Устройство для хранения объектов в низкорадоновой атмосфере

Полезная модель относится к устройствам для хранения объектов, не чувствительных к давлению воздуха и к его составу и составу иного (не радиоактивного) газа внутри устройства, но имеющих повышенные требования по ионизирующему излучению.
Устройство используется для поддержания заданных параметров воздушной среды внутри определенного объема, в частности для обеспечения заданного содержания радона в воздухе внутри боксов, используемых для хранения интегральных пассивных детекторов для регистрации ионизирующих излучений или проведения операций с детекторами или иными объектами, при которых содержание радона должно быть равно или меньше заданного значения. Сферой применения являются дозиметрия и радиометрия ионизирующих излучений, в частности радиационно-гигиенические обследования жилых, общественных и производственных помещений на содержание радона в помещениях, контроль соблюдения требований радиационной безопасности на рабочих местах, проведение научно-исследовательских и прикладных работ, работ по радоновой реабилитации зданий, обучение учащихся и студентов.
Известно, что одна из основных причин искажения результатов массовых измерений объемной активности (OA) радона с помощью интегральных трековых экспозиметров является неправильное хранение экспозиметров в процессе их сбора после экспонирования вплоть до отправки в лабораторию для обработки (см. Маренный A.M. Методические аспекты измерений средней объемной активности радона в помещениях интегральным трековым методом // АНРИ, №4, 2012, с. 13-19). Это обусловлено тем, что собранные экспозиметры в этот период часто хранятся в случайных помещениях с неконтролируемым повышенным содержанием радона в воздухе, что, в свою очередь, приводит после окончания лабораторной обработки экспозиметров к завышению результатов измерения объемной активности радона на обследованных объектах.
Аналогичная проблема возникает и при длительном хранении (месяцы, годы) трековых детекторов в лабораториях, осуществляющих подготовку экспозиметров к измерениям и обработку их после окончания измерений. Поэтому создание оборудования для хранения трековых детекторов и снаряженных ими экспозиметров в контролируемой атмосфере при низком содержании радона является актуальной задачей.
В настоящее время известен ряд способов и устройств для уменьшения или поддержания на заданном уровне OA радона в воздухе различных объектов. Они основаны, как правило, на предотвращении попадания радона во внутренний объем объекта, либо на поглощении радона, имеющегося в воздухе внутри объекта. Чаще всего, меры по предотвращению попадания радона внутрь объекта применяются для зданий различного назначения, т.е. в случаях, когда радон поступает внутрь здания преимущественно из подстилающих его почв и грунтов (Маренный А.М., Цапалов А.А., Микляев П.С., Петрова Т.Б. Закономерности формирования радонового поля в геологической среде // Издательство "Перо", М., 2016, 394 с.). Для этого проводятся различные инженерно-строительные мероприятия, сводящиеся к изоляции первого этажа от подвалов или открытого грунта и/или уменьшению концентрации радона в подполье первого этажа (СП 321.1325800.2017. Свод правил. Здания жилые и общественные. Правила проектирования противорадоновой защиты").
На объектах, в которых преобладающее поступление радона в воздух внутренних объемов происходит из ограждающих конструкций, изготовленных из материалов с повышенным содержанием радия-226 (СП 321.1325800.2017. Свод правил. Здания жилые и общественные. Правила проектирования противорадоновой защиты"), проводятся мероприятия по изоляции поверхностей ограждающих конструкций от воздуха внутренних объемов (многослойная окраска масляной краской, оклейка пленками с низкой проницаемостью и т.п.).
Существуют объекты, для которых предотвращение поступления радона во внутренние объемы не достаточно эффективно, невозможно, либо экономически нецелесообразно. В этих случаях для удаления радона из воздуха в качестве основного или дополнительного мероприятия применяют естественную или принудительную вентиляцию. При этом происходит замещение воздуха с высоким содержанием радона воздухом с меньшим содержанием радона или свободным от радона воздухом, а кратность воздухообмена рассчитывается исходя из необходимой кратности уменьшения содержания радона (СП 321.1325800.2017. Свод правил. Здания жилые и общественные. Правила проектирования противорадоновой защиты").
Известны и другие способы и средства удаления радона из воздуха. Например, известен способ снижения эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона в помещении путем удаления из воздушной среды короткоживущих дочерних продуктов радиоактивного распада за счет создания электростатического поля с помощью генератора с холодной эмиссией электронов (Патент RU 2101790 С1. Способ снижения эквивалентной равновесной объемной активности изотопов радона в помещении.).
Для решения той же задачи предназначена газогидратная установка, работающая по открытой, прямоточной схеме, что обеспечивает непрерывное поступление новых порций загрязненного радоном воздуха и, как следствие этого, непрерывное улавливание и иммобилизацию радона при любой его концентрации в воз хе (Патент RU 135938 U1. Установка для газогидратной очистки воздуха от газа радона.).
Ряд способов и устройств для удаления радона из воздуха основаны на активном поглощении радона в активированном угле (RU 2400675 С2, опубл. 27.06.2010 г, RU 2601737 С1,опубл 10.11.2016 г).
В основном рассмотренные способы и устройства предназначены для уменьшения объемной активности (OA) радона в воздухе зданий и сооружений коммунального или производственного назначения при различных ограничительных условиях. Они предназначены, как правило, для очистки воздуха от радона в помещениях с объемом в десятки и более кубометров. Их работа не должна ухудшать условия пребывания людей в помещениях, в частности изменять состав, давление, температуру и влажность воздуха. Ввиду этого сложность и стоимость, как самих устройств, так и их эксплуатации, являются важными, но не основными показателями.
Однако задача, решаемая в данной заявке, сводится к обеспечению автоматического поддержания внутри устройства оптимально низкого содержания радона, практически не достаточного для достоверно-фиксируемого радиационного воздействия на трековые детекторы или иные находящиеся в устройстве объекты. Устройство предназначено для хранения объектов, не чувствительных к составу и давлению воздуха или иного (не радиоактивного) газа внутри устройства. Очевидно, что решение задачи снижения содержания радона внутри устройства не должно быть технически сложным и дорогостоящим.
С необходимостью создания герметичного бокса, обеспечивающего возможность автоматического поддержания в камере атмосферы заданного состава в для проведения работ с чувствительными к кислороду, влаге и др. компонентам исследователи столкнулись давно.
Из уровня техники также известно решение герметичного бокса для экспериментов в атмосфере инертного газа. Это устройство иного назначения, нежели заявленное, но имеющее сходные с заявленным технические признаки:
Предлагаемое устройство (патент на полезную модель RU 65217, опубл 27.07.2007 г) представляет собой герметичный бокс, обеспечивающий с помощью редукторов и клапанов точной регулировки давления, возможность поддержания внутри бокса газовой среды заданного состава в автоматическом режиме с достаточно высокой точностью.
Применение современной элементной базы, в частности сенсорной панели управления системами откачки, автоматического напуска и регенерации, позволяет полностью автоматизировать процесс работы с боксом по заданной программе.
Как видно из описания указанного устройства оно предназначено для поддержания во внутреннем объеме устройства постоянного газового состава газа (судя по всему - при нормальном атмосферном давлении). В качестве устройства, обеспечивающего направленное движение газа по объему камеры, очистки газа и поддержания постоянного заданного газового состава может быть использовано некое устройство для очистки газоносителей CF-10 фирмы LECO, США. С помощью устройства CF-10, имеющего две ступени очистки газов (холодную и горячую) можно производить очистку как инертных газов, так и кислорода. В устройстве используются в качестве реагентов, в зависимости от используемого газа: металлическая медь, цирконий, окись меди, активированный уголь и т.д. Для помещения предметов в герметичный бокс имеется шлюз.
Таким образом, в известном техническом решении общим с предлагаемым решением является герметизация внутреннего объема корпуса, использование активированного угля для поглощения некоторых нежелательных примесей к основным компонентам газовой смеси, наличие герметичной крышки для помещения предметов во внутренний объем бокса. Однако данный бокс при значительной сложности не обеспечивает достижения целей, обозначенных в описании к предложенной полезной модели.
Наиболее близким из существующего уровня техники к заявленной полезной модели является описанный в дипломной работе по Экологическому мониторингу радиоактивной обстановки в городе Краснокаменск (работа опубликована на сайте https://www.bibliofond.ru/downIoad_list.aspx?id=517254 и была просмотрена 18.10.2019 г.) «безрадоновый» бокс для хранения угольных пробоотборников, предназначенных для измерения объемной активности радона в воздухе. Устройство представляет собой герметичную камеру прямоугольной формы из прозрачного оргстекла с двумя резиновыми перчатками, герметично закрывающими отверстия в корпусе.
При снятых перчатках отверстия являются шлюзами для размещения и извлечения объектов, хранимых внутри бокса. В натянутом положении перчатки используются для проведения манипуляций с объектами, находящимися внутри бокса. Для уменьшения OA радона в воздухе внутреннего объема бокса используются размещенные внутри него открытые кюветы с активированным углем, в котором происходит пассивное поглощение радона. Для исключения перепада барометрического давления воздуха между внутренним объемом бокса и внешней атмосферой используется проточная сорбционная колонка с активированным углем.
Недостатками рассмотренного устройства являются:
- ограниченная скорость пассивного поглощения радона из воздуха,
- необходимость контролировать снижение поглощающей способности сорбента (активированный уголь) и проводить его замену или регенерацию,
- ограничения в использовании бокса, связанные с загрязнением сорбирующей поверхности гранул активированного угля в запыленной или имеющей примеси других газов атмосфере.
Перечисленные недостатки усугубляются при частых (по несколько раз в сутки) открываниях шлюзовой камеры, процесс очистки воздуха до нужных кондиций после каждого открывания шлюзовой камеры достаточно инерционен, он требует от одного до нескольких часов.
Целью данной заявки на полезную модель является разработка бокса, свободного от перечисленных выше недостатков аналога без существенного ухудшения его экономических показателей.
Решаемой задачей является обеспечение минимально возможного значения средней объемной активности радона на протяжении всего периода хранения объекта в устройстве при снижении затрат на обслуживание.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для хранения объектов в низкорадоновой атмосфере, включающее корпус с герметичной крышкой и герметичной камерой для размещения объектов во внутреннем объеме герметичной камеры через герметично закрываемую крышку и кюветы с активированным углем внутри герметичной камеры, согласно предлагаемому техническому решению, имеет вакуумный насос, а корпус имеет технический отсек, в котором размещены блок управления и блок питания с аккумуляторной батареей, внутри герметичной камеры смонтирован (электронный) датчик давления (для измерения давления воздуха во внутреннем объеме герметичной камеры) и при этом герметичная камера (внутренний объем камеры) соединена с вакуумным насосом через вакуумный клапан штуцера с обеспечением возможности поддержания насосом заданных блоком управления параметров давления (вакуума).
При этом герметичная камера может быть снабжена вакуумным проходным клапаном, который выполнен с обеспечением возможности выравнивания давлений внутри герметичной камеры и снаружи корпуса устройства перед открыванием герметичной крышки.
В качестве герметичной крышки герметичной камеры может быть использована любая съемная стенка корпуса или его крышка, выполненная с вакуумным уплотнением между нею и корпусом устройства.
Блок управления может быть выполнен ручным или автоматическим.
Устройство может быть снабжено одним или несколькими дополнительными датчиками давления.
При этом вакуумный насос может быть размещен внутри технического отсека корпуса.
Или вакуумный насос может быть размещен снаружи корпуса.
Устройство может быть снабжено дополнительным одним или несколькими вакуумными насосами.
Блок питания может быть выполнен универсальным, обеспечивающим возможность подключения устройства к внешней электрической сети и длительной работы в автономном режиме с использованием аккумуляторной батареи.
Корпус может быть выполнен в форме параллелепипеда, полусферы или трубы.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в обеспечении минимально возможного значения средней объемной активности радона на протяжении всего периода хранения объекта в устройстве независимо от внешних условий, в том числе от стабильности электропитания. При этом откачка воздуха, как после открывания герметичной крышки герметичной камеры, так и в промежутках между открываниями, позволяет уменьшить длительность повышенных содержаний радона во внутреннем объеме устройства и упростить эксплуатацию устройства, так как, благодаря этому в несколько раз увеличиваются интервалы времени между заменами активированного угля.
В отличие от аналога, поставленная цель достигается тем, что в предложенном устройстве реализованы два подхода к снижению содержания радона во внутренней атмосфере герметичной камеры:
- быстрое снижение OA радона после герметизации с помощью быстрого уменьшения давления воздуха во внутреннем объеме, в процессе которого в том же объеме кратно уменьшается и OA радона,
- пассивная сорбция радона активированным углем в промежутках между разгерметизациями бокса, что приводит к плавному дальнейшему снижению OA радона во внутреннем объеме бокса.
Для реализации такого подхода в заявленном устройстве для снижения содержания радона используется, помимо кювет с активированным углем, вакуумный насос, откачивающий воздух из герметичной камеры до установленного давления, при котором пропорционально уменьшающееся содержание радона достигает заданного значения.
Сущность заявленного устройства поясняется на Рис. 1, схематически представляющем основные элементы.
Данная иллюстрация не охватывает и, тем более, не ограничивает объем притязаний по данному решению, а лишь иллюстрирует частный случай выполнения устройства.
Устройство представляет собой герметичную камеру 1 из прозрачного оргстекла с герметично закрываемым входом (шлюзом) - герметичной крышкой 2 и техническим отсеком 10. Внутри корпуса камеры 1 находятся кюветы 3 с активированным углем и смонтирован электронный датчик давления 4 для измерения давления воздуха внутри камеры. В техническом отсеке находятся блок управления 9, вакуумный насос 5 и аккумуляторная батарея 8. Внутренний объем герметичной камеры и вакуумный насос соединены вакуумным клапаном штуцером 6. На корпусе имеется вакуумной проходной клапан 7 для выравнивания давлений внутри герметичной камеры и снаружи корпуса перед открыванием герметичной крышки 2. Корпус в целом может быть герметичным, а может иметь только герметичную камеру с герметичной крышкой, а технический отсек выполнен не герметичным.
Блок управления устройства 9 позволяет:
1. Включить (выключить) устройство;
2. Установить режим работы устройства (ручной, автоматический);
3. Установить требуемые значения давления (разряжения) внутри камеры;
4. На блоке индикации постоянно отображать текущее давление внутри камеры;
5. Отображать состояние аккумуляторной батареи и при разряде автоматически заряжать ее.
Наличие источника питания (аккумуляторной батареи) позволяет устройству работать в автономном режиме и обеспечивать длительное сохранение параметров давления (разряжения) без подключения к электросети, что крайне важно вне лабораторных условий.
Кратко способ хранения измерительного оборудования до и после проведения измерений вплоть до отправки в лабораторию для обработки результатов также можно описать следующим образом: оборудование помещают в герметичный корпус со шлюзовой камерой для размещения объектов во внутреннем объеме корпуса, содержащий внутри корпуса кюветы с активированным углем, датчик давления воздуха, соединенный с цепью электропитания находящегося вне шлюзовой камеры вакуумного насоса, который циклически включается для откачки воздуха по сигналу датчика о превышении заданного значения давления и выключается при достижении заданного значения давления в шлюзовой камере, при этом рекомендуемое значение заданного давления равно 5-6 кПА, что обеспечивает поддержание среднего значения объемной активности радона внутри корпуса бокса на уровне ниже его значения в атмосферном воздухе.
Устройство работает следующим образом. В нерабочем состоянии, т.е. при отсутствии сохраняемых объектов внутри герметичной камеры 1, вакуумный проходной клапан 7 открыт, на блоке управления тумблер «включение» находится в положении «выключено2, шнур питания отсоединен от электросети. Приведение камеры в рабочее состояние осуществляется в следующем порядке: открывают крышку 2, помещают объекты хранения внутрь камеры 1, закрывают герметичную крышку 2, закрывают проходной клапан 7, подключают шнур питания к электросети, на блоке управления устанавливают режим работы устройства в положение «ручной», тумблер «включение» переводят в положение «включено», устанавливают требуемые значения давления (разряжения) внутри камеры (отображается на индикаторе), тумблер «режим работы устройства» переводят в положение «автоматический». Далее все происходит автоматически: включается вакуумный насос и он работает до тех пор, пока давление внутри герметичной камеры не достигнет установленных значений. В процессе откачки воздуха из камеры и после него происходит пассивное поглощение остаточного радона в воздухе герметичной камеры активированным углем, находящимся в кюветах 3, что, в совокупности с откачкой воздуха до заданного значения, позволяет достичь максимально низкого среднего содержания радона внутри камеры 1 за период хранения сохраняемого объекта внутри камеры. При этом недостатки аналога - бокса только с активированным углем, отмеченные выше, в значительной степени могут быть нивелированы, т.к. активированный уголь «работает» практически всегда при относительно низком содержании радона в воздухе.
Для извлечения сохраняемых объектов из камеры необходимо отключить устройство. Для этого: на блоке управления, режим работы устройства переводится в положение «ручной», тумблер «включение» переводят в положение «выключено», открывают проходной клапан 7 для выравнивания давлений внутри и снаружи корпуса устройства, ослабив запорный винт, открывают герметичную крышку 2.
3
3
3
3
3
Оптимальное заданное давление воздуха в герметичной камере предлагается выбирать исходя из следующих соображений. В качестве значения заданной OA радона внутри герметичной камеры целесообразно выбрать среднее по РФ значение объемной активности радона в помещениях 60 Бк/м. При этом более чем в 95% помещений среднее значение OA радона не превышает 1000 Бк/м. Отношение двух приведенных значений равно 17. Таким образом, для достижения предлагаемого заданного значения OA радона внутри бокса практически в наихудшей ситуации нужно провести откачку воздуха до остаточного давления около 5-6 кПа (40-45 мм.рт.ст.). Если учесть, что в большинстве помещений OA радона не превышает 200 Бк/м, то OA радона внутри бокса при указанной кратности откачки воздуха не превысит 12 Бк/м, т.е. будет находиться на уровне содержания радона в атмосферном воздухе. Напомним, что приведенные оценки характеризуют ситуацию непосредственно после откачки воздуха. Однако, в промежутке между откачками воздуха происходит пассивная сорбция радона активированным углем, так что реальные средине значения OA радона будут еще меньше, вплоть до 2-5 Бк/м.
Анализ предложений на рынке вакуумных насосов показывает, что в качестве таких насосов в данном случае вполне могут использоваться помпы для откачивания воздуха в выпускаемые, например, для применения в медицинской аппаратуре, приборах для отбора проб воздуха и т.д. Например, в классе недорогих (500-1000 рублей) моделей доступны помпы с остаточным давлением 5-10 кПа (40-80 мм.рт.ст.) производительностью 5-10 л/мин. Стоимость контроллеров давления в нужном диапазоне составляет 300-700 рублей, аккумулятора - 500-650 рублей. Таким образом, затраты на дополнительное оборудование бокса экономически вполне приемлемы.
1
2
Оптимальная производительность вакуумного насоса (или помпы) может быть определена из следующих соображений. Известно, что длительность t вакуумирования объема V (л) помпой производительностью S ((л/мин) от начального P (кПа) до конечного давления Р (кПа) определяется формулой («Расчет времени вакуумирования емкости»_Интернет-ресурс https://www.ampika.ru/online-kalkulyatory-dlya-nasosov/raschet-vremeni-vakuumirovaniya-emkosti-nasosom/):
где F - поправочный коэффициент, значение которого зависит от конечного давления в емкости Р2.
1
2
Применительно к рассматриваемому устройству величины, входящие в формулу (1) следует интерпретировать так: V - емкость камеры бокса, S≡v - производительность вакуумного насоса (помпы), P и P - стандартное давление воздуха и заданное давление внутри бокса. Для обоснованного выше значения заданного давления на уровне 5-6 кПа значение F равно 1,75.
Предположим, что в течение суток герметичную камеру открывают N раз. Тогда суммарная продолжительность откачки составляет N⋅t минут. Примерно столько же времени займет размещение-извлечение объекта хранения. Итого общая продолжительность интервалов времени, в течение которых объемная активность радона внутри камеры будет превышать заданное значение, составляет по максимальной оценке 2N⋅t минут за сутки. Полагая, что вполне допустимо, если общая продолжительность таких отклонений условий хранения объектов составляет 60 минут в сутки, получим 2N⋅t=60, откуда:
Из (1) и (2) получаем:
откуда:
Подставив в (4) численные значения величин, получим:
3
3
Из соотношения следует, что оптимальная производительность вакуумного насоса (помпы) при заданных условиях варьирует в интервале от ν⋅=0,18F до ν⋅=V при предполагаемом количестве открываний-закрываний герметичной камеры в сутки от 1 до 6. Отметим, что одно из предположений, принятых при проведении этих оценок, было, что при вакуумировании OA радона в воздухе должна снижаться от 1000 до 60 Бк/м. Однако, это редкая ситуация, в большинстве случаев исходная OA радона не выше до 200 Бк/м, т.е. отношение OA радона до и после откачки, так же как и отношение давлений, составляет порядка 3. Подставив это значение в (4), получаем:
Т.е. оптимальная производительность откачивающего устройства (вакуумного насоса, помпы) в этих случаях может быть меньше в три раза.
Корпус устройства может быть выполнен в различных геометрических формах. При определении формы и размеров бокса, помимо его основного функционального назначения, необходимо учитывать давление атмосферы на его конструктивные элементы. Это сводится, как правило, к подбору материала корпуса камеры.
3
Изготовленные два экземпляра устройства (бокса) были апробированы в режиме эксплуатации в течение 30 суток при средней объемной активности радона в помещении 27 Бк/м. Бокс выполнен в форме параллелепипеда объемом 12,5 л. Роль шлюза выполняет съемная верхняя крышка диаметром 15 см. Производительность помпы - 10 л/мин. В течение срока производилось по 5-8 манипуляций с верхней крышкой за рабочий день. В течение всего срока апробации бокса проводилось измерение средней объемной активности внутри камеры бокса интегральным методом с помощью радонового экспозиметра РЭИ-4. Получено значение - менее 3 Бк/м.
3
Для сравнения была проведена апробация того же бокса в условиях прототипа, то есть, в полностью идентичной постановке, но без откачки воздуха после каждой манипуляции с верхней крышкой, с использованием для уменьшения содержания радона только активированного угля. Среднее значение объемной активности радона составило 17 Бк/м.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает достижение поставленной цели. Предложенная конструкция бокса обеспечивает минимально возможное значение средней OA радона на протяжении всего периода хранения объекта в устройстве независимо от загрязненности окружающей среды и наличия стабильного электропитания.
При этом применяемое двухступенчатое снижение содержания радона в герметичной камере, как после открывания крышки герметичной камеры, так и в промежутках между открываниями, позволяет уменьшить длительность повышенных значений OA радона во внутреннем объеме герметичной камеры и упростить эксплуатацию устройства, так как, благодаря этому в несколько раз увеличиваются интервалы времени между проверками и заменами активированного угля.