半导体制冷在PIN探测器中的应用

半导体制冷系统除可达到预期的制冷效果外，而且体积小、高可靠、无运动部件、无噪音。

根据PIN探器的安装要求（见），半导体器件工作时热面的冷量可通过机壳散发到空气中。

经比较，我们在此探测器中选择半导体制冷方式。

2原理与结构简介2.1方案的原理a.帕耳帖效应及半导体制冷模块的选择：帕耳帖效应是法国J.C.A帕耳帖在1834年发现的，井以他的名字命名，帕耳帖效应表明了如下现象：当两种不同的导体A和B组成电路且通过直流电时，在一个接头处除产生焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而在另一个接头处则吸收热量，产生制冷效应。如所示。

由于帕耳帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变。金属的帕耳帖效应比较微弱，半导体材料则要强得多。b.半导体制冷模块的选择我们选择天津电源研究所生产的定型产品TEC2-18006，产品的测试性能指标为：在热面温度Th=27.C时最大温差电流：顶部尺寸：最大温差电压：底部尺寸：最大制冷功率：高度：最大温差：2.2结构简介PIN探测器冷却组件的结构如所示，其安装结构见，PIN探测器安装在真空室中，由直流电源给半导体制冷模块供电，从而达到制冷的目的。半导体制冷模块冷面的冷量通过冷板传递给PIN探测器，其热面的热量通过散热器散发到空气中去。

3设计计算及分析3.1PIN探测器的最低温度3.1.1冷损计算：PIN冷却组件中冷损主要由导热损失，辐射损失和对流损失三种：a导热损失根据热传导定律：L：传热体的长度0.m AT：温差b.辐射损失硅PIN探测器的辐射损失可根据公式来计算。

由于本方案中PIN探测器是安装在真空室中，因此对流冷损失可以忽略不计。

3.1.2传热温差：如结构示意图所示，冷却PIN探测器冷却组件有两个界面：半导体制冷模块冷面与冷板界面（涂少许导热脂），冷板与PIN探测器界面（加一层云母片绝缘），金属体的热阻忽略。

传热过程的热阻属于串联热阻，存在的温压At=QS/入3.1.3计算及实验数据表明，在环境温度为23X：时热面经风冷散热后的温度为41，由于半导体制冷模块的最大温差为74X：，同时又考虑到传热温差和冷损，PIN探测器冷却组件可冷却到-28X：左右。

现己实际达到的最低温度-25C（环境温度201C时），计算结果与实际达到的指标吻合得较好。

3.2热端散热由于半导体制冷器件在工作过程中热端产生大量的热，若不能即时得到散发将会影响其制冷效果，本设计中根据用户要求采用强制风冷和自然对流两种方式动制冷器件热端进行冷却散热。

热端散热的散热面积由下式确定：Q：散热器从电堆排出热量W F：散热器的全部换热面积m2a：散热器一空气换热系数，此值一般取3.56（mD），计算中取4.5AT：允许温差，取15*C因采用强制风冷，F通常缩小5~10倍，计算中取7. 3.2.2自然对流因采用自然对流，F通常比强制风冷的散热面积大510倍。

散热器的几何尺寸以及所用材料的有关参数与散热器散热功率之间有如下关系h-散热板的厚度（m）d―散热板的篼度（m）AT沿散热板容许的温度差（D根据自然对流的要求确定散热面积，并经空气散热器的几何尺寸等有关参数按上式进行验算，该空气散热器能满足要求。

4试验结果4.1.采用强制风冷的PIN探测器冷却组件：时间（in）测试条件：环境温度为18X：，冷却方式为强制风冷，探涮器编号为99010（安装在真空室中，灵敏区面积为60）。测试结果：最低温度为-25*0，输入功率为80W（16V/5A），PIN探测器冷却组件的暗电流从14.4uA降到22UA，对提高其性能极其明显，试验数据可见、见表1，PIN探测器冷却组件冷却及暗电流变化特性。

PIN探测器冷却坦件冷却和暗电流变化特性表1PIN探测器冷却组件冷却及暗电流变化特性输入功率（V/A）暗电流（uA）4.2.我们在完成强制风冷制冷系统的同时，正在研制采用自然对流并有回温要求的制冷系统。

5结论PIN探测器冷却组件采用半导体制冷方案是合理的，与采用机械的方法比较，具有体积小，结构简单，篼可靠性等优点。整个冷却组件无运动部件，因此性能稳定可靠现正在进行传热方面的深入研究，着重改进结构和进一步减少界面热阻，以达到更好的技术指标，满足用户的使用要求。