JP6720413B2 - ベータボルタ電池 - Google Patents

Description

本発明は、原子力および半導体技術に関し、特に、ベータボルタ効果を用いた半導体変換器に基づく電源の創出に関する。

ベータ放射線を電気に変換する半導体変換器が知られている（特許文献１を参照）。この変換器は、テクスチャード加工面を有する半導体ウェーハ、テクスチャード加工面に沿ったダイオード構造、および放射性ベータ放出物質の層を含む。テクスチャード加工面は、円形、矩形、または他の任意の形状の形をした一組の貫通チャネルとして作られ、放射性物質はチャネルの壁面および大部分の半導体表面を覆う。チャネルの壁面および半導体の表面は微小起伏を有し、チャネル間の距離は好ましくは１００μｍ未満である。ニッケル６３、トリチウム、またはその両方がベータエミッターとして使用される。テクスチャーは、フォトリソグラフィーまたはレーザーパルスを使用して事前に作成される。テクスチャード加工面を作製する方法の特徴を考慮に入れると、マイクロチャネルの表面を所与の精度で得ることが難しいので、塗布すべき放射性同位体の量を調整することは困難である。この場合、厳密に指定された電力の電源を得ることはできない。

また、ケースと、絶縁ガスケットによって分離された正および負電極を有する蓋と、特定の順序でケース内に配置された要素１、２、３、４および５とを備える、高出力ベータボルタ電池も知られている（特許文献２を参照）。

要素１は、バッテリー内の電流移動のために設けられた分割リングである。要素１はセラミック材料で作られ、その上に厚い金の層が堆積によって形成されて、要素の上部と下部との間に低抵抗経路を得る。要素２を収容するためのセラミック製の穴が設けられている。

要素２は、ベータ放射線のエネルギーを電力に変換する半導体ＳｉＣをベースとするベータボルタ電池であり、半導体変換器である。半導体変換器の上下には、オーミック接触が蒸着法により形成されている。

要素３は放射性同位体元素であり、詳しくは導電性要素とＡｌＮからなる絶縁部分とを組み合わせた放射性同位体箔である。導電性要素は蒸着法によって形成され、要素の上部と下部との間に低抵抗経路を得るための厚い金層になっている。

要素４は、ＡｌＮからなる絶縁要素であって、堆積方法によって形成される導電性要素とともに配設される。この導電性要素は、要素４の上部と下部との間に低抵抗経路を得るための厚い金層である。

要素５は、直列接続された要素である。要素５は、放射性同位体箔、絶縁材料および導電性領域を含む。導電性領域は、側面領域における堆積によって形成され、要素５の上部と下部との間で低抵抗経路をなす厚い金層である。放射性同位体箔に最も近い導電性材料は、要素全体を貫通する導電性リングの形に作られ、それはまた要素の上部と下部との間の低抵抗経路としても働く。

要素１、２、３および４は、並列回路を有する周知のベータボルト電池を作製するために使用される。絶縁要素４、その開口部に配置された要素２を有する要素１、放射性同位体源を有する要素３、およびカバーが順次ケース内に設置される。

上記の要素のセットは、必要な出力電力に達するまで並列に接続された１つまたは複数のセットで構成できる。

直列および並列回路を備えた公知のベータボルト電池を作成するために、要素１、２、３、４および５を用いる。パックをケースに組み立てる際には、以下の要素が１つずつ組み立てられる。まず絶縁要素４、次に開口部に要素２を配置した要素１、更に放射性同位体源および導電性リングを有する要素５、再び開口部に要素２を配置した要素１、その後、放射性同位体源を有する要素３を直列に取り付ける。

この場合、元素１と２の各組み合わせの間に、放射性同位元素源および導電性リングを有する元素５が配設される。放射性同位元素源を有する元素３は、最上部の元素２の上に配置される。正極と負極を有するカバーが構造全体に取り付けられ、こうして組み立てが完成する。上記の要素のセットは、必要な出力電力に達するまで並列に接続された１つまたは複数のセットで構成できる。

特許請求の範囲に記載されている中心放射性同位体層は、トリチウム、ニッケル−６３、リン−３３、またはプロメチウムのうちの１つまたは複数の放射性同位体を含む。

ロシア連邦特許２４５２０６０号、ＩＰＣ Ｈ０１Ｌ ３１／０４ 米国特許８４８７３９２号、ＩＰＣ Ｈ０１Ｌ ２７／１４

出願人は、従来技術として公知のベータボルタ電池を選択する。

公知のベータボルタ電池の欠点は、その出力電気パラメータ（電圧および電流）が組立て中の要素の数と電気的接続の種類（直列または並列）によって決定され、動作中に変更できないことである。

さらに、並列接続されたベータボルト電池では、放射性同位元素源を有する要素３が、ＳｉＣをベースとする半導体変換器を有する要素２と絶縁要素４との間に配置されるとともに、第２の要素３が最上の要素２の上方に設置される。結果として、放射性同位元素３では、これらの要素のプレートの一方の側、特に、放射性同位体に隣接する半導体変換器に直接面する側からの放射の一部しか使用されないので、高価な放射性同位体の使用効率は低下する（ほぼ２倍）。

直列および並列接続を有するベータボルタ電池において、放射性同位体要素５の両側が使用されるものの、要素３はやはり一方の側しか使用されない。

本発明の一形態に係るベータボルタ電池を使用することによって得られる技術的結果は、放射性同位体元素が放射するエネルギーを半導体変換器によって最も完全に電気エネルギーに変換され、放射性同位体元素（例えば金属ニッケル−６３またはプロメチウム−１４７）を半導体変換器間の電気接点として使用され、電池パックをレギュレーターに電気的に接続することができる、という事実から、その比出力を増大させることができることである。

また、この技術的結果は、次の事実によって達成される。すなわち、ケース並びにカバーと、シリコン製のｐｎもしくはｐｉｎ構造をベースとする半導体変換器と、Ａ３Ｂ５化合物と、プロファイルドドーピングによるアルミニウム、ガリウム、窒素およびリンのいずれか（または全部）の固溶体と、絶縁性および放射性同位元素と、導電性接点と、が１または複数のパックを構成し、並列接続および（または）直列接続され、初期の電力を出力するベータボルタ電池において、プロファイルドドーピングされた半導体変換器が、当該半導体変換器の全幅にわたって空間電荷領域が増加するように作製されているという事実である。

このパックは、互いに逆極性の面どうしを対向させた半導体変換器を当該逆極性の面どうしの間に導電性の放射性同位体が介在するように、組み立てられている。

パックどうしは、外周全体に沿って等間隔に設けられた溝を有する絶縁要素によって分離されており、その数はベータボルタ電池のパック数の２倍以上である。

反対側の溝には導電性接点が設けられており、その一方は溝領域内の絶縁要素の下面に導かれるとともに、第２の接点は上面に導かれており、絶縁要素の導電性接点は、それぞれ所定の接点に隣接している各パックのもっとも外側の半導体変換器の導電性接点と、レギュレーターとの双方に電気的に接続できるように、設計されている。

実施の形態によっては、高濃縮ニッケル−６３同位体が導電性放射性同位元素として使用される。

実施の形態によっては、パック毎に最も外側の半導体変換器の導電性接点がｎ−層またはｐ−層の導電性金属、例えば、銅の上に堆積することによって作られる。

実施の形態によっては、パック毎の最も外側の半導体変換器の導電性接点は、適当な厚さのニッケル−６３のｎｐ−層またはｐ−層に堆積することによって形成される。

半導体変換器（以下、「変換器」という。）はプロファイルドーピングによって形成され、変換器のｐｎ構造またはｐｉｎ構造の全厚にわたって空間電荷面積が拡大されているため、β放射線のエネルギーが電気エネルギーへ最も完全に変換される。これは、電荷キャリアの再結合が低減され、変換器材料層におけるベータ粒子の吸収が抑制されることによって、ベータボルタ電池（以下、「電池」という。）の比出力が増大するからである。

さらに、ｐｎ構造またはｐｉｎ構造の全幅にわたってβ粒子エネルギーが電流に変換される空間電荷領域を拡幅すれば、変換器のｐ層に面する放射性同位元素からの放射線を使用することができるので、多層構造の「放射性同位元素変換器」の製造が可能になり、従ってバッテリーの比出力を増加させることができる。

一組の変換器を、互いに逆極性の面どうしが対向し、対向する面どうしの間に導電性の放射性同位体が配置されるように組み立てれば、第１に放射性同位元素の両側から放出される放射線を使用して、それを電気エネルギーに変換することができする。第２に、導電性の放射性同位体を変換器どうしの電気接点として用いるので、変換器を直列に電気的に接続することができる。

外周に沿って溝が等間隔に設けられており、溝の数がベータボルタ電池（以下、「電池」という。）のパック数の２倍に等しいか、または所定数を超える絶縁要素によってパックどうしを分離するので、また、導電性接点を有しているので、隣り合う溝の間で、絶縁要素どうしを互いに対して回転させる電池の組み立て工程において、導電性接点を有するすべての溝の上に接点を有していない空き溝（スロット）を設けて、その中に導電体を配置することによって、導電性接点をレギュレーターに電気的に接続することができる。

導電性接点の１つを溝（スロット）領域で絶縁要素の下面に取り付けるとともに、２番目の導電性接点を上面に取り付けて、各パックの極端の変換器の絶縁要素に隣接する導電性接点に電気的に接続すれば、変換器の絶縁要素に下方から隣接する変換器のｎ層の負電荷を１つの接点へ移動させるとともに、絶縁要素の上方に存在している変換器のｐ層から正電荷を２番目の接点へ出力することができるので、絶縁要素の溝に対向して配置された導電性接点に電池パックの変換器を電気的に接続することができる。

対向する溝内の導電性接点の絶縁要素、および接点上の空き溝（自由スロット）によれば、各電池パックをレギュレーターに電気的に接続することができる。

変換器のｎ層上に塗布された導電性の放射性同位体元素として８０％以上の濃縮度を有するニッケル−６３を使用すれば、（１）電池の比電力を増加させることができ、（２）ニッケル−６３を用いて１つの変換器のｎ層をそれに隣接する変換器のｐ層に電気的に接続することができる。

パックの極端の変換器の導電性接点を銅などの導電性金属のｎ層またはｐ層に適用すれば、それらを絶縁要素の導電性接点に電気的に接続することができる。

パックの極端の変換器で導電性接点をニッケル−６３のｎ層またはｐ層に適用して、最適な厚さにするので、導電性の放射性同位体元素を用いて絶縁要素の導電性接点にこれらの接続することができる。導電性の放射性同位体元素はこれらの接点となり、電池の電力密度を向上させることができる。

レギュレーターを組み込んだ電池を示す図である。 図１の符号Ｂで示す部分を拡大した図である。 図１のБ−Б断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。

本実施の形態に係る電池１は、１つまたは複数のパック３を積み重ねるとともに、パックどうしを絶縁要素４で分離した変換器２からなる（図１および図２参照）。図１は、３つのパックからなる電池を示す。パック３の変換器２は互いに逆極性の面を対向させ、対向する逆極性の面間に導電性の放射性同位元素５が配設されている。放射性同位元素５として、変換器２のｎ層上に堆積された高濃縮ニッケル−６３放射性同位体が使用される。各パック３の上部６および下部７の変換器は接点８を備えている。接点８は、いずれも、銅のような導電性材料のｎ層またはｐ層上に塗布することによって形成されており、上部の変換器上の接点８はｎ層に塗布され、下部の変換器７ではｐ層に塗布される。

絶縁要素４は、絶縁要素４の周囲に等間隔に配置された溝（スロット）９を有し、溝９の総数は、電池１の設計に応じて、電池１のパック３の数の少なくとも２倍以上である。絶縁要素５の対向する溝９（図３参照）には接点１０および１１が設けられており、残りの溝９は空である。各接点１０は、溝９の近傍で絶縁要素５の底面１３に堆積された導電部１２と、溝９内に直接配置されており、溝９に接続された導電部１４とからなっている。各接点１１は、反対側の溝９の領域で絶縁要素５の上面１５に堆積された導電部１２と、溝９に直接配置されており、溝９に接続された導電部１４とからなっている。

パック３の極端の変換器６および７の導電性接点が放射性同位体元素５、特に最適な厚さのニッケル−６３のｎ層またはｐ層に適用されている場合、絶縁要素４、１６および１７の溝９内の接点１１および１０は、導電性部分１２を用いて、放射性同位体元素４の電気接点に直接電気的に接続される。

上部絶縁要素１６上には、その下に配置されたセット３の上部変換器６に接続されている接点１０のみが接続されており、下部絶縁要素１７上には接点１１のみが配置されている。接点１１は、その上に配置されたパック３の下部半導体変換器７に接続されている。電池１を組み立て工程では、下部絶縁要素１７の上に位置する各絶縁要素５および上部絶縁要素１６は、溝９間の間隔に応じて互いに対して回転する。その結果、接点１０および１１のない空き溝９は、接点１０および１１を有するすべての溝の上に置かれる。各パック３は、その外面で、絶縁スリーブ１８内に設置される。

電池１はケース１９内に配置され、そこでは下部負極２０と上部正極２１とが固定され、絶縁スペーサ２２、２３を介してケース１９に収容されている。ケース１９とパック３との間の空間は誘電マスチックまたは化合物２４で満たされている。下部電極２０、下部絶縁要素１７の接点１１、絶縁要素５の接点１０および１１、上部絶縁要素１６の接点１０および上部電極２１は、導線２５、２６、２７、２８、２９および３０を用いて、ケース１９内で上部絶縁要素１６の上方に取り付けられたレギュレーター３１に接続されている（図４参照）。

本実施の形態に係る電池１およびそのケース１９、絶縁要素５、１６および１７ならびに半導体変換器２、６および７は断面正方形または断面長方形とすることができ、また、電池１の上部に電極２０および２１を配置することができる。

電池１において電気エネルギーは以下ように生成される。

放射性同位元素５の表面を離れたベータ粒子は、隣接する変換器２に落ちる。ベータ粒子はエネルギーが高いので、隣接する変換器２のｐ層もしくはｎ層が通り抜ける。空間電荷領域（SCR: Space Charge Region）に入ると、ベータ粒子はこの領域の原子と衝突する。ＳＣＲは、原子と電子との間の電気的結合が、変換器２のｐ層およびｎ層よりもはるかに弱いので、電子が原子から切り離されて、電子−正孔対が生成される。

自由電子は、負電荷が増加した領域、すなわち変換器２のｎ層へと移動し始める。従って、ＳＣＲ内の残りの電子は、結果として生じる電子の不在を埋め、そして負電荷領域に移動する傾向がある。このため電子が無くなった領域の原子は正電荷領域、すなわち変換器２のｐ層へ移動する。従って、変換器２のｐ層とｎ層との間には電位差、すなわち電圧が発生する。ベータ粒子はSCR領域での移動を継続し、すべてのエネルギーを失うまで電子−正孔対を生成する。

変換器２は、互いに逆極性の表面が対向するようにしてパック３に組み立てられ、導電性の放射性同位元素５が対抗する逆極性の表面の間に配置されるので、パック３の変換器２は、結果として、電気的に直列に接続される。パック３毎に上部のコンバーター６と下部のコンバーター７から、導電性領域１２を介して、溝９内に配置された絶縁要素４、１６および１７の接点１１および１０に接続された接点９を経由して、下部変換器７のｎ層からの負電荷は接点１０に入り、上部変換器６のｐ層からの正電荷は接点１１に入る。接点１０および１１から、負電荷および正電荷が導体２６、２７、２８および２９を介してレギュレーター３１に供給され、レギュレーターから貫通導体２５および３０を経由して下部電極２０および上部電極２１に電圧が供給される。

本発明に係るベータボルタ電池は、高い比出力を有する電源として有用である。

１…電池
２…半導体変換器
３…パック
４…絶縁要素
５…放射性同位体元素

Claims (4)

1. ケース並びにカバーと、
   シリコン製のｐｎ構造またはｐｉｎ構造を有する半導体変換器と、
   Ａ３Ｂ５化合物と、
   プロファイルドドーピングによる、アルミニウム、ガリウム、窒素およびリンの少なくとも１つの固溶体と、
   絶縁および放射性同位元素と、
   所望の電力を出力するように、並列および直列の少なくとも一方で接続された１または複数のパックを形成するように構成された導電性接点と、を備え、
   半導体変換器は、半導体変換器の全幅にわたって空間電荷領域が拡大されており、
   半導体変換器を、逆極性の表面どうしが対向するように、パックが組み立てられており、
   逆極性の表面間に導電性の放射性同位体元素が配置されており、
   外周に沿って等間隔に設けられた溝を有し、当該溝の総数がパックの総数の２倍以上である絶縁要素によってパックどうし分離されており、
   反対側の溝には導電性接点が設けられており、
   その一方が溝領域における絶縁要素の下面に運ばれ、他方が上面に運ばれ、
   絶縁要素の導電性接点は、各パックの極端の半導体変換器の導電性接点とレギュレーターとが電気的に接続されるように、設計されている
   ことを特徴とするベータボルタ電池。
2. 高度に濃縮されたニッケル−６３が、放射性同位元素として使用され、
   半導体変換器のｎ層上に堆積されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のベータボルタ電池。
3. パックの最外部の半導体変換器の導電性接点が、銅などの導電性金属のｎ層またはｐ層に塗布することによって形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
4. パックの最外部の半導体変換器の導電性接点が、ニッケルまたはニッケル６３のｎ層またはｐ層の上に塗布することによって作られており、
   最適厚さを有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池。

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