直接將放射性衰變能量轉換為電能的裝置的製作方法

2023-07-27 02:20:06

專利名稱:直接將放射性衰變能量轉換為電能的裝置的製作方法
本發明一般地涉及一種直接將放射性衰變產物的能量轉換為電能的裝置，尤其涉及利用阿爾法粒子源維持和加強L-C振蕩器電路中的振蕩。
今天，對於小型、精巧、可靠、輕便、並具裝成一體而結實耐用的電源的需要在不斷增長，以便為電動汽車、家庭、工業、農業、娛樂事業、遠程監控系統和衛星這樣一些應用領域提供電力。今天大多數的衛星用太陽能電池和傳統的化學電池組供給電力，並且只要求少量電力以支持運行。雷達、先進的通信衛星，特別是各種高技術武器的裝卸臺，將要求比今天的空間電力系統能提供的大得多的電力源。對於這種極大功率的應用場合，核反應堆似乎是適用的。但是，對於中等功率範圍，10至100千瓦，核反應堆帶來了一系列難以解決的技術問題。以今天的效率，要提供100千瓦，會要求許多英畝面積的太陽能吸收板。同樣，在一段有效時間內足以提供100千瓦所需的化學燃料，也將是太沉重、太苯拙，以致不能付諸實用。
以前，曾有過幾種周知的、將天然放射性元素在衰變期內釋放的放射性能量轉換為電能的方法。早在本世紀五十年代初就已研製了一種像葡萄柚大小的放射性同位素熱電發生器，它是利用了鈽-238衰變時放射的阿爾法粒子所產生的熱量。但是，它的輸出功率僅限於幾百瓦。直接將放射性衰變能量轉換為電能的其他一些方法已在美國專利第3，290，522、第3，409，820以及第3，939，366號中公開。
1966年12月6日頒發給羅伯特、吉耐爾(Robert Ginell)的題為「核輻射發電器」的美國專利第3，290，522號公布了一種通過調製被限制於磁場封閉空間內的帶電粒子云密度而提供電力的裝置。放射性物質被置於一個空心球的中央，球的內表面鍍覆著一層銀。該球體居中位於一塊永久磁鐵的兩極之間。帶電粒子云密度的變化引起該粒子云建立的磁場的變化。磁場的這種變化切割導電機構，在其中建立電位和電流。把周期變化的靜電場和電磁場用於受限制的帶電粒子云，可以改變帶電粒子云的密度。電能是在放射性物質衰變期間，在出現天然蛻變現象時從給予帶電粒子(衰變產物)的動能得到的。但是，用這種方式發電轉換效率很低，而且提供的電力量級太小以致不能應用於大多數場合。
1968年11月5日頒發給詹姆斯·O·伯克(James O.Burke)的題為「電力裝置」的美國專利第3，409，820號公開了一種通過放射性物質傳導電流從而放大電流的裝置。儘管該裝置提供了某種電流放大作用，但同時要求有一個外部電源，例如常規的電池組，因而不能為大多數應用場合提供充足的電力。
1976年2月17日頒發給Yasuro Ato等人的題為「將放射性能量轉換為電能的方法以及用於完成此項轉換的裝置」的美國專利第3，939，366號公開了一種裝置，其中放射性能量被轉換為電能是通過用放射性衰變產物輻照半導體材料，從而使該材料產生一定數量的電子一空穴對來實現的。使一個磁場，沿垂直於電子一空穴對擴散和垂直於所加磁場的方向穿越該半導體材料，以便在該半導體材料有關端面上設置的電極處收集電子和空穴，從而在該半導體材料上產生電位。雖然由Ato等人公開的這種裝置的轉換效率比之伯克或是吉耐爾所公開的裝置要高得多，然而該裝置的輸出功率仍不足以滿足諸如電動汽車或是衛星這類應用的要求。
本發明的首要目的是，提供一種直接將放射性衰變能量轉換為電能的裝置。
另一個目的是，提供一種小型、精巧、可靠、輕便、裝成一體並且結實耐用，從而適用於汽車、家庭、工業、農業以及文娛方面和衛星的電源。
還有一個目的是，提供一種能在一段長時間內供應大量電力，並且少要或不要維護或添加燃料的電源。
按照本發明原理所提供的一種核電池，其中放射性物質在天然蛻變期間所給予放射性衰變產物的能量，被用於維持和增強一個高Q值L-C振蕩迴路中的振蕩。振蕩迴路中的電感包括電源變壓器的一次繞組，並且是圍繞在由放射性物質混合組成的芯體周圍。放射性物質的混合物比單獨使用一种放射性物質產生更大的放射性衰變產物通量，於是為從小容積芯體輸出大功率提供了必要的通量。諸如鐳這樣的長壽命同位素的使用，保證了核電池至少有長達十年的穩定輸出。
通過以下結合附圖的詳細說明，本發明其他的和進一步的目的以及優點就會一目了然。附圖中圖1是按照本發明原理畫出的L-C等效諧振電路簡圖;
圖2是按照本發明原理構制的核電池的接線圖;
圖3是圖2所示核電池放射性芯體頂部的平面圖;
圖4是圖2所示核電池頂部的平面圖;以及圖5是沿著圖4所示核電池A-A線所取的側視剖面圖。
現在參照圖1，該圖展示了按照本發明原理構制的核電池的等效電路。L-C-R電路1包括電容器3、電感器5、變壓器T的一次繞組9以及串聯連接的電阻11。假設連接各電路元件和形成電感器5以及一次繞組9的電導體是理想導體，亦即是沒有直流電阻的。電阻11是等效於實際電路部件和導體的總直流電阻的一個集中電阻。電感器5繞在芯體7上，後者由主要是通過放射阿爾法粒子而衰變放射性元素的混合物組成。
當電流在電路中流通時，能量是以熱的形式耗散或損失的。這樣，當L-C-R電路中感生振蕩時，由於電路中的能量損失，除非不斷地給電路補充能量以維持該振蕩否則該振蕩將逐漸減小。在圖1所示的L-C-R電路中，在構成電感器芯體7的放射性物質衰變期間，當衰變產物被形成電感器5的導體吸收時，給予衰變產物的部分能量，例如阿爾法粒子就被引入到電路1之中。一旦在該L-C-R電路1中感生了振蕩，只要電感器5從芯體7的物質放射性衰變中吸收的能量等於在電路1的歐姆電阻所耗散的能量，該吸收的能量就將維持該振蕩。如果所吸收的能量大於通過歐姆電阻發熱所損失的能量總額，該振蕩將被加強。多餘的能量可以輸送給跨接在變壓器T的二次繞組13上的負載17。
由放射性物質天然蛻變所釋放的能量轉換為電能的過程是眾多而複雜的。通過放射阿爾法粒子或是貝塔粒子的天然放射性衰變物質，可能伴隨伽瑪射線的放射過程。作為電感器芯體7的材料，最好選用主要是放射阿爾法粒子而衰變的放射性物質。放射阿爾法粒子的速度很高，約為1.6×107米/秒的數量級，所以，有很高的動能。已經發現，例如鐳衰變時放射的阿爾法粒子由兩部分組成，具有48.79×105電子伏特動能的部分和有著46.95×105電子伏特能量部分。這些動能必須在阿爾法粒子被形成電感器5的導體吸收時耗散。吸收過程中，每個阿爾法粒子都將同導體中的一個或多個原子相撞，將它們的一些電子撞離軌道，並給予這些電子一定的動能。其結果，增加了導體中傳導電子的數目，從而提高了它的導電率。
因為阿爾法粒子是帶正電的離子，阿爾法粒子移動時，會有伴隨的磁場出現。當阿爾法粒子被導體阻止運動時，磁場將消失，從而在導體中感生一個電流脈衝，使電路1中流過的電流產生一個淨增量。而且，由於帶正電荷的阿爾法粒子的電離作用，另外還有一些電子將脫離軌道。
現在參照圖2，核電池20按圓柱體外形構造。電感器5是用銅線單層繞在放射性芯體7的周圍做成的。諸如阿爾法粒子這樣的衰變產物(則像箭頭2所指示的)，從芯體7徑向向外放射，由形成電感器5的銅導體吸收。八臺變壓器15布置成圓環狀，形成一個包圍電感器5並與之同軸的圓柱體。變壓器15具有串聯連接的一次繞組9a-9h，它們隨後再同電感器5和電容器3串聯連接，以形成L-C-R電路。中央芯體7、電感器5和八臺變壓器15一齊放在一個圓柱形的容器19裡面。銅線被單層繞在圓柱體19的外壁和內壁上，以分別形成繞組23和21。變壓器15的二次繞組13a-13h以及繞組21和23串聯連接至輸出端子25和27。電感器5的構形設計得能保證銅導線受到芯體放射線源7的最大輻照。電力變壓器的圓柱體外形保證了最大的變壓器效率，和最小的漏洩磁通。
現在參見圖3，放射性芯體7包括一枚被動力用釷31圓柱體包圍的鐳針39，許多根鈾棒33放在釷31裡面。動力用釷31容鈉在同軸的圓柱體壁35和37之間。把這些放射性材料的混合物用於芯體7，產生一種協合效應，這是由於出現額外感生的裂變現象，而使其產生的阿爾法粒子的通量比單獨使用以上任何物質所產生的要大。
現在參照圖4和5，圖中所示為按照本發明的原理製造的核電池的頂視和側視圖。電感器芯體7由軸向放置於動力用釷31的圓柱形中心的鐳針39組成，動力用釷31容納在同軸的圓柱體壁35和37之間(諸如輕型卡片紙板一類材料可用於此項目的)。電感器5由兩層美國線規(AWG)的8號銅線形成，其中一層41圍繞鐳針39、繞在面向壁37的內側，另一層43繞在壁35的外側，從而包圍著動力用釷31和鈾棒33。電感器芯體7的直徑是1 1/4 英寸，長6英寸，電感器5的輪廓直徑為1 5/8 英寸。八臺變壓器15各有一個用矽鋼片疊成的3/4英寸見方、6英寸長的鐵芯45。一次繞組9a-9h各由四層AWG18號銅線組成，二次繞組13a-13h各由兩層AWG12號銅線組成。變壓器15的輪廓外徑為1 1/4 英寸。外圓筒19是矽鋼片疊成的，其內層繞組21和外層繞組23都是用AWG12號銅線繞成。端板47和49是由內徑2 3/4 英寸，外直徑4 3/4 英寸的鋼片疊成1/2英寸厚的環狀物組成，用於提供一條低磁阻的通道，以構成如虛線51所示的磁路。
核電池在裝配後，被浸入到一個充滿油並裝有散熱器(未畫出)的金屬罐(未畫出)內，以便為電力變壓器提供必要的冷卻。用於L-C-R電路的電容器3是一種油浸型的、高Q值能量釋放諧振電容器。
在圖2和3所示的結構裡使用一枚1毫居裡的鐳針39，200克鈾33和100克動力用釷31，達到了在86千赫芝下，向電阻負載連續輸出400伏、23安培。如圖4所示的、利用多枚附加鐳針53的結構，可用於達到更大的輸出功率值。
雖然我已經展示和說明了我的發明的這個最佳實施例，但顯然本發明不局限於此處所描述的特定結構，對於本技術領域：
內的人員來說，在不違背本發明的精神或不超過本發明權利要求
書範圍的情況下，可能就此做出許多更改和變形方案。
權利要求
1.用於將放射性能量轉換為電能的裝置，其特徵在於，所述裝置包括繞在一個芯體上、用以形成一個具有第一電感量的電感器的一段電導體，所述芯體是放射性物質的；一個有預定容量C的電容器；一臺具有一次繞組、二次繞組和變壓器鐵芯的變壓器，所述一次繞組和所述二次繞組繞在所述變壓器鐵芯上，所述一次繞組具有第二電感量，所述二次繞組用於把電能耦合到工作負荷上去；以及用於以串聯形式連接所述電感器、所述電容器和所述一次繞組的電導體裝置，以形成串聯的L-C-R電路，其中L是所述第一電感量和所述第二電感量之和，R是所述L-C-R電路總的直流分布電阻值。
2.按照權利要求
1的裝置，其特徵在於，所述芯體由若干種不同的放射性物質的混合物組成。
3.按照權利要求
2的裝置，其特徵在於，所述放射性物質主要是通過放射阿爾法粒子而衰變的物質。
4.按照權利要求
3的裝置，其特徵在於，所述變壓器包括若干臺變壓器，所述若干臺變壓器配置在一個通常是圓形的結構裡，以形成一個圓柱體，所述芯體被置於所述圓柱體裡面，所述芯體的縱軸同所述圓柱體的縱軸相重合，所述若干臺變壓器中的每一臺都有一個一次繞組和一個二次繞組，所述若干個一次繞組中的每一個都和剩下的繞組、以及所述電感器和所述電容器以串聯方式連接，以形成所述的串聯L-C-R電路，所述若干二次繞組中的每一個都和剩下的二次繞組以串聯方式連接。
5.按照權利要求
4的裝置，其特徵在於，所述芯體包括三种放射性物質。
6.按照權利要求
5的裝置，其特徵在於，所述三种放射性物質包括鐳、鈾和釷。
專利摘要
一種核電池，其中在放射性物質天然蛻變期間給予放射性衰變產物的能量，被用於維持和加強一個高Q值L-C諧振電路中的振蕩。該電路的電感包括一個繞在由放射性核素組成的芯體上並與電力變壓器一次繞組串聯連接的線圈。該芯體由三種主要是放射α粒子而衰變的放射性物質混合構成。它比使用等量的單一放射性核素能提供更大的放射性衰變產物的通量。
文檔編號G21H1/04GK87103077SQ87103077
公開日1987年11月4日 申請日期1987年4月23日
發明者保羅·M·布朗 申請人:紐塞爾公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan