[0001] 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。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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63NiCl2源项与ZnS:Cu,Al荧光粉进行混合，后端耦合InGaP光伏单元，制成一种三维耦合模式的辐致荧光同位素电池，提出了一种高效的同位素源项能量利用模式(Russo J,Litz M,Ray W,et 63
al.Aradioluminescent nuclear battery using volumetric configuration: Ni solution/ZnS:Cu,Al/InGaP[J].Applied Radiation and Isotopes,2017,130:66‑74.)；
2021年，南航汤晓斌团队采用电子加速器束流等效同位素源，发现并论证了同位素电池整体换能效率与源项活度密度之间的关系，提出通过增加单位面积源项能量强度，提高辐致荧光光强，进而实现核电池整体的能量高效转化(Jiang T,Xu Z,Meng C,et al.In‑Depth Analysis of the Internal Energy Conversion of Nuclear Batteries and Radiation Degradation of Key Materials[J].Energy Technology,2020,8(12):2000667.)。揭示了目前辐致荧光同位素电池能量转化效率远小于理论值的症结所在。

[0005] 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。

[0031] 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。

[0032] 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；

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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3 63 90 3
于氚‑3(H2O)、镍‑63( NiCl2)、锶‑90( SrNO3)；所述气态放射源包括但不限于氚‑3(H2)、
85
氪‑85( Kr)。

[0036] 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、LaBr3:Ce、CLYC、LaCl3:Ce、CeBr3、CaF2:Eu、PWO、Bi4(SiO4)3等材料。

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 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。

[0040] 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TiO2/SiO2等材质的多层介质反射膜。

[0041] 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、SiO2等材质[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 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。

[0045] 实施例1

[0046] 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：

[0047] 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。

[0048] 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。

[0049] 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。

[0050] 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。

[0051] 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。

[0052] 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。

[0053] 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。

[0054] 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。

[0055] 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90
型结构相比于传统结构的有效增幅进行预测。模拟了 Sr源项与GAGG:Ce晶体这一辐致荧光
90
换能组合，首先采用蒙特卡罗模拟的方式得到 Sr源衰变产生的β粒子入射进入晶体之中，可以在2mm的深度内完全沉积，因此基于传统结构中的晶体厚度设置为2mm，基于本发明创新结构中的晶体柱长宽设置也为2mm。如图1中的5×5的晶体结构，其中源项加载厚度设置为0.5mm，计算可得所需光伏单元长、宽尺寸均为13mm。若通过传统结构来实现相同的出光面积，则源项与晶体的粒子碰撞界面面积为13mm×13mm；基于本发明的创新性结构，源项粒子与晶体的反应碰撞界面则为25(个晶体)×4(个侧面)×2mm(晶体宽度)×晶体高度(mm)。
通过计算可得，新结构中的晶体的高度达到0.845mm就可以实现与传统结构相同的反应比
3 3
表面积，此时所用的晶体体积为84.5mm ，而传统结构则需要晶体169mm ，体积相差一倍。同时，新型结构中每个基础发光单元的高度仅为0.845mm，光子在晶体中的光程降低，减少了光子输运过程中的能量损耗。此外，在实现相同反应比表面的情况下，本发明的新结构仅使
3 90 3
用了50.7mm 的 Sr源项，相比于传统结构的84.5mm 源项消耗，在源项利用率上提高了
66.7％。综上，本发明新型结构可以在闪烁晶体体积、辐致荧光光程、源项利用效率等多个层面实现优化提升。

[0056] 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。