王子唯

（北京市第三十五中學(xué)，北京 100034）

1 研究背景和目的

放射性同位素電池是利用換能器件將放射性同位素衰變時(shí)釋放出射線的能量轉(zhuǎn)換成電能的一種新型電池。同位素電池的基本原理是利用換能器件將同位素放射源衰變時(shí)釋放出射線的能量轉(zhuǎn)換為電能并將其輸出,其主要由同位素放射源和換能器件構(gòu)成。

綜合國內(nèi)外相關(guān)研究，可將目前研究的放射性同位素電池按換能方式可大致分為五種：靜態(tài)型熱電式、輻射伏特效應(yīng)、動(dòng)態(tài)換能方式、壓電換能機(jī)制與特殊換能機(jī)制。不同換能方式的放射性同位素電池,具有其自身的優(yōu)勢和局限。

靜態(tài)型熱電式同位素電池的基本原理是將放射性同位素發(fā)生衰變釋放出的射線進(jìn)行直接收集,通過熱致發(fā)光效應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能形式輸出。但其能量轉(zhuǎn)化效率始終不足10%。

輻射伏特效應(yīng)同位素電池是利用放射性同位素發(fā)生衰變釋放出的射線來轟擊半導(dǎo)體材料使其內(nèi)部產(chǎn)生大量電子空穴對,并在其內(nèi)建電場的作用下分離,產(chǎn)生電流。

動(dòng)態(tài)換能方式同位素電池是利用放射性同位素發(fā)生衰變產(chǎn)生的熱量加熱管道中的流體運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)熱機(jī)或渦輪機(jī)工作來實(shí)現(xiàn)電能輸出的裝置。但受限于其內(nèi)部的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性一般較低。

壓電換能機(jī)制同位素電池的換能方式主要包括壓電懸臂梁機(jī)制與射流驅(qū)動(dòng)壓電換能機(jī)制。目前對此類電池的研究還受限于其主要部件壓電懸臂梁的制備，故仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

特殊換能機(jī)理同位素電池的換能方式主要包括衰變LC電路耦合諧振、磁約束下β粒子電磁輻射、射線致輻射發(fā)光(熒光)效應(yīng)等方面。

現(xiàn)在，核電池經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已可做到服役壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、無需維護(hù)、小型化等，并引起了國內(nèi)外廣泛重視重視。目前已成功應(yīng)用于軍事衛(wèi)星、空間探測器、水下監(jiān)聽器、航標(biāo)燈、心臟起搏器、微型電動(dòng)機(jī)械等方面。但又由于核電池仍存在安全風(fēng)險(xiǎn)大、經(jīng)濟(jì)成本高、轉(zhuǎn)換效能等原因，迄今為止尚未開發(fā)出可以替代傳統(tǒng)電池的同位素電池。

表1 電池輸出數(shù)據(jù)測試表

圖1 效率影響因素

基于目前狀況，本項(xiàng)目選取了此領(lǐng)域中的輻射伏特效應(yīng)同位素類型電池，具體分析了此類電池的輻射能轉(zhuǎn)換效率的影響因素，有針對性地設(shè)計(jì)了一種可行的結(jié)構(gòu)，以提高其效率，同時(shí)探索了這種核電池的裝配制備工藝。

2 研究內(nèi)容

2.1 研究思路

利用射線致熒光伏特效應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，其作用過程是：放射源放出的射線作用于熒光物質(zhì)激發(fā)出熒光，然后再由熒光射入光伏電池板中產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，最后對外輸出電流。

轉(zhuǎn)換流程：放射性同位素→熒光物質(zhì)→弱光性光伏面板→電能。

2.2 研究方案

伏特效應(yīng)放射性同位素電池是利用半導(dǎo)體PN結(jié)將衰變能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。確定選題后，研究將首先明確伏特效應(yīng)換能的機(jī)制。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的不同過程，伏特效應(yīng)放射性同位素電池可分為三類：

（1）熱電轉(zhuǎn)換法。熱電轉(zhuǎn)換是將α或β衰變能轉(zhuǎn)換為熱能，再由熱能轉(zhuǎn)換為電能。熱電轉(zhuǎn)換法又分溫差電法和熱光電法。

（2）輻射效應(yīng)。該機(jī)制是利用帶有一定能量的粒子束照射到半導(dǎo)體材料上，通過電離效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對，同時(shí)在PN結(jié)的內(nèi)建電場作用下，實(shí)現(xiàn)對電子空穴對的分離，產(chǎn)生電流輸出。

（3）輻射光電轉(zhuǎn)換。輻射光電轉(zhuǎn)換是通過熒光材料將衰變能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽儆锰柲茈姵貙⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

本文將聚焦于基于熒光材料輻射光電轉(zhuǎn)換的放射性同位素電池制備的研究。探索如何利用射線致熒光伏特效應(yīng)機(jī)制，設(shè)計(jì)一種體積小、成本低的微型同位素電池，并探究其設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、裝配工藝和制備方法，并進(jìn)行相關(guān)性能測試。

2.3 創(chuàng)新點(diǎn)

項(xiàng)目探究了核電池這一新能源領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)電池，核電池將放射性物質(zhì)的衰變能通過換能器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不僅能實(shí)現(xiàn)超長時(shí)間對外供電，而且相較于目前的電源，還有一系列優(yōu)勢，如：環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等。

近年來,伏特效應(yīng)同位素電池取得了一系列研究突破，但多次換能導(dǎo)致電池能量轉(zhuǎn)化效率較低，大大影響其實(shí)用性。因此，項(xiàng)目通過對射線致發(fā)光材料、原件結(jié)構(gòu)與新型換能方式的研究,采用了分離同位素的方法，并使用了新型的弱光感光元件，在提升同位素電池電學(xué)輸出性能的同時(shí),也有促進(jìn)了放射性同位素電池?fù)Q能方式的多樣性與實(shí)用化，還做到了電池外殼的多次利用，具備一定理論及實(shí)際意義。

3 研究方法和結(jié)果

3.1 發(fā)光原件結(jié)構(gòu)

放射性同位素裝入玻璃試管中，其內(nèi)壁涂布0.1～0.15mm厚度的Y4-B1熒光粉,當(dāng)β電子束照射到熒光粉時(shí)便可激發(fā)其產(chǎn)生熒光，所使用的Y4-B1熒光粉理論激發(fā)峰值波長454nm。將一小塊強(qiáng)磁性的鈷鎳合金粘接在試管封口處，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），降低衰變能量不足時(shí)更換的復(fù)雜程度。

3.2 放射源選擇

一般而言,用于放射性同位素電池的同位素放射源需滿足以下條件：放射源要有合適的半衰期以確保電池?fù)碛凶銐蜷L的壽命，同時(shí)，放射物質(zhì)要有良好的物理、化學(xué)性能與加工性能，毒性小，放射性危險(xiǎn)小，放射源與燃料盒相適應(yīng)，有害雜質(zhì)少且易于屏蔽，同時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性與可獲得性。

綜合以上，試驗(yàn)裝置采取了最理想的放射源氚。

氚的輻射線能級較低，平均能量為5.7keV，是典型的β放射源，對緊鄰的熒光物質(zhì)基本不產(chǎn)生損耗。氚的半衰期較長，達(dá)到12.3年。體積為3πmm×22.5mm，其中管高為22.5mm，外徑為3mm，管厚為0.19mm。管內(nèi)氚氣放射性活度為15GBQ。

3.3 光導(dǎo)原件與光伏板結(jié)構(gòu)

將裝有同位素的玻璃管豎直方向插入光導(dǎo)模具中。模具四周用柔性光伏板包裹覆蓋，使用液態(tài)光學(xué)膠水粘接光導(dǎo)模件與光伏板，并在模板上端覆蓋全反射薄膜，完成后做遮光封裝處理。其中模具內(nèi)徑3.15mm，為存放發(fā)光原件留有公差。導(dǎo)光模具為純環(huán)氧樹脂，在保證高透光率的同時(shí)還具有吸收沖擊力的效果，純環(huán)氧制作工藝可使材料有良好的耐熱性，低吸水率，也不析出游離酸。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以讓電池的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)一步提升。光導(dǎo)樹脂模具長寬均為15mm，高為25mm。

3.4 電池外殼與電荷平衡

電池外殼為鋁合金材質(zhì)，相對易于加工，強(qiáng)度高密度低，金屬材質(zhì)也增強(qiáng)了射線屏蔽效果。鋁合金外殼壁厚1mm，長和寬15.1mm，高25.1mm，多余部分留予公差。

另外，考慮到β衰變本質(zhì)是放出電子束，長時(shí)間使用后，涂有熒光粉的玻璃管內(nèi)部可能會累積負(fù)電荷，為了平衡電荷，外殼與玻璃管應(yīng)輸出線路并與電池正極接通。

3.5 弱光效應(yīng)光伏電池的選擇

考慮到該設(shè)計(jì)中輻射光源的光強(qiáng)強(qiáng)度較弱，所以不能采用普通的晶硅或微晶硅類型的光伏板。它們在弱光條件下無法產(chǎn)生足夠的電壓來越過硅晶體的能量禁帶，這就意味著晶硅型光伏板在此類弱光條件下無法產(chǎn)生電流，因此必須使用非晶硅型光伏電池。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，而在裝置的弱光條件下也可以產(chǎn)生電流。非晶硅還具有生產(chǎn)工藝簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。

3.6 基本電路連接

將覆蓋的光伏原件串聯(lián)，輸出負(fù)極與外殼相接，因其輸出電流相對微小，用于微機(jī)電路的驅(qū)動(dòng)單元需要初步儲能。由UJT原件產(chǎn)生的脈沖電流可用于有源電子標(biāo)簽、信號標(biāo)等產(chǎn)品中。連接UJT原件后，電池的電壓范圍為1.2～2V，環(huán)形振蕩器消耗的電流平均約6.5μA。

3.7 電池輸出數(shù)據(jù)測試結(jié)果

輸出電壓測量：九個(gè)同位素管實(shí)測電壓為1.025 V；

輸出電流測量：使其給一個(gè)4.7μF電容充電，在三十秒時(shí)電壓可到達(dá)0.937V，經(jīng)RC模型估算內(nèi)阻約為59.72MΩ，電流為17.5nA；

輸出功率：17.9nW。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

4 分析和討論

通過實(shí)驗(yàn)，得出電池模型可產(chǎn)生1.025V的電壓，17.5nA的電流，用于微電子電路可產(chǎn)生功率17.9nW。氚的半衰期為12.43年，也就是說氚電池要在大約12年后，輸出電壓才會下降到最初的一半。

5 研究結(jié)論

5.1 基本試驗(yàn)結(jié)論

本文從射線致熒光伏特效應(yīng)機(jī)制出發(fā)，提供了一種效率高、體積小、成本低而且可以重復(fù)使用的同位素電池制備方法，通過重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了其能量轉(zhuǎn)化效率，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）轉(zhuǎn)化效率高。通過重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了核電池的能量化效率，分離同位素這種創(chuàng)新方法的使用使電池最終可對外輸出10nW以上的電功率。且該設(shè)計(jì)使同位素電池的體積進(jìn)一步縮小。

（2）安全性好。使用放射性低的元素氚、镅，使得研發(fā)變得安全、便宜，本課題中使用氚，氚的發(fā)射性射線能量相對較低，對各種材料和熒光物質(zhì)的損害小，而且其半衰期比較長，在正常情況下可以持續(xù)向外部供電。

（3）適用性較強(qiáng)。使用放射性低的元素氚、镅避免了高成本、厚重的屏蔽隔離層，保證了體積與質(zhì)量上的優(yōu)勢，可使用在微電子電路中。

（4）可重復(fù)使用。傳統(tǒng)的同類電池在同位素衰變能量低于換能元件的激發(fā)閾值就后不能再繼續(xù)使用了。此方案分離同位素這種創(chuàng)新方法，使衰變體與換能器件相互分離，衰變體分裝在可取出的玻璃試管內(nèi)，不僅可以降低同位素電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，減小同位素電池的體積，而且當(dāng)衰變體需要更換時(shí)，可輕松的取出并裝入新的衰變體，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，還降低同位素電池的成本。

5.2 下一步研究計(jì)劃

本文從射線致熒光伏特效應(yīng)基本原理出發(fā)，利用現(xiàn)有的試驗(yàn)條件完成了一種微型同位素電池模型的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及裝配等工作。測試發(fā)現(xiàn)可以通過對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，這說明應(yīng)用上還需要進(jìn)一步改善才能達(dá)到好的效果。

受試驗(yàn)條件及時(shí)間所限，目前尚未能準(zhǔn)確分析影響轉(zhuǎn)換效率的因素。一般來說，每一個(gè)步驟都有較多的因素影響轉(zhuǎn)換效率（見圖1）。因此，準(zhǔn)確分析各種因素的影響是很困難的。從有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道來看，借助一些MC仿真工具可以較為準(zhǔn)確的完成影響轉(zhuǎn)換效率因素分析。比如1-1、1-2、1-3、2-1、2-2等因素可以借助GEANT4軟件仿真模擬，3-1可以借助光輸運(yùn)過程模擬軟件仿真，而2-3、2-4、3-2則與材料固有性質(zhì)相關(guān)。

下一步將借助一些MC仿真工具，擴(kuò)大試驗(yàn)次數(shù)，準(zhǔn)確分析影響轉(zhuǎn)換效率的因素，進(jìn)行針對性的改進(jìn)，提升功率，并在安全的前提下選擇不同種類的放射源，進(jìn)一步優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，嘗試構(gòu)架電池的有關(guān)數(shù)學(xué)模型。