DE1299084B

DE1299084B - Radionuklid-Batterie

Info

Publication number: DE1299084B
Application number: DEI32271A
Authority: DE
Inventors: Knight Robert Dean
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-11-19
Filing date: 1966-11-18
Publication date: 1969-07-10
Also published as: FR1502210A; GB1151247A; US3344289A

Description

Die Erfindung betrifft eine Radionuklid-Batterie, die aus einem Wickel aus zwei einander gegenüberliegenden, durch Isolierschichten voneinander getrennten elektrisch leitenden Folien besteht, von denen die eine die ß-Partikeln aussendende Emitterfolie und die andere die Kollektorfolie ist.
Eine solche Radionuklid-Batterie ist aus der Zeitschrift »IEEE Transactions an Aerospace«, Bd. 2, 1964, H. Nr. 2, S. 647, bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist Promethium 147 in Form einer dünnen Folie zu einem selbstladenden Kondensator gewickelt, ähnlich dem Verfahren, nach dem die bekannten Wickelkondensatoren hergestellt werden. Diese Literaturstelle enthält weiter den Hinweis, daß Pm 147 das einzige Isotop sein dürfte, das als attraktiv für derartige Spannungsquellen in Kondensatorform erscheint.
Diese bekannte Radionuklid-Batterie mit dem radioaktiven Material Pm 147 hat jedoch den Nachteil, daß die Halbwertszeit von Pm 147 bei 2,6 Jahren liegt. Dies bedeutet, daß diese Spannungsquelle nur eine kurze Lebensdauer hat.
Aus der USA.-Patentschrift 3 069 571 ist ferner eine Radionuklid-Batterie bekannt, die gasförmiges radioaktives Material, beispielsweise Krypton 85, in einem Hochdruckbehälter enthält. Die innere Wand dieses Behälters dient als Emitter. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die ß-Teilchen die gesamte Wandstärke des Emitters durchdringen müssen, um die Kollektorelektrode zu erreichen. Außerdem besteht bei eventueller Zerstörung des Druckbehälters eine Gefahr für die Umgebung wegen des dann ungehindert austretenden radioaktiven Gases. Einer Literaturangabe in »IEEE Transactions an Aerospace«, Bd. 2, 1964, H. Nr. 2, S. 647, zufolge gelangen bei den bekannten Radionuklid-Batterien, die Krypton 85 enthalten, nur etwa 30 °/o der vom Emitter ausgehenden ß-Partikeln auf den Kollektor.
Eine verbesserte Radionuklid-Batterie, bei der etwa 76 °/o der ß-Strahlung ausgenutzt werden und die einen stabilen Schutzmantel aufweist, ist in der Zeitschrift »Kernenergie« 3. Jahrgang, 1960, H. Nr. 3, S. 278 und 279, beschrieben. Der Emitter besteht aus einem Nickelröhrchen (Wandstärke einige Mikrometer), auf dessen Innenseite eine gleichmäßig dünne Schicht des radioaktiven Präparates aufgetragen ist. Dadurch wird ein Teil der emittierten ß-Strahlung bereits in der Röhrchenwandung absorbiert.
In der Raumfahrt wäre es von Vorteil, wenn man Spannungsquellen zur Verfügung hätte, die eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen, d. h., die lange Zeit ergiebig sind, ohne daß eine Aufladung erfolgen muß, und die auch die anderen Forderungen erfüllen, die man an derartige Bauelemente stellt, z. B. Zuverlässigkeit, kleine Abmessungen, geringes Gewicht usw.
Es war deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Radionuklid-Batterie zu schaffen, welche die vorstehend genannten Mängel und Nachteile der bekannten Spannungsquellen nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Emitterfolie ein radioaktives Gas eingelagert ist.
Durch die Gestaltung der Spannungsquelle ähnlich einem Wickelkondensator, dessen Wickel in ein strahlungsabsorbierendes Material eingebettet ist und dessen Kollektor aus einer dünnen Bleifolie gebildet ist, wird eine kompakte, stabile Ausführung erreicht, bei der die Gefährlichkeit für die Umgebung stark herabgesetzt ist. Durch die Einlagerung des radioaktiven Gases in die Emitterfolie wird die Absorption von ß-Partikeln im Emitter selbst wesentlich reduziert, und es wird erreicht, daß 90 °/o der vom Emitter abgestrahlten ß-Partikeln auf den Kollektor gelangen. Das in den Emitter eingelagerte radioaktive Gas - Krypton 85 - hat eine Halbwertszeit von 10 Jahren und gewährleistet somit eine lange Lebensdauer und Betriebsbereitschaft dieser Spannungsquelle.
Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der oben beschriebenen Radionuklid-Batterie an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden die Folie für den Emitter im folgenden mit Emitterelektrode und die für den Kollektor mit Kollektorelektrode bezeichnet. Es stellt dar F i g. 1 die schematische Darstellung einer Radionuklid-Batterie mit nur einer Kollektorelektrode, F i g. 2 die schematische Darstellung einer Radionuklid-Batterie mit zwei Kollektorelektroden, F i g. 3 die Ansicht eines Ausführungsbeispiels, F i g. 4 den Schnitt 4-4 in F i g. 3 und F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Schnitt 4-4 gemäß F i g. 3.
In F i g. 1 ist eine Emitterelektrode 10 zu erkennen, die aus leitendem Metall, beispielsweise Aluminium, besteht. In dieser Elektrode ist das ß-strahlende radioaktive Gas 11, vorzugsweise Krypton 85, eingelagert. Zur Verringerung der Absorption von ß-Teilchen durch den Emitter ist dieser vorzugsweise als dünner Film ausgeführt. Getrennt vom Emitter 10 ist die Kollektorelektrode 12 angeordnet, die aus dem gleichen leitenden Material wie der Emitter bestehen kann und beispielsweise auf einer durchgehenden Trägerschicht 13 angeordnet ist. Die Kollektorelektrode kann aber auch aus einem Metall mit einem hohen Absorptionsvermögen für ß-Teilchen bestehen, beispielsweise aus Blei. Zwischen der Emitterelektrode 10 und der Kollektorelektrode 12 ist eine Isolierschicht 14 angeordnet. Diese Schicht hat ein geringes Absorptionsvermögen für die energiereichen ß-Teilchen, aber einen genügend hohen spezifischen Widerstand, so daß der vom Kollektor ausgehende Rückfiuß von Sekundärelektronen mit relativ geringer Energie unterbunden wird. Das für die Isolierschicht verwendete Material muß einen spezifischen Widerstand von mindestens 10i° Ohm - cm haben. Für diesen Zweck lassen sich beispielsweise Polystyrol, Polyäthylen und Polyäthylen-Terephthalat verwenden, wobei dem letzteren der Vorzug zu geben ist.
Bei Verwendung von radioaktivem Krypton 85 wird die Emitterelektrode 10 durch Zerstäubung des leitenden Metalls, beispielsweise Aluminium, unter Anwesenheit von Krypton 85 gebildet. Nachdem sich die zerstäubten Metallteilchen niedergeschlagen haben, dienen sie als Austrittssperre für das Gas innerhalb der durch Zerstäubung entstandenen Schicht. Auf diese Weise werden etwa 10 Molprozent Gas in der Schicht eingeschlossen.
Die negativ geladenen, energiereichen ß-Teilchen, die von dem in der Emitterelektrode eingeschlossenen radioaktiven Material emittiert werden, durchdringen die Isolierschicht 14 und treffen dann auf die Kollektorelektrode 12, von der sie vollständig absorbiert werden. Dadurch wird die Kollektorelektrode auf eine gegenüber dem Emitter negative Spannung gebracht. An den Elektroden 15 und 16 kann diese Spannung abgegriffen werden.
Gemäß F i g. 2 ist ein Kollektorelektrodenpaar 22 und 22' auf entgegengesetzten Seiten der Emitterelektrode 20 angeordnet. Emitterelektrode und Kollektorelektrodenpaar sind durch Isolierschichten 24 und 24' voneinander getrennt. Wenn das radioaktive Material gleichmäßig in der Emitterelektrode verteilt ist, werden nach beiden Seiten der Emitterelektrode ß-Teilchen abgestrahlt, wodurch sich der Wirkungsgrad dieses Anordnungsschemas gegenüber dem in F i g. 1 gezeigten verdoppelt. Zwischen den Kollektoranschlüssen 26 und 26', die miteinander verbunden sind, und dem Emitteranschluß 25 tritt die gewünschte Spannung auf.
Ein Ausführungsbeispiel der oben beschriebenen Anordnung ist in den F i g. 3 und 4 gezeigt. Dort sind Emitterfolie, Kollektorfolie und Isolierschicht zu einem zylinderförmigen Wickel 37 aufgerollt. Vorzugsweise werden vier Schichten gemeinsam aufgerollt, die von außen nach innen die Kollektorfolie 32, die Isolierschicht 34, die Emitterfolie 30 und die zweite Isolierschicht 34' umfassen. Durch diese Anordnung ist jede Lage der Wicklung der Emitterfolie 30 auf jeder Seite von der Kollektorfolie 32 umgeben und jedesmal von dieser durch die Isolierschichten 34 und 34' getrennt. In ihrer Wirkungsweise entspricht diese Anordnung der in F i g. 2 gezeigten. An den Anschlüssen 35 und 36 kann die Spannung abgegriffen werden.
Für die Schichtstärken wurden in den Ausführungsbeispielen folgende Werte gewählt: a) 20 000 bis 25 000 A Aluminium für den Emitter30, b) 25,4 #tm und 400 bis 4000 Volt Testspannung für die aus Polyäthylen-Terephthalat bestehenden Isolierschichten 34 und 34', vorzugsweise 25,4 V.m und 1000 Volt, c) 89 V,m Blei für den Kollektor 32, wodurch 900/, der von Krypton 85 emittierten ß-Teilchen absorbiert werden.
Aus Sicherheitsgründen ist der gesamte Wickel 37 in einen Körper 38 aus absorbierendem Material eingebettet, das freie ß-Teilchen und eventuell auftretende y-Strahlen absorbiert. Als geeignetes Material empfehlen sich Kunstharze mit relativ hohem spezifischem Widerstand (größer als 101° S2 - cm), beispielsweise Polystyrol, Polyäthylen, Polyäthylen-Terephthalat, sowie Epoxy-Harze, wobei die letzteren bevorzugt werden. Zusätzlich kann die Anordnung von einem metallischen Behälter umschlossen werden, der im Falle auftretender ß- und y-Strahlung vorzugsweise aus Blei besteht.
Gemäß einem weiteren in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der Schichten von außen nach innen folgende: Emitterfolie 30, Isolierschicht 34, Kollektorfolie 32, zweite Isolierschicht 34'. Werden die Schichten in dieser Weise gewickelt, so sind außer der äußersten Lage der Wicklung der Emitterfolie 30 beide Seiten der Emitterfolie von der Kollektorfolie 32 umgeben. Um die ß-Teilchen auch von der äußersten Lage der Wicklung aufzufangen, ist eine im wesentlichen zylindrische Kollektorelektrode40 um den Wickel 37 herumgelegt. Zwischen dieser Elektrode 40 und der äußeren Wicklung des Emitters 30 ist eine weitere Isolierschicht 41 angeordnet. Durch diese Anordnung ist auch in der äußersten Lage der Wicklung jede Seite der Emitterfölie 30 vollständig von einer Kollektorelektrode umgeben, wenn die Elektrode 40 mit der Elektrode 32 elektrisch verbunden wird. Dies geschieht durch einen weiteren Anschluß 42, der mit dem Anschluß 36 der Kollektorfolie 32 verbunden ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Radionuklid-Batterie, die aus einem Wickel aus zwei einander gegenüberliegenden, durch Isolierschichten voneinander getrennten elektrisch leitenden Folien besteht, von denen die eine die ß-Partikeln aussendende Emitterf olie und die andere die Kollektorfolie ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in die Emitterfolie (10, 20, 30) ein radioaktives Gas (11) eingelagert ist.
2. Radionuklid-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als radioaktives Gas (11) Krypton 85 verwendet wird.
3. Radionuklid-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material der Emitterfolie (10, 20, 30) aus Aluminium besteht und die Dicke der Emitterfolie im Bereich von 1 bis 10 #tm liegt.
4. Radionuklid-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorfolie (12, 22, 32) aus Blei besteht und eine Dicke aufweist, die im Bereich von 80 bis 100 #tm liegt.
5. Radionuklid-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (14, 24, 24', 34, 34') eine Dicke von 20 bis 30 @,m aufweisen und aus Polystyrol, Polyäthylen oder Polyäthylen-Terephthalat bestehen, und daß der Wickel (37) von einem Körper (38) aus einem dieser Isoliermaterialien oder aus Epoxy-Harz umgeben ist.
6. Radionuklid-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel (37) von außen nach innen folgende sich wiederholende Schichtung aufweist: Kollektorfolie (32), erste Isolierschicht (34), Emitterfolie (30), zweite Isolierschicht (34').
7. Radionuklid-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel (37) von außen nach innen folgende sich wiederholende Schichtung aufweist: Emitterfolie (30), erste Isolierschicht (34), Kollektorfolie (32), zweite Isolierschicht (34'). B.
Radionuklid-Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Oberfläche des Wickels (37) liegende Teil der Emitterfolie (30) von einer dritten Isolierschicht (41) und diese von einer zusätzlichen Kollektorelektrode (40) umgeben ist, die mit der Kollektorfolie (32) elektrisch verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Emitterfolie für eine Radionuklid-Batterie nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material für die Emitterfolie bei Anwesenheit des inerten radioaktiven Gases zerstäubt wird und die zerstäubten Partikeln zu einem dünnen Film niedergeschlagen werden.