低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器制造技术

一种低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，包括换热器、分支管道，以及依次连接的出口管道、主管道和入口管道；所述分支管道连接所述换热器冷侧出口管道和入口管道，使待纯化气体经过主管道后，由出口管道将纯化后的气体输出至换热器热侧入口管道；换热器使待纯化气体充分吸收已纯化气体的热量，并使已纯化气体降温至安全温度；在主管道的内部装填有高纯金属填料。本发明专利技术利用经电子束冶炼或电解精炼的低放射性高纯金属锆、铪、铁、钒、钛、铜等金属在600℃以上与高纯惰性气体中的氮、氢、氧等元素反应生成固态化合物从而实现对高纯惰性气体的提纯，且对高纯惰性气体的纯化效果好，释放的氡气较少，可以满足稀有事例实验氩、氙等靶物质的高速、高纯纯化要求，也可以解决刀口法兰在高温工况的可用性。并且在填料使用寿命结束后可以方便的更换填料。后可以方便的更换填料。后可以方便的更换填料。

【技术实现步骤摘要】
低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器


[0001]本专利技术涉及高纯惰性气体的纯化
，具体来说是一种高速去除高纯惰性气体中极痕量的N、O、H等元素，并且同时无明显的对粒子探测器有害的氡等放射性杂质及其他化学杂质放出的低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器。

技术介绍

[0002]暗物质探测、无中微子双贝塔衰变探测等稀有事例高能物理实验所期望的信号非常稀少与微弱，建造探测器的材料以及探测介质都需要严格控制放射性本底，低放射性本底金属材料的甄选与来源问题是稀有事例高能物理实验领域亟待解决的一个核心问题。氙、氩等惰性气体常作为此类探测器的靶物质，目标粒子与靶物质碰撞后会放出自由电子，靶物质中的N、O、H等杂质元素会吸收自由电子从而恶化探测器的性能，所以需要严格控制靶物质中N、O、H等元素含量。
[0003]目前一般粒子探测器所用的高纯氙、氩采用半导体行业的纯化器去除N、O、H，起纯化作用的填料物质主要是锆铝合金、锆钒铁合金等，工作温度一般低于400℃，惰性气体中的N、O、H杂质与填料反应生产固态化合物得以固化，从而气体得到了提纯。但此类纯化器有个缺点就是所用的填料放氡率水平较高，有些纯化器放氡率极高，这些氡随循环气体进入粒子探测器后引起本底升高，恶化了探测器性能。另外，已有纯化器价格较为昂贵，且纯化速率较低，对于未来数十吨级、百吨级的探测器来说，这些纯化器的纯化速率还是偏低。
[0004]随着高能物理实验研究的推进，对靶物质的纯度要求越来越高，对粒子探测器的本底水平要求越来越苛刻，从而对纯化器也提出了更高要求，需要有更好的纯化速度、纯化效果，放氡率低。并且随着实验规模的扩大，实验空间越来越紧张，从而希望纯化器在提高纯化性能的同时不增加体积。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，需要从两方面入手。一方面是采用高纯填料，可选的填料包括锆、铪、钛、钒、铁、铜等，这些材料需要经过真空电子束冶炼或电解精炼且经过放射性测量，
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Th的含量不超过10mBq/kg，以控制纯化器的放氡率。另一方面就是提高填料的工作温度，比如提高到800℃，杂质元素与填料有更高的反应活性与速度，可获得更好的纯化效果。但在如此高的温度下，已有法兰难以同时满足高密封性、高洁净度、更换便利性的要求等，所以法兰密封也需要同时考虑高温工况要求。
[0006]本专利技术的技术解决方案如下：
[0007]一种低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特点在于，包括主管道及连接的进口管道、出口管道，待纯化气体首先在换热器与已纯化气体进行换热，然后经过分支管道加热后进入主管道与内部的高纯金属填料反应，气体中的N、H、O杂质与高纯金属填料反应生产固态化合物而得以纯化，热后进入出口管道及换热器与待纯化气体换热。
[0008]在所述出口管道外套装有上端封头，在所述主管道外套装有主加热与保温层，在
所述入口管道外套装有下端封头；在所述上端封头和主保温层顶部之间、在所述下端封头和主保温层底部之间均设有密封连接结构；
[0009]所述封头刀口法兰与所述上端封头或下端封头为焊接成型或整体加工成型，所述主管道刀口法兰与所述主管道为焊接成型或整体加工成型，所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰通过紧固件和密封圈密封固定连接；
[0010]所述上端封头和下端封头内部中空，供出口管道或入口管道通过，形成内管道，该内管道靠近所述封头刀口法兰的一端套设有若干阻流翅片约束高温气体的流动路径。
[0011]进一步，所述高纯金属填料为经过真空电子束冶炼或电解精炼且经过放射性测量，
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Th的含量不超过10mBq/kg。
[0012]优先的，所述高纯金属填料为锆、铪、钛、钒、铜或铁。
[0013]进一步，所述主管道中段部分的表面温度工作状态时不低于600℃。
[0014]进一步，所述分支管道外套设有分支加热与保温层。
[0015]进一步，在所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰之间、所述主管道上还设有散热机构，使所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰的温度不超过200℃。
[0016]进一步，所述散热结构为若干风冷散热片和/或水冷夹套。
[0017]优选的，所述风冷散热片最靠近所述主管道中点处的一片，与所述主管道内壁上的所述固定环位置接近，或者如果采用水冷夹套，则所述主管道外侧的所述水冷夹套位置上接近所述固定环。
[0018]进一步，所述阻流翅片的外径比所述夹套管的内径小3～5mm，作为抽真空的泻流通道，或者在夹套管内部设置阻流翅片，阻流翅片设有通孔，通孔直径比所述内管道大3～5mm。
[0019]进一步，所述夹套管的管段部分与所述主管道、刀口法兰无接触，至少相距2mm。
[0020]所述夹套管内、下侧固定环处，设有滤网或多孔板。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0022]1)确保刀口法兰的工作温度，在主管道及刀口法兰内设计一个夹套管结构，夹套管管段外壁与刀口法兰相距5～10毫米，高温介质只能通过夹套管内部流动，而刀口法兰与夹套之间的气体无强迫对流。因为气体的热导率较差，自然对流的高纯介质气体与刀口法兰之间的传热能力也较小，夹套管外壁与刀口法兰之间的高纯介质实质上具有隔热的效果，所以高温高纯介质对刀口法兰的加热功率就较小，再考虑到刀口法兰的散热，可以使刀口法兰及垫片工作在较低温度，从而保证了刀口法兰的可靠性与密封性。
[0023]2)高纯填料放置在高温合金管道内，管道外依次是加热装置与保温材料，保证填料工作在合适的温度。
[0024]3)经过纯化后的介质温度极高，离开纯化填料后，首先与待纯化的低温、常温介质热交换，一方面回收能量，减小对进气加热功率的需求，另一方面是使已经纯化的气体降温，保证使用安全。
[0025]4)所用材料事先经过放射性检测与控制、放氡率检测与控制，保证纯化后的气体不会被氡气污染。
附图说明
[0026]图1为本专利技术低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器实施例的结构示意图
[0027]图2为本专利技术适用于高温工况的刀口法兰实施例1结构设计图
[0028]图3为本专利技术适用于高温工况的刀口法兰实施例2结构设计图
[0029]图4为本专利技术夹套管结构图
[0030]图中：1
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换热器出口管道；2
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换热器；2A
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换热器热侧出口管道；2B
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换热器热侧入口管道；2C
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换热器冷侧入口管道；2D
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换热器冷侧出口管道；3
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上端封头；4
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主管道；5
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主加热与保温层；7
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下端封头；8
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入口管道；10
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分支管道；11
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分支加热与保温层；13
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特征在于，包括换热器(2)、分支管道(10)，以及依次连接的出口管道(1)、主管道(4)和入口管道(8)；所述换热器(2)的热侧进口端(2B)与所述出口管道(1)相连，所述换热器(2)的冷侧入口端(2C)，用于供待纯化气体输入；所述换热器(2)的冷侧出口端(2D)与所述分支管道(10)的一端相连，该分支管道(10)的另一端与入口管道(8)相连；在所述主管道(4)的内部装填有高纯金属填料(12)；在所述主管道(4)外套设有主加热与保温层(5)，在所述入口管道(8)外套装有下端封头(7)，在所述出口管道(1)外套装有上端封头(3)；当待纯化气体经所述换热器(2)的冷侧入口端(2C)进入该换热器(2)内，并与该换热器(2)内已纯化气体换热后，经所述换热器(2)的冷侧出口端(2D)依次经所述分支管道(10)和入口管道(8)后，进入所述主管道(4)，纯化后经所述出口管道(1)输出，经所述换热器(2)的热侧进口端(2B)进入该换热器(2)。2.根据权利要求1所述的低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特征在于，所述上端封头(3)的内部中空供出口管道(1)伸入，所述下端封头(7)的内部中空供入口管道(8)伸入，形成自上而下、由出口管道(1)、主管道(4)和入口管道(8)连接而成的内管道，该内管道的一端套设有若干阻流翅片。3.根据权利要求1所述的低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特征在于，在所述上端封头(3)和主加热与保温层(5)顶部之间、以及主加热与保温层(5)底部和下端封头(7)之间，均设有封头刀口法兰和主管道刀口法兰。4.根据权利要求3所述的低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特征在于，所述封头刀口法兰与所述上端封头或下端封头焊接为一体或者由单块材料直接加工成型，所述主管道刀口法兰与所述主管道(4)焊接为一体或者由单块材料直接加工成型，所述封头刀口法兰与所述主管道刀口法兰通过紧固件和密封圈密封固定连接。5.根据权利要求1所述的低氡放射率高温高纯惰性气体纯化器，其特征在于，所述高纯金属填料经过真空电子束冶炼或电解精炼且经过放射性测量，
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Th的含量不超过10mBq/kg，所述的高温管道，在25℃时，内表面的放氡率不超过...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘江来，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：