馮延強(qiáng)，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(cè)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(cè)量中溫度變化引起的譜漂，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)探測(cè)器工作高壓、后端電子學(xué)的放大系數(shù)等來達(dá)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(shí)時(shí)進(jìn)行能量刻度以達(dá)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(duì)恒定溫度條件下，達(dá)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(bǔ)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(duì)探測(cè)器晶體發(fā)光效率、發(fā)光衰減時(shí)間以及光電倍增管增益等產(chǎn)生的影響；

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

3）對(duì)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(cè)器伽馬能譜儀使用中主要采取的穩(wěn)譜方式為依靠實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)系統(tǒng)，相對(duì)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(shí)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?duì)栙N效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)三個(gè)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(duì)，當(dāng)通以電流后就會(huì)因電子-空穴的產(chǎn)生來吸取半導(dǎo)體材料晶格的熱震動(dòng)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(shì)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(shí)現(xiàn)恒溫的目的［5-6］。

一組P-N型電偶對(duì)所產(chǎn)生的溫差如下：

式中：Th、Tc—分別為熱端和冷端的絕對(duì)溫度（K）；αP和αN—分別為P型和N型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)（V/K）； I—電流強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中，一組P-N型電偶對(duì)產(chǎn)生的制冷量不是很大，往往將多個(gè)電偶對(duì)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(xiàng)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(shí)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(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)條件。

2 半導(dǎo)體制冷恒溫系統(tǒng)實(shí)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(jìn)行吸熱和放熱，達(dá)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(dá)到的最大溫差。

式中：α—溫差電動(dòng)勢(shì)；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(yàn)系統(tǒng)半導(dǎo)體制冷片選用型號(hào)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(jì)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(jì)算可見，采用TEC 12710半導(dǎo)體制冷完全滿足實(shí)際應(yīng)用中在短時(shí)間內(nèi)溫度恒定的需求。圖2是文中設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體制冷模型結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 PID恒溫控制實(shí)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(shí)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(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)PID的兩種模式調(diào)節(jié)。

PID參數(shù)整定試驗(yàn)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(gè)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(shí)現(xiàn)從15.5℃升溫到20℃、25.5℃降溫至20℃系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。溫度穩(wěn)定后，波動(dòng)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(duì)于溫度穩(wěn)定的要求。

3 NaI（Tl）伽馬能譜儀恒溫穩(wěn)譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

文中利用搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了連續(xù)11天恒溫穩(wěn)譜效果及穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試，并在測(cè)試過程中加入干擾。如圖6所示，室溫較大波動(dòng)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(dòng)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(cè)量需求。

另外，試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了137Cs特征峰位，由圖7對(duì)比可知，紅色為室內(nèi)溫度條件下137Cs峰位監(jiān)測(cè)值，波動(dòng)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(cè)值，波動(dòng)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(shí)，儀器測(cè)量譜的特征峰位在環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時(shí)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(jì)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(shí)測(cè)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(duì)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(cè)實(shí)驗(yàn)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(cè)器伽馬能譜儀恒溫穩(wěn)譜方法，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)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(cè)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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