CN112326509A - 用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置及方法 - Google Patents

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CN112326509A CN202011054859.2A CN202011054859A CN112326509A CN 112326509 A CN112326509 A CN 112326509A CN 202011054859 A CN202011054859 A CN 202011054859A CN 112326509 A CN112326509 A CN 112326509A
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游国强
金潮
蘧艳峰
张文宇
赵怀璞
刘凯
郑建国
张恬
杜旭红
路文芳
路晶
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Abstract

本发明提供一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置及方法，该实验装置包括试样管、试样、载带气体组件、温控装置、真空系统以及监测仪表；本发明通过温控装置调节试验温度等试验条件，并能够实时、准确的测量氚气或其他氢同位素材料气体通过试样后的体积量，进而推算出试样的扩散系数。

Description

用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及氚扩散技术领域，具体涉及一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置及方法。
背景技术
氚的污染有以下三个特点：①与同位素交换快。氚的亲和力和吸附能力都很强。氚对不同材料的亲和力、吸附能力不同。②很强的渗透能力。氚不但可以吸附在与它接触的材料上，而且能够渗透进入其中。③“转移性”，即沾污的“再现性”。被氚严重污染的表面，擦洗干净后不久又会重新沾污。
氚气在非金属材料中的渗透系数，包括扩散系数、吸附系数等。现有的实验装置多用于测量本装置用于测量渗透系数，用于测量扩散系数的装置较少。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置及方法，其通过温控装置调节试验温度的条件，并能够实时、准确的测量氚气气体通过试样后的体积量，进而推算出试样的扩散系数。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置，所述实验装置包括：
试样管；
试样，所述试样由非金属材料制作而成，其中所述试样竖直固定安装在所述试样管内腔中；
载带气体组件，所述载带气体组件包括载带气体以及分别与所述试样管两端相连的气体管路，其中所述载带气体通过所述气体管路进入到试样管的前后两端内腔中；
温控装置，所述试样管水平固定安装在所述温控装置中，其中所述温控装置用于控制所述试样管的温度；
真空系统，所述真空系统通过管道与所述试样管内腔相连通，用于使得所述试样管内腔处于真空环境；
以及监测仪表，所述监测仪表通过设置有的管道与所述试样管内腔相连通，用于监测所述试样管内腔中的样气扩散体积。
在一些实施例中，所述实验装置还包括炉腔装置，所述试样管通过所述炉腔装置安装在所述温控装置上。
在一些实施例中，所述载带气体为氢气、氘气，或二者的混合气体。
在一些实施例中，所述温控装置由包容在金属材料中的电阻加热装置组成。
同时，本发明还提供一种根据如上述所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
A、首先检查整个实验装置的密封性，启动真空系统将炉腔装置内抽成真空，使其内部压力≤10-2pa；
B、实验开始时，依次通入样气、载带气体，炉腔装置内压力为105Pa后，停止通入载带气体，将载带气体在炉腔装置内循环通过试样表面；
C、监测仪表采用正比计数器，通过读取正比计数器读数，外推出实时监测气体中氚气的含量。
在一些实施例中，所述样气气体包括T2、HT、DT、HTO或上述四种气体的混合物。
在一些实施例中，所述氚气的扩散系数的计算方法为：
假设样气中氚的浓度为C样，载带气中氚的浓度为C载带，C载带随着渗透时间的变化而服从下列方程：
Figure BDA0002706632040000031
(2)式中t表示渗透时间，S，C样表示样气中氚的浓度,Bq·m-3，C载带表示载带气的浓度,Bq·m-3，r表示空气交换律，s-1，
Figure BDA0002706632040000032
变形为
Figure BDA0002706632040000033
(3)式中D表示扩散系数，m2·s-1。S表示试样管的截面积，m-2。d为试样长度,m。V为试样管的体积，m3。
当试样气和载带气浓度达到平衡时，将(1)式中的方程求积分，得:
Figure BDA0002706632040000034
将(2)式变形为
Figure BDA0002706632040000035
将(3)式计算r值，将其代入(4)式得到D值，氚在试样中的渗透系数。
本发明的有益效果为：本发明通过温控装置调节试验温度等试验条件，并能够实时、准确的测量氚气或其他氢同位素材料气体通过试样后的体积量，进而推算出试样的扩散系数。
附图说明
图1为本发明中的用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置结构示意图。
图2为本发明中的用于测量氚在非金属材料的扩散系数的测量方法步骤示意图。
图中：
1-试样管，2-试样，3-载带气体组件，31-气体管路，4-温控装置，5-真空系统，6-监测仪表，7-炉腔装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
参见附图1所示，一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置，该实验装置包括试样管1、试样2、载带气体组件3、温控装置4、真空系统5以及监测仪表6。试样由非金属材料制作而成，试样竖直固定安装在试样管1内腔中，载带气体组件3包括载带气体以及分别与试样管1两端相连的气体管路31，其中载带气体通过气体管路31进入到试样管1的前后两端内腔中，试样管1水平固定安装在温控装置4中，温控装置4用于控制试样管1的温度；真空系统5通过管道与试样管1内腔相连通，用于使得试样管1内腔处于真空环境；监测仪表6通过设置有的管道与试样管1内腔相连通，用于监测试样管1内腔中的样气扩散体积。
在一些实施例中，该实验装置还包括炉腔装置7(为采用现有的电阻丝结构)，试样管1通过炉腔装置7安装在温控装置4上。
在一些实施例中，载带气体为氢气、氘气，或二者的混合气体。
在一些实施例中，温控装置4由包容在金属材料中的电阻加热装置组成。
同时，本发明还提供一种依据上述一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：
A、首先检查整个实验装置的密封性，启动真空系统将炉腔装置内抽成真空，使其内部压力≤10-2pa；
B、实验开始时，依次通入样气、载带气体，炉腔装置内压力为105Pa后，停止通入载带气体，将载带气体在炉腔装置内循环通过试样表面；
C、监测仪表采用正比计数器，通过读取正比计数器读数，外推出实时监测气体中氚气的含量。
在一些实施例中，样气气体包括T2、HT、DT、HTO或上述四种气体的混合物。
同时本实施例中的氚气的扩散系数的计算方法为：
假设样气中氚的浓度为C样，载带气中氚的浓度为C载带，C载带随着渗透时间的变化而服从下列方程：
Figure BDA0002706632040000051
(3)式中t表示渗透时间，S，C样表示样气中氚的浓度,Bq·m-3，C载带表示载带气的浓度,Bq·m-3，r表示空气交换律，s-1，
Figure BDA0002706632040000052
变形为
Figure BDA0002706632040000053
(4)式中D表示扩散系数，m2·s-1。S表示试样管的截面积，m-2。d为试样长度,m。V为试样管的体积，m3。
当试样气和载带气浓度达到平衡时，将(1)式中的方程求积分，得:
Figure BDA0002706632040000054
将(2)式变形为
Figure BDA0002706632040000055
将(3)式计算r值，将其代入(4)式得到D值，氚在试样中的渗透系数。
本发明通过温控装置调节试验温度等试验条件，并能够实时、准确的测量氚气或其他氢同位素材料气体通过试样后的体积量，进而推算出试样的扩散系数。
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。

Claims (7)

1.一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：
试样管；
试样，所述试样由非金属材料制作而成，其中所述试样竖直固定安装在所述试样管内腔中；
载带气体组件，所述载带气体组件包括载带气体以及分别与所述试样管两端相连的气体管路，其中所述载带气体通过所述气体管路进入到试样管的前后两端内腔中；
温控装置，所述试样管水平固定安装在所述温控装置中，其中所述温控装置用于控制所述试样管的温度；
真空系统，所述真空系统通过管道与所述试样管内腔相连通，用于使得所述试样管内腔处于真空环境；
以及监测仪表，所述监测仪表通过设置有的管道与所述试样管内腔相连通，用于监测所述试样管内腔中的样气扩散体积。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括炉腔装置，所述试样管通过所述炉腔装置安装在所述温控装置上。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置，其特征在于，所述载带气体为氢气、氘气，或二者的混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置，其特征在于，所述温控装置由包容在金属材料中的电阻加热装置组成。
5.一种根据如上述权利要求1所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
A、首先检查整个实验装置的密封性，启动真空系统将炉腔装置内抽成真空，使其内部压力≤10-2pa；
B、实验开始时，依次通入样气、载带气体，炉腔装置内压力为105Pa后，停止通入载带气体，将载带气体在炉腔装置内循环通过试样表面；
C、监测仪表采用正比计数器，通过读取正比计数器读数，外推出实时监测气体中氚气的含量。
6.根据权利要求5所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置的测量方法，其特征在于，所述样气气体包括T2、HT、DT、HTO或上述四种气体的混合物。
7.一种根据权利要求5所述的一种用于测量氚在非金属材料的扩散系数的实验装置的测量方法，其特征在于，所述氚气的扩散系数的计算方法为：
假设样气中氚的浓度为C样，载带气中氚的浓度为C载带，C载带随着渗透时间的变化而服从下列方程：
Figure FDA0002706632030000021
(1)式中t表示渗透时间，S，C样表示样气中氚的浓度,Bq·m-3，C载带表示载带气的浓度,Bq·m-3，r表示空气交换律，s-1，
Figure FDA0002706632030000022
(2)式中D表示扩散系数，m2·s-1。S表示试样管的截面积，m-2。d为试样长度，m。V为试样管的体积，m3。
当试样气和载带气浓度达到平衡时，将(1)式中的方程求积分，得:
Figure FDA0002706632030000023
将(2)式变形为
Figure FDA0002706632030000024
将(3)式计算r值，将其代入(4)式得到D值，氚在试样中的渗透系数。
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