凝器温度至-10℃，调节所述加热炉温度至200℃，切换所述第一三通阀至第二使用状态，所述第二三通阀至第二使用状态，打开所述氮气气源，解吸所述吸附柱上的含氚水，解吸后的含氚水经所述冷凝器冷凝后贮存至所述贮存器中；

(e)调节所述切换阀至第一使用状态，移取含氚水样，调节所述切换阀至第三使用状态，将移取的水样注入所述液闪计数瓶；调节所述切换阀至第二使用状态，移取液体闪烁液，调节所述切换阀至第三使用状态，将移取的液体闪烁液注入所述液闪计数瓶；

(f)拧盖密封，即得所需样品。

8.根据权利要求7所述的采集制备空气氚样品的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(g)停止所述氧化炉和所述加热炉加热，停止所述冷凝器制冷，程序恢复至初始状态；

(h)按照步骤(b)～步骤(g)操作，采集制备周期内剩余数量的空气氚样品。

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