УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ ОТ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ И ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к технологии очистки инертных сред, а именно к устройствам тонкой очистки благородных газов от примесей и может быть использована для получения чистых инертных газов в жидкой фазе, применяемых в качестве рабочих веществ детекторов ядерных излучений.
Известна установка для очистки инертного газа SIRCAL МР-2000. Очистительная система состоит из печи, в которой газопоглотительная трубка с наполнителем из титановой губки при 680°С посредством химической реакции удаляет кислород и азот, а трубка с наполнителем из окиси меди при 450°С также посредством химической реакции удаляет угарный газ, кислород и углеводороды. Далее газ проходит через работающую при комнатной температуре трубку осушителя с молекулярным ситом, в которой посредством физической адсорбции из инертного газа удаляются влага и углекислый газ [1].
Однако описанная установка не позволяет очищать конденсированные среды, какими являются сжиженные благородные газы.
Наиболее близким по техническим характеристикам (прототипом) является устройство, описанное в статье [2]. Устройство состоит из криостата, в котором при помощи металлических штанг закреплена кольцевая электродная пара типа «лезвие-плоскость» из титанового сплава. Электрод типа «лезвие» питается от источника питания посредством RCR-цепи, состоящей из последовательно соединенных резисторов сопротивлением R1~10 МОм и R2~1 МОм, и соединяющего их кабеля типа РК-50. Кабель типа РК-50 играет роль электрической емкости, заряжающейся от источника напряжения через резистор R2, и разряжающегося в межэлектродный зазор через резистор R1. Электрод типа «плоскость» заземлен на корпус криостата. В рабочем режиме в криостат конденсируется благородный газ в жидком агрегатном состоянии, а на электродную пару типа «лезвие-плоскость» подается постоянное напряжение, превышающее пробойное. При этом происходит периодический электрический пробой, частота которого зависит от параметров цепи и межэлектродного промежутка. При искровом пробое происходит распыление поверхности титановых электродов, что позволяет осуществлять эффективное химическое связывание электроотрицательных примесей генерируемым мелкодисперсным металлическим порошком. Кроме того, высоковольтный разряд в благородном газе сопровождается ультрафиолетовым излучением, которое разлагает высокомолекулярные примеси на химически активные радикалы, связываемые металлическим порошком.
Главным недостатком указанного устройства является низкая скорость очистки сжиженных газов, вызванная тем, что вследствие разрядного импульса происходит резкое уменьшение напряжения между разрядными электродами, что приводит к задержке перед последующим разрядным импульсом, в течение которого на разрядном электроде типа «лезвие» вновь накапливается необходимый для разряда потенциал.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в увеличении скорости очистки жидких благородных газов от примесей путем увеличения тока разряда посредством увеличения количества разрядных промежутков в электродной системе искровой очистки.
Технический результат достигается тем, что в криостат погружена электродная система, образованная двумя и более разрядными электродами, при этом к каждому разрядному электроду подведена индивидуальная питающая электрическая цепь от одного источника питания. В частном случае в качестве анодов электродной системы предлагается использовать заостренные металлические трубки. Увеличение количества независимых разрядных промежутков, установленных в очищаемом объеме сжиженного благородного газа, позволяет генерировать больше металлической пыли за тот же промежуток времени за счет пропорционального увеличения тока разряда с тем же источником питания разрядной цепи. Увеличение генерируемой металлической пыли влечет соответственное увеличение скорости очистки, связанной с захватом электроотрицательных примесей металлической поверхностью. Помимо повышения количества генерируемой металлической пыли, увеличение количества независимых разрядных промежутков повышает интенсивность ультрафиолетового излучения, что приводит к усилению процессов фотодиссоциации высокомолекулярных примесей на химически активные радикалы и, следовательно, повышению эффективности очистки вещества.
В частном случае предлагается разрядные электроды выполнить в виде заостренных трубок. Это дает преимущество в виде более низкого пробойного напряжения и, соответственно, более высокой интенсивности генерации металлической пыли и ультрафиолетового излучения.
Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемой полезной модели.
На Фиг. 1 показана общая схема предлагаемого устройства. В криостат 1 погружена электродная система, состоящая из высоковольтных разрядных электродов 2 в виде заостренных трубок и общего земляного электрода 3. Источник питания 4 соединен с высоковольтными электродами 2 посредством питающих RCR-цепей 5 и металлических штанг 6, а общий земляной электрод 3 соединен с заземленным корпусом криостата 1 посредством металлических штанг 7.
На Фиг. 2 показан вертикальный разрез криостата, на котором изображены штанги 6 и 7, держащие разрядные электроды 2, а также земляной электрод 3.
На Фиг. 3 представлен вид сверху на криостат 1, на котором виден пример реализации земляного электрода 3 в виде металлического листа треугольной формы с круглым вырезом по центру и изображением проекций штанг и разрядных электродов.
Устройство работает следующим образом. В криостат 1 конденсируется очищаемый благородный газ до уровня высоты, превышающего уровень разрядных электродов 2 и земляного электрода 3, с целью закрыть разрядный промежуток жидкостью. Источник питания 4 посредством питающих RCR-цепей 5 подает напряжение, превышающее пробойное, на разрядные электроды. В результате периодического электрического пробоя происходит распыление поверхности металлических электродов, и генерируемая мелкодисперсная металлическая пыль химически связывает электроотрицательные примеси. Кроме того, высоковольтный разряд в благородном газе сопровождается ультрафиолетовым излучением, которое разлагает высокомолекулярные примеси на химически активные радикалы, связываемые сгенерированной металлической пылью.
Вольт-амперная характеристика разряда для конкретной реализации предлагаемого устройства с тремя электродами приведена на Фиг. 4. Буквами «а», «б» и «в» обозначены экспериментальные точки, соответствующие одному, двум и трем погруженным в жидкий ксенон разрядным электродам соответственно. Из графика видно, что сила тока, а следовательно, и выделяемая при разряде мощность, повышается при увеличении количества разрядных промежутков в разрядной цепи устройства.
Таким образом предложенное устройство позволяет увеличить интенсивность очистки жидких благородных газов с использованием единственного источника высокого напряжения, что упрощает очистку больших масс благородных газов. Это может быть полезно, например, для будущих ядерно-физических экспериментов по поиску редких процессов, планирующих к использованию десятки тонн жидкого ксенона.
Список литературы:
1. Sircal Instruments | ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ МР-2000 [Electronic resource]. URL: http://www.sircal.co.uk/Main/russian/product/ru-mp-2000 (accessed: 06.07.2018).
2. Акимов Д.Ю. et al. Очистка жидкого ксенона электроискровым методом для использования в двухфазных эмиссионных детекторах // Приборы и Техника Эксперимента. 2017. №6. Р. 16-22.