技术领域
[0001] 本发明涉及一种微小型同位素电池，尤其涉及一种复合转换同位素电池，属于微能源领域。
相关背景技术
[0002] 同位素电池是通过利用放射性同位素的衰变能经换能单元转换成电能的一种供能装置。由于同位素电池由于具有结构紧凑，小尺寸、长寿命、可靠性高和免维护等优特点，可望用于植入式微系统、无线传感器节点网络后备电源以及人工心脏起搏器和便携式以及深海深空等需更换不便的长期供电设备。目前，有10余种转换机制的同位素，其中热温差（RTG）电池在航天和心脏起搏器等方面已有所应用，但RTG微型化较为困难，在微型化后，其转换效率极低；而辐射致光-光伏间接转换和辐射伏特直接转换机制的同位素电池，由于采用了半导体换能器件，在微型化方面具有独特的优势。
[0003] Bower, K. E.等人在《Polymers phosphors and voltaics for radioisotope microbatteries》（crc press bocaroton London New York Washington, D.C. www.crcpress.com.2002）中提出了采用金属硫化物涂层将装载的氚气衰变的射线转换成光能，然后再利用光伏转换最终实现将衰变能转换成电能。采用辐射致光-光伏转换的间接转换同位素电池，在辐射致光部分，可以减小低能射线的自吸收，提高射线的利用率，但由于采用二次转换，其总转换效率较低。
[0004] 在辐射伏特同位素电池方面，自从L.C. Olsen等在上世纪70年代研制了基于辐射伏特效应的Betacel原型辐伏同位素电池之后，不少科研单位和专利利用各种改进技术，以提高辐伏同位素电池的转换效率和输出功率。包括BetaBatt公司以及美国专利US7939986B2等提出了采用三维多孔器件作为换能器件改进措施；乔大勇等人在专利《具有保护环结构的微型核电池及其制作方法》（专利号CN101599308A）中提出采用保护环结构，以抑制表面漏电流，降低暗电流的改进措施；以及刘云鹏等人在专利《外延硅基PIN结微型同位素电池及其制备方法》（专利号CN102522136A）中提出的减小内阻等措施。
[0005] 但是，无论是辐射致光-光伏间接转换还是辐伏直接转换的同位素电池，目前其输出功率密度较小，离实际应用还有较大距离。已有研究表明，电池转换效率随输入功率密度增加而近似成指数上升，同时输出功率也成倍上升。因此，提高同位素电池输出功率密度除上述换能器件改进措施以提高转换效率外，另一条途径为包括增加放射源加载量和采用高能射线作为加载源等增大输入功率密度。依靠增加放射源加载量的方法会因增加低能放射源的自吸收而降低射线的有效利用率，并且增加有一饱和值；采用中高能β射线作为加载源则不能直接作用于辐伏电池换能器件，其原因在于当射线能量大于一阈值时（如对单晶硅，该阈值为200keV）,射线会对同位素电池换能器件的半导体产生辐射损伤，从而导致其转换性能在短期内急剧下降甚至失效。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明的复合转换同位素电池结构及其制作方法做进一步说明。
[0017] 实施例1：图1中，换能器件1为热扩散制备的单晶硅PN结型二极管，其基层厚度为250μm，结
15 -3
深0.5μm，基层掺杂浓度为3×10 cm ；辐射致发光材料2为4%铕掺杂的硅酸盐透明陶瓷
147
片，厚度为5mm；加载放射源3为电镀 Pm放射源；电池上电极4和电池下电极5均为1微米厚的Ti/Ni/Au。
[0018] 复合同位素电池的工作过程为：147Pm放射源β射线在穿过辐射致发光材料2铕掺杂的硅酸盐透明陶瓷片时，能谱中低能部分将其全部能量沉积在辐射致发光材料中，并在该过程中通过激发辐射致发光材料产生荧光，将沉积的能量部分转化成光能；能谱中中能射线一部分能量沉积在辐射致发光陶瓷材料中也产生光能，同时使中能射线在穿过辐射致发光材料后变成能量较低的射线。辐射致发光材料发出的光通过PN结型换能器件的光电效应转换成电能；穿透辐射致发光材料后的能量较低的射线通过PN结型换能器件的辐射伏特效应转换成电能。换能器件1通过复合转换的电能通过换能器件的上电池电极4和电池下电极5对外输出电能。
[0019] 实施例2：图2中，换能器件1为热扩散制备的外延硅基PN结型二极管，其外延层厚度为40μm，
16 -3
结深0.5μm，外延层掺杂浓度为1×10 cm ；辐射致发光材料2为4%铕掺杂的硅酸盐透明
90 90
陶瓷片，厚度为10mm；加载放射源3为化学沉积法制备的 Sr- Y陶瓷放射源；电池上电极
4和电池下电极5均为1微米厚的Ti/Ni/Au。
[0020] 该复合同位素电池的工作过程为：与实例1相似，90Sr-90Y放射源β射线在穿过辐射致发光材料2铕掺杂的硅酸盐透明陶瓷片时，射线中部分能量沉积在辐射致发光材料中产生光能；部分射线能量降低后穿过辐射致发光材料。该过程产生的光能和穿透辐射致光后能量较低的射线经PN结型换能器件的复合转换成电能，并通过电池上电极4和电池下电极5向外输出电能。在该过程中，辐射致发光材料在用作产生光能的同时还用作高能射线屏蔽作用，避免高能射线直接对硅基PN结型换能器件照射产生照损伤。
[0021] 在加载放射源3 90Sr-90Y陶瓷放射源两侧放置辐射致发光材料后再放置PN结型换能器件，即两组辐射致发光材料和PN结型换能器件以夹心式结构共用加载放射源3，以充分利用高能β加载放射源的4π发射，提高射线利用率，从而提高总转换效率。上下两电池采用串联方式，以获得相对较高的开路电压。
[0022] 实施例3：图3中，换能器件1为热扩散制备的外延硅基PN结型二极管，其外延层厚度为40μm，
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结深0.5μm，外延层掺杂浓度为1×10 cm ；辐射致发光材料2为塑料闪烁体，壁厚为
90 90
20mm；加载放射源3为粉末冶金法制备的 Sr- Y陶瓷源，尺寸为10mm×10mm×10mm的立方体；电池上电极4和电池下电极5均为1微米厚的Ti/Ni/Au。
[0023] 该复合同位素电池的工作过程与实例2相同，加载放射源3 90Sr-90Y陶瓷放射源被塑料闪烁体四周立体封装，并在塑料闪烁体立方的6面放置PN结型换能器件，以全方位的利用高能β加载放射源的4π发射。6个面上的换能器件采用并联方式，以获得更大的短路电流。
