DE6937452U - Vorrichtung zur spektrofotometrie von atomabsorption fuer die analyse radioaktiver loesungen - Google Patents

Description

Patentanwalt· !.-!ng. R. Beetz u.

>i'pl.-lng. i.-mprocht 410-14.948g 24.9.1969

MOnchen 22, Stelnsdorfs.tr. Ijf

Commissariat ä !Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Vorrichtung zur Spektrofotometrie von Atomabsorption für die Analyse radioaktiver Lösungen

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Spektrofotometrie von Atomabsorption für die Analyse von Lösungen, insbesondere von radioaktiven Lösungen, vor allem zur quantitativen Analyse von Verunreinigungen in diesen Lösungen.

Die Spektrofotometrie von Atomabsorption für die physiko-chemieehe quantitative Analyse von Elementen in Lösung ist bereits bekannt. Danach wird die Lösung, die ein quantitativ zu bestimmendes Element enthält, in einer Flamme verdampft, auf die ein Lichtstrahl fällt, der von einer Entladungslampe mit Hohlkathode ausgeht, die aus dem gleichen Element wie das in der Lösung quantitativ zu bestimmende besteht» Dieser Lichtstrahl wird teilweise durch die Atome absorbiert, die in der Flamme durch die

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Verdampfung der Lösung erzeugt werden. Eine Anordnung von fotoelektrischer Zelle, Verstärker und Registriergerät erlaubt die Überwachung der Intensität der stärksten Spektrallinie des betrachteten Elements im Spektrum des abgegebenen Lichts, die in einem der Lichtquelle zugeordneten Spektrometer analysiert wird, wobei die gemessene Absorption eine Funktion der Konzentration des Elements in der Lösung ist. Dieses Verfahren,, das im Vergleich zu anderen ähnlichen Verfahren (Spektrokolometrie, Polaro= grafie usw.) bemerkenswert schnell vor sich geht, benötigt nur eine Vorkalibrierung, die im allgemeinen durch Verdampfen in der Flamme von genau dosierten Mengen des Elements vorgenommen wird.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die Anwendung dieses Verfahrens der quantitativen Analyse für radioaktive Elemente in Lösung ermöglicht und einer gewissen Anzahl von Sicherheitsanforderungen wegen der gefährlichen Natur dieser Elemente und wegen der Kontaminationsgefahr genügt.

Eine Vorrichtung zur Spektrofotometrie von Atomabsorption für die Analyse von radioaktiven Lösungen, mit einem Brenner, der mit BrenngasZuführungen versehen ist, mit einer Einrichtung zur Zerstäubung einer ein quantitativ zu bestimmendes Element enthaltenden Lösung in der Brennerflamme, mit einer Lichtquelle, die eine Entladungslampe aufweist, deren Kathode aus dem gleichen Element besteht und mit e:\nem gegenüber der Lichtquelle angeordneten Spektrometer zur Messung der Absorption des Lichtstrahls durch die in der Flamme vom quantitativ zu bestimmenden Element erzeugten Atome ist gemäß der Neuerung dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner sich im Innern

eines dicht abgeschlossenen Behälters befindet, der mit Beobachtungsfenstern für den von der Lichtquelle emittierten Strahl versehen ist, dar die Flamme in Richtung zum Spektrometer durchläuft, und daß der Behälter eine Einrichtung zur Kühlung und zum Absaugen der Verbrennungsgase, eine von den Verbrennungsgasen durchströmte Einrichtung zur Rückgewinnung der radioaktiven Abfälle und '/icherheitsorgane zur Überwachung der Flamme des Durchsatzes und der Temperatur der Gase aufweist.

Die Neuerung wird dadurch weitergebildet, daß die Einrichtung zur Kühlung und zum Absaugen der Verbrennungsgas einen Sauglüfter aufweist, der sich an einem Ende eines an den dichten Behälter angeschlossenen Abzugsrohrs für die Verbrennungsgase befindet, das nacheinander eine erste Tauchbadsäule mit Raschig-Ringeu in verdünnter Schwefelsäure, eine Kühlschlange zur Kühlung der Gase durch Umwälzung einer Hilfsflüssigkeit und eine zweite Tauchbadsäule zur Neutralisation in Soda von mitgeführten Säuredämpfen durchläuft.

Es ist ferner zweckmäßig, daß Spülluft durch den dichten Behälter zum Abzugsrohr durch einen Rückschlag-Verschluß aus einem elastischen Balg einströmbar ist, der eich in der Wand des Behälters befindet und bei Erzeugung von Unterdruck durch den Sauglüfter öffnet, und daß der Verschluß außerhalb des Behälters von einer Schutzhaube umgeben ist, die ein Anemometer zur Überwachung des Luftdurchsatzes enthält.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß die Einrichtung der Rückgewinnung der radioaktiven Abfälle ein Ableitungsabsperrorgan, das sich in Einern Bogen des Abzugsrohres am

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unteren Ende der ersten Tauchbadsäule befindet, und eine Reihe von Filtern aufweist, die sich in dem Abzugsrohr hinter der Kühlschlange befinden und zu denen Differentialmanometer parallel geschaltet sind, die den Ladungsverlust an den Filtern für die Überwachung des Durchsatzes der Verbrennungsgase messen.

Die Neuerung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, ι der ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Neuerung teilweise in perspektivischer Ansicht und teilweise im Schnitt abgebildet ist.

Die abgebildete Vorrichtung hat einen Brenner 1, dor mit Einlaßstutzen 2 und 3 versehen ist, die über Rohrleitungen k und 5 an zwei Vorratsflaschen 6 und 7 angeschlos- \ sen sind, die jeweils ein Brenngas enthalten, dessen Mi

schung zu einer leuchtenden Flamme mit starker Wärmeentwicklung führt. Vorteilhafterweise kann man unter den mög-

\ liehen Gasgemischen Gase wie Acetylen und Luft, Sauerstoff

ί und Luft oder Stickstoffdioxyd und Acetylen wählen. In

< den Rohrleitungen k und 5 sind stromabwärts zu den Vor«

ι ratsflaschen 6 und 7 Druckreduzierventile 8, den Gasdruck

messende Manometer 9, Aktivkohlefilter 10 und Filter 11, die eventuell mitgeführten Staub auffangen, und Schnellst chlußkupplungen 12 für den Anschluß der Vorratsflaschen an die Vorrichtung angeordnet. Der Gasdurchsatz durch die Rohrleitungen h und 5 wird durch einen Handmengenregler 13 geregelt, wobei ihre Gasabgabe an den Brenner 1 über exptosionssichere Schieber 14 und Schnellschlußschieber gesteuert wird. Vor ihres: Eintritt in den Brenner strömen die Gase durch ein letztes Filter 16, das vorzugsweise aus gesintertem rostfreiem Stahl besteht.

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Gemäß der Neuerung befindet sich der Brenner 1 im Inneren eines dichten Behälters 17 von der Art, die gewöhnlich in kernchemischen Laboratorien "Handschuhboxen" genannt werden, wobei der Behälter 17 hier einen ersten Raum 18 aus rostfreiem Stahl aufweist, in dem sich der Brenner befindet, sowie einen zweiten Raum 19, der zum ersten Raum benachbart ist und von dem mindestens zwei Flächen aus einem transparenten Werkstoff bestehen, der eine gute Beobachtung des Gefäßinneren erlaubt. Eine Verbindung zwischen den beiden Räumen 18 und 19 wird quer durch eine Trennwand mit (nicht abgebildeten) Klappen hergestellt. Xn den Wänden des Raums 18 sind Beobachtungsfenster 21 vorgesehen, von denen zwei gegenüberliegen, so daß ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle 22, der ein mechanischer Verschluß 23 zugeordnet ist, die Flamme des Brenners 1 durchlaufen und ein Spektrometer Zk erreichen kann, das sich an der von der Lichtquelle abgewandten Seite des Behälters 17 befindet und die Messung der Atomabsorption eines quantitativ zu bestimmenden Elementes durch das bereits erwähnte spektrofotometrische Verfahren erlaubt. Der zweite Raum 19 ist über einen Kanal 25 an ein Gefäß 26 angeschlossen, in dem die zu analysierenden Proben vorbereitet werden, vor allem im Hinblick auf die quantitative Analyse eines bestimmten Elements, das sie enthalten. Diese anschließend in den dichten Sehälter eingeführten Proben werden in der Flamme des Brenners verdampft, deren spektrometrische Untersuchung die notwendigen Messungen erlaubt·

Vorzugsweise wird die neuerungsgemäße Vorrichtung für die Messung der Menge von gewissen Verunreinigungen in einer Lösung von Plutoniumnitrat verwendet, wobei entsprechend diesen Mengen die Lichtquelle durch Entladungs-

lanraen gebildet wird, deren Kathoden aus den Elementen bestehen, die in der Lösung genau quantitativ bestimmt werden sollen. Die Verdampfung der Lösung kann wegen der besonders großen Gefährlichkeit des Plutoniums nur unter besonderen Vorkehrungen stattfinden, die im wesentlichen verhindern sollen, daß die Umgebung kontaminiert wird« Außerdem muß die Explosionsgefahr des Brenngasgemisches berücksichtigt werden, das eine außerordentlich starke radioaktive Kontaminotion für das Material und die Laboranten verursachen könnte.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Neuerung auf dem dichten Behälter 17 eine Einrichtung zur Kühlung und zum Absaugen der erzeugten Gase oder Dämpfe vorgesehen, die einerseits von der Verbrennung des den Brenner speisenden Gases und andererseits von der Verdampfung in der Flamme der quantitativ zu analysierenden Lösung stammen. Gemäß der Neuerung ist der den Brenner 1 enthaltende Stahlraum 18 am Ende 27 an ein Abzugsrohr 28 angeschlossen, dessen anderes Ende 29 die geeignet abgekühlten und gefilterten Gase an die Atmosphäre abgibt, wobei das Absaugen dieser Gase durch einen Sauglüfter 30 großer Leistung vorgenommen wird, der sich im Abzugsrohr befindet.

insbeeoadere die Rückgewinnung der mitgeführten radioaktiven Abfälle oder Staubteilchen zu gewährleisten, durchströmen die Gase im Abzugsrohr 28 eine erste Tauchbadsäule 31 in. einer verdünnten Lösung 32 von Schwefelsäure, die einen Stapel von Raschig-Ringen 33 enthält. Ein Bogenrohr 3h ist am Boden der Säule 31 vorgesehen und hat an dieser Stelle ein Absperrorgan 3£» das die Entfernung der radioaktiven Abfälle erlaubt, die durch die Säule 31 zurückbehalten werden und sich am Boden des Abzugs-

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rohrs befinden. Über der Säule 31 ist im Innern des Abzugsrohrs eine Kühlschlange 36 montiert, durch die eine Hilfsflüssigkeit strömt, deren Durchsatz ständig durch einen Durchflußmesser 37 überwacht wird. Die Verbrennungsgase, deren Temperatur im Raum 18 des Behälters 17 in Abhängigkeit von der Art der Brenngase bis zu 3OOO ⁰C erreichen kann und die in der Säule 31 und danach vor allem durch Kontakt mit der Kühlschlange 36 abgekühlt werden, strömen anschließend durch Filter 38 und 39, die radioaktive oder andere Verunreinigungen zurückhalten sollen, die vorher nicht aufgefangen worden sind. Differentialmanometer kO befinden sich parallel zu diesen Filtern, um ständig den erzeugten Ladungsverlust zu messen und sofort eine Verstopfung der Filter 38 und 39 festzustellen. Am Ausgang der Filter 38 und 39 durchläuft das Abzugsrohr sch" ießlich eine zweite Tauchbadsäule in Soda, die einen Stapel 42 von Raschig-Ringen enthält und die Neutralisation der im Abzugsrohr durch die Verbrennungsgase mitgeführten Säuredämpfe erlaubt, bevor diese an die Atmosphäre am Ende 29 abgegeben werden.

Vorzugsweise werden die Verbrennungsgase im Raum 18 des Behälters 17 vor ihrem Eintritt in das Abzugsrohr 28 durch Außenluft verdünnt, die vor dem Absaugen durch den Sauglüfter 30 de^ Behälter ausspült. Zu diesem Zweck trägt eine der Wände des Raums 19 einen Rückschlagverschluß kk in Form eines verdrillten elastischen Balgs, der sich zum Innern des Behälters bei durch den Sauglüfter 30 erzeugten Unterdruck öffnet. Der Verschluß kh ist außerhalb des Behälters 17 von einer Schutzhaube 45 umgeben, um die Gefahr einer Kontamination der Umgebung durch die radioaktiven Produkte des Behälters au vermeiden. Ein Anemometer 46 is + im Innern der Schutzhaube 45 angebracht, um

den Durchsatz der abgesaugten Spülluft und damit den Durchsatz der abgesaugten Verbrennungsgase zu messen und zu überwachen.

Schließlich hat die neuerungagemäße Vorrichtung eine fotoelektrische Zelle 47, die sich vor der Wand des den Brenner 1 enthaltenden Raums 18 vor einem der Beobachtungsfenster 21 befindet, so daß standig die Flamme des Brenners überwacht und das sofortige Schließen der Elektroschieber 15, die die Brenngase einlassen, bei einem Puffen oder Flackern der Flamme ausgelöscht werden kann. Ein (nicht abgebildeter) Schalter erlaubt im Zeitpunkt der Zündung das Kurzschließen der Zelle 47 und das Öffnen der Elektroschieber. Das Zünden wird durch einen rotglühenden Platindraht (ebenfalls nicht abgebildet) vorgenommen, der nur nach Einschalten und Übergang in den Dauerbetrieb des Sauglüfters 30 betätigt werden kann. Der Sauglüfter 30 hat ein Sicherheitsrelais, das die Elektroschieber 15 vor einem plötzlichen Anhalten des Sauglüfters 30 schließt.

Durch die Neuerung wird also eine Vorrichtung angegeben, die die Analyse von Lösungen durch Spektrofotometrie von Atomabsorption, insbesondere von radioaktiven Lösungen, erlaubt. Alle vorgesehenen Sicherheitsmaßnahmen (fotoelektrische Zelle zur überwachung der Brennerflamme, Manometer zur Überwachung der Filter, Durchflußmesser im Kühlschlangenkreis, Relais des Sauglüfters usw.) dienen nebeneinander dazu, die Vorrichtung gemäß der Neuerung möglichst sicher arbeiten zu lassen, so daß Jede Gefahr einer Explosion oder einer äußeren Kontamination vennieden wird. Außerdem bietet die Rückgewinnung der Radioaktiv= abfalle keine Schwierigkeiten.

Die Vorrichtung gemäß der Neuerung kann in verschiedener Weise abgewandelt werden. Obwohl die Vorrichtung
besonders für die Analyse von radioaktiven Alpha-Strahlern und insbesondere von Plutoniumnitratlösungen geeignet ist, kann sie auch für andere Zwecke wie die Analyse von Spaltprodukten eingesetzt werden.

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Claims (2)

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Spektrofotometrie von Atomabsorption für die Analyse von radioaktiven Lösungen, nH t einem Brenner, der mit BrenngasZuführungen versehen ist, mit einer Einrichtung zur Zerstäubung einer ein quantitativ au bestimmendes Element enthaltenden Lösung in der Brennerflamme, mit einer Lichtquelle, die eine Entladungslampe aufweist, deren Kathode aus dem gleichen Element besteht, und mit einem gegenüber der Lichtquelle angeordneten Spektrometer zur Messung der Absorption des Lichtstrahls durch die in der Flamme vom quantitativ zu bestimmenden Element erzeugten Atome, dadurch ge kennzeichnet , daß der Brenner (1) sich im Innern eines dicht abgeschlossenen Behälters (i7) befindet, der mit Beobaehtungsfenstern (21) für den von der Lichtquelle (22) emittierten Strahl versehen ist, der die Flamme in Richtung zum Spektrometer {2h) durchläuft, und daß der Behälter eine Einrichtung zur Kühlung und zum Absaugen der Verbrennungsgase, eine von den Verbrennungsgasen durchströmte Einrichtung zur Rückgewinnung der radioaktiven Abfälle und Sicherheitsorgane zur Überwachung der Flamme des Durchsatzes und der Temperatur der Gase aufweist,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kühlung und zum Absaugen der Verbrennungsgase einen Sauglüfter (30) aufweist, der sich an einem Ende (29) eines an den dichten Behälter (17) angeschlossenen Abzugsrohrs (28) für die Verbrennungsgase befindet, das nacheinander eine erste Tauch-

badsäule (31) mit Raschig-Ringen (33) in verdünnter Schwefelsäure, eine Kühlschlange (36) zur Kühlung der Gase durch Umwälzung einer Hilfsflüssigkeit und eine zweite Tauchbadsäule (4i) zur Neutralisation in Soda von mitgeführten Säuredampfen durchläuft.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Spülluft durch den dichten Behälter (17) sum Abzugsrohr (28) durch einen Rückschlagverschluß (Uk) aus einem elastischen Balg einströmbar ist, der sich in der Wand des Behälters befindet und bei Erzeugung von Unterdruck durch den Sauglüfter (30) öffnet, und daß der Ver-Schluß (kk) außerhalb des Behälters von einer Schutshaube (^5) umgeben ist, die ein Anemometer (46) zur Überwachung des Luftdurchsatzes enthält.

k» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung der Rückgewinnung der radioakti- P ven Abfälle ein Ableitungsabsperrorgan (35), das sich in einem Bogen (3*0 des Abzugsrohrs (28) am unteren Ende der ersten Tauchbadsäule (31) befindet, und eine Reihe von Filtern (38, 39) aufweist, die sich in dem Abzugsrohr hinter der Kühlschlange (36) befinden und zu denen Differentialmanometer (4o) parallel geschaltet sind, die den Ladungsverlust an den Filtern für die Überwachung des Durchsatzes der Verbrennungsgase sssssn.