引 言

放射性同位素電池也稱為核能電池，是一種將核能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，同位素電池具有使用時間長、能量比大、環(huán)境影響小的特點，可使其適用于一些極端環(huán)境下對電力的需求。時至今日，同位素電池已被廣泛運用于各領(lǐng)域中，如航天、海底、極地、洞穴等方面，同位素電池能夠持續(xù)不間斷的為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓?，F(xiàn)有核能電池種類主要有放射性衰變物質(zhì)溫差發(fā)電類、熱粒子發(fā)射核能電池類、P-N 結(jié)同位素電池等。目前同位素電池還存在體積過大、成本過高、放射性污染風(fēng)險等問題，這也是科技工作者們現(xiàn)在正努力解決的問題。

1 微型核電池設(shè)計思路具體方案

方案利用射線致熒光伏特效應(yīng)機制實現(xiàn)，機制的作用過程是 ：首先利用射線作用于熒光物質(zhì)激發(fā)熒光，然后再由熒光射入光電池中產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)并轉(zhuǎn)換成電能輸出。

具體實現(xiàn)過程為，由放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生高能射線撞擊熒光物質(zhì)激發(fā)光。放射性物質(zhì)和熒光物質(zhì)均封裝在高硼玻璃管中，可以使發(fā)光原件防油，防水，防腐蝕及適應(yīng)溫度變化。而輻射則被很好地屏蔽在管內(nèi)，不會產(chǎn)生危害，穩(wěn)定性良好， 使用壽命長。

工作原理 ：放射性核素（危害小）→熒光物質(zhì)→光能弱光性光伏板→電能。

效果 ：核能→電能。

1.1 發(fā)光原件結(jié)構(gòu)

發(fā)光原件結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。放射性同位素裝入高硼玻璃管中，玻璃管內(nèi)壁涂有 Y4-B1 熒光粉（K-11 熒光粉），厚度為 0.1 ～ 0.15 mm，當(dāng)射線照射到熒光粉時可以激發(fā)熒光物質(zhì)使其產(chǎn)生熒光，Y4-B1熒光粉放出的光色是藍(lán)色頻（波長為454nm），封裝好的同位素成圓柱體，在圓柱體上端粘有一小塊釹合金磁鐵，以方便其取出與放入（使用電磁鐵就可將其從導(dǎo)光模具中吸出或放入），方便及時更換重復(fù)使用。本實驗采用的放射物質(zhì)為氚氣，氚輻射線能級較低，平均能量為 5.7 keV，典型的 Beta放射源對光壁內(nèi)的熒光物質(zhì)損害較小，氚光管不會對外界產(chǎn)生照射問題 [1]，且半衰期較長為 12.3年。體積為   3mm2×22.5mm×3.14， 管內(nèi)氚氣放射性活度為 15GBQ，單位造價便宜。管高為 22.5mm，外徑為 3mm，管厚為 0.19 mm ；內(nèi)壁熒光材料涂層為 0.13 mm ；釹合金磁鐵為1 mm×1 mm×1 mm 。

1.2 發(fā)光原件與光伏板結(jié)構(gòu)

將同位素管以 3×3陣列方式排列方向豎直插入導(dǎo)光樹脂模具中，光伏板結(jié)構(gòu)如圖 2所示。在模具外部使用光感原件五面密封，使用液態(tài)光學(xué)膠水（LOCA）粘接光導(dǎo)模件與光伏板， 在模板上端由全反射鏡面封蓋，其中模具內(nèi)部發(fā)光源的插入孔位半徑為 3.1mm，比發(fā)光原件半徑略大，可以方便的將發(fā)光原件取出放入，有利于電池整體重復(fù)利用。導(dǎo)光材料使用純環(huán)氧樹脂，一方面其具有高透光率，另一方面樹脂材料具有吸收沖擊力的效果，這種以透光樹脂密封的表面層具有好的耐熱性，且吸水率低，即使在潮濕的場合也不析出游離酸。因而防止電池組件在高濕度環(huán)境中因透光性隨之下降所導(dǎo)致的性能退化 [2]。這樣既可以減少光能流失又可以提高整體電池的抗沖撞能力，使安全性進(jìn)一步的提高。光導(dǎo)樹脂模具寬為15 mm，長為 15 mm，高為 25 mm，預(yù)留給同位素棒的空洞直徑為 3.1 mm，沒有封頂。

1.3 電池外部保護(hù)與電荷平衡

電池外部由鋁合金外殼作為保護(hù)，如圖 3所示。鋁合金外殼厚度為 1mm，外長為 15.1mm，外寬為 15.1mm，外高為 25.1 mm。

由于該試驗電池使用的放射性物質(zhì)為Beta 衰變方式的氚氣，所發(fā)射的射線為高速電子隨著時間的推移發(fā)光管內(nèi)部自由電荷逐漸增加，為了平衡內(nèi)部因同位素衰變產(chǎn)生的不平衡內(nèi)外電荷，金屬外殼與內(nèi)部光感原件輸出正極接通，以釋放衰變過程中所產(chǎn)生的電子。其中，同位素不能使用能量級過高的放射性物質(zhì)（活動過高的放射性元素），可以使用氚，镅等元素，因為其衰變產(chǎn)生的射線容易被屏蔽，氚衰變產(chǎn)生的Beta 射線只能在空氣中傳播幾厘米，且在此結(jié)構(gòu)中大部分由熒光素部分吸收，少量由高硼玻璃管壁吸收，不會對外界產(chǎn)生輻射危險。镅是標(biāo)準(zhǔn)的阿爾法放射源，阿爾法射線穿透能力最弱，不能從管中逃逸出來，因此也可以用于此結(jié)構(gòu)。但像钚、鈷-60 等元素卻不能使用，因為其射線能量非常高，穿透力大，此結(jié)構(gòu)不能安全屏蔽射線，過高的能量射線也會使感光元件受損。所以最理想的元素就是氚或镅。表 1 所列為用于微型核電池的純β放射源[3,4]。

1.4 弱光效應(yīng)光伏電池的選擇

由于該設(shè)計中的輻射致光源光強強度較弱，所以考慮到光源強度弱的關(guān)系不能采用普通的晶硅或微晶硅類型的光伏 板。在弱光條件下無法產(chǎn)生足夠的電壓來越過硅晶體的能量 禁帶，這就意味著晶硅型光伏板在此類弱光條件下無法產(chǎn)生 電流，因此必須使用非晶硅型光伏電池，非晶硅具有生產(chǎn)技 術(shù)工藝簡單，適應(yīng)性強，生產(chǎn)成本低的特點 [4]。此類光伏電池 吸收率較晶硅光伏電池大。即使在弱光條件下也可以產(chǎn)生電流， 雖然晶硅型光伏電池在強光下效率很高，但在弱光下非晶硅型 光伏板效率反而要高于晶硅型，不同光強效率對比如圖 4 所示。

本次試驗采用 sc14351 弱光型光伏板，在 200 Lux 25 ℃ 下其輸出功率為 12.39 μW，工作電壓為 1.5 V，工作電流為 8.8 μA，開路電壓為 2 V，短路電流為 11.8 μA。

1.5 基本電路連接

五個光伏原件串聯(lián)，其輸出負(fù)極接外殼，由于輸出電流小， 若要驅(qū)動其他微電路需要初步儲能，由UJT 原件產(chǎn)生脈沖電流，蓄能脈沖整流輸出如圖 5 所示。蓄能脈沖整流輸出結(jié)構(gòu)簡單、耐用，可用于有源電子標(biāo)簽，信號標(biāo)等產(chǎn)品中。還可以運用到射頻電子標(biāo)簽中，運用低功耗的射頻發(fā)射技術(shù)在芯片Chartered0.35 μmCMOS 工藝流片上制造出超低功耗的電子標(biāo)簽，其電源電壓范圍為 1.2 ～2 V，環(huán)形振蕩器消耗的電流平均約為 6.5 μA[5,6]。

2 新型核電池測試效果

2.1 電池輸出數(shù)據(jù)測試

輸出電壓 ：九個同位素管下實測為 1.042 76 V ；輸出電流測量：間接測量使其給一個 4.7μF 電容充電，在三十秒時電壓可到達(dá) 0.937V，運用 RC模型Uc= E^1- eRCh粗略計算其內(nèi)阻 R為 59.72MΩ，電流為17.5nA，輸出功率為17.9nW。

2.2 電池輸出數(shù)據(jù)分析

通過制作小型核能電池，13.5 mm×34.9 mm×6 mm 體積大小的裸體核能電池就可以產(chǎn)生1.025 V 的電壓，17.5 nA的電流，用于微電子電路可產(chǎn)生功率 17.9 nW。在實驗過程中，九個同位素管下實測為 1.042 76 V。隨著氚衰變，輸出電壓也會下降，如果采用镅元素則電池在 200 多年后電壓才會下降到出廠時的一半。

該設(shè)計使同位素電池的體積大大縮小，一個幾 nW 的電池體積如瓶蓋般大，同時本設(shè)計使用分離同位素的方法，有效減少了輻射溢出，輸出電壓為1.04 V，降低了成品電池的成本。利用新型sc14351 光感原件或低價格的放射性同位素氚都可以降低成本。該同位素衰變體與發(fā)電裝置之間相互隔離，衰變體是獨立封存在單獨的管子里，當(dāng)衰變體需要更換時，大部分同位素電池在超過使用年限后都將按危險放射性廢物處理， 利用可更換的電池結(jié)構(gòu)輕松取出和裝入新的衰變體，使電池整體可以重復(fù)使用以減少浪費。

測試發(fā)現(xiàn)可以通過對放射源以及制作工藝的優(yōu)化，提高能量轉(zhuǎn)化效率，縮小體積，這說明應(yīng)用上還需要進(jìn)一步改善才能達(dá)到好的效果。

3 前期成果

3.1 前期成果

本文介紹的這種核能電池優(yōu)點在于使用放射性低的元素氚、镅，使得研發(fā)變得安全、便宜，且沒有了巨大的屏蔽裝置， 體積減小、重量減輕，可應(yīng)用于微電子器件中。體積小是此同位素電池的一大亮點，同位素電池的輸出功率與其體積成正比，一個幾 nW 的電池體積如瓶蓋一般大小，其次成本低， 并且可重復(fù)使用，但同位素衰變減少后不能重復(fù)使用。本設(shè)計將同位素衰變體與發(fā)電裝置之間相互隔離，衰變體獨立封存在單獨的管子里，當(dāng)衰變體需要更換時，可輕松的取出并裝入新的衰變體。

3.2 需改進(jìn)部分

該電池目前的設(shè)計還有很大的改進(jìn)空間，下一步將進(jìn)行功率提升的改進(jìn)，需要更多的稀有同位素，在光導(dǎo)模具中更緊密的組合產(chǎn)生更高的輸出功率，測量與計算相關(guān)參數(shù)并且構(gòu)架電池的數(shù)學(xué)模型。我們將設(shè)計一款運用此款電池工作的電子模塊來作為商業(yè)市場調(diào)查的基礎(chǔ)樣品。

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段我們專注于電池整體框架的建立，并且基礎(chǔ)工程模型已具有非常好的安全性，與此同時我們也進(jìn)一步縮小設(shè)計使其體積達(dá)到 13.5 mm×34.9 mm×6 mm，造價相對于現(xiàn)有核能電池要便宜許多，亦有望進(jìn)入民用化市場。