伏特效应放射性同位素电池的制备

王子唯

（北京市第三十五中学，北京 100034）

1 研究背景和目的

放射性同位素电池是利用换能器件将放射性同位素衰变时释放出射线的能量转换成电能的一种新型电池。同位素电池的基本原理是利用换能器件将同位素放射源衰变时释放出射线的能量转换为电能并将其输出,其主要由同位素放射源和换能器件构成。

综合国内外相关研究，可将目前研究的放射性同位素电池按换能方式可大致分为五种：静态型热电式、辐射伏特效应、动态换能方式、压电换能机制与特殊换能机制。不同换能方式的放射性同位素电池,具有其自身的优势和局限。

静态型热电式同位素电池的基本原理是将放射性同位素发生衰变释放出的射线进行直接收集,通过热致发光效应将其转化为电能形式输出。但其能量转化效率始终不足10%。

辐射伏特效应同位素电池是利用放射性同位素发生衰变释放出的射线来轰击半导体材料使其内部产生大量电子空穴对,并在其内建电场的作用下分离,产生电流。

动态换能方式同位素电池是利用放射性同位素发生衰变产生的热量加热管道中的流体运动，并推动热机或涡轮机工作来实现电能输出的装置。但受限于其内部的活动结构，这种设计的稳定性一般较低。

压电换能机制同位素电池的换能方式主要包括压电悬臂梁机制与射流驱动压电换能机制。目前对此类电池的研究还受限于其主要部件压电悬臂梁的制备，故仍处于实验阶段。

特殊换能机理同位素电池的换能方式主要包括衰变LC电路耦合谐振、磁约束下β粒子电磁辐射、射线致辐射发光(荧光)效应等方面。

现在，核电池经过近一个世纪的发展，已可做到服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护、小型化等，并引起了国内外广泛重视重视。目前已成功应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、航标灯、心脏起搏器、微型电动机械等方面。但又由于核电池仍存在安全风险大、经济成本高、转换效能等原因，迄今为止尚未开发出可以替代传统电池的同位素电池。

表1 电池输出数据测试表

图1 效率影响因素

基于目前状况，本项目选取了此领域中的辐射伏特效应同位素类型电池，具体分析了此类电池的辐射能转换效率的影响因素，有针对性地设计了一种可行的结构，以提高其效率，同时探索了这种核电池的装配制备工艺。

2 研究内容

2.1 研究思路

利用射线致荧光伏特效应机制实现，其作用过程是：放射源放出的射线作用于荧光物质激发出荧光，然后再由荧光射入光伏电池板中产生光生伏特效应，最后对外输出电流。

转换流程：放射性同位素→荧光物质→弱光性光伏面板→电能。

2.2 研究方案

伏特效应放射性同位素电池是利用半导体PN结将衰变能转换为电能的装置。确定选题后，研究将首先明确伏特效应换能的机制。根据能量转换的不同过程，伏特效应放射性同位素电池可分为三类：

（1）热电转换法。热电转换是将α或β衰变能转换为热能，再由热能转换为电能。热电转换法又分温差电法和热光电法。

（2）辐射效应。该机制是利用带有一定能量的粒子束照射到半导体材料上，通过电离效应产生电子空穴对，同时在PN结的内建电场作用下，实现对电子空穴对的分离，产生电流输出。

（3）辐射光电转换。辐射光电转换是通过荧光材料将衰变能转变为光能，再用太阳能电池将光能转变为电能。

本文将聚焦于基于荧光材料辐射光电转换的放射性同位素电池制备的研究。探索如何利用射线致荧光伏特效应机制，设计一种体积小、成本低的微型同位素电池，并探究其设计、结构、装配工艺和制备方法，并进行相关性能测试。

2.3 创新点

项目探究了核电池这一新能源领域。不同于传统电池，核电池将放射性物质的衰变能通过换能器转变为电能，不仅能实现超长时间对外供电，而且相较于目前的电源，还有一系列优势，如：环境适应性强、稳定性高等。

近年来,伏特效应同位素电池取得了一系列研究突破，但多次换能导致电池能量转化效率较低，大大影响其实用性。因此，项目通过对射线致发光材料、原件结构与新型换能方式的研究,采用了分离同位素的方法，并使用了新型的弱光感光元件，在提升同位素电池电学输出性能的同时,也有促进了放射性同位素电池换能方式的多样性与实用化，还做到了电池外壳的多次利用，具备一定理论及实际意义。

3 研究方法和结果

3.1 发光原件结构

放射性同位素装入玻璃试管中，其内壁涂布0.1～0.15mm厚度的Y4-B1荧光粉,当β电子束照射到荧光粉时便可激发其产生荧光，所使用的Y4-B1荧光粉理论激发峰值波长454nm。将一小块强磁性的钴镍合金粘接在试管封口处，以方便其取出与放入（使用电磁铁就可将其从导光模具中吸出或放入），降低衰变能量不足时更换的复杂程度。

3.2 放射源选择

一般而言,用于放射性同位素电池的同位素放射源需满足以下条件：放射源要有合适的半衰期以确保电池拥有足够长的寿命，同时，放射物质要有良好的物理、化学性能与加工性能，毒性小，放射性危险小，放射源与燃料盒相适应，有害杂质少且易于屏蔽，同时应考虑经济性与可获得性。

综合以上，试验装置采取了最理想的放射源氚。

氚的辐射线能级较低，平均能量为5.7keV，是典型的β放射源，对紧邻的荧光物质基本不产生损耗。氚的半衰期较长，达到12.3年。体积为3πmm×22.5mm，其中管高为22.5mm，外径为3mm，管厚为0.19mm。管内氚气放射性活度为15GBQ。

3.3 光导原件与光伏板结构

将装有同位素的玻璃管竖直方向插入光导模具中。模具四周用柔性光伏板包裹覆盖，使用液态光学胶水粘接光导模件与光伏板，并在模板上端覆盖全反射薄膜，完成后做遮光封装处理。其中模具内径3.15mm，为存放发光原件留有公差。导光模具为纯环氧树脂，在保证高透光率的同时还具有吸收冲击力的效果，纯环氧制作工艺可使材料有良好的耐热性，低吸水率，也不析出游离酸。整体结构设计可以让电池的环境适应性进一步提升。光导树脂模具长宽均为15mm，高为25mm。

3.4 电池外壳与电荷平衡

电池外壳为铝合金材质，相对易于加工，强度高密度低，金属材质也增强了射线屏蔽效果。铝合金外壳壁厚1mm，长和宽15.1mm，高25.1mm，多余部分留予公差。

另外，考虑到β衰变本质是放出电子束，长时间使用后，涂有荧光粉的玻璃管内部可能会累积负电荷，为了平衡电荷，外壳与玻璃管应输出线路并与电池正极接通。

3.5 弱光效应光伏电池的选择

考虑到该设计中辐射光源的光强强度较弱，所以不能采用普通的晶硅或微晶硅类型的光伏板。它们在弱光条件下无法产生足够的电压来越过硅晶体的能量禁带，这就意味着晶硅型光伏板在此类弱光条件下无法产生电流，因此必须使用非晶硅型光伏电池。虽然晶硅型光伏电池在强光下效率很高，但在弱光下非晶硅型光伏板效率反而要高于晶硅型，而在装置的弱光条件下也可以产生电流。非晶硅还具有生产工艺简单，适应性强，生产成本低的特点。

3.6 基本电路连接

将覆盖的光伏原件串联，输出负极与外壳相接，因其输出电流相对微小，用于微机电路的驱动单元需要初步储能。由UJT原件产生的脉冲电流可用于有源电子标签、信号标等产品中。连接UJT原件后，电池的电压范围为1.2～2V，环形振荡器消耗的电流平均约6.5μA。

3.7 电池输出数据测试结果

输出电压测量：九个同位素管实测电压为1.025 V；

输出电流测量：使其给一个4.7μF电容充电，在三十秒时电压可到达0.937V，经RC模型估算内阻约为59.72MΩ，电流为17.5nA；

输出功率：17.9nW。详细数据见表1。

4 分析和讨论

通过实验，得出电池模型可产生1.025V的电压，17.5nA的电流，用于微电子电路可产生功率17.9nW。氚的半衰期为12.43年，也就是说氚电池要在大约12年后，输出电压才会下降到最初的一半。

5 研究结论

5.1 基本试验结论

本文从射线致荧光伏特效应机制出发，提供了一种效率高、体积小、成本低而且可以重复使用的同位素电池制备方法，通过重新设计结构，优化了其能量转化效率，其主要优点在于：

（1）转化效率高。通过重新设计结构优化了核电池的能量化效率，分离同位素这种创新方法的使用使电池最终可对外输出10nW以上的电功率。且该设计使同位素电池的体积进一步缩小。

（2）安全性好。使用放射性低的元素氚、镅，使得研发变得安全、便宜，本课题中使用氚，氚的发射性射线能量相对较低，对各种材料和荧光物质的损害小，而且其半衰期比较长，在正常情况下可以持续向外部供电。

（3）适用性较强。使用放射性低的元素氚、镅避免了高成本、厚重的屏蔽隔离层，保证了体积与质量上的优势，可使用在微电子电路中。

（4）可重复使用。传统的同类电池在同位素衰变能量低于换能元件的激发阈值就后不能再继续使用了。此方案分离同位素这种创新方法，使衰变体与换能器件相互分离，衰变体分装在可取出的玻璃试管内，不仅可以降低同位素电池的结构设计难度，减小同位素电池的体积，而且当衰变体需要更换时，可轻松的取出并装入新的衰变体，实现重复使用，还降低同位素电池的成本。

5.2 下一步研究计划

本文从射线致荧光伏特效应基本原理出发，利用现有的试验条件完成了一种微型同位素电池模型的设计、结构及装配等工作。测试发现可以通过对放射源以及制作工艺的优化，提高能量转化效率，缩小体积，这说明应用上还需要进一步改善才能达到好的效果。

受试验条件及时间所限，目前尚未能准确分析影响转换效率的因素。一般来说，每一个步骤都有较多的因素影响转换效率（见图1）。因此，准确分析各种因素的影响是很困难的。从有关文献报道来看，借助一些MC仿真工具可以较为准确的完成影响转换效率因素分析。比如1-1、1-2、1-3、2-1、2-2等因素可以借助GEANT4软件仿真模拟，3-1可以借助光输运过程模拟软件仿真，而2-3、2-4、3-2则与材料固有性质相关。

下一步将借助一些MC仿真工具，扩大试验次数，准确分析影响转换效率的因素，进行针对性的改进，提升功率，并在安全的前提下选择不同种类的放射源，进一步优化电池结构，尝试构架电池的有关数学模型。