DE2323413A1 - Nuklearbatterie - Google Patents

Description

.1

Kl, ieopoldsix. 2Ü/IV

BIVIATOR S.A. . GRENGHEN / SCHWEIZ

NUKLEARBATTERIE

Die vorliegende Erfindung betrifft eine miniaturisierte Nuklearbatterie, bestehend aus mehreren in Serie geschalteten Zellen.

Solche Spannungsquellen sind erforderlich, um elektrisch betriebene Geräte, vie z.B. elektrische oder elektronische Uhren, jahrelang ohne die durch das regelmässige Auswechseln der Batterien bedingten Unterbrüche funktionieren zu lassen.

Es sind bereits verschiedene Spannungsquellen der eingangs beschriebenen Art bekannt, doch konnten keine befriedigende Ergebnisse für eine miniaturisierte Nuklearbatterie erzielt werden, welche alle Bedingungen bezüglich Sicherheit, einer Lebensdauer von zehn bis

SE/km/i8 309849/0849

Fall 104

zwanzig Jahren und einer ausreichenden Leistung erfüllen.

Insbesondere kennt man derartige Batterien, die mit höherenergetischen y3-Quellen wie Sr 90, Pm 147, etc. bestückt sind. Aus Sicherheitsgründen eignen sich derartige Batterien aber nicht für unkontrollierte Anv/endungen.

Wegen der aus Sicherheitsgründen begrenzten Strahlenintensität und insbesondere durch seine Halbwertszeit von 12,5 Jahren schien Tritium (T oder H) besonders geeignet, als Strahlungsquelle zu dienen, obwohl ursprünglich lediglich Vakuum als Dielektrikum verwendet werden konnte. Dies bedeutete aber gegenüber den oben erwähnten höherenergetischen /3-Quellen ein Nachteil, da letztere ein solideres, resp. dichteres Dielektrikum zuliessen, da die Haibwertsdicke (HWD) für

diese Strahler weit über den ca. 40 mg/cm des Tritium liegen. Aufgrund der mittleren Strahlenenergie von ca. 6 keV des Tritiums, sind Tritiumbatterien nur mit Vakuum als Dielektrikum herstellbar. Obwohl bei neueren Ausführungen derartiger Batterien das frei werdende Helium das Vakuum nicht mehr kurzfristig beseitigt, sind doch noch keine definitiven Anhaltspunkte vorhanden, dass das benötigte Vakuum

von 10- Torr während der Lebensdauer der Batterie ohne Verluste bestehen bleibt. Nachteilig ist zudem, dass in einer derartigen Vakuumbatterie zur Erzielung einer genügenden Strommenge die Anzahl der den Kollektor erreichenden Elektronen erhöht werden muss, was aber durch die bedingte Begrenzung der Oberflächenaktivität einer Erhöhung der Gesamtoberfläche entspricht. Dies wird durch eine spezielle Anordnung der Emitterfläche erzielt, was aber zur Folge hat, dass das Volumen der Batterie vergrössert wird. Für die Anwendung derartiger Batterien in miniaturisierten Geräten wie z*B. üliren, Hörgeräte, Schrittmacher etc., spielen aber die Dimensionen eine dominierende Rolle, da oft

309849/0849

Zehntelmillimeter ausschlaggebend sind. Die Impedanzanpassung dieser bekannten Batterien an die durch sie versorgten Geräte gestaltet sich zudem äusserst schwierig, da ihre Leerlaufspannung praktisch der mittleren Strahlungsenergie von Tritium entspricht. Unter einer entsprechend angepassten Last beträgt U „ aber ^mmer noch 2 - 3 kV.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine miniaturisierte Nuklearbatterie zu schaffen, die sowchl die Nachteile der noch offenen Probleme der Vakuumbatterie mit Tritium als auch die Schwierigkeiten der Impedanzanpassung ausschaltet und die ein festes Dielektrikum aufweist. Sie soll zudem eine Klemmenspannung von ungefähr 500 V haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jede Zelle I ein den Pluspol darstellendes Trägerelement enthält, welches Träger- ;

element einseitig einen/2-Strahler trägt, über welchem eine strahlenresistente Isolationsschicht angeordnet ist, die ihrerseits wiederum ; durch eine Absorptionsschicht lite "deckt ist, über welcher sieh eine i Kollektorschicht befindet, und dass die in Serie geschalteten Zellen in einem luftdichten Gehäuse angeordnet sind.·

Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Zellen im Gehäuse übereinander liegen.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass trotz der Verwendung mehrerer, eine schwache Strahlungsintensität aufweisende Zellen, eine relativ grosse Strahlungsintensität pro Flächeneinheit realisiert werden kann, so dass die Gesamtleistung der Nuklearbatterie gross wird. Ferner kann die auf das Trägerelement eufgebrachte Str^hlerschicht optimal dünn gehalten werden, das heisst,

309849/0849

sie kann so dünn gehalten werden, dass selbst die Elektronen der untersten Schicht ungehindert bis zur Oberfläche durchdringen können, und nicht bereits in der Strahlerschicht stecken bleiben. Die oberhalb der Isolationsschicht angeordnete Absorptionsschicht verhindert, dass vom Kollektor zurückgestrahlte Elektronen ein Gegenfeld erzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die einzige Figur zeit dabei schematisch und im Schnitt den Aufbau dieses Ausführungsbeispiels. Man erkennt, dass das Gehäuse 1 aus einem schalenförmigen Unterteil 2 und einem ebenen Deckel 3 besteht. Der Deckel 3 ist dabei mit dem Unterteil 2 verschweisst. Er v/eist eine Oeffnung 4 auf, in welche ein Kontaktpol 5 mittels einer Vergussmasse 6 eingegossen ist. An seinem inneren Ende trägt dieser Kontaktpol 5 eine Kontaktfeder 7, die ihn elektrisch mit einem erhöhten Teil 8 einer Kontaktscheibe 9 verbindet. Oberhalb dieser Kontaktscheibe 9 befindet sich eine Isolationsscheibe 10, die eine Oeffnung 11 aufweist, durch welche der erhöhte Teil 8 der Kontaktscheibe 9 hindurchtritt. Zwischen der Deckelunterseite 12 und der Isolationsscheibe 10 befindet sich eine Druckfeder 13. Die Innenflächen 14 des Gehäuseunterteils sind mit einer· elektrisch isolieren-r den und strahlenresistenten Isolationsschicht 15 bedeckt. Als Isolationsmaterial eignen sich Kunststoff-Filme z.B. aus "Parylene" (eingetragenes Warenzeichen), eine Gruppe von Polymeren, oder aus "Mylar" (eingetragenes Warenzeichen) ein Polyester, oder Aehnliches.

Das vorgängig beschriebene Gehäuse 1 kann selbstverständlich anders aufgebaut sein, sofern die nachfolgenden Punkte berücksichtigt wer-

309849/0849

den. So muss, aus Sicherheitsgründen, das Gehäuse 1 luftdicht sein. Es muss einen vom Gehäuseunterteil 2 oder Deckel 3 elektrisch isolierten Kontaktpol 5 aufweisen, der mit dem Kollektor der obersten Zelle - deren Aufbau weiter unten beschrieben wird - elektrisch leitend verbunden sein muss. Wesentlich ist weiter, dass die einzelnen Zellen fest aufeinander gedruckt werden, ohne dass nicht dafür vorgesehene Teile davon mit dem Gehäuse 1 oder einem anderen elektrisch leitenden Teil in Berührung kommen. * ·

Zwischen dem Boden 16 des Gehäuseunterteils 2 und der Kontaktscheibe 9 sind mehrere identische Zellen 17 übereinander gestapelt. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind es deren zehn. Jede dieser zehn Zellen 1? besteht dabei aus einem Trägerelement 18 z..B. aus Cu oder einer Cr-Ni-Legierung. Andere metallische Stoffe sind durchaus auch möglich. Dieses Trägerelement 18 weist vorteilhafterweise eine Fläche auf, die etwa derjenigen des Gehäusebodens 16 entspricht. Seine Dicke beträgt einige Mikromillimeter. Bei realisierten Versuchsmodellen be-

-2 2

trug sie zwischen 1 - 3 · 10 mm. Die Fläche betrug ungefähr 2 cm .

Auf diesem Trägerelement befindet sich ein eine leicht kleinere Fläche aufweisender/^-Strahler 19, in Form einer aufgedampften oder sonstwie aufgebrachten Schicht. Vorzugsweise besteht dieser /S-St rahler aus einer Tritium-Titanium-Verbindung, nachfolgend Ti-T-Verbindung, im Verhältnis ein Teil Titanium/zwei Teile Tritium. Diese Schicht weist eine Dicke auf, die genügt, um eine Oberflächenaktivität von ungefähr

2 -3

40 mC/cm zu erzielen. Sie beträgt in der Praxis etwa 0,5-1.10 mm.

Diese Schicht radioaktiven Materials ist durch eine strahlenresistente Isolationsschicht 2C überzogen, die sich vorteilhafterweise auch über die Seiten 21 des Trägerelementes 18 erstreckt, so dass von diesem lediglich die Unterseite 22 unbedeckt ist. Um einen maximalen Wirkungsgrad der Zelle 17 zu garantieren, muss die Isolationsschicht

309849/0849

20 so dünn sein, dass sie die mit einer mittleren Energie von 0,5 6 keV aus dem/^-Strahler 19 austretenden Elektronen praktisch ungehindert hindurchtreten lässt. In der Praxis hat sich dabei eine ungefähr 1·10~ mm dicke Schicht aus "Parylene" (eingetragenes Warenzeichen) oder "Mylar" (eingetragenes Warenzeichen) als geeignet err wiesen. Oberhalb der Isolationsschicht 20 befinde^ sich eine Absorptionsschicht 23, die die vom darüber befindlichen Kollektor 24 reflektierten Elektronen daran hindert, wiederum in die Isolationsschicht 20 einzudringen. Diese Absorptionsschicht 23, die vorteilhafterweise aus Kohlenstoff besteht und eine ungefähre Dicke von 1*10 mm aufweist, hat ferner die Aufgabe, das durch den Zerfall frei werdende Helium zu binden. Die Fläche dieser Absorptionsschicht 23 entspricht etwa derjenigen des /S-Strahlers 19 und ist somit etwas kleiner als die des Trägerelementes 18. Als oberste Schicht jeder Zelle 17 befindet sich über der Absorptionsschicht der Kollektor 24, dessen Fläctie derjenigen der darunterliegenden Absorptionsschicht entspricht. Vorzugsweise besteht dieser Kollektor 24 aus Al, Fe oder einer Legierung dieser beiden Stoffe, und weist eine Dicke von 1-2Ί0"² mm auf.

Wie oben bereits erwähnt, befinden sich im Gehäuse 1 mehrere derartige Zellen 17 übereinander, wobei selbstverständlich erscheint, dass jeweils das Trägerelement 18 jeder Zelle 17 auf den Kollektor 24 der darunterliegenden Zelle 17 aufliegt.

Jede der oben beschriebenen Zellen 17, die im beschriebenen Ausführungsbeispiel einen runden Grundriss und eine Gesamtdicke von 3*10 mm sowie eine Aktivität von ca. 40 mC aufweist, erzeugt eine Leistung von ungefähr 0,012/UvV und ergibt eine Spannung von ungefähr 50 V. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemässe Nuklearbatterie, wenn

309849/0849

_ 7 —

sie zehn Zellen 17 aufweist, eine effektive Aktivität von ca. 400 raC hat und eine Leistung von ca. 0,12 ^W und eine Spannung von ca. 500 V abgibt. Entsprechend dein Aufbau der Zellen 17, respektive dem Elektronenfluss darin, bildet der Gehäuseunterteil 2 dabei den Pluspol und der Kontaktpol 5 den Minuspol der Batterie.

Somit erfüllt diese Batterie die an sie gestellten Anforderungen. Allerdings ist ihre Leistung für gewisse Anwendungen zu gering. Sie kann aber sehr leicht erhöht werden, indem mehrere derartige Batterien, selbstverständlich in einem Gehäuse zusammengefasst, parallel geschaltet werden. Durch die Kleinheit der einzelnen Zellen 17 (wie oben beschrieben) ändert sich aber am Gesamtvolumen einer solchen Batterie praktisch nichts. Es darf in diesem Zusammenhang nicht vergessen werden, dass die Proportionen der Zeichnung aus Verständlichkeitsgründen vollkommen verzerrt sind.

Anschliessend werden nun insbesondere die physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemässen Nuklearbatterie mit denjenigen von bekannten Vakuumbatterien verglichen.

Um in einer Tritiumbatterie eine brauchbare Elektronenzahl zu erreichen, benötigt man eine effektive Aktivität von ca. 240 mC. Die Gesamtaktivität, die in einer Vakuumbatterie eine derartige effektive Aktivität ergibt, beträgt ungefähr 5 C, was aufgrund der bekannten physikalischen Konstanten leicht nachgerechnet werden kann. Eine Vakuumbatterie mit optimalem Wirkungsgrad v/eist unter diesen Umständen eine Leerlaufspannung von ca. 3000 V auf, wobei die Leerlaufleistung ungefähr 6 >uW beträgt. Da aber eine derart hohe Spannung nicht brauchbar ist, muss eine Impedanzanpassung vorgenommen werden. Um Werte zu erhalten, die mit denjenigen der erfindungsgemässen Batterie vergleichbar sind, soll auch die Vakuumbatterie ein U,.r von

309849/0849

ca. 500 V aufweisen. Bei einer optimalen Impedanzanpassung erhält man dabei eine effektive Leistung- der Batterie Von ca. 0,75yuV/.

Wie oben erwähnt, weist eine erfindungsgemässe Batterie mit zehn in Serie geschalteten Zellen a 40 mC und 50 V ei»ne Spannung von ca. 500 V und eine effektive Aktivität von ca. 400 mC auf. Es ist dabei hervorzuheben, dass die effektive Aktivität von 40 mC pro Zelle mit einer Gesamtaktivität von lediglich ca. 100 mC erzielt wird, was auf die extrem dünne Strahlerschicht zurückzuführen ist. Dies bedeutet, dass zehn derartige Zellen eine Gesamtaktivität von ca. 1 C aufweisen, mit einer Leistung von 0,12 AiW, und ferner dass bei gleicher Gesamtaktivität wie bei der Vakuumbatterie, 5C, 5 Zehnerpackungen, die ohne weiteres parallel geschaltet werden können, eine effektive Leistung von 0,6/uW unter 500 V erzielen können. Hier sei noch erwähnt, dass in der Praxis die theoretisch optimale Impedanzanpassung ' der Vakuumbatterie nicht erreicht werden kann. Im Gegenteil ist es so, dass der praktische Wert der Leistung einer Vakuumbatterie mit einer Leerlaufspannung von ca. 3000 V und einer Leerlaufleistung von ca. 6/iW, unter 500 V 0,6/iW nicht überschreiten wird. Da aber bei der erfindungsgemässen Batterie keine Impedanzanpassung notwendig ist, da sie von vornherein eine Klemmenspannung von 500 V abgibt, steht die oben angegebene Leistung von 0,6^uV/ bei der zusammengeschalteten Batterie effektiv zur Verfugung. Dies bedeutet aber, dass, die Wirkungsgrade beider Batterientypen praktisch identisch sind, denn bei beiden ergibt eine Gesamtaktivität von ca. 5 C eine effektive Leistung von 0,6 nW.

Wesentlich ist aber, dass die erfindungsgemässe Eatterie, wie oben bereits erwähnt, keinen der Nachteile der Vakuumbatterien aufweist und wesentlich kleiner ist als diese.

309849/084 9'

Es versteht sich von selbst, dass die oben beschriebene Nuklearbatterie, je nach Verwendungszweck, ein anderes Verhältnis zwischen den in Serie geschalteten Zellen 17 aufweisen kann, wobei die Fläche jeder dieser Zellen ebenfalls variiert werden kann. Ferner kann das Batteriegehäuse direkt Bestandteil des durctudie Batterie betriebenen Gerätes sein.

309849/0849

Claims (27)

1. PATENTANSPRÜCHE :

   (1·) Nuklearbatterie, bestehend aus mehreren in Serie geschalteten Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (17) ein den Pluspol darstellendes Trägerelement (18) enthält, welches Trägerelement (18) einseitig einen/5-Strahler (19) trägt, über welchem eine strahlenresistente Isolationsschicht (20) angeordnet ist, die ihrerseits wiederum durch eine Absorptionsschicht (23) überdeckt ist, über welcher sich eine Kollektorschicht (24) befindet, und dass die in Serie geschalteten Zellen (17) in einem luftdichten Gehäuse (1, 2, 3) angeordnet sind.
2. 2. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (18) aus einer Kupfer- oder Cr-Ni-Scheibe besteht.
3. 3. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der /^-Strahler (19) aus einer Ti-T-Verbindung besteht.

   309849/0849
4. 4.' Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenresistente Isolationsschicht (20) aus "Parylene" oder "Mylar" besteht.
5. 5. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (23) aus Kohlenstoff besteht.
6. 6. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., dass die Kollektorschicht (24) aus Fe, Al oder einer Legierung dieser beiden Stoffe besteht.
7. 7. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (17) einen runden Grundriss aufweisen.
8. 8. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (17) ungefähr 30/im hoch ist.
9. 9. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (17) eine Spannung von ungefähr 50 V abgibt.
10. 10. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung einer Zelle (17) ungefähr 0,012/IW beträgt.

    30984970849

    1? -
11. 11. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (17) im Gehäuse (1) übereinander liegen.
12. 12. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem schalenförmigen Unterteil (2) und einem auf diesen aufgeschweissten ebenen Deckel (3) besteht.
13. 13. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) den Pluspol der Batterie darstellt.
14. 14. Nuklearbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Gehäuse (1) zehn Zellen (17) befinden.
15. 15. Nuklearbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferscheibe (18) eine Dicke von 1-3*10 mm aufweist.
16. 16. Nuklearbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ti-T-Verbindung (19) aus einem Teil Titanium und aus zwei Teilen Tritium besteht.

    309849/0849
17. 17. Nuklearbatterie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ti-T-Verbindung (19) eine Schicht mit einer Aktivität von ungefähr 40 mC bildet.
18. 18. Nuklearbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (20) eine Dicke

    -4

    von ungefähr 1*10 inn aufweist.
19. 19. Nuklearbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht (23) eine

    _2

    Dicke von ungefähr 1Ί0 mm aufweist.
20. 20. Nuklearbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorschicht (24) eine Dicke von 1 - 2· 10 mm aufweist..
21. 21. Nuklearbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (17) eine wirksame Fläche

    von ungefähr 2 cm aufweist.
22. 22. Nuklearbatterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich über der obersten Zelle (17) eine Kontaktscheibe (9) befindet, die einen erhöhten Teil (8) aufv/eist, der durch eine Isolationsscheibe (10) hindurchtritt.

    • IA-
23. 23. Nuklearbatterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen (14) der Seitenwände des Gehäuseunterteils (2) eine Isolationsschicht(15)

    aufweisen.
24. 24. Nuklearbatterie nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Deckel (3) ein eingegossener Kontaktpol (5) befindet.
25. 25. Nuklearbatterie nach den Ansprüchen 12 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Deckel (3) und der Isolationsscheibe (10) eine Feder (13) befindet.
26. 26. Nuklearbatterie nach den Ansprüchen 22 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktpol (5) und der erhöhte Teil (8) elektrisch miteinander verbunden sind.
27. 27. Nuklearbatterie nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktpol (5) den Minuspol der Batterie darstellt. ·

    309849/0849