電場分離電離電荷式核電池的制作方法

本發明屬于核能利用技術領域，尤其涉及一種將同位素衰變能量轉化為電能的電場分離電離電荷式核電池。

技術背景

放射性同位素電池本質上是將同位素衰變產生的射線能量轉換為電能的裝置。根據轉化方法，放射性同位素電池包括：(1)將粒子動能轉換為熱能再將熱能轉化為電能的溫差同位素電池；(2)直接收集帶電粒子的直接充電核電池；(3)將粒子動能轉化為電磁波再利用光電效應轉化為電能的光伏核電池；(4)利用粒子動能將半導體PN結電離出電子空穴對產生電流的貝塔伏特效應核電池；以及(5)利用逸出功不同的兩種金屬形成電勢差分離粒子電離氣體形成的正負電荷的接觸勢差核電池。

溫差同位素電池和光伏核電池的換能器比較復雜，能量的利用度不高。直接充電式核電池能量轉換效率低，為得到更高的輸出功率，必須使用更多的放射性同位素源。這既增加成本，又不利于電池小型化或微型化。貝塔伏特效應核電池直接由粒子動能轉化為電流，換能器簡單，能量利用率高，單位能量產生的電流大。而且，貝塔伏特效應核電池容易微型化，適合應用于在微機電系統中。但是，貝塔伏特效應核電池也有一些缺點。例如，放射性同位素對半導體換能器長期輻照容易造成半導體結構損傷，影響電池性能。另外，由于使用固體貝塔放射源，發射出的電子容易被阻擋。因此，放射源必須做成極薄的薄膜狀。如果太厚大量電子將被自吸收不能出射，出射電子進入半導體后要經過一段距離才能到達PN結敏感區產生有效電離，半導體也必須極薄并經過特殊摻雜處理才能獲得更多電子空穴對，這也使得貝塔伏特效應核電池不能做得很大，產生的總電流在微安級，應用范圍較窄。接觸勢差核電池利用逸出功不同的兩種金屬形成的電勢差很小，一般在1V左右，產生的總電流也同樣很小。

因此，本領域需要一種新型的核電池，其可以根據應用需求改變大小，提供較大的電流。

技術實現要素：

根據現有技術中的問題，提出一種核電池，包括：第一電極；第二電極；第一電極和第二電極之間的混合物，所述混合物包括第一放射源和可電離氣體；導體，所述導體靠近第二電極并與第二電極分離；以及第二放射源，所述第二放射源靠近所述導體并與所述導體分離。

如上所述的核電池，其中，第一放射源為α源或β源；第二放射源為α源或β源。

如上所述的核電池，其中，第一放射源為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態²²²Rn及其形成的放射系或者²³⁸PuF₆。

如上所述的核電池，其中，第二放射源為²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm。

如上所述的核電池，其中，所述可電離氣體為鹵素氣體、氫氣或氦氣。

如上所述的核電池，進一步包括反射層，第二放射源設置在所述反射層上；或者進一步包括屏蔽層，第二放射源設置在所述屏蔽層內；所述反射層或者屏蔽層具有朝向導體的開口。

如上所述的核電池，進一步包括絕緣密閉層。

如上所述的核電池，進一步包括射線屏蔽層。

根據本發明的另一個方面，提出一種產生電流的方法，包括：在電場中，利用第一放射源電離可電離氣體，產生正離子和自由電子；其中，所述電場是導體通過收集來自第二放射源的帶電粒子產生的；以及在第一電極上收集產生的自由電子，在第二電極上收集正離子，由此在第一電極和第二電極之間產生電流。

如上所述的方法，進一步包括：對第一電極和第二電極之間產生的電流進行整流和穩壓。

附圖說明

通過下面結合附圖給出的詳細說明和隨附的權利要求，本公開的前述特征以及其它特征將變得更加清晰。應理解的是，這些附圖僅描繪了依照本公開的多個實施例，因此，不應視為對本發明范圍的限制，將通過利用附圖結合附加的具體描述和細節對本公開進行說明，在附圖中：

圖1是根據本發明的一個實施例的核電池的截面示意圖；

圖2是根據本發明的一個實施例的核電池的側面示意圖；

圖3是根據本發明的一個實施例的核電池俯視示意圖；以及

圖4是根據本發明的一個實施例的產生電流方法的示意圖。

技術方案

現在，詳細描述本發明的實施例，其示例在附圖中表示，其中，相同的標號始終表示相同的部件。以下通過參考附圖描述實施例以解釋本發明。

在接下來的描述中，即使在相同的附圖中，相同的附圖標號用于相同的部件。在說明書中定義的內容，例如詳細的構造和部件只是提供用于幫助全面理解本發明。因此，很明顯，無需那些定義的內容來實現本發明。此外，由于已知功能或構造將在不必要的細節上模糊本發明，因此將不對其進行詳細描述。

圖1是根據本發明的一個實施例的核電池的截面示意圖；圖2是根據本發明的一個實施例的核電池的側面示意圖；以及圖3是根據本發明的一個實施例的核電池俯視示意圖。參考圖1-圖3，本發明的核電池100包括：第一電極101、第二電極102以及第一電極101和第二電極102之間的混合物103。其中，混合物103包括第一放射源和可電離氣體。其中，可電離氣體是能夠發生氣體電離的氣體。所謂氣體電離是氣體受到電場、熱能或射線的作用，使中性氣體原子中的電子獲得足夠的能量，以克服原子核對它的引力而成為自自電子，同時中性的原子或分子由于失去了帶負電荷的電子而變成帶正電荷的正離子。這種使中性的氣體分子或原子釋放電子形成正離子的過程叫做氣體電離。而這種中性的氣體即為可電離氣體。根據本發明的一個實施例，可電離氣體的平均電離能小于300eV，優選小于200eV。根據本發明的一個實施例，可電離氣體的實例包括但不限于高壓鹵素氣體、高壓氫氣或高壓氦氣。

根據本發明的一個實施例，第一放射源為α源或β源，優選是α源。根據本發明的一個實施例，第一放射源的氣態α源實例為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態²²²Rn及其形成的放射性系,或²³⁸PuF₆。根據本發明的一個實例，第一放射源優選為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態²²²Rn及其形成的放射系放射性系。第一放射源的另一個實例為分壓強為139Pa以下的²³⁸PuF₆。可電離氣體可以為分壓強0.6MPa的鹵素氣體、氫氣或氦氣。根據本發明的一個實例，第一放射源與可電離氣體的混合物103所在空間的寬度不小于20mm，以使得大部分帶電粒子能量沉積在氣體中而不是打在電極上。

根據本發明的一個實施例，核電池100進一步包括第二放射源104和導體105。第二放射源為α源或β源，優選是α源。第二放射源104通過衰變產生帶電粒子。導體105收集第二放射源104產生的電荷并在混合物103上形成電場。第二放射源104的實例為弱α源(5)²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm。優選地，第二放射源的放射強度低于10mCi。導體105的實例為金屬板，例如鎳板。本發明的核電池利用氣體放射源與電離氣體混合解決了自吸收問題。進一步地，利用第二放射源形成的靜電場解決了大部分氣體電離后并沒有被分離而是重新復合的效率問題。

以α源為例，第二放射源104發射出帶兩個正電荷的α粒子達到導體105表面，導體105收集的α粒子達到一定量后形成的電場足夠強使第二放射源發射出的α粒子不能到達導體105，此時場強穩定。進一步地，導體105在第二電極102的右側感應出正電荷；相應地，在第二電極102的左側產生相應大小的負電荷。第一電極101右側感應出正電荷，左側產生相應大小的負電荷。由此，在氣態第一放射源與可電離氣體的混合物103所在空間形成強電場。混合物103中的第一放射源將可電離氣體電離，生成自由電子和正離子。在電場作用下，正電荷向第二電極102運動最終被第二電極102收集，而自由電子向第一電極101運動最終被第一電極101收集。通過兩個引出電極109將電荷引出，外接負載形成電流。

根據本發明的一個實例，第二放射源可選為²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm等。它們的半衰期在幾十年到百年，單位原子數量單位時間衰變的α粒子數量也非常合適。第一電極、第二電極、導體以及引出電極優選為金屬板，材質優選為金屬鎳，因為其抗鹵素氣體侵蝕能力較強。

根據本發明的一個實施例，核電池100包括帶電粒子反射層106，例如α粒子反射層。α粒子反射層的實例為金屬鈹或石墨。第二放射源為α源，其被涂布在帶電粒子反射層106上，出射例如α粒子。經過電介質107后被導體105收集。

根據本發明的另一個實施例，核電池100包括帶電粒子屏蔽層106，例如自由電子吸收層。第二放射源為β源，且被設置在屏蔽層106之中。屏蔽層106具有通向導體105的開口。

根據本發明的一個實施例，使用α源單位質量產生的能量遠遠比β源高，因此能量密度較大，使用氣態α源和電離氣體混合，解決了放射源自吸收問題，對α粒子的利用率極高，強電場下氣體電離能減小，單位能量的α粒子電離出的電子離子對大大增加。由此，本發明能夠在提供較大電流的情況下保證開路電壓足夠高，相對產生的能量輸出大大提高。

電介質107設置在第二放射源104和導體105之間，可以為真空、空氣、或者其他稀疏電介質。電介質108設置在導體105與第二電極102之間，可以為真空、空氣、或者其他稀疏電介質。

根據本發明的一個實施例，核電池100包括絕緣密閉層110和射線屏蔽層111。二者分別包裹核電池的其他部件。引出電極109延伸到絕緣密閉層110和射線屏蔽層111之外。絕緣密閉層110的實例為派勒克斯玻璃。射線屏蔽層111的實例為鉛。

根據本發明的一個實施例，核電池100進一步包括整流穩壓電路112。在導體的電荷收集完成后可以提供很高的電壓，在強電場下易電離氣體的電離能減小，在例如α粒子電離作用下可以引發電離雪崩效應，即被α粒子電離出的自由電子會繼續與其它中性氣體分子發生電離產生次級電子，次級電子繼續電離下去像雪崩一樣直到區域內氣體全部電離。發生雪崩效應后，電子在電場作用下快速被第二電極102收集，正離子緩慢向第一電極101運動最終被收集。這時，外接負載會出現脈沖狀電流，電壓也會不穩。因此需要一套相應的整流穩壓電路。

關于整流穩壓電路，可以參考童詩白、華成英、清華大學電子學教研組著的《模擬電子技術基礎(第4版)》(出版社：高等教育出版社，出版日期：2006-05-01，ISBN：9787040189223)的相關內容，特別是第十章直流電源中關于整流電路、濾波電路和穩壓電路的描述。本領域技術人員應當理解，該文獻中提及的具有類似功能的電路或者電路的組合都可以應用于本發明的方案中而實現整流和穩壓的功能。

圖4是根據本發明的一個實施例的產生電流方法的示意圖。如圖4所述，產生電流的方法400包括如下步驟：在步驟410，在電場中，利用第一放射源電離可電離氣體，產生正離子和自由電子；其中，所述電場是導體通過收集來自第二放射源的帶電粒子產生的。在步驟420，在第一電極上收集產生的自由電子，在第二電極上收集正離子，由此在第一電極和第二電極之間產生電流。進一步地，在步驟430，對第一電極和第二電極之間產生的電流進行整流和穩壓。

根據本發明的一個實施例，第一放射源為α源或β源，優選是α源。例如優選為粉末狀²²⁶Ra形成的氣態²²²Rn及其形成的放射系放射性系。第一放射源的另一個實例為分壓強為139Pa以下的²³⁸PuF₆。可電離氣體可以為分壓強0.6MPa的鹵素氣體、氫氣或氦氣。第二為α源或β源，優選是α源。例如，镅-241、钚-238、或鋦-244。導體的實例為金屬板。第一電極和第二電極的實例也為金屬板。

盡管已經參照其示例性實施例具體顯示和描述了本發明，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節上的各種改變。