CN105023626B - 磁分离电子式核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于核能利用技术领域的磁分离电子式核电池。该核电池的原理是,α源或β源(4)发射出α粒子或β粒子注入金属板(3)，α粒子或β粒子使金属板电离出自由电子和正离子，在金属板附近加一强磁场[即两强磁铁(5)]，在金属板(3)中的自由电子在磁场中被偏转出金属板作圆周运动向外最终注入金属板(1)，金属板(3)与金属板(1)之间以空心圆柱绝缘层(2)隔离，使得自由电子与正离子不能复合，用金属导线将金属板(3)与金属板(1)中的电荷导出，外接负载即可形成稳定的直流电流。在一张金属板上放置多个这种结构可成倍增加单位时间产生的电荷量，可以根据具体需要将该核电池设计为不同尺寸，以满足不同的需要。

Description

磁分离电子式核电池

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，是将放射性能量转化为电能的电池装置。

技术背景

放射性同位素电池(或称核电池)是利用放射性同位素在衰变时释放的能量而制备的电池。辐射能可以在工业、农业和医疗服务等许多不同的领域可以得到用,并且已经在诸如心脏起搏器、航天探测器等领域开始应用，核电池因其具有工作稳定、环境适应力强、使用寿命长、能量密度大、相对同类型电池体积小等优点，能够在复杂环境下不受干扰地提供相对于其他类型电池能量密度高、稳定可靠的电力支持，因此在微机电系统、深太空探索、极端地球环境研究方面有巨大的应用前景。

目前核电池的种类主要有温差核电池、光伏效应核电池、电容式核电池、β伏特效应核电池等，温差核电池是利用放射源热效应造成的温差进行发电，常用于空间探测器、宇宙飞船，温差核电池功率较大，但所需放射源活度很大，且转换效率较低。光伏效应核电池利用放射源发出放射性粒子打在荧光物质上发光，利用光子与物质的光伏效应产生电流，因为经过二次转换，故效率很低。电容式核电池是将放射源放出的带电粒子直接收集在极板上，形成可充放电的电容器，这种核电池可以将电压做到很高，但收集电荷较少，因而电流较小。β伏特效应核电池是利用β粒子能量在半导体PN结区形成电子空穴对，电子空穴对在内建电场下电子流向N区，空穴流向P区，形成电流，β伏特效应核电池产生电流较大，能量利用率较高，但作为换能器的半导体容易受辐射造成晶体损伤使得效率下降。

发明内容

本发明的目的在于提高核电池的利用效率，并克服上述核电池的缺陷，在提高核电池电流大小的同时，简化换能器结构克服辐射损伤导致的效率下降，将放射性能量直接转化为电能，免去能量二次转换造成的低转换效率。

为实现上述目标本发明利用射线粒子电离金属板产生大量次级电子，再利用磁场将电子偏转出金属板进行收集，具体物理过程为α源或β源(4)发射出α粒子或β粒子注入金属板(3)，α粒子或β粒子使金属板电离出自由电子和正离子，在金属板两侧加一强磁场[即两个强磁铁(5)]，在金属板(3)中的自由电子在磁场中被偏转出金属板作圆周运动向外最终注入金属板(1)，金属板(3)与金属板(1)之间以空心圆柱绝缘层(2)隔离，使得自由电子与正离子不能复合，电子由与金属板(1)连接的电极(6)收集，正离子由与各个电荷收集单元的金属板(3)通过金属导线(9)输送到金属板(11)，通过电极(10)输出。核电池外壳(7)为绝缘屏蔽层，保护内部结构并屏蔽放射源辐射和放射源打在电池结构上的次级辐射。

所述α放射源为镅-241、钚-239、铀-238或锔-244，β放射源为碳-14、锶-90、镍-63、铊-204或钷-147。

所述金属板(1)(3)为铝板或铜板，金属导线(9)为铝线或铜线。

所述空心圆柱绝缘层(2)材质为有机玻璃、纸膜或陶瓷等。

所述绝缘屏蔽层(7)为重金属或掺杂重金属的高分子塑料。

所述强磁铁(5)为钕铁硼磁铁。

所述由金属板(1)、空心圆柱绝缘层(2)、金属板(3)、放射源(4)、强磁体(5)组成的电荷收集单元可根据实际需求增减数量，以达到不同应用场景下的要求。

本发明的理论能量利用率高于电容式核电池，大大提高了电荷收集量使得电流增加，同时换能器结构简单，避免了因半导体辐射损伤造成效率下降，且可以根据设计需求灵活增减换能单元，有利于核电池小型化，是一种新的放射源能量利用思路，具有较好的研究和应用前景。

附图说明

图1.1为本发明俯视示意图，图1.2为本发明侧视示意图，图1.3为本发明立体示意图；图2.1为本发明电荷收集单元俯视示意图，图2.2为本发明电荷收集单元侧视示意图。

1-电子收集金属板，2-空心圆柱绝缘层，3-正离子及射线粒子收集金属板，4-α或β放射源，5-强磁体，6-电子收集电极，7-电池外壳(绝缘屏蔽层)，8-真空层，9-正电荷收集导线，10-正电极，11-正电荷收集金属板。

技术方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明

实施例1

磁分离电子式核电池如图1.1、图1.2、图1.3所示，放射源(4)为扁圆柱形，上下两枚嵌在圆柱形金属板(3)的中心表面，金属板(3)外以空心圆柱绝缘层(2)隔绝，这种结构与金属板(1)构成一个电荷收集单元，多个这种结构嵌在金属板(1)中形成电荷收集阵列，在金属板(1)两侧各放置一强磁铁(5)，金属电极(6)连接金属板(1)形成负电电极，每个金属板(3)中各自引出金属导线(9)，金属导线(9)的另一头连接金属板(11)，金属板(11)上安置金属电极(10)作为正电电极。电池外壳(7)将电池内部包裹起来，并为金属板(1)、强磁铁(5)、金属板(11)和电极(6)、(10)支撑固定。

放射源(4)发射出放射性粒子打在在金属板(3)表面，在金属表面发生电离将金属原子中的电子电离成具有一定动能的自由电子，并产生大量X射线和γ射线，X射线和γ射线打在金属上发生二次电离、光电效应、电子对相应、康普顿效应等反应，这个过程中又产生大量正离子和自由电子，金属中本来就存在的自由电子也会有部分得到射线粒子或次级辐射带来的动能，金属板(3)表面带有一定动能的自由电子在强磁铁(5)形成的强磁场中受到偏转离开金属板(3)，大部分偏转的自由电子飞出金属板(3)打入金属板(1)，金属板(1)和(3)之间有空心圆柱绝缘层(2)阻隔，使得打入金属板(1)的电子不能和金属板(3)内的正离子复合，金属板(1)内的自由电子被电极(6)导出形成负电极，多个金属板(3)内的正离子由各自连接的金属导线(9)收集至金属板(11)，并由电极(10)导出形成正电极。

放射源的选取原则是放出射线类型尽量单一，如α源的衰变纲图中只有α粒子放出，β源的衰变纲图中只有β粒子放出，或者有其他射线产生但分支比小强度很弱容易屏蔽，放射性物质半衰期不能过短至少在数年以上，α放射源可选镅-241、钚-239、铀-238、或锔-244等，β放射源可选碳-14、锶-90、镍-63、铊-204或钷-147等。

金属板的选取原则是能够电离出大量电子离子对，对出射电子屏蔽效果较好，导电能力强，可选用铝或铜材质。

所用强磁铁(5)采用钕铁硼磁铁，钕铁硼磁铁是目前已知磁感应强度最强的永磁体。

空心圆柱绝缘层(2)材质为有机玻璃、纸膜、陶瓷等，厚度极薄使尽量多的偏转电子从金属板(3)进入金属板(1)。

电池外壳(7)的作用是作为绝缘屏蔽层屏蔽电池内部产生的次级X射线和γ射线，材质为重金属或高分子塑料，可掺杂重金属增加γ射线屏蔽能力。

根据实际应用时的输出电压电流需求，可调整放射源剂量大小、电荷收集单元数量、磁场大小、放射源形状以满足具体参数要求。

Claims (7)

1.磁分离电子式核电池，其特征在于，放射源(4)为扁圆柱形，上下两枚嵌在金属板(3)的中心表面，金属板(3)外以空心圆柱绝缘层(2)隔绝，多个这种结构嵌在金属板(1)中形成电荷收集阵列，在金属板(1)两侧各放置一强磁铁(5)，金属电极(6)连接金属板(1)形成负电电极，每个金属板(3)中各自引出金属导线(9)，金属导线(9)的另一头连接金属板(11)，金属板(11)上安置金属电极(10)作为正电电极,电池外壳(7)将电池内部包裹起来，并为金属板(1)、强磁铁(5)、金属板(11)和电极(6)、(10)支撑固定。

2.根据权利要求1所述磁分离电子式核电池，其特征在于所属放射源(4)为α放射源镅-241、钚-239、铀-238、锔-244等或β放射源碳-14、锶-90、镍-63、铊-204、钷-147等。

3.根据权利要求1所述磁分离电子式核电池，其特征在于所述金属板(1)(3)为铝板或铜板，金属导线(9)为铝线或铜线。

4.根据权利要求1所述磁分离电子式核电池，其特征在于所述空心圆柱绝缘层(2)材质为有机玻璃或纸膜。

5.根据权利要求1所述磁分离电子式核电池，其特征在于所述绝缘屏蔽层(7)为重金属或掺杂重金属的高分子塑料。

6.根据权利要求1所述磁分离电子式核电池，其特征在于所述强磁铁(5)为钕铁硼磁铁。

7.根据权利要求1所述磁分离电子式核电池，其特征在于所述由金属板(1)、空心圆柱绝缘层(2)、金属板(3)、放射源(4)、强磁体(5)组成的电荷收集单元可根据实际需求增减数量，以满足不同应用环境下的需求。