半导体制冷技术应用于NaI（Tl）伽马能谱仪恒温稳谱方法初探

冯延强，焦仓文，李金凤，梁树红

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

关于NaI（Tl）探测器伽马能谱仪使用中受环境温度变化而产生谱漂移的问题，国内外已有一定的研究基础［1-2］。稳谱方法可分为三大类：一类是利用参考源（137Cs、LED光源等），根据测量中温度变化引起的谱漂，实时调节探测器工作高压、后端电子学的放大系数等来达到稳谱，即参考源稳谱；另一类是根据温度变化，利用参考源实时进行能量刻度以达到稳谱，也就是数字化稳谱；第三类为利用室内空调系统，使仪器在相对恒定温度条件下，达到稳谱效果，该种方式也是目前国内应用较为普遍的方法［3-4］。前两种稳谱方法，属于补偿方式解决谱漂移的问题，存在以下问题：

1）参考源稳谱和数字化稳谱，均无法解决温度变化对探测器晶体发光效率、发光衰减时间以及光电倍增管增益等产生的影响；

2）对于参考源稳谱，由于谱漂是非线性的，当温差较大时不能应用在特征峰和待测峰偏离较远的情况。另外，参考源的使用，使仪器本底计数增加，较弱参考源特征峰存在淹没的可能，较强的参考源，又会带来死时间、脉冲堆积等问题。并且，仪器的运输、安装和使用也需要一定的防护，存在一定不便。

3）对于数字化稳谱，不能应用在温度变化较快情况下，并且数字化稳谱受本底谱（参考源特征谱）干扰较大。

综上所述，目前国内NaI（Tl）探测器伽马能谱仪使用中主要采取的稳谱方式为依靠实验室空调调节恒温来解决环境温度的影响，但这在实际应用中存在一定的不便。因此，笔者探讨了基于半导体制冷技术的恒温稳谱方法，并完成了试验系统，相对目前传统方法，本文探讨的方法可集成于仪器内部，小型便捷、快速高效、灵活实用。

1 半导体制冷技术简介

图1 半导体制冷原理结构图Fig.1 Structure diagram of thermoelectric cooler

半导体制冷技术是以赛贝克效应、珀尔贴效应和汤姆逊效应三个温差效应为基础，利用温差性能良好的半导体材料，如图1所示，构成P-N型电偶对，当通以电流后就会因电子-空穴的产生来吸取半导体材料晶格的热震动能，表现为制冷效果；相反，电流方向改变后，电子-空穴的复合则释放能量，表现为加热效果。其应用于恒温稳谱不仅便于集成应用，其最大优势是模型一端面可随电流流向改变而成为冷端和热端，通过后续电路控制易实现恒温的目的［5-6］。

一组P-N型电偶对所产生的温差如下：

式中：Th、Tc—分别为热端和冷端的绝对温度（K）；αP和αN—分别为P型和N型半导体的温差电动势（V/K）； I—电流强度（A）； R—半导体电偶的总电阻（Ω）；K—电偶臂的导热系数（W/K）；QO—冷端所吸收的热量，即制冷量（W）。

实际应用中，一组P-N型电偶对产生的制冷量不是很大，往往将多个电偶对并联起来，是冷端和热端在同一面上来形成制冷器。

近年来，随着半导体致冷器件的材料、制造工艺等技术性难题被攻破，该项技术得以迅猛发展。在国内已有陶瓷工艺方法制备半导体制冷材料的技术，我国自主知识产权的高效半导体热电元件，其优值系数已在原来的基础上成倍增长，性能趋于成熟，具备应用于各个领域的基础条件。

2 半导体制冷恒温系统实现

2.1 半导体制冷模型建立

半导体制冷利用半导体材料的热电能量转换特性在其冷端和热端分别进行吸热和放热，达到恒温的效果。其主要作用原理为塞贝克效应和帕尔贴效应。表征半导体制冷性能的重要参数是优值系数Z，它决定了半导体制冷元件所能达到的最大温差。

式中：α—温差电动势；R—电阻；Kt—总的导热系数。

依据塞贝克效应原理，制冷单元的电压降为：

依据以上理论分析可知，制冷量受输入功率与温差控制，制冷量与温差成反比，与输入功率成正比。文中试验系统半导体制冷片选用型号为TEC 12710，即由127组热电偶组成，最大工作电流为10 A。详细参数见表1：

表1 半导体制冷模型理论计算参数Table 1 Theoretical calculation parameters of thermoelectric cooler

根据表内参数信息，可知恒温腔内温度每降低1℃需要的冷量为：

理论分析计算可见，采用TEC 12710半导体制冷完全满足实际应用中在短时间内温度恒定的需求。图2是文中设计的半导体制冷模型结构示意图。

2.2 PID恒温控制实现

图2 半导体制冷模型示意图Fig.2 Model diagram of thermoelectric cooler

图3 制冷、制热模式下温度变化速率曲线图Fig.3 Temperature rate curve ofheating and cooling

文中在半导体制冷模型建立基础上，搭建了PID恒温控制电路。文中探讨了一组PID参数实现冷热两种工作模式的PID调控方法。采用输出可调压降模块，输入为DC＋12 V，输出制冷工作电压为DC＋4.8 V，制热工作电压为DC-0.6 V。系统实测数据如图3所示，制冷模式下拟合速率为-0.0 245，制热模式下拟合速率为0.0 349，较为接近，可实现PID的两种模式调节。

PID参数整定试验中采样间隔为1秒，制冷和制热的整定过程数据如下图所示：

从表2PID整定参数结果可见，制冷与制热不同模式下PID各个参数差别并不大，采用其均值作为最终整定结果可行。图5为PID参数设置为P＝1 350、I＝5和D＝23分别实现从15.5℃升温到20℃、25.5℃降温至20℃系统运行实测数据。温度稳定后，波动最大为±0.1℃，PID调节效果较好，完全满足NaI（Tl）伽马能谱仪对于温度稳定的要求。

3 NaI（Tl）伽马能谱仪恒温稳谱实验验证

文中利用搭建的试验系统，进行了连续11天恒温稳谱效果及稳定性试验测试，并在测试过程中加入干扰。如图6所示，室温较大波动处红色为人工打开空调制冷和制热来加入干扰，蓝色为恒温系统内部温度，波动均在±0.5℃范围内，稳定性较好，能够满足不同室温下的 NaI（Tl）伽马能谱仪测量需求。

另外，试验中监测了137Cs特征峰位，由图7对比可知，红色为室内温度条件下137Cs峰位监测值，波动较大；蓝色为半导体制冷恒温系统内部137Cs峰位监测值，波动不超过2道址。说明基于半导体制冷技术的恒温系统应用于NaI（Tl）伽马能谱仪时，仪器测量谱的特征峰位在环境温度发生较大变化时基本稳定，能够发挥稳谱作用。

表2 系统PID参数整定结果统计表Table 2 Parameters table of PID tuning results

图4 系统PID参数整定数据图Fig.4 Curve of PID parameters tuning data

图5 系统升温、降温PID调节实测数据Fig.5 Data from heating and cooling using PID system

图6 连续11天系统内部恒温温度与室温对比曲线Fig.6 Contrast curve of constant temperature system inside and indoor temperature in continuous 11 days

图7 137Cs峰位监测实验数据Fig.7 Peak data monitored at137Cs

4 结论

探讨了基于半导体制冷技术的NaI（Tl）探测器伽马能谱仪恒温稳谱方法，搭建了试验系统，进行了相应的试验测试。结果表明该种小型半导体制冷系统恒温效果良好，可替代室内空调集成于伽马能谱仪器，从而使得NaI（Tl）探测器伽马能谱仪受环境温度变化影响的问题得以较好解决。

［1］李丽蓉，孟艳，谢艳辉，等.NaI（Tl）谱仪系统温度效应研究［C］//第七届全国核仪器及其应用学术会议.北京:防化指挥工程学院，2009:330-332.

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［3］吴永鹏，赖万昌，葛良全，等.多道伽马谱仪中的特征峰稳谱技术［J］.物探与化探， 2003，2（27）:131-134.

［4］敖奇，魏义群，屈建石.NaI谱仪数字稳谱方法设计［J］.核电子学与探测技术， 2009， 1（29）:19-22.

［5］S.Manikandan， S.C.Kaushik， RongguiYang.Modified pulse operation of thermoelectric coolers for building cooling applications［J］.Energy Conversion and Management， 2017， 140:145-156.

［6］黄焕文，冯毅.半导体制冷强化传热研究［J］.制冷技术， 2010， 8（38）:60-63.