CN112557606A

CN112557606A - 一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置

Info

Publication number: CN112557606A
Application number: CN202110221950.7A
Authority: CN
Inventors: 侯建平; 王茜; 罗飞; 翁蔡平; 向永春; 古梅; 张伟; 田阔; 刘强; 龚有进; 吴晓楠
Original assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2021-02-28
Filing date: 2021-02-28
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2041-02-28
Also published as: CN112557606B

Abstract

本发明公开了一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，本发明的装置主要由钢瓶组、压力传感器、缓冲柱和真空泵组成；本发明的装置作为专用于气体探测器部分基本性能参数测定的辅助装置，采用管道抽真空缓冲技术，能有效地进行气体探测器的检漏和体积标定，能高效地进行清洗，最大限度降低记忆效应对测量的影响，以及充入标定相对探测效率所需的放射性氙气体样品；装置小型化，布局合理，操作简单，省时省力，圆满解决了气体探测器使用压力范围窄，压力精度控制高和重复操作多的需求，为气体探测器的研制提供了坚实的技术支撑。

Description

一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置。

背景技术

大气中的氙通过吸附富集，分离纯化后再进行放射性的测量，气体探测器作为高灵敏度放射性氙测量系统的核心部件，其性能主要基于标准源与辐照的气体样品进行测试和考察，通过泄漏率、能量分辨率、脉冲时间特性、放射性本底、符合探测效率、记忆效应以及最小可探测活度等基本性能参数的获取，判断该气体探测器是否可用，是否能够进行长时间的极低活度放射性氙的稳定测量。

传统考察气体探测器的漏率、体积、记忆效应及相对探测效率等基本性能参数时，需要反复的抽气和充气，耗时耗力，而且由于气体探测器的自身结构特点，还要精确控制压力范围，不允许超压使用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，该装置操作简单，省时省力，能高效地进行气体探测器的检漏、体积标定、清洗和放射性氙气体样品的充入。

本发明具体采用如下技术方案：

一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，所述装置包括：钢瓶组、绝压压力传感器、缓冲柱和真空泵，各部件之间通过不锈钢管道和阀门进行连接，阀门初始状态均为关闭状态，其中，钢瓶组、绝压压力传感器、缓冲柱和气体探测器分别位于十字型接口的各端；所述的钢瓶组包括四个并联排布的钢瓶Ⅰ和钢瓶Ⅱ、钢瓶Ⅲ和钢瓶Ⅳ；钢瓶组进气口前端与外部气源相连，外部气源为高纯氦气源或已经刻度过的常压放射性氙气体样品；缓冲柱后端与真空泵相连。

进一步，所述的钢瓶组为自带两个阀门V1和V2的流洗式不锈钢钢瓶，具体地，钢瓶Ⅰ自带阀门V1-1和V2-1，钢瓶Ⅱ自带阀门V1-2和V2-2，钢瓶Ⅲ自带阀门V1-3和V2-3，钢瓶Ⅳ自带阀门V1-4和V2-4。

进一步，钢瓶Ⅰ用于气体探测器的检漏，体积不小于气体探测器体积的125倍，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦。进一步，钢瓶Ⅱ用于气体探测器的体积标定，其体积约为气体探测器体积的2倍，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦。

进一步，钢瓶Ⅲ用于气体探测器的清洗，体积约为气体探测器体积的125倍，内充略低于气体探测器最高使用压力的高纯氦；当钢瓶Ⅲ（13）内气压低于100kPa时，需要补充钢瓶Ⅲ13内的高纯氦气体至低于气体探测器的最高使用压力。

进一步，钢瓶Ⅳ用于气体探测器相对探测效率刻度时放射性氙气体样品的充气，其体积由已经刻度过的常压放射性氙气体样品量而定。

进一步，所述的绝压压力传感器，测量范围为0~200kPa，精度为0.25%。

进一步，所述缓冲柱为金属管，其体积与气体探测器的体积相当.

进一步，所述缓冲柱的外形优先选择为螺旋型。

进一步，所述的真空泵抽速为每秒4升。

本发明研制的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置可应用于气体探测器体积标定、探测效率标定等部分基本参数的测定，该装置采用管道抽真空缓冲技术，能有效地进行气体探测器的检漏和体积标定，能高效地进行清洗，最大限度降低记忆效应对测量准确度的影响，以及充入标定探测效率所需的放射性氙气体样品；装置小型化，布局合理，操作简单，省时省力，圆满解决了气体探测器使用压力范围窄，压力精度控制高和重复操作多的需求，为气体探测器的研制提供了坚实的技术支撑。

附图说明

图1是本发明的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置示意图；

图中，1.钢瓶组 11.钢瓶Ⅰ 12.钢瓶Ⅱ 13.钢瓶Ⅲ 14.钢瓶Ⅳ 2.绝压压力传感器3.缓冲柱 4.真空泵。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的内容作进一步详细说明。

如图1所示，本发明专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置包括：钢瓶组1、绝压压力传感器2、缓冲柱3和真空泵4，各部件之间通过不锈钢管道和阀门进行连接，阀门初始状态均为关闭状态，其中，钢瓶组1、绝压压力传感器2、缓冲柱3和气体探测器分别位于十字接口的一端；所述的钢瓶组1包括四个并联排布的钢瓶Ⅰ11和钢瓶Ⅱ12、钢瓶Ⅲ13和钢瓶Ⅳ14；钢瓶组1进气口前端与外部气源相连，外部气源为高纯氦气源或已经刻度过的常压放射性氙气体样品；缓冲柱3后端与真空泵4相连。

进一步，所述的钢瓶组1为自带两个阀门V1和V2的流洗式不锈钢钢瓶。具体地，钢瓶Ⅰ11自带阀门V1-1和阀门V2-1，钢瓶Ⅱ12自带阀门V1-2和阀门V2-2，钢瓶Ⅲ13自带阀门V1-3和阀门V2-3，钢瓶Ⅳ14自带阀门V1-4和阀门V2-4。本发明依据不同工作目的选择合适的钢瓶，且钢瓶内充气体的压力需要控制在合理范围内，以期与气体探测器的压力使用范围相匹配。由于气体探测器的样品腔室由塑料闪烁体粘接而成，既不耐低真空，也不耐高压，需要严格控制气体探测器的充气压力，为此以不同的钢瓶与之匹配，安全高效地完成预定功能。检漏时，控制气体探测器的压力处于使用压力范围的上限（例如140kPa）；体积标定时，控制气体探测器的瞬时低压不小于0.1kPa，瞬时高压不大于使用压力范围的上限（例如140kPa）；清洗时，控制气体探测器的压力范围在合理范围（例如20kPa~120kPa）；充入标定相对探测效率所需的放射性氙气体样品时，控制气体探测器的瞬时低压不小于0.1kPa，充气的最终压力控制在常压（95kPa）左右。

本发明装置可用于气体探测器的体积标定，当该装置用于气体探测器的体积标定时，首先对气体探测器进行检漏；然后对气体探测器体积进行标定。

进一步，对气体探测器进行检漏时，选择体积不小于气体探测器体积的125倍的钢瓶Ⅰ11，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，模拟气体探测器的工作状态，确保气体探测器的检漏结果具有实际参考价值。

进一步，对气体探测器进行体积标定时，选择体积约为气体探测器体积的2倍的钢瓶Ⅱ12，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，使压力变化明显，且压力数值处于压力传感器2压力范围的中间段，确保体积标定的结果准确可靠。

本发明装置还可用于气体探测器相对探测效率刻度时放射性氙气体样品的充气，当该装置用于气体探测器相对探测效率刻度的充气时，首先对气体探测器进行反复多次清洗，以消除记忆效应对测量准确度的影响；然后充入已经刻度过的常压放射性氙气体样品。

进一步，对气体探测器进行清洗时，选择体积约为气体探测器体积125倍的钢瓶Ⅲ13，内充略低于气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，既满足装置小型化的要求，又能以略高于常压的压力连续清洗气体探测器30次以上，以便在较短的时间内消除记忆效应对气体探测器测量准确度的影响，还减少装置对外部气源的依赖性；当钢瓶Ⅲ13内气压低于100kPa时，需要补充钢瓶Ⅲ13内的高纯氦气体至略低于气体探测器的最高使用压力。

进一步，对气体探测器进行相对效率法刻度时，钢瓶Ⅳ14内需要充入已经刻度过的常压放射性氙气体样品，选择合适体积的钢瓶Ⅳ14，确保已经刻度过的放射性氙气体样品解吸完全，且处于常压，满足气体探测器测量的使用要求，准确获取气体探测器的探测效率。

进一步，所述的绝压压力传感器2，测量范围为0~200kPa，精度为0.25%，确保装置显示压力的准确性。

进一步，所述缓冲柱3为金属管，其体积与气体探测器的体积相当，外形优先选择为螺旋型，确保装置的小型化，并能够控制气体探测器的压力处于合适的范围，尽可能清洗完全的同时，还需要减少操作次数，缩短操作所需时间。

进一步，所述的真空泵4抽速为每秒数升，如每秒4升，保证了辅助装置能够快速抽空至预期的真空度，节约了完成预定功能的工作所需时间。

基于本发明装置，本发明还提供一种气体探测器的体积标定方法，该方法包括步骤（a）首先对气体探测器进行检漏；步骤（b）当检查漏率合格的情况下，对气体探测器体积进行标定；其中，步骤（a）检漏过程包含如下步骤：

a1、阀门V6连接气体探测器；打开钢瓶Ⅰ11的阀门V1-1，从外部气源充入与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，例如140kPa，关闭阀门V1-1；

a2、打开钢瓶Ⅰ11的阀门V2-1、V3、V6和气体探测器的自带阀门，向气体探测器充入高纯氦气，几秒钟后，当绝压压力传感器2数值不变时，关闭阀门V2-1和V3，记录时间、绝压压力传感器2显示的压力P₁₀和环境温度t₁₀；

a3、根据气体探测器实际使用所需，间隔一定时间，如，24h，再次记录绝压压力传感器显示的压力P₁₁和环境温度t₁₁；恢复所有阀门至均处于关闭状态。

a4、根据理想气体状态方程PV=nRT，由于气体探测器体积未发生改变，仅对压力值P₁₀、P₁₁进行温度校正，分别得到标准状况下的压力

、

从而计算得到气体探测器的气体泄漏率。其中，

(1)

(2)

(3)

式中：

—气体探测器的初始压力校正为标准状况的压力，单位kPa；

P₁₀——气体探测器的初始压力，单位kPa；

t₁₀——气体探测器初始压力时的环境温度，单位℃；

T₀——标准状况的热力学温度，273.15K；

T₁₀——记录气体探测器初始压力时的环境热力学温度，单位K；

—气体探测器充气保压一定时间后的压力校正为标准状况的压力，单位kPa；

P₁₁——气体探测器充气保压一定时间后的压力，单位kPa；

t₁₁——气体探测器充气保压一定时间后的环境温度，单位℃；

T₁₁——气体探测器充气保压一定时间后的环境热力学温度，单位K。

当气体探测器的气体泄漏率在一定时间内不低于检验标准时，检验标准根据实际需要设定，如24h不大于1%，即判定气体探测器的漏率合格。

进一步，其中，步骤（b）对气体探测器进行体积标定具体包含如下步骤：

b1、气体探测器已经由步骤（a）检查漏率合格；打开钢瓶Ⅱ12的阀门V1-2，从外部气源充入与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，例如140kPa，关闭阀门V1-2；

b2、打开阀门V3、V4和气体探测器的自带阀门，启动真空泵4，交替开关阀门V5和V6，至气体探测器为低真空状态，此时阀门V5、V6的开闭状态为以下三种组合方式中一种，一是阀门V5开、阀门V6关，二是阀门V5关、阀门V6开，三是阀门V5关、阀门V6关，记录绝压压力传感器2的显示压力，记为P₂₁，P₂₁即为抽真空后的气体探测器本底压力；关闭气体探测器的自带阀门，阀门V5和V6同时打开，继续抽空，当绝压压力传感器2压力不变时，记录绝压压力传感器2的显示压力，记为P₂₂，P₂₂即为抽真空后钢瓶Ⅱ经V3到压力传感器2、V4、V6及气体探测器自带阀门处的十字型管路的管路本底压力；关闭阀门V4 、V5和V6；

b3、打开钢瓶Ⅱ12的阀门V2-2，几秒钟后，当绝压压力传感器2数值不变时，记录绝压压力传感器2的显示压力，记为P₂₀，P₂₀即为钢瓶Ⅱ12的初始压力；

b4、关闭阀门V2-2，打开阀门V4和V5，真空泵4抽空管道，关闭阀门V4和V5，关闭真空泵4；

b5、打开阀门V2-2和V6，几秒钟后，当绝压压力传感器2数值不变时，记录绝压压力传感器2的显示压力，记为P₂₃，P₂₃即为钢瓶Ⅱ12经V3到压力传感器2、V4、V6及气体探测器自带阀门处的十字型管路的平衡压力；

b6、打开气体探测器的自带阀门，几秒钟后，当绝压压力传感器2数值不变时，记录绝压压力传感器2的显示压力，记为P₂₄，P₂₄即为钢瓶Ⅱ12经V3到绝压压力传感器2、V4、V6及气体探测器的平衡压力；此时，恢复所有阀门至关闭状态；

根据理想气体状态方程PV=nRT计算气体探测器体积

，因为前后操作间隔时间短，忽略环境温度的变化，分别扣除气体探测器和十字型管路的压力本底，计算得到气体探测器的体积

：

(4)

式中：

V₂₀——钢瓶Ⅱ的体积，单位为mL；

V₁——钢瓶Ⅱ经V3到绝压压力传感器2、V4、V6及气体探测器自带阀门处的十字型管路的体积，单位为mL；

V₂——钢瓶Ⅱ经V3到绝压压力传感器2、V4、V6及气体探测器的总体积，单位为mL；

P₂₀——钢瓶Ⅱ的初始压力，单位为kPa；

P₂₁——抽真空后的气体探测器本底压力，单位为kPa；

P₂₂——抽真空后钢瓶Ⅱ经V3到绝压压力传感器、V4、V6及气体探测器自带阀门处的十字型管路的管路本底压力，单位为kPa；

P₂₃——钢瓶Ⅱ经V3到绝压压力传感器2、V4、V6及气体探测器自带阀门处的十字型管路的平衡压力，单位为kPa；

P₂₄——钢瓶Ⅱ经V3到绝压压力传感器2、V4、V6及气体探测器的平衡压力，单位为kPa。

对同一气体探测器重复步骤b三次，计算得到三个

，取平均值得到

，该平均值

即为所标定的气体探测器体积。

进一步，步骤（a）对气体探测器进行检漏时，选择体积不小于气体探测器体积的125倍的钢瓶Ⅰ11，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，模拟气体探测器的工作状态，确保气体探测器的检漏结果具有实际参考价值。

进一步，步骤（b）对气体探测器进行体积标定时，选择体积约为气体探测器体积的2倍的钢瓶Ⅱ12，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦，使压力变化明显，且压力数值处于绝压压力传感器2压力范围的中间段，确保体积标定的结果准确可靠。

此外，基于本发明装置，本发明还提供了一种气体探测器的放射性氙气体样品的充气方法，包括步骤（S）首先对气体探测器进行反复多次清洗，以消除记忆效应对测量准确度的影响；步骤（T）然后给气体探测器充入已经刻度过（即已知比活度）的常压放射性氙气体样品，使其用于气体探测器的相对探测效率法刻度。

其中，步骤（S）具体包含如下步骤：

S1、阀门V6连接气体探测器；打开钢瓶Ⅲ13的阀门V1-3，从外部气源充入比气体探测器最高使用压力略低的高纯氦，例如120kPa，关闭阀门V1-3；

S2、打开阀门V3、V4和气体探测器的自带阀门；

S3、启动真空泵4，当绝压压力传感器2所显示压力为预设压力阈值时，交替开关阀门V5和V6，以确保气体探测器不长时间处于过低压力环境，此时阀门V5、V6的开闭状态为以下三种组合方式中一种，一是阀门V5开、阀门V6关，二是阀门V5关、阀门V6开，三是阀门V5关、阀门V6关；关闭阀门V4；其中，所述预设压力阈值依据气体探测器的压力使用范围设定，如可为20kPa；

S4、打开钢瓶Ⅲ13的阀门V2-3和V6，几秒钟后，直至绝压压力传感器2的压力数值不变化，关闭V2-3和V6；

S5、打开阀门V4，交替开关阀门V5和V6，当绝压压力传感器2所显示压力为预设压力阈值时，关闭阀门V4；

S6、重复S4和S5步骤数十次，关闭真空泵，并恢复所有阀门至关闭状态。

其中，步骤S6重复次数由气体探测器所测的前次常压放射性氙气体样品的比活度和气体探测器的记忆效应共同决定。

步骤（T）具体包括如下步骤：

T1、气体探测器已经由步骤S清洗数十次；打开钢瓶Ⅳ14的阀门V1-4，从外部充入已经刻度过的常压放射性氙气体样品，关闭阀门V1-4；

T2、打开阀门V3、V4和气体探测器的自带阀门，启动真空泵4，交替开关阀门V5和V6，当绝压压力传感器2所显示压力在0.1kPa左右，即低真空状态时，关闭阀门V4和V5，关闭真空泵；

T3、打开钢瓶Ⅳ14的阀门V2-4和V6，几秒钟后，当绝压压力传感器2的压力数值不变时，关闭阀门V2-4、V3 、V6和气体探测器的自带阀门，结束给气体探测器充入放射性氙气体样品的操作。

拆卸气体探测器，备用于其相对探测效率法的刻度。

进一步，步骤（S）对气体探测器进行清洗时，选择体积约为气体探测器体积125倍的钢瓶Ⅲ13，内充略低于气体探测器最高使用压力的高纯氦，如，比气体探测器最高使用压力低10~20kpa，既满足装置小型化的要求，又能以略高于常压的压力连续清洗气体探测器30次以上，以便在较短的时间内消除记忆效应对气体探测器测量准确度的影响，还减少装置对外部气源的依赖性；当气体探测器内压力低于100kPa时，补充钢瓶Ⅲ13内的高纯氦气体至略低于气体探测器的最高使用压力。

进一步，步骤（T）给气体探测器充入已经刻度过的常压放射性氙气体样品时，选择钢瓶Ⅳ14充入已经刻度过的常压放射性氙气体样品，其体积由该刻度过的常压放射性氙气体样品量而定，以确保已经刻度过的常压放射性氙气体样品解吸完全，且处于常压，满足气体探测器测量的使用要求，准确获取气体探测器的探测效率。

本发明作为专用于气体探测器部分基本性能参数测定的辅助装置，采用管道抽真空缓冲技术，能有效地进行气体探测器的检漏、体积标定、清洗和充入标定相对探测效率所需的放射性氙气体样品；圆满解决了气体探测器使用压力范围窄，压力精度控制高和重复操作多的需求，为气体探测器的研制提供了坚实的技术支撑。

本发明所述具体实施方案只是各种可能中的一种较为容易的方式。所有相关实施案例均为示例性的而非穷尽性的，该发明绝不仅仅限于所述实施案例。在不偏离本发明的实施案例范围和精神的情况下，许多修改和变更都是可能的和显而易见的。

Claims

1.一种专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于，所述装置包括：钢瓶组（1）、绝压压力传感器（2）、缓冲柱（3）和真空泵（4），各部件之间通过不锈钢管道和阀门进行连接，阀门初始状态均为关闭状态，其中，钢瓶组（1）、绝压压力传感器（2）、缓冲柱（3）和气体探测器分别位于十字型接口的各端；所述的钢瓶组（1）包括四个并联排布的钢瓶Ⅰ（11）和钢瓶Ⅱ（12）、钢瓶Ⅲ（13）和钢瓶Ⅳ（14）；钢瓶组（1）进气口前端与外部气源相连，外部气源为高纯氦气源或已经刻度过的常压放射性氙气体样品；缓冲柱（3）后端与真空泵（4）相连。

2.如权利要求1所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于，所述的钢瓶组（1）为自带两个阀门V1和V2的流洗式不锈钢钢瓶；具体地，钢瓶Ⅰ（11）自带阀门V1-1和阀门V2-1，钢瓶Ⅱ（12）自带阀门V1-2和阀门V2-2，钢瓶Ⅲ（13）自带阀门V1-3和阀门V2-3，钢瓶Ⅳ（14）自带阀门V1-4和阀门V2-4。

3.如权利要求2所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于，钢瓶Ⅰ（11）用于气体探测器的检漏，其体积不小于气体探测器体积的125倍，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦。

4.如权利要求2所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于，钢瓶Ⅱ（12）用于气体探测器的体积标定，其体积约为气体探测器体积的2倍，内充与气体探测器最高使用压力相当的高纯氦。

5.如权利要求2所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于，钢瓶Ⅲ（13）用于气体探测器的清洗，其体积约为气体探测器体积的125倍，内充低于气体探测器最高使用压力的高纯氦；当钢瓶Ⅲ（13）内气压低于100kPa时，补充钢瓶Ⅲ（13）内的高纯氦气体至低于气体探测器的最高使用压力。

6.如权利要求2所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于，钢瓶Ⅳ（14）用于给气体探测器相对探测效率刻度时放射性氙气体样品的充气，其体积由已经刻度过的常压放射性氙气体样品量而定。

7.如权利要求1-6任一项所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于：所述的绝压压力传感器（2）测量范围为0~200kPa，精度为0.25%。

8.如权利要求1-6任一项所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于：所述缓冲柱（3）为金属管，其体积与气体探测器的体积相当。

9.如权利要求8所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于：所述缓冲柱（3）的外形优选为螺旋型。

10.如权利要求1-6任一项所述的专用于气体探测器性能参数测定的辅助装置，其特征在于：所述的真空泵（4）抽速为每秒4升。