CN108231236A - 辐射闪烁体式核电池 - Google Patents

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李潇祎
陆景彬
刘玉敏
许旭
郑人洲
何瑞
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    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/12—Cells using conversion of the radiation into light combined with subsequent photoelectric conversion into electric energy

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Abstract

本发明公开了属于核能利用技术领域的辐射闪烁体式核电池。所述核电池包括密封外壳、辐射闪烁体、非辐射闪烁体、增透膜、半导体光伏组件。所述辐射闪烁体被非辐射闪烁体包围，所述增透膜完全包裹闪烁体的外表面；所述半导体光伏组件完全包裹增透膜，所述密封外壳固定于半导体光伏组件的外壁。本发明将荧光材料与放射源合二为一，进一步增加了荧光产率，避免了外置放射源对于闪烁体晶格结构的损伤，缩小了电池体积并使放射源能量得以充分利用，增大了电池的输出功率，是放射源能量利用的新型方式。

Description

辐射闪烁体式核电池
技术领域
本发明属于核物理、核能应用和微能源领域，具体涉及一种辐射闪烁体式核电池。
背景技术
微机电系统和纳机电系统的研究在过去20年取得了巨大进展，研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。传统的电池或能量供给装置难以微小化到相应尺度，但具有体积小、寿命长、能量密度高、不受环境影响等特点的核电池非常适合在需要长时间供能、恶劣的环境中工作。
核电池的类型分为温差式核电池、辐射伏特效应核电池、荧光体光电式核电池等。其中温差式核电池体积较大，难以实现小型化；辐射伏特效应核电池由于放射性粒子直接轰击半导体材料，容易造成辐射损伤；光伏效应核电池利用放射性粒子打在荧光材料上发光，荧光光子在光伏材料内部产生大量电子空穴对，电子空穴对在换能器件的内建电势作用下向两侧漂移，在电池的两侧分别收集到大量的空穴和电子，连接电极和负载即可产生电流。此方法极大地减少了辐射损伤，但是，传统的荧光体光电式核电池使用荧光层产生荧光，其二维结构很难充分利用放射源释放的能量，产生的光能也难以被充分收集，极大地降低了这种类型核电池的转化效率，并且装置较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提高核电池对于放射源能量的利用能力及荧光的收集效率，从而提高核电池的能量转化效率，将放射源与荧光材料合二为一，简化了器件结构。
为实现上述目标本发明使用辐射闪烁体作为放射源以及部分荧光材料，利用外部包裹的非辐射闪烁体产生更多荧光，所产生的荧光直接由半导体光伏组件转换为电能。具体物理过程为辐射闪烁体(5)产生放射性粒子，一部分与其本身相互作用发出荧光，另一部分与非辐射闪烁体(4)相互作用发出荧光；辐射闪烁体(5)与非辐射闪烁体(4)，非辐射闪烁体(4)与半导体光伏器件(2)之间使用光学耦合剂减少光能的损失；荧光光子通过增透膜(3)进入包裹在所有闪烁体外部的半导体光伏器件(2)，利用光伏效应产生电流。密封外壳(1)包裹整个装置。
所述辐射闪烁体(5)为含有放射性元素的闪烁体，可具有α、β或γ放射性，半衰期应较长。可选择137CsI、所含铋元素为210Bi的BGO闪烁体、138LaBr3、90SrI2等。
所述非辐射闪烁体(4)为不含放射性元素的闪烁体，如CsI、LaBr3、ZnS等。选取原则是对于辐射闪烁体中放射性元素的放射性种类发光效率高，发射光谱与光伏组件的光谱响应相互匹配，且尽量选取吸湿性差的闪烁体。
所述增透膜(3)是蒸镀的一层氧化膜，折射率介于非辐射闪烁体(4)与光学耦合剂之间，降低晶体内部闪烁光子的内陷几率，使更多的光子与半导体光伏器件(2)相互作用。
所述半导体光伏器件(2)是将光能转化为电能的器件，需要与闪烁体的发光峰位匹配。可选用合适的太阳能电池器件。
所述密封外壳(1)作为电池的承载、包壳装置，又有防护和屏蔽作用。若使用出射γ射线的辐射闪烁体(5)，可掺杂重金属增强对γ射线屏蔽能力。
本发明将放射源与荧光材料合二为一，简化了换能器结构；所用的辐射闪烁体为透明材料，出射粒子与自身作用增加了荧光产率，能够透射荧光，避免了外置放射源对于闪烁体晶格结构的损伤；外包非辐射闪烁体进一步增加荧光产率，在结构上对内部的吸湿性闪烁体具有一定的保护作用，并减轻放射性粒子对半导体光伏器件的辐射损伤。可根据需要灵活设置闪烁体，有利于放射源能量利用。
附图说明
图1为组合闪烁体示意图，图2为本发明示意图。
1-密封外壳，2-半导体光伏器件，3-增透膜，4-非辐射闪烁体，5-辐射闪烁体
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1给出了组合闪烁体的一个单元，包括辐射闪烁体(5)及非辐射闪烁体(4)，非辐射闪烁体(4)完全包裹辐射闪烁体(5)，各闪烁体对接面涂抹光学耦合剂。可根据实际需要将多个图1所示单元组合，并在组合闪烁体外部蒸镀增透膜(3)。
实施例1
制备辐射闪烁体(5)并将其与若干块非辐射闪烁体(4)按图1方式连接，使非辐射闪烁体(4)完全包裹辐射闪烁体(5)，组合闪烁体外部蒸镀增透膜(3)。各闪烁体的对接面、闪烁体与半导体光伏器件(2)的对接面涂抹光学耦合剂。
制备半导体光伏器件(2)，将图1所示闪烁体单元与半导体光伏器件(2)使用可聚光的透明胶粘接，并将接触点击用连接线焊接，布置引线。
制备密封外壳(1)，将包裹组合闪烁体的半导体光伏器件(2)套入密封外壳内，并将整个装置固定，完成辐射闪烁体核电池的制备。
本发明由辐射闪烁体作为放射源以及一部分荧光材料。辐射闪烁体(5)发出的放射性粒子一部分与自身作用产生荧光光子，一部分与非辐射闪烁体(4)作用产生荧光光子；产生的次级粒子也由两部分闪烁体转换成荧光光子。由于辐射闪烁体(5)为透明物质，其自身产生的荧光光子能够透射。荧光光子经过增透膜(3)进入半导体光伏器件(2)，半导体光伏器件(2)通过光伏效应将光能转换为电能。
辐射闪烁体(5)为含有放射性元素的闪烁体，可具有α、β或γ放射性，半衰期应较长。可选择137CsI、所含铋元素为210Bi的BGO闪烁体、138LaBr3、90SrI2等。
非辐射闪烁体(4)为不含放射性元素的闪烁体，如CsI、LaBr3、ZnS等。选取原则是对于辐射闪烁体中放射性元素的放射性种类发光效率高，发射光谱与光伏组件的光谱响应相互匹配，且尽量选取吸湿性差的闪烁体。
辐射闪烁体(5)与非辐射闪烁体(4)的组合结构，具有保护吸湿性闪烁体、减少半导体光伏器件(2)辐射损伤等作用。若选取138LaBr3或90SrI2与ZnS的组合，外包ZnS闪烁体可保护易吸湿的138LaBr3或90SrI2闪烁体，并增加对于出射的α或β射线的吸收能力；组合闪烁体也可使用相同元素组成，例如137CsI与CsI(Tl)，后者对前者出射的γ射线具有很高的吸收能力。
所述增透膜(3)应为透明介质，且对于光子的吸收能力较弱。
半导体光伏器件(2)是将光能转化为电能的器件，选取原则是与闪烁体的发光峰位匹配。可选用InGaP/GaAs/Ge三接面光伏组件，此组件广泛应用于太阳能电池，响应光谱可与常见闪烁体发光峰位匹配，配合菲涅尔透镜可达到极高的转换效率。
所述密封外壳(1)作为电池的承载、包壳装置，又有防护和屏蔽作用。若使用出射γ射线的辐射闪烁体(5)如137CsI，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要求，可增减闪烁体单元数量、改变闪烁体及半导体光伏器件种类、将电池串并联等以满足具体需求。

Claims (5)

1.一种辐射闪烁体式核电池，包括密封外壳、辐射闪烁体、非辐射闪烁体、增透膜、半导体光伏组件，所述辐射闪烁体被非辐射闪烁体包围，所述增透膜完全包裹闪烁体的外表面；所述半导体光伏组件完全包裹增透膜，所述密封外壳固定于半导体光伏组件的外壁。
2.根据权利要求1所述的辐射闪烁体式核电池，其特征在于：所述增透膜至少包裹闪烁体的一个侧面；所述半导体光伏组件至少包裹闪烁体及增透膜的一个侧面。
3.根据权利要求1所述的辐射闪烁体式核电池，其特征在于：所述辐射闪烁体为含有放射性元素的闪烁体，如137CsI、所含铋元素为210Bi的BGO闪烁体、138LaBr3、90SrI2等。
4.根据权利要求1所述的辐射闪烁体式核电池，其特征在于：所述非辐射闪烁体为不含放射性元素的闪烁体，如CsI、LaBr3、ZnS等，所述非辐射闪烁体与辐射闪烁体种类不尽相同，且整体上若干个所述非辐射闪烁体围绕所有侧面从侧面外围完全包裹住辐射闪烁体。
5.一种辐射闪烁体式核电池，其特征在于：使用权利要求3所述的辐射闪烁体作为放射源。
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