本發(fā)明屬于測(cè)氡儀技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于半導(dǎo)體致冷技術(shù)的靜電收集法測(cè)氡裝置。
背景技術(shù)：
靜電收集(靜電吸附)法是目前使用非常廣泛的一種測(cè)量氡濃度的方法，靜電場(chǎng)將氡氣衰變產(chǎn)生的氡子體raa(po-218)收集到半導(dǎo)體探測(cè)器的表面，通過(guò)半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量氡子體衰變發(fā)射的阿爾法粒子，從而實(shí)現(xiàn)氡濃度的測(cè)量。相比于其他常規(guī)的測(cè)氡方法，比如電離室法和閃爍室法，靜電收集法具有靈敏度高，可快速恢復(fù)，探測(cè)下限低，可實(shí)現(xiàn)氡/釷同步測(cè)量，不會(huì)因po-210的積累導(dǎo)致本底升高，等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)使用靜電收集法有兩個(gè)重要而且難以解決的問(wèn)題，其一是樣品氣體的溫濕度對(duì)收集效率的影響很大，另一個(gè)問(wèn)題是半導(dǎo)體探測(cè)器和放大電路的溫漂會(huì)大大影響測(cè)量結(jié)果。
目前一般采用干燥劑干燥樣品氣體的方法，來(lái)解決樣品氣體的溫濕度對(duì)收集效率的影響的問(wèn)題，比如rad7電子測(cè)氡儀。不過(guò)這種方法會(huì)消耗大量的干燥劑，需要經(jīng)常更換干燥劑，使用和攜帶都不方便。還有一種方法就是使用溫濕度補(bǔ)償算法，不過(guò)收集效率與溫濕度的關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)還受電場(chǎng)強(qiáng)度、收集腔的體積和形狀等因素影響，而且測(cè)量高濕度氣體樣品時(shí)收集效率很低，從而導(dǎo)致儀器的靈敏度大大降低，補(bǔ)償后測(cè)量誤差依然很大，所以市場(chǎng)上幾乎找不到使用這種方法的成型儀器。
半導(dǎo)體探測(cè)器和放大電路的溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的問(wèn)題，可以使用價(jià)格昂貴的高性能半導(dǎo)體探測(cè)器和高性能放大器降低溫度漂移的影響，不過(guò)不但儀器成本較高，而且放大電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，要求苛刻。也有儀器通過(guò)進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)解決，但補(bǔ)償以后誤差也是很大，而且每個(gè)半導(dǎo)體探測(cè)器的溫漂特性差別較大，每臺(tái)儀器都需要要做大量測(cè)試來(lái)計(jì)算補(bǔ)償曲線，工作量非常大，成本太高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于半導(dǎo)體致冷技術(shù)的靜電收集法測(cè)氡裝置，不用干燥劑實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、較高的收集效率，從而解決樣品氣體溫濕度對(duì)靜電收集法測(cè)氡儀的影響問(wèn)題；同時(shí)解決半導(dǎo)體探測(cè)器和放大電路的溫漂問(wèn)題，降低對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器和放大電路的性能要求，大幅降低儀器成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：
一種基于半導(dǎo)體致冷技術(shù)的靜電收集法測(cè)氡裝置，包括濾膜、采樣泵、半導(dǎo)體致冷片的熱面、半導(dǎo)體制冷片的冷面、收集腔、半導(dǎo)體探測(cè)器、放大電路、隔熱層和能譜分析系統(tǒng)；樣品氣體通過(guò)濾膜和采樣泵進(jìn)入收集腔，收集腔貼裝在半導(dǎo)體制冷片的冷面，半導(dǎo)體探測(cè)器位于收集腔內(nèi)部，放大電路位于收集腔外，半導(dǎo)體致冷片的冷面、收集腔和放大電路被隔熱層包裹，半導(dǎo)體致冷片的熱面貼裝有散熱器，能譜分析系統(tǒng)與放大電路連接。
所述的濾膜將樣品氣體中的氡子體顆粒過(guò)濾掉，從而保證收集腔內(nèi)的氡子體都是由氡氣新衰變產(chǎn)生的，同時(shí)還過(guò)濾掉其他顆粒物，減少顆粒物對(duì)采樣泵的磨損。
所述的收集腔采用鋁合金加工制成。
所述的隔熱層由聚氨酯制成。
所述的散熱器上安裝風(fēng)扇。
所述的收集腔帶有數(shù)千伏的特高壓，樣品氣體達(dá)到收集腔后，溫度急速降低導(dǎo)致水蒸氣過(guò)飽和，大部分水蒸氣冷凝下來(lái)，冷凝水沿收集腔四壁流到底部的排氣口，隨氣體排出收集腔，收集腔內(nèi)氣體的含水量大大降低。
所述的收集腔與半導(dǎo)體制冷片的冷面之間、半導(dǎo)體致冷片的熱面與散熱器之間都涂抹導(dǎo)熱硅脂。
所述的收集腔內(nèi)氡衰變產(chǎn)生的po-218原子在高壓電場(chǎng)的作用下被收集到半導(dǎo)體探測(cè)器的表面，po-218繼續(xù)衰變?cè)诎雽?dǎo)體探測(cè)器上產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路放大后得到幅度較大的脈沖信號(hào)。
所述的能譜分析系統(tǒng)包含單道或多道分析器，然后通過(guò)單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，得到氡的濃度值。
所述的多道分析器對(duì)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，得到穩(wěn)定的α能譜，單片機(jī)對(duì)能譜進(jìn)行分析，計(jì)算6mev的α粒子對(duì)應(yīng)的能譜峰，通過(guò)計(jì)算峰面積得到po-218的衰變計(jì)數(shù)，然后計(jì)算出被測(cè)樣品氣體的氡濃度。
本發(fā)明所取得的有益效果為：
本發(fā)明使用半導(dǎo)體致冷技術(shù)，將收集腔控制在一定的溫度范圍內(nèi)，在該溫度范圍內(nèi)，樣品氣體的絕對(duì)濕度大幅降低，收集效率較高而且非常穩(wěn)定，從而解決樣品氣體溫濕度對(duì)靜電收集法測(cè)氡儀的影響問(wèn)題。同時(shí)，由于測(cè)量時(shí)氡室的溫度控制在了很小的一個(gè)范圍內(nèi)，半導(dǎo)體探測(cè)器和放大電路的溫度變化范圍也非常小，從而避免了其溫漂問(wèn)題。降低對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器和放大電路的性能要求，可以選擇漏電流較大的半導(dǎo)體探測(cè)器，甚至用廉價(jià)的金硅面壘型半導(dǎo)體探測(cè)器代替昂貴的離子注入型半導(dǎo)體探測(cè)器(pips探測(cè)器)，還可以使用普通放大器代替精密放大器，大幅降低儀器成本。不使用干燥劑，避免了更換失效的干燥劑，簡(jiǎn)化了儀器的操作，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守連續(xù)在線運(yùn)行。不用攜帶大量的干燥劑，可以提高儀器的便攜性。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明所述基于半導(dǎo)體致冷技術(shù)的靜電收集法測(cè)氡裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖中：1、濾膜；2、采樣泵；3、半導(dǎo)體致冷片的熱面；4、半導(dǎo)體制冷片的冷面；5、收集腔；6、半導(dǎo)體探測(cè)器；7、放大電路；8、隔熱層；9、能譜分析系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明所述基于半導(dǎo)體致冷技術(shù)的靜電收集法測(cè)氡裝置包括濾膜1、采樣泵2、半導(dǎo)體致冷片的熱面3、半導(dǎo)體制冷片的冷面4、收集腔5、半導(dǎo)體探測(cè)器6、放大電路7、隔熱層8和能譜分析系統(tǒng)9；樣品氣體通過(guò)濾膜1和采樣泵2進(jìn)入收集腔5，收集腔5貼裝在半導(dǎo)體制冷片的冷面4，半導(dǎo)體探測(cè)器6位于收集腔5內(nèi)部，放大電路7位于收集腔5外，半導(dǎo)體致冷片的冷面4、收集腔5和放大電路7被隔熱層8包裹，半導(dǎo)體致冷片的熱面3貼裝有散熱器，能譜分析系統(tǒng)9與放大電路7連接。
樣品氣體通過(guò)濾膜1和采樣泵2，進(jìn)入收集腔5，經(jīng)過(guò)出氣口排氣管排出，測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生的凝結(jié)水也會(huì)從排氣細(xì)管排出。
所述濾膜1作用是將樣品氣體中的氡子體顆粒過(guò)濾掉，從而保證收集腔5內(nèi)的氡子體都是由氡氣新衰變產(chǎn)生的。同時(shí)還過(guò)濾掉其他顆粒物，減少顆粒物對(duì)采樣泵2的磨損，延長(zhǎng)其壽命。
所述收集腔5采用鋁合金或其他導(dǎo)熱良好的金屬加工，貼裝在半導(dǎo)體制冷片的冷面4。半導(dǎo)體探測(cè)器6位于收集腔5內(nèi)部，放大電路7設(shè)置在收集腔5外，二者距離盡可能短。半導(dǎo)體致冷片的冷面4、收集腔5和放大電路7被隔熱層8包裹，從而實(shí)現(xiàn)這三個(gè)部分的溫度同步。隔熱層8由聚氨酯或其他保溫材料制成。半導(dǎo)體致冷片的熱面3貼裝有散熱器。如有必要，散熱器上可以安裝風(fēng)扇，強(qiáng)制散熱。測(cè)量過(guò)程中，收集腔5帶有數(shù)千伏的特高壓，并且其溫度很低，樣品氣體達(dá)到收集腔5后，溫度急速降低導(dǎo)致水蒸氣過(guò)飽和，大部分水蒸氣冷凝下來(lái)。冷凝水可以沿收集腔5四壁流到底部的排氣口，隨氣體排出收集腔5和儀器。收集腔5內(nèi)氣體的含水量從而大大降低。收集腔5與半導(dǎo)體制冷片的冷面4之間、半導(dǎo)體致冷片的熱面3與散熱器之間都涂抹導(dǎo)熱硅脂，以消除接觸面的空氣間隙，減少熱阻，增強(qiáng)其熱量傳遞的能力。必要時(shí)，切換半導(dǎo)體制冷片的供電的正負(fù)極，其冷面和熱面可以互相轉(zhuǎn)換，從而可以精確的控制氡收集腔室的溫度。
能譜分析系統(tǒng)9包含單道或多道分析器，然后通過(guò)單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，得到氡的濃度值。
所有管路連接應(yīng)使用高密度的塑料軟管，避免使用金屬管。
本發(fā)明使用半導(dǎo)體致冷技術(shù)，將測(cè)量氡室(收集腔5)控制在一定的溫度范圍內(nèi)，在該溫度范圍內(nèi)，樣品氣體的絕對(duì)濕度大幅降低，收集效率較高而且非常穩(wěn)定，從而解決樣品氣體溫濕度對(duì)靜電收集法測(cè)氡儀的影響問(wèn)題。同時(shí)，由于測(cè)量時(shí)氡室的溫度控制在了很小的一個(gè)范圍內(nèi)，半導(dǎo)體探測(cè)器6和放大電路7的溫度變化范圍也非常小，從而避免了其溫漂問(wèn)題。降低對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器6和放大電路7的性能要求，可以選擇漏電流較大的半導(dǎo)體探測(cè)器6，甚至用廉價(jià)的金硅面壘型半導(dǎo)體探測(cè)器代替昂貴的離子注入型半導(dǎo)體探測(cè)器(pips探測(cè)器)，大幅降低儀器成本。
該發(fā)明使用了半導(dǎo)體致冷技術(shù)。半導(dǎo)體致冷是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)：當(dāng)一塊n型半導(dǎo)體材料和一塊p型半導(dǎo)體材料連結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由n型元件流向p型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由p型元件流向n型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。半導(dǎo)體致冷優(yōu)點(diǎn)很多：致冷速度快，其致冷速度可通過(guò)調(diào)整工作電流來(lái)控制；無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)磨損、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便；體積小、重量輕；不使用致冷劑，不污染環(huán)境；可通過(guò)改變電流方向達(dá)到致冷致熱的兩種目的，可以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制。
此裝置可以工作在連續(xù)模式(在線模式)，也可以是間歇模式。
實(shí)施例一：
作為在線型連續(xù)測(cè)氡儀。采樣泵2都連續(xù)工作，穩(wěn)定的將樣品氣體經(jīng)過(guò)濾膜1后送到收集腔5。收集腔5的溫度控制在一個(gè)稍高于0℃的很小的溫度區(qū)間，比如1℃±0.5℃，但不限于此溫度區(qū)間。樣品氣體達(dá)到收集腔5后，溫度急速降低導(dǎo)致水蒸氣過(guò)飽和，大部分水蒸氣冷凝下來(lái)。冷凝水可以沿收集腔5四壁流到收集腔底部的排氣口，隨氣體排出收集腔5和儀器。收集腔內(nèi)氣體的含水量從而大大降低，所含的水分的絕對(duì)量可以降到5g/m3左右，此時(shí)對(duì)收集效率影響很小。
散熱器上安裝風(fēng)扇并連續(xù)運(yùn)行，以降低半導(dǎo)體致冷片的熱面3的溫度，從而降低半導(dǎo)體制冷片的冷熱兩面的溫差，提高半導(dǎo)體致冷片的工作效率。
收集腔5帶有3000v左右的高壓，收集腔5內(nèi)氡衰變產(chǎn)生的po-218原子在高壓電場(chǎng)的作用下被收集到硅半導(dǎo)體探測(cè)器6的表面(pips或者金硅面壘探測(cè)器)，po-218繼續(xù)衰變?cè)诎雽?dǎo)體探測(cè)器6上產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路7放大后得到幅度較大的脈沖信號(hào)。
由于半導(dǎo)體探測(cè)器6和放大電路7與收集腔5一起包裹在保溫層8內(nèi)，其溫度范圍變化很小(1℃±0.5℃)，基本恒定，所以不會(huì)出現(xiàn)溫漂問(wèn)題，其脈沖信號(hào)的增益非常穩(wěn)定。
能譜分析系統(tǒng)9包含多道分析器，對(duì)放大器7的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，得到穩(wěn)定的α能譜。單片機(jī)對(duì)能譜進(jìn)行分析，計(jì)算6mev的α粒子對(duì)應(yīng)的能譜峰，通過(guò)計(jì)算峰面積得到po-218的衰變計(jì)數(shù)，然后計(jì)算出被測(cè)樣品氣體的氡濃度。
實(shí)施例二：
作為便攜式測(cè)氡儀，工作在間歇模式。
由于采樣泵2、半導(dǎo)體致冷片的熱面3和半導(dǎo)體致冷片的冷面4及其散熱風(fēng)扇間歇工作，可以節(jié)約電能，同時(shí)降低樣品氣體的消耗量，不過(guò)工作過(guò)程稍微復(fù)雜一點(diǎn)。
儀器開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量，采樣泵2工作一段時(shí)間，樣品氣體通過(guò)濾膜1后進(jìn)入收集腔5，在確保收集腔5內(nèi)的氣體都替換為需要測(cè)量的樣品氣體后，采樣泵2停止工作，半導(dǎo)體制致冷片(3和4)開(kāi)始制冷，將氡收集腔5的溫度降低至低于0℃的附近一個(gè)很小的溫度區(qū)間，比如(-3℃～-1℃)。
散熱器上安裝風(fēng)扇并與半導(dǎo)體制冷片同步運(yùn)行，以降低半導(dǎo)體致冷片的熱面3的溫度，從而降低半導(dǎo)體致冷片的冷熱兩面的溫差，提高半導(dǎo)體致冷片的工作效率。
收集腔5內(nèi)部的樣品氣體溫度也急劇下降，大部分水蒸氣冷凝在收集腔5的四壁，并結(jié)霜。然后開(kāi)始給收集腔5加上3000v的高壓，收集腔5內(nèi)氡衰變產(chǎn)生的po-218原子在高壓電場(chǎng)的作用下被收集到硅半導(dǎo)體探測(cè)器6的表面(pips或者金硅面壘探測(cè)器)，po-218繼續(xù)衰變?cè)诎雽?dǎo)體探測(cè)器6上產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路7放大后得到幅度較大的脈沖信號(hào)。
由于半導(dǎo)體探測(cè)器6和放大電路7與收集腔5一起包裹在保溫層8內(nèi)，其溫度范圍變化很小(-3℃～-1℃)，基本恒定，所以不會(huì)出現(xiàn)溫漂問(wèn)題，其脈沖信號(hào)的增益非常穩(wěn)定。
能譜分析系統(tǒng)9包含多道分析器，對(duì)放大器7的輸出線號(hào)進(jìn)行處理，得到穩(wěn)定的α能譜。單片機(jī)對(duì)能譜進(jìn)行分析，計(jì)算6mev的α粒子對(duì)應(yīng)的能譜峰，通過(guò)計(jì)算峰面積得到po-218的衰變計(jì)數(shù)，然后計(jì)算出被測(cè)樣品氣體的氡濃度。
測(cè)量結(jié)束后，切斷半導(dǎo)體致冷片(及其風(fēng)扇)和高壓電路的的電源。
半導(dǎo)體致冷片停止工作后，收集腔5溫度將回升，收集腔5四壁的凝霜會(huì)融化并流至底部的排氣口附近。在下次測(cè)量時(shí)，采樣泵2開(kāi)始將新的樣品氣體輸送至收集腔5，將原氣體和上次測(cè)量產(chǎn)生的凝霜融化的水排出。
由于此模式測(cè)量時(shí)氡收集腔室的溫度更低，絕對(duì)水分含量也更少(低于5g/m3)，所以收集效率更高，儀器的靈敏度更高。