一种真空介质同位素β辐射电池及其应用系统的制作方法

本发明涉及核电池技术领域，具体公开了一种真空介质的⁶³ni或¹⁴⁷pm同位素源β辐射电池及其应用系统。

背景技术：

微动力能源是微电机系统（mems）的重要基础，其研究和开发主要集中在以下几个方面：微型内燃涡轮发动机及发电机系统、微型燃料电池、微型锂蓄电池、微型太阳能电池、微型zn-ni电池、微型温差电池及同位素微电池等。

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。

例如申请号为2015100210131的发明就公开了一种热核电池，其包括至少一个热核电池单元，热核电池单元以含有β射线源的物质作为发射极，以该发射极为中心从近至远对称设置：硅晶片、合金片、永磁片、电容板。该发明提供的热核电池中就采用特有结构的硅晶片，该热核电池采用半导体硅晶片提高接触面积，但是β辐射会大大降低半导体性能，从而导致输出衰减的一系列问题。而真空介质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，具有很高的应用价值。因此，本发明提出了一种能够有效避免上述技术问题发生的真空介质的⁶³ni或¹⁴⁷pm同位素源β辐射电池及其应用系统。

技术实现要素：

本发明的目的是针对同位素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的问题，提出了一种真空介质的⁶³ni或¹⁴⁷pm同位素β辐射电池及其应用系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种真空介质同位素β辐射电池，包括⁶³ni或¹⁴⁷pm放射性同位素源、密封外壳、正电极和负电极，所述密封壳体由不锈钢材质制成，其不锈钢材质要求满足自身强度应能承受一个标准大气压，所述密封壳体上连接有绝缘密封环，所述正电极通过绝缘密封环伸入密封壳体内部的真空内腔中，所述⁶³ni或¹⁴⁷pm放射性同位素源设置在真空内腔中且与正电极相连接，并且⁶³ni或¹⁴⁷pm同位素源的丰度、活度、规格、输出功率可以根据实际需要、材料、生产工艺等而作相应的提高或降低，所述密封壳体的内壁上均匀涂布有ι族金属元素的涂抹层，所述⁶³ni或¹⁴⁷pm放射性同位素源与涂抹层之间通过绝缘缓冲衬垫进行隔开固定，所述负电极与密封壳体的外表面相连接。

作为上述方案的进一步设置，所述密封外壳为长方体状，所述⁶³ni或¹⁴⁷pm放射性同位素源为长方形片状，但具体的密封外壳和长方形片状的形状不仅限于上述，其可根据实际情况或需求进行制备。

作为上述方案的进一步设置，所述绝缘密封环由陶瓷材料制成，其绝缘密封环的材质也不仅限于与上述。

作为上述方案的进一步设置，所述真空内腔的内部真空度为10^-2pa~10^-3pa，其真空内腔中的气压大小越接近真空状态越好。

作为上述方案的进一步设置，所述涂抹层的厚度为10^－2mm，具体涂抹层的厚度尽量控制在上述厚度范围内。

作为上述方案的进一步设置，所述绝缘缓冲衬垫由石英绵材料制成，其绝缘缓冲衬垫材质也不仅限于上述。

一种使用上述真空介质同位素β辐射电池的应用系统，包括多个所述真空介质同位素β辐射电池、直流变压装置和多组锂电池，多个所述真空介质同位素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为输出电压恒定，输入电压随着真空介质的⁶³ni或¹⁴⁷pm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。

作为上述方案的进一步设置，多个所述真空介质同位素β辐射电池并联后的功率与单个的锂电池的功率相同，即保证了并联在一起的β辐射电池组的规格数量与二次锂电池系统中的一组或多组在充电时间和使用时间上相匹配。

有益效果：

本发明公开的真空介质的⁶³ni或¹⁴⁷pm同位素β辐射电池及其应用系统，其工作原理是β放射源释放的载能粒子通过准真空介质中一个对能量损失较小的空间距离后产生较高电压的电能，与现有技术相比，其整个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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中真空介质同位素β辐射电池的主视内部平面结构示意图；

图2为本发明中真空介质同位素β辐射电池的侧视内部平面结构示意图；

图3为本发明中应用系统的连接示意图。

其中：1-β辐射电池单元，101-⁶³ni或¹⁴⁷pm的同位素源，102-长方体，103-金属钠，104-陶瓷质绝缘密封环，105-正电极；

2-直流降压装置，3-锂电池。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

术语中的“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图1-3，对本发明公开的真空介质同位素β辐射电池及其应用系统进行详细说明。

本发明提供了一种真空介质同位素β辐射电池及其应用系统。技术方案简单，真空介质β辐射电池输出电压高，通过直流降压后，适合给二次锂电池充电，具有重要的应用价值。

具体原理：β放射源释放的载能β粒子与放射源自身发生相互作用时产生自吸收现象：低能β粒子的能量很容易沉积在放射源内部，只有能量较高的载能β粒子才有机会从放射源表面出射。由于β放射源自吸收效应，随着放射源厚度的增加，其表面出射功率先是不断增加而后趋于饱和值。本发明中所述片状纯β放射源的厚度不大于其表面出射功率达到饱和值时对应的厚度。

具体地，钷147源（¹⁴⁷pm）的厚度不大于2μm且优选于2μm，镍63源（⁶³ni）的厚度不大于3μm且优选于3μm。

一种真空介质同位素β辐射电池及其应用系统，其工作原理是利用同位素β辐射电池的电能中高电压、低电流的特点，给二次锂电池充电，为了提高充电的效率，在系统的设计上增加了β辐射电池并联和直流变压的部分；在实际应用的可行性上，又将二次锂电池分成两两组分开切换“一边用一边充”。

具体的β辐射电池制备过程如下：

步骤1：选择⁶³ni或¹⁴⁷pm作为同位素源101制作的一个单元的β辐射电池。

步骤2：在⁶³ni或¹⁴⁷pm的同位素源101外面套一个不锈钢材质封闭的长方体102，并外接导线作为负电极（图中未画出），同时不锈钢材质封闭的长方体102的强度应能承受一个标准大气压。

步骤3：在封闭的长方体102内表面的不锈钢材质上涂抹厚度约为10^－2mm的金属钠103或其它ι族金属元素（锂、钾等），并且金属钠103与同位素源101之间用石英绵质绝缘缓冲衬垫来隔开固定。同时，还在锈钢材质封闭的长方体102上连接一个陶瓷质绝缘密封环104，将正电极105通过陶瓷质绝缘密封环104伸入长方体102的内腔100与同位素源101相连接，同时保证正电极105与伸入陶瓷质绝缘密封环104处为密封状态。

步骤4：将上述的不锈钢材质封闭的长方体102与⁶³ni或¹⁴⁷pmi同位素源102之间的空间抽成真空，控制其内部真空度为10²pa~10^-3pa。

步骤5：将若干个上述的β辐射电池单元1并联起来，引出共同的阳极和阴极，再与直流降压装置2相连结，目的使输出电压恒定。

步骤6：直流变压装置2输出的恒定电压给两组二次锂电池3进行充电，两组二次锂电池3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。

实施例1

以⁶³ni同位素源为例：

设定制作的一个单元的β辐射电池输出功率为1mw，就需要活度为1ci的⁶³ni同位素源，其规格是长1.4cm、宽1.4cm、厚度0.1mm。

在上述规格的⁶³ni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⁶³ni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⁶³ni同位素源之间的空间抽成真空，将真空度控制在10²pa~10^-3pa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。

直流变压装置输出的恒定电压给两组二次锂电池充电，两组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，1000个如上所述的并联在一起的β辐射电池匹配一组功率是1w的锂电池。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。