微型同位素电池模型的研制与试验

引 言

放射性同位素电池也称为核能电池，是一种将核能转换成电能的装置，同位素电池具有使用时间长、能量比大、环境影响小的特点，可使其适用于一些极端环境下对电力的需求。时至今日，同位素电池已被广泛运用于各领域中，如航天、海底、极地、洞穴等方面，同位素电池能够持续不间断的为电子设备提供稳定的电压。现有核能电池种类主要有放射性衰变物质温差发电类、热粒子发射核能电池类、P-N 结同位素电池等。目前同位素电池还存在体积过大、成本过高、放射性污染风险等问题，这也是科技工作者们现在正努力解决的问题。

1 微型核电池设计思路具体方案

方案利用射线致荧光伏特效应机制实现，机制的作用过程是 ：首先利用射线作用于荧光物质激发荧光，然后再由荧光射入光电池中产生光生伏特效应并转换成电能输出。

具体实现过程为，由放射性物质衰变产生高能射线撞击荧光物质激发光。放射性物质和荧光物质均封装在高硼玻璃管中，可以使发光原件防油，防水，防腐蚀及适应温度变化。而辐射则被很好地屏蔽在管内，不会产生危害，稳定性良好， 使用寿命长。

工作原理 ：放射性核素（危害小）→荧光物质→光能弱光性光伏板→电能。

效果 ：核能→电能。

1.1 发光原件结构

发光原件结构图如图 1 所示。放射性同位素装入高硼玻璃管中，玻璃管内壁涂有 Y4-B1 荧光粉（K-11 荧光粉），厚度为 0.1 ～ 0.15 mm，当射线照射到荧光粉时可以激发荧光物质使其产生荧光，Y4-B1荧光粉放出的光色是蓝色频（波长为454nm），封装好的同位素成圆柱体，在圆柱体上端粘有一小块钕合金磁铁，以方便其取出与放入（使用电磁铁就可将其从导光模具中吸出或放入），方便及时更换重复使用。本实验采用的放射物质为氚气，氚辐射线能级较低，平均能量为 5.7 keV，典型的 Beta放射源对光壁内的荧光物质损害较小，氚光管不会对外界产生照射问题 [1]，且半衰期较长为 12.3年。体积为   3mm2×22.5mm×3.14， 管内氚气放射性活度为 15GBQ，单位造价便宜。管高为 22.5mm，外径为 3mm，管厚为 0.19 mm ；内壁荧光材料涂层为 0.13 mm ；钕合金磁铁为1 mm×1 mm×1 mm 。

1.2 发光原件与光伏板结构

将同位素管以 3×3阵列方式排列方向竖直插入导光树脂模具中，光伏板结构如图 2所示。在模具外部使用光感原件五面密封，使用液态光学胶水（LOCA）粘接光导模件与光伏板， 在模板上端由全反射镜面封盖，其中模具内部发光源的插入孔位半径为 3.1mm，比发光原件半径略大，可以方便的将发光原件取出放入，有利于电池整体重复利用。导光材料使用纯环氧树脂，一方面其具有高透光率，另一方面树脂材料具有吸收冲击力的效果，这种以透光树脂密封的表面层具有好的耐热性，且吸水率低，即使在潮湿的场合也不析出游离酸。因而防止电池组件在高湿度环境中因透光性随之下降所导致的性能退化 [2]。这样既可以减少光能流失又可以提高整体电池的抗冲撞能力，使安全性进一步的提高。光导树脂模具宽为15 mm，长为 15 mm，高为 25 mm，预留给同位素棒的空洞直径为 3.1 mm，没有封顶。

1.3 电池外部保护与电荷平衡

电池外部由铝合金外壳作为保护，如图 3所示。铝合金外壳厚度为 1mm，外长为 15.1mm，外宽为 15.1mm，外高为 25.1 mm。

由于该试验电池使用的放射性物质为Beta 衰变方式的氚气，所发射的射线为高速电子随着时间的推移发光管内部自由电荷逐渐增加，为了平衡内部因同位素衰变产生的不平衡内外电荷，金属外壳与内部光感原件输出正极接通，以释放衰变过程中所产生的电子。其中，同位素不能使用能量级过高的放射性物质（活动过高的放射性元素），可以使用氚，镅等元素，因为其衰变产生的射线容易被屏蔽，氚衰变产生的Beta 射线只能在空气中传播几厘米，且在此结构中大部分由荧光素部分吸收，少量由高硼玻璃管壁吸收，不会对外界产生辐射危险。镅是标准的阿尔法放射源，阿尔法射线穿透能力最弱，不能从管中逃逸出来，因此也可以用于此结构。但像钚、钴-60 等元素却不能使用，因为其射线能量非常高，穿透力大，此结构不能安全屏蔽射线，过高的能量射线也会使感光元件受损。所以最理想的元素就是氚或镅。表 1 所列为用于微型核电池的纯β放射源[3,4]。

1.4 弱光效应光伏电池的选择

由于该设计中的辐射致光源光强强度较弱，所以考虑到光源强度弱的关系不能采用普通的晶硅或微晶硅类型的光伏 板。在弱光条件下无法产生足够的电压来越过硅晶体的能量 禁带，这就意味着晶硅型光伏板在此类弱光条件下无法产生 电流，因此必须使用非晶硅型光伏电池，非晶硅具有生产技 术工艺简单，适应性强，生产成本低的特点 [4]。此类光伏电池 吸收率较晶硅光伏电池大。即使在弱光条件下也可以产生电流， 虽然晶硅型光伏电池在强光下效率很高，但在弱光下非晶硅型 光伏板效率反而要高于晶硅型，不同光强效率对比如图 4 所示。

本次试验采用 sc14351 弱光型光伏板，在 200 Lux 25 ℃ 下其输出功率为 12.39 μW，工作电压为 1.5 V，工作电流为 8.8 μA，开路电压为 2 V，短路电流为 11.8 μA。

1.5 基本电路连接

五个光伏原件串联，其输出负极接外壳，由于输出电流小， 若要驱动其他微电路需要初步储能，由UJT 原件产生脉冲电流，蓄能脉冲整流输出如图 5 所示。蓄能脉冲整流输出结构简单、耐用，可用于有源电子标签，信号标等产品中。还可以运用到射频电子标签中，运用低功耗的射频发射技术在芯片Chartered0.35 μmCMOS 工艺流片上制造出超低功耗的电子标签，其电源电压范围为 1.2 ～2 V，环形振荡器消耗的电流平均约为 6.5 μA[5,6]。

2 新型核电池测试效果

2.1 电池输出数据测试

输出电压 ：九个同位素管下实测为 1.042 76 V ；输出电流测量：间接测量使其给一个 4.7μF 电容充电，在三十秒时电压可到达 0.937V，运用 RC模型Uc= E^1- eRCh粗略计算其内阻 R为 59.72MΩ，电流为17.5nA，输出功率为17.9nW。

2.2 电池输出数据分析

通过制作小型核能电池，13.5 mm×34.9 mm×6 mm 体积大小的裸体核能电池就可以产生1.025 V 的电压，17.5 nA的电流，用于微电子电路可产生功率 17.9 nW。在实验过程中，九个同位素管下实测为 1.042 76 V。随着氚衰变，输出电压也会下降，如果采用镅元素则电池在 200 多年后电压才会下降到出厂时的一半。

该设计使同位素电池的体积大大缩小，一个几 nW 的电池体积如瓶盖般大，同时本设计使用分离同位素的方法，有效减少了辐射溢出，输出电压为1.04 V，降低了成品电池的成本。利用新型sc14351 光感原件或低价格的放射性同位素氚都可以降低成本。该同位素衰变体与发电装置之间相互隔离，衰变体是独立封存在单独的管子里，当衰变体需要更换时，大部分同位素电池在超过使用年限后都将按危险放射性废物处理， 利用可更换的电池结构轻松取出和装入新的衰变体，使电池整体可以重复使用以减少浪费。

测试发现可以通过对放射源以及制作工艺的优化，提高能量转化效率，缩小体积，这说明应用上还需要进一步改善才能达到好的效果。

3 前期成果

3.1 前期成果

本文介绍的这种核能电池优点在于使用放射性低的元素氚、镅，使得研发变得安全、便宜，且没有了巨大的屏蔽装置， 体积减小、重量减轻，可应用于微电子器件中。体积小是此同位素电池的一大亮点，同位素电池的输出功率与其体积成正比，一个几 nW 的电池体积如瓶盖一般大小，其次成本低， 并且可重复使用，但同位素衰变减少后不能重复使用。本设计将同位素衰变体与发电装置之间相互隔离，衰变体独立封存在单独的管子里，当衰变体需要更换时，可轻松的取出并装入新的衰变体。

3.2 需改进部分

该电池目前的设计还有很大的改进空间，下一步将进行功率提升的改进，需要更多的稀有同位素，在光导模具中更紧密的组合产生更高的输出功率，测量与计算相关参数并且构架电池的数学模型。我们将设计一款运用此款电池工作的电子模块来作为商业市场调查的基础样品。

4 结 语

现阶段我们专注于电池整体框架的建立，并且基础工程模型已具有非常好的安全性，与此同时我们也进一步缩小设计使其体积达到 13.5 mm×34.9 mm×6 mm，造价相对于现有核能电池要便宜许多，亦有望进入民用化市场。