氚钛源膜电子出射特性及衰减效应的预测与验证

为研究辐射伏特效应氚核电池中氚钛源膜电子出射特性及其随时间的性能衰减,对源膜内氚衰变电子的输运与出射行为进行了深入研究。通过捕捉拟合及离散化处理获取离散型数字化氚衰变电子能谱,采用蒙特卡罗方法对源膜表面活度密度和电子出射功率的自吸收效应及衰减效应进行分析。同时,通过氚成像法的样品检测,验证模拟模型的可靠性。研究结果表明,随着源膜厚度增加,电子出射能谱峰值向高能区偏移直至8 keV附近;膜厚增加,导致自吸收效应增强、氚源能量浪费,源膜厚度不宜超过1000 nm;在特征参数(1000 nm厚、T/Ti比=1.9)下氚钛源膜具有519.5 mCi/cm^(2)的总活度密度,理论上可提供46.6 mCi/cm^(2)的表面活度密度以及2243.9 nW/cm^(2)的电子出射功率密度;考虑氚的衰减效应,特征参数源膜使用15 a后可提供约1000 nW/cm^(2)的电子出射功率密度。

^3H的辐射生物学效应的研究——氚水对莱哈衣藻细胞分裂率的影响

摘要氚(^3H)为一种重要的放射性毒素。经氚水(HTO)在细胞内和细胞外照射后，莱哈衣藻细胞分裂率k值下降。HTO剂量越高，k值越小，在一定范围内照射时间越长，处理组的k值与对照组的k值相差越大。k值的变化与辐射剂量、辐射时间有相关性。

双重效应γ射线核电池的制备与性能研究

为提升核电池的电学输出性能,提出了利用γ射线结合辐致伏特和辐致光伏两种能量转换机制制备核电池的思路。基于γ射线、AlGaInP半导体PN结和ZnS:Cu荧光材料,制备了四级辐致伏特效应核电池(FRVB)和四级辐致伏特/光伏双重效应核电池(FDEB),研究了不同厚度荧光层所组成的双重效应核电池的电学性能。在X射线辐照下,测试结果显示5种不同厚度荧光层组成的并联结构双重效应核电池的最大输出功率分别为57.26,77.03,116.31,132.85,150.86 nW,性能均优于四级辐致伏特效应核电池。利用蒙特卡罗粒子输运程序MCNP5,模拟计算了光子在四级双重效应核电池中的能量沉积,结果显示荧光层中沉积的能量很少,却显著提升了核电池的输出性能。研究表明:多级结构双重能量转化机制可有效提升核电池的电学性能,为提升核电池性能提供了一种新的研究思路。

伏特效应放射性同位素电池的制备

核电池是将衰变能转化为电能的装置,即利用能量转换原件将放射性物质衰变产生的射线能转换为电能。辐射光电转换(Radio-photovoltaic conversion)方式是通过荧光材料将衰变产生的射线能转变为光能,再用光伏电池将光能转变为电能。在查阅大量国内外相关文献基础上,结合在清华大学从事科研实践经验,进行了如下探究:(1)明确利用射线致荧光伏特效应的机制;(2)总结现有辐射光电转换式核电池设计、结构、装配工艺、制备方法;(3)设计了一种体积小、效率高的微型同位素电池;(4)制作出同位素电池模型;(5)进行相关性能测试;(6)对实验结果进行分析;(7)提出了改进方案和后续研究设想。本课题创新性地采用了分离同位素的方法,并使用了新型的感光元件,使核电池模型在测试中,能对外接负载提供1.025V的电压,17.9nW的电功率。

PN结型器件在氚钛片辐照下电输出性能

用多片具有不同金属钛膜厚度和充氚量的氚钛片对两种单晶硅基PN结型器件进行了辐照,在线测量了它们的电输出性能并进行了定性分析。结果表明,在本文所采用的钛膜厚度和氚量级下,器件输出短路电流等随充氚量增加而小幅增大,但不成正比关系;器件的掺杂浓度、结深等结构参数对器件电输出性能影响较大。

氚钛片辐照硅基半导体器件电学输出性能

制备了多个不同厚度金属钛膜吸附不同量3H的氚钛片,利用这些源片辐照硅基半导体器件,测试并分析了它们的电学输出性能。结果表明,这些氚钛片辐照硅基半导体器件可以输出电流,但由于金属钛对氚源β射线的阻挡,器件输出电流和最大输出功率与钛膜中贮氚量不呈正比增长关系,小的钛膜厚度有利于提高β射线能量利用率。

贮氚金属薄膜源的优化与制备

为提高能量密度,以贮氚金属薄膜作为平板型β辐射伏特效应核电池的放射源。利用Materials Studio软件中的CASTEP模块计算了氚在贮存金属薄膜中的扩散速度。用MC-SET和MCNP软件模拟了氚源在钯、钪和钛三种金属薄膜中的饱和厚度,为提高放射源利用率提供参考。建立了实验室氢加载系统,可以实现在不同温度和压力下氢气向金属薄膜的扩散,制备贮氚金属薄膜。

GaN放射同位素电池性能研究

核电池中换能材料的粒子输运对核电池的输出性能有重要的影响。利用MCNP软件,分析了辐射伏特效应核电池的性能。结果表明:电子在GaN中的最大射程为87μm;随着电子的入射角度增大,能量反射率越大,入射角度选取0°~25°;能量沉积的灵敏区不超过35μm;外电路的电学参数对应GaN中不同的掺杂浓度和内部电势。

一种基于PIN结的硅基微型核电池研究

针对PN结式微型核电池由于衬底掺杂浓度较大而造成的少子寿命短,收集效率低等缺点,提出使用硅基PIN结作为微型核电池的换能结构,构建了PIN换能结构的电学模型,并对其性能影响因素进行了分析和仿真,优化了换能结构参数.完成换能结构加工之后,分别使用63Ni,147Pm和241Am对换能结构进行了辐照实验.实验结果表明,PIN换能结构通过增加耗尽层宽度来增大电子空穴对的收集空间,通过使用保护环来降低漏电流,能够有效提高短路电流和开路电压,最终提升能量转换效率.

核电池概述及展望

核电池具有能量密度高、工作稳定可靠、无需人工干预等优点,在需要长期稳定供电的场合具有独特优势,其中热转换式核电池(RTG)是技术最为成熟且应用最早的一类,而β辐射伏特效应核电池已有商业化案例。目前,在β辐射伏特效应核电池研究中存在着放射源自吸收效应浪费能量、转化效率低、换能器件辐射损伤严重等问题,而对于一个实际的核电池,由于放射源自身不断衰变的属性,导致源的成分及其活度随着时间而发生变化,最终影响核电池的电学性能,其影响程度需要加以深入研究。本文以时间轴的形式对核电池的发展进行了全面回顾,简要介绍多种主流类型核电池的原理和应用范围;对于β辐射伏特效应核电池,指出放射源的自吸收是其中的关键科学问题。对于使用63Ni和TiT2放射源的核电池,给出了其电学性能随时间变化的规律;指出对于某一特定结构的β辐射伏特效应核电池设计,在前期的模拟优化环节中,精细计算是至关重要的;最后提出了将放射源与换能材料相结合、使用含有较重同位素的换能器件的设想,这些设想有利于解决放射源自吸收问题、提高核电池输出功率和减轻辐射损伤的影响。

P-N结

太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致,所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。如将P型硅或N型硅放在阳光下照射,仅是被加热,外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放,由此产生电子-空穴对,但在很短的时间内（在微秒范围内）电子又被捕获,即电子和空穴“复合”。