一种半导体热电堆作为传感器的量热单元及其应用的制作方法

本发明涉及放射性核素测量，具体涉及一种半导体热电堆作为传感器的量热单元及其应用。

背景技术：

1、医用同位素如3h、14c、32p、89sr等放射性核素，由于其用途的特殊性，其产品对核纯度和放射性活度的准确度等具有较高的要求。一般的放射性活度测量方法需要对被测样品进行破坏以制取测量样品，从而造成医用同位素产品损失并产生大量的放射性废物影响环境。例如采用液体闪烁法测量ba14co3样品，其最产品主要化学形态是baco3固体粉末，在测量放射性活度时，需要溶解样品，在溶解过程中由于co32-的不稳定性，会造成14c的损失，这样即污染环境又影响活度测量。

2、量热法是一种广泛应用于物理、化学、生物等领域，通过测量样品产生的热量q或热功率p，并以此作为数据分析处理依据的测量方法。由于量热法基于测量样品释放出的热量或热功率的原理，其测量过程不需要破坏样品，即属于非破坏性测量。医用同位素在发射β粒子的过程与物质相互作用而产生热量，利用量热法的原理可以对医用同位素产生的热量进行定值，进而计算得到其放射性活度值。利用该方法可以充分发挥量热法非破坏性测量的特点，同时还具有无需考虑自吸收，探测效率与射线的能量无关等特点。因此量热测量方法一直是医用同位素放射性活度测量领域的一个研究热点。

3、放射性同位素发射的α或β射线与物质相互作用后，射线能量被吸收体吸收后，吸收体的温度升高，通过测量吸收体(量热杯)的温度变化或传向周围介质的热流，即可得到功率，按式(1)计算其放射性活度：

4、

5、式中：a——医用同位素活度，bq；

6、p——吸收体吸收的放射源输出热功率，w；

7、——放射源每次衰变所辐射的平均能量，mev；

8、ρ——吸收体对不同射线的吸收系数(对于α和低能β粒子，ρα＝ρβ＝1)。

9、医用同位素量热计采用calvet热流原理设计，其示意图如图1所示。

10、被测放射源置于总热容为c的量热杯中,整体置于温度恒定在t0的恒温体中。量热杯与恒温体之间有若干热电偶串接而成的热电堆。温度为t0时，热电堆总的热电系数为f，量热杯与恒温体之间的总的热传输系数为k。

11、假设量热杯是均匀介质，吸收热功率p后，其温度按下式变化：

12、

13、式中：t、t0——分别为量热杯和恒温体的温度，℃；

14、p——量热杯吸收的放射源输出热功率，w；

15、k——量热杯与恒温体之间的总传热系数，w·℃-1；

16、c——量热杯的总热容量，j·℃-1；

17、t——测量时间，s。

18、当t远大于c/k或t→∞时，可简化为：

19、

20、此时，量热杯的温度不再变化，量热计达到热平衡，所以量热杯的温升δt正比于所吸收的热功率p，反比于总的热传输系数k。该温升在热电堆上产生的热电势e为：

21、e＝f·δt＝f·p/k(4)

22、因此，量热杯吸收的热功率p由下式给出，即：

23、

24、其中，η＝k/f，是量热杯的热功率系数。通过热功率校准，可测定量热杯的η值，再通过测量量热计的输出热电势就能够计算量热杯的吸收热功率，最后可得到放射源的活度。

25、量热测量方法用于医用同位素放射性活度测量的难点之一在于量热单元的设计。由于医用同位素一般为β放射性核素，其发热效率不高，因此量热单元需要具有较高的导热系数，同时热电偶具有较高的塞贝克系数，如何设计出具有上述优点又实用的量热单元具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种半导体热电堆作为传感器的量热单元及其应用，所述量热单元具有较高的导热系数，同时采用赛贝克系数远高于传统金属热电偶的半导体热电偶作为温差传感器，能够实现对发热效率较低的样品进行准确测量。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种半导体热电堆作为传感器的量热单元，包括：

4、量热杯，用于放置样品瓶，所述量热杯采用铝材制成，且所述量热杯的外壁和/或内壁包覆有导热涂层；

5、温差传感器，为半导体热电偶，所述温差传感器的热端与量热杯外壁紧密接触，所述温差传感器的冷端与设置在量热杯外侧的铝吸收体连接，所述温差传感器用于测量量热杯的温度。

6、由于医用同位素一般为β放射性核素，其发热效率不高，因此量热单元需要具有较高的导热系数，同时热电偶具有较高的塞贝克系数。

7、本发明为使得量热单元具有较高的导热系数，同时易于加工成型，采用铝材做量热单元量热杯的材料，同时在铝材表面镀导热涂层进一步提高其导热系数；为使得发热效率较低的医用同位素样品能够进行准确测量，采用赛贝克系数远高于传统金属热电偶的半导体热电偶作为温差传感器。

8、综上，本发明通过采用铝材制备量热杯，并且在所述量热杯的外壁和/或内壁包覆有导热涂层，提高了量热杯的导热系数，同时采用赛贝克系数远高于传统金属热电偶的半导体热电偶作为温差传感器，能够实现对发热效率较低的样品进行准确测量。

9、进一步地，温差传感器设置有多个，在所述量热杯的底部和环形侧壁外壁均布置有温差传感器，且多个温差传感器串联连接。

10、由于样品的发热量特别低，在微瓦级别，当放射性样品在量热杯内部发生衰变时，造成的温度变化非常小，带来的电势就更小，采用多个温差传感器串联连接，使得电势变大，更容易测量，能够提高在一定程度上提高对发热效率较低的样品的准确度。

11、进一步地，量热杯的环形侧壁外壁至少布置一圈温差传感器，每圈至少包括2个温差传感器。

12、进一步地，位于同一圈上的多个温差传感器在量热杯周向上均匀布置，当布置有多圈温差传感器时，相邻两圈上的温差传感器在量热杯周向上交错布置。

13、进一步地，当量热杯的底部设置有一个温差传感器时，该温差传感器位于量热杯底部中心；当量热杯的底部设置有多个温差传感器时，其中一个温差传感器位于量热杯底部中心，剩余多个温差传感器呈周向布置在位于中心的温差传感器的外侧。

14、本发明上述多个温差传感器的布置方式是为了实现将多个温差传感器布置在量热杯不同位置，能够实现测量量热杯不同位置的热量，以避免热量不均匀带来的误差。

15、进一步地，还包括：

16、保温套，同轴设置在量热杯外侧，且保温套的内壁和外壁分别与量热杯外壁和铝吸收体接触，所述保温套上设置有用于固定温差传感器的通孔。

17、本发明所述传热单元在使用时是放置在一个密封的保温装置中，保温装置具有保温层，在保温层内侧设置有铝吸收体，用于测量温度的温差传感器的冷端需要与铝吸收体接触，虽然传热单元在使用时是依靠保温装置的保温层实现保温，但是，本发明通过在量热杯外侧同轴设置保温套，该保温套能够在一定程度上对量热杯的热量进行保温，能够进一步减少温差传感器测温的温度损失，进一步提高了测量的准确度。

18、进一步地，保温套的厚度大于温差传感器的宽度；所述通孔内在温差传感器的冷端设置有铝套，所述铝套一侧与温差传感器的冷端紧密接触，另一侧与铝吸收体紧密接触。

19、由于使用时整个量热杯置于铝吸收体内侧，通过设置铝套，铝套对温差传感器具有一定的压紧作用，所述铝套一侧与温差传感器的冷端紧密接触，另一侧与铝吸收体紧密接触；能够间接实现温差传感器与铝吸收体紧密连接同时固定半导体热电偶的位置，增加量热杯与外部的接触面积，缩短热平衡时间。

20、进一步地，保温套为尼龙套。

21、进一步地，保温套采用拼接结构，由于量热杯的外壁设置有温差传感器，并不是一个光滑平整的壁面，采用拼接结构能够利于装配。

22、进一步地，还包括：

23、转接体，用于放置样品瓶，所述转接体用于装配在量热杯内。

24、进一步地，转接体或量热杯的顶部设置有内胆装配体，所述内胆装配体用于与保温装置的密封塞装配连接。

25、进一步地，导热涂层包括镀金涂层。

26、上述量热单元在发热效率较低同位素放射性活度测量中的应用，发热效率较低同位素包括医用同位素。

27、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

28、1、本发明利用铝材作为量热单元材料并镀导热涂层的方法增大导热系数，利用赛贝克系数远高于传统金属热电偶的半导体热电偶作为温差传感器，从而提高发热效率较低的同位素样品活度测量的准确度。

29、2、本发明一方面采用多个温差传感器串联连接，使得电势变大，更容易测量，能够提高在一定程度上提高对发热效率较低的样品的准确度，另一方面，采用多个温差传感器布置在量热杯不同位置，能够实现测量量热杯不同位置的热量，能够有效避免热量不均匀带来的误差。

30、3、本发明的保温套能够在一定程度上对量热杯的热量进行保温，能够进一步减少温差传感器测温的温度损失，且本发明的铝套能够间接实现温差传感器与铝吸收体紧密连接同时固定半导体热电偶的位置，增加量热杯与外部的接触面积，缩短热平衡时间；进一步提高了测量的准确度。