CN108877981A - 一种氚荧光同位素电池 - Google Patents

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雷轶松
杨玉青
熊晓玲
刘业兵
李刚
董文丽
徐建
秦传洲
涂俊
魏洪源
杨宇川
罗顺忠
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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
    • G21H1/04—Cells using secondary emission induced by alpha radiation, beta radiation, or gamma radiation
    • G—PHYSICS
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    • G21H1/12—Cells using conversion of the radiation into light combined with subsequent photoelectric conversion into electric energy

Abstract

本发明公开了一种氚荧光同位素电池，所述氚荧光同位素电池，采用四层结构，从外到内分别为电池刚性外壳，弹性反光薄层，柔性光伏器件，阵列式氚光源，其组合方式为，电池刚性外壳内壁粘贴弹性反光薄层，柔性光伏器件紧贴弹性反光薄层内部，柔性光伏器件电极通过导线与位于电池刚性外壳上的绝缘密封电极内端相连，柔性光伏器件围成的内腔中按规律排布多根圆柱形氚光源。本发明可被制作成为体功率微瓦级/cm3的微型同位素电源，且经济环保，可在各种民用长寿命微功率供电场合。

Description

一种氚荧光同位素电池
技术领域
本发明属于同位素电池技术领域，具体涉及一种氚荧光同位素电池。
背景技术
随着现代微电子领域的不断发展，各种新的应用场景的微机电系统相继出现，其伴生的对微能源的需求越来越凸显，化学电池和太阳能电池等传统电源不能满足长寿命与特殊场景等需求，此时，作为长寿命高能量密度免维护的同位素电池相比具有独特的优势，特别是其中辐伏类微功率同位素电池，以其低危害小体积的优势被研究使用在心脏起搏器/无人值守微机电传感器等场合
目前同位素电池虽然发展迅速，转换机理也呈现多样化趋势，但是总体来说其输出功率仍然较低，部分核素毒性较大，涉核操作难度较大，没有通用的资质牌照，并且国内还没有工程化样机产品的报道，离市场使用还有一定距离，市场难以配合同位素电池的出现来迭代产品。
从转换机制来看，虽然辐射伏特同位素电池理论效率较高，但现在还无法解决低能半导体自吸收严重或者高能半导体辐射损伤的问题，转换效率偏低，而且离长寿命的实际使用还有一定距离。比如氚辐伏电池，加载方式有氚气，氚化有机物和氚化金属化合物。其中氚化有机物目前还没有报道显示能够在5年以上时间的使用下保持性能的稳定，氚化金属化合物加载的问题在于自吸收非常严重，转换效率据相关报道只有<1%,并且膜的长时间稳定性有待进一步考证。常规氚气直接加载，存在难以提高活度，并且不能有效增大电池体积的问题。
常规的辐射致光光伏同位素电池报道中，多使用片状放射源叠加荧光涂层，再加载PV层进行能量转换，此种方式仅仅能够使用低能放射性核素如氚、镍-63，依然存在上述自吸收严重，且无法高效转换的问题。最近还有专利显示，使用柔性换能单元匹配弥散性的荧光粉和氚气或者镍粉的报道，但是这种方式问题在于实现起来难度很大，且难以保持串并联的均匀性，并且存在低能射线电离损伤的风险。
目前同位素电池发展迅速，转换机理也呈现多样化趋势，但是总体来说其输出功率仍然较低，部分核素毒性较大，涉核操作难度较大，没有通用的资质牌照，并且没有工程化样机类样品出现，市场仍然难以配合同位素电池的出现来迭代产品。
现有技术：俄罗斯圣彼得堡大学的V.M. Andreev提出了一中氚荧光电池，但是电池中氚灯排布较为简单，使用的平面AlGaAs器件，没有一个明确的概念，输出性能无法保证。
发明内容
为了解决以上同位素电池使用受限且功率密度较低的问题，得到一种满足微机电实际使用需求的微型同位素电池，本发明提出了一种氚荧光同位素电池。该电池采用氚天然衰变产生的高能β粒子作用于荧光粉的材料发光，且氚气体和荧光粉被密封于透明硼硅酸盐玻璃管壳中。再用柔性光伏材料将其产生的光能转换为电能输出。
本发明的氚荧光同位素电池，采用四层结构，从外到内分别为电池刚性外壳，弹性反光薄层，柔性光伏器件，阵列式氚光源，其组合方式为，电池刚性外壳内壁粘贴弹性反光薄层，柔性光伏器件紧贴弹性反光薄层内部 ，柔性光伏器件电极通过导线与位于电池刚性外壳上的绝缘密封电极内端相连，柔性光伏器件围成的内腔中按规律排布多根圆柱形氚光源。
所述电池刚性外壳采用可阀合金、铝合金或者耐辐射玻璃材料。
所述弹性反光层采用覆铝膜硅橡胶，硅橡胶表面设置有与氚灯进行耦合的凹孔。
柔性光伏器件采用GaInP或CdTe薄膜。
氚光源采用市售氚灯。
本发明的氚荧光同位素电池中，氚灯可使用不同颜色产品，其中氚灯内部可采用荧光粉与氚气弥散性分布，或者采用荧光粉内涂覆于玻璃管壳内部，采用发光效率大于15%的荧光粉，如蓝色的ZnS:Ag，绿色的ZnS:Cu等等，且氚灯为市售产品，商品级的灯管不会对身体产生任何伤害，市场交易不需要任何的辐射安全许可证。另外，氚灯不同颜色的光源使用材料不同，目前，较为成熟的ZnS:Ag产生的蓝光氚灯发光效率达到了27%
并且，氚灯自身封装形式下，限于气压的影响，不能达到特别高的活度，因此，提高氚荧光电池的功率主要靠将多个氚灯合理进行排布，提高总的辐射光通量来提高总的输出功率。为了提高光强，多个氚灯管壳在同一个刚性内腔中进行阵列式分布，进行透光性能的优化
本发明的氚荧光同位素电池中，使用柔性GaXIn1-XP材料进行光电转换，其中x数值介于0-1之间，根据氚灯的发光颜色进行优化匹配，并且，GaXIn1-XP材料的厚<0.1微米，由薄膜半导体材料敷于绝缘薄层介质上，换能单元可以单个活性区，也可以进行多个活性区的串并联或者进行多个器件的串并联，能够较好的匹配输出性能和保证柔性器件的弯曲性能。在一定功率弱光条件下，半导体换能单元对于指定氚灯光谱可以达到30%的光电效率
通过这两个阶段，本发明的氚荧光同位素电池中氚荧光电池的转换效率可以高于5%，远远大于其它直接辐射伏特效应氚同位素电池的转换效率，比如美国citylabs转换效率为0.52%。20年的使用寿命能够满足绝大多数微机电产品对长寿命的要求 。
本发明能够生产一种长达20年寿命的氚同位素电池，并且转换效率能够达到5%，且不需要进行大量的涉放操作，并且此产品的流通已经得到市场的批准，不需要额外的通行证，使其在民用领域的应用更加方便。本发明能够快速得到10-100uw量级的长寿命电源，具有较好的市场上应用前景。
附图说明
图1是发明的第一个实施方式圆柱形外壳匹配GaInP光伏器件；
图2是发明的第二种实施方式长方体外壳匹配CdTe光伏器件。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的实施方式。
实施例1
图1中，绿色圆柱形氚灯4直径2mm，长度18mm，其荧光粉内部涂敷在玻璃管壳内壁上，荧光材料为ZnS:Cu，Ga0.6In0.4P柔性薄膜3的禁带宽度为1.6eV，弹性反光材料2覆膜硅胶，不锈钢外壳1与Ga0.6In0.4P柔性薄膜通过金线与绝缘电极连接，外形尺寸为内径16mm，长度为20mm。该同位素电池的工作过程为，氚灯通过荧光粉转换氚气衰变的β粒子而发光，荧光透过荧光粉和玻璃管壳出射，发出的光在刚性内腔中传递并被覆膜硅胶2所反射最终被沉积于Ga0.6In0.4P柔性薄膜3，Ga0.6In0.4P柔性薄膜3产生电能，通过绝缘密封电极引出，输出10微瓦量级的电能。
实施例2
图2中，绝缘密封镀金电极105，蓝色氚灯104，氚灯为边长3mm×3mm×25mm的六面体，其氚气与荧光粉在玻璃管壳内呈弥散性分布，荧光材料为ZnS:Ag，发光效率高，薄膜CdTe器件103，覆铝膜的高弹体材料102，绝缘玻璃外壳101，尺寸为内径20mm×20mm×30mm的长方体，壁厚为1mm。氚气衰变产生的beta粒子在玻璃管壳内部与弥散性的ZnS:Ag荧光粉作用，激发出蓝色荧光，荧光透过薄壁玻璃管出射，出射的荧光在各个氚灯之间传递并且被覆铝膜高弹体材料所反射，最终薄膜CdTe器件材料将绝大多数荧光转换为电能，通过绝缘密封电池105引出20微瓦量级电能。

Claims (5)

1.一种氚荧光同位素电池，其特征在于：所述氚荧光同位素电池，采用四层结构，从外到内分别为电池刚性外壳（1），弹性反光薄层（2），柔性光伏器件（3），阵列式氚光源（4），其组合方式为，电池刚性外壳（1）内壁粘贴弹性反光薄层（2），柔性光伏器件（3）紧贴弹性反光薄层（2）内部 ，柔性光伏器件电极通过导线与位于电池刚性外壳（1）上的绝缘密封电极（5）内端相连，柔性光伏器件（3）围成的内腔中按规律排布多根圆柱形氚光源（4）。
2.根据权利要求1所述的氚荧光同位素电池，其特征在于：所述电池刚性外壳（1）采用可阀合金、铝合金或者耐辐射玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的氚荧光同位素电池，其特征在于：所述弹性反光层（2）采用覆铝膜硅橡胶，硅橡胶表面设置有与氚灯进行耦合的凹孔。
4.根据权利要求1所述的氚荧光同位素电池，其特征在于：所述柔性光伏器件（3）采用GaInP或CdTe薄膜。
5.根据权利要求1所述的氚荧光同位素电池，其特征在于：所述氚光源（5）采用市售氚灯。
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