微型同位素電池模型的研制與試驗(yàn)

黃漢華　李宣成　劉洲　李璋　陳勇

摘 要：放射性同位素電池具有體積小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，文中簡(jiǎn)要介紹了一種功率為17.5 nW級(jí)的微型同位素電池模型的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、裝配工藝和性能測(cè)試結(jié)果。該電池的基礎(chǔ)體積在3 cm3～6 cm3之間，利用放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能射線激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光并使用弱光型光伏板將其轉(zhuǎn)換成電能，測(cè)量其輸出參數(shù)。這種電池制作工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低。

關(guān)鍵詞：放射性同位素電池；非硅晶光伏板；弱光效用；光伏板

中圖分類(lèi)號(hào)：TL81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）04-00-03

0 引 言

放射性同位素電池也稱(chēng)為核能電池，是一種將核能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，同位素電池具有使用時(shí)間長(zhǎng)、能量比大、環(huán)境影響小的特點(diǎn)，可使其適用于一些極端環(huán)境下對(duì)電力的需求。時(shí)至今日，同位素電池已被廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域中，如航天、海底、極地、洞穴等方面，同位素電池能夠持續(xù)不間斷的為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓?，F(xiàn)有核能電池種類(lèi)主要有放射性衰變物質(zhì)溫差發(fā)電類(lèi)、熱粒子發(fā)射核能電池類(lèi)、P-N結(jié)同位素電池等。目前同位素電池還存在體積過(guò)大、成本過(guò)高、放射性污染風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，這也是科技工作者們現(xiàn)在正努力解決的問(wèn)題。

1 微型核電池設(shè)計(jì)思路具體方案

方案利用射線致熒光伏特效應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，機(jī)制的作用過(guò)程是：首先利用射線作用于熒光物質(zhì)激發(fā)熒光，然后再由熒光射入光電池中產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)并轉(zhuǎn)換成電能輸出。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為，由放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生高能射線撞擊熒光物質(zhì)激發(fā)光。放射性物質(zhì)和熒光物質(zhì)均封裝在高硼玻璃管中，可以使發(fā)光原件防油，防水，防腐蝕及適應(yīng)溫度變化。而輻射則被很好地屏蔽在管內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生危害，穩(wěn)定性良好，使用壽命長(zhǎng)。

工作原理：放射性核素（危害?。鸁晒馕镔|(zhì)→光能弱光性光伏板→電能。

效果：核能→電能。

1.1 發(fā)光原件結(jié)構(gòu)

發(fā)光原件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。放射性同位素裝入高硼玻璃管中，玻璃管內(nèi)壁涂有Y4-B1熒光粉（K-11熒光粉），厚度為0.1～0.15 mm，當(dāng)射線照射到熒光粉時(shí)可以激發(fā)熒光物質(zhì)使其產(chǎn)生熒光，Y4-B1熒光粉放出的光色是藍(lán)色頻（波長(zhǎng)為454 nm），封裝好的同位素成圓柱體，在圓柱體上端粘有一小塊釹合金磁鐵，以方便其取出與放入（使用電磁鐵就可將其從導(dǎo)光模具中吸出或放入），方便及時(shí)更換重復(fù)使用。本實(shí)驗(yàn)采用的放射物質(zhì)為氚氣，氚輻射線能級(jí)較低，平均能量為5.7 keV，典型的Beta放射源對(duì)光壁內(nèi)的熒光物質(zhì)損害較小，氚光管不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生照射問(wèn)題[1]，且半衰期較長(zhǎng)為12.3年。體積為3 mm2×22.5 mm×3.14，管內(nèi)氚氣放射性活度為15 GBQ，單位造價(jià)便宜。管高為22.5 mm，外徑為3 mm，管厚為0.19 mm；內(nèi)壁熒光材料涂層為0.13 mm；釹合金磁鐵為1mm×1mm×1 mm。

1.2 發(fā)光原件與光伏板結(jié)構(gòu)

將同位素管以3×3陣列方式排列方向豎直插入導(dǎo)光樹(shù)脂模具中，光伏板結(jié)構(gòu)如圖2所示。在模具外部使用光感原件五面密封，使用液態(tài)光學(xué)膠水（LOCA）粘接光導(dǎo)模件與光伏板，在模板上端由全反射鏡面封蓋，其中模具內(nèi)部發(fā)光源的插入孔位半徑為3.1 mm，比發(fā)光原件半徑略大，可以方便的將發(fā)光原件取出放入，有利于電池整體重復(fù)利用。導(dǎo)光材料使用純環(huán)氧樹(shù)脂，一方面其具有高透光率，另一方面樹(shù)脂材料具有吸收沖擊力的效果，這種以透光樹(shù)脂密封的表面層具有好的耐熱性，且吸水率低，即使在潮濕的場(chǎng)合也不析出游離酸。因而防止電池組件在高濕度環(huán)境中因透光性隨之下降所導(dǎo)致的性能退化[2]。這樣既可以減少光能流失又可以提高整體電池的抗沖撞能力，使安全性進(jìn)一步的提高。光導(dǎo)樹(shù)脂模具寬為15 mm，長(zhǎng)為15 mm，高為25 mm，預(yù)留給同位素棒的空洞直徑為3.1 mm，沒(méi)有封頂。

1.3 電池外部保護(hù)與電荷平衡

電池外部由鋁合金外殼作為保護(hù)，如圖3所示。鋁合金外殼厚度為1 mm，外長(zhǎng)為15.1 mm，外寬為15.1 mm，外高為25.1 mm。

由于該試驗(yàn)電池使用的放射性物質(zhì)為Beta衰變方式的氚氣，所發(fā)射的射線為高速電子隨著時(shí)間的推移發(fā)光管內(nèi)部自由電荷逐漸增加，為了平衡內(nèi)部因同位素衰變產(chǎn)生的不平衡內(nèi)外電荷，金屬外殼與內(nèi)部光感原件輸出正極接通，以釋放衰變過(guò)程中所產(chǎn)生的電子。其中，同位素不能使用能量級(jí)過(guò)高的放射性物質(zhì)（活動(dòng)過(guò)高的放射性元素），可以使用氚，镅等元素，因?yàn)槠渌プ儺a(chǎn)生的射線容易被屏蔽，氚衰變產(chǎn)生的Beta射線只能在空氣中傳播幾厘米，且在此結(jié)構(gòu)中大部分由熒光素部分吸收，少量由高硼玻璃管壁吸收，不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生輻射危險(xiǎn)。镅是標(biāo)準(zhǔn)的阿爾法放射源，阿爾法射線穿透能力最弱，不能從管中逃逸出來(lái)，因此也可以用于此結(jié)構(gòu)。但像钚、鈷-60等元素卻不能使用，因?yàn)槠渖渚€能量非常高，穿透力大，此結(jié)構(gòu)不能安全屏蔽射線，過(guò)高的能量射線也會(huì)使感光元件受損。所以最理想的元素就是氚或镅。表1所列為用于微型核電池的純?chǔ)路派湓碵3，4]。

1.4 弱光效應(yīng)光伏電池的選擇

由于該設(shè)計(jì)中的輻射致光源光強(qiáng)強(qiáng)度較弱，所以考慮到光源強(qiáng)度弱的關(guān)系不能采用普通的晶硅或微晶硅類(lèi)型的光伏板。在弱光條件下無(wú)法產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)越過(guò)硅晶體的能量禁帶，這就意味著晶硅型光伏板在此類(lèi)弱光條件下無(wú)法產(chǎn)生電流，因此必須使用非晶硅型光伏電池，非晶硅具有生產(chǎn)技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)[4]。此類(lèi)光伏電池吸收率較晶硅光伏電池大。即使在弱光條件下也可以產(chǎn)生電流，雖然晶硅型光伏電池在強(qiáng)光下效率很高，但在弱光下非晶硅型光伏板效率反而要高于晶硅型，不同光強(qiáng)效率對(duì)比如圖4所示。

1.5 基本電路連接

五個(gè)光伏原件串聯(lián)，其輸出負(fù)極接外殼，由于輸出電流小，若要驅(qū)動(dòng)其他微電路需要初步儲(chǔ)能，由UJT原件產(chǎn)生脈沖電流，蓄能脈沖整流輸出如圖5所示。蓄能脈沖整流輸出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用，可用于有源電子標(biāo)簽，信號(hào)標(biāo)等產(chǎn)品中。還可以運(yùn)用到射頻電子標(biāo)簽中，運(yùn)用低功耗的射頻發(fā)射技術(shù)在芯片 Chartered0.35 μmCMOS工藝流片上制造出超低功耗的電子標(biāo)簽，其電源電壓范圍為1.2～2 V，環(huán)形振蕩器消耗的電流平均約為6.5 μA[5，6]。

2 新型核電池測(cè)試效果

2.1 電池輸出數(shù)據(jù)測(cè)試

輸出電壓：九個(gè)同位素管下實(shí)測(cè)為1.042 76 V；輸出電流測(cè)量：間接測(cè)量使其給一個(gè)4.7μF電容充電，在三十秒時(shí)電壓可到達(dá)0.937 V，運(yùn)用RC模型粗略計(jì)算其內(nèi)阻R為59.72MΩ，電流為17.5 nA，輸出功率為17.9 nW。

2.2 電池輸出數(shù)據(jù)分析

通過(guò)制作小型核能電池，13.5 mm×34.9 mm×6 mm體積大小的裸體核能電池就可以產(chǎn)生1.025 V的電壓，17.5 nA的電流，用于微電子電路可產(chǎn)生功率17.9 nW。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，九個(gè)同位素管下實(shí)測(cè)為1.042 76 V。隨著氚衰變，輸出電壓也會(huì)下降，如果采用镅元素則電池在200多年后電壓才會(huì)下降到出廠時(shí)的一半。

該設(shè)計(jì)使同位素電池的體積大大縮小，一個(gè)幾nW的電池體積如瓶蓋般大，同時(shí)本設(shè)計(jì)使用分離同位素的方法，有效減少了輻射溢出，輸出電壓為1.04 V，降低了成品電池的成本。利用新型sc14351光感原件或低價(jià)格的放射性同位素氚都可以降低成本。該同位素衰變體與發(fā)電裝置之間相互隔離，衰變體是獨(dú)立封存在單獨(dú)的管子里，當(dāng)衰變體需要更換時(shí)，大部分同位素電池在超過(guò)使用年限后都將按危險(xiǎn)放射性廢物處理，利用可更換的電池結(jié)構(gòu)輕松取出和裝入新的衰變體，使電池整體可以重復(fù)使用以減少浪費(fèi)。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)對(duì)放射源以及制作工藝的優(yōu)化，提高能量轉(zhuǎn)化效率，縮小體積，這說(shuō)明應(yīng)用上還需要進(jìn)一步改善才能達(dá)到好的效果。

3 前期成果

3.1 前期成果

本文介紹的這種核能電池優(yōu)點(diǎn)在于使用放射性低的元素氚、镅，使得研發(fā)變得安全、便宜，且沒(méi)有了巨大的屏蔽裝置，體積減小、重量減輕，可應(yīng)用于微電子器件中。體積小是此同位素電池的一大亮點(diǎn)，同位素電池的輸出功率與其體積成正比，一個(gè)幾nW的電池體積如瓶蓋一般大小，其次成本低，并且可重復(fù)使用，但同位素衰變減少后不能重復(fù)使用。本設(shè)計(jì)將同位素衰變體與發(fā)電裝置之間相互隔離，衰變體獨(dú)立封存在單獨(dú)的管子里，當(dāng)衰變體需要更換時(shí)，可輕松的取出并裝入新的衰變體。

3.2 需改進(jìn)部分

該電池目前的設(shè)計(jì)還有很大的改進(jìn)空間，下一步將進(jìn)行功率提升的改進(jìn)，需要更多的稀有同位素，在光導(dǎo)模具中更緊密的組合產(chǎn)生更高的輸出功率，測(cè)量與計(jì)算相關(guān)參數(shù)并且構(gòu)架電池的數(shù)學(xué)模型。我們將設(shè)計(jì)一款運(yùn)用此款電池工作的電子模塊來(lái)作為商業(yè)市場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)樣品。

4 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)階段我們專(zhuān)注于電池整體框架的建立，并且基礎(chǔ)工程模型已具有非常好的安全性，與此同時(shí)我們也進(jìn)一步縮小設(shè)計(jì)使其體積達(dá)到13.5 mm×34.9 mm×6 mm，造價(jià)相對(duì)于現(xiàn)有核能電池要便宜許多，亦有望進(jìn)入民用化市場(chǎng)。

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