Термоелектричні охолоджувачі для рентгенівських детекторів

Abstract

Вступ. Рентгенівські методи широко використовують для неруйнівних мікроаналітичних досліджень структури та складу матеріалів з високою просторовою роздільною здатністю. Подальше збільшення цього показника суттєво залежить від покращення аналітичних характеристик напівпровідникових детекторів, а також від застосування широкоапертурних позиційно чутливих детекторів випромінювання нових типів. Проблематика. Роздільна здатність рентгенівських детекторів суттєво залежить від температурного режиму їхньої роботи, що забезпечується використанням термоелектричних охолоджувачів. Однокаскадні термоелектричні охолоджувачі (ТЕО) застосовують для неглибокого охолодження (до 250 К), тоді як для охолодження сенсорів до робочої температури 230 К використовують двокаскадні ТЕО, до 210 К — трикаскадні, а для охолодження нижче 190 К — чотири- та п’ятикаскадні ТЕО. Мета. Проєктування та оптимізація конструкції термоелектричного багатокаскадного охолоджувача детектора рентгенівського випромінювання. Матеріали й методи. Методи комп’ютерного об’єктно-орієнтованого проєктування та методи теорії оптимального керування, адаптовані до використання для термоелектричного перетворення енергії. Для створення термоелектричних модулів охолодження використано матеріали на основі телуриду вісмуту (Bi2Te3) n- та p- типів провідності. Результати. Розрахунки конструкції термоелектричного охолоджувача у складі детектора рентгенівського випромінювання показали оптимальну електричну потужність термоелектричного перетворювача W = 2,85 Вт, що при холодильному коефіцієнті e = 0,02 забезпечує температуру основи детектора Tc = —70 °С та ΔT = 90 К, що є оптимальними умовами для роботи детекторів рентгенівського випромінювання та дозволяють значно підвищити їхню роздільну здатність при мінімальних затратах електричної енергії. Висновки. Наведено розрахунки забезпечують оптимальні режими роботи детектора рентгенівського випромінювання, а комплексне дослідження та оптимізація зазначеного пристрою підтвердили результат. Отримані дані можна застосовувати для створення приладів з підвищеною роздільною здатністю.

Introduction. X-ray methods are widely used for the nondestructive microanalytic studies of the structure and composition of materials with a high spatial resolution. Further increase in their resolution depends substantially on improving the analytical characteristics of semiconductor detectors, as well as on the application of novel types of wide-aperture positionsensitive radiation detectors. Problem Statement. The resolution of X-ray detectors is essentially dependent on their operating temperature mode, provided by the use of thermoelectric coolers. Single-stage thermoelectric coolers (TEC) are used for superficial cooling (down to 250 K); to cool sensors to an operating temperature of 230 K two-stage TECs are used and three-stage TECs are used for temperatures down to 210 K, whereas four- and five-stage ones are meant for cooling below 190 K. Purpose. Design and structural optimization of a thermoelectric multi-stage cooler of X-ray radiation detector. Materials and Methods. Computer-based object-oriented design methods and optimal control theory methods adapted for thermoelectric energy conversion applications. To develop thermoelectric cooling modules, bismuth telluride-based materials (Bi2Te3) of n- and p-types of conductivity have been used. Results. Calculations of the design of the thermoelectric cooler as a part of the X-ray detector showed optimum electric power of the thermoelectric converter W = 2.85 W, which, with a refrigeration coefficient e = 0.02, provides the detector base temperature Tc = —70 ° С and ΔT = 90 K. These temperature conditions are optimal for the operation of X-ray detectors and can significantly increase their resolution with minimal electricity consumption. Conclusions. A comprehensive study and optimization has been performed, and the design of a thermoelectric multistage cooler has been calculated, which ensures optimal operating conditions for the X-ray detector. The obtained results can be used to create X-ray detectors with high resolution.