УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРОБ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области радиометрии и может быть использовано для очистки почвенного воздуха.
Известна система для радиометрического анализа проб почвенного газа (патент №2379079 РФ, МПК G01T 1/167(2006.01). Способ и система быстрого отделения и количественного измерения AR37/ ЛИ ВЕЙ, ВОНГ ХОНГКСИА, ДУАН РОНГЛИАНГ, БИАН ЖИШАНГ, КСИАНГ Йонгчан, ХИ Мейинг, ГОНГ Джиан; ИНСТИТЬЮТ ОФ НЬЮКЛЕАР ФИЗИКС ЭНД КЕМИСТРИ, ЧАЙНА АКАДЕМИИ ОФ ИНЖЕНИРИНГ ФИЗИКС (СН). - №2006125716; Заявлено 20.12.2004; Опубл. 27.03.2009).
Система содержит устройство для взятия проб измеряемого газа, устройство для отделения, очистки, извлечения измеряемого газа и количественного измерения аргона, устройство для измерения радиоактивности извлеченного газообразного аргона и устройство управления процессом работы трех упомянутых устройств, при помощи ЭВМ и программного обеспечения. При этом устройство для взятия проб, устройство для отделения, очистки и устройство для измерения радиоактивности соединены последовательно, а устройство управления, соединено соответственно с устройством для взятия проб, устройством для отделения, очистки и устройством для измерения радиоактивности.
2
Устройство для взятия проб измеряемого газа включает пробоотборный шприц для сбора почвенного газа, работающих при комнатной температуре дегидрирующую колонну с молекулярными ситами для удаления воды и СО, и деаэратор для удаления кислорода из собранного газа, пробоотборную колонну для сбора газа и первичного отделения аргона за счет температурного перепада, расположенную в охлаждаемой ловушке. Пробоотборный шприц представляет собой трубку из металла или сплава, заостренная часть которой имеет форму конуса и снабжена микроотверстиями, тесно распределенными по ее поверхности, торец шприца выполнен заделанным, а вблизи торца расположено сочленение для соединения с отсасывающим насосом.
Устройство для отделения, очистки, извлечения измеряемого газа и количественного измерения аргона, включает последовательно соединенные сборную колонну с молекулярными ситами, расположенную в охлаждаемой жидким азотом ловушке, препаративный хроматограф, пропорциональный счетчик для сбора аргона 37 и измерения его радиоактивности, источник транспортирующего газообразного гелия для детектора теплопроводности препаративного хроматографа и источник рабочего газа, которым служит метан, для измерения радиоактивности аргона 37. Препаративный хроматограф состоит из последовательно соединенных хроматографической разделительной колонны для отделения аргона и азота, работающей при комнатной температуре, колонны каталитического восстановления для удаления микроколичеств кислорода, детектора теплопроводности для дополнительной очистки аргона и измерения суммарного количества аргона и сборной колонны с активированным углем для сбора хроматографически чистого аргона.
Устройство для измерения радиоактивности состоит из пропорционального счетчика, экрана и системы электронных устройств.
Система работает следующим образом.
Перед отбором пробы включают вакуумный насос и вакуумируют систему. Затем пробоотборный шприц погружают в почву на глубину 1 м. После чего отключают вакуумный насос и включают нагнетательный насос для взятия пробы.
2
Под действием нагнетательного насоса проба газа проходит через фильтр, удаляющий частицы примесей из газа, а затем поочередно через газовый массовый расходомер, отображающий объем пробы, работающую при комнатной температуре дегидрирующую колонну с молекулярными ситами где происходит удаление воды и CO и деаэратор (смесь активных редкоземельных металлов) где удаляется кислород из собранного газа. После чего собранный газ поступает в пробоотборную колонну с молекулярными ситами, расположенную в охлаждаемой ловушке при температуре от -170 до -185°C, где происходит адсорбция почвенного газа. Затем пробоотборную колонну промывают потоком газообразного геля, который переносит большую часть аргона и часть воды и азота в передней части колонны в сборную колонну с молекулярными ситами, расположенную в ловушке, охлаждаемой жидким азотом, где осуществляется первичное отделение аргона за счет температурного перепада до окончания взятия проб.
4
После чего производят очистку, для чего сборную колонну извлекают из ловушки, охлаждаемой жидким азотом, нагревают до 200°C. После нагревания промывают ее потоком транспортирующего газообразного гелия, в результате чего аргон, вода и азот высвобождаются из сборной колонны и поступает в разделительную колонну для хроматографического разделения в хроматографической системе при температуре от -20 до -70°C, затем отделенный аргон пропускают через колонну каталитического восстановления с целью удаления микроколичеств кислорода, после чего очищенный газ подвергают анализу в детекторе теплопроводности с целью оценки состояния его хроматографического разделения. На выходе детектора газообразный аргон собирают при помощи сборной колонны с активированным углем, расположенной в охлаждаемой жидким азотом ловушке. Сборную колонну с активированным углем нагревают и собирают газообразный аргон, десорбированный при помощи пропорционального счетчика. Затем измеряют активность аргона 37, для чего заполняют пропорциональный счетчик рабочим газом, которым служит метан, в соотношении аргон/CH=9:1, и после тщательного перемешивания двух газов измеряют радиоактивность аргона 37. С помощью устройства управления осуществляют контроль и управление всей системой при помощи программного обеспечения и ЭВМ.
Достоинством устройства является то, что система имеют высокую производительность, чувствительность и высокую степень отделения аргона от сопутствующих газов.
Недостатками этого устройства является то, что система имеет низкую надежность и сложную конструкцию.
Низкая надежность обусловлена тем, что в устройстве не предусмотрено резервирование функциональных узлов. Например, при выходе из строя нагнетательного насоса отобрать пробу почвенного воздуха становится невозможным. Поскольку места подземных испытаний ядерного оружия находятся в безлюдной и труднодоступной местности произвести ремонт или замену оборудования становится затруднительно.
Сложность конструкции системы обусловлена тем, что она включает большое количество оборудования. Это делает ее громоздкой и при доставке ее на место измерения требуется транспортное средство. При перевозке на транспортное средство накладывается ограничения на скорость передвижения, величину перегрузок, частоту вибраций, а также по поддержанию климатических параметров в месте размещения оборудования системы на транспортном средстве.
222
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является устройство для радиометрического анализа проб почвенного воздуха. (Рекомендация «Методика экспрессного измерения объемной активности Rn в почвенном воздухе с помощью радиометра радона типа РРА» // Пробоотборное устройство ПОУ-04; Рекомендации / Государственная система обеспечения единства измерений. - М.; 2007)
2
Устройство содержит пробоотборник почвенного воздуха, включающий корпус в верхней и нижней части которого выполнены штуцеры, пробоотборное устройство, включающее воздуходувку, осушительный патрон с реагентом CaClи электронную схему управления работой, радиометр и соединительные трубки, при этом штуцер пробоотборника соединен с входным штуцером пробоотборного устройства, выходной штуцер пробоотборного устройства соединен с входным штуцером радиометра, а выходной штуцер радиометра соединен с оставшимся свободным штуцером пробоотборника.
Устройство работает следующим образом.
Вначале в контрольных точках для проведения измерений пробуривают шпуры глубиной до 1 м и диаметром до 50 мм для экспонирования пробоотборника, затем снимают заглушки со штуцеров пробоотборника почвенного воздуха и опускают его в шпур на глубину 70 см, горловину шурпа присыпают землей. Время экспозиции пробоотборника почвенного воздуха в шпуре, которое необходимо для выравнивания концентрации радона в почвенном воздухе и в объеме пробоотборника, не менее 12 часов. Затем пробоотборник извлекают и с помощью соединительных трубок подсоединяют его к входу пробоотборного устройства и выходу радиометра. При включении воздуходувки пробоотборного устройства почвенный воздух из пробоотборника почвенного воздуха поступает в пробоотборное устройство, проходит через осушительный патрон пробоотборного устройства, где задерживается влага из пробы почвенного воздуха, после чего почвенный воздух поступает в измерительную камеру радиометра. Одновременно воздух из радиометра поступает в пробоотборник почвенного воздуха, вытесняя почвенный воздух из пробоотборника почвенного воздуха в пробоотборное устройство. Затем почвенный воздух поступает в измерительную камеру радиометра, где происходит замещение воздуха измерительной камеры почвенным воздухом. Таким образом, перевод пробы почвенного воздуха в радиометр осуществляется за счет циркуляции воздуха, которая обеспечивается с помощью воздуходувки, входящей в состав пробоотборного устройства. Время работы воздуходувки составляет 5 мин. После окончания перевода почвенного воздуха в измерительную камеру радиометра осуществляется измерение объемной активность радона в пробе почвенного воздуха. Измерение основано на электростатическом осаждении ионизированных дочерних продуктов распада радона на поверхность полупроводникового детектора, с последующей регистрации количества альфа-частиц и пересчете количества альфа-частиц в объемную активность радона в отобранной пробе воздуха.
Достоинством этого устройства является то, что оно позволяет измерять объемную активность радона в почвенном воздухе и имеет высокую чувствительность.
Недостатком этого устройства является низкая надежность. Это обусловлено тем, что при переводе отобранной пробы из пробоотборника почвенного воздуха в радиометр во внутренний объем пробоотборного устройства могут попадать частицы грунта и перекрывать каналы прохождения отобранного почвенного воздуха. В этом случае пробоотборное устройство необходимо разбирать, производить очистку каналов прохождения воздуха и замену патрона-осушителя.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства для радиометрического анализа проб почвенного воздуха позволяющего повысить его надежность, за счет очистки почвенного воздуха от частиц грунта.
2
Для решения поставленной задачи в устройстве для радиометрического анализа проб почвенного воздуха, содержащем пробоотборник почвенного воздуха, выполненный из корпуса в верхней и нижней части которого выполнены штуцеры, пробоотборное устройство, включающее воздуходувку, осушительный патрон с реагентом CaCl и электронную схему управления работой пробоотборного устройства, радиометр, соединительные трубки, при этом верхний штуцер пробоотборника почвенного воздуха соединен с входным штуцером пробоотборного устройства, выходной штуцер пробоотборного устройства соединен с входным штуцером радиометра, а выходной штуцер радиометра соединен с нижним штуцером пробоотборника почвенного воздуха, дополнительно установлено устройство для очистки почвенного воздуха от частиц грунта, расположенное между пробоотборником почвенного воздуха и пробоотборным устройством и состоящее из разборного корпуса, на противоположных концах которого выполнены штуцеры и фильтра, расположенного внутри корпуса, при этом входной штуцер устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта соединен с верхним штуцером пробоотборника почвенного воздуха, а выходной штуцер устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта соединен с входом пробоотборного устройства.
Признаками, отличающими предполагаемое устройство от прототипа, является установка между пробоотборником почвенного воздуха и пробоотборным устройством устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта, выполнение его из разборного корпуса, на противоположных концах которого выполнены штуцеры и фильтра, расположенного внутри корпуса и новые взаимосвязи.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря отличительным признакам повышается надежность устройства поскольку частицы грунта задерживаются на фильтре устройства для очистки почвенного воздуха. В результате в пробоотборное устройство поступает очищенный воздух.
На фиг.1 приведена схема устройства для радиометрического анализа проб почвенного воздуха, на фиг.2 показана конструкция пробоотборника почвенного воздуха.
Устройство для радиометрического анализа проб почвенного воздуха состоит из пробоотборника почвенного воздуха 1, пробоотборного устройства 2, радиометра 3, устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4 и соединительных трубок 5.
Пробоотборник почвенного воздуха 1 содержит корпус 6, верхней штуцер 7 и нижний штуцер 8, фланцы 9 и скобу 10.
2
Пробоотборное устройство 2 включает воздуходувку, осушительный патрон с реагентом CaCl и электронную схему управления работой пробоотборного устройства.
Устройство для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4 состоит из разборного корпуса, на противоположных концах которого выполнены штуцеры для подсоединения соединительных трубок и размещенного внутри корпуса фильтра. В качестве фильтра используется ткань ФПА (фильтр Петрянова ацетилцеллюлозный). При этом верхний штуцер 7 пробоотборника 1 соединен с входным штуцером устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4, а выходной штуцер устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4 соединен с входным штуцером пробоотборного устройства 2, выходной штуцер пробоотборного устройства 2 соединен с входным штуцером радиометра 3, а выходной штуцер радиометра 3 соединен с нижним штуцером 8 пробоотборника 1,
Устройство работает следующим образом.
Вначале в контрольных точках для проведения измерений пробуривают шпуры глубиной до 1 м и диаметром до 50 мм для экспонирования пробоотборника почвенного воздуха 1, затем снимают заглушки со штуцеров пробоотборника 1 почвенного воздуха и опускают его в шпур на глубину 70 см, горловину шурпа присыпают землей. Время экспозиции пробоотборника почвенного воздуха 1 в шпуре, которое необходимо для выравнивания концентрации радона в почвенном воздухе и в объеме пробоотборника, не менее 12 часов. Затем пробоотборник почвенного воздуха 1 извлекают из шпура и с помощью соединительных трубок 5 верхний штуцер пробоотборника почвенного воздуха 7 подсоединяют его к входному штуцеру устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4. Выходной штуцер устройства для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4 подсоединяют к входному штуцеру пробоотборного устройства 2, а выходной штуцер пробоотборного устройства 2 подсоединяют к входному штуцеру радиометра 3. Выходной штуцер радиометра 3 подсоединяют к к нижнему штуцеру 8 пробоотборника почвенного воздуха 1. При включении воздуходувки пробоотборного устройства 2 почвенный воздух из пробоотборника 1 поступает в устройство для очистки почвенного воздуха от частиц грунта 4, где проходя через фильтр очищается от частиц грунта и поступает в пробоотборное устройство 2 и проходя через осушительный патрон пробоотборного устройства, где задерживается влага из пробы почвенного воздуха, поступает в измерительную камеру радиометра 3. Одновременно воздух из радиометра 3 поступает в пробоотборник 1 и вытесняет почвенный воздух из пробоотборника 1 в пробоотборное устройство 2. Затем почвенный воздух поступает в измерительную камеру радиометра 3, где происходит замещение воздуха измерительной камеры почвенным воздухом. Таким образом, перевод пробы почвенного воздуха в радиометр осуществляется за счет циркуляции воздуха, которая обеспечивается с помощью воздуходувки, входящей в состав пробоотборного устройства 2. Время работы воздуходувки составляет 5 мин. После окончания перевода почвенного воздуха в измерительную камеру радиометра 3 осуществляют измерение объемной активность радона в пробе почвенного воздуха. Измерение основано на электростатическом осаждении ионизированных дочерних продуктов распада радона на поверхность полупроводникового детектора с последующей регистрации количества альфа-частиц и пересчете количества альфа-частиц в объемную активность радона в отобранной пробе воздуха