论文部分内容阅读
自20世纪中期以来，微型核电池作为一种理想的微能源逐渐被人们所重视。β辐射伏特效应核电池具有寿命长、体积小、工作稳定性好等特点，能够作为微电路与微机电系统理想的能量源。因此，如何提高β辐射伏特效应核电池的能量转换效率是目前针对β辐射伏特效应核电池研究的关键所在。本文基于辐射伏特效应核电池的理论模型和能量转换原理，对高通量热中子反应堆生产63Ni放射源进行了研究，我们认为影响β辐射伏特效应核电池能量转换效率的两个主要因素分别为放射源的效率和换能芯片的转换效率。本文针对这两个主要因素进行了优化，模拟计算结果表明，本文设计的NPN结型换能结构对β辐射伏特效应核电池能量转换效率约为2.61%。研究期间主要做了以下工作：（1）制备63Ni放射源：将高纯镍放入高通量反应堆中进行辐照后获得其同位素63Ni。其比活度约为121mCi/g，能够满足β辐射伏特效应核电池的研究的要求；（2）换能芯片的设计：根据半导体材料β射线伏特效应原理，设计了一种新型的半导体双面换能芯片。对NPN结型换能芯片N区进行重掺杂并与金属形成良好的欧姆接触；P区设计为P-P+P-结构，对P-区进行轻掺杂以增大耗尽区宽度；对P+区进行重掺杂从而改变半导体的导电特性，减小换能芯片体电阻；（3）MCNP4C数值仿真计算：应用MCNP4C程序模拟并分析了β粒子在半导体双面换能芯片中的输运规律，获得了与双面换能芯片能量转换相匹配的掺杂方式、掺杂浓度、基层厚度、耗尽层宽度、结深、少子寿命和少子扩散长度等参数。模拟结果表明，以63Ni为放射源的硅基NPN结型β辐射伏特效应核电池的最佳耗尽区宽度为2μ m，对应的掺杂浓度为N=×20D210cm3，N A=3×1016cm3，结深和P-区厚度分别取为0.2μ m和20μ m；根据模拟得到参数进行计算得到β辐射伏特效应核电池的短路电流、开路电压和理想转换效率分别为594nA、0.233V、2.61%。（4）NPN结型换能芯片的制备：制备的换能芯片参数为：结区直径为6cm，以厚度为300um的P型<100>单晶硅材料为基底，掺杂浓度NA为1.87×1016cm-3，电阻率为0.8·cm。N区掺杂浓度为1.2×1021cm-3，扩散结深为2μm，方块电阻率0.6·cm，根据样品参数经计算得到的转换效率约2.42%，与优化设计基本符合。本研究结论可为高效率β辐射伏特效应核电池研发及制作提供理论参考。