Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и устройство для его реализации



Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и устройство для его реализации
Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и устройство для его реализации

 

G01N23/00 - Исследование или анализ материалов радиационными методами, не отнесенными к группе G01N 21/00 или G01N 22/00, например с помощью рентгеновского излучения, нейтронного излучения (G01N 3/00-G01N 17/00 имеют преимущество; измерение силы вообще G01L 1/00; измерение ядерного или рентгеновского излучения G01T; введение объектов или материалов в ядерные реакторы, извлечение их из ядерных реакторов или хранение их после обработки в ядерных реакторах G21C; конструкция или принцип действия рентгеновских аппаратов или схемы для них H05G)

Владельцы патента RU 2594113:

Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники. Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке включает облучение кислородосодержащего потока и регистрацию гамма-квантов. Облучают быстрыми нейтронами в импульсном режиме Кислородосодержащий поток, регистрируют гамма-кванты, проводят анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов, определяют количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема. Определяют время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока. Массу кислорода рассчитывают по соотношению с учетом числа зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ, постоянной распада для азота-16, времени переноса облученного объема от источника к детектору, эффективности регистрации детектора, плотности потока быстрых нейтронов, частоты следования импульсов, длительности импульса облучения, времени облучения, сечения реакции 16O(n,p)16N, числа Авогадро и молярной массы кислорода. Технический результат - повышение точности и оперативности измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке.

Известен способ определения состава многофазной жидкости [патент РФ №2184367, МПК G01N 23/08, G01N 23/12, «Способ и измерительный прибор для определения состава многофазной жидкости»]. Способ определения состава многофазной жидкости путем пропускания через нее пучка фотонов и измерения уровня поглощения излучения жидкостью при как минимум трех уровнях энергии излучения и передачи данных измерения поглощения излучения на блок обработки данных. Блок программируется так, что он осуществляет вычисления в соответствии с алгоритмом вычисления фазовой доли на основании упомянутых данных о поглощении излучения и на основании упомянутых вычислений выдает данные, касающиеся состава жидкости. Причем многофазная жидкость содержит соленую воду, а алгоритм расчета фазовой доли включает в себя этапы определения солености воды. Способ согласно изобретению основан на понимании того факта, что содержание соли, если таковая имеется, в воде, выдаваемой, например, скважиной для добычи сырой нефти, может оказывать существенное воздействие на поглощение жидкостью пучка фотонов.

Недостатком известного технического решения является его непригодность для определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения состава многофазного потока скважинной продукции [патент РФ №2334972, МПК G01N 23/00 (2006.01), «Способ и устройство для определения состава многофазного потока скважинной продукции»]. Способ основан на облучении флюида гамма-квантами. Для облучения используют источник гамма-квантов с двумя энергетическими пиками. Одним детектором регистрируют гамма-кванты, испытавшие одно комптоновское рассеяние на компонентах скважинной продукции, а другим - детектором гамма-кванты, прошедшие через трубу без взаимодействия. Калибровку системы проводят по воде, газу и нефти, вычисляя коэффициент поглощения и коэффициент комптоновского рассеяния во всех энергетических окнах. Составляют систему уравнений, первое из которых отражает тот факт, что сумма объемных долей равна единице, а следующие уравнения отражают зависимость поглощения в энергетических окнах от объемных долей различных фаз и зависимость количества рассеянных гамма-квантов от объемных долей различных фаз. Решая составленную систему уравнений, определяют состав многофазной смеси потока.

Недостатками данного способа являются, во-первых, наличие зависимости точности определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке от толщины слоя исследуемого потока вдоль оси пучка гамма-квантов из-за изменения коэффициентов рассеяния и поглощения гамма-квантов, во-вторых, относительно большие затраты времени на облучение компонент кислородосодержащего потока из-за того, что облучение потока в течение относительно малого времени не позволяет разделить пики в спектре от рассеянных и нерассеянных гамма-квантов.

Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков, а именно в исключении зависимости точности определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и уменьшении затрат времени на облучение кислородосодержащего потока.

Для исключения указанных недостатков в способе определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке, включающем облучение кислородосодержащего потока и регистрацию гамма-квантов, предлагается:

- облучение проводить быстрыми нейтронами в импульсном режиме;

- регистрировать гамма-кванты, образующиеся в результате снятия возбуждения остаточных ядер от активации быстрыми нейтронами ядер кислорода;

- проводить анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов;

- определять количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема;

- определять время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока;

- массу кислорода рассчитывать по соотношению с учетом числа зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ, постоянной распада для азота-16, времени переноса облученного объема от источника к детектору, эффективности регистрации детектора, плотности потока быстрых нейтронов, частоты следования импульсов, длительности импульса облучения, времени облучения, сечение реакции 16O(n,p)16N, числа Авогадро и молярной массы кислорода.

Сущность способа определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке заключается в следующем.

Кислородосодержащий поток облучают быстрыми нейтронами в импульсном режиме и регистрируют гамма-кванты, образующиеся в результате снятия возбуждения остаточных ядер от активации быстрыми нейтронами ядер кислорода, проводят анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов, определяют количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема, определяют время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока, а массу кислорода рассчитывают по соотношению (1)

где mк - масса атомов кислорода, прошедших через трубу за время τ; Nγ - число зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ; λ - постоянная распада для азота-16, c-1; t - время переноса облученного объема от источника к детектору, с; ε - эффективность регистрации детектора; ϕ - плотность потока быстрых нейтронов, частиц·с-1·см-2, ν - частота следования импульсов, с-1, Т - длительность импульса облучения, с; τ - время облучения, с; σ - сечение реакции 16O(n,p)16N, см2; NA - число Авогадро, моль-1; МК - молярная масса кислорода (г·моль-1).

Стоит отметить, что гамма-кванты с энергией 6,13±0,62 МэВ характерны именно для снятия остаточного возбуждения при распаде азота-16.

Пример конкретного использования способа

Активация ядер кислорода-16 (99,762% в природной смеси) быстрыми нейтронами в реакции 16O(n,p)16N приводит к образованию азота-16, имеющего период полураспада Т1/2=7,1 секунды. В результате бета-распада ядер азота-16 образуются возбужденные ядра кислорода-16, которые снимают возбуждение, испуская гамма-кванты (вероятность 69%) с энергией 6,13 МэВ.

Гамма-кванты этой энергии (с учетом точности определения энергии гамма-квантов в 10% - 6,13±0,62 МэВ) выделяются из спектра всех зарегистрированных детектором. Количество гамма-квантов Nγ будет прямо пропорционально количеству атомов 16O* с учетом эффективности регистрации детектора ε и вероятности снятия возбуждения именно через испускание гамма-квантов (69%). Выбранное время проведения замера составляет 40 с. Облучение трубы быстрыми нейтронами производится при постоянном расстоянии источник-детектор, поэтому изменение количества атомов азота-16 обусловлено только радиоактивным распадом за время переноса облученного объема t. Время переноса определяется как разница момента начала регистрации гамма-квантов от облученного объема t2 и момента начала облучения t1:t=t2-t1.

λ - постоянная распада азота-16, λ=(ln2)/T1/2=4,9 (с-1). Длительность облучения τ целесообразно выбрать равной трем периодам полураспада 7,1·3=21,3 с, хотя и не ограничиваясь этим - все зависит от требований по точности определения концентрации кислорода.

Один из вариантов исполнения устройства, на котором реализуется способ, представлен на чертеже, на котором приняты следующие позиционные обозначения: 1 - блок детектирования гамма-квантов, 2 - импульсный источник быстрых нейтронов, 3 - источники питания, 4 - комплекс обработки данных, 5 - труба.

Технический результат - повышение точности и оперативности измерений.

Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке, включающий облучение кислородосодержащего потока и регистрацию гамма-квантов, отличающийся тем, что облучение проводят быстрыми нейтронами в импульсном режиме, регистрируют гамма-кванты, образующиеся в результате снятия возбуждения остаточных ядер от активации быстрыми нейтронами ядер кислорода, проводят анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов, определяют количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема, определяют время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока, а массу кислорода рассчитывают по соотношению (1)

где mк - масса атомов кислорода, прошедших через трубу за время τ;
Nγ - число зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ;
λ - постоянная распада для азота-16, с-1;
t - время переноса облученного объема от источника к детектору, с;
ε - эффективность регистрации детектора;
ϕ - плотность потока быстрых нейтронов, частиц·с-1·см-2;
ν - частота следования импульсов, с-1;
T - длительность импульса облучения, с;
τ - время облучения, с;
σ - сечение реакции 16O(n,p)16N, см2;
NA - число Авогадро, моль-1;
МК - молярная масса кислорода (г·моль-1).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области исследований конденсированных сред нейтронами, в частности методики диагностики неоднородного состояния или низкочастотной динамики среды.

Изобретение относится к способу рентгенофазового определения криолитового отношения при электролитическом получении алюминия и может быть использовано при определении состава электролита.

Изобретение относится к рентгено-абсорбционным анализаторам содержания серы в нефти и нефтепродуктах и может быть использовано для измерения концентрации серы в технологических трубопроводах в потоке анализируемой среды.

Использование: для формирования изображения быстропротекающего процесса с помощью протонного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает ввод протонного пучка, по крайней мере, в один магнитооптический канал, изменение ширины протонного пучка на разные величины, которое осуществляют последовательно в одном и том же магнитооптическом канале, для этого либо после прохождения части протонных сгустков через рассеиватель его удаляют или изменяют толщину, а затем пропускают оставшуюся часть протонных сгустков, либо следующие друг за другом протонные сгустки смещают относительно друг друга с помощью магнитных линз и, используя разнотолщинный рассеиватель, смещенные протонные сгустки пропускают через области рассеивателя с разной толщиной, после прохождения рассеивателя с помощью системы согласующих магнитных линз формируют протонный пучок с параметрами, соответствующими параметрам области исследования и последующей магнитооптической системы формирования протонного изображения, и просвечивают область исследования, пропуская поочередно протонные сгустки различной ширины, при использовании нескольких магнитооптических каналов просвечивание области исследования осуществляют под разными углами, после чего прошедший протонный пучок направляют в магнитооптическую систему формирования протонного изображения, состоящую, по крайней мере, из двух различных по апертуре линзовых систем, апертура каждого набора соответствует протонному пучку определенной ширины, оба набора линз системы формирования теневого протонного изображения размещают последовательно в одном магнитооптическом канале.

Группа изобретений относится к области аналитических исследований и может быть использована в нефтехимической промышленности для качественного и количественного обнаружения полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений в нефтепродуктах.
Изобретение относится к области радиационной дефектоскопии изделий, основанной на просвечивании изделий гамма-излучением и регистрации излучения, прошедшего через изделие.

Использование: для оценки фактического состояния и остаточного ресурса эксплуатации трубных изделий энергетического оборудования. Сущность заключается в том, что из трубы, проработавшей в энергетическом оборудовании, подготавливают один образец, а также два эталона из трубы, не бывшей в эксплуатации.
Использование: для контроля технологического процесса кучного выщелачивания урановых руд. Сущность изобретения заключается в том, что определяют количество руды и среднюю массовую долю урана, заложенной в штабель руды для выщелачивания, и сравнивают с количеством урана, извлекаемым в процессе выщелачивания на выходе из штабеля, а в лабораторных условиях моделируют технологический процесс выщелачивания с оценкой ожидаемой скорости фильтрации растворов и степени извлечения урана, при этом в штабель рудной массы укладывают горизонтально трубы-скважины диаметром, обеспечивающим перемещение по ним скважинного каротажного прибора для одновременной регистрации потока мгновенных нейтронов деления, потока рассеянных тепловых нейтронов от импульсного нейтронного источника и интенсивность естественного гамма-излучения, а для получения информации по вертикали штабеля устанавливают вертикальные трубы-скважины такого же диаметра и при этом во всех скважинах не должен скапливаться выщелачивающий раствор, что будет упрощать интерпретацию результатов каротажа.

Использование: для сепарации алмазосодержащих материалов. Сущность изобретения заключается в том, что последовательно пропускают зерна материала перед источником первичного рентгеновского излучения, возбуждают в зерне материала вторичное рентгеновское излучение, регистрируют вторичное рентгеновское излучение и разделяют зерна материала относительно заданного порогового значения критерия разделения, при этом зерна материала облучают в узкоколлимированном пучке рентгеновского излучения, позволяющем снизить уровень фона, детектором рентгеновского излучения проводят одновременную регистрацию флуоресцентного характеристического рентгеновского излучения нескольких элементов и рассеянного от зерна материала рентгеновского излучения, одновременно усиливая возбуждение линий анализируемых ХРИ выбором материала анода рентгеновской трубки и материала коллиматора и специальных фильтров первичного излучения, выделяя полезный минерал по критерию разделения с использованием двухполярной логики И, ИЛИ, где в качестве критерия разделения используют отношение интенсивности флуоресцентного характеристического рентгеновского излучения элементов к интенсивности рассеянного зерном рентгеновского излучения источника и к интенсивности флуоресцентного характеристического рентгеновского излучения материала анода рентгеновской трубки.

Использование: для определения канцерогенности вещества. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемое вещество в твердом или жидком состоянии помещают в позитронно аннигиляционный временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений, измеряют его аннигиляционный спектр, обрабатывая который с помощью компьютера, находят значение долгоживущей временной компоненты (τ3) Ps, и если оно менее 1,005±0,005 нс, то делают вывод о наличии канцерогенных свойств у вещества, а если оно более 1,005±0,005 нс, то делают вывод об отсутствии канцерогенных свойств у вещества.

Изобретение относится к области измерительной техники. Способ определения границ раздела сред в сепараторах сырой нефти включает облучение сепаратора с отстоявшимся скважинным флюидом, регистрацию гамма-квантов и анализ полученных спектров гамма-квантов. Производят пошаговое перемещение сверху вниз вдоль сепаратора лежащей в горизонтальной плоскости сканирующей системы. Система состоит из источника быстрых нейтронов, блока детектирования гамма-квантов и блока детектирования тепловых нейтронов. При фиксированном положении системы облучают сепаратор быстрыми нейтронами. Регистрируют гамма-кванты и тепловые нейтроны. Анализируют спектр гамма-квантов на наличие двух энергетических пиков 6,13±0,62 МэВ от кислорода и 1,78±0,18 МэВ от кремния. Повторяют процедуру в следующем положении сканирующей системы. Делают заключение о наличии границы газ-нефть по факту регистрации тепловых нейтронов. Заключение о наличии границы нефть-вода делают по факту дополнительного обнаружения гамма-квантов от кислорода. Заключение о наличии границы вода-битумы с песком делают по факту обнаружения гамма-квантов от кремния дополнительно к уже перечисленным. Технический результат - расширение диапазона концентраций газа при определении границ раздела сред в сепараторах сырой нефти. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Наверх