輻射伏特效應核電池換能器件中的β粒子能量沉積行為

張明旭 秦李鑫 趙 嫚 趙江濤

（蘭州大學核科學與技術學院蘭州730000）

近年來，在航空航天、深海探索等領域，人們迫切需要比傳統化學電池性能更好的替代品，其中放射性同位素電池由于壽命長等優點越來越受到重視。放射性同位素電池［1-3］（核電池）是一種將放射性同位素衰變能轉換成電能的新型電池。目前，常見的核電池主要包括溫差核電池、輻射伏特效應核電池、光伏核電池這三大類［1］。其中，β輻射伏特效應核電池［4-5］因其具有可微型化、能量密度高、壽命長等特點而成為微機電系統［6］電源的最佳選擇。β輻射伏特效應核電池應選擇衰變粒子能量適中、半衰期長、并且衰變過程中未伴隨X和γ射線發射的純β放射源。常見的β放射源包括3H、35S、63Ni、147Pm、90Sr。其中90Sr衰變釋放的粒子能量過高而易損壞換能單元，35S半衰期僅有87.44 d，不能滿足微機電系統對微能源長壽命的需求。因此，3H、63Ni和147Pm是β輻射伏特效應核電池放射源的主要選擇［7］。考慮到微型電源的能量密度需求，63Ni是β輻射伏特效應核電池放射源的首選。換能器件一般選擇工藝制作成熟且極限轉換效率較高的半導體材料［8-14］。綜上分析，本論文選擇63Ni作為β輻射伏特效應核電池的放射源，同時選擇硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）這4種常用半導體材料作為輻射伏特效應核電池的換能材料。

在對β輻射伏特效應核電池的轉化效率進行仿真計算時，β粒子在換能材料中的能量沉積規律是關鍵，它直接關系到β粒子在換能材料中激發的電子-空穴對的數密度分布。……