СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И/ИЛИ УСТРОЙСТВ
METHOD AND DEVICE FOR EVALUATING EFFICIENCY OF PROTECTIVE ACTION OF FILTER ELEMENTS AND/OR DEVICES

Заявляемая группа изобретений относится к средствам радиохимического нейтронно-активационного анализа (НАА) процессов очистки воздуха (воздушной смеси) от различного рода токсичных примесей фильтрующими и фильтрующе-поглощающими элементами средств защиты органов дыхания и иных устройств очистки воздуха.
Нейтронно-активационный анализ является высокочувствительным методом определения ультрамикроколичеств нестабильных изотопов в различных материалах. Аналитическим сигналом в НАА служит гамма-излучение радиоактивных ядер, образовавшихся в процессе предварительного облучения исследуемого образца тепловыми нейтронами.
Из уровня техники известны различные способы проверки (испытаний) фильтрующих и фильтрующе-поглощающих элементов, а также устройств, содержащих такие элементы (ГОСТ 12.4.158-90 ССБТ. Средства индивидуальной защиты органов дыхания фильтрующие. Методы определения времени защитного действия фильтрующе-поглощающих коробок по парообразным вредным веществам; ГОСТ 12.4.160-90 ССБТ. Средства индивидуальной защиты органов дыхания фильтрующие. Метод определения времени защитного действия фильтрующе-поглощающих коробок по оксиду углерода).
С другой стороны, известны различные варианты использования НАА для решения определенных задач с использованием детектирования гамма-излучения от нестабильных изотопов в исследуемом образце.
Так, известен способ определения зоны негерметичности газонаполненного изделия (а.с. СССР №1525522), в соответствии с которым оболочку исследуемого изделия заполняют контрольным газом, облучают объем с заполненной оболочкой нейтронами и при помощи датчиков осуществляют контроль наличия нейтронов в объеме контрольного газа, регистрируют наведенную активность в виде электрических импульсов, частота следования которых прямо пропорциональна концентрации контрольного газа.
Также известно устройство для определения содержания элементов в приповерхностном слое образца (патент РФ на изобретение №2411507), включающее источник нейтронов, вакуумированную измерительную камеру с входным нейтроноводом и расположенным в ней облучаемым образцом, детектор гамма-излучения, расположенный вне измерительной камеры, при этом источник нейтронов представляет собой источник ультрахолодных нейтронов (УХН), измерительная камера соединена с промежуточной камерой и снабжена выходным нейтроноводом, соединенным с детектором УХН, во входном нейтроноводе установлена поворотная заслонка, проходное сечение промежуточной камеры перекрыто выходным вакуумным шибером, установленным на штоке с возможностью перемещения, а облучаемый образец закреплен на штоке с возможностью перемещения из промежуточной камеры в измерительную.
Устройство для нейтронно-активационного анализа длинномерных изделий также известно из а.с. СССР №1031302. Известное устройство включает источник облучения, камеру облучения и камеру измерения, а также транспортную систему для перемещения исследуемого изделия, блоки управления и обработки информации, при этом все блоки смонтированы в единое целое для сокращения времени между облучением и измерением, что приводит, тем самым, к сокращению утечек.
Вышеописанные средства и способы направлены на применение нейтронно-активационного анализа для фиксации или измерения утечек какой-либо среды, проверки герметичности оболочек или определения содержания определенных элементов в образцах.
Из уровня техники не выявлены технические решения, заключающиеся в использовании методов и средств НАА при испытаниях фильтрующих и фильтрующе-поглощающих элементов средств защиты органов дыхания и иных устройств очистки воздуха при определении степени эффективности их защитного действия.
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих возможность посредством применения НАА для исследования эффективности фильтрующих и фильтрующе-поглощающих (далее: фильтрующих) элементов средств защиты органов дыхания и иных устройств очистки воздуха, а именно для проведения качественной и/или количественной оценки защитного действия фильтрующих элементов от широкого спектра токсичных примесей в воздушной среде.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является обеспечение возможности испытания и получения качественной и/или количественной информации о степени эффективности защитного действия фильтрующих элементов, а также средств защиты органов дыхания и иных устройств очистки воздуха.
Иначе говоря, в результате применения заявляемой группы изобретений становится возможным проведение испытаний фильтрующих элементов, не требующее квалифицированного применения специального оборудования для химического анализа отфильтрованной воздушной смеси, либо химических сенсоров и индикаторов, либо биологических объектов. Предлагаемый способ может применяться также в случаях, когда токсичные вещества или состав токсичной смеси не идентифицированы.
Поставленная задача решается тем, что для реализации способа оценки степени эффективности защитного действия фильтрующих элементов или устройств, согласно техническому решению, активируют пробу токсичного вещества потоком тепловых нейтронов, смешивают активированную пробу токсичного вещества с атмосферным воздухом, подают подготовленную воздушную смесь под давлением на фильтрацию, фильтруют подготовленную воздушную смесь через фильтрующие элементы или устройства, при этом регистрируют импульсы срабатывания детекторов гамма-излучения воздушной смеси до, во время и после фильтрации, выводят отфильтрованную смесь в окружающую среду и по отношению интенсивностей срабатывания детекторов гамма-излучений в подготовленной и отфильтрованной смесях оценивают эффективность защитного действия фильтрующих элементов или устройств. При этом может быть использовано токсичное вещество, находящееся первоначально в твердом, жидком, газообразном или взвешенном (аэрозоль, дым) состоянии. Так, в случае применения твердого токсичного вещества, после его предварительной нейтронной активации потоком тепловых нейтронов и перед смешиванием активированной пробы с атмосферным воздухом токсичное вещество сублимируют посредством нагревания либо переводят в состояние взвешенных в воздухе частиц (дыма) посредством сжигания. В случае применения жидкого токсичного вещества, после предварительной нейтронной активации потоком тепловых нейтронов и перед смешиванием активированной пробы с атмосферным воздухом токсичное вещество переводят в газообразное состояние посредством выпаривания жидкости либо в состояние аэрозоля посредством использования аэрозольного генератора. Также поставленная задача решается тем, что устройство оценки эффективности защитного действия фильтрующих элементов или устройств, согласно техническому решению, включает блок нейтронной активации токсичного вещества и последовательно соединенные блок подготовки воздушной смеси с активированным токсичным веществом, блок фильтрации подготовленной воздушной смеси, блок оценки эффективности защитного действия, при этом блок нейтронной активации представляет собой камеру активации с подключенным источником потока тепловых нейтронов и емкостью для размещения активируемого токсичного вещества, блок подготовки воздушной смеси представляет собой камеру с подключенным устройством подачи воздуха и узлом подачи активированного токсичного вещества из блока нейтронной активации, при этом блок подготовки воздушной смеси посредством трубопровода подачи воздушной смеси соединен с блоком фильтрации, который включает, по меньшей мере, один независимый отсек, выполненный с возможностью размещения кассеты с исследуемыми фильтрующими элементами или фильтрующего устройства, а также детектор гамма-излучения, при этом трубопровод подачи подготовленной воздушной смеси выполнен с возможностью подвода воздушной смеси непосредственно к каждому отсеку блока фильтрации и каждый отсек снабжен трубопроводом отвода отфильтрованной воздушной смеси в блок оценки эффективности защитного действия, который представляет собой камеру, включающую, по меньшей мере, одну секцию исследования с подключенным, по меньшей мере, одним трубопроводом подвода отфильтрованной воздушной смеси от отсека блока фильтрации, и отводом исследованной отфильтрованной воздушной смеси через сбросный клапан в окружающую среду, при этом каждая секция снабжена детектором гамма-излучения. Устройство дополнительно может содержать блок обработки результатов, включающий устройство регистрации электрических импульсов с детекторов гамма-излучения, подключенное к блоку анализа и обработки зарегистрированных им импульсов, при этом в качестве блока анализа и обработки импульсов может быть использован многоканальный самописец. Трубопровод подачи подготовленной воздушной смеси может быть снабжен разветвителем, обеспечивающим возможность подвода воздушной смеси непосредственно к каждому отсеку блока фильтрации, а также дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним детектором гамма-излучения, размещенным в разветвителе или непосредственно в трубопроводе. В качестве емкости для размещения активируемого токсичного вещества используют газовый баллон в случае использования газообразного токсичного вещества, при этом узел подачи активированного токсичного вещества из блока нейтронной активации представляет собой клапан, подключенный к газовому баллону высокого давления с активированным газообразным токсичным веществом. Также, в случае жидкого или твердого токсичного вещества, в качестве емкости для его размещения используют контейнер, при этом узел подачи активированного токсичного вещества из блока нейтронной активации представляет собой отвод, соединенный с контейнером с жидким активированным токсичным веществом, снабженным испарителем или аэрозольным генератором, или, в случае твердого токсичного вещества, отвод соединен с камерой сгорания или сублимации твердого активированного токсичного вещества. В качестве источника потока тепловых нейтронов используют генератор тепловых нейтронов или нейтронопровод от ядерного реактора. В качестве детекторов гамма-излучения используют плоские полупроводниковые детекторы Кассета с фильтрующими элементами представляет собой корпус, по меньшей мере, с одним отделением, при этом в каждом отделении размещены слои фильтрующих или поглощающих материалов. Корпус кассеты дополнительно может быть снабжен внутренним каналом и, по меньшей мере, одним размещенным во внутреннем канале детектором гамма-излучения, с возможностью его перемещения между отделениями кассеты.
Заявляемая группа изобретений поясняется следующими чертежами, при этом
на фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство с разделением на блоки;
на фиг. 2 представлен один из вариантов выполнения блока фильтрации;
на фиг. 3 схематично представлена кассета для размещения фильтрующих элементов.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - блок нейтронной активации;
2 - блок подготовки воздушной смеси;
3 - блок фильтрации;
4 - блок оценки эффективности;
5 - блок обработки результатов;
6 - камера активации;
7 - источник тепловых нейтронов;
8 - газовый баллон;
9 - контейнер;
10 - устройство подачи воздуха;
11 - камера сгорания;
12 - испаритель;
13 - трубопровод подачи воздушной смеси;
14 - разветвитель;
15 - кассета с исследуемыми фильтрующими элементами;
16 - детектор гамма-излучения;
17 - отсек;
18 - трубопровод отвода;
19 - секция исследования;
20 - блок регистрации импульсов (первичных данных);
21 - блок анализа;
22 - компьютер;
23 - фильтрующее устройство;
24 - корпус кассеты;
25 - внутренний канал;
26 - отделения корпуса.
Заявляемое устройство представляет собой многокамерную конструкцию, отдельные функциональные блоки (камеры) которой соединены трубопроводами. Устройство включает блок нейтронной активации 1 пробы токсичного вещества, блок подготовки воздушной смеси 2, блок фильтрации 3 и блок оценки эффективности защитного действия 4. При этом блок нейтронной активации пробы токсичного вещества может быть размещен отдельно и физически не связан с остальными блоками. Данный блок представляет собой герметичную камеру активации 6 (выполненную из металлического листа толщиной 1-2 мм), к которой подключен источник потока тепловых нейтронов, в качестве которого может быть использован нейтронопровод реактора либо нейтронный радиоизотопный генератор. Камера выполнена с возможностью помещения в ней газового баллона 8, в котором под давлением хранится газообразное токсичное вещество (например, хлор, фосген, монооксид углерода), или контейнера 9, в котором может быть размещено твердое (например, поливинилхлорид, бисфенол) или жидкое (например, силильная кислота, дихлорэтан) токсичное вещество.
Блок нейтронной активации 1 автономен, независим от других блоков и может быть размещен, например, в лаборатории действующей АЭС с целью минимизации перемещений токсичных веществ.
3
В состав заявляемого устройства также входит блок подготовки воздушной смеси 2, который представляет собой камеру объемом 0,02-0,1 м, к которой организован подвод атмосферного воздуха 10, например через компрессор мощностью 200-500 Вт, а также узел подвода активированного токсичного вещества через трубопровод. Данный узел представляет собой трубопровод, к которому подключены камера сгорания или сублимации 11, которая используется в случае использования твердого токсичного вещества, и/или испаритель (или аэрозольный генератор) 12, в случае использования жидкого токсичного вещества, и/или газовый баллон с редуктором и камерой низкого давления, в случае использования газообразного токсичного вещества. Камера подготовки воздушной смеси обеспечивает состав и состояние воздушной смеси, максимально приближенные к условиям реальной загрязненной воздушной среды. Изменением подачи атмосферного воздуха и активированного токсичного вещества можно регулировать степень «загрязненности» воздушной среды. Камера снабжена отводом подготовленной воздушной смеси, представляющим собой трубопровод 13, соединяющий камеру блока подготовки воздушной смеси и блок фильтрации.
Блок фильтрации 3 представляет собой камеру, содержащую, по меньшей мере, один фильтрующий отсек 17. Отсеков, предназначенных для проведения испытания нескольких фильтрующих элементов одновременно, может быть несколько. При этом трубопровод, подводящий подготовленную воздушную смесь к блоку фильтрации, может быть снабжен разветвителем 14, включающим необходимое (по числу отсеков) количество отводов. Так в каждый отсек подведен отвод от трубопровода для обеспечения равномерности подачи подготовленной воздушной смеси в каждый из отсеков. В отсеках размещены кассеты с фильтрующими элементами 15 или наборами исследуемых фильтров или готовые фильтрующие устройства 23. Каждый из отсеков снабжен детектором гамма-излучения 16. В качестве таких детекторов используют, например, полупроводниковые плоские детекторы измерения уровня радиоактивного излучения токсичной примеси, задержанной и адсорбированной фильтрующими и фильтрующе-поглощающими элементами. Такие детекторы гамма-излучения могут быть размещены также в трубопроводе подачи воздушной смеси (в случае выполнения блока фильтрации с одним отсеком) или в разветвителе (в случае выполнения блока фильтрации с несколькими отсеками). Кассета с фильтрующими элементами представляет собой каркасный корпус 24, содержащий, по меньшей мере, одно отделение, в котором размещены слои фильтрующих или поглощающих материалов. Применение большего количества отделений обеспечивает возможность размещения фильтрующих элементов в различной последовательности, использования различных составов и т.д., что позволит подобрать наиболее оптимальный упорядоченный набор фильтрующих и поглощающих элементов, используемых для конкретных токсичных примесей или загрязнителей. В корпусе кассеты может быть выполнен внутренний канал 25, в котором, с целью наибольшей информативности, размещен дополнительный детектор гамма-излучения, при этом предусмотрена возможность его смещения относительно отделений корпуса 26 для измерения уровня радиоактивности в зоне конкретного слоя фильтрующего элемента. Выход из камеры фильтрации выполнен в виде отводящего трубопровода для отфильтрованной воздушной смеси или нескольких отдельных трубопроводов по числу фильтрационных отсеков. Отводящие трубопроводы (отводы) 18 соединяют камеру блока фильтрации с блоком оценки эффективности защитного действия 4, представляющим собой камеру, разделенную на секции исследования 19, количество которых соответствует количеству отсеков блока фильтрации. При этом каждый отводящий от блока фильтрации трубопровод соединен с соответствующей секцией исследования. В секциях размещены детекторы гамма-излучения, например полупроводниковые плоские детекторы, а также выполнены отводы, снабженные сбросными клапанами, для выведения поступающей из блока фильтрации отфильтрованной воздушной смеси в окружающую среду (во внешнее пространство) через воздуховод системы вентиляции. Таким образом, в устройстве детекторы гамма-излучения размещены непосредственно в зонах подготовки и фильтрации воздушной смеси, то есть в загрязненной среде (до фильтрации на входе в блок фильтрации и непосредственно в отсеках блока фильтрации), а также после фильтрационного блока (в секциях исследования). По разности количественного показателя интенсивности потоков зарегистрированных импульсов до и после фильтрации судят об эффективности защитного действия исследуемых фильтрующих элементов и устройств. Электрические импульсы с детекторов регистрирует блок обработки результатов, включающий блок регистрации первичных данных 20 и блок анализа зарегистрированных импульсов 21. Блок обработки результатов может представлять собой, например, многоканальный самописец. Самописцы позволяют регистрировать входные данные и выводить данные на бумажной диаграммной ленте в виде графика для визуальной оценки эффективности фильтрации. Также в качестве блока обработки результатов могут быть использованы регистраторы различного рода - бумажные, видеографические или технологические, обеспечивающие возможность вывода результатов анализа в различном виде, а также возможность дальнейшего преобразования и использования массива первичных зарегистрированных электрических импульсов с детекторов гамма-излучения. Блок обработки результатов измерений также включает входную шину, предназначенную для подсоединения через соответствующие кабельные линии к устройствам приводов редукторов, клапанов, заслонок и других устройств, входную шину, предназначенную для подсоединения через соответствующие кабельные линии к устройствам регистрации первичных данных, соединяющих их с расположенными в соответствующих зонах датчиков давления, расхода воздушной смеси, детекторов гамма-излучения. Блоки регистрации первичных данных соединены через выходные шины с компьютером 22, предназначенным для реализации алгоритмов обработки массива первичных зарегистрированных электрических импульсов и управления всем устройством через выходную шину, подсоединенную через соответствующие кабельные линии к устройствам приводов редукторов, клапанов, заслонок и других устройств.
Таким образом, устройство обеспечивает качественный и количественный анализ эффективности защитного действия фильтрующих элементов. Качественный анализ защитного действия определенного набора фильтрующих и фильтрующе-поглощающих элементов заключается в регистрации детекторами установленного порогового уровня гамма-излучения при непрерывном/дискретном заполнении камеры исследования определенным количеством отфильтрованной воздушной смеси. Количественный анализ защитного действия определенного набора фильтрующих и фильтрующе-поглощающих элементов может проводиться на основе автоматизированной обработки в соответствии с определенным алгоритмом результатов измерений объемов прошедшей через фильтрующий элемент воздушной смеси, а также непрерывной регистрации гамма-излучения детекторами.
Заявляемый способ реализуют при помощи заявляемого устройства следующим образом.
Использование нейтронно-активационного анализа при оценке эффективности фильтрующих элементов или готовых фильтрующих устройств обеспечит возможность достаточно быстро и качественно оценить степень эффективности защитного действия фильтрующих элементов, а также средств защиты органов дыхания и иных устройств очистки воздуха, произвести выбор наиболее эффективного упорядоченного набора фильтров, а также провести испытания готовых изделий перед их эксплуатацией.
Для реализации заявляемого способа готовят смесь воздуха и пробы токсичного вещества в блоке нейтронной активации. Токсичное вещество может быть использовано в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком или газообразном. Потоком нейтронов от нейтронопровода реактора либо иного генератора тепловых нейтронов предварительно активируют пробу токсичного вещества, размещенную в камере активации. Токсичное вещество подвергают бомбардировке тепловыми нейтронами, в результате захвата которых ядрами атомов вещества образуются их радиоактивные изотопы с малым периодом полураспада. Особым преимуществом этого метода является то, что продолжительность наведенной радиации обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов.
В результате бомбардировки получают активированное токсичное вещество, заключенное в газовый баллон, если использована газообразная фракция, или в контейнер, если активировалось жидкое или твердое токсичное вещество.
Далее пробу активированного токсичного вещества смешивают с потоком воздуха в блоке подготовки воздушной смеси. Изменением подачи воздушной смеси достигают необходимой концентрации (измеряемой в предельно допустимых концентрациях ПДК - от безопасной (<1) до нескольких десятков или сотен ПДК).
Для смешивания газообразного активированного токсичного вещества с атмосферным воздухом пробу из газового баллона смешивают с подаваемым под давлением атмосферным воздухом в специальной камере подготовки воздушной смеси. При этом фиксируют показания датчиков давления, измеряют и регулируют концентрацию компонент воздушной смеси.
Для подготовки смеси в случае использования жидкого токсичного вещества активированное токсичное вещество предварительно испаряют либо получают дисперсную фазу (аэрозоль), а полученные таким образом пары или аэрозоль активированного токсичного вещества аналогичным образом смешивают с потоком атмосферного воздуха. Для этого используют испаритель либо аэрозольный генератор, подключенный к трубопроводу подвода активированного токсичного вещества, в которых осуществляется процесс фазового перехода жидкого токсичного вещества в газообразное состояние либо образования дисперсионной, конденсационной или механической аэрозоли.
Для подготовки смеси в случае твердого токсичного вещества, активированное токсичное вещество сублимируют либо сжигают в тепловой или дымообразующей камере, также подключенной к трубопроводу подвода активированного токсичного вещества, а отходящие газы, содержащие активированное токсичное вещество, образующиеся при сублимации либо сгорании, аналогичным образом смешивают с атмосферным воздухом. Таким образом, в результате данного шага получают смесь атмосферного воздуха с парами или аэрозолью или дымом активированного токсичного вещества. Далее подготовленная таким образом смесь подают в блок фильтрации по трубопроводу подвода подготовленной воздушной смеси и фильтруют исследуемыми фильтрующими элементами, при этом до фильтрации и в ее процессе регистрируют электрические импульсы с детекторов гамма-излучения, в результате чего формируют массив первичных электрических импульсов для последующей оценки эффективности фильтрации. В случае исследования нескольких фильтрующих элементов и выполнения камеры блока фильтрации с несколькими отсеками, подготовленную воздушную смесь подают в каждый отсек через разветвитель, подключенный к входному трубопроводу. В отсеки блока фильтрации предварительно размещают кассеты с исследуемыми наборами фильтрующих элементов или готовые фильтрующие устройства. Очевидно, что насыщенный изотопами поток подготовленной воздушной смеси, проходя через фильтрующие элементы, попадает в зону действия детекторов гамма-излучения, которые фиксируют интенсивность распада радиоактивных изотопов. После прохождения блока фильтрации поток направляют в блок оценки эффективности защитного действия, где также фиксируют наличие радиоактивных изотопов по срабатыванию детекторов гамма-излучения, размещенных в каждой секции блока оценки эффективности. Через сбросные клапаны отфильтрованный поток выводят в окружающую среду через систему вентиляции, а по зарегистрированным интенсивностям срабатывания детекторов гамма-излучения в блоке фильтрации и после него судят об эффективности защитного действия исследуемых фильтрующих элементов. При этом первичные показания детекторов гамма-излучения регистрируются в блоке обработки результатов, далее подвергаются в соответствии с определенным алгоритмом обработке и анализу, после чего результаты выводятся в удобном для восприятия виде на внешний носитель информации (например, на монитор компьютера).