辐致伏特效应同位素电池的温度和真空度效应影响研究

发布时间：2017-07-03 14:26

本文关键词：辐致伏特效应同位素电池的温度和真空度效应影响研究

【摘要】：近年来,微机电系统(MEMS)发展迅速,已在军事、航空航天、生物医疗、工农业等领域发挥着重要作用。辐致伏特效应同位素电池具有高能量密度、长寿命、微型化、稳定性强、无需外界供给等特点,符合微能源的需求,可有效解决MEMS的能量供给问题,具有重要研究价值。本文围绕辐致伏特效应同位素电池的制备,以及温度效应和真空度效应对同位素电池电学输出性能的影响开展了一系列的研究工作。本文的主要内容包括:1)基于辐致伏特效应同位素电池的工作原理、结构类型及常用的放射源及换能单元,采用微纳加工工艺制备硅换能单元,并通过PCB板的设计及制备、配制导电银胶、焊接导线和加载放射源等过程制备得到不同类型的辐致伏特效应同位素电池样品。2)采用不同放射源和不同换能单元组合得到四种β辐致伏特效应同位素电池,研究温度对不同类型电池输出性能的影响。随温度升高,同位素电池的短路电流密度略微增加、开路电压变小。不同类型的电池受温度影响作用有所不同,开路电压的温度变化率主要受换能单元材料和放射源种类的影响。在近似线性的温度区间,63Ni Si、63Ni GaAs、147Pm Si和147Pm GaAs四种类型电池的开路电压对应的温度变化率分别为-2.57、-5.30、-2.53和-4.90 mV/K。能量转换效率随温度升高而显著下降,随着温度交变循环作用次数增加,电池的输出性能逐渐下降。基于此性能测试,还针对硅基β辐致伏特效应同位素电池进行了换能单元制备工艺优化研究及栅型上电极表面结构优化设计等探索工作。3)采用Geant4针对常用的β和α辐致伏特效应同位素电池研究了在放射源与换能单元之间的不同空气间隙厚度下,同位素电池所处环境的真空度对其性能输出的作用机制。通过计算得到63Ni-Si和241Am-Si两种电池中的辐射沉积能量随真空度的变化规律,即随着压强的增加,输出性能显示略微降低,然后以较快速度下降;进而获得电池电学性能参数与真空度之间的响应关系。此外,还利用了147Pm-Si电池进行了真空度效应的实验验证研究,所得实验结果也反映了真空度对电池性能影响较大。本文为辐致伏特效应同位素电池的制备,以及环境中温度和真空度对同位素电池电学输出性能的影响的研究工作提供了依据,为适应特殊环境下放射源与换能单元的搭配组合的选择提供了重要参考价值,推动辐致伏特效应同位素电池离实际应用更近一步。
【关键词】：辐致伏特效应 换能单元 放射源 温度效应 Geant4 真空度效应
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM918
【目录】：

摘要4-5
ABSTRACT5-14
第一章绪论14-21
1.1 研究背景及意义14-15
1.2 辐致伏特效应同位素电池的国内外研究现状与存在的问题分析15-19
1.2.1 辐致伏特效应同位素电池国外研究现状15-18
1.2.2 辐致伏特效应同位素电池国内研究现状18
1.2.3 辐致伏特效应同位素电池存在的问题分析18-19
1.3 本文的研究目的和研究内容19-21
第二章辐致伏特效应同位素电池的工作原理与制备21-31
2.1 辐致伏特效应同位素电池的工作原理21-26
2.1.1 辐致伏特效应同位素电池的工作原理21-22
2.1.2 辐致伏特效应同位素电池常见的结构分类22-24
2.1.3 放射源及半导体换能单元材料的选择24-26
2.2 辐致伏特效应同位素电池的制备流程26-30
2.2.1 半导体换能单元的制备26
2.2.2 PCB板的制备26-27
2.2.3 导电银胶的配制与固化27-28
2.2.4 导线焊接与放射源的加载28-30
2.3 本章小结30-31
第三章温度对 β 辐致伏特效应同位素电池输出性能的影响与表面结构优化设计31-63
3.1 材料与方法31-36
3.1.1 换能单元和放射源的选择31-33
3.1.2 温度对 β 辐致伏特效应同位素电池影响的实验测试33-34
3.1.3 温度对 β 辐致伏特效应同位素电池影响的理论分析34-36
3.2 实验结果与讨论36-54
3.2.1 温度对基于不同能量放射源、不同换能单元材料的 β 辐致伏特效应同位素电池的性能影响36-47
3.2.2 温度对基于不同活度放射源的 β 辐致伏特效应同位素电池的性能影响47-51
3.2.3 温度循环对 β 辐致伏特效应同位素电池的性能影响51-54
3.3 β 辐致伏特效应同位素电池的表面结构优化设计探究54-61
3.3.1 半导体换能单元表面浅结制备工艺的优化55-57
3.3.2 上电极的优化设计57-61
3.4 本章小结61-63
第四章真空度对辐致伏特效应同位素电池输出性能的影响63-77
4.1 辐致伏特效应同位素电池受真空度影响的理论研究63-66
4.1.1 放射源和换能单元的选取63
4.1.2 理论模型计算方法63-66
4.2 真空度对基于 β、α 不同放射源的辐致伏特效应同位素电池的输出性能研究66-72
4.2.1 不同真空度及空气间隙条件下的换能单元的能量沉积67-68
4.2.2 辐致伏特效应同位素电池各特性参数计算及分析68-72
4.3 辐致伏特效应同位素电池受真空度影响的实验验证72-75
4.3.1 换能单元和放射源的选择72
4.3.2 真空度影响作用的实验测试72
4.3.3 实验测试结果及分析72-75
4.4 本章小结75-77
第五章总结与展望77-80
5.1 研究总结77-78
5.2 研究展望78-80
参考文献80-85
致谢85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文86

【参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 LIU YunPeng;TANG XiaoBin;XU ZhiHeng;HONG Liang;WANG Peng;CHEN Da;;Optimization and temperature effects on sandwich betavoltaic microbattery[J];Science China(Technological Sciences);2014年01期

2 颜秀文;武祥;;宽禁带半导体关键设备技术及发展[J];电子工业专用设备;2013年05期

3 张华明;胡睿;王关全;高晖;刘国平;罗顺忠;;~(63)Ni辐射伏特同位素电池原型的研制[J];原子能科学技术;2013年03期

4 ;Optimization design of GaN betavoltaic microbattery[J];Science China(Technological Sciences);2012年03期

5 杨乐;高华;;太阳电池栅线优化设计[J];光电技术应用;2012年01期

6 陈海洋;尹建华;李大让;;Electrode pattern design for GaAs betavoltaic batteries[J];半导体学报;2011年08期

7 乔大勇;陈雪娇;任勇;藏博;苑伟政;;一种基于PIN结的硅基微型核电池研究[J];物理学报;2011年02期

8 沈天健;梁代骅;蔡建华;戴志敏;夏汇浩;王建华;孙森;俞国军;王晓;王东兴;刘鑫;;具有独特用途的放射性同位素电池[J];核技术;2010年08期

9 黄生荣;林桂江;吴志强;黄美纯;;聚光型太阳电池表面栅电极的优化设计[J];光电工程;2009年12期

10 李旭辉;;MEMS发展应用现状[J];传感器与微系统;2006年05期

中国硕士学位论文全文数据库前1条

1 路伟;Geant4的开发及其在空间辐射效应分析中的应用[D];国防科学技术大学;2007年

本文关键词：辐致伏特效应同位素电池的温度和真空度效应影响研究