β辐射伏特效应核电池的研发现状

第39卷第3期 2019年5月

核电子学与探测技术

Nuclear Electronics &D etection Technology

Vol. 39 N o. 3

May. 2019

P辐射伏特效应核电池的研发现状

何瑞，陆景彬'刘玉敏，李潇祎,郑人洲，许旭，王皓迪

(吉林大学物理学院，吉林长春130012)

摘要:近年来，关于(J辐射伏特效应核电池的研究主要集中在放射源的选取以及新型半导体材料器 件的加工工艺等方面。从能量转换机制、放射源的选择、换能器件材料的选择、电池的输出性能和能量 转换效率等方面对P辐射伏特效应核电池进行了讨论和分析。最后对核电池的研究方向和应用前景进 行了展望。

关键词:放射性同位素电池;P辐射伏特效应;能量转换效率

中图分类号：0571.33 文献标志码：A

放射性同位素电池（核电池）是将放射性 同位素在衰变时释放的能量转化为电能的装 置。它的应用领域十分广泛:例如大型建筑物 和桥梁地基中使用的嵌人式传感器，人体内的 心脏起搏器动力源，深海、极地、荒漠等极端气 候条件下对环境进行的探测或监控仪器微电源 等〜5]。目前，核电池主要有cx温差核电池、a 辐射伏特效应核电池、(3辐射伏特效应核电池 和P光伏辐射伏特效应核电池。近年来，微机 电系统的研发和应用得到了飞速的发展，但它 却受到了缺乏微型电源的限制卜7]。P辐射伏 特效应核电池因其具有可微型化、可集成化、能 量密度高、使用寿命长和不依赖外界能量等特 点成为微机电系统电源的理想选择。目前，P

收稿日期：2018-06-04

基金项目：国家自然科学基金（11075064);国家重大科 学仪器设备开发专项（2012YQ240121)资助。

作者简介：何瑞（ 1993—），男，吉林白城人，在读硕士 生，攻读方向为核技术及应用研究。

*通讯作者：陆景彬，男，教授，E-mail: ljb@ 。346文章编号：0258-0934(2019)3-0346-07

辐射伏特效应核电池已经在航空航天探测、深 海深地探测、高山极地等环境恶劣地区气象监 测、医疗仪器等领域得到了应用。本文在能量 转换机制的基础上，介绍了放射源与换能材料 的选取，并以63N i源为例，利用MCNP程序模拟 计算了源的自吸收过程与放射源在材料表面的 反散射规律。同时，从电池的输出性能和能M 转换效率等方面进行了讨论和分析。最后，展 望了未来核电池的发展前景。

1能量转换机制

3辐射伏特效应核电池属于直接能量转换 装置。它主要由P放射源，半导体换能器件和 电极组成。当P射线与半导体材料发生相互 作用时，通过电离激发作用产生电子空穴对，耗 尽层内和能扩散到耗尽层区的电子-空穴对会 在其内建电场的作用下分开并被电极收集，进 而实现了将放射源的衰变能转换为电能的过 程。图1是典型的基于PN结的单层平板式P 辐射伏特效应核电池能量转换机制示意图。

10.

0123456789 10

禁带宽度/eV

图2不同半导体材料的极限转换效率 与禁带宽度的关系图

2.2换能材料的选取

P 辐射伏特核电池的换能材料主要有桂 (义）、砷化镓（〇41入3)、碳化硅（&(：)、氮化镓 (GaN )等，材料参数如表2所列。当p 粒子与 物质相互作用时,半导体的禁带宽度是产生一 个电子-空穴对所需要的最小能量。而在材料 内部产生一个电子-空穴对所需要的平均能量 用平均电离能来描述。半导体材料的平均电离 能与禁带宽度之间的关系如式（1)所示。

/ = 2.8Eg +0.5

(1)

式中:&为半导体材料的禁带宽度;/为半导体 材料的平均电离能。

图2为半导体材料的极限转换效率与禁带 宽度的关系图。从图2可知：S iC 的极限转换 效率为33.6%，GaN 的极限转换效率为33.9%。 这两种材料的极限转换效率都接近于半导体材 料极限转换效率的饱和值。因此，SiC 和GaN 材料都适合于P 辐射伏特效应核电池。

P 放射源

图1基于P-n 结的单层平板式(3辐射

伏特核电池能量转换机制示意图

Ni 、147Pm 、2放射源和换能材料

2.1放射源的选取

常见的P 放射源有3H 、35S 、63 M r 、137Cs ,其基本参数列于表1。选择p 放射 源时需要考虑半衰期、衰变类型和子核的放射 性、P 粒子的平均能量和最大能量、同位素的丰 度以及放射源的比功率等因素。P 辐射伏特效 应核电池中应选择具有衰变粒子能量适中、半衰

期长、纯P -衰变并且衰变过程中未伴随7和X 射线发射的放射源。通常，3H 源、63N i 源和147Pm 源是P 辐射伏特核电池放射源的主要选择。

表1

常用P 源的基本参数

放射源

半衰期/a

P 最大能量/keV

P 平均能量/keV

衰变类型比功率/(W • gM )

3h

12.318.6 5.70.3635s

0.24167.548.812.3663 Ni 100.266.717.40.006147 Pm 2.622562P _、弱 70.412^S r 28.8546195.8P"

0.149137 Cs

30.1

1176

188.4

0.095

表2 p 辐射伏特核电池换能材料的参数

材料Si GaAs SiC GaN 禁带宽度/eV 1.12 1.42 2.9 3.39密度/(g • cm_3) 2.33 5.32 3.22 6.15摩尔质/(g • m dT1)

28.1144.640.183.7位移能/eV 19102824平均电离能/eV

3.63

4.13

9.7

9.8

5

5

5

4 3 3 2 2 1%/縢

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聲笟塋翠

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