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对于辐射伏特效应核电池,过去的研究工作主要围绕其可行性进行探索,以材料和器件研究为主。目前,辐射伏特效应核电池电学性能较差,转化效率很低。其中比较突出的关键问题是放射源的自吸收效应浪费了大量能量,使核电池的实际转化效率与理论转化效率差距较大。另外,在辐射伏特效应核电池的模拟设计过程中使用的电学性能计算公式存在着较多的不完备之处,需要进一步加以改进;另一方面,由于辐射伏特效应核电池需要在恶劣环境中长期稳定的供电,而核电池使用的放射源在不断地衰变,导致放射源的成分发生变化,这些变化对核电池电学性能的影响是必须考虑的。本文将结合吉林大学原子核科学与技术中心核电池研究组近年来的研究工作,针对核电池研究中的这些科学问题展开分析讨论,并对目前的辐射伏特效应核电池存在的自吸收效应明显、辐射损伤严重等问题给出可能的解决方案。
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作为实际的核电池,其核心部件是放射源。因此如何选择放射源对于整个器件的性能是至关重要的,选用时应考虑多方面因素。表1列出了核电池常用的放射源。以下对放射性同位素选择时需要考虑的因素进行简要说明。
表 1 核电池常用放射源
核素种类 半衰期/a 射线种类 最大能量/MeV 比功率[34]/(W/g) 来源 毒性[80] 3H 12.33 β 0.018 61 0.323 538 6Li (n, α),1 低毒组 63Ni 100.3 β 0.066 945 0.005 9 62Ni (n,γ)[81],1 中毒组 85Kr 10.755 β 0.67 0.517 81 裂变产物,3 低毒组 90Sr* 28.77 β 0.546 0.148 98 裂变产物,3 高毒组 147Pm** 2.624 β(γ) 0.225 0.411 93 裂变产物,3 中毒组 210Po 0.379 α (0.001 1% γ) 5.305 (0.803 γ) 141.143 17 209Bi (n,γ),1 极毒组 238Pu 87.74 α, (1.85E-7% SF) 5.456(28.98%)5.499(70.91%) 0.555 59 237Np (n,γ) 238Np$\xrightarrow {\beta ^ - }$238Pu 极毒组 241Am 432.6 α, (4E-10% SF) 5.638 0.108 573 238U多次中子俘获生成241Pu$\xrightarrow {\beta ^ - }$241Am 极毒组 *: 90Sr衰变子核90Y同样具有β-放射性,其半衰期为2.67 a,最大能量为2.281 MeV;**: 147Pm本身为纯β源,但所含的146Pm杂质具有γ放射性。 半衰期:决定核电池可使用的时间,一般认为应不短于100 d[81]。
比功率(功率密度):表示单位体积放射源输出的最大功率,在核电池设计中,无法同时做到长半衰期和高功率密度,必须予以权衡。
射线种类:通常情况下,具有高强度或高能伴生γ射线的核素不适用于微型核电池,因为屏蔽γ射线时需要很厚的屏蔽层,不利于微型化。热电转换型核电池通常使用α放射源,如210Po、238Pu;非热转换型核电池通常使用纯β放射源,某些特殊类型的核电池也可使用X射线源或低能γ射线源。
最大能量:用来确定射线穿透深度以及主要能量沉积区范围。选用的换能器件敏感区应与射线的主要能量沉积区相匹配。在使用半导体材料的核电池中,选用的半导体抗辐射损伤阈值应高于此值,以防止射线对于半导体造成严重辐射损伤。
放射性核素的生产方式:此项目决定了所用放射源的成本。放射性核素主要通过三种途径获得[81]:
(1)反应堆生产;(2) 加速器生产;(3) 核燃料中提取。这类核素可分为两种,一种是铀的裂变产物,另一种是铀俘获中子、β衰变之后产生的超铀元素。
比较而言,若放射性核素是衰变链的一种成分,那么在不需要大量生产时较为经济;若放射性核素是裂变产物或反应堆乏燃料的组成成分,它们经济与否取决于产量,但一般来说,反应堆生产的核素较为经济;若放射性同位素只能通过加速器生产,那么它们较为昂贵[82]。
毒性:按照GB 18871-2002进行分组。对于需要使用大量放射源的RTG,放射性核素毒性的影响尤其突出。RTG常用的210Po和238Pu放射源具有极强的毒性,因此并不适合民用,而纯β源的毒性相对较弱,更有可能在民用领域应用,但90Sr源为高毒组,具有亲骨性,使用时应予以注意。
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传统结构的β辐射伏特效应核电池采用平面结构,放射源直接与p型区或肖特基金属层接触。吉林大学原子核科学与技术中心的核电池研究小组[48]近年来围绕着β辐射伏特效应核电池进行了深入的研究,该研究组通过分析,指出放射源的能量被浪费在了多个部分,包括:
(1)放射源的自吸收效应能量损失。对于具有一定厚度的放射源,其内部发射出的β粒子会被放射源自身吸收,即为放射源的自吸收效应。
(2)方向性能量损失。这是由于放射源的发射方向是4π立体角,而单个平面换能器件只能覆盖2π立体角,有大约一半的能量被浪费。双面使用放射源可以使此种能量损失降低至可忽略的程度。
(3)外部相互作用损失。这是放射源与换能器件之间的能量损失,包括放射源与换能器件之间空气层内的损失、换能器件死层损失(金属电极、钝化层等)、表面能量反散射损失等。通常,若空气层和换能器件死层厚度为十几纳米,则可以只考虑反散射能量损失。入射电子能量越低、靶材料原子序数越高、靶材料厚度越大则反散射损失越大,通过适当选择放射源和换能材料可以降低反散射损失。
(4)能量分布和内部相互作用损失。β粒子入射后,在同种材料中的能量沉积按照指数衰减规律分布,较多的能量沉积在换能器件表面部分。在换能器件的内部,耗尽层内部沉积的能量能够充分利用,而耗尽层外沉积能量大部分被浪费。通过工艺优化降低p区或肖特基金属层的厚度、选择合适的掺杂浓度可以使此种能量损失降低。
在此前的研究基础[83]上,我们对β辐射伏特效应核电池的自吸收现象进行了进一步研究,选定了三种常见的放射源,它们分别为吸氚比为1.8的钛氚源(TiT1.8)、63Ni和147Pm。放射源的自吸收率定义为:放射源内部沉积能量与放射源总能量的比值。图12给出了放射源厚度与表面出射功率及自吸收率的关系,可见随着放射源厚度的增加,其表面出射功率先逐渐上升,后逐渐趋于不变,而自吸收率持续上升,趋于100%。可见对于厚度较大的放射源,其能量有很大一部分浪费在自身内部。对于三种放射源,表面出射功率达到饱和值时所对应的厚度分别为1,2和28 μm,自吸收率分别为83%, 75%和75%。
自吸收效应对核电池的电学性能也具有影响。以GaAs基pn结型β辐射伏特效应核电池为例,由图13可见,随着放射源厚度的增加,短路电流密度和开路电压也呈现先增加后保持不变的规律。这说明使用厚度过大的放射源并不能使核电池的电学性能进一步提高,在实际的器件制作中需要选用合适厚度的放射源。
核电池的转化效率具有两种定义方式,一是能量转化效率,其定义是核电池的最大出射功率与放射源表面出射功率之比。二是总转化效率,其定义是核电池的最大出射功率与放射源总功率一半的比值。由图14可见,随着放射源厚度的增加,核电池能量转化效率小幅上升后趋于不变;总转化效率呈现先上升后下降趋势,这是因为在所用的放射源较薄时,自吸收效应对核电池的影响较小,而随着放射源厚度的增加,自吸收效应的影响增强,有较多的能量由于自吸收效应无法被利用,因此总转化效率下降。若根据能量转化效率的最大值来选取放射源的厚度,则对于3H、63Ni和147Pm这三种放射源分别为1.32,3.75和40 μm,此时核电池的开路电压、短路电流等电学性能也会获得较高的理论值。
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对于一个实际核电池器件的设计,模拟优化的计算过程是十分重要的环节。β辐射伏特效应核电池的模拟计算可分为几个部分:一是放射源的模拟,需获得放射源的出射活度、出射能量等信息;二是β粒子进入pn结或肖特基器件的能量沉积以及产生电子空穴对的过程;三是电子空穴对的漂移、扩散、复合等过程,最后获得核电池的开路电压、短路电流、填充因子、最大出射功率、转化效率等参数。其中,放射源的出射活度、能量情况以及器件中的能量沉积可通过MCNP、Geant4等Monte Carlo模拟软件获得[23],β粒子在器件中产生电子空穴对的过程目前暂无可用的模拟程序,而电子空穴对的输运性质一般使用公式计算[84-85]。
图15展示了pn结及肖特基型β辐射伏特效应核电池器件的结构。对于pn结型器件,短路电流由发射层、耗尽层和基层三部分的电流分量组成,对于肖特基型器件则由耗尽层和N型外延层两部分分量组成。在耗尽层的边缘一个扩散长度(Lp、Ln)内产生的一些电子空穴对可以漂移进入耗尽层,从而被耗尽层分离并收集。半导体的掺杂浓度会改变扩散长度、耗尽层宽度等参量,从而影响核电池的电荷收集效率和电学性能。吉林大学核电池研究组对以SiC[48]、GaN[51]、ZnO[57]、金刚石[54]作为换能材料的β辐射伏特效应核电池进行了模拟计算,但计算过程中我们发现通常使用的公式计算法具有较大的局限性。公式的推导过程中,为了得到解析解,包括了一些假设和简化过程,因此并不能真实地反映器件的工作状态,而且无法进行三维器件复杂结构的计算。因此,我们尝试使用已经成熟的半导体器件模拟软件COMSOL Multiphysics进行更加精细的模拟,COMSOL Multiphysics软件使用有限元方法,通过求解偏微分方程组可进行多种物理场的模拟,对于半导体器件可获得电子空穴浓度分布、能带图、漂移及扩散电流分布、I-V特性曲线等多种物理参量,能够真实反映半导体器件的工作情况;另外,COMSOL Multiphysics软件不仅可以设定材料的掺杂浓度,也可以定义掺杂均匀区域的范围,以及非均匀掺杂部分的分布方式(如掺杂均匀区域边缘的高斯分布),可以部分模拟实际工艺中的杂质分布情况。这些都是公式计算无法做到的。
图 15 pn结型核电池(a)及肖特基型核电池(b)[86]
由于β辐射伏特效应核电池的原理与太阳能电池的原理相似,我们使用单结GaAs太阳能电池结构建立模拟模型,如图16(a)所示。其中帽子层进行重掺杂,便于与金属电极实现欧姆接触;窗口层可以减少电池表面复合,形成扩散势垒,将扩散到界面的少子反射回去,降低少子在界面复合的概率;发射层和基层为核电池的核心区域;背散层为重掺杂形成n-n+结,可以形成漂移场加速辐生少子在电池中的输运,提高辐生电流的值,并且将运动到背表面的辐生少子反射回去,降低背表面复合的概率。
我们目前通过模拟得出结论:帽子层部分的超重掺杂可能导致有效载流子数目降低,造成电池开路电压降低;窗口层的掺杂浓度增加,扩散势垒高度升高,更有利于将扩散到界面的少子反射回去,但电池输出功率反而有很小幅度的降低;发射层的掺杂浓度低于1.00×1019 cm–3时,电池输出功率随掺杂浓度的增大呈现上升趋势,但掺杂浓度高于1.00×1019 cm–3时会呈现抛物线形变化趋势,这可能与重掺杂效应的综合作用有关;基层部分,电池输出功率随掺杂浓度增加呈上升趋势,但掺杂浓度升高到一定程度时计算数值不收敛;背散层模拟结果规律性不强,暂取中间值1.00×1018 cm–3;缓冲层若具有过高的掺杂浓度会无法得到理想的I-V特性曲线。各层使用的材料种类以及掺杂浓度初步优化结果如表2和图16(b)所示。
表 2 核电池各层材料、厚度及掺杂浓度优化结果
名称 材料 厚度/μm 掺杂浓度/cm–3 帽子层 p+-GaAs 0.05 1.58×1020 窗口层 p-Al0.85Ga0.15As 0.08 1.00×1017 发射层 p-GaAs 0.6 2.00×1018 基层 n-GaAs 4.5 7.94×1017 背散层 n-Al0.25Ga0.75As 0.3 1.00×1018 缓冲层 n-GaAs 1 1.00×1016
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摘要: 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。Abstract: The nuclear battery has many advantages, including high energy density, stable performance, no manual intervention etc., which can be widely utilized in cases requiring long-term reliable power supply. Among them, the Radioisotope Thermoelectric Generators (RTG) is the earliest used and the most technically matured one, while betavoltaic battery is now commercialized. However, there are still some problems including self-absorption effect, low energy conversion efficiency and severe radiation damage which restrict the application of betavoltaic batteries. Additionally, for an actual nuclear battery, it should be noticed that the component and density of the source will be changed because the radiation source decays continually, which leads to the electrical performance decline. In this review, the major events in nuclear battery development are listed on a timeline, and the principles and applications of different types of nuclear batteries are also introduced. For betavoltaic battery, the existence of self-absorption effect is pointed out as an important scientific problem, and for batteries with 63Ni and TiT2 source, the time-related electrical properties are also obtained. This paper also pointed out that, fine and precise calculations are very crucial in the optimized designing processes for a particular structure of the practical nuclear battery. Finally, researching assumptions including combining the source and the energy converting material and the use of energy converting structures with heavier isotopes are presented, which are benefit to solve the self-absorption problem, rise the output power of the nuclear battery and reduce the influence of radiation damage.
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Key words:
- nuclear battery /
- radiation source /
- radiovoltaic effect /
- self-absorption /
- radiation damage /
- electrical properties
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图 3 RTG基本结构[34]
图 4 (在线彩图)压电悬臂梁式核电池[31]
图 5 (在线彩图)pn结型辐射伏特效应核电池原理图[31]其中I为电流; Vbi为内建电势; V为电压。
图 6 (在线彩图)光伏核电池原理图[31]
图 7 (在线彩图)同轴灯丝结构的微型RTG结构图[29]
图 8 (在线彩图)β辐射伏特效应核电池理论转化效率与禁带宽度关系[32]
图 10 (在线彩图)双重换能机制核电池[78]
图 11 (在线彩图)水基核电池[18]
图 15 pn结型核电池(a)及肖特基型核电池(b)[86]
图 17 (在线彩图)63Ni放射源表面出射功率和自吸收率随时间变化关系[87]
图 19 电场分离式核电池[91]
表 1 核电池常用放射源
核素种类 半衰期/a 射线种类 最大能量/MeV 比功率[34]/(W/g) 来源 毒性[80] 3H 12.33 β 0.018 61 0.323 538 6Li (n, α),1 低毒组 63Ni 100.3 β 0.066 945 0.005 9 62Ni (n,γ)[81],1 中毒组 85Kr 10.755 β 0.67 0.517 81 裂变产物,3 低毒组 90Sr* 28.77 β 0.546 0.148 98 裂变产物,3 高毒组 147Pm** 2.624 β(γ) 0.225 0.411 93 裂变产物,3 中毒组 210Po 0.379 α (0.001 1% γ) 5.305 (0.803 γ) 141.143 17 209Bi (n,γ),1 极毒组 238Pu 87.74 α, (1.85E-7% SF) 5.456(28.98%)5.499(70.91%) 0.555 59 237Np (n,γ) 238Np$\xrightarrow {\beta ^ - }$238Pu 极毒组 241Am 432.6 α, (4E-10% SF) 5.638 0.108 573 238U多次中子俘获生成241Pu$\xrightarrow {\beta ^ - }$241Am 极毒组 *: 90Sr衰变子核90Y同样具有β-放射性,其半衰期为2.67 a,最大能量为2.281 MeV;**: 147Pm本身为纯β源,但所含的146Pm杂质具有γ放射性。 表 2 核电池各层材料、厚度及掺杂浓度优化结果
名称 材料 厚度/μm 掺杂浓度/cm–3 帽子层 p+-GaAs 0.05 1.58×1020 窗口层 p-Al0.85Ga0.15As 0.08 1.00×1017 发射层 p-GaAs 0.6 2.00×1018 基层 n-GaAs 4.5 7.94×1017 背散层 n-Al0.25Ga0.75As 0.3 1.00×1018 缓冲层 n-GaAs 1 1.00×1016 -
[1] MOSELEY H G. The Attainment of High Potentials by the Use of Radium[C]//Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, London: Harrison and Son, 1913, 88(605): 471. [2] BOWER K E, BARBANEL’ Y A, SHRETER Y G, et al. Polymers, Phosphors, and Voltaics for Radioisotope Microbatteries[M]. Boca Raton: CRC Press, 2002: 9. [3] BILLINGTON E W, EHRENBERG W. Proceedings of the Physical Society, 1961, 78(5): 845. doi: 10.1088/0370-1328/78/5/330 [4] RAPPAPORT P. Physical Review, 1954, 93(1): 246. doi: 10.1103/PhysRev.93.246.2 [5] JORDAN K C, BIRDEN J H. Thermal Batteries Using Polonium-210[M]. Miamisburg, Ohio: Mound Laboratory, 1954. [6] TONELLI A D, SECORD T C. Auxiliary Power Generating System for a Large Space Laboratory[M]. New York: Elsevier, 1966, 16. [7] RICHARD R. FURLONG AND EARL J. WAHLQUIST. Nuclear News, 1999, 4(2): 26. [8] 沈天健, 梁代骅, 蔡建华, 等. 核技术, 2010, 33(8): 625. SHEN T J, LIANG D H, CAI J H, et al. Nuclear Techniques, 2010, 33(8): 625. (in Chinese) [9] ROSENKRANZ K A. Clinical Experience with Nuclear-Powered Pacemakers (Promethium-147)[M]. Engineering in Medicine, Berlin, Heidelberg: Springer, 1975: 503. [10] REIDEMEISTER J C, SCHULTE H D, BIRCKS W. Clinical Experience with Nuclear-Powered Pacemakers (Plutonium-238)[M]. MAX SCHALDACH, FURMAN S. Engineering in Medicine, Berlin, Heidelberg: Springer, 1975: 485. [11] HOUSTON J M, WEBSTER H F. Advances in Electronics and Electron Physics, 1963, 17: 125. doi: 10.1016/S0065-2539(08)60025-6 [12] COUTTS T J. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 1999, 3(2): 77. doi: 10.1016/S1364-0321(98)00021-5 [13] COLE T. Science, 1983, 221(4614): 915. doi: 10.1126/science.221.4614.915 [14] RITZ F, PETERSON C E. IEEE Aerospace Conference Proceedings, 2004, 5: 2950. [15] MCKLVEEN J W, USELMAN J. Nucl Technol, 1979, 43(3): 366. doi: 10.13182/NT79-A19224 [16] LI H, LAL A, BLANCHARD J, et al. Journal of Applied Physics, 2002, 92(2): 1122. doi: 10.1063/1.1479755 [17] 王铁山,张保国. 核技术, 1994, 17(9): 548. WANG T S, ZHANG B G. Nuclear Techniques, 1994, 17(9): 548. (in Chinese) [18] KIM B H, KWON J W. Scientific Reports, 2014, 4: 5249. doi: 10.1038/srep05249 [19] OLSEN L C, CABAUY P, ELKIND B J. Physics Today, 2012, 65(12): 35. doi: 10.1063/PT.3.1820 [20] 罗志福, 蔡善钰, 何舜尧, 等. 中国原子能科学研究院年报, 2006, 1: 261. LUO Z F, CAI S Y, HE S Y, et al. Annual Report of China Institute of Atomic Energy, 2006, 1: 261. (in Chinese) [21] 陈瑜. 河南科技, 2019, 4: 3. CHEN Y. Henan Science and Technology, 2019, 4: 3. (in Chinese) [22] GUO H, LI H, LAI A, et al. International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology Proceedings, ICSICT, 2008: 2365. doi: 10.1109/ICSICT.2008.4735068 [23] LI H, LIU Y, HU R, et al. Applied Radiation and Isotopes, 2012, 70(11): 2559. doi: 10.1016/j.apradiso.2012.07.012 [24] 周毅, 张世旭, 李公平. 一种基于PZT下的动态型同位素电池及其制备方法: 中国, CN105427913A[P]. 2016-03-29. ZHOU Y, ZHANG S X, LI G P. A Kind of Dynamic Radioisotope Batteries Based on PZT and Its Preparing Method. PRC Patent, CN105427913A, 2016-03-29. (in Chinese) [25] QIAO D Y, CHEN X J, REN Y, et al. Journal of Microelectromechanical Systems, 2011, 20(3): 685. doi: 10.1109/JMEMS.2011.2127448 [26] HONG L, TANG X B, XU Z H, et al. Nucl Instr and Metho B, 2014, 338: 112. doi: 10.1016/j.nimb.2014.08.005 [27] JIN Z, TANG X, GUO X, et al. Nucl Instr and Meth B, 2018, 428: 47. doi: 10.1016/j.nimb.2018.05.026 [28] LIU Y, TANG X, XU Z, et al. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2015, 304(2): 517. doi: 10.1007/s10967-014-3879-2 [29] LIU K, TANG X, LIU Y, et al. Journal of Power Sources, Elsevier, 2018, 393: 161. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.05.018 [30] WANG X, HAN Y, ZHANG J, et al. Applied Radiation and Isotopes, Elsevier Ltd, 2019, 148: 147. doi: 10.1016/j.apradiso.2019.03.040 [31] KUMAR S. Journal of Nuclear Energy Science & Power Generation Technology, 2015, 05(01): 1. doi: 10.4172/2325-9809.1000144 [32] 周毅, 张世旭, 李公平. 科学通报, 2017, 62(17): 1831. doi: 10.1360/n972016-00793 ZHOU Y, ZHANG S X, LI G P. A Review of Radioisotope Batteries. Chinese Science Bulletin, 2017, 62(17): 1831. (in Chinese) doi: 10.1360/n972016-00793 [33] AYODELE O L, SANUSI K O, KAHN M T. Journal of Engineering, Design and Technology, 2019, 17(1): 172. doi: 10.1108/JEDT-02-2017-0011 [34] PRELAS M, BORAAS M, DE LA TORRE AGUILAR F, et al. Nuclear Batteries and Radioisotopes[M]. Cham: Springer International Publishing, 2016: 56. [35] DUZIK A J, CHOI S H. Nanosensors, Biosensors, and Info-Tech Sensors and Systems, 2016, 2016: 9802. doi: 10.1117/12.2222039 [36] MBOYI K, REN J, LIU Y. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 28(2): 427. doi: 10.1016/j.cja.2015.01.010 [37] KING J C, EL-GENK M S. Journal of Propulsion and Power, 2001, 17(3): 557. doi: 10.2514/2.5777 [38] SIEVERS R K, HUNT T K, IVANENOK J F, et al. AIP Conference Proceedings, 2008, 319: 319. doi: 10.1063/1.43168 [39] LANGE R G, CARROLL W P. Energy Conversion and Management, 2008, 49(3): 393. doi: 10.1016/j.enconman.2007.10.028 [40] KAVETSKIY A, YAKUBOVA G, LIN Q, et al. Applied Radiation and Isotopes, 2009, 67(6): 1057. doi: 10.1016/j.apradiso.2009.02.084 [41] AYARCI KURUOĞLU N, ÖZDEMIR O, BOZKURT K. Thin Solid Films, 2017, 636: 746. doi: 10.1016/j.tsf.2017.07.033 [42] LIU B, DAI B, LIU K, et al. Diamond and Related Materials, Elsevier, 2018, 87(April): 35. doi: 10.1016/j.diamond.2018.05.008 [43] KANG T, KIM J, PARK S, et al. ETRI Journal, 2019, 41(2): 254. doi: 10.4218/etrij.2018-0022 [44] LIU B, CHEN K P, KHERANI N P, et al. Applied Physics Letters, 2008, 92(8): 3. doi: 10.1063/1.2887879 [45] BAHRAMI P, NESMITH B, CARPENTER K. Milli-watt Radioisotope Power to Enable Small, Long-term Robotic《Probe》Space Exploration[M]. MT, USA: IEEE Aerospace Conference Proceedings, Big Sky, 2017. [46] OLSEN L C. Review of Betavoltaic Energy Conversion[M]. Cleveland, Ohio: NASA Conference Publication, 1993. [47] MAXIMENKO S I, MOORE J E, AFFOUDA C A, et al. Scientific Reports, 2019, 9(10892): 1. doi: 10.1038/s41598-019-47371-6 [48] LIU Y M, LU J B, LI X Y, et al. Nuclear Science and Techniques, 2018, 29(11): 1. doi: 10.1007/s41365-018-0494-x [49] THOMAS C, PORTNOFF S, SPENCER M G. Applied Physics Letters, 2016, 108(1): 1. doi: 10.1063/1.4939203 [50] MUNSON C E, GAIMARD Q, MERGHEM K, et al. Journal of Physics D: Applied Physics, IOP Publishing, 2018, 51(3): 035101. doi: 10.1088/1361-6463/aa9e41 [51] ZHENG R, LU J, LIU Y, et al. Radiation Physics and Chemistry, 2020, 168: 108595. doi: 10.1016/j.radphyschem.2019.108595 [52] BORMASHOV V, TROSCHIEV S, VOLKOV A, et al. Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science, 2015, 212(11): 2539. doi: 10.1002/pssa.201532214 [53] BORMASHOV V S, TROSCHIEV S Y, TARELKIN S A, et al. Diamond and Related Materials, 2018, 84(2017): 41. doi: 10.1016/j.diamond.2018.03.006 [54] LIU Y M, LU J B, LI X Y, et al. Chinese Physics Letters, 2018, 35(7): 072301. doi: 10.1088/0256-307X/35/7/072301 [55] LOOK D C, REYNOLDS D C, HEMSKY J W, et al. Applied Physics Letters, 1999, 75(6): 811. doi: 10.1063/1.124521 [56] RAMIREZ J I, LI Y V, BASANTANI H, et al. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2015, 62(3): 1399. doi: 10.1109/TNS.2015.2417831 [57] LI X Y, LU J B, LIU Y M, et al. Nuclear Science and Techniques, 2019, 30(4): 60. doi: 10.1007/s41365-019-0577-3 [58] WACHARASINDHU T, KWON J W, MEIER D E, et al. Applied Physics Letters, 2009, 95(1): 1. doi: 10.1063/1.3160542 [59] WACHARASINDHU T, KWON J W, MEIER D E, et al. Liquid-semiconductor-based Micro Power Source Using Radioisotope Energy Conversion[C]//IEEE. TRANSDUCERS 2009-15th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems. Denver, CO, USA: 2009: 656. [60] NULLMEYER B R, KWON J W, ROBERTSON J D, et al. Scientific Reports, 2018, 8(1): 1. doi: 10.1038/s41598-018-30815-w [61] GUO H, LAL A. Nanopower betavoltaic microbatteries[C]//TRANSDUCERS 2003-12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Digest of Technical Papers. Boston, MA, USA: IEEE, 2003, 1: 36. [62] SUN W, KHERANI N P, HIRSCHMAN K D, et al. Advanced Materials, 2005, 17(10): 1230. doi: 10.1002/adma.200401723 [63] MURASHEV V N, LEGOTIN S A, DIDENKO S I, et al. Advanced Materials Research, 2014, 1070: 585. doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.1070-1072.585 [64] CHEN C C, CHANG Y Y, ZHANG J W. A Novel Betavoltaic Microbattery Based on SWNTs Thin film-silicon Heterojunction[C]// Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Paris, France: IEEE, 2012: 1197. [65] LIU P, CHANG Y, ZHANG J. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2014, 24(5). doi: 10.1088/0960-1317/24/5/055026 [66] ZHANG Q, CHEN R, SAN H, et al. Journal of Power Sources, Elsevier B. V, 2015, 282: 529. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.094 [67] ZHANG Q, WANG N, ZHOU P, et al. A Betavoltaic Microbattery Using Zinc Oxide Nanowires under Build in Potential Difference[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Shanghai, China: IEEE, 2016, 2016-Febru(January): 1177. [68] MCNAMEE S, WAGNER D M. Nanotechnology, 2018, 30(7): 30. doi: 10.1088/1361-6528/aaf30a [69] TANG X B, HONG L, XU Z H, et al. Applied Radiation and Isotopes, 2015, 97: 118. doi: 10.1016/j.apradiso.2014.12.021 [70] CHEN W, LIU Y, YUAN Z, et al. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Springer Netherlands, 2017, 314(3): 2327. doi: 10.1007/s10967-017-5562-x [71] PALAZON F, AKKERMAN Q A, PRATO M, et al. X-ray ACS Nano, 2016, 10(1): 1224. doi: 10.1021/acsnano.5b06536 [72] CHEN W, TANG X, LIU Y, et al. International Journal of Energy Research, 2018, 42(7): 2507. doi: 10.1002/er.4032 [73] 陈旺, 汤晓斌, 刘云鹏, 等. 发光学报, 2019, 40(3): 326. doi: 10.3788/fgxb20194003.0326 CHEN W, TANG X B, LIU Y P, et al. Chinese Journal of Luminescence, 2019, 40(3): 326. (in Chinese) doi: 10.3788/fgxb20194003.0326 [74] BUTERA S, WHITAKER M D C, LIOLIOU G, et al. Scientific Reports, 2016, 6(38409): 1. doi: 10.1038/srep38409 [75] BUTERA S, LIOLIOU G, KRYSA A B, et al. Journal of Physics D: Applied Physics, IOP Publishing, 2016, 49(35): 355601. doi: 10.1088/0022-3727/49/35/355601 [76] BUTERA S, WHITAKER M D C, KRYSA A B, et al. Scientific Reports, 2017, 7(1): 1. doi: 10.1038/s41598-017-05181-8 [77] BUTERA S, LIOLIOU G, BARNETT A M. Journal of Applied Physics, 2016, 119(6): 535. doi: 10.1063/1.4941535 [78] ZHANG Z R, TANG X B, LIU Y P, et al. Nucl Instr and Meth B, 2017, 398: 35. doi: 10.1016/j.nimb.2017.03.060 [79] GUO X, LIU Y, XU Z, et al. Sensors and Actuators, A: Physical, Elsevier B. V., 2018, 275: 119. doi: 10.1016/j.sna.2018.04.010 [80] 中华人民共和国卫生部;国家环境保护总局;原中国核工业总公司. GB 18871-2002, 电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2002-10-08. GB 18871-2002, Basic Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources[S]. 2002-10-08.(in Chinese) [81] 孙树正. 放射源的制备与应用[M]. 北京: 原子能出版社, 1992. SUN S. Preparation and Applications of Radioactive Sources [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1992. (in Chinese) [82] PRELAS M A, WEAVER C L, WATERMANN M L, et al. Progress in Nuclear Energy, Elsevier Ltd, 2014, 75: 117. doi: 10.1016/j.pnucene.2014.04.007 [83] 何瑞, 陆景彬, 刘玉敏, 等. 核电子学与探测技术, 2019, 39(3): 346. HE R, LU J B, LIU Y M, et al. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2019, 39(3): 346. (in Chinese) [84] ZUO G, ZHOU J, KE G. Applied Radiation and Isotopes, Elsevier, 2013, 82: 119. doi: 10.1016/j.apradiso.2013.07.026 [85] WU M, WANG S, OU Y, et al. Applied Radiation and Isotopes, 2018, 142: 22. doi: 10.1016/j.apradiso.2018.09.017 [86] RAHMANI F, KHOSRAVINIA H. Radiation Physics and Chemistry, Elsevier, 2016, 125: 205. doi: 10.1016/j.radphyschem.2016.04.012 [87] LI X Y, LU J B, ZHENG R Z, et al. Nuclear Science and Techniques, 2020, 31(2): 1. doi: 10.1007/s41365-020-0723-y [88] ALAM T R, SPENCER M G, PRELAS M A, et al. International Journal of Energy Research, 2018, 42(7): 2564. doi: 10.1002/er.4053 [89] BEAVIS L C, MIGLIONICO C J. Journal of The Less-Common Metals, 1972, 27(2): 201. doi: 10.1016/0022-5088(72)90031-8 [90] ZHOU X, PENG S, LONG X, et al. Fusion Science and Technology, 2011, 60(3): 905. doi: 10.13182/FST11-A12563 [91] 陆景彬, 许旭, 刘玉敏. 电场分离电离电荷式核电池: 中国, CN 106409374A[P]. 2017-02-05. LU J B, XU X, LIU Y M. A Nuclear Battery Using Ionizing Charges Seperated by Electric Fields: China, CN 106409374A [P]. 2017-02-05.(in Chinese) [92] SQUILLANTE M, HIGGINS W M, NAGARKAR V, et al. Scintillator and Semiconductor Based Materials Incorporating Radioactive Materials: USA, US009224901B1[P]. 2015-12-29. [93] XUE S, TAN C, KANDLAKUNTA P, et al. Nucl Instr and Meth A, 2019, 927: 133. doi: 10.1016/j.nima.2019.01.097 [94] SPENCER M G, ALAM T. Applied Physics Reviews, AIP Publishing LLC, 2019, 6(3): 031305. doi: 10.1063/1.5123163 [95] 郑人洲, 刘玉敏, 陆景彬, 等. α源核电池半导体材料的辐射损伤防护方法: 中国, CN108399961A[P]. 2018-08-14. ZHENG R Z, LIU Y M, LU J B, et al. A Method Reduces the Radiation Damage of Alphabetavoltaic Battery: China, CN108399961A[P]. 2018-08-14.(in Chinese) [96] PLIMPTON S. Journal of Computational Physics, 1995, 117(1): 1. doi: 10.1006/jcph.1995.1039