一种基于微通道板的同位素电池及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于微通道板的同位素电池及其制备方法 (Isotope battery based on microchannel plate and preparation method thereof ) 是由 李其然 陈嘉鑫 韩军 焦国华 陈良培 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于微通道板的同位素电池及其制备方法,其中同位素电池包括封装结构、电池阳极、电池阴极、导电层、微通道板、压电陶瓷和放射源；压电陶瓷在受到使其形变的恒定压力的情况下置于封装结构中,封装结构内部从外到内分别是压电陶瓷、导电层、微通道板和放射源；电池阳极与导电层相连并伸出封装结构,电池阴极与微通道板相连并伸出封装结构。微通道板工作所需电压由封装结构内的压电陶瓷提供,不需要外接电压；体积小、功率大、结构简单；射线源半衰期长,电池使用寿命长且输出稳定。(The invention provides an isotope battery based on a microchannel plate and a preparation method thereof, wherein the isotope battery comprises a packaging structure, a battery anode, a battery cathode, a conducting layer, the microchannel plate, piezoelectric ceramics and a radioactive source; the piezoelectric ceramic is placed in a packaging structure under the condition of constant pressure for deforming the piezoelectric ceramic, and the inside of the packaging structure is provided with the piezoelectric ceramic, a conducting layer, a microchannel plate and a radioactive source from outside to inside; the battery anode is connected with the conductive layer and extends out of the packaging structure, and the battery cathode is connected with the microchannel plate and extends out of the packaging structure. The voltage required by the operation of the microchannel plate is provided by the piezoelectric ceramic in the packaging structure, and external voltage is not required; the volume is small, the power is large, and the structure is simple; the half-life of the ray source is long, the service life of the battery is long, and the output is stable.)
技术领域
本发明属于微能源领域，具体涉及一种同位素电池及其制备方法，特别是一种功率大、寿命长的同位素电池制备方法。
背景技术
随着人类对科学技术的不断探索，越来越多的电子产品丰富了人们的日常生活，给人们的生活带来了许多便利。然而这些品类繁多的电子产品也有着共同的缺点，那就是使用一段时间后需要重新充电，很不方便。
现有技术提供了一种同位素电池，它是通过将同位素在衰变过程中放出的射线的热能转换成电能制造而成。同位素电池在衰变时放出的能量大小、速度不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响，并且重量轻、寿命长。目前主要的同位素电池形式有温差发电型和PN结型两种。
在空间内电磁辐射是能量传递的最基本形式，物体只要在绝对零度以上就能向外界发射电磁辐射线。物体在不同的温度下，电磁辐射的强度也不同，温差就是指不同温度下的两个物体在接触时电磁辐射强度的差别，即物体间存在电磁场强度差别，两个物体之间存在电位差。在这样温度不同的物体间接一导线，即会有电流产生。放射性同位素温差发电器的热源是放射性同位素，它们在衰变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。放射性同位素温差发电器采用的放射性同位素主要有Sr-90，半衰期为28年；Pu-238，半衰期89.6年；Po-210，半衰期为138.4天等长半衰期的同位素。将放射性同位素温差发电器制成圆柱形电池，燃料放在电池中心，电池周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。然而为了保证发电效率，现有的温差发电电池体积较大，无法满足需要小型化电池的应用场景，使得温差发电电池的发展受到了很多限制。
PN结是PN结型同位素微电池能量转换结构的最重要组成部分，是产生电流的核心部件，PN结的性能会对能量转换结构的性能产生很大的影响。形成PN结的方法有很多，但经常使用的是扩散和离子注入方法。这两种方法都是从表面向半导体中掺入杂质，例如向N型半导体中掺入硼形成P型区，或者向P型半导体中掺入磷形成N型区，这样就在两个区的交界处形成一个PN结，并形成一个内建电场。放射性同位素作为能量来源，在衰变过程中释放出高能粒子，高能粒子激发出的电子空穴对在该内建电场的作用下被分离，并最终由金属电极引出形成电流。然而PN结型同位素电池，输出功率较低，难以满足多数场景需求且PN结制备工艺要求精度高，制备较为复杂。
综上所述，现有技术的同位素电池在实际应用中具有一定的局限性，所以需要对现有技术进行改进。
发明内容
现有技术的同位素电池，如温差发电型同位素电池体积较大，无法满足需要小型化电池的应用场景；PN结型同位素电池输出功率较低，难以满足多数场景需求且PN结制备工艺要求精度高，制备工艺较为复杂。对此，本发明提出了一种基于微通道板的同位素电池及其制备方法以解决至少一个前述问题。
一种基于微通道板的同位素电池，包括封装结构、电极、导电层、微通道板、压电陶瓷和放射源；
所述压电陶瓷在受到使其形变的恒定压力的情况下置于所述封装结构中，所述封装结构内部从外到内分别是所述压电陶瓷、所述导电层、所述微通道板和所述放射源；
所述电极包括电池阳极和电池阴极，所述电池阳极与所述导电层相连并伸出所述封装结构，所述电池阴极与所述微通道板相连并伸出所述封装结构。
进一步，所述微通道板设置在所述放射源的两侧，所述放射源两侧的所述微通道板的数量各有两个或三个，保证同位素电池具有高增益，所述微通道板包括多个平行设置的微通道，所述两个微通道板中的微通道一一对应，使轰击产生的倍增电子能够通过。
进一步，相邻两个所述微通道板之间具有相反的偏角，使得高能粒子有更大的概率轰击到微通道41的内壁上，同时第二级微通道板中离子反馈所产生的正离子难以进入第一级微通道板，有效减弱离子反馈。
进一步，所述电池阴极与所述放射源邻接的所述微通道板的朝向所述放射源的一面相连并伸出所述封装结构。
进一步，所述偏角的数值范围为5°-15°，偏角太小微通道内没有足够的二次电子激发，并且第二级微通道板中离子反馈所产生的正离子容易进入第一级微通道板，增强离子反馈；偏角太大，高能粒子频繁轰击微通道内壁，激发大量二次电子，导致增益过高，造成电子束的内建电场和压电陶瓷产生的加速电场抵充，电池的功率下降。
进一步，所述导电层为导电膏、导电胶带或金属涂敷层中的任意一种。
进一步，所述放射源为210Po或241Am，易防护,防止放射源摄入体内而引起内照射。
一种基于微通道板的同位素电池的制备方法，包括以下步骤：
构建从外到内依次为压电陶瓷、导电层、微通道板和放射源的结构；其中，所述微通道板靠近所述放射源的一面向所述同位素电池外侧伸出有电池阴极；所述导电层向所述同位素电池外侧伸出有电池阳极；以及，
将所述压电陶瓷在受到使其形变的恒定压力的情况下置于封装结构中，并使所述电极阴极和所述电池阳极伸出所述封装结构。
进一步，所述微通道板设置在所述放射源的两侧，所述放射源两侧的所述微通道板的数量各有两个或三个，保证同位素电池具有高增益。
进一步，相邻两个所述微通道板之间具有相反的偏角，使得高能粒子有更大的概率轰击到微通道41的内壁上，同时第二级微通道板中离子反馈所产生的正离子难以进入第一级微通道板，有效减弱离子反馈。
本发明至少具有以下有益效果：微通道板工作所需电压由封装结构内的压电陶瓷提供，不需要外接电压；体积小、功率大、结构简单；射线源半衰期长，电池使用寿命长且输出稳定。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的电池结构示意图；
图2是本发明实施例微通道板的设置方式示意图。
图中：1-封装结构、2-压电陶瓷、3-导电层、4-微通道板、41-微通道、5-放射源、6-阴极、7-阳极、8-高能粒子、9-倍增电子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于微通道板的同位素电池，如图1所示，为本实施例的电池结构示意图，包括封装结构1和通过封装结构1紧密结合在一起的压电陶瓷2、导电层3、微通道板4和放射源5。在电池的封装结构1内部，从外到内分别是压电陶瓷2、微通道板4、导电层3有没有什么特别的选择、放射源5。导电层3分别向封装结构1外引出两个引脚，即为电池阳极7。微通道板4靠近放射源4的一侧分别向封装结构1外引出两个引脚，即为电池阴极6。
具体地，压电陶瓷2是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，当封装结构1对其内部的压电陶瓷2施以物理压力使其形变时，压电陶瓷2内部就产生极化现象，压电陶瓷2的两端出现放电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
微通道板4是一种由大量平行设置的中空微通道41二维排列而成的片状结构，微通道41的内壁经过处理，使得放射源5中的放射性同位素在衰变过程中释放的高能粒子8轰击在微通道41内能够产生二次电子。本实施例中，放射源5选用210Po或241Am，易防护,防止放射源5摄入体内而引起内照射。微通道板4的两端被加上压电陶瓷2提供的电压，在微通道41内部形成电场，高能粒子8轰击产生的二次电子被电场加速，再次轰击微通道41内部产生更多的二次电子。上述过程在同一微通道41中重复多次，最终输出大量的倍增电子9，使得微通道板4获得较大的增益，进而使得本实施例的同位素电池产生较大的电流和较高的功率。
虽然微通道板4在真空中工作，但不可避免的会有气体分子残余，当微通道板4输出的倍增电子9和残余气体分子碰撞时，会产生正离子，这些正离子在电场中会与倍增电子呈反向运动，再次轰击微通道41内壁产生电子，这个过程就称为离子反馈。微通道板4的增益主要与纵横比和电压有关。电压特指压电陶瓷2加在微通道板4两端的电压。纵横比指微通道41的长度与直径的比值，纵横比越大，微通道板4所能提供的增益越大。对于单片的微通道板4，当增益大于104的时候，会产生较强的离子反馈，降低器件寿命，所以在实际应用中，要控制微通道41的纵横比，但这样就限制了微通道板4的增益，进而限制了本实施例的同位素电池的功率。
在实际应用中，要保证同位素电池具有高增益又不会产生较强的离子反馈，如图2所示，优选地，需要设置两片微通道板4，按照高能粒子8进入微通道41的顺序分为第一级微通道板和第二级微通道板，两片微通道板4中的微通道41一一对应，并且微通道41具有一定的偏角，使得高能粒子有更大的概率轰击到微通道41的内壁上，同时第二级微通道板中离子反馈所产生的正离子难以进入第一级微通道板，有效减弱离子反馈，提升信噪比。其中，偏角指的是微通道41与微通道板4表面的法线之间所成的角度。微通道板4的偏角一般为5°-15°，偏角太小微通道41内没有足够的二次电子激发，并且第二级微通道板中离子反馈所产生的正离子容易进入第一级微通道板，增强离子反馈；偏角太大，高能粒子频繁轰击微通道41内壁，激发大量二次电子，导致增益过高，造成电子束的内建电场和压电陶瓷产生2的加速电场抵充，电池的功率下降。
压电陶瓷2在受到一恒定压力的情况下置于封装结构中，由于正电压效应，在微通道板4内部生成工作所需的电场。在前述两片微通道板4叠加的情况下，微通道板4的增益可以达到106，在1Ci放射性活度条件下，电池可产生高达6mA的电流和1W的功率，足以满足多数实际应用场景。
另外，本发明还提供了另一种微通道板设置方法，即采用三片微通道板，具体设置方法如上述实施例所述。
本发明还提供一种基于微通道板的同位素电池的制备方法，具体包括以下步骤：
构建从外到内依次为压电陶瓷2、导电层3、微通道板4和放射源5的结构；其中，微通道板4靠近放射源5的一面向同位素电池外侧伸出有电池阴极6；导电层3向同位素电池外侧伸出有电池阳极7；以及，
将压电陶瓷2在受到使其形变的恒定压力的情况下置于封装结构1中，并使电极阴极6和电池阳极7伸出封装结构1。
由此，本发明提供了一种基于微通道板的同位素电池及其制备方法，微通道板工作所需电压由封装结构内的压电陶瓷提供，不需要外接电压；体积小、功率大、结构简单，并且增加体积可以延长电池使用寿命；射线源半衰期长，电池使用寿命长且输出稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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