一种高效换能的辐致荧光同位素电池制造技术

一种高效换能的辐致荧光同位素电池，包括透明封装波导、放射性同位素源、辐致荧光晶体、反射层、光学增透层、光伏单元以及光学耦合层；晶体上下表面为反射层，四个侧面磨抛处理；放射源与晶体呈交替分布，顶层与底层为闪烁晶体；透明封装波导内部做增透处理，并对放射源与荧光层进行封装，形成辐致荧光组件；光伏单元接收辐致荧光组件侧面出射的荧光，其两者之间加载光学耦合层。将放射源与闪烁晶体交替排布，增大辐射粒子与荧光层的接触面积，提高衰变粒子利用效率，在有效收集衰变粒子的同时，通过反射结构实现光子的定向出射，增强辐致荧光组件侧面出射的光功率密度，实现辐致荧光同位素电池换能效率的提升。位素电池换能效率的提升。位素电池换能效率的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种高效换能的辐致荧光同位素电池


[0001]本专利技术涉及微型能源领域，尤其涉及一种高效换能的辐致荧光同位素电池。

技术介绍

[0002]同位素电池，也称为核电池，是一种将放射性同位素源衰变产生的载能粒子或衰变热通过换能部件转化为电学输出的电池装置。由于其具有能量密度高、能量源稳定、可持续自供电等独特优势，在航空航天、军事国防等特殊领域、极端环境有着深远的应用前景。
[0003]1896年3月亨利
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贝克勒尔(Henri Becquerel)观测到了天然放射物双氧铀硫酸钾盐产生的辐致荧光现象；首次证明了将辐射能转化为光能的可行性。1957年，Elgin
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Kidde将
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Pm源与CdS荧光粉混合制成自发光体，并采用Si光伏单元对其进行换能，首次制备出了辐致光伏效应同位素电池。这是一种间接能量转化机制的核电池，利用放射性同位素源衰变产生的载能粒子照射在荧光层上，激发出辐致荧光光子，最终被光伏单元收集形成电学输出。
[0004]2017年，美国陆军实验室以及马里兰大学的Johnny Russo等人采用
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NiCl2与ZnS:Cu,Al荧光粉的混合液耦合InGaP光伏单元，制备出一种三维耦合模式的辐致荧光同位素电池(Russo J,Litz M,Ray W,et al.A radioluminescent nuclear battery using volumetric configuration:
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Ni solution/ZnS:Cu,Al/InGaP[J].Applied Radiation and Isotopes,2017,130:66
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74.)，减少了同位素源能量的损失；2021年，南航汤晓斌团队论证了辐致荧光光强对光伏单元换能效率的影响规律(光伏单元存在入射光强阈值，入射光强低于该值时，光电换能效率低)，提出了通过增加源项能量与活度，进而提升核电池整体能量转化效率的方案(Jiang T,Xu Z,Meng C,et al.In
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Depth Analysis of the Internal Energy Conversion of Nuclear Batteries and Radiation Degradation of Key Materials[J].Energy Technology,2020,8(12):2000667.)。目前辐致荧光同位素电池的能量转化效率普遍小于1％，相较于理论计算的换能效率存在较大落差。
[0005]目前所研制的辐致荧光同位素电池普遍采用了简单三层排布结构，即放射源
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荧光层
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光伏单元依次排列，其劣势包括：源项粒子单面发射，有近一半的衰变粒子未利用；荧光层中的荧光粉材料粒径尺寸较大，除了材料自身的吸收以外，还对出射的光子产生阻挡效果；光伏单元仅接收单位面积的同位素源激发产生的荧光光子，未采用优化的聚光技术提升出射光功率密度，进而阻碍光电能量转化过程。因此，现在已有的辐致荧光同位素电池的能量损失严重，换能效率低，输出功率弱，难以满足实际的用电需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种高效率的辐致荧光同位素电池，通过闪烁晶体表面微纳结构制备，实现晶体中产生的辐致荧光光子从侧面定向发射，增强单位面积输出光功率密度；采用放射源与荧光层周期性排布，结合同位素源衰变粒子任意角度出射的特性，有效减少了辐射能量的损失。实现源项效率提升、同位素源大量密
集加载以及辐致荧光光功率密度的增强，使制备的辐致荧光同位素电池的换能效率高、输出功率强。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种高效换能的辐致荧光同位素电池，包括透明封装波导、放射性同位素源、辐致荧光晶体、反射层、光学增透层、光伏单元和光学耦合层；
[0009]所述透明封装波导为中空的六面体结构，透明封装波导的四个出光面内部制备有所述光学增透层，所述辐致荧光晶体的上下表面设有所述反射层，放射性同位素源与辐致荧光晶体上下交替堆叠于透明封装波导内，形成辐致荧光组件，且透明封装波导的最上层和最下层均为制备有反射层的辐致荧光晶体；将辐致荧光组件与光伏单元通过光学耦合层进行连接，形成辐致荧光同位素电池。
[0010]所述放射性同位素源的厚度不超过500μm，衰变粒子双向发射；所述放射性同位素源包括固态片状源、液态源或凝胶态源。
[0011]所述辐致荧光晶体为六面体结构闪烁晶体，且为薄片状。
[0012]所述辐致荧光晶体的光子透射率在其发光波长处不小于80％，其长宽尺寸与放射性同位素源一致，高度不超过放射性同位素源衰变粒子在辐致荧光晶体中的能量沉积深度。
[0013]所述辐致荧光晶体的四个出光面进行粗糙度处理，包括切割断面、粗磨、细磨、抛光中的至少一种。
[0014]所述反射层通过磁控溅射、电子束蒸发、离子束溅射、原子层沉积或分子束外延工艺生长在辐致荧光晶体表面。
[0015]所述反射层为厚度50～100nm的金属薄膜，或者为厚度小于1μm的TiO2/SiO2材料的多层介质反射膜。
[0016]所述透明封装波导的透射率不小于95％。
[0017]所述光学增透层的厚度为50nm～100μm。
[0018]所述光伏单元的量子效率响应曲线覆盖整个辐致荧光光谱。
[0019]相对于现有技术，本专利技术技术方案取得的有益效果是：
[0020]1、采用荧光层夹放射源的耦合方式，减少了源项辐射能量的自吸收，有效收集各个方向出射的衰变粒子，提高了单位体积内辐致荧光反应的比表面积，有效增加了单位体积下源项的加载活度，实现了同位素电池更高的能量密度。
[0021]2、在闪烁晶体表面进行微纳加工，制备百纳米厚的金属反射膜，以及微米量级的多层介质膜，既保证了最小的辐射粒子能量吸收，又实现了荧光光子的定向出射；再通过多层堆叠排布，极大的提高了单位面积输出光功率密度，使入射进光伏单元的辐致荧光光强高于光伏单元的入射光强阈值，进而提升同位素电池的整体换能效率。
[0022]3、本专利技术所需的放射性同位素源项类型广泛，包括固态、液态以及凝胶态，因此可以通过多种途径实现源项的采集与获取，甚至包括含有放射性的核废料等，从根源上降低同位素电池的生产成本。
[0023]4、本专利技术中的辐致荧光组件与光伏单元是两个独立部件，可以进行拆分且互不干扰，提高了电池的使用可靠性与便捷性；此外，辐致荧光组件还可以单独作为一种长寿命高可靠的光源使用。
[0024]5、本专利技术所述同位素电池结构紧密，尺寸微小，安全可靠，性能稳定；可以通过多模块阵列集成方式实现较高的功率输出，有望在未来得到更广泛的应用。
附图说明
[0025]图1是本专利技术中辐致荧光同位素电池的结构示意图。
[0026]图2是本专利技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效换能的辐致荧光同位素电池，其特征在于：包括透明封装波导、放射性同位素源、辐致荧光晶体、反射层、光学增透层、光伏单元和光学耦合层；所述透明封装波导为中空的六面体结构，透明封装波导的四个出光面内部制备有所述光学增透层，所述辐致荧光晶体的上下表面设有所述反射层，放射性同位素源与辐致荧光晶体上下交替堆叠于透明封装波导内，形成辐致荧光组件，且透明封装波导的最上层和最下层均为辐致荧光晶体的反射层；将辐致荧光组件与光伏单元通过光学耦合层进行连接，形成辐致荧光同位素电池。2.如权利要求1所述的一种高效换能的辐致荧光同位素电池，其特征在于：所述放射性同位素源的厚度不超过500μm，衰变粒子双向发射；所述放射性同位素源包括固态片状源、液态源或凝胶态源。3.如权利要求1所述的一种高效换能的辐致荧光同位素电池，其特征在于：所述辐致荧光晶体为六面体结构闪烁晶体，且为薄片状。4.如权利要求1所述的一种高效换能的辐致荧光同位素电池，其特征在于：所述辐致荧光晶体的光子透射率在其发光波长处不小于80％，其长宽尺寸与放射性同位素源...

【专利技术属性】
技术研发人员：伞海生，姜同心，唐显，李鑫，张利峰，李思杰，张磊，秦少鹏，任劼莹，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：