CN218766496U - 一种开放空气中钠气溶胶检测系统 - Google Patents

Abstract

一种开放空气中钠气溶胶检测系统，利用电能变换单元将蓄电池储存电能变换为直流高压，纳秒脉冲产生单元将直流高压变换为重频高压纳秒脉冲，开放空气中放电装置中气体抽取装置将待测气体输送至同轴金属棒电极间隙中。重频高压纳秒脉冲作用于开放空气中放电装置，间隙产生火花放电，通过碰撞电离和解离激发过程实现钠气溶胶高效激发，钠退激发过程形成钠特征谱线；光纤准直器收集放电间隙全部发射光，并传输至光谱仪。脉冲放电与光谱仪时间同步单元提供两路具有可调时间差的同步触发信号，光谱仪所采集的仅为火花放电持续时间内的辐射光，提高光谱信号的信噪比。如果光谱仪测量的钠特征谱线高于预设限制，判断开放空气中存在钠气溶胶。

Description

一种开放空气中钠气溶胶检测系统

技术领域

本实用新型涉及钠气溶胶检测技术域，具体涉及一种开放空气中钠气溶胶检测系统。

背景技术

钠冷快中子反应堆是一种快中子增殖反应堆，以液态金属钠作为冷却剂。液态金属钠具有低密度、高导热率、高沸点等优良特性，中子吸收截面小，与堆芯材料具有良好相容性。然而，钠是活泼金属，当管道或设备破损时，液态金属钠可能会泄漏到空气中发生燃烧，导致严重火灾事故和设备损伤，因此，液态金属钠泄漏的实时监测与早期预警对于钠冷快中子反应堆安全稳定运行具有重要意义。液态金属钠泄漏早期会在空气中形成钠气溶胶，设备日常运维需要操作人员定期巡检监测空气中钠气溶胶含量。实时、准确、便携式的开放空气中钠气溶胶检测传感器是监测液态金属钠泄漏的迫切需求。

国内外现有的金属钠泄漏检测原理包括分布式或单点接触式钠泄漏传感、波动式钠电离传感、激光振荡电离质谱法、高能激光离解法、钠火产物监测、含氩气等载气的微波等离子体法等。分布式或单点接触式钠泄漏传感利用金属钠的导电性，当发生金属钠泄漏时，液态钠会造成分布式或单点接触式钠泄漏传感器两根不锈钢丝电极短路，形成短路信号。然而，在液态金属钠泄漏早期空气中仅存在微量钠气溶胶，两根不锈钢丝电极间阻抗仍极大，此种方法仅适用于大量金属钠泄漏。波动式钠电离传感基本原理为监测直流电压下离子电流，离子电流波动反映空气中钠气溶胶含量有关，然而此种方法需要检测百pA级别微弱电流，对于测量设备的电流测量精度要求高，且微弱电流幅值受到检测回路中电阻元件热噪声的影响。激光振荡电离质谱法特点是只检测金属钠同位素，有利于区分空气背景钠气溶胶和由于管道中泄漏产生的钠气溶胶，包括取样、激光激发原子化、激光振荡、基于质谱仪的钠离子检测等步骤，然而该方法需要激光器、飞行时间法质谱仪等复杂设备，不适用于现场巡检。高能激光离解法是采用激光脉冲对采样气体进行离解形成局部高温等离子体，通过检测金属钠特征谱线得到钠气溶胶含量，高能激光器输出能量稳定性决定检测稳定性，然而激光器输出稳定能量需要严苛的温湿度条件，难以适用于现场巡检。钠火产物监测法基本原理为通过有机气体燃烧实现取样气体原子化，与高能激光离解法类似，通过检测金属钠特征谱线得到钠气溶胶含量，然而该方法需要引入有机气体，存在火灾风险。含氩气等载气的微波等离子体法的基本原理与高能激光离解法、钠火产物监测法类似，区别在于产生等离子体的途径，该方法需要将空气取样后与氩气等易电离载气输入反应腔，在微波电源的作用下实现气体原子化。该方法需要氩气等载气以产生稳定的等离子体，需携带高压气瓶，且整体功耗在百瓦量级。

对比文件：

公开号为CN 110320203A，专利名称为“一种空气中钠气溶胶在线探测装置及方法”的专利文件中，公开了一种空气中钠气溶胶在线探测装置及方法。该装置。该装置包括：采样分流装置、原子发射光谱激发源、光谱监测装置、校正瓶。采样分流装置将空气样品输送到原子发射光谱激发源，原子发射光谱激发源将空气样品中的钠气溶胶激发出原子发射光谱，并通过光谱监测装置收集原子发射光谱。然而，该专利文件需要氩气等载气以产生等离子体，需携带高压气瓶，且整体功耗在百瓦量级。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种开放空气中钠气溶胶检测系统，在开放空气中放电装置形成重频高压纳秒脉冲火花放电，实现钠气溶胶高效电离和激发，并通过脉冲放电与光谱仪时间同步单元仅使光谱仪采集脉冲放电期间光谱信号，提高光谱信号的信噪比。本实用新型实现了开放空气钠气溶胶实时检测，无需氩气等易电离载气和高能激光器等复杂设备，功耗仅约现有微波等离子体法的十分之一，有利于实现现场巡检和大规模分布式实时监测。此外，本实用新型可通过灵活调节脉冲参数(如脉冲电压幅值、脉冲频率等)实现调控钠气溶胶检测灵敏度。

为达到上述技术目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种开放空气中钠气溶胶检测系统，包括储存电能的蓄电池1、与蓄电池1连接并将蓄电池储存电能变换为直流高压的电能变换单元2、与电能变换单元2连接的将直流高压变换为重频高压纳秒脉冲并施加给开放空气中放电装置4，实现重频高压纳秒脉冲参数调节的脉冲产生单元3、与脉冲产生单元3连接的开放空气中放电装置4、与开放空气中放电装置4连接的获得发射光的光谱特征并判断是否存在钠特征谱线的光谱仪5、与脉冲产生单元3和光谱仪5连接的为脉冲产生单元和光谱仪提供两路具有可调时间差的同步触发信号的脉冲放电与光谱仪时间同步单元6；开放空气中形成重频高压纳秒脉冲火花放电，实现钠气溶胶高效电离和激发，并通过脉冲放电与光谱仪时间同步单元6仅采集脉冲火花放电持续时间内光谱信号，降低脉冲间隔期背景噪声，并通过累积多个重频高压纳秒脉冲火花放电发射光谱，提高光谱信号的信噪比；如果光谱仪5测量的钠特征谱线高于预设限制，判断开放空气中存在钠气溶胶。

脉冲产生单元3通过改变重频高压纳秒脉冲参数实现调控钠气溶胶检测灵敏度。

所述开放空气中放电装置4包括外壳12，通过金属电极固定装置8固定在外壳12的顶面和底面的一对同轴金属棒电极7，一对同轴金属棒电极7插入外壳12内的一端间留有间隙；安装在外壳12一侧面从待测环境中抽取气体的气体抽取装置9，安装在外壳12另一侧面与气体抽取装置9位置相对的气体排出口10；安装在外壳12正面的光纤准直器11，光纤准直器11用于收集重频纳秒脉冲电压施加在同轴金属棒电极7间隙上形成火花放电产生的光并将光信号由光纤输送至光谱仪5。

一对同轴金属棒电极7选择熔点高且耐烧蚀的金属材料，且电极原子发射光谱在金属钠特征光谱范围不能有谱线峰，避免干扰金属钠特征光谱检测。

一对同轴金属棒电极7端部间隔距离在1mm～10mm范围内调节。

光纤准直器11采用非球面凸透镜，并保证光纤端面位于凸透镜焦点，提高发射光馈入光纤效率。

外壳12为塑料立方外壳，底部连接一对装置支架13。

光谱仪5采用非交叉对称Czerny-Turner结构的便携式光纤光谱仪，且需具备外部同步触发功能。

所述的一种开放空气中钠气溶胶检测系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：电能变换单元2将蓄电池1储存的低压直流电压转变为脉冲产生单元3所需的直流高压；

步骤2：脉冲产生单元3将直流高压变换为重频高压纳秒脉冲，脉冲产生单元3通过改变重频高压纳秒脉冲参数实现调控钠气溶胶检测灵敏度；

步骤3：重频高压纳秒脉冲作用于开放空气中放电装置4，同轴金属棒电极7放电间隙内形成重频高压纳秒脉冲火花放电；

步骤4：重频高压纳秒脉冲火花放电激发开放空气中钠气溶胶产生钠特征谱线；

步骤5：脉冲放电与光谱仪时间同步单元6提供两路具有可调时间差的同步触发信号，分别传送至脉冲产生单元3和光谱仪5；调节两路同步触发信号时间差，使得光谱仪5的采集范围完整覆盖火花放电持续时间，降低脉冲间隔期背景噪声，通过累积多个重频高压纳秒脉冲火花放电发射光谱，提高光谱信号的信噪比；光谱仪5测量结果通过数据线传送至电脑软件进行后续处理和判断；如果钠特征谱线高于预设限制，则判断开放空气中存在钠气溶胶。

为定量获得开放空气中钠气溶胶含量，需要首先基于标准钠气溶胶样品获得检测装置的定标系数，由于光谱强度和钠气溶胶含量呈正比例关系，进而根据光谱强度计算开放空气中钠气溶胶含量。

和现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)采用开放空气中重频高压纳秒脉冲火花放电，大气压环境放电，无需使用传统微波等离子体法中氩气等易电离载气，检测装置不含真空泵等复杂耗能装置，装置结构简化，设备功耗显著降低，便于实现现场巡检和大规模分布式实时监测；

2)采用重频高压纳秒脉冲火花放电形式，电子密度和气体温度高，电离效率比传统直流、交流等放电高，提高钠气溶胶激发效率，有利于增大钠气溶胶检测效率和信噪比；

3)通过调节脉冲参数(如脉冲电压幅值、脉冲频率等)实现调控钠气溶胶检测灵敏度；

4)通过脉冲放电与光谱仪时间同步装置实现仅采集脉冲放电期间光谱信号，提高有效信号的信噪比。

附图说明

图1为本实用新型开放空气中钠气溶胶检测系统示意图。

图2为开放空气中放电装置结构示意图。

图3为基于重频纳秒脉冲放电的开放空气中钠气溶胶检测方法的检测流程图。

图4a和图4b分别为基于重频纳秒脉冲放电的开放空气中钠气溶胶检测方法对无模拟NaCl雾和有模拟NaCl雾的检测效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，本实用新型一种开放空气中钠气溶胶检测系统，包括：蓄电池1、电能变换单元2、脉冲产生单元3、开放空气中放电装置4、光谱仪5、脉冲放电与光谱仪时间同步单元6。各部分作用如下：

蓄电池1：储存电能，并为电能变换单元2提供电能；

电能变换单元2：将蓄电池1储存电能变化为直流高压输入脉冲产生单元3；

脉冲产生单元3：将电能变换单元2输入的直流高压变化为重频高压纳秒脉冲，施加在开放空气中放电装置4，实现重频高压纳秒脉冲参数调节；

开放空气中放电装置4：如图2所示，开放空气中放电装置4包括一对同轴金属棒电极7，由金属电极固定装置8固定在塑料立方外壳12的顶面和底面。气体抽取装置9安装在塑料立方外壳12的侧面，从待测环境中抽取气体，气体通过同轴金属棒电极7间隙后由安装在塑料立方外壳12侧面的气体排出口10排出，气体排出口10安装在气体抽取装置9的对面。重频纳秒脉冲电压施加在同轴金属棒电极7间隙上形成火花放电，放电产生的光由安装在塑料立方外壳12正面的光纤准直器11收集，光纤准直器11将光信号由光纤输送至光谱仪5。塑料立方外壳12底面连接一对装置支架13。

光谱仪5：获得开放空气中放电装置4内放电发射光的光谱特征，判断是否存在钠特征谱线；

放电与光谱仪时间同步单元6：为脉冲产生单元3和光谱仪5提供两路具有可调时间差的同步触发信号。

本实用新型方法的检测原理为：

利用电能变换单元2将蓄电池1储存电能变化为直流高压，脉冲产生单元3将直流高压通过电容放电、脉冲变压器升压、脉冲压缩等过程变化为重频高压纳秒脉冲，可以通过调节脉冲产生单元3内部元件参数调节重频高压纳秒脉冲的上升沿、幅值、脉宽参数。开放空气中放电装置4中气体抽取装置9将待测气体输送至同轴金属棒电极7间隙中。重频高压纳秒脉冲作用于开放空气中放电装置4，同轴金属棒电极7间隙产生火花放电，火花放电瞬时释放能量，通过碰撞电离和解离激发过程实现钠气溶胶高效激发，钠退激发过程形成钠特征谱线。开放空气中放电装置4中的光纤准直器11收集放电间隙全部发射光，并通过光纤将发射光传输至光谱仪5。脉冲放电与光谱仪时间同步单元6提供两路具有可调时间差的同步触发信号，分别传送至脉冲产生单元3和光谱仪5，因此光谱仪5所采集的仅为火花放电持续时间内的辐射光，减少两个脉冲间隔期背景噪声，并通过累积多个重频高压纳秒脉冲火花放电发射光谱，提高光谱信号的信噪比。光谱仪5测量结果通过数据线传送至电脑软件，如果钠特征谱线高于预设限制，判断开放空气中存在钠气溶胶。

如图3所示，开放空气中钠气溶胶检测流程如下：

步骤1：电能变换单元2将蓄电池1低压直流电压转变为脉冲产生单元3所需的直流高压，优选的蓄电池1低压直流电压为12V，脉冲产生单元3所需的直流高压为0-1000V。

步骤2：脉冲产生单元3将直流高压变换为重频高压纳秒脉冲，脉冲电压波形参数(包括电压幅值、脉冲宽度、脉冲频率等)可以根据开放空气中放电装置、检测灵敏度确定。脉冲产生单元3开关器件优选采用磁开关、全控型IGBT等大功率全固态开关器件。脉冲产生单元3电路拓扑优选免复位磁开关脉冲产生电路和基于全控型IGBT的Marx脉冲产生电路。

步骤3：开放空气中放电装置4包含同轴金属棒电极7、金属电极固定装置8、气体抽取装置9、气体排出口10、光纤准直器11、塑料立方外壳12、装置支架13。开放空气中放电装置4优选两个同轴布置且端部间隔一定距离的棒—棒金属电极7。金属电极7的选择原则包括两方面：一是考虑火花放电中金属钠与电极表面熔融，优选钨、铬等熔点高且耐烧蚀的金属材料，避免选择铜、铁、铝等熔点低、不耐烧蚀金属材料或合金材料；二是电极原子发射光谱在金属钠特征光谱范围不能有谱线峰，避免干扰金属钠特征光谱检测。两个同轴金属棒电极7端部间隔距离可在1mm～10mm范围内调节。金属电极固定装置8保证两个同轴金属棒电极7的同轴度。气体抽取装置9采用风扇等抽取待测环境气体，促进气体定向流动的装置，减弱空气中钠气溶胶在金属电极表面物理附着现象。气体排出口10设置在气体抽取装置9的对侧，便于气体流出开放气体中放电装置4。光纤准直器11固定于开放空气中放电装置4正面，光纤安装于光纤准直器11上，目的是采集放电间隙全部发射光，光纤准直器11优选采用非球面凸透镜，并保证光纤端面位于凸透镜焦点，提高发射光馈入光纤效率。重频高压纳秒脉冲作用于开放空气中放电装置4，放电间隙内形成重频高压纳秒脉冲火花放电。

步骤4：重频高压纳秒脉冲火花放电激发开放空气中钠气溶胶产生钠特征谱线，优选钠元素最强发射谱线(588.995nm和589.592nm)。

步骤5：脉冲放电与光谱仪时间同步单元6为提供两路具有可调时间差的同步触发信号，分别传送至脉冲产生单元3和光谱仪5。光谱仪5优选采用非交叉对称Czerny-Turner结构的便携式光纤光谱仪，且需具备外部同步触发功能。调节两路同步触发信号时间差，使得光谱仪5的采集范围完整覆盖火花放电持续时间，降低脉冲间隔期背景噪声，通过累积多个重频高压纳秒脉冲火花放电发射光谱，提高光谱信号的信噪比。光谱仪5测量结果通过数据线传送至电脑软件进行后续处理和判断。如果钠特征谱线高于预设限制，则判断开放空气中存在钠气溶胶。为定量获得开放空气中钠气溶胶含量，需要首先基于标准钠气溶胶样品获得检测装置的定标系数，由于光谱强度和钠气溶胶含量呈正比例关系，进而根据光谱强度计算开放空气中钠气溶胶含量。

如图4a和图4b所示，为基于重频纳秒脉冲放电的开放空气中钠气溶胶检测方法对无模拟NaCl雾和有模拟NaCl雾的检测效果图，从图中可以看出：无模拟NaCl雾时，放电587nm至593nm范围内光谱强度整体处于噪声水平，有模拟NaCl雾时，放电光谱存在588.995nm和589.592nm两个特征峰，强度分别为噪声水平的8倍和5倍以上，证明本实用新型检测系统可以实现钠气溶胶检测目的。

Claims (6)

1.一种开放空气中钠气溶胶检测系统，其特征在于：包括储存电能的蓄电池(1)、与蓄电池(1)连接并将蓄电池储存电能变换为直流高压的电能变换单元(2)、与电能变换单元(2)连接的将直流高压变换为重频高压纳秒脉冲并施加给开放空气中放电装置(4)，实现重频高压纳秒脉冲参数调节的脉冲产生单元(3)、与脉冲产生单元(3)连接的开放空气中放电装置(4)、与开放空气中放电装置(4)连接的获得发射光的光谱特征并判断是否存在钠特征谱线的光谱仪(5)、与脉冲产生单元(3)和光谱仪(5)连接的为脉冲产生单元和光谱仪提供两路具有可调时间差的同步触发信号的脉冲放电与光谱仪时间同步单元(6)。

2.根据权利要求1所述的一种开放空气中钠气溶胶检测系统，其特征在于：所述开放空气中放电装置(4)包括外壳(12)，通过金属电极固定装置(8)固定在外壳(12)的顶面和底面的一对同轴金属棒电极(7)，一对同轴金属棒电极(7)插入外壳(12)内的一端间留有间隙；安装在外壳(12)一侧面从待测环境中抽取气体的气体抽取装置(9)，安装在外壳(12)另一侧面与气体抽取装置(9)位置相对的气体排出口(10)；安装在外壳(12)正面的光纤准直器(11)，光纤准直器(11)用于收集重频纳秒脉冲电压施加在同轴金属棒电极(7)间隙上形成火花放电产生的光并将光信号由光纤输送至光谱仪(5)。

3.根据权利要求2所述的一种开放空气中钠气溶胶检测系统，其特征在于：一对同轴金属棒电极(7)端部间隔距离在1mm～10mm范围内调节。

4.根据权利要求2所述的一种开放空气中钠气溶胶检测系统，其特征在于：光纤准直器(11)采用非球面凸透镜，并保证光纤端面位于凸透镜焦点。

5.根据权利要求2所述的一种开放空气中钠气溶胶检测系统，其特征在于：外壳(12)为塑料立方外壳，底部连接一对装置支架(13)。

6.根据权利要求1所述的一种开放空气中钠气溶胶检测系统，其特征在于：光谱仪(5)采用非交叉对称Czerny-Turner结构的便携式光纤光谱仪，且需具备外部同步触发功能。

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