發(fā)布時(shí)間：2020-09-09 10:26

　　 核電池(又稱放射性同位素電池)是將放射性同位素衰變放出的載能粒子(如α粒子、β粒子或γ射線)轉(zhuǎn)換為電能的裝置。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展,微型核電池成為微能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。和微型化學(xué)電池、微型燃料電池以及微型太陽(yáng)能電池等傳統(tǒng)微型電池相比,β輻射伏特效應(yīng)核電池是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)理想的電源。β輻射伏特效應(yīng)核電池具有體積小、重量輕、能量密度大、使用壽命長(zhǎng)、可微型化和集成化、維護(hù)服務(wù)頻率低等特點(diǎn)。同時(shí),β放射源的工作狀態(tài)受溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)等的影響非常小。β輻射伏特效應(yīng)核電池的發(fā)展過(guò)程中,放射源的選擇、換能單元的材料和結(jié)構(gòu)、核電池電學(xué)輸出性能和能量轉(zhuǎn)換效率等受到了廣泛的研究。本文以β粒子與物質(zhì)相互作用及半導(dǎo)體器件物理等為理論知識(shí)依據(jù),利用蒙特卡羅方法模擬了β放射源的自吸收效應(yīng)、單能電子和β粒子在靶材料中的輸運(yùn)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上,本文開(kāi)展了β輻射伏特效應(yīng)微型核電池的研究并取得了一些有價(jià)值的結(jié)果。首先,明確了放射源(~(63)Ni)的自吸收效應(yīng)對(duì)其表面出射參數(shù)的影響,單能電子和放射源(~(63)Ni)釋放的載能β粒子在靶材料(金剛石和碳化硅)表面的反散射過(guò)程以及它們?cè)诎胁牧现械淖饔梅秶统练e能量分布規(guī)律。其次,提出了β輻射伏特效應(yīng)核電池輸出性能的理論計(jì)算模型,討論了影響核電池能量轉(zhuǎn)換效率的主要因素。接著,計(jì)算了基于p-n結(jié)和肖特基二極管型β輻射伏特效應(yīng)核電池(C-~(63)Ni和4H-SiC-~(63)Ni)輸出性能的理論極限值。最后,本文完成了相應(yīng)核電池中換能器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。1.β放射源(~(63)Ni)的自吸收效應(yīng)。本文討論了放射源(~(63)Ni)的表面出射活度、表面出射功率、放射源的自吸收率、表面出射能譜及表面出射能譜的平均能量與放射源厚度的關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:放射源的表面出射活度和表面出射功率隨著放射源厚度的增加先是快速增加而后逐漸平緩直到趨于飽和值;放射源的自吸收率隨著放射源厚度的增加而不斷降低;放射源的厚度不同,表面出射能譜及表面出射能譜的平均能量也不同。進(jìn)一步地,表面出射能譜的平均能量隨著放射源厚度的增加而增大直到趨于飽和值。研究結(jié)果為基于放射源(~(63)Ni)的β輻射伏特效應(yīng)核電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇合適的放射源厚度(或活度)提供指導(dǎo)性依據(jù)。2.單能電子和放射源(~(63)Ni)在靶材料(金剛石和碳化硅)表面的反散射系數(shù)。β輻射伏特效應(yīng)核電池中,載能粒子在換能器件表面的反散射能量損失是這種類(lèi)型核電池中主要的能量損失方式。首先,明確了單能電子在靶材料(金剛石和碳化硅)表面的反散射系數(shù)與入射方式及入射電子能量的關(guān)系。接著,明確了放射源(~(63)Ni)在靶材料(金剛石和碳化硅)表面的反散射系數(shù)與放射源厚度的關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:靶材料原子序數(shù)越低,入射粒子能量越高、靶材料越薄,單能電子和β粒子在材料表面的反散射系數(shù)越低。因此,β輻射伏特效應(yīng)核電池中,選擇原子序數(shù)較低的靶材料(金剛石和碳化硅)為換能材料有利于降低單能電子和β放射源在換能器件表面的反散射能量損失。3.單能電子在靶材料(金剛石和碳化硅)內(nèi)的作用范圍和能量分布規(guī)律。首先,計(jì)算了單能電子在靶材料內(nèi)部輸運(yùn)過(guò)程中其能量衰減為入射能量的1/10和1/100時(shí)對(duì)應(yīng)的作用深度;其次,分析了單能電子在靶材料(金剛石和碳化硅)中的能量分布規(guī)律。由于β放射源能譜是連續(xù)的,通過(guò)研究單能電子在靶材料內(nèi)部的作用范圍和能量分布規(guī)律有利于明確β放射源釋放的不同能量的β粒子在靶材料內(nèi)部的輸運(yùn)過(guò)程,研究結(jié)果對(duì)β輻射伏特效應(yīng)核電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。4.放射源(~(63)Ni)在靶材料(金剛石和碳化硅)內(nèi)的能量分布規(guī)律。首先,計(jì)算了放射源(~(63)Ni)釋放的載能β粒子在靶材料(金剛石和碳化硅)中總沉積能量;其次,根據(jù)放射源釋放的載能β粒子在靶材料中的累積沉積能量與β粒子作用深度的關(guān)系明確了放射源在靶材料內(nèi)的主要能量沉積區(qū);接著,確定了放射源釋放的載能β粒子在靶材料中的沉積能量百分比與放射源厚度的關(guān)系。由此可得:放射源的厚度對(duì)它在靶材料內(nèi)部的主要能量沉積區(qū)寬度的影響較小;進(jìn)一步的分析表明:放射源釋放的載能β粒子在靶材料中的能量損失率(又稱能量流密度)隨著β粒子作用深度的增加近似按指數(shù)規(guī)律衰減。研究結(jié)果為基于放射源(~(63)Ni)和靶材料(金剛石和碳化硅)的β輻射伏特效應(yīng)核電池中換能器件有效能量轉(zhuǎn)換區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和核電池輸出性能數(shù)值計(jì)算有重要意義。5.基于放射源(~(63)Ni)和靶材料(金剛石和碳化硅)的β輻射伏特效應(yīng)核電池輸出性能的理論計(jì)算和相應(yīng)換能器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。首先,提出了基于p-n結(jié)和肖特基二極管為換能器件的β輻射伏特效應(yīng)核電池輸出性能理論計(jì)算模型。微型核電池的輸出性能參數(shù)主要包括:短路電流、開(kāi)路電壓、電流-電壓特性曲線,最大輸出功率、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率;其次,討論了影響β輻射伏特效應(yīng)核電池能量轉(zhuǎn)換效率的主要因素;接著,計(jì)算了基于p-n結(jié)和肖特基二極管型核電池(C-~(63)Ni和4H-SiC-~(63)Ni)輸出性能的理論極限值。計(jì)算結(jié)果表明:一般地,放射源的表面出射功率越大,半導(dǎo)體器件(p-n結(jié)和肖特基二極管)的內(nèi)建電勢(shì)越高,β輻射伏特效應(yīng)核電池的輸出性能越好,能量轉(zhuǎn)換效率也越高。最后,本文給出了相應(yīng)核電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。需要指出的是,本文的理論計(jì)算模型適用于其他半導(dǎo)體材料和β放射源為基礎(chǔ)的β輻射伏特效應(yīng)核電池的研究與討論。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM623
【部分圖文】：

圖 1.1 微機(jī)電系統(tǒng)及微型電源利用示意圖β輻射伏特效應(yīng)核電池是微機(jī)電系統(tǒng)電源理想的選擇。主要原因是：其射源釋放的載能β粒子能量很低，這些低能β粒子對(duì)核電池?fù)Q能器件和電子設(shè)備的輻射損傷效應(yīng)很小。其二，相比于ɑ放射源和γ放射源，β放的載能β粒子更易于防護(hù)。一般情況下，正常的核電池封裝材料便可粒子外泄。其三，相比于ɑ放射源和γ放射源，β放射源的衰變能量密微機(jī)電系統(tǒng)對(duì)微型電源的功率密度要求。同時(shí)，相比于微型燃料電池、電池和微型太陽(yáng)能電池，它的能量密度非常高。一般地，β輻射伏特效的能量密度是前三者能量密度的 104～106倍[5]。其四，半衰期長(zhǎng)的β放微機(jī)電系統(tǒng)長(zhǎng)壽命的工作要求。其五，β輻射伏特效應(yīng)核電池的工作原能電池相近，其換能裝置主要是半導(dǎo)體器件（p-n 結(jié)，p-i-n 結(jié)和肖特基。目前，太陽(yáng)能電池?fù)Q能器件發(fā)展迅速，加工工藝日益成熟，采用微納藝可將其微型化和集成化到微納米量級(jí)，制作成本不斷降低，并且已經(jīng)

圖 1.2 β輻射伏特效應(yīng)核電池的基本組成示意圖圖 1.3 β輻射伏特效應(yīng)核電池中換能單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖：（a）V 型溝槽結(jié)構(gòu)（b）倒金字塔結(jié)構(gòu)（c）3D 多孔結(jié)構(gòu)（d）垂直側(cè)壁方孔陣列結(jié)構(gòu)

11圖 1.3 β輻射伏特效應(yīng)核電池中換能單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖：（a）V 型溝槽結(jié)構(gòu)（b）倒金字塔結(jié)構(gòu)（c）3D 多孔結(jié)構(gòu)（d）垂直側(cè)壁方孔陣列結(jié)構(gòu)圖 1.4 β輻射伏特效應(yīng)核電池樣品實(shí)物圖

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2814854