一种两级制冷结构的便携式高纯锗探测器的制作方法

1.本发明属于探测器技术领域，尤其涉及一种两级制冷结构的便携式高纯锗探测器。


背景技术：

2.伽马射线的能量能够作为“指纹”来识别特定放射材料，因此放射性物质通常通过探测和识别待测物质发出的伽马射线。高纯锗探测器具有较好的灵敏度和识别能力，是目前分辨率较高的探测器之一。
3.高纯锗探测器为保证高纯锗晶体禁带宽度，其工作环境需要维持在一个低温(低于100k)、高静态真空的状态，传统的制冷技术包括液氮制冷和电制冷，其中液氮制冷因需配备杜瓦瓶与高纯锗探测器搭配使用，电制冷需配备大功率电制冷发动机，探测系统复杂体积较大，不便于户外便携使用。
4.随着技术的发展及更多的应用场景被挖掘，同时也对技术的创新提出了新的要求。例如在国土安全、核应急等领域具有战略地位，高纯锗探测器作为其核心部件之一。基于此的某些不确定的事故或应急事件，需要在户外、甚至是野外场景使用高纯锗探测器。现有的便携式高纯锗探测器为适应该场景，一般体积都比较小，液氮制冷方式与高纯锗探测器集成度低，不利于实现便携化，而且存在液氮使用时间短充填频率高导致的制冷时间较长的局限性。另外一方面、电制冷方式存在由于备用电池功率相对较小制冷时间较长等局限性，这些都会导致便携式高纯锗探测器制冷时间较长，甚至长达12小时以上，较长的等待时间是难以应用于特定户外和应急的场景。
5.有鉴于此，如何实现快速制冷，是便携式高纯锗探测器的重要指标，是在户外应对各类应急事件使用的重要保证，也是本领域亟需解决的技术难点之一。


技术实现要素：

6.鉴于此，本发明实施例提供一种两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，以实现探测器快速制冷，应用于户外等应急场景。
7.一种两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，包括：探测器本体；探测器第一壳体，所述探测器第一壳体设置在所述探测器本体外侧，且与所述探测器本体隔开，以形成第一真空腔；探测器第二壳体，所述探测器第二壳体设置在所述第一壳体外侧，与所述第一壳体分隔开，以形成第二真空腔；第一制冷界面，穿设在所述探测器第一壳体与所述探测器第二壳体之间，且所述第一制冷界面连接所述第一壳体与外部制冷器，实现一级制冷；第二制冷界面，设置于所述探测器第二壳体上，所述第二制冷界面连接所述第一壳体与系统制冷器，实现二级制冷。
8.在一实施例中，所述第一制冷界面包括第一冷指，封堵管以及封堵塞；
9.所述第一冷指的一端与所述第一壳体物理连接，所述第一冷指的另一端设置于所述第二壳体上，用于与外部大功率制冷器连接；所述封堵管的两端分别固定在所述探测器
第一外壳与所述探测器第二外壳上；以及所述封堵塞与所述封堵管的管径过盈配合，所述第一冷指伸入所述封堵塞伸入所述封堵管与所述探测器第一壳体连接；所述封堵管与所述封堵塞将所述第二真空腔与所述第一冷指以及外部空间间隔，所述第二真空腔与所述封堵管内高真空度。
10.在一实施例中，所述第二制冷界面包括第二冷指和导热件；所述第二冷指的一端穿过所述第二壳体伸入所述第二真空腔，并与所述第一壳体固定连接；所述第二冷指的另一端与系统制冷器连接；所述导热件的一端与所述第二冷指伸入所述第二真空腔的一端固定连接，所述导热件的另一端与所述第一壳体固定连接。
11.在一实施例中，所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳之间设置有结构化安装组件；所述结构化安装组件包括销点系杆，分别设置在所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳的相对两端。
12.在一实施例中，所述结构化安装组件还包括系紧件；所述销点系杆成对设置于所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳上，通过系紧件将所述销点系杆对张力系紧。
13.在一实施例中，还包括低辐射红外反射涂层；所述探测器第一壳体和所述探测器第二壳体分别把所述低辐射红外反射涂层设置于所述探测器第一壳体的内壁和外壁以及所述探测器第二壳体的内壁，以防热辐射。
14.在一实施例中，还包括吸附层；所述吸附层设置在所述探测器第二壳体的径向方向，以吸附所述第二真空腔的残余气体。
15.在一实施例中，所述销点系杆为导电螺钉，
16.在一实施例中，所述系紧件为凯夫拉线。
17.在一实施例中，所述封堵管为真空波纹管。
18.本发明实施例提供的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，创造性的将探测器本体和探测器第一壳体的制冷过程分为两级，通过第一制冷界面连接外部大功率制冷器实现一级快速制冷，通过第二制冷界面连接系统制冷器实现进一步二级制冷及长时间低温维持，最终有效缩短便携式高纯锗探测器的整体制冷时间，延长探测器本体的使用时间。
19.较之现有技术中一般采用直接制冷方式，从传统的制冷时间约12小时缩短至约6小时，制冷效率大幅提高，能够更好的适应户外场景的便携使用，应对突发或应急事件，有利于应对紧急辐射监测。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明实施例两级制冷结构的便携式高纯锗探测器的结构示意图；
22.图2是图1中局部放大的第一制冷界面结构示意图；
23.图3是图1中探测器第一壳体和探测器第二壳体的结构化安装件示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.为了说明本发明所述两级制冷结构的便携式高纯锗探测器的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
26.下面参照图1～图3，根据本技术实施例，两级制冷结构的便携式高纯锗探测器1000包括：探测器本体10、探测器第一壳体20和探测器第二壳体30、第一制冷界面40和第二制冷界面50以及系统制冷器60。
27.探测器本体10，主要由锗晶体制成，是探测器的核心部件，也是需要降温的核心部件，用于核辐射的探测。
28.探测器第一壳体20，设置在探测器本体10外侧，且与探测器本体10隔开，以形成第一真空腔201。第一真空腔201为真空状态，将探测器本体10置于其中，相当于将探测器本体10包覆一层真空层，既可以为探测器本体10提供高真空超净工作环境，又可以起到保温隔热的作用。
29.探测器第二壳体30，设置在探测器第一壳体20外侧，且与探测器第一壳体20隔开，以形成第二真空腔301。第二真空腔301为真空状态，探测器第一壳体20置于其中，相当于将探测器第一壳体20包覆一层真空层，同时起到保护及保温隔热的作用。
30.其中，第一真空腔201和第二真空腔301为两个独立的真空腔室，能够降低大功率的外部制冷器(图未示)和系统制冷器60的机械振动对探测器本体10的影响，起到防震的作用，以维持探测器本体10的性能指标。
31.第一制冷界面40，包括第一冷指41、封堵管42以及封堵塞43。具体的，第一制冷界面40穿设在探测器第一壳体20与探测器第二壳体30之间，通过第一冷指41连接大功率的外部制冷器对探测器本体10和探测器第一壳体20进行一级快速制冷，探测器第一壳体20与探测器第二壳体30通过封堵管42连接，封堵塞43设置于封堵管42与探测器第二壳体30的连接处。第一冷指41的一端穿过封堵塞43以便与大功率的外部制冷器连接，第一冷指41的另一端穿过封堵塞43伸入封堵管42与探测器第一壳体20物理接触。
32.具体的，封堵塞43与封堵管42的管径过盈配合，将第二真空腔301与封堵管42以及外部空间隔开，以维持第二真空腔301的高真空度，避免污染探测器本体10的工作环境，影响探测器本体10性能指标，同时对处于封堵管42中的第一冷指41起到保温隔热的作用。
33.第二制冷界面50，包括第二冷指51和导热件52。具体的，第二制冷界面50设置在探测器第二壳体30上，通过第二冷指51连接系统制冷器60进行二级制冷，第二冷指51穿过探测器第二壳体30并固定焊接，第二冷指51的一端与系统制冷器60连接，第二冷指51的另一端穿过第二壳体30伸入第二真空腔301，并通过导热件52与探测器第一壳体20固定连接。
34.需要注意的是，在系统装配时，需在封装前先对第一真空腔201和第二真空腔301抽真空，以形成高真空层。
35.本技术的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器1000，包括具有探测能力的探测器本体10，探测器第一壳体20和探测器第二壳体30，以及具有快速制冷能力的第一制冷界面40和第二制冷界面50的新型结构，创造性的将探测器本体10和探测器第一壳体20的制冷过
程分为两级，通过第一制冷界面40连接外部大功率制冷器(图未示)实现一级快速制冷，通过第二制冷界面50连接系统制冷器60实现进一步二级制冷及长时间低温维持，最终有效缩短便携式高纯锗探测器的整体制冷时间，延长探测器本体10的使用时间。较之现有技术中一般采用直接制冷方式，从传统的制冷时间约12小时缩短至约6小时，制冷效率大幅提高，能够更好的适应户外场景的便携使用，应对突发或应急事件，有利于应对紧急辐射监测。
36.在本技术的一个实施例中，系统制冷器60为斯特林电制冷器，大功率的外部制冷器为大功率斯特林电制冷器，斯特林电制冷器是一种能够维持高纯锗探测器工作温度的电制冷器。
37.第一制冷界面40通过第一冷指41连接外部大功率斯特林电制冷器，能够对探测器本体10和探测器第一壳体20进行快速制冷，将探测器本体10和探测器第一壳体20的温度快速降至预定温度，例如近高纯锗探测器工作温度100k。
38.当便携式高纯锗探测器需进行户外工作时，可断开外部制冷器，利用系统制冷器60通过第二制冷界面50将探测器本体10和探测器第一壳体20进一步降温至稳定工作状态，并对该温度进行长时间维持，有利于户外辐射探测使用。
39.根据本技术的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器1000，创造性的通过两个制冷界面第一制冷界面40和第二制冷界面50，将探测器本体10和探测器第一壳体20的制冷过程分为两级，第一制冷界面40能够通过连接大功率的外部制冷器将探测器本体10和探测器第一壳体20的温度快速降至预定温度，断开外部制冷器后，即可利用系统制冷器60和第二制冷界面50继续将探测器本体10和探测器第一壳体20的温度降至高纯锗探测器的工作温度(例如100k以下)，并进行长时间低温维持，既可以有效缩短便携式高纯锗探测器的制冷时间，提高探测器工作效率，又可以延长探测器的户外便携使用时间，同时还可以通过第二真空腔301降低制冷器机械振动对探测器的影响，以维持探测器本体10的性能指标。
40.根据本技术的另一个实施例，结构化安装件70包括销点支柱(71、72)，系紧件73，结构化安装件70将探测器第一壳体20悬挂安装在探测器第二壳体30上。具体的，探测器第一壳体20的外壁径向两端设置有多个销点系杆71，探测器第二壳体30的内壁径向两端设置有多个销点系杆72，销点系杆71和销点系杆72成对设置，并通过系紧件73张力系紧，成对的销点系杆71和销点系杆72能够沿相同或相反的方向延伸，以调整探测器第一壳体20的悬挂安装位置。
41.进一步的，结构化安装件70一共有八对销点系杆，在探测器第一壳体20的外壁两端各设置有四个销点系杆71，在探测器第二壳体30的内壁两端各设置有四个销点系杆72，多个销点系杆71间距小，多个销点系杆72间距大。为固定探测器第一壳体20，防止探测器第一壳体20和探测器第二壳体30直接接触，利用系紧件73将多个成对的系杆71和系杆72张力系紧，相对于彼此同轴固定和定位。
42.在一个实施例中，系紧件73构造为凯夫拉线。销点系杆71和销点系杆72是相同的结构特征，也可以根据安装需要选择不同的结构实现安装。另外，销点系杆71和销点系杆72通过导电螺钉连接至相应的壳体上，以产生金属对金属的连接，并利用连接多个系杆对的系紧件73的热阻性能，防止探测器第二壳体30向探测器第一壳体20产生热分流。
43.探测器第一壳体20以非接触的方式悬挂安装在探测器第二壳体30上，能够同时达到耐冲击和隔热的功效。隔热性归功于降低热传导以及低辐射红外反射涂层的作用。壳体
打孔会影响红外反射涂层的隔热性能，因此本技术的结构化安装件70的多个销点系杆通过非打孔方式进行安装，通过两级制冷结构的壳体打孔最小化实现红外反射涂层隔热作用的最大化，以延长探测器本体10的工作时间。
44.值得注意的是，本技术的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器1000能够实现整体低热负荷，且无需利用辅助手段实施隔热防护。探测器第二壳体30和探测器第一壳体20的表面积比率是影响系统整体热负荷的关键因素之一，本技术通过将探测器第二外壳30表面积与探测器第一外壳20表面积的比率最小化，实现系统整体的低热负荷，而非通过辅助手段进行隔热。
45.根据本技术的另一个实施例，探测器第二壳体30的内表面积和探测器第一壳体20的外表面积比率为1.5。
46.另外，探测器第一壳体20和探测器第二壳体30还包括低辐射红外反射涂层80，低辐射红外反射涂层80设置在探测器第一壳体20的内壁和外壁上以及探测器第二壳体30的内壁上，用以防止探测器第一壳体20和探测器第二壳体30漏热。在本实施例中，低辐射红外反射涂层80构造为高抛光度金涂层。
47.根据本技术的一个实施例，探测器第二壳体30还包括吸附层90，吸附层设置在探测器第二壳体30内壁的径向方向，以吸附第二真空腔301内的残余气体。
48.在前期封装过程中将第一真空腔201和第二真空腔301抽成高真空，后期需对高真空环境进行维持，由于探测器第一壳体20和探测器第二壳体30之间的零件，例如：安装件70、低辐射红外反射涂层80等，会释放微量气体对探测器本体10的核心部件造成损伤，因此在探测器第二壳体30内设置吸附层90，及时吸收第二真空腔301内零件释放的残余气体，最终实现第二壳体内的真空低温恒温环境。
49.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，包括：探测器本体；探测器第一壳体，所述探测器第一壳体设置在所述探测器本体外侧，且与所述探测器本体隔开，以形成第一真空腔；探测器第二壳体，所述探测器第二壳体设置在所述第一壳体外侧，与所述第一壳体分隔开，以形成第二真空腔；第一制冷界面，穿设在所述探测器第一壳体与所述探测器第二壳体之间，且所述第一制冷界面连接所述第一壳体与外部制冷器，实现一级制冷；第二制冷界面，设置于所述探测器第二壳体上，所述第二制冷界面连接所述第一壳体与系统制冷器，实现二级制冷。2.根据利要求1所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述第一制冷界面包括第一冷指，封堵管以及封堵塞；所述第一冷指的一端与所述第一壳体物理连接，所述第一冷指的另一端设置于所述第二壳体上，用于与外部大功率制冷器连接；所述封堵管的两端分别固定在所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳上；以及所述封堵塞与所述封堵管的管径过盈配合，所述第一冷指伸入所述封堵塞伸入所述封堵管与所述探测器第一壳体连接；所述封堵管与所述封堵塞将所述第二真空腔与所述第一冷指以及外部空间间隔，所述第二真空腔与所述封堵管内高真空度。3.根据利要求1或2所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述第二制冷界面包括第二冷指和导热件；所述第二冷指的一端穿过所述第二壳体伸入所述第二真空腔，并与所述第一壳体固定连接；所述第二冷指的另一端与系统制冷器连接；所述导热件的一端与所述第二冷指伸入所述第二真空腔的一端固定连接，所述导热件的另一端与所述第一壳体固定连接。4.根据利要求3所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳之间设置有结构化安装组件；所述结构化安装组件包括销点系杆，分别设置在所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳的相对两端。5.根据利要求4所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述结构化安装组件还包括系紧件；所述销点系杆成对设置于所述探测器第一外壳与所述探测器第二外壳上，通过系紧件将所述销点系杆对张力系紧。6.根据利要求4或5所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，还包括低辐射红外反射涂层；所述探测器第一壳体和所述探测器第二壳体分别把所述低辐射红外反射涂层设置于所述探测器第一壳体的内壁和外壁以及所述探测器第二壳体的内壁，以防热辐射。7.根据利要求6所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，还包括吸附层；所述吸附层设置在所述探测器第二壳体的径向方向，以吸附所述第二真空腔的残余气
体。8.根据权利要求7所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述销点系杆为导电螺钉。9.根据权利要求8所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述系紧件为凯夫拉线。10.根据权利要求9所述的两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，其特征在于，所述封堵管为真空波纹管。

技术总结
两级制冷结构的便携式高纯锗探测器，包括：探测器本体；探测器第一壳体，探测器第一壳体设置在探测器本体外侧，且与探测器本体隔开，以形成第一真空腔；探测器第二壳体，探测器第二壳体设置在第一壳体外侧，与第一壳体分隔开，以形成第二真空腔；第一制冷界面，穿设在探测器第一壳体与探测器第二壳体之间，且第一制冷界面连接第一壳体与外部制冷器，实现一级制冷；第二制冷界面，设置于探测器第二壳体上，第二制冷界面连接第一壳体与系统制冷器，实现二级制冷。创造性的将探测器本体和探测器第一壳体的制冷过程分为两级，通过第一制冷界面实现一级快速制冷，通过第二制冷界面实现进一步二级制冷及长时间低温维持，有效缩短制冷时间。有效缩短制冷时间。有效缩短制冷时间。


技术研发人员：郭丽娜 牛得青 陈平 李传坤 魏交统 姚飞
受保护的技术使用者：中国兵器装备集团自动化研究所有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/7/26