β辐射伏特效应微型核电池的研究

发布时间：2020-09-09 10:26

　　核电池(又称放射性同位素电池)是将放射性同位素衰变放出的载能粒子(如α粒子、β粒子或γ射线)转换为电能的装置。随着微机电系统(MEMS)技术的飞速发展,微型核电池成为微能源领域的研究热点。和微型化学电池、微型燃料电池以及微型太阳能电池等传统微型电池相比,β辐射伏特效应核电池是微机电系统(MEMS)理想的电源。β辐射伏特效应核电池具有体积小、重量轻、能量密度大、使用寿命长、可微型化和集成化、维护服务频率低等特点。同时,β放射源的工作状态受温度、化学反应、压力、电磁场等的影响非常小。β辐射伏特效应核电池的发展过程中,放射源的选择、换能单元的材料和结构、核电池电学输出性能和能量转换效率等受到了广泛的研究。本文以β粒子与物质相互作用及半导体器件物理等为理论知识依据,利用蒙特卡罗方法模拟了β放射源的自吸收效应、单能电子和β粒子在靶材料中的输运过程。在此基础上,本文开展了β辐射伏特效应微型核电池的研究并取得了一些有价值的结果。首先,明确了放射源(~(63)Ni)的自吸收效应对其表面出射参数的影响,单能电子和放射源(~(63)Ni)释放的载能β粒子在靶材料(金刚石和碳化硅)表面的反散射过程以及它们在靶材料中的作用范围和沉积能量分布规律。其次,提出了β辐射伏特效应核电池输出性能的理论计算模型,讨论了影响核电池能量转换效率的主要因素。接着,计算了基于p-n结和肖特基二极管型β辐射伏特效应核电池(C-~(63)Ni和4H-SiC-~(63)Ni)输出性能的理论极限值。最后,本文完成了相应核电池中换能器件结构的设计方案。1.β放射源(~(63)Ni)的自吸收效应。本文讨论了放射源(~(63)Ni)的表面出射活度、表面出射功率、放射源的自吸收率、表面出射能谱及表面出射能谱的平均能量与放射源厚度的关系。根据计算结果可知:放射源的表面出射活度和表面出射功率随着放射源厚度的增加先是快速增加而后逐渐平缓直到趋于饱和值;放射源的自吸收率随着放射源厚度的增加而不断降低;放射源的厚度不同,表面出射能谱及表面出射能谱的平均能量也不同。进一步地,表面出射能谱的平均能量随着放射源厚度的增加而增大直到趋于饱和值。研究结果为基于放射源(~(63)Ni)的β辐射伏特效应核电池结构设计中选择合适的放射源厚度(或活度)提供指导性依据。2.单能电子和放射源(~(63)Ni)在靶材料(金刚石和碳化硅)表面的反散射系数。β辐射伏特效应核电池中,载能粒子在换能器件表面的反散射能量损失是这种类型核电池中主要的能量损失方式。首先,明确了单能电子在靶材料(金刚石和碳化硅)表面的反散射系数与入射方式及入射电子能量的关系。接着,明确了放射源(~(63)Ni)在靶材料(金刚石和碳化硅)表面的反散射系数与放射源厚度的关系。根据计算结果可知:靶材料原子序数越低,入射粒子能量越高、靶材料越薄,单能电子和β粒子在材料表面的反散射系数越低。因此,β辐射伏特效应核电池中,选择原子序数较低的靶材料(金刚石和碳化硅)为换能材料有利于降低单能电子和β放射源在换能器件表面的反散射能量损失。3.单能电子在靶材料(金刚石和碳化硅)内的作用范围和能量分布规律。首先,计算了单能电子在靶材料内部输运过程中其能量衰减为入射能量的1/10和1/100时对应的作用深度;其次,分析了单能电子在靶材料(金刚石和碳化硅)中的能量分布规律。由于β放射源能谱是连续的,通过研究单能电子在靶材料内部的作用范围和能量分布规律有利于明确β放射源释放的不同能量的β粒子在靶材料内部的输运过程,研究结果对β辐射伏特效应核电池结构优化设计有重要指导意义。4.放射源(~(63)Ni)在靶材料(金刚石和碳化硅)内的能量分布规律。首先,计算了放射源(~(63)Ni)释放的载能β粒子在靶材料(金刚石和碳化硅)中总沉积能量;其次,根据放射源释放的载能β粒子在靶材料中的累积沉积能量与β粒子作用深度的关系明确了放射源在靶材料内的主要能量沉积区;接着,确定了放射源释放的载能β粒子在靶材料中的沉积能量百分比与放射源厚度的关系。由此可得:放射源的厚度对它在靶材料内部的主要能量沉积区宽度的影响较小;进一步的分析表明:放射源释放的载能β粒子在靶材料中的能量损失率(又称能量流密度)随着β粒子作用深度的增加近似按指数规律衰减。研究结果为基于放射源(~(63)Ni)和靶材料(金刚石和碳化硅)的β辐射伏特效应核电池中换能器件有效能量转换区的优化设计和核电池输出性能数值计算有重要意义。5.基于放射源(~(63)Ni)和靶材料(金刚石和碳化硅)的β辐射伏特效应核电池输出性能的理论计算和相应换能器件结构的设计方案。首先,提出了基于p-n结和肖特基二极管为换能器件的β辐射伏特效应核电池输出性能理论计算模型。微型核电池的输出性能参数主要包括:短路电流、开路电压、电流-电压特性曲线,最大输出功率、填充因子和能量转换效率;其次,讨论了影响β辐射伏特效应核电池能量转换效率的主要因素;接着,计算了基于p-n结和肖特基二极管型核电池(C-~(63)Ni和4H-SiC-~(63)Ni)输出性能的理论极限值。计算结果表明:一般地,放射源的表面出射功率越大,半导体器件(p-n结和肖特基二极管)的内建电势越高,β辐射伏特效应核电池的输出性能越好,能量转换效率也越高。最后,本文给出了相应核电池结构的设计方案。需要指出的是,本文的理论计算模型适用于其他半导体材料和β放射源为基础的β辐射伏特效应核电池的研究与讨论。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM623
【部分图文】：

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图 1.1 微机电系统及微型电源利用示意图β辐射伏特效应核电池是微机电系统电源理想的选择。主要原因是：其射源释放的载能β粒子能量很低，这些低能β粒子对核电池换能器件和电子设备的辐射损伤效应很小。其二，相比于ɑ放射源和γ放射源，β放的载能β粒子更易于防护。一般情况下，正常的核电池封装材料便可粒子外泄。其三，相比于ɑ放射源和γ放射源，β放射源的衰变能量密微机电系统对微型电源的功率密度要求。同时，相比于微型燃料电池、电池和微型太阳能电池，它的能量密度非常高。一般地，β辐射伏特效的能量密度是前三者能量密度的 104～106倍[5]。其四，半衰期长的β放微机电系统长寿命的工作要求。其五，β辐射伏特效应核电池的工作原能电池相近，其换能装置主要是半导体器件（p-n 结，p-i-n 结和肖特基。目前，太阳能电池换能器件发展迅速，加工工艺日益成熟，采用微纳艺可将其微型化和集成化到微纳米量级，制作成本不断降低，并且已经

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图 1.2 β辐射伏特效应核电池的基本组成示意图图 1.3 β辐射伏特效应核电池中换能单元的三维结构示意图：（a）V 型沟槽结构（b）倒金字塔结构（c）3D 多孔结构（d）垂直侧壁方孔阵列结构

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11图 1.3 β辐射伏特效应核电池中换能单元的三维结构示意图：（a）V 型沟槽结构（b）倒金字塔结构（c）3D 多孔结构（d）垂直侧壁方孔阵列结构图 1.4 β辐射伏特效应核电池样品实物图

【参考文献】