張振中，莊子威，江 鋒

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084)

在核級(jí)空氣凈化系統(tǒng)中，核級(jí)高效過濾器作為系統(tǒng)的最后一級(jí)設(shè)備，是避免放射性氣溶膠排入大氣的最后一道安全屏障。其典型尺寸為610 mm×610 mm×292 mm，迎風(fēng)截面尺寸為610 mm×610 mm，額定風(fēng)量為1 700 m3/h。

對(duì)放射性顆粒物的過濾效率是核級(jí)高效過濾器性能的重要指標(biāo)之一，不同國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)中效率檢測(cè)方法不同。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使用鈉焰法[1-2]，具體描述為：首先使用Collison噴嘴噴霧NaCl水溶液，然后干燥產(chǎn)生NaCl固態(tài)氣溶膠，在被測(cè)過濾器的前、后進(jìn)行含氣溶膠空氣采樣，使用鈉焰光度計(jì)測(cè)量NaCl氣溶膠的濃度，從而計(jì)算出過濾效率。在整個(gè)效率測(cè)量過程中，含NaCl的空氣的相對(duì)濕度小于40%；NaCl氣溶膠的計(jì)重中值直徑約為0.5 μm。采用鈉焰法，核級(jí)高效過濾器的效率指標(biāo)不小于99.99%。

鈉焰光度的測(cè)量包括燃燒器、光電轉(zhuǎn)換單元及微電流信號(hào)測(cè)量單元3部分。燃燒器主要解決NaCl氣溶膠完全、持續(xù)燃燒的技術(shù)；光電轉(zhuǎn)換單元主要將燃燒產(chǎn)生的特征黃光通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電流信號(hào)；微電流信號(hào)測(cè)量單元?jiǎng)t主要對(duì)轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。其中，NaCl濃度與電流信號(hào)間的關(guān)系非常重要。

本文將通過實(shí)驗(yàn)來討論NaCl濃度與光電流測(cè)量值間的關(guān)系，研究鈉焰效率的精確測(cè)量。

1 鈉焰法過濾效率的計(jì)算

賽伯-羅馬金公式給出了元素的譜線強(qiáng)度I與該元素的濃度c之間的關(guān)系：

I=AcB

(1)

其中，A、B為常數(shù)，常數(shù)A與元素的蒸發(fā)、激發(fā)過程和元素組成等有關(guān)，常數(shù)B為自吸收系數(shù)，它的數(shù)值與譜線的自吸收有關(guān)[3]。

在獲得光電流I后，對(duì)鈉焰法過濾效率的計(jì)算使用如下公式：

(2)

其中：E為過濾器效率，%；P為過濾器透過率，%；I1為過濾器前NaCl燃燒產(chǎn)生的光電流，nA；I2為過濾器后NaCl燃燒產(chǎn)生的光電流，nA；I0為檢測(cè)系統(tǒng)本底空氣的光電流，nA；n為過濾器前NaCl氣溶膠稀釋倍數(shù)，對(duì)高效過濾器用鈉焰光度計(jì)，n為50。

從過濾器效率計(jì)算公式可看出，NaCl的濃度與光電流測(cè)量值呈線性關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

NaCl氣溶膠的產(chǎn)生使用中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6165—2008描述的方法。

NaCl氣溶膠濃度的變化與光電流的關(guān)系實(shí)驗(yàn)采用圖1所示的標(biāo)定系統(tǒng)。其中，NaCl氣溶膠使用三級(jí)稀釋，每級(jí)稀釋的稀釋比例可達(dá)到100倍，總的稀釋倍數(shù)可達(dá)106倍。

1——一級(jí)稀釋；2,4,6——混合器；3——二級(jí)稀釋； 5——三級(jí)稀釋； 7——流量計(jì)；8——放氣閥；9——高效過濾器；10——空氣泵

實(shí)驗(yàn)中使用兩臺(tái)相同的鈉焰光度計(jì)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。鈉焰光度計(jì)中的微電流測(cè)量單元使用RIGOL公司制造的DM3058型數(shù)字萬用表[4]來標(biāo)定，其主要性能參數(shù)列于表1。

通常情況下，過濾器測(cè)試時(shí)的濾前NaCl濃度(原始濃度)約為2 mg/m3，稀釋50倍后，進(jìn)入鈉焰光度計(jì)的濃度約為0.04 mg/m3，因?yàn)楦咝н^濾器的過濾效率為99.99%，所以濾后濃度約為4 ng/m3。為進(jìn)一步說明NaCl濃度對(duì)測(cè)量精度的影響，本文實(shí)驗(yàn)中將測(cè)量濃度的范圍上限拓寬至13 mg/m3。

表1 DM3058型數(shù)字萬用表的主要性能參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在4 ng/m3～0.067 mg/m3范圍內(nèi)，NaCl濃度與光電流間的關(guān)系如圖2所示。分別對(duì)NaCl濃度和光電流取自然對(duì)數(shù)，擬合后的曲線如圖3所示。

圖2 低濃度區(qū)光電流與NaCl濃度的關(guān)系曲線

圖3 低濃度區(qū)光電流與NaCl濃度關(guān)系的對(duì)數(shù)曲線

從圖2、3可知，在NaCl低濃度區(qū)，光電流和濃度間有很好的對(duì)數(shù)線性關(guān)系，即：

lnI=lnA+Blnc

(3)

因B接近1，進(jìn)而式(3)可寫成：

I=Ac

(4)

對(duì)于兩臺(tái)鈉焰光度計(jì)，分別為：

I1=4.840c1

I2=5.091c2

將濃度擴(kuò)展到2 mg/m3以上時(shí)，測(cè)量的NaCl濃度與光電流間的關(guān)系如圖4所示。分別對(duì)NaCl濃度和光電流取自然對(duì)數(shù)，擬合后的曲線如圖5所示。

圖4 低、中濃度區(qū)光電流與NaCl濃度的關(guān)系曲線

從圖4、5可知，在低、中濃度區(qū)，NaCl濃度與光電流間的對(duì)數(shù)線性關(guān)系已不明顯，相關(guān)系數(shù)較低濃度區(qū)的減小，寫成表達(dá)式為：

對(duì)比圖5a、b可知，在低、中濃度區(qū)，使用式(5)描述光電流和濃度間的關(guān)系較式(3)更加準(zhǔn)確。

lnI=lnA+Blnc+Cln2c

(5)

繼續(xù)將濃度擴(kuò)展至13 mg/m3以上，測(cè)量的NaCl濃度與光電流間的關(guān)系如圖6所示。分別對(duì)NaCl濃度和光電流取自然對(duì)數(shù)，擬合后的曲線如圖7所示。

從圖6、7可知，在中、高濃度區(qū)，NaCl濃度與光電流間的對(duì)數(shù)線性關(guān)系已不能成立，相關(guān)系數(shù)繼續(xù)減小。NaCl濃度由單位mg/m3調(diào)整到單位ng/m3后，上述關(guān)系寫成表達(dá)式為：

a——一次曲線；b——二次曲線

圖6 中、高濃度區(qū)光電流與NaCl濃度的關(guān)系曲線

對(duì)比圖7a、b可知，在中、高濃度區(qū)，使用式(6)描述光電流與NaCl濃度間的關(guān)系較式(3)更具優(yōu)勢(shì)。

lnI=lnA+Blnc+Cln2c

(6)

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，在低濃度區(qū)時(shí)，NaCl氣溶膠燃燒后的光譜的自吸收系數(shù)為1，但隨著濃度的增大，光譜的自吸收系數(shù)不斷減小。

國(guó)標(biāo)中的效率計(jì)算公式是基于NaCl濃度和光電流間是線性關(guān)系的，當(dāng)濾前NaCl濃度為中、高濃度時(shí)再使用國(guó)標(biāo)中的計(jì)算公式，導(dǎo)致公式中分母使用值較實(shí)際值小，從而效率計(jì)算結(jié)果較實(shí)際效率偏小，顯然已不能滿足測(cè)量精度的要求。

a——一次曲線；b——二次曲線

4 結(jié)論

對(duì)于過濾器的效率測(cè)量，系統(tǒng)管道內(nèi)進(jìn)入鈉焰光電測(cè)量裝置的NaCl的濃度不宜超過0.05 mg/m3，此時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的效率計(jì)算公式是適用的；當(dāng)濃度高于0.05 mg/m3時(shí)，光電流已不隨NaCl濃度的增加而線性增加，此時(shí)再使用國(guó)標(biāo)中的公式計(jì)算效率，公式計(jì)算值將會(huì)小于實(shí)際值。

對(duì)于過濾材料的效率測(cè)量，因?yàn)槠淇蓽y(cè)效率要求高于高效過濾器，所以濾前NaCl的濃度更高，將達(dá)到20 mg/m3，這樣采用國(guó)標(biāo)中的計(jì)算公式將使計(jì)算結(jié)果偏差更大，所以通過校準(zhǔn)曲線來代替使用簡(jiǎn)單的吸收常數(shù)，可獲得更好的測(cè)量精度和更加精確的測(cè)量結(jié)果。

此外，口罩及口罩密合性的效率測(cè)試中中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)均采用鈉焰法[5-8]，所以本文的研究結(jié)果同樣可應(yīng)用到勞保和醫(yī)療等其他領(lǐng)域。

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