[发明专利]一种氚同位素微型电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微型同位素电池领域，具体涉及一种氚同位素微型电池及其制备方法。

背景技术

放射性同位素在衰变过程中，会自发地发射粒子（如α、β、γ粒子等），这些粒子含有一定的能量，这就叫衰变能。同位素电池就是将这种衰变能直接或间接地转变成电能的一种供能装置。

同位素电池将衰变能转换成电能的机制到目前为止已经发展到10余种。但在制作微型电池方面，很多机制的同位素电池都无法兼顾到电池尺寸小、寿命长、免维护这三方面的要求。在名称为“三维大孔硅基结对辐伏效应和光伏效应的能量转换”（ J.P.Clarkson等，Phys.Stat.Sol[a]，5，204，2007）的文献、名称为“4H碳化硅辐伏电池解析”（ M.V.S.Chandrasheklar等，Applied physics letters, 88,033506,2006）的文献中，普遍认可采用辐射伏特效应和肖特基效应制作的同位素电池能够达到实用水平，换而言之，基于这两种机制的同位素微型电池可以兼顾到电池外型微型化、使用寿命长期化、使用过程免维护这三方面优点。特别是基于辐射伏特效应制作的同位素微型电池，已经在美国有产品初步问世，在名称为“微型氚化三维结型辐伏电池”（ Larry L，IAEA Workshop Advanced Sensors for Safeguards,23-27,April 2007）的报告中表明，其实施方式是将放射性同位素氚加载到三维微孔（孔径不足2μm）硅基PN结上，实现了大约50μW/cm³的输出。但是，这种氚同位素微型电池在目前甚至近几年内都无法在国内成功制作，难点在于国内尚不具备制作三维微孔换能器件的微加工能力。换句话讲，国内欲自主研制成功辐射伏特效应同位素微型电池，只能在立足平面换能单元的基础上，重点从放射性同位素的选取和加载方式上来予以解决。

在各种放射性同位素中，氚属于低能纯beta核素，具有半衰期较长（12.3年）、比活度高（约9650Ci/g）、价格相对较低，而且衰变过程中未伴随γ或x射线，是研制微（小）功率微型同位素电池的理想核素之一。但是，以气体的方式来完成氚在电池中的加载是不科学的，因为氚在几乎所有的金属材料中都有一定程度的溶解，假如以气体的方式将氚封装在电池中，这势必使氚以一定比例溶解在电池的金属材质结构组件中（例如金、FeNi可伐合金），如此一来，随着电池使用时间的延长、使用环境的变化，氚将在这些材料中发生渗透，最后可能对环境造成污染。与此同时，氚气这样一种加载方式对于电池内部使用到的有机胶也是一种严峻的考验：在整个氚电池的长寿命期内，有机胶将长期遭受氚的直接辐照，并极可能发生降解而失去粘接力，影响整个电池的可靠性。

用金属氚化物的方式加载氚却具有充氚速度快、安全性好、并且可以重复使用的优点。可以载氚的金属有多种，如钛、锆、钪、铒、镧、镁、钯等过渡金属或碱金属，在国内专著“氚和氚的工程技术”（见蒋国强编著，国防工业出版社，2007，407）中指出，金属钛作为其中优良的吸氚材料，它具有如下优点：储氚密度高（理论值可达9.2×10²²at./cm³）；室温下载氚稳定性高、离解压低；氚钛物空气中稳定性好；钛的载氚工艺在国内较成熟。因此，可以采用氚钛膜的方式加载在换能单元上以形成氚同位素电池。但是，先制作片状氚钛源，然后覆盖在换能单元活性区上形成间接加载（以下简称间接加载法），这样制作的氚电池存在两个不足：1）接触不够紧密，影响射线利用率；2）钛膜吸附氚之后源片表面不能承受摩擦等机械外力，否则易损坏。同时，在氚源的制作上，如果采用纯氚气氛充至钛膜饱和的充氚方式，还存在使用过程中释氦量过大而严重影响电池寿命和安全性的问题。

发明内容

为了克服已有技术中的氚同位素微型电池寿命短、安全性差的不足，本发明提供一种氚同位素微型电池及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种氚同位素微型电池，同时提供氚同位素微型电池的制备方法。