吴少罡
苏州大学能源学 215006
【摘要】：目前，同位素β辐射伏特效应微电池在微电机系统中占据了很重要的位置，但同位素β辐射伏特效应微电池受到输出电压和功率很低、半导体禁带宽度、易受辐射损伤阈值导致输出衰减、以及材料和器件加工工艺等因素影响，一直是应用的难点，本文研究的以准真空为介质的β辐射电池的输出电压高，没有半导体的各种限制因素影响。因此，本文针对一种能够有效避免上述技术问题发生的准真空介质的63Ni 或147 Pm同位素源β辐射电池作了探索性研究，并研究设计了通过对其并联、直流变压后给二次锂电池交替充电的一个应用系统，从而达到源源不断收集能量集中使用的目的，具有很高的应用前景和应用价值。
【关键词】：β辐射；电池；准真空；
如今，微动力能源是微电机系统（MEMS）的重要基础，同位素β辐射伏特效应微电池作为微动力能源在微电机系统中占据了很重要的位置，但同位素β辐射伏特效应微电池受到输出电压和功率很低、半导体禁带宽度、易受辐射损伤阈值导致输出衰减、以及材料和器件加工工艺等因素影响[1]，这一系列问题一直是应用的难点。而准真空介质β辐射电池的输出电压高，又没有半导体的各种限制因素影响，在实际应用中具有很高的价值。因此，本文就是针对一种能够有效避免上述一系列问题发生的准真空介质的63Ni 或147 Pm同位素源β辐射电池作了相关的制作研究及其应用系统的设计探索。
1材料与方法
1.1 材料选择：以63 Ni同位素为例来设计制作的一个单元的β辐射电池。设计输出功率为1mw，活度为 1Ci的63 Ni同位素，其规格是长 1.4cm、宽 1.4cm、厚度0.1mm。
1.2 制作方法：在上述规格的63 Ni同位素源外面套一个不锈钢材质封闭的长方体作为收集极，外接一个导线作为负电极，其中不锈钢材质封闭的长方体的内长 2cm、内宽 2cm、内厚为 2.1mm，并且强度应能承受一个标准大气压。在长方体内表面的不锈钢材质上涂抹厚度约为 10－2mm的金属钠或其它Ι族金属元素（锂、钾等），并且将涂抹的金属钠层与63 Ni同位素源之间用石英绵质绝缘缓冲衬垫来隔开固定。再将上述的不锈钢材质封闭的长方体与63 Ni同位素源之间的空间抽成准真空，将准真空度控制在102 Pa~10-3 Pa范围内。将若干个上述的β辐射电池单元并联起来，引出共同的正电极和负电极，再与直流降压装置相连结，目的使输出电压恒定。
2 设计与分析
2.1 β辐射源电池单元的设计：
对于活度为1 Ci的63 Ni同位素源来说，其辐射功率平均约为 10 mw ，所需要的63 Ni同位素源的质量，可根据公式（2.1）计算，
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2.2 β辐射电池的应用系统的设计：
针对准真空介质同位素β辐射电池而设计的应用系统，包括多个所述准真空介质同位素β辐射电池、直流变压装置和多组锂电池等部分组成。（见图2.2）多个准真空介质同位素β辐射电池并联后与直流变压装置相连接，其直流变压装置的设计是为了输出电压恒定，而输入电压随着准真空介质的63Ni 或147 Pm同位素源β辐射电池的产生电压上下浮动；多组所述锂电池之间以并联的方式与直流变压装置相连接，整个应用系统采取“一边用一边充”的分开切换模式。其中一组锂电池在充电后投入使用，其它组的锂电池就在接受充电。
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直流变压装置输出的恒定电压给两组或多组的二次锂电池充电，两组或多组的二次锂电池分开充电 ，“一边用一边充”切换。也就是，一组锂电池在充电后投入使用时，其它组的锂电池就在接受充电。具体设置时，按10%的效率转换能量得到每个β辐射电池的输出功率是1mw，那么1000个如上所述的并联在一起的β辐射电池就匹配一组功率是1w的锂电池。
这样的设计结果是，整个β辐射电池的内部结构简单，对于器件加工要求较低，而且整个β辐射电池中没有半导体，其有效避免了现有核电池中半导体易受辐射损伤阈值导致输出衰减等一系列问题。另外，其应用系统通过并联、直流变压后给二次锂电池交替充电，达到源源不断收集能量集中使用的目的，具有很高的应用价值。
【参考文献】
[1] 李志宏. 微纳机电系统（MEMS/NEMS）前沿 [J]. 中国科学: 信息科学, 2012, 42(12):
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[2] Chu J K, Piao X G, Jian L M, et al. Research of radioisotope microbattery based onβ-radio-voltaic effect [J]. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 2009, 8(2):021180–021180-6.
[3]E.G.Linder,S.M.Christian.Use of Radioactive Material for the Generation ofHighVoltage[J]. JOUNAL OF APPLIED PHSICS,1952,23(11):1213-1216