CN113539542A - 一种氡气富集型α射线核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氡气富集型α射线核电池，包括氡气富集层、换能层和负载，氡气富集层包括氡气富集支撑外壳和氡气富集芯，氡气富集支撑外壳内外两面均开设有穿透孔，穿透孔的孔径小于氡气富集芯中颗粒的粒径，氡气富集层的厚度不大于氡气衰变放出α粒子在空气的射程。本发明针对氡浓度较高的矿洞或坑道中，采用氡气富集层吸收富集天然存在的放射性氡气分子，衰变放出α射线进入换能层，换能层吸收了α射线能量后，将辐射能量转换为电能，实现一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置，凭借环境条件，完全脱离人员和传统有线供电方式，可为开展无人值守的常态化电子监控等需求提供电源。
Description
技术领域
本发明属于高氡环境下的富集型α射线核电池技术领域，具体涉及一种氡气富集型α射线核电池。
背景技术
核电池是一种将放射源衰变释放的辐射粒子能量转变为电能的装置，放射源主要使用放射性同位素。因同位素衰变过程不受外界温度、湿度、压力、磁场等条件影响，使得核电池具有稳定性高、续航能力强等特点，有望作为航天、深海、极地等极限环境下的微电子系统、机械系统的理想电源。主要包括辐射源和换能单元两部分。
按照放射源的种类可将同位素核电池分为β辐射伏特效应核电池和α辐射伏特效应核电池。按照工作原理可将核电池分为初级核电池、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。其中辐射光伏核电池利用射线源发射的辐射粒子轰击闪烁体材料，闪烁体辐射发光经光电效应转化为电信号，光电探测器件作为换能单元；辐射伏特效应核电池利用辐射粒子直接轰击半导体探测器，辐射粒子在探测器中沉积能力的过程中产生电子-空穴对，在内建电场的作用下电子-空穴对分别向两级漂移形成电流，半导体探测器作为换能单元。
氡是一种天然放射性气体，放出能量为5.47MeV的α粒子，半衰期为3.83天。主要来源于天然铀矿石析出，也来源于大地、海洋、地下水、煤炭等的释放。天然室内环境的氡浓度一般不超过200Bq/m3，而对于某些地下矿洞、国防工事等，由于通风不畅、岩体特殊等原因，山洞或地下坑道中的氡浓度可能高于普通室内环境几十甚至上百倍。氡本身是一种有毒有害气体，可通过呼吸道进入人体内部产生内照射损害，被认为是诱发肺癌的元凶之一。因此，在氡浓度过高的场所不合适人员的长期停留。在这种高氡环境下，需要开展某些常态化的监控监测，如矿洞的瓦斯监测，而通过有线方式连接监测系统具有一定的安全风险，无线、电功率低、长时间续航的核电池成为了理想的电源类型。另一方面，矿洞勘察、人员搜救等极端条件下，也对无线电源系统提出了较高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种氡气富集型α射线核电池，其设计新颖合理，针对氡浓度较高的矿洞或坑道中，采用氡气富集层吸收富集天然存在的放射性氡气分子，衰变放出α射线进入换能层，换能层吸收了α射线能量后，将辐射能量转换为电能，实现一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置，凭借环境条件，完全脱离人员和传统有线供电方式，可为开展无人值守的常态化电子监控等需求提供电源，成本低，为利用环境中的天然放射源提供了一种全新思路，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：包括氡气富集层、设置在所述氡气富集层内侧的换能层和与换能层连接的负载，所述氡气富集层包括氡气富集支撑外壳和填充在所述氡气富集支撑外壳内且为颗粒形态的氡气富集芯，氡气富集支撑外壳内外两面均开设有穿透孔，所述穿透孔的孔径小于氡气富集芯中颗粒的粒径，所述氡气富集层的厚度不大于氡气衰变放出α粒子在空气的射程。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层安装在外壳上，换能层和外壳之间设置有绝缘底座，换能层的正极通过电流出线与负载的负极电性连接，换能层的负极通过电流入线与负载的正极电性连接。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述负载与外壳之间绝缘。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集支撑外壳包括PVC塑料支撑外壳，氡气富集芯为活性炭或石墨烯。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述换能层包括多个半导体探测器或多个光电探测器，多个半导体探测器或多个光电探测器阵列式拼接形成换能层。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述光电探测器包括闪烁体和光电管。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述半导体探测器包括半导体芯片。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层均为平板结构且呈平行设置，氡气富集层和换能层之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层均为圆筒结构且呈同轴设置，氡气富集层和换能层之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
上述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层均为球壳形结构或半球壳形结构且呈同心设置，氡气富集层和换能层之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过设置氡气富集层、以及设置在所述氡气富集层内侧的换能层，针对氡浓度较高的矿洞或坑道中，采用氡气富集层吸收富集天然存在的放射性氡气分子，衰变放出α射线进入换能层，换能层吸收了α射线能量后，将辐射能量转换为电能，实现一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置，凭借环境条件，完全脱离人员和传统有线供电方式，可为开展无人值守的常态化电子监控等需求提供电源，成本低，为利用环境中的天然放射源提供了一种全新思路，便于推广使用。
2、本发明氡气富集层采用氡气富集支撑外壳收纳颗粒形态的氡气富集芯，可根据负载形状变化氡气富集层结构，氡气富集层与换能层结构相同，氡气富集层的厚度不大于氡气衰变放出α粒子在空气的射程，能在尽可能节约氡气富集芯使用量的同时确保α粒子能穿过氡气富集层进入换能层，使用效果好。
3、本发明设计新颖合理，对于需要开展常态化监测且不希望出现明火或大功率输电线的场所而言，该结构的出现提供了一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，针对氡浓度较高的矿洞或坑道中，采用氡气富集层吸收富集天然存在的放射性氡气分子，衰变放出α射线进入换能层，换能层吸收了α射线能量后，将辐射能量转换为电能，实现一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置，凭借环境条件，完全脱离人员和传统有线供电方式，可为开展无人值守的常态化电子监控等需求提供电源，成本低，为利用环境中的天然放射源提供了一种全新思路，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例中圆柱形核电池去顶的结构示意图。
附图标记说明:
1—外壳； 2—氡气富集支撑外壳； 3—换能层；
4—绝缘底座； 5—电流出线； 6—电流入线；
7—负载； 8—氡气富集芯。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括氡气富集层、设置在所述氡气富集层内侧的换能层3和与换能层3连接的负载7，所述氡气富集层包括氡气富集支撑外壳2和填充在所述氡气富集支撑外壳2内且为颗粒形态的氡气富集芯8，氡气富集支撑外壳2内外两面均开设有穿透孔，所述穿透孔的孔径小于氡气富集芯8中颗粒的粒径，所述氡气富集层的厚度不大于氡气衰变放出α粒子在空气的射程。
需要说明的是，通过设置氡气富集层、以及设置在所述氡气富集层内侧的换能层3，针对氡浓度较高的矿洞或坑道中，采用氡气富集层吸收富集天然存在的放射性氡气分子，衰变放出α射线进入换能层，换能层吸收了α射线能量后，将辐射能量转换为电能，实现一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置，凭借环境条件，完全脱离人员和传统有线供电方式，可为开展无人值守的常态化电子监控等需求提供电源，成本低，为利用环境中的天然放射源提供了一种全新思路；氡气富集层采用氡气富集支撑外壳2收纳颗粒形态的氡气富集芯8，可根据负载形状变化氡气富集层结构，氡气富集层与换能层3结构相同，氡气富集层的厚度不大于氡气衰变放出α粒子在空气的射程，能在尽可能节约氡气富集芯8使用量的同时确保α粒子能穿过氡气富集层进入换能层；对于需要开展常态化监测且不希望出现明火或大功率输电线的场所而言，该结构的出现提供了一种安全性好、稳定性高、续航能力强的电源装置。
本实施例中，所述氡气富集层和换能层3安装在外壳1上，换能层3和外壳1之间设置有绝缘底座4，换能层3的正极通过电流出线5与负载7的负极电性连接，换能层3的负极通过电流入线6与负载7的正极电性连接。
需要说明的是，换能层3和外壳1之间设置有绝缘底座4，确保换能层3产生电能不会通过外壳泄露。
本实施例中，所述负载7与外壳1之间绝缘。
本实施例中，所述氡气富集支撑外壳2包括PVC塑料支撑外壳，氡气富集芯8为活性炭或石墨烯。
本实施例中，所述换能层3包括多个半导体探测器或多个光电探测器，多个半导体探测器或多个光电探测器阵列式拼接形成换能层3。
本实施例中，所述光电探测器包括闪烁体和光电管。
本实施例中，所述半导体探测器包括半导体芯片。
本实施例中，所述氡气富集层和换能层3均为平板结构且呈平行设置，氡气富集层和换能层3之间的间距处处相等且间距处处相等且间距不大于1cm。
本实施例中，所述氡气富集层和换能层3均为圆筒结构且呈同轴设置，氡气富集层和换能层3之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
本实施例中，所述氡气富集层和换能层3均为球壳形结构或半球壳形结构且呈同心设置，氡气富集层和换能层3之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
需要说明的是，氡气富集层和换能层3之间的间距不大于1cm，提高了α射线从氡气富集层穿过空气层进入换能层3的概率，减少衰减；氡气富集层和换能层3之间的间距处处相等，能使换能层更加充分的接受氡气富集层上释放的α射线辐照，有效提高核电池的输出功率密度。
本发明使用时，当核电池至于地下矿洞、国防工程等氡浓度很高的场所时，设该矿洞内的氡气的体积浓度为C(单位体积内氡衰变放出α射线的个数，单位Bq)；
氡气分子通过氡气富集层的氡气富集支撑外壳2上的穿透孔进入氡气富集芯8，被氡气富集芯8吸收富集，氡气分子附着在氡气富集芯8上，设该类氡气富集芯8的富集率为η1，则氡气吸附平衡后氡气富集层的放射性活度为η1C(单位时间内放出的总α射线个数)，单个α粒子初始能量为E＝5.47MeV，则氡气富集层的产能功率为P1＝eη1CE(单位W)，e为单位电子能量，1eV＝1.602×10-19J。
氡气衰变放出的α射线是各向同行，仅有朝着换能层3发射且穿出氡气富集层内侧穿透孔的α射线才能进入换能层3，设η2为放射源的能量出射效率，即最终能进入换能层3的射线能量与氡气富集层产生的能量比值，则换能单元吸能功率为P2＝η2P1(单位W)。
换能层吸收了α射线能量后，将辐射能量转换为电能，设换能层的能量转化效率为η3，则该核电池最终产生的电池功率为P3＝η3P2＝eη1η2η3CE。
通过电流出线5和电流入线6，核电池将负载7接入核电池的产能回路上，则按照功率P3驱动负载7工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：包括氡气富集层、设置在所述氡气富集层内侧的换能层(3)和与换能层(3)连接的负载(7)，所述氡气富集层包括氡气富集支撑外壳(2)和填充在所述氡气富集支撑外壳(2)内且为颗粒形态的氡气富集芯(8)，氡气富集支撑外壳(2)内外两面均开设有穿透孔，所述穿透孔的孔径小于氡气富集芯(8)中颗粒的粒径，所述氡气富集层的厚度不大于氡气衰变放出α粒子在空气的射程。
2.按照权利要求1所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层(3)安装在外壳(1)上，换能层(3)和外壳(1)之间设置有绝缘底座(4)，换能层(3)的正极通过电流出线(5)与负载(7)的负极电性连接，换能层(3)的负极通过电流入线(6)与负载(7)的正极电性连接。
3.按照权利要求2所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述负载(7)与外壳(1)之间绝缘。
4.按照权利要求1所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集支撑外壳(2)包括PVC塑料支撑外壳，氡气富集芯(8)为活性炭或石墨烯。
5.按照权利要求1所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述换能层(3)包括多个半导体探测器或多个光电探测器，多个半导体探测器或多个光电探测器阵列式拼接形成换能层(3)。
6.按照权利要求5所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述光电探测器包括闪烁体和光电管。
7.按照权利要求5所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述半导体探测器包括半导体芯片。
8.按照权利要求5所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层(3)均为平板结构且呈平行设置，氡气富集层和换能层(3)之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
9.按照权利要求5所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层(3)均为圆筒结构且呈同轴设置，氡气富集层和换能层(3)之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
10.按照权利要求5所述的一种氡气富集型α射线核电池，其特征在于：所述氡气富集层和换能层(3)均为球壳形结构或半球壳形结构且呈同心设置，氡气富集层和换能层(3)之间的间距处处相等且间距不大于1cm。
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|---|---|
| CN113539542B (zh) | 2024-01-30 |
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