[0001] 本发明涉及探测技术领域，具体地，涉及一种高纯锗探测器的制冷系统及方法。

[0002] 高纯锗探测器因其极好的能量分辨率及较高的探测器效率，在环保、核电、国土安全、科学研究等领域广泛应用。但是，高纯锗探测器工作时需要超低温环境（例如接近液氮温度），因此需要一定的制冷系统为其提供低温环境。目前所采用的制冷技术中，根据不同形式可分为液氮制冷，混合制冷和电制冷。其中，混合制冷系统中，采用制冷机将气化的冷却介质（如液氮）进行冷却液化，气化的液氮被重新液化，回到罐内，实现液氮的多次重复利用。然而，随着探测器工作的进行，液氮仍会被不断消耗，一段时间后，需补充液氮。在一些液氮获取不便的地区，需多次加注液氮成为限制高纯锗探测器应用的难题。

[0025] 以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

[0026] 在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

[0027] 在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

[0028] 在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C等）。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

[0029] 应该理解的是，当元件（诸如装置，组件等）描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

[0030] 在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0031] 高纯锗探测器因其极好的能量分辨率及较高的探测器效率，在环保、核电、国土安全、科学研究等领域广泛应用。但是，高纯锗探测器工作时需要接近超低温冷却介质，例如液氮温度的低温环境，因此需要一定的制冷系统为其提供低温环境。

[0032] 目前所采用的制冷技术中，根据不同形式可分为冷却介质制冷，混合制冷和电制冷。其中，冷却介质制冷是利用液态冷却介质（如液氮，液氩等）的低温冷却作用，将探测器冷却至超低温度（通常为100K及以下），以供装置使用。电制冷即制冷剂制冷。制冷剂通过连续的压缩、冷却、膨胀、加热过程来实现制冷效果。而在混合制冷系统中，采用制冷机将气化的液氮进行冷却液化，气化的液氮被重新液化，回到罐内，能够在一定程度上实现对液氮的多次重复利用。然而，随着探测器工作的进行，液氮仍会被不断消耗，一段时间后，需补充液氮。在一些液氮获取不便的地区，需多次加注液氮成为限制高纯锗探测器应用的难题。

[0033] 鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的实施例提供了一种高纯锗探测器的制冷系统，包括探测器本体；探测器冷指，所述探测器冷指与所述高纯锗探测器可拆卸连接，所述探测器冷指用于传导来自于第一冷却介质的冷量，以为所述探测器本体制冷；第一冷却介质，用于为所述探测器冷指提供冷量，所述第一冷却介质为液态；制冷容器，用于盛装所述第一冷却介质，所述探测器冷指与所述制冷容器可拆卸连接；制冷机，用于提供第一制冷功率和第二制冷功率以维持制冷容器中的冷却环境，所述制冷机与所述制冷容器可拆卸连接，其中，所述第一制冷功率用于对气化的第一冷却介质进行冷却液化，所述第二制冷功率用于对通入的第二冷却介质进行冷却液化，其中，所述第一制冷功率和所述第二制冷功率之和小于或等于所述制冷机的总功率；以及制冷剂补充装置，用于提供第二冷却介质，所述第二冷却介质为气态，所述第一冷却介质和所述第二冷却介质具有相同的化学组成，所述制冷剂补充装置与所述制冷容器可拆卸连接。

[0034] 本发明实施例提供的高纯锗探测器的制冷系统，利用制冷机的第一制冷功率对气化的液态冷却介质进行制冷，并利用制冷剂中剩余的功率，即第二制冷功率将通入的气态形式的制冷剂进行冷却液化，使得该探测器的制冷系统无需反复添加液态制冷剂，而仅需加注廉价易得的气态制冷剂即可实现对冷却介质的补充。使得该制冷系统能够以简单，高效，低成本的方式可持续的运行，至少部分解决了现有技术中存在的不便补充液氮，限制高纯锗探测器应用的难题。

[0035] 图1示意性示出了本发明一实施例的高纯锗探测器的制冷系统的示意图。图2是根据本发明的实施例的高纯锗探测器的制冷系统的局部放大图。

[0036] 如图1所示，该高纯锗探测器的制冷系统01至少包括：高纯锗探测器10，探测器冷指20，制冷容器30，制冷机40，制冷剂补充装置50，第一冷却介质60以及第二冷却介质70。其中，高纯锗探测10与探测器冷指20可拆卸地连接。在本发明的实施例中，可拆卸连接的方式不作限定。例如，可以采用螺钉，螺栓，法兰，密封圈等连接件将两种元件连接在一起。应理解，在本发明的实施例的制冷系统中，各元件连接时采用密封连接的形式以保持系统状态稳定，减少冷量的耗散。第一冷却介质60为液态，其盛装于制冷容器30中，用于为所述探测器冷指20提供冷量。制冷容器30用于盛装第一冷却介质60，并且，当通入第二冷却介质70时，制冷容器30也作为第二冷却介质70的容纳空间。在本发明的实施例中，探测器冷指20与所述制冷容器30可拆卸连接。制冷剂补充装置50与所述制冷容器可拆卸连接，用于提供第二冷却介质70。其中，所述第二冷却介质为气态，所述第一冷却介质60和所述第二冷却介质70具有相同的化学组成。一个例子是，第一冷却介质60为液氮，第二冷却介质70为氮气。另一个例子是，第一冷却介质60为液氩，第二冷却介质70为氩气。由此，当将第二冷却介质70通入制冷容器30后，第二冷却介质70在制冷机的工作下冷却液化，成为液态冷却介质。可见，第二冷却介质70能够通过冷却液化的方式转变为第一冷却介质60。

[0037] 在本发明的实施例中，还包括制冷机40，其用于维持制冷容器中的冷却环境，以使探测器冷指20能够持续从第一冷却介质60中获得冷量，并对获得的冷量进行传导，以为高纯锗探测器10制冷。其中，制冷机40基于一定功率运行。在本发明的实施例中，制冷机40与所述制冷容器30可拆卸连接。制冷机40可以提供第一制冷功率和第二制冷功率。第一制冷功率用于对气化的第一冷却介质进行冷却液化，第二制冷功率用于对通入的第二冷却介质进行冷却液化。在制冷机40以第一制冷功率运行时，可以在对气化的第一冷却介质60进行制冷的同时维持制冷容器30内压力稳定。当通入第二冷却介质对制冷剂进行补充时，制冷机40可以增加功率，以启动第二制冷功率对第二冷却介质70进行冷却液化。本发明的实施例中，第一制冷功率和所述第二制冷功率之和大于第一制冷功率，且可以小于或等于所述制冷机40的总功率。通常情况下，制冷机40仅用于将气化的第一冷却介质进行冷却液化，以反复利用已添加的第一冷却介质60。然而在本发明的实施例中，制冷机40可以在利用第一制冷功率维持常规运行的同时，利用多余的功率，即第二制冷功率对补充的气态冷却介质（第二冷却介质70）进行冷却，从而减少对于液态的第一冷却介质60的加注次数。

[0038] 可选的，第一制冷功率和第二制冷功率之和等于制冷机40的总功率。此时，制冷机40以全功率状态运行，更加高效地完成第二冷却介质的冷却液化，提高制冷效率。

[0039] 进一步的，如图2所示，高纯锗探测器10包括探测器本体101和探测器外壳102。典型的探测器外壳102可以为真空罩。探测器冷指20包括冷指本体201和冷指外壳202，其中，冷指本体201与探测器本体101连接，冷指外壳202与探测器外壳102连接。其中，冷指本体201可以为具有优良导冷性质的金属棒，例如铜棒。冷指外壳202包裹冷指本体，二者在远离探测器的一端密封连接且共同伸入第一冷却介质60。其中，冷指本体201的长度大于冷指外壳202，使得在远离高纯锗探测器10的一端，冷指本体201伸入所述第一冷却介质60的一端的部分突出于所述冷指外壳202，例如在图2中，冷指本体201的下端比冷指外壳202的下端更长。在冷指外壳202包裹冷指本体201的部分，二者间存在空隙，该空隙为真空状态，以尽可能减少导冷过程中的冷量损失。

[0040] 继续参照图1，制冷系统01还可以包括压力测量装置80。压力测量装置80可以与制冷容器30可拆卸连接。在示例性的实施例中，制冷机采用压力工作模式运行。制冷机的功率随着压力测量装置80的压力测量值动态调整，其工作过程如下：在制冷过程中，冷量从第一冷却介质60传导至探测器冷指20，根据热力学第二定律，第一冷却介质温度升高，部分介质气化。由于制冷容器30处于密封状态，此时容器内压力会随着气化的冷却介质逐渐升高，通过设置的制冷机压力工作模式，当制冷容器30内的压力达到一定的阈值后，制冷机40开始工作。此时气化的冷却介质被重新液化，回到制冷容器30内，实现冷却介质的多次重复利用。经过一段时间后，整个系统会进入一个稳压状态，系统内的压力值达到预设的稳压值。当通入第二冷却介质70后，制冷容器内的压力测量值进一步增大，此时，可以调整制冷机40的功率进一步增加，以利用增加的功率对第二冷却介质70进行冷却液化。应理解，制冷机40的功率可以逐步增加直至达到最大功率。另一方面，制冷容器内的压力值不能超过其可以承受的最大压力值，否则会有容器破裂或爆炸的风险。由此，在本发明的实施例中，当压力测量值大于预设的稳压值且小于预设的最大压力值时，调整所述制冷机的功率以使所述第一制冷功率和所述第二制冷功率之和小于或等于所述制冷机的总功率。

[0041] 在示例性的实施例中，当第二冷却介质70通入制冷容器30，导致制冷容器30内压力值突破稳压值后，制冷机40的功率可以持续增加直至达到最大功率。此时，制冷机40的第一制冷功率和第二制冷功率之和等于制冷机的总功率，制冷机40以全功率状态运行，提升制冷效率。

[0042] 在一些实施例中，制冷系统01还包括泄压装置（图中未示出）。类似的，泄压装置可以与制冷容器30可拆卸连接。用于当压力测量值达到预设的最大压力值时，对制冷容器30内的压力进行泄压以减少容器破裂或爆炸的安全隐患。

[0043] 根据本发明的实施例，制冷系统01还包括液位测量装置90。所述液位测量装置90与所述制冷容器30可拆卸连接。液位测量装置90可以用于测量所述第一冷却介质60在所述制冷容器30中的液位。其中，可以基于液位测量值启动所述制冷剂补充装置50。

[0044] 在本发明的实施例中，随着制冷系统01的运行，第一冷却介质60被不断消耗。虽然可以基于制冷机40的第一制冷功率对气化的冷却介质重新液化冷却，但由于容器不可能完全密封而没有物质的损耗，且制冷机也难以将气化的介质全部液化，随着运行时间的增加，制冷容器30内的第一冷却介质60仍会减少，带来制冷容器30内的第一冷却介质60的液位的下降。在本发明的实施例中，当液位测量值下降到一定程度时（例如预设的预警液位），可以启动制冷剂补充装置50，此时第二冷却介质70进入到制冷容器30内。

[0045] 图3示意性示出了根据本发明的实施例的制冷剂补充装置的局部放大图。参照图1和图3，制冷剂补充装置50包括冷却介质供应组件501和干燥组件502。在冷却介质供应组件501用于提供第二冷却介质70。例如，冷却介质供应组件501可以与外部的第二冷却介质供应装置（图中未示出）连接，以获取第二冷却介质70。典型的第二冷却介质70可以为氮气，相应的，第二冷却介质供应装置可以为氮气罐。可以通过管道503将第二冷却介质供应装置与冷却介质供应组件501相连接以输送气态的第二冷却介质70。进一步的，所述冷却介质供应组件501通过管道503连接至所述制冷容器30。在管道503上，还可以设置一干燥组件502。干燥组件502可以设置于管道503上位于所述冷却介质供应组件501与所述制冷容器30之间的一处。需说明，图4中的干燥组件502设置的位置仅为示例性的说明。干燥组件502可以设置于管道503上位于所述冷却介质供应组件501与所述制冷容器30之间的任意一处，以用于在第二冷却介质70进入制冷容器30前，对所述第二冷却介质70除去水汽，进行干燥。典型的，干燥组件可以包括吸附剂，以除去第二冷却介质70中的水汽。

[0046] 基于本发明的实施例的高纯锗探测器的制冷系统，本发明的另一方面，还提供了一种高纯锗探测器的制冷方法。

[0047] 图4示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的制冷方法的流程图。

[0048] 如图4所示，该实施例的高纯锗探测器的制冷方法包括操作S410～S430。

[0049] 在操作S410，启动制冷机，基于制冷机的第一制冷功率将盛装于所述制冷容器的气化状态的第一冷却介质进行冷却液化。其中，所述第一冷却介质用于为探测器冷指提供冷量。所述探测器冷指用于传导来自于第一冷却介质的冷量，以为探测器本体制冷。其中，所述第一冷却介质为液态。

[0050] 在操作S420，启动制冷剂补充装置，将第二冷却介质通入所述制冷容器。

[0051] 在操作S430，基于所述制冷机的第二制冷功率对通入的第二冷却介质进行冷却液化，其中，所述第二冷却介质为气态，所述第一冷却介质和所述第二冷却介质具有相同的化学组成。

[0052] 在本发明的实施例中，所述第一制冷功率和第二制冷功率之和小于或等于所述制冷机的总功率。

[0053] 本发明的实施例提供的高纯锗探测器的制冷方法，利用制冷机的第一制冷功率对气化的液态冷却介质进行制冷，并在不超过制冷机总功率的范围内利用超出第一制冷功率以外的第二制冷功率将通入的气态形式的第二冷却介质冷却液化，使得该探测器的制冷系统无需反复添加液态制冷剂即可对冷却介质进行补充，实现冷却介质的自补给，使得该系统能够以简单，高效，低成本的方式可持续的运行，尤其适用于不便添加第一冷却介质的地区，提高了高纯锗探测器的适用范围。

[0054] 参照图5，在启动制冷剂补充装置前，所述方法还包括操作S510。

[0055] 在操作S510，基于液位测量装置对第一冷却介质在制冷容器中的液位进行测量，判断制冷容器中的液位是否下降至预设的预警液位。

[0056] 当所述液位测量值下降至预设的预警液位时，执行操作S420。

[0057] 应理解，图5中的其他步骤与图4中的步骤相同，在此不再赘述。

[0058] 根据本发明的实施例，基于压力测量装置持续检测所述制冷容器中的压力。参照图6，在基于所述制冷机的第二制冷功率对通入的第二冷却介质进行冷却液化之前，执行操作S610～操作S620。

[0059] 其中，在操作S610，判断压力测量值是否大于预设的稳压值且小于预设的最大压力值。当压力测量值大于预设的稳压值且小于预设的最大压力值时，执行操作S620。

[0060] 在操作S620，调整所述制冷机的功率以使所述第一制冷功率和所述第二制冷功率之和小于或等于所述制冷机的总功率。

[0061] 图7示意性示出了根据本发明的一个示例的高纯锗探测器的制冷方法的流程图。

[0062] 如图7所示，该示例的高纯锗探测器的制冷方法的流程图包括操作S710～操作S740。

[0063] 在操作S710，基于第一冷却介质为探测器冷指提供冷量，以为高纯锗探测器制冷。在制冷过程中，第一冷却介质不断气化。

[0064] 在操作S720，基于压力测量装置检测制冷容器中的压力值，当压力测量值达到预设的阈值时，启动制冷机，基于制冷机的第一制冷功率将盛装于所述制冷容器的气化状态的第一冷却介质进行冷却液化，直至制冷容器中的压力测量值达到预设的稳压值。需说明，检测压力值的步骤可以贯穿于整个制冷方法中进行执行。例如，在操作S720前开启压力测量装置。

[0065] 在操作S730，基于液位测量装置检测制冷容器中的第一冷却介质的液位，当液位下降到一定液位时，启动制冷剂补充装置，将第二冷却介质通入所述制冷容器。其中，第二冷却介质为气态且与第一冷却介质具有相同的化学组成。需说明，检测液位的步骤可以贯穿于整个制冷方法中进行执行。例如，在操作S710前开启液位测量装置。

[0066] 在操作S740， 随着第二冷却介质的通入，制冷容器内的压力值上升，达到制冷容器中预设的最大压力值。当达到最大压力值后，启动制冷机的第二制冷功率，并且使得第一制冷功率和第二制冷功率之和等于制冷机的总功率。基于第二制冷功率对通入的第二冷却介质进行冷却液化，将气态的第二冷却介质转化为液态的第一冷却介质，以持续为探测器冷指提供冷量，实现第一冷却介质的自补给。

[0067] 除非另有特别说明，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0068] 本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

[0069] 以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。