CN108399961A - α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于核能利用技术领域的α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法。该辐射损伤防护方法主要包括：在α源(1)与半导体材料(2)之间加入防护层(3)，降低单个α粒子的能量；采用高原子质量的半导体材料(2)，减弱其与α粒子碰撞时因晶格原子位移所形成的缺陷。

Description

α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，是对α源核电池半导体材料进行辐射损伤防护使其能更长久高效工作的方法。

背景技术

放射性同位素电池(或称核电池)是将放射性同位素衰变时释放的能量转换为电能的装置。和传统的化学电池、燃料电池和太阳能电池相比，核电池具有质量轻、体积小、使用寿命长、能量密度高、输出性能稳定、低频率维护服务以及它不需要外界太阳光等优势。此外，放射源的工作状态不受温度、压强、电磁场等环境因素的影响，其中α源因其释放的α粒子能量高，具有比β粒子、γ粒子更高的比电离值，能在物质中较短射程内产生大量离子对，而成为核电池放射源的理想选择。目前，核电池因其独特的优势得到了广泛的关注和研究，并且已经在航空航天、深海深地以及极地探测、医疗服务、微机电系统等领域得到了应用。但由于放射源放出的高能粒子对换能器件有非常大的辐射损伤作用，会导致核电池输出性能下降甚至无法工作，因此，核电池换能材料的辐射损伤防护成为重要的研究课题，工作稳定、防护合理的核电池将会成为一种绿色、安全、高效率的新能源。

高能粒子与靶材料的相互作用表现为两种主要方式，一是电子过程(电离和激发)，另一是原子过程。当靶材料接受能量大于禁带宽度E_g的致电离辐射的粒子照射时，一些束缚电子就会吸收入射粒子的能量，从价带激发到导带，从而产生电子-空穴对，称之为电子过程，这一过程会在材料内部产生瞬态扰动，如电导率的瞬态增加以及半永久性的的表面效应。高能粒子轰击靶材料晶格，通过库仑散射可将其部分能量交付给晶格原子，当交付的能量大于临界位移能E_d时，晶格原子则可位移至间隙位置，成为间隙原子，同时在晶格中留下空位，这就产生了Frenkel缺陷，称之为原子过程，其结果是使晶格内原子产生位移，对靶材料造成永久性损伤。而对于α粒子，能量过高还可诱发靶材料中轻元素(如C、N、O)原子核发生复合核等反应，也能对靶材料造成损伤，同时产生的次级射线如中子、质子、γ射线等会对靶材料造成进一步的损伤。α粒子能量较低时，与靶材料原子核发生弹性碰撞，原子核获得反冲能量，可以使晶格原子位移，形成缺陷，造成靶材料辐射损伤，即上述原子过程。

发明内容

本发明的目的在于对α源核电池半导体材料进行辐射损伤防护使其能更长久高效的工作。

为实现上述目标本发明利用重带电粒子与物质相互作用的规律，提出辐射损伤防护方法，主要包括：在α源(1)与半导体材料(2)之间加入防护层(3)，降低单个α粒子的能量；采用高原子质量的半导体材料(2)，减弱其与α粒子碰撞时因晶格原子位移所形成的缺陷。电池外壳(4)将整个装置包裹起来。

所述α源(1)为²³⁸Pu。

所述半导体材料(2)为金刚石¹³C。

所述防护层(3)为金，厚度为5.2μm。

所述采用高原子质量的半导体材料(2)，具体方法有两种：对金刚石¹²C进行热中子辐照，使其原子中中子数增多，进而得到高原子质量的金刚石¹³C；用由中子数较大的¹³C构成的原材料制造高原子质量的金刚石¹³C。

所述电池外壳(4)为重金属或掺杂重金属的高分子材料。

本发明的理论依据：

在α源(1)与半导体材料(2)之间加入防护层(3)，降低单个α粒子的能量：²³⁸Pu源衰变时释放的α粒子能量较大(5.5MeV左右)，高于α粒子与¹³C原子核相互作用的库仑势垒(3.0MeV)，可以与¹³C原子核发生复合核等反应，会对半导体材料造成损伤，同时产生的次级射线如中子、质子、γ射线等会对半导体材料造成进一步的损伤，为此需要降低α粒子的能量。而这一能量远低于α粒子与¹⁹⁷Au原子核相互作用的库仑势垒(21.3MeV)，二者不会发生复合核等反应产生次级射线，所以选择金作为防护层。α粒子在金层中运动时，不断损失能量，在开始一段距离，α粒子数目保持不变，表明α粒子没有被金层吸收。当增加到一定距离时，α粒子的数目很快下降，一直降到零，同时会形成能量损失高峰，即布拉格峰。这表明α粒子贯穿了这一距离的金层被吸收掉，全部停留在平均射程附近的区域内。当金层的厚度为5.2μm时，可使α粒子的能量从5.5MeV降低至3.0MeV，避免其与¹³C原子核发生复合核等反应，又可以保证α射线强度基本不变，在半导体材料中能够沉积足够多的能量以转换为所需的电能。同时，金具有很好的导电性、导热性和抗腐蚀性，金层亦可充当核电池的电极，能高效传导电流又能迅速导散热量，还具有很长的使用寿命。

采用高原子质量的半导体材料(2)，减弱其与α粒子碰撞时因晶格原子位移所形成的缺陷：α粒子在金层中损失一定能量后入射到靶物质(半导体材料)中，α粒子与靶原子中的电子和靶原子核发生库仑相互作用，主要是与靶原子中电子的碰撞。碰撞时发生动量和能量转移，α粒子的一部分动能转移给靶原子中的电子或靶原子核，如果靶物质厚度足够大，多次碰撞后，能使α粒子能量全部耗尽，停留在靶物质中。α粒子在靶物质中的慢化过程，完全是由α粒子与靶物质原子中的电子和靶原子核发生各种相互作用的结果，归纳起来，有下列四种：与核外电子发生非弹性碰撞、与原子核发生弹性碰撞、与原子核发生非弹性碰撞、与核外电子发生弹性碰撞。其中，α粒子与靶原子核核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，是α粒子穿过物质时损失动能的主要方式；α粒子与靶原子核发生弹性碰撞时，原子核获得反冲能量，可以使晶格原子位移，形成缺陷，即造成靶物质辐射损伤。金刚石较其他半导体材料而言有很大的禁带宽度，在相同辐照条件下，α粒子在其中引入的电子-空穴对少，本身就具有很好的抗辐照特性。通过热中子辐照，¹²C原子核发生中子俘获反应，吸收一个中子从6个质子和6个中子组成的¹²C原子核变成6个质子和7个中子组成的¹³C原子核，同时放出一个γ光子，半导体材料的原子质量数增加1，原子质量增大，惯性增强，在受到相同作用力时产生的位移相对减小，一定能量和剂量的α粒子辐照对半导体材料产生的损伤程度将有所降低，提高了其抗辐照能力。

附图说明

图1为本发明所述核电池的主视结构示意图。

其中：1-α源，2-半导体材料，3-防护层，4-电池外壳。

图2为5.5MeVα粒子准直入射到金中的能量损失率-深度关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

在α源(1)与半导体材料(2)之间加入防护层(3)，降低单个α粒子的能量，α源(1)为²³⁸Pu，半导体材料(2)为金刚石¹³C，防护层(3)为金，厚度为5.2μm，使α粒子能量从5.5MeV降低至3.0MeV，而α粒子数目基本保持不变，避免复合核等反应发生的同时又几乎不影响α射线的强度。

采用高原子质量的半导体材料(2)，减弱其与α粒子碰撞时因晶格原子位移所形成的缺陷，具体方法有两种：对金刚石¹²C进行热中子辐照，使其原子中中子数增多，进而得到高原子质量的金刚石¹³C；用由中子数较大的¹³C构成的原材料制造高原子质量的金刚石¹³C。

对金刚石¹²C进行热中子辐照：采用罐池结构的微型反应堆中子源，堆芯安装在铝合金容器罐内，容器罐悬吊在水池钢梁架上，分为上下两节，上节充水起防护作用，下节安装堆芯，燃料采用铀铝合金，²³⁵U富集度为90％，金属铍作反射层，轻水作慢化剂和冷却剂，导热方式为自然循环冷却，反应堆堆芯中心有一根镉吸收体的控制棒，在侧铍反射层内、外分别均匀5个辐射管道，金刚石¹²C置于照射盒内，热中子与¹²C原子核的(n，γ)反应有较大的反应截面，使其原子核中中子数增加1，¹²C原子核变成¹³C原子核，得到高原子质量的金刚石¹³C。

用由中子数较大的¹³C构成的原材料制造高原子质量的金刚石¹³C：在高微波功率、高甲烷(¹³CH₄)与氢气体积流量比、较高生长气压、添加少量氮气的条件下，采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)生长单晶金刚石衬底，然后在低速、低甲烷(¹³CH₄)与氢气体积流量比、低微波功率的条件下在衬底上生长高质量的金刚石外延层，得到高原子质量的金刚石¹³C。

电池外壳(4)将整个装置包裹起来，屏蔽电池内部产生的次级X射线和γ射线，材质为重金属或掺杂重金属的高分子材料。

Claims (6)

1.α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法，其特征在于，主要包括：在α源(1)与半导体材料(2)之间加入防护层(3)，降低单个α粒子的能量；采用高原子质量的半导体材料(2)，减弱其与α粒子碰撞时因晶格原子位移所形成的缺陷；电池外壳(4)将整个装置包裹起来。

2.根据权利要求1所述α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法，其特征在于所述α源(1)为²³⁸Pu。

3.根据权利要求1所述α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法，其特征在于所述半导体材料(2)为金刚石¹³C。

4.根据权利要求1所述α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法，其特征在于所述防护层(3)为金，厚度为5.2μm。

5.根据权利要求1所述α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法，其特征在于所述采用高原子质量的半导体材料(2)，具体方法有两种：对金刚石¹²C进行热中子辐照，使其原子中中子数增多，进而得到高原子质量的金刚石¹³C；用由中子数较大的¹³C构成的原材料制造高原子质量的金刚石¹³C。

6.根据权利要求1所述α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法，其特征在于所述电池外壳(4)为重金属或掺杂重金属的高分子材料。