同位素光源装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及光源技术领域，特别涉及一种同位素光源装置及其制作方法。

背景技术

同位素光源是一种无需外加能源的自激发光源，其原理是利用放射性同位素释放出的β粒子来激发荧光物质进行发光。目前，同位素光源存在单位体积的同位素加载活度较小，光源亮度弱的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供了一种新型结构的同位素光源装置及其制作方法，以提高单位体积的同位素加载活度。

第一方面，本申请提供了一种同位素光源装置，包括：透光壳体和设置于透光壳体内的发光元件，其中，发光元件包括：至少一层放射性同位素薄膜，放射性同位素薄膜包括薄膜基质材料和形成在薄膜基质材料中的放射性同位素，放射性同位素能够向外部辐射β粒子；和多层荧光层，每个放射性同位素薄膜的相对的两侧分别设有一层荧光层，荧光层包括基体材料和形成在基体材料中的荧光元素，其中，荧光元素能够在与β粒子发生碰撞后形成光子。

第二方面，本申请提供了一种同位素光源装置的制作方法，包括：将放射性同位素源与聚乙二醇水溶液混合形成前驱体，放射性同位素源能够向外部辐射β粒子；提供多层荧光层，荧光层包括基体材料和形成在基体材料中的荧光元素，荧光元素能够在与β粒子发生碰撞后形成光子；将前驱体涂覆于每个荧光层的一侧表面并进行干燥，以在每个荧光层上形成一层放射性同位素薄膜；提供透光壳体，将多层荧光层放入透光壳体内，使得每个放射性同位素薄膜的相对的两侧分别设有一层荧光层。

在本申请实施例中，放射性同位素薄膜的两侧均为荧光层，且荧光层内含有荧光元素，从而使得放射性同位素薄膜辐射的大量β粒子能够进入两侧的荧光层中与荧光元素发生碰撞，从而形成大量光子，由此提高单位体积的同位素加载活度，进而有利于提高同位素光源的亮度。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明一个实施例的同位素光源装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的同位素光源装置的示意性原理图；

图3是根据本发明另一个实施例的同位素光源装置的结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

附图标记说明：

1、放射性同位素薄膜；2、荧光层；3、透光壳体；31、壳本体31；311、阶梯状沉孔；32、壳盖板；321、凸肩；4、反射层；5、金属盖板；51、板体；52、翻边。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本发明实施例的描述中“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在相关技术中，同位素光源中采用的放射性同位素主要为氚。氚同位素光源主要包括固体光源和气体光源两种。固体光源是将放射性同位素氚与荧光材料通过混合或聚合等方式制备成发光粉末，然后密封在透明玻璃容器内；气体光源是通过在玻璃容器内壁涂覆荧光粉涂层，然后充入氚气。但是本申请的发明人发现，相关技术的氚同位素光源中氚与荧光材料的加载方式导致单位体积的同位素加载活度较小，从而导致相关技术中的同位素光源亮度弱。

针对相关技术中存在的上述技术问题，本申请的发明人提出一种新的加载方式来加载放射性同位素和荧光材料，并由此提出了一种具有新型结构的同位素光源装置。

参见图1，本发明实施例的同位素光源装置包括：透光壳体3和设置于透光壳体3内的发光元件。发光元件包括：至少一层放射性同位素薄膜1和多层荧光层2。放射性同位素薄膜1包括薄膜基质材料和形成在薄膜基质材料中的放射性同位素，放射性同位素能够向外部辐射β粒子。每个放射性同位素薄膜1的相对的两侧分别设有一层荧光层2，荧光层2包括基体材料和形成在基体材料中的荧光元素，其中，荧光元素能够在与β粒子发生碰撞后形成光子。

在本申请实施例中，放射性同位素薄膜1的两侧均为荧光层2，且荧光层2内含有荧光元素，从而使得放射性同位素薄膜1辐射的大量β粒子能够进入两侧的荧光层2中与荧光元素发生碰撞，从而形成大量光子，由此提高单位体积的同位素加载活度，进而有利于提高同位素光源的亮度。

由此可见，本申请实施例提供了一种完全不同于传统氚光源结构的同位素光源装置，其能显著提高同位素光源的亮度和/或光输出功率，且同时能够长时间稳定地工作，拓展了同位素光源的应用领域。

容易理解，荧光层2包括平行于放射性同位素薄膜1的两个端面和连接在两个端面之间的周向侧面。每层放射性同位素薄膜1的两个表面分别与两个荧光层2的相面对的端面相接。每两层荧光层2和中间的放射性同位素薄膜1构成“三明治”式发光单元，通过发光单元的纵向堆叠就可形成实际所需的发光元件；发光元件被密封在高透光的壳体内形成同位素光源装置。

在图1示出的实施例中，共有10层荧光层2和9层放射性同位素薄膜1。相邻两层放射性同位素薄膜1之间由一层荧光层2隔开。发光元件厚度方向的两个最外侧均为荧光层2。在其他的实施例中，发光元件也可仅设置一层放射性同位素薄膜1和两层荧光层2，两层荧光层2分别位于放射性同位素薄膜1两侧。

在本申请实施例中，薄膜基质材料的折射率小于基体材料的折射率。在一些实施例中，薄膜基质材料的折射率与基体材料的折射率的比值小于预设值，以使大部分光子能够通过荧光层2的周向侧面向外辐射。在这样的实施例中，荧光层2的周向侧面为出光表面。本申请实施例可以选择合适的基体材料与薄膜基质材料，使基体材料与薄膜基质材料之间具有较大的折射率差以形成光波导效应，导致大部分光子(50％以上光子)能够通过荧光层2的周向侧面向外辐射，产生聚焦效果，从而进一步提高同位素光源的亮度。

容易理解，光波导效应关键是中间介质(即荧光层2)的折射率要高于两侧介质(放射性同位素薄膜1)的折射率，以能够出现全反射临界角。全反临界射角越小，就越有利于光子通过荧光层2的周向侧面向外辐射。可以根据折射率选择合适的荧光层2的基体材料与放射性同位素薄膜1的薄膜基质材料。在一些实施例中，预设值例如可以为0.8，即薄膜基质材料的折射率与基体材料的折射率的比值小于0.8。

参见图2，本申请实施例基于光波导效应的新型同位素光源装置的工作原理是由放射性同位素源向4π方向释放出的β粒子进入荧光层2内部，通过与荧光元素发生碰撞，激发其核外电子发生能级跃迁，当电子退激时释放出光子；释放出的光子随机向4π方向发射，由于基体材料与薄膜基质材料之间存在较大折射率差从而形成光波导效应，导致光子大部分会从荧光层2的周向侧面出射，产生了聚焦效果，从而提升亮度。

一般固体材料的折射率是随密度正向变化的，在一些实施例中，可以根据密度选择薄膜基质材料和基体材料，使得两者之间具有较大密度差。

在一些实施例中，薄膜基质材料可以为聚乙二醇，基体材料可以为钇铝石榴石(YAG)。YAG的密度为4.5g/cm

在一些实施例中，基体材料也可以为其他有高透光性的荧光材料。

放射性同位素可以为锶90、镍63和钇90中的至少一种。在一些实施例中，放射性同位素为锶90，相比其他放射性同位素，锶90能够释放高能β粒子，源效率高，体积比活度也高，从而有利于提高同位素光源的亮度。

可以将放射性同位素源与聚乙二醇水溶液混合形成前驱体。例如可以将聚乙二醇粉末溶于水制备出浓度小于1g/L的水溶液，而后将放射性同位素源溶解于该水溶液形成前驱体。放射性同位素源例如可为硝酸锶、碳酸锶、氟化锶或它们的混合物。一般前驱体中放射性同位素的浓度可以为10～1000mg/mL。

放射性同位素薄膜1可以由前驱体在荧光层2(如YAG)表面涂覆、烘干得到。

放射性同位素薄膜1的膜厚可以为10～400μm。在此范围内，单位体积的同位素加载活度较大。

荧光元素可以为Eu

当荧光元素为Ce

在一些实施例中，为了提高透光性，可以在荧光层2的周向侧面(即出光表面)涂覆增透膜。可以采用CVD蒸涂增透膜，以提高增透膜与荧光层2的周向侧面之间的结合度，从而提高增透膜的增透效果。

具体地，可以使增透膜的厚度为出光波长的1/4，其上下两个界面反射光线会因相位差导致振幅抵消，宏观上显现为荧光层2的周向侧面出射光的反射能量减少。增透膜可为单层或多层设计，一般选用氧化钛，氧化钽，氧化铌，氧化硅和氟化镁中的一种或多种。

在一些实施例中，光源装置还包括：反射层4，形成在发光元件的位于最外侧的荧光层2的外侧端面，该外侧端面即为位于最外侧的荧光层2背对放射性同位素薄膜1的一侧端面。反射层4用于反射发光元件厚度方向的正面出光，以减少从发光元件的厚度方向出光，增加从发光元件的侧向出光。

在一些实施例中，反射层4可以是由6061铝合金制备的块状部件，为了增大反射效果，可以使反射层4表面抛光粗糙度≤1.6，厚度为0.2～3mm。

在一些实施例中，透光壳体3可以包括：壳本体31和壳盖板32。壳本体31限定有容纳腔和与容纳腔连通的开口。壳本体31的开口处形成阶梯状沉孔311。壳盖板32形成有凸肩321，用于与壳本体31的阶梯状沉孔311配合，以密封壳本体31的开口。通过设置阶梯状沉孔311和凸肩321，可以减少从壳盖板32的边缘向外部的放射性辐射。壳体壁厚的设计须满足密封放射源的安全分级要求，一般可选择3～6mm。壳盖板32可以与发光元件的厚度方向垂直，从而使发光元件发出的光线经由壳本体31的周向侧壁向外出射。由于壳本体31为一体成型件，壳本体31的周向侧壁不存在影响出光的部分，有利于光源装置出光均匀。

在图示的实施例中，透光壳体3具有正方体或长方体结构。

在本申请实施例中，为了保证透光性，壳本体31和壳盖板32分别为由石英经冷加工后再进行火抛光处理而成的一体成型件。

冷加工可以为常温的机械加工，用于分别将石英整体加工形成壳本体31和壳盖板32。冷加工具体包括：机铣(类似于粗加工)和之后的研磨加工(类似于精加工)。研磨加工之后的石英壳本体31和石英壳盖板32表面为磨砂面，为提供透明度，进行火抛光处理。火抛光处理可以利用乙炔气枪进行火抛光，温度在1600～1700℃范围内。通过火抛光处理能够保证透光壳体3的透光率≥90％，进一步提高了光源装置的亮度。

壳本体31和壳盖板32的密封可以选择焊接密封(玻璃钎焊、激光焊接)，也可以采用粘结的方式。本申请实施例采用石英作为透光壳体3比现有采用硼化玻璃的技术安全性和耐辐照性更好。

参见图3，光源装置还可包括：两个金属盖板5，两个金属盖板5分别相对地盖设于壳盖板32的外侧和壳本体31的外侧。两个金属盖板5可以采用大面积粘结的方式与透光壳体3结合，从而实现对透光壳体3开口的二次保护，防止放射性物质泄露。容易理解，由于光源装置内部有放射性物质，因此透光壳体3必须密封，通过设置金属盖板5，能够在透光壳体3开口处密封失效的情况下，仍能保持放射性物质包覆容器的整体密封。

在一些实施例中，金属盖板5包括板体51和自板体51的周缘沿与板体51垂直的方向延伸的翻边52。由于设置有翻边52结构，从而进一步提高了金属盖板5与透光壳体3之间的密封性。金属盖板5可以由6061铝合金制成，反扣在透光壳体3上。

本发明实施例提出的同位素光源装置，通过调整加载活度和/或通过调整荧光层2的尺寸(侧面积与截面积的比值)能够实现对亮度的调节，使得同位素光源装置的亮度有更大的调控范围，拓宽了同位素光源的适用范围，而且也可与光伏器件结合形成同位素电池。

本申请实施例还提供了一种制作方法，用于制作本申请任一实施例的同位素光源装置。本申请实施例的制作方法包括：步骤S1至步骤S5。

步骤S1、将放射性同位素源与聚乙二醇水溶液混合形成前驱体，放射性同位素源能够向外部辐射β粒子。

步骤S2、提供多层荧光层2，荧光层2包括基体材料和形成在基体材料中的荧光元素，荧光元素能够在与β粒子发生碰撞后形成光子。

步骤S3、将前驱体涂覆于每个荧光层2的一侧表面并进行干燥，以在每个荧光层2上形成一层放射性同位素薄膜1。

步骤S4、提供透光壳体3。

步骤S5、在透光壳体3内将多层荧光层2组合在一起，使得每个放射性同位素薄膜1的相对的两侧分别设有一层荧光层2。

本申请实施例通过在荧光层2的一侧表面涂覆前驱体，并在干燥后在荧光层2上形成放射性同位素薄膜1，既增加了放射性同位素薄膜1与一侧荧光层2的紧密程度，有利于β粒子进入荧光层2中，同时还能够保证放射性同位素薄膜1的厚度可控，从而便于通过调节放射性同位素薄膜1的厚度调节同位素光源装置的亮度。

在步骤5中，多层荧光层2堆放在一起即可。可以将多层荧光层2堆在一起后一次推进透光壳体3；或者也可以将荧光层2一层一层装进透光壳体3中，直至装满为止。

进一步地，基体材料与聚乙二醇之间具有预设密度差以使光子能够通过荧光层2的周向侧面向外辐射。本申请实施例可以选择合适的基体材料，使基体材料与聚乙二醇之间具有较大的密度差以形成光波导效应，导致大部分光子(50％以上光子)能够通过荧光层2的周向侧面向外辐射，产生聚焦效果，从而进一步提高同位素光源的亮度。

在步骤S11中，可以将聚乙二醇粉末溶于水制备出浓度小于1g/L的水溶液，而后将放射性同位素源溶解于该水溶液形成前驱体。放射性同位素源例如可为硝酸锶、碳酸锶、氟化锶或它们的混合物。一般前驱体中放射性同位素的浓度可以为10～1000mg/mL。

放射性同位素薄膜1的膜厚可以为10～400μm。在此范围内，单位体积的同位素加载活度较大。

荧光层2的厚度可以为0.5～4mm。

发光元件和透光壳体3的之间可以为间隙配合。装配间隙可以在0.1-0.4mm范围内。

在一些实施例中，本申请实施例的制作方法还包括：在荧光层2的周向侧面涂覆增透膜。

在一些实施例中，本申请实施例的制作方法还包括：在发光元件的位于最外侧的荧光层2的外侧端面设置反射层4。

在一些实施例中，本申请实施例的制作方法还包括：在壳盖板32的外侧和壳本体31的外侧分别盖设两个金属盖板5。两个金属盖板5可以采用粘结的方式与透光壳体3结合。例如，可以使金属盖板5的本体的内侧表面和翻边52的内侧表面全部采用粘结的方式与透光壳体3结合。

在一些实施例中，步骤S4可以包括：将石英经冷加工后再进行火抛光处理制成一体成型件的壳本体31，壳本体31限定有容纳腔和与容纳腔连通的开口，开口处形成阶梯状沉孔311；将石英经冷加工后再进行火工处理制成一体成型件的壳盖板32，壳盖板32形成有凸肩321，用于与壳本体31的阶梯状沉孔311配合，以密封壳本体31的开口。

将石英经冷加工后再进行火抛光处理制成一体成型件能够保证透光壳体3的透光率≥90％。

将石英经冷加工后再进行火抛光处理制成一体成型件的具体步骤可以包括：将石英整料切割形成待加工坯料，之后将待加工坯料立体铣成型，再在表面抛光研磨，之后进行火抛光处理以提高透明度。火抛光处理可以利用乙炔气枪进行火抛光，温度在1600～1700℃范围内，经过火抛光处理后，能够保证一体成型件的透光率≥90％。

按照本申请实施例的制作方法制作了两层“三明治”结构锶90同位素光源，其共有三层荧光层2和两层锶90同位素薄膜，两个锶90同位素薄膜之间设置一层荧光层2，两个锶90同位素薄膜相背的一侧分别设置一层荧光层2。荧光层2为铈掺杂的透明陶瓷(YAG：Ce)板。测试表明，每层锶90薄膜源的加载活度为总β26mCi，发光亮度达到1.2Cd/m

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。