CN109991647B - 放射性氙快速高灵敏度检测装置的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及放射性气体分析领域，为放射性氙快速高灵敏度检测装置，由氡子体过滤器、针型阀、空压机、缓冲罐、气源处理器、压缩空气流量计、压力传感器、质量流量控制器、露点仪、中空纤维膜、调节阀、流量计、除杂柱、铅屏蔽室、一体化吸附/测量样品盒、HPGe探测器配接组成。本发明实现放射性氙的现场快速、高灵敏度检测，其氡子体过滤器有效去除氡子体和灰尘，并实现自洁净功能。

Description

放射性氙快速高灵敏度检测装置的应用方法

技术领域

本发明涉及放射性气体分析领域，满足放射性氙活度浓度的现场快速、高灵敏度测量需求。

背景技术

在核安全监测领域，需要采用高灵敏度的现场快速检测技术对核设施周边环境中的放射性核素进行检测以保证核设施安全，并为核设施的辐射防护、安全评价和环境影响评估提供依据。放射性气体和气溶胶的实时检测是最灵敏、快捷的手段。然而，由于这些核设施内的温度非常高，非放射性气体示踪检测存在存活率低、投放量和投放时间难以确定、提高环境本底且不具备重复检测的可能性的局限。放射性气溶胶通过泄漏通道到达容器外的时间可能将会晚于放射性气体，监测放射性气体更容易发现泄漏。因此，检测封闭结构容器因裂变释放的放射性气体是一种更为直接、有效方法，可弥补化学示踪泄漏检测和钚气溶胶检测等现有方法存在的不足。

放射性氙同位素¹³³Xe、¹³⁵Xe的裂变产额高、半衰期适中、特征γ射线发射概率大、环境本底很低，是较为理想的监测对象。现有放射性惰性气体检测分为两类：一类是快速测量***，主要用于核电站环境监测，仪器的探测限均大于10⁴Bq/m³，这类仪器均采用直接采样测量的方式，除部分仪器对气体加压外，基本不采用其它富集手段，且大多采用塑料闪烁体进行总β测量，不能进行核素分辨。然而，在漏率很低的情况下，由于空气对放射性核素的扩散、稀释作用，放射性气体的探测易受环境放射性影响，从而导致探测限较高，因此这类仪器不适用于气体泄漏的早期预警或者低漏率情形泄漏检测。另一类仪器是高灵敏度放射性气体测量***，适用于现场视察场景，采用较为复杂的多级吸附-纯化-实验室低本底γ能谱测量的工艺流程，***的检测灵敏度非常高，对¹³³Xe和¹³⁵Xe的最小可探测活度浓度分别约为1mBq/m³、 60mBq/m³，但采集/分析周期均大于20h。由于这类***的分析周期长，不适用于现场直接测量。然而，快速、高灵敏度的检测技术能够及时发现、预警泄漏，更能满足核安全监测的需求。本专利实现了对放射性氙同位素的快速、高灵敏度现场检测，弥补了上述***的不足。

文献对比分析表明，与该发明相同结构的装置研究及生产厂家未见文献报道。

发明内容

本发明实现放射性氙的现场快速、高灵敏度检测，其氡子体过滤器有效去除氡子体和灰尘，并实现自洁净功能

本发明为一种放射性氙快速高灵敏度检测装置，由氡子体过滤器、针型阀、空压机、缓冲罐、气源处理器、压缩空气流量计、压力传感器、质量流量控制器、露点仪、中空纤维膜、调节阀、流量计、除杂柱、铅屏蔽室、一体化吸附/测量样品盒、HPGe探测器配接组成。

本发明功能实现方式如下：(1)氡子体过滤器除去气体中的灰尘和氡子体，采用侧向开孔、竖直放置和光滑的玻璃纤维滤纸，实现了“自洁净”功能。(2)空压机抽取气体并加压。(3)缓冲罐、气源处理器、中空纤维膜、除杂柱组合使用去除CO₂、水、CO等杂质气体以及大部分的氮、氧气体。(4)压缩空气流量计、压力传感器、露点仪、流量计分别测量采样流量、气体压力、露点和膜后流量等参数。(5)一体化吸附/测量样品盒实现气体的超低温吸附并用作样品容器，进、出气体管路与吸附柱连接，吸附柱用薄壁铜管制作并填充碳分子筛吸附剂。(6)除杂柱填充再生好的沸石分子筛吸附剂，用于深度除杂。(7)带铅屏蔽室的HPGe探测器测量样品盒内的放射性氙活度。(8)缓冲罐内装配薄壁铜管绕制的热交换器，充分利用样品盒致冷的尾气加速缓冲罐内气体中的水的冷凝。

该装置具有如下创新点：①该装置实现了放射性氙的现场快速、高灵敏度检测；②氡子体过滤器有效去除氡子体和灰尘，并实现了自洁净功能；③缓冲罐充分利用了后端的低温冷却气体，加速了水的冷凝；④优化组合的中空纤维膜组件，高效去除了水、CO2等杂质气体和大部分的氮、氧气体；⑥一体化吸附/ 测量样品盒高效富集氙，并具备现场检测条件。

附图说明

图1为本发明的结构连接示意图；

在图1中：1为氡子体过滤器，2为针型阀，3为空压机，4为缓冲罐，5为气源处理器，6为压缩空气流量计，7为压力传感器，8为质量流量控制器，9为露点仪，10为中空纤维膜，11为调节阀，12为流量计，13为除杂柱，14为铅屏蔽室，15为一体化吸附/测量样品盒，16为HPGe探测器。

具体实施方式

一种放射性氙快速高灵敏度检测装置，由氡子体过滤器1、针型阀2、空压机3、缓冲罐4、气源处理器5、压缩空气流量计6、压力传感器7、质量流量控制器8、露点仪9、中空纤维膜10、调节阀11、流量计12、除杂柱13、铅屏蔽室14、一体化吸附/测量样品盒15、HPGe探测器16配接组成。

包括氡子体过滤器、空压机、缓冲罐、气源处理器、压缩空气流量计、质量流量控制器、压力传感器、露点仪、中空纤维膜、调节阀、流量计、除杂柱、一体化吸附/测量样品盒、铅屏蔽室、HPGe探测器；进、出气体管路与吸附柱连接，吸附柱由薄壁铜管制作并填充碳分子筛吸附剂，除杂柱内填充再生好的沸石分子筛吸附剂，缓冲罐内装配铜管绕制的热交换器；中空纤维膜材质为聚酰亚胺膜或氙专用分离膜，连接方式为三膜串联。

氡子体过滤器1、缓冲罐4、除杂柱13、铅屏蔽室14使用不锈钢加工。

针型阀2、气源处理器5、压缩空气流量计6、压力传感器7、质量流量控制器8、露点仪9、中空纤维膜10、调节阀11、流量计12为标准化模块。

一体化吸附/测量样品盒15使用不锈钢和紫铜加工。

如图1所示，本装置由氡子体过滤器1、针型阀2、空压机3、缓冲罐4、气源处理器5、压缩空气流量计6、压力传感器7、质量流量控制器8、露点仪9、中空纤维膜10、调节阀11、流量计12、除杂柱13、铅屏蔽室14、一体化吸附/测量样品盒15、HPGe探测器16组成。

五、最佳实施方式

按照图1装配并连接气路，铅屏蔽室13的尺寸取决于一体化吸附/测量样品盒15和HPGe探测器15 的尺寸；中空纤维膜10材质为聚酰亚胺，膜也可用氙专用分离膜，连接方式为三膜串联。一体化吸附/测量样品盒15采用液氮对盒内吸附柱致冷，致冷时间不少于40min。致冷完成后，开启空压机3，调节针型阀2，使压缩空气流量计6流量不大于100L/min，调节调节阀11，使压力传感器7示值小于700kPa、流量计12示值不大于压缩空气流量计6示值的1/3。控制采样时间使采样的气体体积不小于2m³。采样结束后，开启HPGe探测器16测量一体化吸附/测量样品盒15内的放射性氙的活度，测量时长取决于关注核素的全能峰计数的统计涨落。测量结束后关闭***，按照公式(1)计算放射性氙活度浓度。

式中，Nb—关注核素能区的本底计数；

λ—关注核素的衰变常数，s-1；

ε—探测效率，cps/Bq；

p_γ—关注核素的特征γ射线的发射概率；

L—样品采集的体积流量率，m3/s；

η—装置对氙的回收率；

t_s—样品采集时长，s；

t₁—样品测量时长，s。

通过解吸一体化吸附/测量样品盒15内吸附柱，并采用色谱分析解吸气体的氙浓度，然后按照公式(2) 计算得到装置对氙的回收率η。

式中，V(Xe)—富集后样品气中的纯氙体积，mL；

R(Xe)—空气中氙浓度，0.087mL/m3；

Va—气体采样体积，m3。

本发明为放射性氙现场的快速、高灵敏度检测装置，该装置采用氡子体过滤器、缓冲罐、气源处理器、中空纤维膜、除杂柱高效去除氡子体、水、CO2等杂质气体组分；采用液氮致冷的吸附柱对氙进行高效吸附富集；采用低本底HPGe探测器现场测量放射性氙活度浓度。该装置实现了放射性氙的快速、高灵敏度现场测量，能够用于核实施泄漏检测和辐射防护监测，也能用于核应急监测。

本发明主要技术参数或指标：采样体积：2m3；采样时长：20min；测量时长：10min；MDC： 0.5Bq/m3(135Xe)；5Bq/m3(133Xe)。本发明创新点：该放射性氙现场的快速、高灵敏度检测装置的设计上的主要创新点有：该装置实现放射性氙的现场快速、高灵敏度检测；氡子体过滤器有效去除氡子体和灰尘，并实现了自洁净功能；缓冲罐充分利用了后端的低温冷却气体，加速了水的冷凝；优化组合的中空纤维膜组件，高效去除了水、CO2等杂质气体和大部分的氮、氧气体；一体化吸附/测量样品盒高效富集氙，并具备现场检测条件。

本发明采用氡子体过滤器、缓冲罐、气源处理器、中空纤维膜、除杂柱高效去除氡子体、水、CO2等杂质气体组分，采用液氮致冷的吸附柱对氙进行高效吸附富集，采用低本底HPGe探测器现场测量放射性氙活度浓度，实现放射性氙的快速、高灵敏度现场测量。

Claims (1)

1.一种放射性氙快速高灵敏度检测装置的应用方法，放射性氙快速高灵敏度检测装置由氡子体过滤器、针型阀、空压机、缓冲罐、气源处理器、压缩空气流量计、压力传感器、质量流量控制器、露点仪、中空纤维膜、调节阀、流量计、除杂柱、铅屏蔽室、一体化吸附/测量样品盒、HPGe探测器依次配接组成；其特征在于：氡子体过滤器侧向开孔，竖直放置，内置有光滑的玻璃纤维滤纸；缓冲罐内装配薄壁铜管绕制的热交换器，充分利用样品盒致冷的尾气加速缓冲罐内气体中的水的冷凝；样品盒采用液氮对盒内吸附柱致冷，进、出气体管路与吸附柱连接，吸附柱用薄壁铜管制作并填充碳分子筛吸附剂；本放射性氙快速高灵敏度检测装置的应用方法为：

一体化吸附/测量样品盒采用液氮对盒内吸附柱致冷，致冷时间不少于40min，致冷完成后，开启空压机，调节针型阀，使压缩空气流量计流量不大于100L/min，调节调节阀，使压力传感器示值小于700kPa、流量计示值不大于压缩空气流量计示值的1/3，控制采样时间使采样的气体体积不小于2m³,采样结束后，开启HPGe探测器测量一体化吸附/测量样品盒内的放射性氙的活度，测量时长取决于关注核素的全能峰计数的统计涨落，测量结束后关闭本装置，按照公式(1)计算放射性氙活度浓度：

公式(1)中：N_γ—关注核素能区的本底计数；λ—关注核素的衰变常数，s^-1；ε—探测效率，cps/Bq；p_γ—关注核素的特征γ射线的发射概率；L—样品采集的体积流量率，m³/s；η—装置对氙的回收率；t_s—样品采集时长，s；t₁—样品测量时长，s；通过解吸一体化吸附/测量样品盒内吸附柱，并采用色谱分析解吸气体的氙浓度，然后按照公式(2)计算得到装置对氙的回收率η：

公式(2)中：V(Xe)—富集后样品气中的纯氙体积，mL；R(Xe)—空气中氙浓度，0.087mL/m³；V_a—气体采样体积，m³。

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