基于液/气态源项的三维阵列结构辐致荧光同位素电池

技术领域

本发明涉及同位素电池领域，尤其涉及基于液/气态源项的三维阵列结构辐致荧光同位素电池。

背景技术

同位素电池，也被称为核电池，是一种通过能量转换器件将放射性同位素源衰变产生的载能粒子或衰变热以直接或是间接的方式转化为电学输出。由于其具有寿命长、能量密度高、环境适应性强等诸多优势，在极端、恶劣、复杂环境下，作为电子器件的电源模块有着广泛的应用潜力与深刻的战略意义。

1896年3月亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)利用具有天然放射性的双氧铀硫酸钾盐首次观测到了辐致荧光现象；间接观测到了放射性同位素衰变产生的粒子，也证明了辐射能转化为光能的可行性。后续，该研究发现被深化拓展到微能源领域，研发出了一种辐致荧光同位素电池。

2017年，美国陆军实验室以及马里兰大学的Johnny Russo等人采用液态

常规的辐致荧光同位素电池普遍采用了纵向堆叠结构，即放射源-荧光层-光伏单元的简单堆叠排布。其优势在于结构简单、易操作，但是其劣势也极为显著，同位素源背向发射的粒子被自吸收，损失近50％的衰变能量；荧光层一般为数十微米厚的荧光粉材料，其自身对可见光波段的光子存在较强的吸收，阻碍了辐致荧光光子的出射；此外，受同位素源项制备工艺技术的制约，同位素源单位面积下的有效粒子出射活度有限，激发出的荧光强度远未达到光伏单元高效换能的入射光强阈值。因此，目前已有的辐致荧光同位素电池的能量转换效率极低，且输出功率较弱，难以实际应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于液/气态源项的三维阵列结构辐致荧光同位素电池，通过创新源项与辐致荧光层的耦合方式，实现同位素源任意角度出射的衰变粒子均被辐致荧光层有效吸收；通过辐致荧光结构表面的微纳膜系生长，实现受激发射出的辐致荧光光子从指定端面定向出射，提高辐致荧光组件的出射光功率密度，进而优化光伏单元的光电换能效率，实现电池整体能量转化效率以及输出电功率增强的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于液/气态源项的三维阵列结构辐致荧光同位素电池，包括金属外壳、透明波导、放射性同位素源、闪烁晶体、反射层、增透层、光学耦合层以及光伏单元；

所述透明波导为凹槽结构，透明波导的底面设有所述增透层；所述闪烁晶体的底面为出光面，顶面和四个侧面设有所述反射层；所述闪烁晶体垂直排列于透明波导的凹槽之中构成闪烁晶体阵列，所述放射性同位素源填充于透明波导内阵列的缝隙中；所述金属外壳与透明波导键合形成辐致荧光组件；所述光伏单元置于辐致荧光组件的出光侧，并在两者之间填充所述光学耦合层。

所述金属外壳为凹槽结构，其与透明波导相适配，以使透明波导嵌套于金属外壳内。

所述放射性同位素源采用液态放射源或气态放射源。

所述闪烁晶体为六面体结构，其中长度与宽度尺寸相等，尺寸参数与放射性同位素源在闪烁体材料中的能量沉积以及粒子径迹有关。

所述闪烁晶体所产生的辐致荧光从底部端面进行定向出射，并且对出光端面进行粗糙度处理。

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闪烁晶体的五个非出光表面。

所述反射层为厚度50～100nm的金属薄膜，或者为厚度小于1μm的TiO

所述增透层采用磁控溅射、电子束蒸发、离子束溅射、原子层沉积或分子束外延工艺制备在透明波导内部底面；所述增透层的厚度为50nm～100μm。

所述透明波导的透射率不小于95％。

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。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明所述的辐致荧光同位素电池，包括辐致荧光组件和光伏单元换能组件。其中，辐致荧光组件包括，制备表面反射层的闪烁晶体、灌注在闪烁体间隙处的放射性同位素源、将生成的辐致荧光导出的透明波导、增强光子透射的增透膜以及对其整体结构进行封装的金属外壳；辐致荧光组件与光伏单元之间通过光学耦合层进行结合。本发明实现荧光材料与同位素源的三维高效耦合，提升源项能量利用率，扩大反应比表面积，有效富集了单位体积下源项的加载活度，进一步增加电池的能量密度。

2、通过在辐致荧光晶体表面制备反射膜，使辐致荧光光子在闪烁晶体出光面定向密集发射，提高单位面积的输出光功率密度，实现光伏单元的高效换能，提升同位素电池的整体换能效率。

3、利用液态同位素源作为电池能量来源，丰富了同位素源项的获取渠道，包括使用经过后处理的乏燃料，不仅可以解决现存乏燃料储存资源不足的重大问题，还有效降低了核电池制备的材料成本。

4、本发明中的辐致荧光组件与光伏单元是两个独立部件，在长时间的服役工况下，可对任一出现故障的部件进行单独更换，避免单个器件的短板影响电池整体的性能。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参与生产应用。

5、本发明所述核电池结构紧密，尺寸微小，安全可靠，性能稳定；可以通过多模块阵列集成实现更高的功率输出，有潜力应用在更广泛的场景。

6、金属外壳与透明波导之间紧密键合，放射性同位素源被约束在闪烁晶体阵列的间隔缝隙中，放射性同位素源与闪烁晶体被严格地密封在金属外壳与透明波导构成的腔内。

附图说明

图1为本发明辐致荧光同位素电池的结构示意图；

图2为发明辐致荧光同位素电池的俯视示意图；

图3是本发明中闪烁晶体的截面示意图；

图4为传统结构的辐致荧光同位素电池示意图。

附图标记：1-金属外壳；2-透明波导；3-放射性同位素源；4-闪烁晶体；5-反射层；6-增透层；7-光学耦合层；8-光伏单元。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～3所示，本发明基于液/气态源项的三维阵列结构辐致荧光同位素电池，包括金属外壳1、透明波导2、放射性同位素源3、闪烁晶体4、反射层5、增透层6、光学耦合层7以及光伏单元8；

所述透明波导2为凹槽结构，透明波导2的底面设有所述增透层6；所述闪烁晶体4的底面为出光面，顶面和四个侧面设有所述反射层5；所述闪烁晶体4垂直排列于透明波导2的凹槽之中构成闪烁晶体阵列，所述放射性同位素源3填充于透明波导2内阵列的缝隙中；所述金属外壳1与透明波导2键合形成辐致荧光组件；所述光伏单元8置于辐致荧光组件的出光侧，并在两者之间填充所述光学耦合层7。

所述金属外壳为凹槽结构，其与透明波导相适配，以使透明波导嵌套于金属外壳内。具体地，金属外壳的内径与透明波导的外径一致，两者通过阳极键合等方式结合密封，形成完整的辐致荧光组件。

所述放射性同位素源采用液态放射源或气态放射源；所述液态放射源包括但不限于氚-3(

所述闪烁晶体的材料为无机以及有机闪烁体，包括但不限于YAG:Ce、GAGG:Ce、LuAG:Ce、LuAG:Pr、LYSO、LSO、BGO、CsI:Na、CsI:Tl、NaI:Tl、CWO、LaBr

所述闪烁晶体为六面体结构，其中长度与宽度尺寸相等，尺寸参数与放射性同位素源在闪烁体材料中的能量沉积以及粒子径迹有关。闪烁晶体的高度为闪烁晶体辐致荧光峰值发射波长的整数倍，或是其他根据晶体透射率等参数优化计算得到的尺寸。具体地，根据所加载放射性同位素源能量的差异，闪烁晶体的长、宽尺寸参数要结合放射性同位素源在材料中的能量沉积深度进行动态调节，其中优化参数通过蒙特卡罗方法进行模拟计算。更具体地，所述闪烁晶体由辐致荧光材料组成，通过直拉法、区熔法等方法生长成晶体，通过切割、打磨、抛光，制备成柱状六面体结构。

所述闪烁晶体所产生的辐致荧光从底部端面进行定向出射，并且对出光端面进行粗糙度处理，包括切割断面、粗磨、细磨、抛光等，用于不同材料的闪烁晶体。

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闪烁晶体的五个非出光表面。

所述反射层为厚度50～100nm的Al、Ag、Ti、Pt等金属薄膜，或者为厚度小于1μm的TiO

所述增透层采用磁控溅射、电子束蒸发、离子束溅射、原子层沉积或分子束外延等工艺制备在透明波导内部底面；所述增透层的厚度为50nm～100μm，采用SiN、SiO

所述透明波导为掺杂铅、硼等材料的耐辐照光学波导，且对于可见光波段的透射率不小于95％，比如石英玻璃。

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，如：GaAs、Si、InP、InGaP、InGaAs、AlInP等半导体光伏单元。

所述光学耦合层为光学硅脂、光学硅油或高透射凝胶等材料，并填充在光伏单元与辐致荧光组件之间，使辐致荧光光子有效入射进入光伏单元表面。

实施例1

本实施例基于液/气态源项的三维阵列结构辐致荧光同位素电池可通过以下方法制备得到：

1)选取柱状六面体闪烁晶体，将其中所有表面进行抛光，对其中预设的出光底面进行遮挡后，采用磁控溅射的方式在其余四个侧面以及一个顶面溅射金属反射层，厚度为50nm。

2)在透明波导的内侧底面，采用电子束蒸发的方式针对出射光子的波长制备增透层。

3)将闪烁晶体排列在透明波导之中，其中出光面一侧与透明波导内的增透层直接接触。

4)在闪烁晶体阵列之间的缝隙处灌注满液态放射性同位素源。

5)采用阳极键合方式将金属外壳与透明波导之间结合紧密，至此，辐致荧光组件制备完成。

6)将光伏单元放置于透明波导底面一侧，并在两者之间加注光学硅脂，至此，本发明的辐致荧光同位素电池制备完成。

将电池引出的电极与用电器件或是储能电容相连接，便可以实现对器件的供电或是能量的存储。

如图4所示，传统结构的辐致荧光同位素电池采用简单的叠层结构，单位面积光伏单元所接收到的光为单位面积的同位素源激发单位面积的闪烁晶体所出射的。

在本发明提出的创新性结构实际加载液态放射源前，先通过模拟计算的方式对新型结构相比于传统结构的有效增幅进行预测。模拟了

以上内容及实施示例仅是对本发明内容的举例阐述，不能认定本发明的具体实施方案仅限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应视为本发明的保护范围。