半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用于NaI（Tl）伽馬能譜儀恒溫穩(wěn)譜方法初探

馮延強，焦倉文，李金鳳，梁樹紅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

關(guān)于NaI（Tl）探測器伽馬能譜儀使用中受環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生譜漂移的問題，國內(nèi)外已有一定的研究基礎(chǔ)［1-2］。穩(wěn)譜方法可分為三大類：一類是利用參考源（137Cs、LED光源等），根據(jù)測量中溫度變化引起的譜漂，實時調(diào)節(jié)探測器工作高壓、后端電子學(xué)的放大系數(shù)等來達到穩(wěn)譜，即參考源穩(wěn)譜；另一類是根據(jù)溫度變化，利用參考源實時進行能量刻度以達到穩(wěn)譜，也就是數(shù)字化穩(wěn)譜；第三類為利用室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)，使儀器在相對恒定溫度條件下，達到穩(wěn)譜效果，該種方式也是目前國內(nèi)應(yīng)用較為普遍的方法［3-4］。前兩種穩(wěn)譜方法，屬于補償方式解決譜漂移的問題，存在以下問題：

1）參考源穩(wěn)譜和數(shù)字化穩(wěn)譜，均無法解決溫度變化對探測器晶體發(fā)光效率、發(fā)光衰減時間以及光電倍增管增益等產(chǎn)生的影響；

2）對于參考源穩(wěn)譜，由于譜漂是非線性的，當(dāng)溫差較大時不能應(yīng)用在特征峰和待測峰偏離較遠(yuǎn)的情況。另外，參考源的使用，使儀器本底計數(shù)增加，較弱參考源特征峰存在淹沒的可能，較強的參考源，又會帶來死時間、脈沖堆積等問題。并且，儀器的運輸、安裝和使用也需要一定的防護，存在一定不便。

3）對于數(shù)字化穩(wěn)譜，不能應(yīng)用在溫度變化較快情況下，并且數(shù)字化穩(wěn)譜受本底譜（參考源特征譜）干擾較大。

綜上所述，目前國內(nèi)NaI（Tl）探測器伽馬能譜儀使用中主要采取的穩(wěn)譜方式為依靠實驗室空調(diào)調(diào)節(jié)恒溫來解決環(huán)境溫度的影響，但這在實際應(yīng)用中存在一定的不便。因此，筆者探討了基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的恒溫穩(wěn)譜方法，并完成了試驗系統(tǒng)，相對目前傳統(tǒng)方法，本文探討的方法可集成于儀器內(nèi)部，小型便捷、快速高效、靈活實用。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)簡介

圖1 半導(dǎo)體制冷原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of thermoelectric cooler

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是以賽貝克效應(yīng)、珀爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)三個溫差效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用溫差性能良好的半導(dǎo)體材料，如圖1所示，構(gòu)成P-N型電偶對，當(dāng)通以電流后就會因電子-空穴的產(chǎn)生來吸取半導(dǎo)體材料晶格的熱震動能，表現(xiàn)為制冷效果；相反，電流方向改變后，電子-空穴的復(fù)合則釋放能量，表現(xiàn)為加熱效果。其應(yīng)用于恒溫穩(wěn)譜不僅便于集成應(yīng)用，其最大優(yōu)勢是模型一端面可隨電流流向改變而成為冷端和熱端，通過后續(xù)電路控制易實現(xiàn)恒溫的目的［5-6］。

一組P-N型電偶對所產(chǎn)生的溫差如下：

式中：Th、Tc—分別為熱端和冷端的絕對溫度（K）；αP和αN—分別為P型和N型半導(dǎo)體的溫差電動勢（V/K）； I—電流強度（A）； R—半導(dǎo)體電偶的總電阻（Ω）；K—電偶臂的導(dǎo)熱系數(shù)（W/K）；QO—冷端所吸收的熱量，即制冷量（W）。

實際應(yīng)用中，一組P-N型電偶對產(chǎn)生的制冷量不是很大，往往將多個電偶對并聯(lián)起來，是冷端和熱端在同一面上來形成制冷器。

近年來，隨著半導(dǎo)體致冷器件的材料、制造工藝等技術(shù)性難題被攻破，該項技術(shù)得以迅猛發(fā)展。在國內(nèi)已有陶瓷工藝方法制備半導(dǎo)體制冷材料的技術(shù)，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高效半導(dǎo)體熱電元件，其優(yōu)值系數(shù)已在原來的基礎(chǔ)上成倍增長，性能趨于成熟，具備應(yīng)用于各個領(lǐng)域的基礎(chǔ)條件。

2 半導(dǎo)體制冷恒溫系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 半導(dǎo)體制冷模型建立

半導(dǎo)體制冷利用半導(dǎo)體材料的熱電能量轉(zhuǎn)換特性在其冷端和熱端分別進行吸熱和放熱，達到恒溫的效果。其主要作用原理為塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)。表征半導(dǎo)體制冷性能的重要參數(shù)是優(yōu)值系數(shù)Z，它決定了半導(dǎo)體制冷元件所能達到的最大溫差。

式中：α—溫差電動勢；R—電阻；Kt—總的導(dǎo)熱系數(shù)。

依據(jù)塞貝克效應(yīng)原理，制冷單元的電壓降為：

依據(jù)以上理論分析可知，制冷量受輸入功率與溫差控制，制冷量與溫差成反比，與輸入功率成正比。文中試驗系統(tǒng)半導(dǎo)體制冷片選用型號為TEC 12710，即由127組熱電偶組成，最大工作電流為10 A。詳細(xì)參數(shù)見表1：

表1 半導(dǎo)體制冷模型理論計算參數(shù)Table 1 Theoretical calculation parameters of thermoelectric cooler

根據(jù)表內(nèi)參數(shù)信息，可知恒溫腔內(nèi)溫度每降低1℃需要的冷量為：

理論分析計算可見，采用TEC 12710半導(dǎo)體制冷完全滿足實際應(yīng)用中在短時間內(nèi)溫度恒定的需求。圖2是文中設(shè)計的半導(dǎo)體制冷模型結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 PID恒溫控制實現(xiàn)

圖2 半導(dǎo)體制冷模型示意圖Fig.2 Model diagram of thermoelectric cooler

圖3 制冷、制熱模式下溫度變化速率曲線圖Fig.3 Temperature rate curve ofheating and cooling

文中在半導(dǎo)體制冷模型建立基礎(chǔ)上，搭建了PID恒溫控制電路。文中探討了一組PID參數(shù)實現(xiàn)冷熱兩種工作模式的PID調(diào)控方法。采用輸出可調(diào)壓降模塊，輸入為DC＋12 V，輸出制冷工作電壓為DC＋4.8 V，制熱工作電壓為DC-0.6 V。系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)如圖3所示，制冷模式下擬合速率為-0.0 245，制熱模式下擬合速率為0.0 349，較為接近，可實現(xiàn)PID的兩種模式調(diào)節(jié)。

PID參數(shù)整定試驗中采樣間隔為1秒，制冷和制熱的整定過程數(shù)據(jù)如下圖所示：

從表2PID整定參數(shù)結(jié)果可見，制冷與制熱不同模式下PID各個參數(shù)差別并不大，采用其均值作為最終整定結(jié)果可行。圖5為PID參數(shù)設(shè)置為P＝1 350、I＝5和D＝23分別實現(xiàn)從15.5℃升溫到20℃、25.5℃降溫至20℃系統(tǒng)運行實測數(shù)據(jù)。溫度穩(wěn)定后，波動最大為±0.1℃，PID調(diào)節(jié)效果較好，完全滿足NaI（Tl）伽馬能譜儀對于溫度穩(wěn)定的要求。

3 NaI（Tl）伽馬能譜儀恒溫穩(wěn)譜實驗驗證

文中利用搭建的試驗系統(tǒng)，進行了連續(xù)11天恒溫穩(wěn)譜效果及穩(wěn)定性試驗測試，并在測試過程中加入干擾。如圖6所示，室溫較大波動處紅色為人工打開空調(diào)制冷和制熱來加入干擾，藍(lán)色為恒溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度，波動均在±0.5℃范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較好，能夠滿足不同室溫下的 NaI（Tl）伽馬能譜儀測量需求。

另外，試驗中監(jiān)測了137Cs特征峰位，由圖7對比可知，紅色為室內(nèi)溫度條件下137Cs峰位監(jiān)測值，波動較大；藍(lán)色為半導(dǎo)體制冷恒溫系統(tǒng)內(nèi)部137Cs峰位監(jiān)測值，波動不超過2道址。說明基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的恒溫系統(tǒng)應(yīng)用于NaI（Tl）伽馬能譜儀時，儀器測量譜的特征峰位在環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時基本穩(wěn)定，能夠發(fā)揮穩(wěn)譜作用。

表2 系統(tǒng)PID參數(shù)整定結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Parameters table of PID tuning results

圖4 系統(tǒng)PID參數(shù)整定數(shù)據(jù)圖Fig.4 Curve of PID parameters tuning data

圖5 系統(tǒng)升溫、降溫PID調(diào)節(jié)實測數(shù)據(jù)Fig.5 Data from heating and cooling using PID system

圖6 連續(xù)11天系統(tǒng)內(nèi)部恒溫溫度與室溫對比曲線Fig.6 Contrast curve of constant temperature system inside and indoor temperature in continuous 11 days

圖7 137Cs峰位監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)Fig.7 Peak data monitored at137Cs

4 結(jié)論

探討了基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的NaI（Tl）探測器伽馬能譜儀恒溫穩(wěn)譜方法，搭建了試驗系統(tǒng)，進行了相應(yīng)的試驗測試。結(jié)果表明該種小型半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)恒溫效果良好，可替代室內(nèi)空調(diào)集成于伽馬能譜儀器，從而使得NaI（Tl）探測器伽馬能譜儀受環(huán)境溫度變化影響的問題得以較好解決。

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