專利名稱:钷電源電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于能源范疇，具體涉及一種钷電源電池裝置，是利用放射性稀 土元素Pm發(fā)射的卩射線激活發(fā)光物質(zhì)發(fā)光再通過具有光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)換 成電能，可廣泛用于民用、軍用等各行各業(yè)，小到用于人體，大到供電機組。手 機電池，電動車、汽車電池都能采用，可以連續(xù)使用5年不需充電，。特別能解 決偏僻環(huán)境和地區(qū)的用電。
背景技術(shù)：
钷是在1945年由美國科學家首先發(fā)現(xiàn)的稀土元素，是稀土家屬中最后一個 被發(fā)現(xiàn)的元素，也是稀土家屬中唯一具有放射性的元素。它主要產(chǎn)生于鈾的裂 變，是人工發(fā)射性元素，在自然界中存在的量很稀少。但^Pm具有能量不高的 純P射線(0.225Mev)，而且半衰期適中(2.62年)，可以用來制造磷光光源、測 厚儀、同位素電池等多方面用途，其來源主要是從核燃料后處理廢液提取。盡管 對钷的的研究應(yīng)用已經(jīng)有半個多世紀了，但由于以前產(chǎn)量少也難于得到，所以受 到限制，它一直深居高閣，未被世人熟識?，F(xiàn)在的情況已大有不同
21世紀是能源和環(huán)保時代，也是核能篷勃發(fā)展的時代，據(jù)統(tǒng)計，截至1999 年中，全世界共有436座反應(yīng)堆在運行，核電站總裝機容量已達到350676兆瓦， 正在建造的有30座，總裝機容量為21642兆瓦；我國的核電《規(guī)劃》顯示到 2020年我國核電裝機容量將從目前的906.8萬千瓦提高到4000萬千瓦(40000 兆瓦)平均年增長率超過26%,這就為钷的原料來源提供了豐富、可靠的保證。 現(xiàn)在，科技界對钷的研究應(yīng)用也在日益提速！
目前有應(yīng)用钷制成發(fā)光光源或p伏打電池，但所在能量范圍很小，處于毫微 瓦級，也沒有把兩者結(jié)合應(yīng)用；中國專利ZL200520099622.0介紹的一種钷光能 發(fā)電裝置，在論述中有很多值得商榷的地方，本文試舉幾例，如1、其權(quán)利要 求書及說明書中多次提到"钷光能發(fā)電裝置"值得探討在這里钷是發(fā)射p射線，
3激發(fā)發(fā)光材料發(fā)光的元素，但不能因此說成是钷光能。把兩者合起來叫做放射性 發(fā)光材料更為貼切，說明書中還提到"钷147可制作防護用于的'發(fā)光粉'也是 概念不清；2、無論是權(quán)利要求
書還是說明書及摘要，均未提發(fā)光材料，而有十 處提到"反光材料"，究其文意是把發(fā)光材料磷光粉及"銣粉"說成是反光材料
(見權(quán)利要求
書6)，這是混淆了概念，如果無發(fā)光材料那要反光材料何用；3、 該說明書中把金屬鋯或鋯合金作為內(nèi)層防輻射材料，是因為"核反應(yīng)堆中鈾燃料 包復(fù)"之故，其實氧化鋯作為鈾燃料包殼材料，是因為它的中子吸收截面小之故， 而不是作為防輻射材料用的；在其權(quán)利要求
4中又把金屬鋯或鋯合金作為反光板 用，"反光板"和"反光材料"還不是同種材料(分別是金屬鋯或鋯合金、磷光 粉、銣粉)使人費解；4、其權(quán)利要求
書6中把磷光粉及銣粉都說成是反光材料 也不妥，因為磷光粉是發(fā)光粉，而銣粉不是發(fā)光粉，兩者均不是反光材料，也各 有不同的用途；5、該裝置的目的是輸出電能，但從該專利的文字和附圖都未找 到陰極引出口在何處，沒有陰極接口，就不能形成供電回路，不能向外輸出電能， 就不能發(fā)電等。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是在于提供了一種钷電源電池裝置，本裝置高效、長壽、 比能量高、安全、經(jīng)濟、用途廣泛，通過薄片狀钷源照射，使熒光物質(zhì)發(fā)光，薄 片狀钷源減少了钷源自身的減弱作用，能提高钷源(3射線的有效利用率，再通過 多級高轉(zhuǎn)換率的光電效應(yīng)，充分吸收能量，使光能盡可能多的產(chǎn)生電能，提高了 裝置的總效率。
為了達到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)措施按層次可分內(nèi)核和包殼 兩部分，共有12個部件組成。
本裝置是利用放射性钷作為原動力的一種钷電源電池裝置，該裝置由光源轉(zhuǎn) 化部分(簡稱光源)和電能轉(zhuǎn)化部分(簡稱電能)及防輻射包殼組成。按層次由 內(nèi)核和包殼兩部分組成，钷源、發(fā)光材料、上、中、下層光電轉(zhuǎn)換材料、中層包 殼、內(nèi)層包殼、外層包殼、碳精棒、銅帽、絕緣密封材料、陰極銅棒，共12個 部件組成，其特征在于有兩種外形， 一種是圓柱形或扁圓形， 一種是方形或長 方形。它包括光源轉(zhuǎn)化裝置和電能轉(zhuǎn)化裝置，光源轉(zhuǎn)化裝置安裝在電能轉(zhuǎn)化裝置 下面，钷源與內(nèi)層包殼底部成垂直放置；钷源頂上的是下層光電轉(zhuǎn)換材料，在钷源、內(nèi)層包殼和下層光電轉(zhuǎn)換材料之間充填有發(fā)光材料，陰極銅棒從發(fā)光材料中 間垂直穿過，再穿過內(nèi)層包殼的中心底部，連接下層光電轉(zhuǎn)換材料和中層包殼的 底部；中層光電轉(zhuǎn)換材料疊在下層光電轉(zhuǎn)換材料上，上層光電轉(zhuǎn)化材料疊在中層 光電轉(zhuǎn)換材料上，碳精棒和銅帽組成陽極材料，碳精棒穿過上層光電轉(zhuǎn)換材料垂 直插在中層光電轉(zhuǎn)化材料上方。钷源是采用純度為90-99^Pm2O3制成的片狀源， 可制成放射形或平板形，钷源用的是'"Pm和^Pm兩種同位素。光電轉(zhuǎn)換材料 有三層，上層光電轉(zhuǎn)換材料為一層硒、鈉、氧化銅合金片；中層光電轉(zhuǎn)換材料由 多層硒、鈉、氧化銅合金成晶形疊放組成一體；下層光電轉(zhuǎn)換材料為一層硒、鈉、 氧化銅合金片，向著钷源的一面涂有銣粉，并連著钷源和陰極銅棒。光源轉(zhuǎn)化部 分的主要材料是钷源1和發(fā)光材料2，這是本實用新型的核心材料；钷源頂上有 一層下層光電轉(zhuǎn)換材料，它雖是光電轉(zhuǎn)化材料但位置在光源轉(zhuǎn)化裝置部分；陰極 銅棒上連下層光電轉(zhuǎn)換材料，下穿內(nèi)層包殼與中層包殼相連；防輻射包殼分為三 層分別為中層包殼、內(nèi)層包殼、外層包殼。內(nèi)層包殼為絕緣防護反射層，由中 間是鋼鐵兩面是陶瓷組成，和陰陽極接觸處也復(fù)有陶瓷絕緣，向著發(fā)光體的一面 涂有氧化鋯反射層；中層包殼是鋅錳合金層；外層包殼是由復(fù)膜不銹鋼組成的屏 蔽層也是外殼；電能轉(zhuǎn)化裝置部分的主要材料是中層光電轉(zhuǎn)換材料，這是本實用 新型的關(guān)鍵材料；和光源轉(zhuǎn)化裝置一樣也有中層包殼、內(nèi)層包殼、外層包殼三層 包殼；陽極材料插在中層光電轉(zhuǎn)換材料上面，并穿出三層包殼露頭；絕緣密封材 料在陽極和陰極之間起絕緣密封作用。發(fā)光材料是由磷光熒光粉組成；碳精棒和 銅帽組成的陽極，與陰極銅棒和中層包殼，都有露頭，可方便輸出電能；陽極和 陰極之間有絕緣密封材料隔開，絕緣密封材料為環(huán)氧樹脂。外形有圓柱形或扁圓 形、方形或長方形。
本實用新型裝置的钷源處于光源轉(zhuǎn)化裝置部分的中間，四周充填發(fā)光粉， 發(fā)光粉選用磷光熒光體。钷源和發(fā)光粉共同組成光源轉(zhuǎn)化裝置的放射性發(fā)光材 料，陰極由上而下穿過光源連接著光電轉(zhuǎn)化層和鋅錳合金層。薄片狀钷源有利 于卩射線穿過，提高效率。
本實用新型裝置的光電轉(zhuǎn)化材料處于光源轉(zhuǎn)化裝置的上面，是由硒、鈉、 氧化銅合金多層疊放組成，其中，下方向著光源的一面涂有銣粉，連著陰極銅 棒，上方連著陽極碳精棒。光電轉(zhuǎn)化材料多層布置有利于吸收光能提高轉(zhuǎn)化成電能的效率。
本電源電池裝置的技術(shù)原理是:首先用能發(fā)出P放射性的同位素"》m、^Pm
激發(fā)發(fā)光材料，發(fā)出熒光，這種含放射性的發(fā)光材料稱為放射性發(fā)光材料，再通 過光電轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換成電能，輸出直流電供用戶使用。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果
a、 安全性好由于放射性Pm發(fā)出的p射線穿透能力弱、易被吸收危害性 小，所以應(yīng)用的安全大。實驗數(shù)據(jù)表明，完全屏蔽wpm的(3射線，只需0.1毫 米厚的鋼，^Pm的(3射線的平均能量是0.29Mev，需0.59毫米厚的鋼才能完全 屏蔽。考慮到钷與物質(zhì)發(fā)生碰撞作用時產(chǎn)生的輻射效應(yīng)，實際采用的屏蔽層會厚 些。
b、 比能量高^Pm發(fā)出的(3射線能量有0.225Mev可以獲得較高比能量、 較小體積的電池。同位素H3 (氚)也是純P放射源，但由于其平均能量只有 0.018mev，比147Pm小很多，故本實用新型未采用。
c、 經(jīng)濟性高由于钷是從廉價的核廢料中提煉的裂變產(chǎn)物，所以經(jīng)濟性好。 開發(fā)钷的利用還可以促進核廢料的綜合利用，有利于環(huán)保事業(yè)；
d、 壽命長如wpm的半衰期為2.62年，它制成的原電池可以使用5年。
e、 用途廣泛由于本實用新型電池具有比能量高、安全性好、經(jīng)濟性高、 壽命長等特點，所以，可廣泛用于民用、軍用等各行各業(yè)，小到用于人體，大
到供電機組。像目前廣泛使用的手機電池，電動車、汽車電池都能采用，盡管 本裝置是一種原電池(一次電池)，但可以連續(xù)使用5年不需充電，。特別能解 決偏僻環(huán)境和地區(qū)的用電。所以隨著本實用新型的問世和推廣，將改觀電池界 面貌，本實用新型電池也將成為電池界的佼佼者。
圖1為一種钷電源電池裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的A-A剖視圖。
其中l(wèi)一钷源、2—發(fā)光材料、3—中層光電轉(zhuǎn)換材料、4一中層包殼、5 — 內(nèi)層包殼、6 —外層包殼、7—碳精棒、8 —銅帽、9一絕緣密封材料、IO —上層光 電轉(zhuǎn)換材料、ll一陰極銅棒、12—下層光電轉(zhuǎn)換材料具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述-
钷源h是采用放射性同位素钷發(fā)出的P射線，作為動力源。但由于金屬钷 難得到，有關(guān)它的研究也少，所以本實用新型采用的是钷的氧化物——Pm203。 Pm203不僅容易得到，且便宜。1克Pm2O3相當于0.86克Pm。本實用新型裝置 所采用的钷材料均指Pm203。從輻射學的角度來說，用4n化學純的钷是無實際 意義，因為147Pm以每月2.2%的速度衰減。本實用新型釆用的是99 95%純度 的氧化钷，或商業(yè)級氧化钷即可(純度大于90%)。由于源材料本身對P粒子有 明顯的減弱作用，故本裝置所用的Pm203，是用薄片狀或網(wǎng)格狀Pm203元件，或 將Pm203粉涂在載體上，或直接與發(fā)光材料混合均勻，制成放射性發(fā)光材料， 以利于減少自吸收，充分發(fā)揮射線的作用，提高效率。147Pm是本裝置钷源是主 要元素，但由于^Pm以每月2.2%的速度衰減，所以本方案也考慮了钷的其他 同位素的貢獻，如"spm。 ^Pm的半衰期為5.53年，約是147Pm的兩個半衰期， 卩射線的最大能量為0.790Mev，平均能量為0.29Mev，豐度是32 (以147Pm為 100計)。約經(jīng)過五年^Pm對Wpm的比率就增加l倍，所以^Pm對延長本電 源電池壽命有重要作用。147Pm的另兩個同位素"Spm及148mPm的半衰期分別是 5.4天和43天，比較短，很快就衰變完，因此本裝置不考慮"spm及"smpm的 貢獻。本裝置外形有兩種基本形式 一種是圓柱型或扁圓形，單只功率較小，作 為電池使用，钷源1是多片組成的放射形，與內(nèi)層底部垂直放置，可與陰極銅棒 11結(jié)合在一起； 一種是長方形或方形，可組成較大功率電源，钷源1呈柵板形 (平行板)，同樣與內(nèi)層底部垂直放置。钷源上連著一層起光電轉(zhuǎn)化作用的銣、 硒、鈉、氧化銅合金片，兩者組成一體，銣被涂于钷源一側(cè)。銣的化學性質(zhì)極活 潑，在光的作用下易發(fā)出電子，是感光性極強的材料。
發(fā)光材料2:發(fā)光材料2布置在钷源1周圍，選擇對卩射線有高靈敏度的熒 光體(磷光體)材料。本實用新型選用硫化鋅型或長磷光熒光體作為發(fā)光材料， 在本裝置中通稱為磷光粉或磷光熒光粉或發(fā)光體或發(fā)光材料。發(fā)光材料2壓制成 一個整體，壓制時要留出钷源1放置的位置。發(fā)光材料2和钷源1是組成光源的 主要材料，是本裝置的動力源，是核心。
光電轉(zhuǎn)換材料有三層所使用的材料主要采用銣(Rb)金屬或化合物和硒(Se)、鈉(Na)、氧化銅(Cuo)合金四種材料，它們緊置于光源的頂部。硒或 硒化鉛(PbSe)是半導(dǎo)體材料，氧化銅是光電材料，上層光電轉(zhuǎn)換材料10為一 層硒、鈉、氧化銅合金片，中層光電轉(zhuǎn)換材料3由多層硒、鈉、氧化銅合金成晶 形疊放組成一體，下層光電轉(zhuǎn)換材料12為一層硒、鈉、氧化銅合金片，向著钷 源l的一面涂有銣粉，并連著钷源l和陰極銅棒ll，中層光電轉(zhuǎn)換材料3疊在 下層光電轉(zhuǎn)換材料12上，上層光電轉(zhuǎn)化材料10疊在中層光電轉(zhuǎn)換材料3上，這 樣，采取多級形式充分接收光源轉(zhuǎn)化裝置傳來的能量，盡量減少泄漏，尤如三極 管，起到增強光電轉(zhuǎn)化成電能的作用，從而提高裝置效率。
中層包殼4:中層包殼4采用鋅錳合金，是中層防護材料，在這里也作為陰 極電流回路材料，起輻射防護和導(dǎo)電作用，它分別設(shè)在光源轉(zhuǎn)化裝置和電能轉(zhuǎn)化 裝置的外圍，它與中層光電轉(zhuǎn)化材料3之間由陰極銅棒11連接。
內(nèi)層包殼5為絕緣防護反射層，采用內(nèi)表面涂有Zr02反射層的搪瓷材料做 絕緣防護反射層，是內(nèi)層防護。分別置于光源和電源部分的周圍。所述的搪瓷材 料為一種中間是鋼鐵兩面是陶瓷的搪瓷，向里的一面還噴涂有反射作用的氧化 鋯，涂在內(nèi)壁的氧化鋯(Zr02)主要起反射層作用，可以穩(wěn)定電壓和電流，防止 能量外泄，所以這層全稱是絕緣防護反射層。這樣就形成了三層防護，使本裝置 有足夠的輕重屏蔽，安全性更好。
外層包殼6為屏蔽層，采用有彩色塑料復(fù)膜的不銹鋼，既當屏蔽層又能起到 堅固、美觀的作用，不銹鋼加復(fù)膜主要是為了絕緣，復(fù)膜對卩也起防護作用。
碳精棒7和銅帽8組成陽極材料，設(shè)在電能轉(zhuǎn)化裝置的上部，向下依次穿過 上層光電轉(zhuǎn)換材料IO、到達中層光電轉(zhuǎn)換材料3上，向上伸出三層防護露頭。
絕緣密封材料9采用環(huán)氧樹脂，它具有良好的抗輻照性能。
根據(jù)圖l、圖2可知，電能轉(zhuǎn)化裝置組裝順序是碳精棒7穿過上層光電轉(zhuǎn) 換材料10的中心圓孔，再插入中層光電轉(zhuǎn)換材料3的中心圓洞中，上層光電轉(zhuǎn) 換材料10緊壓在中層光電轉(zhuǎn)換材料3上，罩上電能轉(zhuǎn)化裝置的內(nèi)層包殼5，并 緊壓在上層光電轉(zhuǎn)換材料10上，然后將銅帽8裝在碳精棒7的頭上，再將銅帽 8的頭穿過電能轉(zhuǎn)化裝置的中層包殼4的中心圓孔，使中層包殼4的中心圓孔內(nèi) 邊壓在銅帽8的外邊上，中層包殼4和銅帽8的接觸處要用絕緣密封材料9隔開， 至此，電能轉(zhuǎn)化裝置組裝初步完成。光源轉(zhuǎn)化裝置組裝順序是先將發(fā)光材料2放入光源轉(zhuǎn)化裝置的內(nèi)層包殼5 中，再將其裝入中層包殼4中，然后把上面連有涂銣粉的下層光電轉(zhuǎn)化材料12 的钷源l，插入發(fā)光材料2的預(yù)留縫隙中，旋即與已完成初步組裝的電能轉(zhuǎn)化裝
置合攏，上下兩部分內(nèi)層包殼和中層包殼的接口是子母企口，合攏后應(yīng)嚴密配合，
同時，光源和電能轉(zhuǎn)化裝置的下層光電轉(zhuǎn)換材料12和中層光電轉(zhuǎn)換材料3也壓 緊；最后用外層包殼6將合在一起的兩部分一次壓封嚴密，即可完成全部組裝工 序可交付使用。要求a、整個安裝過程要嚴格按照操作放射性同位素的工作規(guī) 定進行。最好在有屏蔽、帶負壓的密封流水線上自動完成；如由手工操作，必須 在有屏蔽及負壓的密封手套箱中進行，最好用機械手操作；如由人手直接操作， 則需按照防護要求進行。b、銣、鈉等金屬都是化學性能極活潑的金屬，要嚴格 遵守操作規(guī)程，特別注意防潮，尤其不能遇水。
钷源發(fā)射的(3射線是一種對人體傷害非常弱的射線，加上多層防護其表面 劑量率降到允許劑量以下；同時，放射性Pm衰變后變成穩(wěn)定元素釤(Sm)，
是一種良好的永磁材料和核反應(yīng)堆屏蔽、控制材料，使用完以后可以回收利用， 無有害廢棄物污染環(huán)境，可以放心使用。所以本電源電池裝置是一種既安全又 環(huán)保的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1、 一種钷電源電池裝置，該裝置包括光源裝置及防輻射包殼、電能轉(zhuǎn)化裝 置陰極和陽極，其特征在于該裝置為圓柱或扁圓形或方形或長方形，钷源(l) 與內(nèi)層包殼(5)底部成垂直放置；钷源(1)頂上的是下層光電轉(zhuǎn)換材料(12), 在钷源(1)、內(nèi)層包殼(5)和下層光電轉(zhuǎn)換材料(12)之間充填有發(fā)光材料(2)， 陰極銅棒(11)從發(fā)光材料(2)中間垂直穿過，連接下層光電轉(zhuǎn)換材料(12) 和中層包殼(4)的底部；中層光電轉(zhuǎn)換材料(3)疊在下層光電轉(zhuǎn)換材料(12) 上，上層光電轉(zhuǎn)化材料(10)疊在中層光電轉(zhuǎn)換材料(3)上，碳精棒(7)和銅 帽(8)組成陽極材料穿過上層光電轉(zhuǎn)換材料(10)垂直插在中層光電轉(zhuǎn)化材料(3)上方。
2、 根據(jù)權(quán)利要求
1所說的一種钷電源電池裝置，其特征在于钷源(1)是 采用純度為90-997。Pm203制成的片狀源，制成放射形或平板形，钷用的是Pm 和Pm兩種同位素。
3、 根據(jù)權(quán)利要求
1所說的一種钷電源電池裝置，其特征在于所述的上層 光電轉(zhuǎn)換材料(10)為一層硒、鈉、氧化銅合金片；所述的中層光電轉(zhuǎn)換材料(3) 由多層硒、鈉、氧化銅合金成晶形疊放組成一體；所述的下層光電轉(zhuǎn)換材料(12) 為一層硒、鈉、氧化銅合金片，向著钷源(l)的一面涂有銣粉，并連著钷源(l)和 陰極銅棒(U)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求
1所說的一種钷電源電池裝置，其特征在于防輻射包殼 有三層組成內(nèi)層包殼(5)、中層包殼(4)、外層包殼(6)，內(nèi)層包殼(5)為 中間是鋼鐵兩面是陶瓷組成，向著發(fā)光體的一面涂有氧化鋯反射層；中層包殼(4) 為鋅錳合金；外層包殼(6)為屏蔽層由復(fù)膜不銹鋼組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求
1所說的一種钷電源電池裝置，其特征在于發(fā)光材料(2) 為磷光熒光粉組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求
1所說的一種钷電源電池裝置，其特征在于碳精棒(7)和銅帽(8)及陰極銅棒(11)都有露頭。
7、 根據(jù)權(quán)利要求
1所說的一種钷電源電池裝置，其特征在于陽極和陰極之間有絕緣密封材料(9)隔開，絕緣密封材料(9)為環(huán)氧樹脂。
專利摘要
本實用新型公開了一種钷電源電池裝置，該裝置包括光源裝置及防輻射包殼、電能轉(zhuǎn)化裝置、陰極和陽極，該裝置為圓柱或扁圓形或方形或長方形，钷源與內(nèi)層包殼底部成垂直放置；钷源頂上的是下層光電轉(zhuǎn)換材料，在钷源、內(nèi)層包殼和下層光電轉(zhuǎn)換材料之間充填有發(fā)光材料，陰極銅棒從發(fā)光材料中間垂直穿過下層光電轉(zhuǎn)換材料連接光電轉(zhuǎn)換材料和中層包殼的底部，陽極材料垂直插在上層光電轉(zhuǎn)化材料上方。本實用新型高效、長壽、比能量高、安全、經(jīng)濟、用途廣泛，通過薄片狀钷源照射，使長效熒光物質(zhì)發(fā)光，薄片狀钷源自身減弱作用小，提高了钷源β射線的有效利用率，再通過多級高轉(zhuǎn)換率的光電效應(yīng)，充分吸收能量，使光能盡可能多的產(chǎn)生電能，提高了裝置的總效率。
文檔編號G21H1/00GKCN201156442SQ200720300104
公開日2008年11月26日 申請日期2007年12月21日
發(fā)明者楊培德, 柳均耀, 柳耀興, 樊哲京 申請人:武漢恒河動力科技有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan