本發(fā)明屬于核能利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種將同位素衰變能量轉(zhuǎn)化為電能的電場(chǎng)分離電離電荷式核電池。

技術(shù)背景

放射性同位素電池本質(zhì)上是將同位素衰變產(chǎn)生的射線能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)化方法，放射性同位素電池包括：(1)將粒子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的溫差同位素電池；(2)直接收集帶電粒子的直接充電核電池；(3)將粒子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁波再利用光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的光伏核電池；(4)利用粒子動(dòng)能將半導(dǎo)體PN結(jié)電離出電子空穴對(duì)產(chǎn)生電流的貝塔伏特效應(yīng)核電池；以及(5)利用逸出功不同的兩種金屬形成電勢(shì)差分離粒子電離氣體形成的正負(fù)電荷的接觸勢(shì)差核電池。

溫差同位素電池和光伏核電池的換能器比較復(fù)雜，能量的利用度不高。直接充電式核電池能量轉(zhuǎn)換效率低，為得到更高的輸出功率，必須使用更多的放射性同位素源。這既增加成本，又不利于電池小型化或微型化。貝塔伏特效應(yīng)核電池直接由粒子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電流，換能器簡(jiǎn)單，能量利用率高，單位能量產(chǎn)生的電流大。而且，貝塔伏特效應(yīng)核電池容易微型化，適合應(yīng)用于在微機(jī)電系統(tǒng)中。但是，貝塔伏特效應(yīng)核電池也有一些缺點(diǎn)。例如，放射性同位素對(duì)半導(dǎo)體換能器長(zhǎng)期輻照容易造成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)損傷，影響電池性能。另外，由于使用固體貝塔放射源，發(fā)射出的電子容易被阻擋。因此，放射源必須做成極薄的薄膜狀。如果太厚大量電子將被自吸收不能出射，出射電子進(jìn)入半導(dǎo)體后要經(jīng)過一段距離才能到達(dá)PN結(jié)敏感區(qū)產(chǎn)生有效電離，半導(dǎo)體也必須極薄并經(jīng)過特殊摻雜處理才能獲得更多電子空穴對(duì)，這也使得貝塔伏特效應(yīng)核電池不能做得很大，產(chǎn)生的總電流在微安級(jí)，應(yīng)用范圍較窄。接觸勢(shì)差核電池利用逸出功不同的兩種金屬形成的電勢(shì)差很小，一般在1V左右，產(chǎn)生的總電流也同樣很小。

因此，本領(lǐng)域需要一種新型的核電池，其可以根據(jù)應(yīng)用需求改變大小，提供較大的電流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種核電池，包括：第一電極；第二電極；第一電極和第二電極之間的混合物，所述混合物包括第一放射源和可電離氣體；導(dǎo)體，所述導(dǎo)體靠近第二電極并與第二電極分離；以及第二放射源，所述第二放射源靠近所述導(dǎo)體并與所述導(dǎo)體分離。

如上所述的核電池，其中，第一放射源為α源或β源；第二放射源為α源或β源。

如上所述的核電池，其中，第一放射源為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態(tài)²²²Rn及其形成的放射系或者²³⁸PuF₆。

如上所述的核電池，其中，第二放射源為²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm。

如上所述的核電池，其中，所述可電離氣體為鹵素氣體、氫氣或氦氣。

如上所述的核電池，進(jìn)一步包括反射層，第二放射源設(shè)置在所述反射層上；或者進(jìn)一步包括屏蔽層，第二放射源設(shè)置在所述屏蔽層內(nèi)；所述反射層或者屏蔽層具有朝向?qū)w的開口。

如上所述的核電池，進(jìn)一步包括絕緣密閉層。

如上所述的核電池，進(jìn)一步包括射線屏蔽層。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出一種產(chǎn)生電流的方法，包括：在電場(chǎng)中，利用第一放射源電離可電離氣體，產(chǎn)生正離子和自由電子；其中，所述電場(chǎng)是導(dǎo)體通過收集來自第二放射源的帶電粒子產(chǎn)生的；以及在第一電極上收集產(chǎn)生的自由電子，在第二電極上收集正離子，由此在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電流。

如上所述的方法，進(jìn)一步包括：對(duì)第一電極和第二電極之間產(chǎn)生的電流進(jìn)行整流和穩(wěn)壓。

附圖說明

通過下面結(jié)合附圖給出的詳細(xì)說明和隨附的權(quán)利要求，本公開的前述特征以及其它特征將變得更加清晰。應(yīng)理解的是，這些附圖僅描繪了依照本公開的多個(gè)實(shí)施例，因此，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，將通過利用附圖結(jié)合附加的具體描述和細(xì)節(jié)對(duì)本公開進(jìn)行說明，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的核電池的截面示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的核電池的側(cè)面示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的核電池俯視示意圖；以及

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的產(chǎn)生電流方法的示意圖。

技術(shù)方案

現(xiàn)在，詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其示例在附圖中表示，其中，相同的標(biāo)號(hào)始終表示相同的部件。以下通過參考附圖描述實(shí)施例以解釋本發(fā)明。

在接下來的描述中，即使在相同的附圖中，相同的附圖標(biāo)號(hào)用于相同的部件。在說明書中定義的內(nèi)容，例如詳細(xì)的構(gòu)造和部件只是提供用于幫助全面理解本發(fā)明。因此，很明顯，無需那些定義的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，由于已知功能或構(gòu)造將在不必要的細(xì)節(jié)上模糊本發(fā)明，因此將不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的核電池的截面示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的核電池的側(cè)面示意圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的核電池俯視示意圖。參考圖1-圖3，本發(fā)明的核電池100包括：第一電極101、第二電極102以及第一電極101和第二電極102之間的混合物103。其中，混合物103包括第一放射源和可電離氣體。其中，可電離氣體是能夠發(fā)生氣體電離的氣體。所謂氣體電離是氣體受到電場(chǎng)、熱能或射線的作用，使中性氣體原子中的電子獲得足夠的能量，以克服原子核對(duì)它的引力而成為自自電子，同時(shí)中性的原子或分子由于失去了帶負(fù)電荷的電子而變成帶正電荷的正離子。這種使中性的氣體分子或原子釋放電子形成正離子的過程叫做氣體電離。而這種中性的氣體即為可電離氣體。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可電離氣體的平均電離能小于300eV，優(yōu)選小于200eV。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可電離氣體的實(shí)例包括但不限于高壓鹵素氣體、高壓氫氣或高壓氦氣。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一放射源為α源或β源，優(yōu)選是α源。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一放射源的氣態(tài)α源實(shí)例為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態(tài)²²²Rn及其形成的放射性系,或²³⁸PuF₆。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，第一放射源優(yōu)選為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態(tài)²²²Rn及其形成的放射系放射性系。第一放射源的另一個(gè)實(shí)例為分壓強(qiáng)為139Pa以下的²³⁸PuF₆。可電離氣體可以為分壓強(qiáng)0.6MPa的鹵素氣體、氫氣或氦氣。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，第一放射源與可電離氣體的混合物103所在空間的寬度不小于20mm，以使得大部分帶電粒子能量沉積在氣體中而不是打在電極上。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，核電池100進(jìn)一步包括第二放射源104和導(dǎo)體105。第二放射源為α源或β源，優(yōu)選是α源。第二放射源104通過衰變產(chǎn)生帶電粒子。導(dǎo)體105收集第二放射源104產(chǎn)生的電荷并在混合物103上形成電場(chǎng)。第二放射源104的實(shí)例為弱α源(5)²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm。優(yōu)選地，第二放射源的放射強(qiáng)度低于10mCi。導(dǎo)體105的實(shí)例為金屬板，例如鎳板。本發(fā)明的核電池利用氣體放射源與電離氣體混合解決了自吸收問題。進(jìn)一步地，利用第二放射源形成的靜電場(chǎng)解決了大部分氣體電離后并沒有被分離而是重新復(fù)合的效率問題。

以α源為例，第二放射源104發(fā)射出帶兩個(gè)正電荷的α粒子達(dá)到導(dǎo)體105表面，導(dǎo)體105收集的α粒子達(dá)到一定量后形成的電場(chǎng)足夠強(qiáng)使第二放射源發(fā)射出的α粒子不能到達(dá)導(dǎo)體105，此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定。進(jìn)一步地，導(dǎo)體105在第二電極102的右側(cè)感應(yīng)出正電荷；相應(yīng)地，在第二電極102的左側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)大小的負(fù)電荷。第一電極101右側(cè)感應(yīng)出正電荷，左側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)大小的負(fù)電荷。由此，在氣態(tài)第一放射源與可電離氣體的混合物103所在空間形成強(qiáng)電場(chǎng)?；旌衔?03中的第一放射源將可電離氣體電離，生成自由電子和正離子。在電場(chǎng)作用下，正電荷向第二電極102運(yùn)動(dòng)最終被第二電極102收集，而自由電子向第一電極101運(yùn)動(dòng)最終被第一電極101收集。通過兩個(gè)引出電極109將電荷引出，外接負(fù)載形成電流。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，第二放射源可選為²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm等。它們的半衰期在幾十年到百年，單位原子數(shù)量單位時(shí)間衰變的α粒子數(shù)量也非常合適。第一電極、第二電極、導(dǎo)體以及引出電極優(yōu)選為金屬板，材質(zhì)優(yōu)選為金屬鎳，因?yàn)槠淇果u素氣體侵蝕能力較強(qiáng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，核電池100包括帶電粒子反射層106，例如α粒子反射層。α粒子反射層的實(shí)例為金屬鈹或石墨。第二放射源為α源，其被涂布在帶電粒子反射層106上，出射例如α粒子。經(jīng)過電介質(zhì)107后被導(dǎo)體105收集。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，核電池100包括帶電粒子屏蔽層106，例如自由電子吸收層。第二放射源為β源，且被設(shè)置在屏蔽層106之中。屏蔽層106具有通向?qū)w105的開口。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，使用α源單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比β源高，因此能量密度較大，使用氣態(tài)α源和電離氣體混合，解決了放射源自吸收問題，對(duì)α粒子的利用率極高，強(qiáng)電場(chǎng)下氣體電離能減小，單位能量的α粒子電離出的電子離子對(duì)大大增加。由此，本發(fā)明能夠在提供較大電流的情況下保證開路電壓足夠高，相對(duì)產(chǎn)生的能量輸出大大提高。

電介質(zhì)107設(shè)置在第二放射源104和導(dǎo)體105之間，可以為真空、空氣、或者其他稀疏電介質(zhì)。電介質(zhì)108設(shè)置在導(dǎo)體105與第二電極102之間，可以為真空、空氣、或者其他稀疏電介質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，核電池100包括絕緣密閉層110和射線屏蔽層111。二者分別包裹核電池的其他部件。引出電極109延伸到絕緣密閉層110和射線屏蔽層111之外。絕緣密閉層110的實(shí)例為派勒克斯玻璃。射線屏蔽層111的實(shí)例為鉛。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，核電池100進(jìn)一步包括整流穩(wěn)壓電路112。在導(dǎo)體的電荷收集完成后可以提供很高的電壓，在強(qiáng)電場(chǎng)下易電離氣體的電離能減小，在例如α粒子電離作用下可以引發(fā)電離雪崩效應(yīng)，即被α粒子電離出的自由電子會(huì)繼續(xù)與其它中性氣體分子發(fā)生電離產(chǎn)生次級(jí)電子，次級(jí)電子繼續(xù)電離下去像雪崩一樣直到區(qū)域內(nèi)氣體全部電離。發(fā)生雪崩效應(yīng)后，電子在電場(chǎng)作用下快速被第二電極102收集，正離子緩慢向第一電極101運(yùn)動(dòng)最終被收集。這時(shí)，外接負(fù)載會(huì)出現(xiàn)脈沖狀電流，電壓也會(huì)不穩(wěn)。因此需要一套相應(yīng)的整流穩(wěn)壓電路。

關(guān)于整流穩(wěn)壓電路，可以參考童詩(shī)白、華成英、清華大學(xué)電子學(xué)教研組著的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)》(出版社：高等教育出版社，出版日期：2006-05-01，ISBN：9787040189223)的相關(guān)內(nèi)容，特別是第十章直流電源中關(guān)于整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路的描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，該文獻(xiàn)中提及的具有類似功能的電路或者電路的組合都可以應(yīng)用于本發(fā)明的方案中而實(shí)現(xiàn)整流和穩(wěn)壓的功能。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的產(chǎn)生電流方法的示意圖。如圖4所述，產(chǎn)生電流的方法400包括如下步驟：在步驟410，在電場(chǎng)中，利用第一放射源電離可電離氣體，產(chǎn)生正離子和自由電子；其中，所述電場(chǎng)是導(dǎo)體通過收集來自第二放射源的帶電粒子產(chǎn)生的。在步驟420，在第一電極上收集產(chǎn)生的自由電子，在第二電極上收集正離子，由此在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電流。進(jìn)一步地，在步驟430，對(duì)第一電極和第二電極之間產(chǎn)生的電流進(jìn)行整流和穩(wěn)壓。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一放射源為α源或β源，優(yōu)選是α源。例如優(yōu)選為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態(tài)²²²Rn及其形成的放射系放射性系。第一放射源的另一個(gè)實(shí)例為分壓強(qiáng)為139Pa以下的²³⁸PuF₆?？呻婋x氣體可以為分壓強(qiáng)0.6MPa的鹵素氣體、氫氣或氦氣。第二為α源或β源，優(yōu)選是α源。例如，镅-241、钚-238、或鋦-244。導(dǎo)體的實(shí)例為金屬板。第一電極和第二電極的實(shí)例也為金屬板。

盡管已經(jīng)參照其示例性實(shí)施例具體顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。