一種熱核電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種熱核電池，尤其涉及一種以鍶-90或氚為放射性源，通過半導(dǎo)體換能裝置將放射性源在衰變過程中不斷放出具有電能和熱能的載能射線，并讓該能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋⒉⑹占撾娔艿难b置。
【背景技術(shù)】
[0002]核電池，又稱同位素電池，它是利用放射性同位素衰變放出載能粒子(如α粒子、β粒子和Y粒子)并將其能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。按提供的電壓的高低，核電池可分為高壓型(幾百至幾千V)和低壓型(幾十mV至IV左右)兩類。
[0003]核電池取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展始于20世紀(jì)50年代，由于其具有體積小、重量輕和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，而且其能量大小、速度不受外界環(huán)境的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)等影響，因此，它可以在很大的溫度范圍和惡劣的環(huán)境中工作。目前已經(jīng)在航天、極地、心臟起搏器等領(lǐng)域成功應(yīng)用。
[0004]然而，核電池應(yīng)用在手機(jī)及其它小耗電量設(shè)備上，電池使用時(shí)限很短，器件效率低于0.1%，迫切需要一種放電時(shí)限長(zhǎng)、同位素放射轉(zhuǎn)換效率高的核電池。
[0005]CN102737747A公開了一種微型氚電池，由若干層氚電池單元、防護(hù)材料、外殼和電極構(gòu)成，其中氚電池單元是由單晶硅及其內(nèi)部的氚化納米多孔硅構(gòu)成。然而，通過這種方法提高氚放射的轉(zhuǎn)換效率還是很有限。
[0006]CN102446572A公開了一種氚同位素微型電池及其制備方法，所述微型電池含有換能單元和附屬部件兩部分，其中換能單元的Si3N4層位于娃基PN結(jié)上表面；附屬部件中的環(huán)電極在Si3N4層的外延。氘化鈦+氚化鈦放射層先后在Si 3N4層上表面蒸鍍金層、鎳層，然后用氘氚混合氣體制作而成。該氚同位素微型電池能夠?qū)崿F(xiàn)電流40nA?I μΑ、功率6nW?0.1 μ W、6年以上不間斷輸出電能，然而該氚同位素微型電池的成本高，同樣不適合推廣應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題提出的。
[0008]本實(shí)用新型提供了一種成本低、操作安全、同位素放射轉(zhuǎn)換效率高的熱核電池。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:
[0010]本實(shí)用新型的一個(gè)方面是提供一種熱核電池，包括外殼和外殼內(nèi)的至少一個(gè)熱核電池單元，所述熱核電池單元以含有β射線源的物質(zhì)作為發(fā)射極，以該發(fā)射極為中心從近至遠(yuǎn)對(duì)稱設(shè)置:硅晶片、硅鍺釓合金片、永磁片、電容板；其中，在所述發(fā)射極和硅晶片之間填充有高強(qiáng)度紫外激發(fā)熒光粉，以增加β射線源的熒光反應(yīng)。
[0011]優(yōu)選地，所述β射線源的物質(zhì)選自鍶-90、氚中的任意一種。
[0012]優(yōu)選地，所述硅晶片的表面由數(shù)個(gè)蜂窩狀的六邊形結(jié)構(gòu)排布。所述單個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部還包括至少兩個(gè)不同深度、邊長(zhǎng)依次減小的六邊形結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)的硅晶片有利于增大與放射性同位素衰變放出的載能粒子的接觸面積，提高轉(zhuǎn)換效率。
[0013]上述硅晶片表面上的六邊形結(jié)構(gòu)通過蝕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0014]優(yōu)選地，在所述硅晶片靠近所述發(fā)射極的一面上負(fù)載有一層碲化鉍薄膜，以增強(qiáng)熒光反應(yīng)。
[0015]優(yōu)選地，所述硅鍺釓合金片的材質(zhì)優(yōu)選為稀有金屬；在所述硅鍺釓合金片靠近所述硅晶片的一面上負(fù)載有一層鈦酸鋇薄膜。
[0016]優(yōu)選地，所述電容板與外部電路連接，更優(yōu)選地，與所述儲(chǔ)能裝置、穩(wěn)壓恒流裝置連接。
[0017]優(yōu)選地，在所述熱核電池單元的最外層還包覆有防輻射膜和/或熱隔離膜，所述防輻射膜和/或熱隔離膜選自其一位于所述熱核電池單元的最外層。
[0018]優(yōu)選地，所述熱核電池單元內(nèi)部為真空狀態(tài)。
[0019]優(yōu)選地，所述熱核電池單元與外殼之間填充有軟性固定劑。
[0020]本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果:
[0021]本實(shí)用新型提供的熱核電池中采用特有結(jié)構(gòu)的硅晶片，增大與放射性同位素衰變放出的載能粒子的接觸面積，提高轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)采用涂覆有特殊鍍層的硅鍺釓合金片和永磁片，利用其磁熱特性，提尚熱能的利用效率，整合娃晶片的熱釋電能力，從而提尚輸出的電能；經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，以氚為放射源的本實(shí)用新型的熱核電池，采用160*87*23mm規(guī)格，放電電壓達(dá)到3.7-4.2V，接入手機(jī)電流達(dá)到850-1000mA，12年衰降50%，放電時(shí)長(zhǎng)持續(xù)使用至少達(dá)6年，核同位素的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25-30%。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型所述熱核電池單元I的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型所述硅晶片12的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為本實(shí)用新型所述硅晶片12的單個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)121的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為本實(shí)用新型所述熱核電池的電路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本實(shí)用新型提供了一種成本低、操作安全、同位素放射轉(zhuǎn)換效率高的熱核電池，包括至少一個(gè)熱核電池單元、儲(chǔ)能裝置、穩(wěn)壓恒流裝置，所述熱核電池單元以含有β射線源的物質(zhì)作為發(fā)射極，以該發(fā)射極為中心從近至遠(yuǎn)對(duì)稱設(shè)置:硅晶片、硅鍺釓合金片、永磁片、電容板。
[0027]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)和具體的介紹，以使更好的理解本實(shí)用新型，但是下述實(shí)施例并不限制本實(shí)用新型范圍。
[0028]如圖1所不，本實(shí)施例提供一種熱核電池，包括外殼(未不出)和外殼內(nèi)的至少一個(gè)熱核電池單元1，所述熱核電池單元I以含有β射線源的物質(zhì)作為發(fā)射極11，以該發(fā)射極11為中心從近至遠(yuǎn)對(duì)稱設(shè)置:娃晶片12、娃鍺禮合金片13、永磁片14、電容板15 ；;其中，在所述發(fā)射極和硅晶片之間填充有高強(qiáng)度紫外激發(fā)熒光粉18 ;在所述熱核電池單元I的最外層還包覆有防輻射膜16和/或熱隔離膜17，所述防輻射膜16和/或熱隔離膜17選自其一位于所述熱核電池單元I的最外層。
[0029]所述β射線源的物質(zhì)選自鍶-90、氚中的任意一種。
[0030]如圖2、3所示，所述硅晶片12的表面由數(shù)個(gè)蜂窩狀的六邊形結(jié)構(gòu)121排布，所述單個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)121的內(nèi)部還包括至少兩個(gè)不同深度、邊長(zhǎng)依次減小的六邊形結(jié)構(gòu)，所述硅晶片12表面上的六邊形結(jié)構(gòu)121通過蝕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0031]以熱核電池單元I的規(guī)格尺寸為160*87*23mm為例，硅晶片12的尺寸為60*37*0.3_，蜂窩狀的六邊形結(jié)構(gòu)121的最外圈六邊形的邊長(zhǎng)為2_，中間圈六邊形的邊長(zhǎng)為1.4mm，最里圈六邊形的邊長(zhǎng)為0.7mm，各圈六邊形之間的槽深為0.2mm。
[0032]采用這種結(jié)構(gòu)的硅晶片12有利于增大與放射性同位素衰變放出的載能粒子的接觸面積，提高轉(zhuǎn)換效率。
[0033]在一個(gè)優(yōu)選方案中，在所述硅晶片12靠近所述發(fā)射極的一面上負(fù)載有一層碲化鉍薄膜，在所述硅鍺釓合金片13靠近所述硅晶片的一面上負(fù)載有一層鈦酸鋇薄膜。
[0034]采用涂覆有特殊鍍層的硅鍺釓合金片13和永磁片14，利用其磁熱特性，提高熱能的利用效率，整合硅晶片12的熱釋電能力，從而提高輸出的電能。
[0035]所述熱核電池單元I內(nèi)部為真空狀態(tài)，且所述熱核電池單元I與外殼之間填充有軟性固定劑。
[0036]在使用狀態(tài)時(shí)，如圖1所示，以含有β射線源的物質(zhì)鍶-90或氚發(fā)射極11衰變放出具有熱能和核能的載能粒子(如α粒子、β粒子和γ粒子)，載能粒子與如圖2、3所示的硅晶片12充分接觸，對(duì)熱能實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，同時(shí)熱核電池I內(nèi)部抽真空以減少載能粒子的損耗，并填充液以防止電子流對(duì)硅晶片12的沖擊，并在硅晶片12靠近發(fā)射極11的一面上負(fù)載一層銻化鉍薄膜以提高硅晶片12表面的吸附電子的能力和吸熱能力，還采用涂覆有鈦酸鋇薄膜的硅鍺釓合金片13，利用其磁熱特性，提高熱能的利用效率，整合硅晶片12的熱釋電能力，從而提高電容板15輸出的電能。
[0037]如圖4所示，所述電容板15與外部電路連接，可選地，與所述儲(chǔ)能裝置2、穩(wěn)壓恒流裝置3連接。
[0038]性能指標(biāo):
[0039]1、以氚為放射源的本實(shí)用新型的熱核電池，采用160*87*23mm規(guī)格，放電電壓達(dá)到3.7-4.2V，接入手機(jī)電流達(dá)到850-1000mA，12年衰降50% ；
[0040]2、放電時(shí)長(zhǎng)持續(xù)使用至少達(dá)6年，核同位素的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25-30%，并且安全、穩(wěn)定;
[0041]3、輻射劑量在人體可接受的范圍內(nèi)，由于氚本身輻射β粒子流，輻射能小。
[0042]以上對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本實(shí)用新型并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行的等同修改和替代也都在本實(shí)用新型的范疇之中。因此，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱核電池，包括外殼和外殼內(nèi)的至少一個(gè)熱核電池單元，其特征在于，所述熱核電池單元以含有β射線源的物質(zhì)作為發(fā)射極，以該發(fā)射極為中心從近至遠(yuǎn)對(duì)稱設(shè)置:硅晶片、硅鍺釓合金片、永磁片、電容板；其中，在所述發(fā)射極和硅晶片之間填充有紫外激發(fā)熒光粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，所述β射線源的物質(zhì)選自鍶-90、氚中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，所述硅晶片的表面由數(shù)個(gè)蜂窩狀的六邊形結(jié)構(gòu)排布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱核電池，其特征在于，所述單個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部還包括至少兩個(gè)不同深度、邊長(zhǎng)依次減小的六邊形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，在所述硅晶片靠近所述發(fā)射極的一面上負(fù)載有一層碲化鉍薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，在所述硅鍺釓合金片靠近所述硅晶片的一面上負(fù)載有一層鈦酸鋇薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，所述電容板與所述儲(chǔ)能裝置、穩(wěn)壓恒流裝置連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，在所述熱核電池單元的最外層還包覆有防輻射膜和/或熱隔離膜，所述防輻射膜和/或熱隔離膜選自其一位于所述熱核電池單元的最外層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，所述熱核電池單元內(nèi)部為真空狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱核電池，其特征在于，所述熱核電池單元與外殼之間填充有軟性固定劑。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種成本低、操作安全、同位素放射轉(zhuǎn)換效率高的熱核電池，包括外殼和外殼內(nèi)的至少一個(gè)熱核電池單元，所述熱核電池單元以含有β射線源的物質(zhì)作為發(fā)射極，以該發(fā)射極為中心從近至遠(yuǎn)對(duì)稱設(shè)置：硅晶片、硅鍺釓合金片、永磁片、電容板；其中，在所述發(fā)射極和硅晶片之間填充有紫外激發(fā)熒光粉。本實(shí)用新型提供的熱核電池，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，以氚為放射源的本實(shí)用新型的熱核電池，采用160*87*23mm規(guī)格，放電電壓達(dá)到3.7-4.2V，接入手機(jī)電流達(dá)到850-1000mA，12年衰降50％，放電時(shí)長(zhǎng)持續(xù)使用至少達(dá)6年，核同位素的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25-30％。
【IPC分類】G21H1-00
【公開號(hào)】CN204558041
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520028657
【發(fā)明人】胡尋偉
【申請(qǐng)人】上海紫電能源科技有限公司
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年1月15日