CN113223743B - 一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池 - Google Patents

一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其目的在于解决α放射源产生的高能α粒子对半导体换能单元造成较大辐照损伤，导致α辐射伏特效应核电池输出性能短期内下降的问题。所述核电池包括外壳和绝缘底座，外壳具有一开放端，绝缘底座固定于外壳的开放端，在外壳内的绝缘底座上由一侧至另一侧依次设置放射源衬底板、微孔阵列准直器、碳化硅半导体换能器件，在所述放射源衬底板上靠近微孔阵列准直器一侧覆盖有α放射源，电池正负极由所述碳化硅半导体换能器件引出。本发明利用微孔阵列准直器控制载能α粒子在碳化硅半导体换能器件内的能量沉积分布，弱化α粒子对碳化硅半导体换能器件灵敏区的辐照损伤，有效延长核电池使用寿命。

Description

一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池
技术领域
本发明涉及α放射源核电池，具体涉及一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池。
背景技术
核电池利用放射性同位素衰变释放的能量转化为电能，由于同位素衰变过程不受温度、压力、磁场等外界环境影响，核电池在工作中具有环境适应性强、稳定性好的特点。因此核电池是一种极具潜力的新型电源，有望成为微机械电子系统(MEMS)中最为理想的微型电池。
核电池主要包括初级核电池、热电转换式核电池、辐致光伏效应核电池和辐射伏特效应核电池等。
初级核电池将粒子动能转化为电势能，利用电势能驱动产生回路电流，但其存在发热量大、能量利用率低的缺点。
热电转换式核电池利用放射性同位素释放的能量产生热能，利用热能驱动载流子定向运动产生电能。目前热电转化式核电池已经被多次应用在宇宙飞船、无人气象站和极地深海观测站中。但受限于体积和质量庞大，无法满足MEMS对微型电池日益苛刻的微型化、集成化的技术要求。
辐致光伏效应核电池在输出电能过程中首先利用闪烁体材料将射线能量转化为光，再利用半导体器件的光伏效应将光能转化为电能。但其结构比较复杂、能量转化效率较低。
辐射伏特效应核电池由放射源和换能单元组成，由同位素放射源发射的α射线或β射线进入结型半导体器件中沉积能量并激发出电子-空穴对，电子和空穴在器件内建电场作用下向两极移动同时产生电流。同辐致光伏效应核电池相比，辐射伏特效应核电池仅通过一级能量转化输出电能，具有结构简单、能量转化效率高的优势。
按照放射源种类分类，辐射伏特效应核电池可以分为β辐射伏特效应核电池和α辐射伏特效应核电池。目前对辐射伏特效应核电池的研究更多在于对β辐射伏特效应核电池的研究，原因在于：α放射源产生的高能α粒子(5-6MeV)对半导体换能单元造成辐照损伤程度远高于β放射源(0.01-1MeV)，导致α辐射伏特效应核电池的输出性能会在短期内明显下降。
发明内容
本发明的目的在于解决α放射源产生的高能α粒子对半导体换能单元造成较大辐照损伤，导致α辐射伏特效应核电池的输出性能会在短期内明显下降的问题，提出一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，包括外壳和绝缘底座，所述外壳具有一开放端，所述绝缘底座固定于外壳的开放端，在所述外壳内的绝缘底座上由一侧至另一侧依次设置放射源衬底板、微孔阵列准直器、碳化硅半导体换能器件，在所述放射源衬底板上靠近微孔阵列准直器一侧覆盖有α放射源，电池正负极由所述碳化硅半导体换能器件引出。
进一步地，所述放射源衬底板上靠近微孔阵列准直器一侧设置有阵列式半球形凹槽，放射源衬底板上的半球形凹槽与所述微孔阵列准直器上的微孔对应设置。放射源衬底板的阵列式半球形凹槽可以增加放射源的有效面积，提高放射源功率密度；放射源衬底板上的半球凹槽与所述微孔阵列准直器上的微孔对应设置可以使更多的α粒子在碳化硅半导体换能器件表面入射，增加电池的输出功率。
进一步地，所述α放射源通过电镀方式覆盖在放射源衬底板上，覆盖厚度为100nm～1000nm。
进一步地，所述微孔阵列准直器的材料为不锈钢或铝，厚度为10μm～50μm。
进一步地，所述α放射源可以为锔-244(244Cm)同位素放射源或镅-241(241Am)同位素放射源。
进一步地，所述α放射源为锔-244(244Cm)同位素放射源，微孔阵列准直器为不锈钢厚度15～20μm，铝厚度30～40μm。
进一步地，所述α放射源为镅-241(241Am)同位素放射源，微孔阵列准直器为不锈钢厚度12～15μm，铝厚度25～30μm。
进一步地，所述放射源衬底板与碳化硅半导体换能器件的距离≤10mm。
进一步地，所述碳化硅半导体换能器件为PIN型二极管结构，所述PIN型二极管结构沿α粒子直射运动方向依次包括电介质保护层、灵敏区、非灵敏区，所述电介质保护层的厚度为100nm-200nm。电介质保护层较薄，使α粒子能更好的穿透电介质保护层，经过灵敏区激发出电子-空穴对，最后在动能耗尽后停留在非灵敏区，减少了对灵敏区的辐照损害，延长核电池使用寿命。所述碳化硅半导体换能器件还可以为肖特基二极管型换能器件，异质结型二极管换能器件。
进一步地，所述放射源衬底板为不锈钢。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明通过微孔阵列准直器阻止大角度入射的α粒子，只可以通过小角度入射(垂直或近垂直方向)的α粒子进入碳化硅半导体换能器件中，最终使绝大部分进入碳化硅半导体换能器件中的α粒子在动能耗尽后停留在较深的非灵敏区，弱化了α粒子对碳化硅半导体换能器件灵敏区的辐照损伤，从而有效的保护了碳化硅半导体换能器件，延长了电池的使用寿命。
2、本发明采用了α放射源，α放射源具有大活度、长寿命的特点，与β型核电池相比可获得更大的功率密度和能量密度。
3、本发明在放射源衬底板上设置半球形凹槽，可增加放射源的有效面积，提高放射源功率密度。
4、α粒子具有能量大，穿透性弱的特点，本发明采用的是具有PIN型二极管结构的碳化硅半导体换能器，其电介质保护层较薄，使α粒子能更好的穿透电介质保护层，经过灵敏区激发出电子-空穴对，最后在动能耗尽后停留在非灵敏区。
5、本发明提供的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，具有体积小、结构简单、能量密度高等特点，可以集成化至微米尺度，是微型电源的理想选择。
附图说明
图1为本发明基于微孔阵列准直器的α放射源核电池实施例立体结构示意图(其中外壳只显示一半)。
图2为本发明图1实施例垂直于放射源衬底板的纵向剖视图。
附图标记如下：
1-放射源衬底板，2-微孔阵列准直器，3-碳化硅半导体换能器件，4-外壳，5-绝缘底座，6-电介质保护层，7-灵敏区，8-非灵敏区。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对发明进一步详细说明。需要说明的是，下面描述中使用的词语“左”、“右”指的是附图中的方向。
本发明提供了一种如图1～2所示的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，包括外壳4和绝缘底座5，所述外壳4具有一开放端，所述绝缘底座5固定于外壳4的开放端，在绝缘底座5的左侧设置放射源衬底板1，所述放射源衬底板1为不锈钢，通过电镀方式在放射源衬底板1上覆盖一层厚度为100nm～1000nm的α放射源241Am。放射源衬底板1上设置有19*19个直径0.4mm的半球型凹槽阵列。在另一个实施例中，α放射源为锔-244(244Cm)，可以根据需要调整半球型凹槽阵列的数量和直径。
与放射源衬底板1相距2mm位置设置微孔阵列准直器2，所述微孔阵列准直器2为15μm厚的不锈钢，表面具有19*19个孔径0.4mm的微孔阵列，所述微孔与放射源衬底板1上的半球型凹槽对应设置。
在另一个实施例中，微孔阵列准直器2材料可以为铝，所述微孔的数量和孔径可根据需要调节。
在与微孔阵列准直器2相距2mm位置设置碳化硅半导体换能器件3，电池正负极分别从碳化硅半导体换能器件3中由飞线引出接在绝缘底座5的接线柱上，所述碳化硅半导体换能器3为PIN型二极管结构，所述PIN型二极管结构沿α粒子直射运动方向依次包括电介质保护层6、灵敏区7、非灵敏区8，所述电介质保护层6的厚度为100nm-200nm。
本发明实施例提供的PIN型二极管结构具有较薄的电介质保护层6，使穿透能力弱的α粒子更易通过电介质保护层6。
实施例提供的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池工作时，同位素放射源镅-241(241Am)向4π方向随机发射的α粒子，经过微孔阵列准直器2时，只有与微孔阵列准直器2上的微孔垂直或近垂直方向的α粒子能通过微孔入射到碳化硅半导体换能器件3的灵敏区7内并激发出电子-空穴对，电子和空穴在碳化硅半导体换能器件3内建电场作用下向两极漂移同时被正负极收集产生电流；同时，α粒子的射程是一定的，但由于α粒子是以垂直或接近垂直的角度入射碳化硅半导体换能器件3，在碳化硅半导体换能器件3中的入射深度会增加，这样α粒子最终会停留在非灵敏区8，可以弱化α粒子对碳化硅半导体换能器件3内灵敏区7的辐照损伤，有效的保护了碳化硅半导体换能器件3，延长核电池的使用寿命。
在其他实施例中，放射源衬底板1与微孔阵列准直器2，微孔阵列准直器2与碳化硅半导体换能器件3之间的距离可根据核电池大小调整。考虑到α粒子的射程，宜采用放射源衬底板1与碳化硅半导体换能器件3的距离≤10mm。

Claims (10)

1.一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：包括外壳(4)和绝缘底座(5)，所述外壳(4)具有一开放端，所述绝缘底座(5)固定于外壳(4)的开放端，在所述外壳(4)内的绝缘底座(5)上由一侧至另一侧依次设置放射源衬底板(1)、微孔阵列准直器(2)、碳化硅半导体换能器件(3)，在所述放射源衬底板(1)上靠近微孔阵列准直器(2)一侧覆盖有α放射源，电池正负极由所述碳化硅半导体换能器件(3)引出。
2.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述放射源衬底板(1)上靠近微孔阵列准直器(2)一侧设置有阵列式半球形凹槽，放射源衬底板(1)上的半球形凹槽与所述微孔阵列准直器(2)上的微孔对应设置。
3.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述α放射源通过电镀方式覆盖在放射源衬底板(1)上，覆盖厚度为100nm～1000nm。
4.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述微孔阵列准直器(2)的材料为不锈钢或铝，厚度为10μm～50μm。
5.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述α放射源为锔-244同位素放射源或镅-241同位素放射源。
6.根据权利要求1～5任一所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述α放射源为锔-244同位素放射源，微孔阵列准直器(2)的材料为不锈钢，厚度为15～20μm，或者微孔阵列准直器(2)的材料为铝，厚度为30～40μm。
7.根据权利要求1-5任一所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述α放射源为镅-241同位素放射源，微孔阵列准直器(2)的材料为不锈钢，厚度为12～15μm，或者微孔阵列准直器(2)的材料为铝，厚度为25～30μm。
8.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述放射源衬底板(1)与碳化硅半导体换能器件(3)的距离≤10mm。
9.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述碳化硅半导体换能器件(3)为PIN型二极管结构，所述PIN型二极管结构沿α粒子直射运动方向依次包括电介质保护层(6)、灵敏区(7)、非灵敏区(8)，所述电介质保护层(6)的厚度为100nm-200nm。
10.根据权利要求1所述的基于微孔阵列准直器的α放射源核电池，其特征在于：所述放射源衬底板(1)为不锈钢。
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