CN106950591A - 基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置 - Google Patents

基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于测氡仪技术领域，具体涉及一种基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置。包括滤膜、采样泵、半导体致冷片的热面、半导体制冷片的冷面、收集腔、半导体探测器、放大电路、隔热层和能谱分析系统；样品气体通过滤膜和采样泵进入收集腔，收集腔贴装在半导体制冷片的冷面，半导体探测器位于收集腔内部，放大电路位于收集腔外，半导体致冷片的冷面、收集腔和放大电路被隔热层包裹，半导体致冷片的热面贴装有散热器，能谱分析系统与放大电路连接。本发明能够解决样品气体温湿度对静电收集法测氡仪的影响问题；同时解决半导体探测器和放大电路的温漂问题，降低对半导体探测器和放大电路的性能要求，大幅降低仪器成本。

Description

基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置
技术领域
本发明属于测氡仪技术领域，具体涉及一种基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置。
背景技术
静电收集(静电吸附)法是目前使用非常广泛的一种测量氡浓度的方法，静电场将氡气衰变产生的氡子体RaA(Po-218)收集到半导体探测器的表面，通过半导体探测器测量氡子体衰变发射的阿尔法粒子，从而实现氡浓度的测量。相比于其他常规的测氡方法，比如电离室法和闪烁室法，静电收集法具有灵敏度高，可快速恢复，探测下限低，可实现氡/钍同步测量，不会因Po-210的积累导致本底升高，等优点。不过使用静电收集法有两个重要而且难以解决的问题，其一是样品气体的温湿度对收集效率的影响很大，另一个问题是半导体探测器和放大电路的温漂会大大影响测量结果。
目前一般采用干燥剂干燥样品气体的方法，来解决样品气体的温湿度对收集效率的影响的问题，比如RAD7电子测氡仪。不过这种方法会消耗大量的干燥剂，需要经常更换干燥剂，使用和携带都不方便。还有一种方法就是使用温湿度补偿算法，不过收集效率与温湿度的关系复杂，同时还受电场强度、收集腔的体积和形状等因素影响，而且测量高湿度气体样品时收集效率很低，从而导致仪器的灵敏度大大降低，补偿后测量误差依然很大，所以市场上几乎找不到使用这种方法的成型仪器。
半导体探测器和放大电路的温漂对测量结果影响的问题，可以使用价格昂贵的高性能半导体探测器和高性能放大器降低温度漂移的影响，不过不但仪器成本较高，而且放大电路设计复杂，要求苛刻。也有仪器通过进行温度补偿来解决，但补偿以后误差也是很大，而且每个半导体探测器的温漂特性差别较大，每台仪器都需要要做大量测试来计算补偿曲线，工作量非常大，成本太高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，不用干燥剂实现稳定的、较高的收集效率，从而解决样品气体温湿度对静电收集法测氡仪的影响问题；同时解决半导体探测器和放大电路的温漂问题，降低对半导体探测器和放大电路的性能要求，大幅降低仪器成本。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，包括滤膜、采样泵、半导体致冷片的热面、半导体制冷片的冷面、收集腔、半导体探测器、放大电路、隔热层和能谱分析系统；样品气体通过滤膜和采样泵进入收集腔，收集腔贴装在半导体制冷片的冷面，半导体探测器位于收集腔内部，放大电路位于收集腔外，半导体致冷片的冷面、收集腔和放大电路被隔热层包裹，半导体致冷片的热面贴装有散热器，能谱分析系统与放大电路连接。
所述的滤膜将样品气体中的氡子体颗粒过滤掉，从而保证收集腔内的氡子体都是由氡气新衰变产生的，同时还过滤掉其他颗粒物，减少颗粒物对采样泵的磨损。
所述的收集腔采用铝合金加工制成。
所述的隔热层由聚氨酯制成。
所述的散热器上安装风扇。
所述的收集腔带有数千伏的特高压，样品气体达到收集腔后，温度急速降低导致水蒸气过饱和，大部分水蒸气冷凝下来，冷凝水沿收集腔四壁流到底部的排气口，随气体排出收集腔，收集腔内气体的含水量大大降低。
所述的收集腔与半导体制冷片的冷面之间、半导体致冷片的热面与散热器之间都涂抹导热硅脂。
所述的收集腔内氡衰变产生的Po-218原子在高压电场的作用下被收集到半导体探测器的表面，Po-218继续衰变在半导体探测器上产生信号，经过放大电路放大后得到幅度较大的脉冲信号。
所述的能谱分析系统包含单道或多道分析器，然后通过单片机或微机进行分析计算，得到氡的浓度值。
所述的多道分析器对放大器的输出信号进行处理，得到稳定的α能谱，单片机对能谱进行分析，计算6MeV的α粒子对应的能谱峰，通过计算峰面积得到Po-218的衰变计数，然后计算出被测样品气体的氡浓度。
本发明所取得的有益效果为：
本发明使用半导体致冷技术，将收集腔控制在一定的温度范围内，在该温度范围内，样品气体的绝对湿度大幅降低，收集效率较高而且非常稳定，从而解决样品气体温湿度对静电收集法测氡仪的影响问题。同时，由于测量时氡室的温度控制在了很小的一个范围内，半导体探测器和放大电路的温度变化范围也非常小，从而避免了其温漂问题。降低对半导体探测器和放大电路的性能要求，可以选择漏电流较大的半导体探测器，甚至用廉价的金硅面垒型半导体探测器代替昂贵的离子注入型半导体探测器(PIPS探测器)，还可以使用普通放大器代替精密放大器，大幅降低仪器成本。不使用干燥剂，避免了更换失效的干燥剂，简化了仪器的操作，可以实现无人值守连续在线运行。不用携带大量的干燥剂，可以提高仪器的便携性。
附图说明
图1为本发明所述基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置结构图；
图中：1、滤膜；2、采样泵；3、半导体致冷片的热面；4、半导体制冷片的冷面；5、收集腔；6、半导体探测器；7、放大电路；8、隔热层；9、能谱分析系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置包括滤膜1、采样泵2、半导体致冷片的热面3、半导体制冷片的冷面4、收集腔5、半导体探测器6、放大电路7、隔热层8和能谱分析系统9；样品气体通过滤膜1和采样泵2进入收集腔5，收集腔5贴装在半导体制冷片的冷面4，半导体探测器6位于收集腔5内部，放大电路7位于收集腔5外，半导体致冷片的冷面4、收集腔5和放大电路7被隔热层8包裹，半导体致冷片的热面3贴装有散热器，能谱分析系统9与放大电路7连接。
样品气体通过滤膜1和采样泵2，进入收集腔5，经过出气口排气管排出，测量过程产生的凝结水也会从排气细管排出。
所述滤膜1作用是将样品气体中的氡子体颗粒过滤掉，从而保证收集腔5内的氡子体都是由氡气新衰变产生的。同时还过滤掉其他颗粒物，减少颗粒物对采样泵2的磨损，延长其寿命。
所述收集腔5采用铝合金或其他导热良好的金属加工，贴装在半导体制冷片的冷面4。半导体探测器6位于收集腔5内部，放大电路7设置在收集腔5外，二者距离尽可能短。半导体致冷片的冷面4、收集腔5和放大电路7被隔热层8包裹，从而实现这三个部分的温度同步。隔热层8由聚氨酯或其他保温材料制成。半导体致冷片的热面3贴装有散热器。如有必要，散热器上可以安装风扇，强制散热。测量过程中，收集腔5带有数千伏的特高压，并且其温度很低，样品气体达到收集腔5后，温度急速降低导致水蒸气过饱和，大部分水蒸气冷凝下来。冷凝水可以沿收集腔5四壁流到底部的排气口，随气体排出收集腔5和仪器。收集腔5内气体的含水量从而大大降低。收集腔5与半导体制冷片的冷面4之间、半导体致冷片的热面3与散热器之间都涂抹导热硅脂，以消除接触面的空气间隙，减少热阻，增强其热量传递的能力。必要时，切换半导体制冷片的供电的正负极，其冷面和热面可以互相转换，从而可以精确的控制氡收集腔室的温度。
能谱分析系统9包含单道或多道分析器，然后通过单片机或微机进行分析计算，得到氡的浓度值。
所有管路连接应使用高密度的塑料软管，避免使用金属管。
本发明使用半导体致冷技术，将测量氡室(收集腔5)控制在一定的温度范围内，在该温度范围内，样品气体的绝对湿度大幅降低，收集效率较高而且非常稳定，从而解决样品气体温湿度对静电收集法测氡仪的影响问题。同时，由于测量时氡室的温度控制在了很小的一个范围内，半导体探测器6和放大电路7的温度变化范围也非常小，从而避免了其温漂问题。降低对半导体探测器6和放大电路7的性能要求，可以选择漏电流较大的半导体探测器6，甚至用廉价的金硅面垒型半导体探测器代替昂贵的离子注入型半导体探测器(PIPS探测器)，大幅降低仪器成本。
该发明使用了半导体致冷技术。半导体致冷是一种产生负热阻的制冷技术：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。半导体致冷优点很多：致冷速度快，其致冷速度可通过调整工作电流来控制；无噪音、无振动、无磨损、运行可靠、维护方便；体积小、重量轻；不使用致冷剂，不污染环境；可通过改变电流方向达到致冷致热的两种目的，可以实现精确的温度控制。
此装置可以工作在连续模式(在线模式)，也可以是间歇模式。
实施例一：
作为在线型连续测氡仪。采样泵2都连续工作，稳定的将样品气体经过滤膜1后送到收集腔5。收集腔5的温度控制在一个稍高于0℃的很小的温度区间，比如1℃±0.5℃，但不限于此温度区间。样品气体达到收集腔5后，温度急速降低导致水蒸气过饱和，大部分水蒸气冷凝下来。冷凝水可以沿收集腔5四壁流到收集腔底部的排气口，随气体排出收集腔5和仪器。收集腔内气体的含水量从而大大降低，所含的水分的绝对量可以降到5g/m3左右，此时对收集效率影响很小。
散热器上安装风扇并连续运行，以降低半导体致冷片的热面3的温度，从而降低半导体制冷片的冷热两面的温差，提高半导体致冷片的工作效率。
收集腔5带有3000V左右的高压，收集腔5内氡衰变产生的Po-218原子在高压电场的作用下被收集到硅半导体探测器6的表面(PIPS或者金硅面垒探测器)，Po-218继续衰变在半导体探测器6上产生信号，经过放大电路7放大后得到幅度较大的脉冲信号。
由于半导体探测器6和放大电路7与收集腔5一起包裹在保温层8内，其温度范围变化很小(1℃±0.5℃)，基本恒定，所以不会出现温漂问题，其脉冲信号的增益非常稳定。
能谱分析系统9包含多道分析器，对放大器7的输出信号进行处理，得到稳定的α能谱。单片机对能谱进行分析，计算6MeV的α粒子对应的能谱峰，通过计算峰面积得到Po-218的衰变计数，然后计算出被测样品气体的氡浓度。
实施例二：
作为便携式测氡仪，工作在间歇模式。
由于采样泵2、半导体致冷片的热面3和半导体致冷片的冷面4及其散热风扇间歇工作，可以节约电能，同时降低样品气体的消耗量，不过工作过程稍微复杂一点。
仪器开始进行测量，采样泵2工作一段时间，样品气体通过滤膜1后进入收集腔5，在确保收集腔5内的气体都替换为需要测量的样品气体后，采样泵2停止工作，半导体制致冷片(3和4)开始制冷，将氡收集腔5的温度降低至低于0℃的附近一个很小的温度区间，比如(-3℃～-1℃)。
散热器上安装风扇并与半导体制冷片同步运行，以降低半导体致冷片的热面3的温度，从而降低半导体致冷片的冷热两面的温差，提高半导体致冷片的工作效率。
收集腔5内部的样品气体温度也急剧下降，大部分水蒸气冷凝在收集腔5的四壁，并结霜。然后开始给收集腔5加上3000V的高压，收集腔5内氡衰变产生的Po-218原子在高压电场的作用下被收集到硅半导体探测器6的表面(PIPS或者金硅面垒探测器)，Po-218继续衰变在半导体探测器6上产生信号，经过放大电路7放大后得到幅度较大的脉冲信号。
由于半导体探测器6和放大电路7与收集腔5一起包裹在保温层8内，其温度范围变化很小(-3℃～-1℃)，基本恒定，所以不会出现温漂问题，其脉冲信号的增益非常稳定。
能谱分析系统9包含多道分析器，对放大器7的输出线号进行处理，得到稳定的α能谱。单片机对能谱进行分析，计算6MeV的α粒子对应的能谱峰，通过计算峰面积得到Po-218的衰变计数，然后计算出被测样品气体的氡浓度。
测量结束后，切断半导体致冷片(及其风扇)和高压电路的的电源。
半导体致冷片停止工作后，收集腔5温度将回升，收集腔5四壁的凝霜会融化并流至底部的排气口附近。在下次测量时，采样泵2开始将新的样品气体输送至收集腔5，将原气体和上次测量产生的凝霜融化的水排出。
由于此模式测量时氡收集腔室的温度更低，绝对水分含量也更少(低于5g/m3)，所以收集效率更高，仪器的灵敏度更高。

Claims (10)

1.一种基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：包括滤膜(1)、采样泵(2)、半导体致冷片的热面(3)、半导体制冷片的冷面(4)、收集腔(5)、半导体探测器(6)、放大电路(7)、隔热层(8)和能谱分析系统(9)；样品气体通过滤膜(1)和采样泵(2)进入收集腔(5)，收集腔(5)贴装在半导体制冷片的冷面(4)，半导体探测器(6)位于收集腔(5)内部，放大电路(7)位于收集腔(5)外，半导体致冷片的冷面(4)、收集腔(5)和放大电路(7)被隔热层(8)包裹，半导体致冷片的热面(3)贴装有散热器，能谱分析系统(9)与放大电路(7)连接。
2.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的滤膜(1)将样品气体中的氡子体颗粒过滤掉，从而保证收集腔(5)内的氡子体都是由氡气新衰变产生的，同时还过滤掉其他颗粒物，减少颗粒物对采样泵(2)的磨损。
3.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的收集腔(5)采用铝合金加工制成。
4.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的隔热层(8)由聚氨酯制成。
5.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的散热器上安装风扇。
6.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的收集腔(5)带有数千伏的特高压，样品气体达到收集腔(5)后，温度急速降低导致水蒸气过饱和，大部分水蒸气冷凝下来，冷凝水沿收集腔(5)四壁流到底部的排气口，随气体排出收集腔(5)，收集腔(5)内气体的含水量大大降低。
7.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的收集腔(5)与半导体制冷片的冷面(4)之间、半导体致冷片的热面(3)与散热器之间都涂抹导热硅脂。
8.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的收集腔(5)内氡衰变产生的Po-218原子在高压电场的作用下被收集到半导体探测器(6)的表面，Po-218继续衰变在半导体探测器(6)产生信号，经过放大电路(7)放大后得到幅度较大的脉冲信号。
9.根据权利要求1所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的能谱分析系统(9)包含单道或多道分析器，然后通过单片机或微机进行分析计算，得到氡的浓度值。
10.根据权利要求9所述的基于半导体致冷技术的静电收集法测氡装置，其特征在于：所述的多道分析器对放大器(7)的输出信号进行处理，得到稳定的α能谱，单片机对能谱进行分析，计算6MeV的α粒子对应的能谱峰，通过计算峰面积得到Po-218的衰变计数，然后计算出被测样品气体的氡浓度。
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Co-patentee after: Beijing Chemical-Engineering & Metallurgical Research Inst.l, Ministry of Nuclea

Patentee after: China Nuclear Huachuang Rare Materials Co., Ltd.

Address before: 101149 Beijing city Tongzhou District jiukeshu No. 145

Co-patentee before: China Nuclear Huachuang Rare Materials Co., Ltd.

Patentee before: Beijing Chemical-Engineering & Metallurgical Research Inst.l, Ministry of Nuclea