CN115290403A - 放射性惰性气体压缩取样瓶及含有该取样瓶的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放射性惰性气体压缩取样瓶及含有该取样瓶的检测装置，其中放射性惰性气体压缩取样瓶包括瓶体、第一承压单元、第二承压单元和透射窗，所述瓶体具有进气口和排气口，所述瓶体底部中间设有第一通孔；所述第一承压单元设在瓶体内；所述第一承压单元与瓶体底部密封固定连接；所述第二承压单元设在所述第一通孔内，且所述第二承压单元与所述第一通孔内壁固定连接；所述第二承压单元与所述第一承压单元固定连接；所述透射窗设在所述第二承压单元上。本发明所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，既可以安全加压，又可以大幅减轻屏蔽损失，进而可提高测量的灵敏度。

Description

放射性惰性气体压缩取样瓶及含有该取样瓶的检测装置

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，尤其涉及一种放射性惰性气体压缩取样瓶及含有该取样瓶的检测装置。

背景技术

核反应堆一回路通常承载冷却剂，比如轻水堆的一回路为水，重水堆的一回路为重水，气冷堆的一回路为氦气，熔盐堆一回路为融化的盐，快堆的一回路为融化的钠等。因为裂变反应，一回路或其旁路存在裂变气体，主要是惰性气体，例如氪85和氙133等。出于工艺监测、人员防护或环境保护目的，需要在反应堆一回路、与一回路相通的旁路、反应堆厂房、排风塔、厂房周边的环境等处进行放射性惰性气体取样，样品送实验室采用γ能谱仪进行测量和分析。

由于氪和氙是混在空气或者管道内的载气中的，且其含量很低(尤其是环境中的含量极低)，为了获得所需的灵敏度，通常在取样时对样品气体进行加压，使得单位体积样品气体中所包含的目标气体尽量多，这样可以用一个与能谱仪探测器尺寸相当的样品瓶盛装足够多的样品。一种典型应用是加压到30大气压，样品瓶的几何容量约1L。

氪85和氙133衰变产生的γ射线对于测量灵敏度极为不利。核素衰变产生γ射线能量越高、分支比越大，γ射线约容易到达能谱仪探测器，测量灵敏度越高。氪85衰变产生的γ射线能量稍高，为513.9keV，但分支比极低，为0.43％。氙133衰变产生的γ射线分支比很高，为99.1％，但能量极低，为80.9keV。为了在测量时γ射线尽可能多地进入到能谱仪的探测器，就需要尽可能减少γ射线路途中的损失。

但是，由于采用了上述压缩取样方法，取样瓶为了承受压力，必须采用较厚的压力容器，如钢质高压气瓶。相当厚度的钢材会对γ射线构成一定的屏蔽，导致样品本来就很弱的γ射线被大幅削减，尤其是低能核素氙133，其射线绝大多数都被钢瓶外壳吸收了，最终造成测量灵敏度过低，不可接受。

此外，为了承受巨大压力，钢瓶底部都是弧形的，而非平面。这对测量是不利的，因为能谱仪的探测器需要被测对象是一个规则体，或者可以方便修正为规则体的几何形状。例如圆柱、方体。而椭球端面造成测量模型非常复杂，即使采用复杂修正手段，也带来额外的测量不确定度和测量工作量。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种放射性惰性气体压缩取样瓶，由于设置在瓶体底部的第一通孔位置处安装了第一承压单元和第二承压单元，既可以安全加压，又可以大幅减轻屏蔽损失，进而可提高测量的灵敏度。

本发明的第二个目的在于提出一种检测装置。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种放射性惰性气体压缩取样瓶，包括：

瓶体，所述瓶体具有进气口和排气口，所述瓶体底部中间设有第一通孔；

第一承压单元，所述第一承压单元设在瓶体内；所述第一承压单元与瓶体底部密封固定连接；

第二承压单元，所述第二承压单元设在所述第一通孔内，且所述第二承压单元与所述第一通孔内壁固定连接；所述第二承压单元与所述第一承压单元固定连接；

透射窗，所述透射窗设在所述第二承压单元上。

另外，根据本发明上述实施例提出的放射性惰性气体压缩取样瓶，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一承压单元为第一碳纤维复合材料板、钛合金板或不锈钢板。

在本发明的一些实施例中，所述第一碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种；所述第一碳纤维复合材料板的厚度小于或者等于4mm。

在本发明的一些实施例中，所述第二承压单元为成网格状设置的若干加强筋，若干加强筋构成的网孔为所述透射窗。

在本发明的一些实施例中，所述加强筋与所述第一承压单元垂直设置。

在本发明的一些实施例中，平行于瓶体底部的平面内，所有透射窗的总面积与所有加强筋的总面积之比为(2-8):1

在本发明的一些实施例中，所述加强筋材质为第二碳纤维复合材料。

在本发明的一些实施例中，所述第二碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种。

在本发明的一些实施例中，所述第二承压单元为均匀开设有若干第二通孔的第三碳纤维复合材料板；所述第二通孔构成所述透射窗；所述第三碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种检测装置，包括能谱仪和本发明实施例所述的放射性惰性气体压缩取样瓶；所述能谱仪的探测器位于所述第二承压单元远离所述第一承压单元一侧，且两者正对设置；所述放射性惰性气体压缩取样瓶的进气口和排气口处均安装有承压阀。

本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的有益效果为：

1、可用于在核反应堆一回路、与一回路相通的旁路、反应堆厂房、排风塔、厂房周边的环境等处采集放射性惰性气体样品。

2、取样瓶底部由第一承压单元和和第二承压单元构成的三维结构的测量端窗，用以对准能谱仪的探测器，端窗对于测量目标产生的γ射线阻挡极小，约为现有钢瓶的1/10，其结果是测量灵敏度提高10倍以上。

3、可以加压取样，压力与现有钢瓶取样压力相当，安全压力30大气压以上。

4、由第一承压单元和和第二承压单元构成的三维结构的测量端窗内部几何形状为圆柱形，属于标准测量模型，更利于控制测量不确定度、减少异型模型的修正工作量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的主视剖视简单结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的仰视图。

图3是根据本发明一个实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶纵向剖切以后的局部效果图。

图4是根据本发明一个实施例的检测装置的简单结构示意图。

附图标记：

1-瓶体；2-第一承压单元；3-第二承压单元；4-进气口；5-出气口；6-透射窗；7-样品气体；8-第一通孔；9-能谱仪的探测器；10-承压阀；11-环形台肩。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

γ射线穿过任何有质量的物质，都有一定机会发生散射。只有其中一部分沿着原有方向的直线射出，直到最终被捕获。γ射线是有能量的，不同能量γ射线面对相同质量厚度的物体时，表现出的散射、直射比例不同。能量高的射线直射机会更大，能量低的射线散射机会更大。其结果是，高能γ射线更容易穿过物体，而低能γ射线更容易被物体阻挡。

加压30大气压的碳钢瓶，为了安全，静态承压都在50气压以上，瓶壁厚度超过6mm。对于氙133衰变产生的80.9keV能量γ射线而言，九成以上都被阻挡了，钢瓶底部的探测器几乎接收不到。

为了在核反应堆一回路、与一回路相通的旁路、反应堆厂房、排风塔、厂房周边的环境等处采集放射性惰性气体样品，实质性解决现有加压采集方式存在的高压气瓶对样品产生γ射线屏蔽损失进而导致测量灵敏度极低的问题，本发明通过在取样瓶底部设计由第一承压单元和和第二承压单元构成的三维结构的端窗，通过平面受力和纵向受力相结合的结构，实现承受压力，可安全加压的同时，减小γ射线运动方向上所经过的几何厚度，从而大幅减轻屏蔽损失，减轻阻挡，提高测量的灵敏度。

下面结合附图来描述本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶、检测装置。

图1是根据本发明一个实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的主视剖视简单结构示意图。

如图1所示，本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶，包括瓶体1、第一承压单元2、第二承压单元3和透射窗6；瓶体1具有进气口4和排气口5，瓶体1底部中间设有第一通孔8；第一承压单元2设在瓶体1内；第一承压单元2与瓶体1底部密封固定连接；第二承压单元3，第二承压单元3设在第一通孔8内，且所述第二承压单元与所述第一通孔内壁固定连接；第二承压单元3与第一承压单元2固定连接；透射窗6设在第二承压单元3上。

本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶，本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶，由于设置在瓶体底部的第一通孔位置处安装了第一承压单元和第二承压单元，第一承压单元和第二承压单元构成三维结构的端窗，取样瓶内部空间在端窗位置是圆柱形的，而非椭球型的，测量模型标准，无需复杂修正，使用时既可以安全加压，又可以大幅减轻屏蔽损失，进而可提高测量的灵敏度。

需要说明的是，本发明中，放射性惰性气体可以是氪、氙等。

为了可方便能谱仪检测，在一些实施例中，瓶体的形状为长方体、圆柱体、正方体等规则的几何形状。需要说明的是，瓶体内壁与外壁平行设置。可选的，瓶体的材质可以选择不锈钢、碳纤维、钛合金等，其中碳纤维可以选择聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维等，钛合金可以选择TC4、TA7等。作为一种可能的示例，瓶体为圆柱体状，材质选择碳纤维，比如聚丙烯腈基碳纤维。

可以理解的是，如图1和图3所示，瓶体1底部中间设有第一通孔8，瓶体底部处第一通孔以外的部分构成环形台肩11。

在本发明中，第一承压单元2与瓶体1底部密封固定连接，其实现方式不限，第一承压单元的形状、大小不限，只要保证可以在瓶体内构成封闭空腔即可，例如通过螺栓和垫圈等机械连接，采用环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接，或者采用超声波焊接、激光焊接等。作为一种可能的示例，第一承压单元2形状和尺寸均与瓶体内部其安装位置处相当，第一承压单元2与瓶体1底部的环形台肩通过焊接的方式固定连接。

在一些实施例中，第一承压单元2采用第一碳纤维复合材料板，其中第一碳纤维复合材料可以选择聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种，第一碳纤维复合材料板的厚度≤4mm；比如在一个实施例中，第一承压单元2可以采用2.2mm的聚丙烯腈基碳纤维板。采用碳纤维复合材料制作第一承压单元，相同几何厚度材料的质量、厚度大幅减轻，其结果是进一步减轻阻挡。

在另一些实施例中，第一承压单元2采用钛合金板、不锈钢板等金属材料板，其中钛合金可以选择TC4、TA7等。

在一些实施例中，如图2所示，第二承压单元3为成网格状设置的若干加强筋，若干加强筋构成的网孔为透射窗6。可选的，为了保证第二承压单元能最大限度的承接来自第一承压单元的压力，加强筋需与第一承压单元2垂直设置。同时，在一些实施例中，还需要保证一定的透射窗总面积与加强筋总面积比，例如在平行于瓶体底部的平面内(比如当瓶体竖直放置时，与瓶体底部平行的平面为水平面)，所有透射窗的总面积与所有加强筋的总面积比为(2-8):1。需要说明的是，加强筋与第一承压单元成锐角或钝角设置，以及所有透射窗的总面积与所有加强筋的总面积比太大，都会降低第二承压单元能承接来自第一承压单元的压力的能力；而所有透射窗的总面积与所有加强筋的总面积比太小，一方面透射窗面积太小，不方便能谱仪检测，另一方面会造成成本上升。作为一种可能的示例，在平行于瓶体底部的平面内(比如当瓶体竖直放置时，与瓶体底部平行的平面为水平面)，所有透射窗的总面积与所有加强筋的总面积之比为5:1。

需要说明的是，第二承压单元3为成网格状设置的若干加强筋，这里在一些实施例中，若干加强筋端部(靠近第一通孔内壁的端部)直接与第一通孔内壁通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接，或者采用超声波焊接、激光焊接；在另一些实施例中，除了所有加强筋端部直接与第一通孔内壁通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接，或者采用超声波焊接、激光焊接等，靠近第一通孔内壁的加强筋其紧邻第一通孔内壁一侧也与第一通孔内壁通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接，或者采用超声波焊接、激光焊接等；在又一些实施例中，为了扩大第二承接单元与第一通孔的固定面，提高压力承接能力，在若干加强筋端部(靠近第一通孔内壁的端部)设置一个环状连接部，环状连接部内表面通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接或者采用超声波焊接、激光焊接等与若干加强筋端部固定连接，环状连接部外表面通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接或者采用超声波焊接、激光焊接等与第一通孔的内壁固定连接。

在一些实施例中，加强筋材质为第二碳纤维复合材料，第二碳纤维复合材料可以选择聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种。加强筋的材质(也即第二承压单元的材质)可以选择跟第一承压单元相同的材质，也可以选择不同的材质。作为一种可能的示例，第二承压单元的材质与第一承压单元的材质相同，均采用聚丙烯腈基碳纤维，第二承压单元与第一承压单元采用一体成型的固定连接方式。作为另一种可能的示例，第二承压单元的材质与第一承压单元的材质不同，第二承压单元的材质采用聚丙烯腈基碳纤维，第一承压单元的材质采用粘胶基碳纤维，第二承压单元靠近第一承压单元一侧的表面与第一承压单元通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接，或者采用超声波焊接或激光焊接。

在另一些实施例中，第二承压单元3为均匀开设有若干第二通孔的第三碳纤维复合材料板；第二通孔构成透射窗6；第三碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种。第三碳纤维复合材料板上，与瓶体底部平行的平面内，若干第二通孔的总面积(也即所有透射窗的总面积)与其余部分的总面积之比为(2-8):1，例如5：1。第三碳纤维复合材料板的材质可以与第一承压单元相同或不同，具体情形与第二承压单元采用网格状的若干加强筋的情形类似，在此不再赘述。第三碳纤维复合材料板靠近第一通孔内壁一侧的外表面通过环氧树脂类、聚氨酯类粘胶连接，或者采用超声波焊接或激光焊接。

在本发明中，采用碳纤维复合材料(第二碳纤维复合材料或第三碳纤维复合材料)制作第二承压单元，相同几何厚度材料的质量、厚度大幅减轻，其结果是进一步减轻阻挡。

在本发明中，第二承压单元3的厚度不能太大，也不能太小，介于通孔深度的1/2-1倍之间即可，例如在一些实施例中，第二承压单元3的厚度与第一通孔的深度相当(如图1所示)，在另一些实施例中，第二承压单元3的厚度与第一通孔的深度的5/6(如图3所示)。第二承压单元的厚度太小，其与第一通孔内壁(也即瓶体)的固定部位面积交，承压能力减小；第二承压单元的厚度太大，比如大于第一通孔的深度，延伸至第一通孔外部，一方面耗材，另一方面不方便取样瓶稳定放置，同时会增加能谱仪的探测器与瓶体内样品气体的检测间距，降低检测灵敏度。

在一些实施例中，瓶体的壁厚为5-10mm，作为一种可能的示例，瓶体的壁厚为6mm。

本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的工作原理为：

第一承压单元2和第二承压单元3紧密结合成一个整体，且与瓶体1底部位于瓶体1内一侧表面(环形台肩11位于瓶体1内一侧表面)、第一通孔8内表面紧密结合。使用时，如图2所示，自进气口4引入样品气体7，取样瓶内的样品气体7加压后在第一承压单元22上形成巨大压力(40个大气压)，第二承压单元33中相邻两个加强筋或相邻两个第二通孔之间的压力由第一承压单元22承受，而整个第一承压单元22的压力则由其下方的第二承压单元33承受。样品气体7发出的γ射线大部分经过透射窗6到达外部能谱仪的探测器9。探测器9对样品气体进行分析，获得氪、氙等放射性气体的活度浓度。第一承压单元22是平面的，瓶体11内部样品7在测量方向是圆柱形的。

如图2所示，本发明实施例的检测装置，包括能谱仪和本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶；能谱仪的探测器9位于第二承压单元3远离第一承压单元2一侧，且两者正对设置；放射性惰性气体压缩取样瓶的进气口4和排气口5处均安装有承压阀10。

本发明实施例的检测装置，具有本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的有益效果，其使用时能谱仪的探测器9与发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶配合工作的过程与本发明实施例的放射性惰性气体压缩取样瓶的工作原理基本相同，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，包括：

瓶体，所述瓶体具有进气口和排气口，所述瓶体底部中间设有第一通孔；

第一承压单元，所述第一承压单元设在瓶体内；所述第一承压单元与瓶体底部密封固定连接；

第二承压单元，所述第二承压单元设在所述第一通孔内，且所述第二承压单元与所述第一通孔内壁固定连接；所述第二承压单元与所述第一承压单元固定连接；

透射窗，所述透射窗设在所述第二承压单元上。

2.根据权利要求1所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述第一承压单元为第一碳纤维复合材料板、钛合金板或不锈钢板。

3.根据权利要求1所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述第一碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种；所述第一碳纤维复合材料板的厚度小于或者等于4mm。

4.根据权利要求1所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述第二承压单元为成网格状设置的若干加强筋，若干加强筋构成的网孔为所述透射窗。

5.根据权利要求4所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述加强筋与所述第一承压单元垂直设置。

6.根据权利要求4所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，平行于瓶体底部的平面内，所有透射窗的总面积与所有加强筋的总面积之比为(2-8):1。

7.根据权利要求4所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述加强筋材质为第二碳纤维复合材料。

8.根据权利要求7所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述第二碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种。

9.根据权利要求1所述的放射性惰性气体压缩取样瓶，其特征在于，所述第二承压单元为均匀开设有若干第二通孔的第三碳纤维复合材料板；所述第二通孔构成所述透射窗；所述第三碳纤维复合材料为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种。

10.一种含有如权利要求1至9任意一项所述的取样瓶的检测装置，其特征在于，包括能谱仪；所述能谱仪的探测器位于所述第二承压单元远离所述第一承压单元一侧，且两者正对设置；所述放射性惰性气体压缩取样瓶的进气口和排气口处均安装有承压阀。

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