DE2122171A1 - Device for converting nuclear energy into electrical energy - Google Patents
Device for converting nuclear energy into electrical energyInfo
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Description
zur Eingabe vom 3. Mai 1971 vA// Name d. Anm. Wilson Greatbatch Ltd. for entry from May 3, 1971 vA // Name d. Note Wilson Greatbatch Ltd.
Die Erfindung betrifft die direkte Umwandlung von Kernenergie· in elektrische Energie und insbesondere eine elektrische Nuklearbatterie für einen künstlichen Herzschrittmacher.The invention relates to the direct conversion of nuclear energy into electrical energy and, more particularly, to an electrical nuclear battery for an artificial pacemaker.
Die Verwendung von Kernenergie in einer elektrischen Schwachstrombatterie ist wünschenswert und reizvoll, um elektrischen Strom sicher unzugänglichen Vorrichtungen im menschlichen Bereich zuzuführen. Unter den Materialien, die für eine solche Umwandlung in Betracht kommen, befindet sich Plutonium 238 mit einer Halbwertzeit von neunundzwanzig Jahren, Promethium 147 mit einer Halbwertzeit von zweieinhalb Jahren und Tritium 3 mit einer Halbwertzeit von zwölf Jahren. Da Plutonium radioaktivem Zerfall unterworfen ist, emittiert es Alphateilchen, zum Beispiel Dipositive Heliumatome. Es ist daher nur für die thermoelektrische Umwandlung geeignet, bei welcher die infolge des Zerfalls freigegebene Energie Wärme erzeugt, welche ihrerseits in elektrische Energie umgewandelt werden muß« Andererseits emittieren Promethium und Tritium während des Zerfalls Betateilchen, zum Beispiel Elektronen, und sind für die direkte Umwandlung geeig+net, bei welcher ein Umwandlungsmaterial, das mit den Betateilchen g beschossen wird, eine Potentialdifferenz erzeugt. Außerdem zerfallen radioaktive Elemente, wie zum Beispiel Tritium, mit einer nicht linearen Geschwindigkeit, und es erscheint vorteilhaft, diese Eigenschaft zu benützen, um eine gewünschte Kontrollfunktion auszuüben.The use of nuclear energy in a low-voltage electric battery is desirable and appealing to keep electrical current safe in inaccessible devices in the human realm to feed. Among the materials that are considered for such a conversion is plutonium 238 with a Half-life of twenty-nine years, Promethium 147 with a half-life of two and a half years, and Tritium 3 with one Half-life of twelve years. Since plutonium is subject to radioactive decay, it emits alpha particles, for example Dipositive helium atoms. It is therefore only for the thermoelectric Conversion suitable in which the energy released as a result of the decay generates heat, which in turn must be converted into electrical energy «On the other hand, promethium and tritium emit beta particles during decay, for example electrons, and are suitable for direct conversion, in which a conversion material that interacts with the Beta particles g is bombarded, a potential difference is generated. In addition, radioactive elements such as tritium decay with a non-linear speed, and it appears advantageous to use this property to obtain a desired Exercise control function.
Ein Verwendungsbereich der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Betavoltaisehen Batterie für die Zuführung von elektrischem Strom zu einem künstlichen Herzschrittmacher, sowie fürOne area of application of the invention is the formation of a Betavolta battery for the supply of electrical energy Electricity to an artificial pacemaker, as well as for
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die Zuführung dieses Stroms mit einer veränderlichen Geschwindigkeit während eines gegebenen Zeitraums. Das radioaktive Element oder die Isotope, welche als der aktive Bestandteil einer solchen Batterie gewählt wird, muß eine Halbwertzeit aufweisen, welche den physiologischen oder medizinischen Erfordernissen des Patienten, sowie der zu erwartenden Lebensdauer des künstlichen Herzschrittmachers entspricht. Das radioaktive Element oder die Isotope muß von der Art sein, welche leicht und wirtschaftlich herzustellen, sowie verhältnismäßig sicher ist, und welche von einem Patienten entweder äußerlich getragen oder in seinen Körper eingepflanzt werden kann· Außerdem muß die Batterie abgedichtet oder in einer Weise abgeschlossen sein, welche die Wirkungsweise der Batterie nicht behindert, welche aber den Btienk ten vor irgendwelchen schädlichen Stoffen schützt, die während des nuklearen Zerfalls emittiert werden.the supply of this current at a variable rate during a given period of time. The radioactive element or isotopes that are considered to be the active constituent of a Such a battery is chosen, must have a half-life which the physiological or medical requirements of the Patient, as well as the expected lifespan of the artificial pacemaker. The radioactive element or the Isotopes must be of the kind which are easy and economical to manufacture, as well as relatively safe, and which of can either be worn externally or implanted in the patient's body · In addition, the battery must be sealed or be closed in a way that does not hinder the operation of the battery, but which the Btienk protects against any harmful substances emitted during nuclear decay.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Ausbildung einer verbesserten elektrischen Stromquelle, in welcher Kernenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Stromquelle elektrische Vorrichtungen im menschlichen Bereich sicher betreiben kann.It is therefore an object of the invention to provide an improved electrical power source in which nuclear energy directly converted into electrical energy, the power source being electrical devices in the human realm can operate safely.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer solchen elektrischen Stromquelle, bei welcher das in derselben verwendete radioaktive Element oder die Isotope mit einer nicht linearen Geschwindigkeit zerfällt, so daß diese Eigenschaft benützt werden kann, um eine gewünschte Kontrollfunktion auszuüben.Another object of the invention is to provide such an electric power source which has the same used radioactive element or the isotope decays at a non-linear rate, giving this property can be used to exercise a desired control function.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer solchen elektrischen Stromquelle für einen künstlichen Herzschrittmacher, wobei diese Stromquelle von einem Patienten sicher äußerlich getragen oder in seinen Körper eingepflanzt werden kann.Another object of the invention is to provide such an electric power source for an artificial one Pacemaker, this power source being safely worn externally by a patient or implanted in his body can be.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer betavoltaischen Batterie, welche als ein TaktgeberelementA particular object of the invention consists in the formation of a betavoltaic battery, which acts as a clock generator element
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wirkt, um die Frequenz von anregenden Impulsen in einem pädiatrischen künstlichen Herzschrittmacher während der Wachstumsperiode eines kindlichen Patienten zu verändern.acts to increase the frequency of stimulating pulses in a pediatric to modify artificial pacemakers during the growth period of a child patient.
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Umwandeln von Kernenergie in elektrische Energie vor, welche ein radioaktives Nuklid enthält, das während des radioaktiven Zerfalls Betateilchen emittiert. Der Zerfall erfolgt vorzugsweise nicht linear oder logarithmisch, so daß die Vorrichtung außer der Zuführung von elektrischer Energie eine Kontrollfunktion ausüben kann· Ein Energieumwandlungsmaterial ist ebenfalls eingeschlossen, welches beim Beschüß mit den emittierten Betateilchen eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt·The invention provides an apparatus for converting nuclear energy in electrical energy, which contains a radioactive nuclide that emits beta particles during radioactive decay. The decay is preferably non-linear or logarithmic, so that the device apart from the supply of electrical Energy can have a control function · An energy conversion material is also included, which when bombarded with the emitted beta particles creates an electrical potential difference generated·
Die Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung zum Umwandeln von Kernenergie in elektrische Energie, welche ein radioaktives Nuklid enthält, vorzugsweise einen Lithiumkern, der mit einem überzug aus Lithiumhydrid umhüllt ist, sowie ein Energieumwandlungsmaterial, welches das Nuklid umhüllt, und ein Paar Klemmen, die mit dem Umwandlungsmaterial verbunden sind« Das Umwandlungsmaterial besteht vorzugsweise aus Silikon, in welchem Verunreinigungen von Material des p-Typs und des η-Typs verteilt sind, um Bereiche mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zu bilden, die durch eine Grenzfläche getrennt sind. Die Klemmen sind mit entsprechenden Bereichen verbunden und beim Beschüß mit den Betateilchen des Nuklids werden in den Bereichen Elektronlochpaare gebildet, um einen Stromfluß parallel zur Grenzfläche und ein elektrisches Potential parallel zu den Klemmen zu erzeugen. Die Vorrichtung kann vorteilhaft in Verbindung mit einem künstlichen Herzschrittmacher verwendet werden, wobei die anregenden Ausgangsimpulse des Schrittmachers mit einer nicht-linearen Freque'nz erzeugt werden.The invention therefore relates to a device for converting nuclear energy into electrical energy, which is a radioactive nuclide contains, preferably a lithium core, which is coated with a coating of lithium hydride, and an energy conversion material, which envelops the nuclide, and a pair of clamps connected to the conversion material «The conversion material is preferably made of silicone in which impurities of p-type and η-type material are dispersed around areas with opposite conductivity, which are separated by an interface. The terminals are with corresponding Areas connected and when bombarded with the beta particles of the nuclide, electron hole pairs are formed in the areas, to generate a current flow parallel to the interface and an electrical potential parallel to the terminals. The device can advantageously be used in conjunction with an artificial cardiac pacemaker, with the stimulating output pulses of the pacemaker can be generated with a non-linear frequency.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigt: Further features and advantages of the invention emerge from the following description with reference to the drawing, in which:
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Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Nukleargbatterie, die aus einer Vielzahl von Platten besteht, welche in einem Stapel angeordnet und in Reihe leitend miteinander verbunden sind,Fig. 1 is a perspective view of a preferred embodiment a nuclear battery designed according to the invention, which consists of a plurality of plates, which are arranged in a stack and conductively connected to one another in series,
Fig. 2 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer der Platten, die in der Batterie gemäß Fig. 1 enthalten sind, undFIG. 2 is a cross section of a preferred embodiment of one of the plates included in the battery of FIG. 1 are and
Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches die Batterie gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem künstlichen Herzschrittmacher veranschaulicht.Fig. 3 is a block diagram showing the battery according to the invention in connection with an artificial pacemaker illustrated.
Die Erfindung wird unter besonderer Bezugnahme auf eine Vorrichtung beschrieben, welche Kernenergie verwendet, um elektrischen Strom einem künstlichen Herzschrittmacher zuzuführen und die Frequenz der Impulserzeugung in demselben zu steuern, obwohl die Prinzipien der Erfindung auch auf andere Weise angewendet werden können. Ein Beispiel der Betriebserfordernisse einer solchen Batterie ergibt sich aus einem pädiatrischen künstlichen Herzschrittmacher, der bei der Einpflanzung in ein ein Jahr altes Kind eine Impulserzeugungsfrequenz von etwa 90 Pulsschlägen pro Minute aufweisen kann. Diese Frequenz soll im Durchschnitt um etwa einen Pulsschlag pro Minute im Jahr verringert werden, so daß zu dem Zeitpunkt, in dem der Patient das Alter von zwanzig Jahren erreicht, die Herztätigkeit auf etwa 70 Pulsschläge pro Minute verringert ist. Eine Nuklearbatterie, die ein radioaktives Nuklid, wie zum Beispiel Tritium, mit einer Halbwertzeit von zwölf Jahren enthält, könnte als Taktgeberelement dienen, um die dem SchrittmacherStromkreis zur Verfügung stehende Spannung während zwei Halbwertzeiten des Brennstoffs oder des radioaktiven Nuklids zu verringern.The invention is made with particular reference to an apparatus described which nuclear energy is used to supply electrical power to an artificial pacemaker and which Frequency of pulse generation therein, although the principles of the invention can be applied in other ways can. An example of the operational requirements of such a battery comes from a pediatric artificial pacemaker, which when implanted in a one year old child has a pulse generation frequency of about 90 pulse beats per Minute may have. This frequency should be reduced on average by about one pulse per minute per year, so that by the time the patient reaches the age of twenty, the heart rate is about 70 pulse beats per Minute is decreased. A nuclear battery that contains a radioactive nuclide, such as tritium, with a half-life of twelve years, could serve as a clock element to generate the voltage available to the pacemaker circuit to decrease during two half-lives of the fuel or the radioactive nuclide.
Das optimale radioaktive Nuklid für eine solche Impulsfrequenzsteuerung soll eine Halbwertzeit von sicherlich nicht weniger als die Hälfte der zu erwartenden Lebensdauer der VorrichtungThe optimal radioactive nuclide for such a pulse frequency control should have a half-life of certainly not less than half of the expected service life of the device
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aufweisen. Ein künstlicher Herzschrittmacher mit einer zu erwartenden Lebensdauer von zwanzig Jahren soll beispielsweise durch ein radioaktives Nuklid gesteuert werden, das eine Halbwertzeit von nicht weniger als zehn Jahren aufweist. Das Verhältnis der BOL-Emission zur EOL-Emission würde sonst so groß, daß die ganze Vorrichtung erheblich kompliziert wird. Tritium mit einer Halbwertzeit von zwölf Jahren erfüllt daher dieses Erfordernis.exhibit. An artificial pacemaker with an expected Lifespan of twenty years, for example, should be controlled by a radioactive nuclide that has a half-life of not less than ten years. The ratio of the BOL emission to the EOL emission would otherwise be so large that the whole Device is considerably complicated. Tritium with a half-life of twelve years therefore fulfills this requirement.
In den meisten Fällen, in denen ein pädiatrischer Herzschrittmacher verwendet wird, soll die Verringerung der Frequenz der Impulserzeugung sicherlich nicht linear sein, sondern vielmehr während der ersten Lebensjahre des Kindes beschleunigt werden. Mit anderen Worten, die Herztätigkeit soll verhältnismäßig rasch von der Anfangsfrequenz von 90 Pulsschlagen pro Minute abnehmen, wenn das Alter des Kindes von 1 zunimmt, und soll sich verhältnismäßig allmählich 70 Pulsschlägen pro Minuten nähernd, wenn das Alter des Patienten bis 20 zunimmt. Es ist bekannt,daß Tritium einem radioaktiven Zerfall mit einer logarithmischen Geschwindigkeit unterworfen ist und daher dieses Erfordernis erfüllt. In most cases involving a pediatric pacemaker is used, the reduction in the frequency of pulse generation is certainly not intended to be linear, but rather rather accelerated during the child's first years of life. In other words, the heart's activity should be relatively rapid decrease from the initial frequency of 90 heartbeats per minute, as the age of the child increases from 1, and should relatively gradually approaching 70 heartbeats per minute, when the age of the patient increases to 20. It is known that tritium is subject to radioactive decay at a logarithmic rate and therefore meets this requirement.
Die Erfindung sieht daher eine Einrichtung zur Bestimmung der Frequenz des Impulsgenerators vor, welche den radioaktiven Zerfall eines radioaktiven Nuklids ausnützt, um eine stabile und zuverlässige Verringerung der Ausgangsimpulsfrequenz während ««- einer oder mehrerer Halbwertzeiten des Nuklids zu erzielen. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bestimmung der Frequenz des Impulsgenerators in Verbindung mit einem künstlichen Herzschrittmacher ist es nur notwendig, in dem Schrittmacher einen Impulsgenerator anzuordnen, der eine Ausgangsimpulsfrequenz aufweist, welche eine direkte Funktion der zur Einwirkung kommenden Spannung ist. In vorhandenen Herzschrittmacherstromkreisen, die einen Sperrschwinger enthalten, kann beispielsweise die mit der Zeit abnehmende Zuführungsspannung auf den Basiswiderstand des Sperrschwingers zur Einwirkung gebracht werden, während die spannungsgeregelten Spannungen der Stromquelle auf die anderen Teile des Stromkreises zur Einwirkung kommen.The invention therefore provides a device for determining the frequency of the pulse generator, which is the radioactive decay of a radioactive nuclide to achieve a stable and reliable reduction in the output pulse frequency during «« - to achieve one or more half-lives of the nuclide. at the use of the device according to the invention for determining the frequency of the pulse generator in conjunction with an artificial one Cardiac pacemaker it is only necessary to arrange a pulse generator in the pacemaker, which has an output pulse rate which is a direct function of the applied voltage. In existing pacemaker circuits, which contain a blocking oscillator, for example, the supply voltage, which decreases over time, acts on the base resistance of the blocking oscillator are brought into action while the voltage-regulated voltages of the power source are on the other parts of the circuit come into play.
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Da Tritium eine Halbwertzeit von zwölf Jahren und eine logarithmische Zerfallscharakteristik aufweist, scheint es ein optimales Material für eine solche betavoltaische Batterie zu sein. Als ein Isotop von Wasserstoff ist jedoch Tritium ein Gas und nahezu ein Liter Tritium wäre erforderlich, um einen Strom von 50 Mikrowatt zu erzeugen. Durch die Umwandlung des gasförmigen Tritiums in seine flüssige oder feste Form würde das Volumen des Tritiums stark verringert, das erforderlich ist, um eine äquivalente Menge elektrischen Stroms zu erzeugen. Das Gewicht eines Liters Tritium ist beispielsweise ungefähr 0,25 g und in der Form schweren Wassers würde dasselbe ein Gewicht von 2,25 g (0,25 g Tritium und 2 g Sauerstoff) und ein Volumen von ungefährBecause tritium has a half-life of twelve years and a logarithmic one Has decay characteristics, it seems to be an optimal material for such a betavoltaic battery. as an isotope of hydrogen, however, tritium is a gas and nearly a liter of tritium would be required to generate a current of 50 microwatts to create. By converting the gaseous tritium into its liquid or solid form, the volume of the Tritium, which is required to generate an equivalent amount of electrical power, is greatly reduced. The weight of one For example, liters of tritium is about 0.25 g and in the form of heavy water it would weigh 2.25 g (0.25 g tritium and 2 g oxygen) and a volume of approximately
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2,2 cm aufweisen«■ 5
2.2 cm «
Die Verwendung von Tritium in der Form schweren Wassers, die in wünschenswerter Weise ein kleineres Volumen erfordert, kann aber eine unerwünschte Reaktion mit dem Material ergeben, das vorhanden sein muß, um die Beta-Emissionen in eine Potentialdifferenz umzuwandeln. Dieses Umwandlungsmaterial und seine Beziehung zum Rest der Vorrichtung wird nachstehend genauer beschrieben. Ein anderer zu berücksichtigender Faktor ist der Verlust an Energie beim Durchgang von Betaelektronen durch verschiedene Medien. Beispielsweise geht der größte Teil der Energie verloren, wenn eine Strecke von 1 cm in Luft, etwa 1 mm in Salz oder etwa 1 mil in Metall zurückgelegt wird. Es ist auch bekannt, daß sich ein Wirksamkeitsverlust mit einem Faktor von nahezu 1/2 beiThe use of tritium in the form of heavy water, which desirably requires a smaller volume, can but result in an undesirable reaction with the material, which must be present to convert the beta emissions into a potential difference to convert. This conversion material and its relationship to the rest of the device is described in greater detail below. Another factor to consider is the loss of energy in the passage of beta electrons through different ones Media. For example, most of the energy is lost when traveling a distance of 1 cm in air, about 1 mm in salt or covered about 1 mil in metal. It is also known that there is a loss of effectiveness by a factor of nearly 1/2
►den Betaelektronen mit hoher Energie des Promethiums ergibt, 2 2► results in beta electrons with high energy of promethium, 2 2
wenn die Materialdicke von 1 mg/cm auf 6,5 mg/cm erhöht wird.when the material thickness is increased from 1 mg / cm to 6.5 mg / cm.
Tritium in fester Form scheint daher das bevorzugte radioaktive Nuklid für die Vorrichtung gemäß der Erfindung zu sein. Die drei stabilen Salze von Tritium sind Lithiumhydrid (LiH), Lithiumborohydrid (LiBH^) und Kupferhydrid (CuH), Kupferhydrid hat einen verhältnismäßig schweren Kern und scheint daher für die Betaelektronen mit verhältnismäßig geringer Energie des Tritiums im wesentlichen undurchlässig zu sein. Lithiumborohydrid ist derzeit schwierig herzustellen, obwohl es etwa 40 Gew.-% TritiumTritium in solid form therefore appears to be the preferred radioactive nuclide for the device according to the invention. The three stable salts of tritium are lithium hydride (LiH), lithium borohydride (LiBH ^) and copper hydride (CuH), copper hydride has one relatively heavy nucleus and therefore appears to be responsible for the beta electrons to be essentially impermeable with a relatively low energy of tritium. Lithium borohydride is currently difficult to manufacture, although it contains about 40 wt% tritium
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enthält. Andererseits ist Lithiumhydrid verhältnismäßig leicht herzustellen und weist einen Gehalt von etwa 30 Gewe-% Tritium auf.contains. On the other hand, lithium hydride is relatively easy to manufacture and has a content of about 30 weight e -% tritium on.
In Fig. 1 ist eine betavoltaische Batterie 10 dargestellt, die aus mehreren gestapelten, in Reihe verbundenen Platten 11 besteht, welche gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Jede Platte 11 ist mit Elektroden positiver und negativer Polarität versehen. In der dargestellten Ausführungsform sind Ausgangsleitungen 12 und 13 fflit den entsprechenden negativen und positiven Klemmen der obersten und untersten Platten 11 der Batterie 10 verbunden. Die in Fig. 1 dargestellte betavoltaische Batterie kann parallel zu den Klemmen 12 und 13 eine Spannung bis zu etwa 2,5 V bei 25 Mikroampere liefern.In Fig. 1, a betavoltaic battery 10 is shown, which consists of several stacked plates 11 connected in series, which are designed according to the invention. Each plate 11 is provided with electrodes of positive and negative polarity. In the illustrated embodiment, output lines 12 and 13 are correspondingly negative and positive Terminals of the top and bottom plates 11 of the battery 10 are connected. The beta voltaic battery shown in FIG. 1 can deliver a voltage of up to approximately 2.5 V at 25 microamps in parallel with terminals 12 and 13.
Fig. 2 zeigt genauer eine bevorzugte Konstruktion dieser Platte 11 und veranschaulicht die Art der Herstellung derselben. Die Platte 11 enthält einen Kern 15 aus reinem Lithiummetall. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Kern 15 aus einer Folie aus reinem Lithium geformt, die unter Kerosin auf eine Dicke von etwa 0,25 mm ausgewalzt wird« Die Oberflächenabmessungen sind eine Länge von etwa 25 mm und eine Breite von 12,5 mm. Die Platte 11 weist ferner einen Überzug 16 aus radioaktivem Nuklid auf, der beide Oberflächen des Kerns 15 bedeckt,, Der überzug 16 wird aus Lithiumhydrid gebildet, in dem der Kern 15 Tritium bei einer Temperatur von etwa 538° C ausgesetzt wird, bis sich eine entsprechende Schicht von Lithiumhydrid auf Jeder Seite des Kerns 15 bildet. Die Dicke des Überzuges 16 wird eo gewählt, daß die Strahlung der Betaelektronen von der Oberseite und Unterseite ein Optimum beträgt, wobei aber die Strahlung von tiefer liegenden Schichten nicht vollständig unterdrückt wird. Außerdem soll der Überzug 16 genügend dünn sein, um einen tragenden Kern aus reinem Lithiummetall zu belassen.Fig. 2 shows in more detail a preferred construction of this plate 11 and illustrates the manner in which it is manufactured. the Plate 11 contains a core 15 made of pure lithium metal. In the preferred embodiment, the core 15 is made from a film Formed from pure lithium, which is rolled out under kerosene to a thickness of about 0.25 mm «The surface dimensions are a length of about 25 mm and a width of 12.5 mm. The plate 11 also has a coating 16 of radioactive nuclide which covers both surfaces of the core 15, the coating 16 becomes Formed from lithium hydride, in which the core 15 is exposed to tritium at a temperature of about 538 ° C until a corresponding Forms a layer of lithium hydride on each side of the core 15. The thickness of the coating 16 is chosen so that the Radiation of the beta electrons from the top and bottom is an optimum, but the radiation from deeper Layers is not completely suppressed. In addition, the coating 16 should be thin enough to provide a load-bearing core to leave pure lithium metal.
Die Platte 11 enthält außerdem einen Oberflächenüberzug 17 aus einem Material zum Umwandeln der vom radioaktiven Nuklid emittierten Betateilchen oder Elektronen in eine elektrische Poten-The plate 11 also includes a surface coating 17 made of a material for converting those emitted by the radioactive nuclide Beta particles or electrons into an electrical potential
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tialdifferenz. Der Oberflächenüberzug 17 wird vorzugsweise aus Silikon geformt, das nach bekannten Verfahren unter Vakuum auf jeder Seite des radioaktiven Nuklids abgelagert wird. Der Oberflächenüberzug 17 ist mit Verunreinigungen des p-Typs und des η-Typs versehen, die nach bekannten Verfahren im Silikon bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur verteilt werden, um die Hydridschichten 16 nicht zu beeinflussen. Dadurch wird ein Bereich oder eine Schicht 18 des p-Typs und ein Bereich oder eine Schicht 19 des η-Typs gebildet, die durch eine p-n-Grenzflachetial difference. The surface coating 17 is preferably made of Molded silicone which is deposited under vacuum on each side of the radioactive nuclide using known processes. The surface coating 17 is provided with impurities of the p-type and the η-type, which according to known methods in the silicone at a relatively low temperature are distributed so as not to affect the hydride layers 16. This creates an area or a p-type layer 18 and a region or a layer 19 of the η-type formed by a p-n interface
20 getrennt sind. Der Oberflächenüberzug 17 soll eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um im wesentlichen alle emittierten Betaelektronen zu absorbieren. Derselbe soll aber nicht so dick sein, daß unnütze Masse hinzugefügt wird. Eine erste Elektrode 21 ist mit dem Material des p-Typs verbunden und eine zweite Elektrode 22 ist mit dem Material des η-Typs verbunden» Beide Elektroden20 are separated. The surface coating 17 should have a thickness which is sufficient to absorb substantially all of the beta electrons emitted. But the same should not be so thick, that useless mass is added. A first electrode 21 is connected to the p-type material and a second electrode 22 is connected to the η-type material »Both electrodes
21 und 22 sind außen freigelegt zwecks elektrischer Verbindung mit angrenzenden Platten in der Batterie 10 oder mit einer der Leitungen 12, 13 im Falle der obersten und untersten Platten.21 and 22 are exposed externally for electrical connection to adjacent plates in battery 10 or to one of the Lines 12, 13 in the case of the top and bottom panels.
Die Platte 11 ist vollständig umhüllt durch eine Dichtung 23 aus einem Material,- welches Tritium enthalten kann, das durch den Betrieb der Vorrichtung freigegeben wird. Insbesondere wird der Betabeschuß der Masse einige Kollisionen mit Hydridatomen ergeben, wodurch freies Tritium freigegeben wird. Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Herzschrittmacher verwendet wird, muß das Tritium unbedingt umschlossen sein, weil es gefährlich ist, wenn es im Blutstrom frei ist. Wenn Tritium zerfällt, emittiert eines der beiden Neutronen im Kern ein Elektron von 19 keV, so daß ein zweites Proton zurückbleibt. Tritium zerfällt daher durch Umwandlung in Helium, welches stabil und inert ist. Ein bevorzugtes Material für die Dichtung 23 ist daher ein Glas (SiOp), das so ausgewählt wird, daß es Helium hindurchgehen läßt, aber Wasserstoff zurückhält. Außerdem kann es wünschenswert sein, ein Material, wie zum Beispiel Palladiummetall, in die Platte 11 einzuführen, damit es Tritium adsorbiert oder absorbiert oder sich mit demselben verbindet, um dasselbe physikalisch unbeweglich zu machen. Es ist notwendig, daß unschädli-The plate 11 is completely surrounded by a seal 23 made of a material - which may contain tritium, which by the Operation of the device is enabled. In particular, beta bombardment of the mass will result in some collisions with hydride atoms, thereby releasing free tritium. When the device according to the invention is used in a cardiac pacemaker the tritium must absolutely be enclosed because it is dangerous is when it is free in the bloodstream. When tritium decays, one of the two neutrons in the nucleus emits an electron of 19 keV, so that a second proton remains. Tritium therefore breaks down by converting it into helium, which is stable and inert is. A preferred material for the seal 23 is therefore a glass (SiOp) which is selected so that helium can pass through it leaves, but holds back hydrogen. In addition, it may be desirable to use a material such as palladium metal, to be introduced into the plate 11 so that it adsorbs or absorbs tritium or associates with the same, so that it physically to render immobile. It is necessary that harmless
W 75/2 - 8 -W 75/2 - 8 -
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ches Helium entlüftet wird. Wenn nämlich alle frei werdenden Gase umschlossen bleiben, können gegebenenfalls Drücke von 300 bis 600 at auftreten. Für die Dichtung 23 können auch Palladium oder andere Stoffe als ein HeliumMfenstern verwendet werden.ches helium is vented. If all released gases remain enclosed, pressures of 300 to 600 atm can occur. For the seal 23 and palladium or other materials can be used as a window n M a helium.
Im Betrieb dringen die aus dem radioaktiven Niiklid durch den Zerfall desselben emittierten Betaelektronen in den Oberflächenüberzug 17 ein und erzeugen infolge der sich ergebenden Kollisionen Elektronlochpaare. Ein Stromfluß entsteht, der eine Potentialdifferenz parallel zur Grenzfläche 20 in einer Weise erzeugt, die der Erzeugung einer Potentialdifferenz parallel zu den p-n-Grenzflächen ähnlich ist. Diese gleiche Potentialdifferenz erscheint parallel zu den Elektroden 21 und 22 jeder Platte 114 und die Summe der Potentialdifferenzen aller Platten 11 ist zwischen den Leitungen 12 und 13 der Batterie 10 verfügbar. Außerdem nimmt die Größe der Potentialdifferenz mit der Zeit mit einer logarithmischen Geschwindigkeit ab infolge der Eigenschaft des logarithmischen Zerfalls von Tritium.In operation, the radioactive Niiklid penetrate through the Decay of the same emitted beta electrons into the surface coating 17 and generate collisions as a result of the resulting collisions Electron hole pairs. A current flow arises which creates a potential difference parallel to the interface 20 in a way which is similar to creating a potential difference parallel to the p-n interfaces. This same potential difference appears parallel to the electrodes 21 and 22 of each plate 114 and the sum of the potential differences of all plates 11 is available between lines 12 and 13 of battery 10. In addition, the size of the potential difference increases with time a logarithmic velocity due to the property of the logarithmic decay of tritium.
Die betavoltaische Batterie 10 gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um die Frequenz der Impulserzeugung in einem künstlichen Herzschrittmacher zu bestimmen, zum Beispiel in dem in Fig. 3 allgemin mit 30 bezeichneten Schrittmacher. Der Schrittmacher 30 enthält eine anregende Elektrode 31, welche chirurgisch in Berührung mit dem Herzen eines Patienten angeordnet wird, und eine Bezugselektrode oder indifferente Elektrode 32, welche gewöhnlich subkutan ea an einer anderen Stelle des Körpers des Patienten eingepflanzt wird. Bei der Verwendung der Batterie 10 gemäß der Erfindung ist es nur notwendig, daß der Schrittmacher 30 einen Impulsgenerator enthält, der eine Ausgangsimpulsfrequenz aufweist, welche eine direkte Funktkion der zur Einwirkung kommenden Spannung ist. Der dargestellte Schrittmacher 30 ist typisch für vorhandene Schrittmacherstromkreise, welche einen Sperrschwinger enthalten. Der Schwingerabschnitt ist in Fig. 3 mit 33 bezeichnet. Bei diesem Schrittmacherstromkreis genügt es, die mit der Zeit abnehmende Zuführungsspannung, die auf der Leitung 13 der Batterie 10 verfügbar ist, über dieThe beta voltaic battery 10 according to the invention can be used to determine the frequency of pulse generation in an artificial pacemaker, for example in the in 3 pacemaker generally designated 30. The pacemaker 30 includes a stimulating electrode 31 which is surgically placed in contact with a patient's heart is, and a reference or indifferent electrode 32, which is usually subcutaneous ea elsewhere on the body of the patient is implanted. When using the battery 10 according to the invention, it is only necessary that the Pacemaker 30 includes a pulse generator having an output pulse rate which is a direct function of the applied tension. The illustrated pacemaker 30 is typical of existing pacemaker circuits, which contain a blocking oscillator. The oscillator section is designated by 33 in FIG. 3. With this pacemaker circuit it is sufficient, the supply voltage, which is available on the line 13 of the battery 10, which decreases with time, via the
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Eingangsklemme 34 des Schrittmachers auf den Basiswiderstand, des Sperrschwingers zur Einwirkung zu bringen, wie durch die unterbrochene Linie 35 angedeutet ist. Die gleiche mit der Zeit abnehmende Zuführungsspannung wird auch auf die anderen Teile des Schrittmacherstromkreises zur Einwirkung gebracht, wie durch die Verbindung der Leitung 13 mit der Eingangsklemme 34 angegeben ist. Die andere Leitung 12 der Batterie 10 ist mit der anderen Eingangsklemme des Schrittmachers verbunden. Der Schrittmacher 30 erzeugt infolgedessen an der Elektrode 31 anregende Impulse mit einer Frequenz, welche eine direkte Funktion der durch die Batterie 10 zur Einwirkung gebrachten Spannung ist. Von besonderem Interesse ist die Verwendung der Batterie 10 in Verbindung mit einem pädiatrischen künstlichen Herzschrittmacher, welcher während der Wachstums*periode des Kindes eine allmählich abnehmende Frequenz der Impulserzeugung aufweisen soll.Input terminal 34 of the pacemaker to the base resistance, des Bring the blocking oscillator to act, as indicated by the broken line 35. The same diminishing over time Supply voltage is also applied to the other parts of the Brought pacemaker circuit to act, as indicated by the connection of the line 13 to the input terminal 34 is. The other lead 12 of the battery 10 is connected to the other input terminal of the pacemaker. The pacemaker As a result, 30 generates stimulating pulses at the electrode 31 with a frequency which is a direct function of the the battery 10 is applied voltage. Of particular interest is the use of the battery 10 in conjunction with a pediatric artificial cardiac pacemaker, which gradually increases as the child grows should have decreasing frequency of pulse generation.
Daraus ergibt sich, daß die Erfindung die angestrebten Ziele erreicht. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene beispielsweise Ausführungsform beschränkt, welche verschiedene Abänderungen erfahren kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It follows that the invention achieves the intended objectives. The invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiment, which various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
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Ι 09848/ 1300Ι 09848/1300
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