JP7385260B2 - Nuclear battery, nuclear battery system - Google Patents
Nuclear battery, nuclear battery system Download PDFInfo
- Publication number
- JP7385260B2 JP7385260B2 JP2019215282A JP2019215282A JP7385260B2 JP 7385260 B2 JP7385260 B2 JP 7385260B2 JP 2019215282 A JP2019215282 A JP 2019215282A JP 2019215282 A JP2019215282 A JP 2019215282A JP 7385260 B2 JP7385260 B2 JP 7385260B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nuclear
- radiation
- magnetic field
- electrode
- metal layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 75
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 39
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 38
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 37
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 37
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 7
- 239000002223 garnet Substances 0.000 claims description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 6
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 claims description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 11
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 10
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000005422 Nernst effect Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000005250 beta ray Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 229910016629 MnBi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016964 MnSb Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- ZPDRQAVGXHVGTB-UHFFFAOYSA-N gallium;gadolinium(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Gd+3] ZPDRQAVGXHVGTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- -1 rare earth compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229910000938 samarium–cobalt magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000002910 structure generation Methods 0.000 description 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Description
本発明は、線源が発する放射線によって発電を行う原子力電池、原子力電池が組み合わされた原子力電池システムに関する。 The present invention relates to a nuclear battery that generates power using radiation emitted from a radiation source, and a nuclear battery system in which nuclear batteries are combined.
半減期が長い放射性同位体(線源)が発する放射線を電気エネルギー(起電力)に変換して出力する原子力電池は、半減期が長い線源を用いることによって長期間の使用が可能であるため、特に探査用の無人機器(宇宙探査機等)において広く用いられている。放射線のエネルギーを電気エネルギーに変換するためには、放射線が吸収されることによって発する熱を熱電効果によって電気エネルギーに変換する技術(例えば非特許文献1)や、放射線を可視光等の光に変換し、太陽電池がこの光を半導体における光電変換によって電気エネルギーに変換する技術(例えば特許文献1)が用いられる。 Nuclear batteries, which convert radiation emitted by radioactive isotopes (sources) with long half-lives into electrical energy (electromotive force) and output them, can be used for long periods of time by using sources with long half-lives. It is widely used, especially in unmanned exploration equipment (space probes, etc.). In order to convert the energy of radiation into electrical energy, there are techniques that convert the heat generated by absorption of radiation into electrical energy using the thermoelectric effect (for example, Non-Patent Document 1), and methods that convert radiation into light such as visible light. However, a technique is used in which a solar cell converts this light into electrical energy by photoelectric conversion in a semiconductor (for example, Patent Document 1).
前者においては、ゼーベック係数の異なる2種類の半導体層とこれらに接続された電極とで構成される熱電変換素子が用いられる。後者においては、可視光の吸収によって発電を行う太陽電池と同様の半導体を用いた構成が用いられ、この際に、放射線を吸収することによって可視光を発する蛍光体が用いられ、この可視光が太陽電池に吸収される構成とされる場合もある。 In the former, a thermoelectric conversion element is used that is composed of two types of semiconductor layers having different Seebeck coefficients and electrodes connected to these layers. In the latter, a structure using a semiconductor similar to a solar cell that generates electricity by absorbing visible light is used, and in this case, a phosphor that emits visible light by absorbing radiation is used, and this visible light is In some cases, it is configured to be absorbed by a solar cell.
使用する線源として半減期が十分に長いものを用いれば、例えば電池の寿命を、他の電池では得られないような100年以上とすることも期待される。しかしながら、原子力電池においては、上記のように放射線を起源とする発電が行われる一方、熱電変換素子や太陽電池(熱電変換素子等)を構成する半導体材料には、この放射線によって結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥によって熱電変換素子等の特性が劣化し、実際にはこのような熱電変換素子等の劣化によって原子力電池の寿命が定まる場合が多く、前記のような長い寿命を得ることは容易ではない。特にこのように結晶欠陥を発生させる放射線として、特にγ線がある。更に、線源がγ線以外の放射線を発する場合でも、この放射線による二次放射線としγ線が発せられる場合もある。このため、原子力電池においては、熱電変換素子等において放射線照射による損傷を発生させないための遮蔽が必要となるが、この遮蔽のための構造によって、実質的に原子力電池が大型化し、重量が大きくなる。 If a radiation source with a sufficiently long half-life is used, it is expected that the battery will have a lifespan of 100 years or more, which cannot be achieved with other batteries. However, while nuclear cells generate electricity using radiation as described above, this radiation causes crystal defects in the semiconductor materials that make up thermoelectric conversion elements and solar cells (thermoelectric conversion elements, etc.). . These crystal defects deteriorate the characteristics of thermoelectric conversion elements, etc., and in reality, the lifespan of nuclear batteries is often determined by such deterioration of thermoelectric conversion elements, and it is not easy to obtain the long lifespan described above. . Particularly, radiation that causes crystal defects in this manner includes gamma rays. Furthermore, even when a radiation source emits radiation other than gamma rays, gamma rays may be emitted as secondary radiation from this radiation. For this reason, nuclear batteries require shielding to prevent damage caused by radiation exposure to thermoelectric conversion elements, etc., but this shielding structure essentially increases the size and weight of the nuclear battery. .
こうした観点から、上記のような線源としては、遮蔽が比較的容易であるα線を発し、遮蔽体として厚い重金属層が必要となるγ線を発さず、かつ半減期の長い238Puや210Po等が用いられている。 From this point of view, the above-mentioned radiation sources include 238 Pu and 210 Po etc. are used.
しかしながら、こうした線源と遮蔽体を用いた場合においても、実際の原子力電池の寿命は熱電変換素子等の放射線による劣化によって定まり、線源の半減期よりも大幅に短くなった。また、線源として用いられる238Puや210Poは、その製造が容易でない、あるいは希少であるために、非常に高価であった。 However, even when such a radiation source and shield are used, the actual lifespan of nuclear batteries is determined by the deterioration of thermoelectric conversion elements and other components caused by radiation, and is significantly shorter than the half-life of the radiation source. Furthermore, 238 Pu and 210 Po used as radiation sources are very expensive because they are not easy to manufacture or are rare.
このため、放射線による劣化が小さく、小型で寿命の長い原子力電池が望まれた。 For this reason, there has been a desire for nuclear batteries that are small, have a long life, and are less susceptible to deterioration due to radiation.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and it is an object of the present invention to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の原子力電池は、定常的に放射線を発する線源と、当該放射線によって発生した温度勾配によって第1電極と第2電極の間で起電力を生ずる熱電変換素子と、が組み合わせられた原子力電池であって、前記熱電変換素子は、基板上に形成され、面内方向に磁場を有する強磁性体層と、逆スピンホール効果を発現する金属材料で構成され、前記強磁性体層の上に形成され、前記第1電極及び前記第2電極が前記面内方向かつ前記磁場と交差する方向で離間した箇所に形成された厚さ50nm以下の金属層と、を具備し、前記放射線として中性子線を発する前記線源が用いられ、前記線源が、前記強磁性体層の厚さ方向において前記温度勾配を発生させるように前記熱電変換素子に接続され、前記基板はガリウム・ガドリニウム・ガーネット(GGG)で構成され、ホウ素(B)又はカドミウム(Cd)でコーティングされたことを特徴とする。
本発明の原子力電池は、前記強磁性体層及び前記金属層に前記磁場を印加する磁場印加層が前記強磁性体層及び前記金属層の前記面内方向の端部に接続されたことを特徴とする。
本発明の原子力電池において、前記強磁性体層はイットリウム・鉄・ガーネット(YIG)、又はガリウム(Ga)が添加されたYIGで構成されたことを特徴とする。
本発明の原子力電池において、前記金属層は白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、又はステンレス鋼を含むことを特徴とする。
本発明の原子力電池において、前記線源は前記基板における前記強磁性体層が形成された側と反対側に接続されたことを特徴とする。
本発明の原子力電池システムは、前記原子力電池が、各々における前記磁場が共通の向き、かつ各々における前記第1電極、前記第2電極がそれぞれ共通の側にあるように複数配置され、直列接続されて支持基体上に形成されたことを特徴とする。
本発明の原子力電池システムにおいて、前記支持基体は略円柱形状とされ、複数の前記原子力電池が前記略円柱形状の外周面の周方向に沿って配列されたことを特徴とする。
本発明の原子力電池システムにおいて、前記支持基体は定常的に前記放射線を発する材料で構成され、前記支持基体が各前記原子力電池における前記線源を兼ねる構造とされたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
The nuclear battery of the present invention is a nuclear battery in which a radiation source that constantly emits radiation and a thermoelectric conversion element that generates an electromotive force between a first electrode and a second electrode due to a temperature gradient generated by the radiation are combined. The thermoelectric conversion element is formed on a substrate, and is composed of a ferromagnetic layer having a magnetic field in an in-plane direction, and a metal material that exhibits a reverse spin Hall effect. and a metal layer with a thickness of 50 nm or less formed at a location where the first electrode and the second electrode are spaced apart in the in-plane direction and the direction intersecting the magnetic field, and the radiation is a neutron beam. The radiation source is connected to the thermoelectric conversion element to generate the temperature gradient in the thickness direction of the ferromagnetic layer, and the substrate is made of gallium gadolinium garnet (GGG). ) and is characterized by being coated with boron (B) or cadmium (Cd) .
The nuclear battery of the present invention is characterized in that a magnetic field application layer that applies the magnetic field to the ferromagnetic layer and the metal layer is connected to the end portions of the ferromagnetic layer and the metal layer in the in-plane direction. shall be.
In the nuclear power cell of the present invention, the ferromagnetic layer is made of yttrium-iron-garnet (YIG) or YIG added with gallium (Ga).
In the nuclear battery of the present invention, the metal layer includes platinum (Pt), gold (Au), niobium (Nb), nickel (Ni), or stainless steel.
In the nuclear power cell of the present invention, the radiation source is connected to a side of the substrate opposite to the side on which the ferromagnetic layer is formed.
In the nuclear battery system of the present invention, a plurality of nuclear batteries are arranged and connected in series so that the magnetic field in each of them is in a common direction, and the first electrode and the second electrode in each of them are on a common side. It is characterized in that it is formed on a supporting base.
In the nuclear battery system of the present invention, the support base has a substantially cylindrical shape, and a plurality of the nuclear cells are arranged along the circumferential direction of the outer peripheral surface of the substantially cylindrical shape.
The nuclear battery system of the present invention is characterized in that the support base is made of a material that constantly emits the radiation, and the support base also serves as the radiation source in each of the nuclear batteries.
本発明の原子力電池は以上のように構成されているので、放射線による劣化が小さく、寿命が長くなる。 Since the nuclear power cell of the present invention is configured as described above, it suffers less deterioration due to radiation and has a long life.
以下、本発明の実施の形態に係る原子力電池、原子力電池システムについて説明する。この原子力電池は、使用される線源から発せられた放射線に起因する熱によって発電が行われる点については従来の原子力電池と同様であるが、その構造及び発電のメカニズムが従来の原子力電池とは異なる。 Hereinafter, a nuclear battery and a nuclear battery system according to an embodiment of the present invention will be described. This nuclear battery is similar to conventional nuclear batteries in that it generates electricity using heat caused by radiation emitted from the radiation source used, but its structure and power generation mechanism are different from conventional nuclear batteries. different.
熱を電気エネルギーに変換する従来の原子力電池においては、半導体のゼーベック効果を利用するために、例えば、p型、n型の半導体層が用いられ、温度勾配が存在する場合におけるp型半導体中の正孔、n型半導体中の電子の流れに起因して起電力が発生する。 In conventional nuclear batteries that convert heat into electrical energy, p-type and n-type semiconductor layers, for example, are used to utilize the Seebeck effect of semiconductors. Electromotive force is generated due to the flow of holes and electrons in the n-type semiconductor.
一方、本発明の原子力電池は、例えば特開2009-130070号公報や特開2015-179746号公報に記載された、スピンゼーベック効果を利用する。スピンゼーベック効果を用いた熱電変換素子においては、強磁性体層に磁場が印加された場合、あるいは強磁性体層が磁化されている場合において、その磁場と平行な電子の流れ(アップスピン電子)、反平行のスピンをもつ電子の流れ(ダウンスピン電子)に差ができ、この差が、強磁性体層と接する常磁性金属層中の逆スピンホール効果によって電圧(起電力)として出力される。 On the other hand, the nuclear battery of the present invention utilizes the spin Seebeck effect described in, for example, JP-A-2009-130070 and JP-A-2015-179746. In thermoelectric conversion elements that use the spin Seebeck effect, when a magnetic field is applied to the ferromagnetic layer or when the ferromagnetic layer is magnetized, electrons flow parallel to the magnetic field (up-spin electrons). , a difference is created in the flow of electrons with antiparallel spins (down-spin electrons), and this difference is output as a voltage (electromotive force) due to the reverse spin Hall effect in the paramagnetic metal layer that is in contact with the ferromagnetic layer. .
前記のような半導体におけるゼーベック効果を利用した熱電変換素子においては、起電力を発生する元となる正孔や電子の流れは、半導体中の結晶欠陥の影響を大きく受ける。この結晶欠陥は、特に放射線の照射によって発生するため、放射線量が高い環境下では時間経過と共に増大し、これに伴って出力電圧が低下する。 In a thermoelectric conversion element that utilizes the Seebeck effect in a semiconductor as described above, the flow of holes and electrons that generate electromotive force is greatly affected by crystal defects in the semiconductor. Since these crystal defects are generated particularly by radiation irradiation, they increase over time in an environment with a high radiation dose, and the output voltage decreases accordingly.
これに対して、後述するように、強磁性体中のスピン流は、半導体中の正孔、電子の流れと比べて、放射線照射による悪影響を受けにくい。このため、このようなスピンゼーベック効果を用いた熱電変換素子は、放射線量の高い環境下での利用に特に適している。 On the other hand, as will be described later, the spin current in a ferromagnetic material is less affected by radiation irradiation than the flow of holes and electrons in a semiconductor. Therefore, a thermoelectric conversion element using such a spin Seebeck effect is particularly suitable for use in an environment with a high radiation dose.
図1は、本発明の実施の形態に係る原子力電池1の構造を示す断面斜視図である。この原子力電池1においては、膜厚方向(z方向)に沿って、基板10の上に強磁性絶縁層20、金属層30が順次形成される。この原子力電池1においては、強磁性絶縁層(強磁性体層)20と金属層30とで熱電変換素子5が構成される。
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of a
また、基板10の下側には、放射線を発する線源(熱源)40が接続されている。また、この構造に対するx方向の両側に磁場印加層51、52がそれぞれ接続される。金属層30が仮にそのシート抵抗が無視できる程度に厚くされた場合には金属層30は面内方向で同電位となるが、後述するように金属層30は充分に薄く形成されるために金属層30の面内方向で電位差が生ずる。スピンゼーベック効果による電位差は図中でy軸方向において発生するため、金属層30におけるy軸方向における両端部側にそれぞれ第1電極31、第2電極32が接続され、第1電極31・第2電極32間で起電力(電圧)V0が取り出される。
Further, a radiation source (heat source) 40 that emits radiation is connected to the lower side of the
基板10としては、良質の強磁性絶縁層20をこの上に形成することができ、十分な機械的強度をもつものが用いられ、例えば1mm厚のGd3Ga5O12(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット:GGG)単結晶が用いられる。強磁性絶縁層(強磁性体層)20としては、磁性ガーネットであるY3Fe5O12(イットリウム・鉄・ガーネット:YIG)やガリウム(Ga)が添加されたYIG等のフェライト系磁性体が100nm程度の厚さで、塗布印刷法、スパッタリング法等によって形成される。強磁性絶縁層20の代わりに導電性(金属)の強磁性層を用いた場合においてもスピンゼーベック効果は得られるため、他の強磁性体を用いることもでき、例えばMnSb、MnBi等の光磁気材料や、SmCo等の希土類化合物等も用いることができる。ただし、厚い導電性の強磁性体層を用いた場合には、前記のように金属層30が厚い場合と同様に、第1電極31・第2電極32間で起電力を得ることが困難となるため、強磁性絶縁層20を用いることが好ましい。
As the
金属層30としては、スピン軌道相互作用が大きく逆スピンホール効果が強く表れる金属材料である白金(Pt)、金(Au)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼等が好ましく用いられる。前記のように、導電性の金属材料を用いた場合でもシート抵抗が十分に高くなるように、金属層30の膜厚は充分に薄く、50nm以下、例えば10nm程度とされる。金属層30は例えばスパッタリング法によって形成される。この原子力電池1において発生する起電力は、前記の通り第1電極31、第2電極32から取り出される。
As the
磁場印加層51、52は、それぞれが図示された向きの自発磁化を有する硬磁性体で構成され、絶縁性である、あるいは金属層30等と絶縁されるようにx方向における両側に設けられている。磁場印加層51、52によって、強磁性絶縁層20には、面内方向において図1におけるx方向負側から正側に向かう磁場Hが印加される。
The magnetic
線源40としては、従来の原子力電池と同様に、自身が発する放射線によって発熱し、半減期が十分に長いものを適宜用いることができ、これによって、図1におけるz方向負側から正側に向かう温度勾配ΔT(熱流)が形成される。このため、線源50を構成する材料としては、従来の原子力電池と同様の、α線を発する238Puや210Poを用いることができるが、この原子力電池1における熱電変換素子5(強磁性絶縁層20、金属層30)においては、放射線照射による劣化が発生しにくいため、α線以外の放射線を発する線源40を用いることができる。具体的には、β線を発する10Be (半減期1.4×106年、β線エネルギー0.6MeV:以下における年、エネルギーの記載についても同様)、14C(5.7×103年、0.2MeV)、26Al(7.2×105年、1.2MeV)、32Si(1.7×102年、0.1MeV)、36Cl(3.0×105年、0.7MeV)、39Ar(2.7×102年、0.6MeV)、40K(1.3×109年、1.3MeV)、63Ni(1.0×102年、0.07MeV)、79Se(6.4×104年、0.16MeV)、87Rb(5.0×1010年、0.3MeV)、93Zr(1.5×105年、0.06MeV)、115In(3×1019年、0.6MeV),137Cs(30年、0.5MeV)、138La(1×1011年、1.4MeV)を用いることができる。また、β線及びγ線を発する94Nb(2.0×104年、β線0.4MeV、γ線0.7MeV)、98TC(4.2×106年、β線0.3MeV、γ線0.6MeV)、176Lu(1×1010年、β線0.4MeV、γ線0.3MeV)を用いることができる。また、α線を発する144Nd(2×1015年、1.9MeV)、146Sm(1×1018年、2.6MeV)、147Sm(1×1011年、2.7MeV)、152Gd(1×1014年、2.7MeV)、190Pt(6×1011年、3MeV)、210Bi(2×106年、4.9MeV)、209Po(103年、4.9MeV)、232Th(1×1010年、4MeV)、232U、233U、234U、235U、236U、238U(4MeV)、236Pu、238Pu、239Pu、244Pu(5MeV)、241Am、243Am(5MeV)、246Cm、247Cm、248Cm(5MeV)、249Cf、251Cf(6MeV)を用いることができる。
As the
また、線源40が発した放射線が基板10に吸収されやすい組み合わせを用いることによって、特に基板10が発熱しやすくすることによって発電効率を高めることもできる。例えば、中性子捕獲断面積が大きなGdを含むGGGを基板10の材料とした場合には、線源40として中性子を発する材料を用いることもできる。この場合、例えば中性子との間の反応断面積が大きなホウ素(B)、カドミウム(Cd)で基板10をコーティングすることによって、発電効率を更に高めることができる。この場合においても、形成される温度勾配は図1に示された通りとなる。
In addition, by using a combination in which the radiation emitted by the
上記の構造においては、前記の特開2009-130070号公報や特開2015-179746号公報に記載された構造と同様に、強磁性絶縁層20におけるスピンゼーベック効果と金属層30における逆スピンホール効果によって、温度勾配と磁場による起電力を金属層30から取り出すことができる。一方、金属層30が強磁性体である場合には、金属層30において、例えば特開2016-103535号公報に記載されたような異常ネルンスト効果が、強磁性絶縁層20の有無に関わらず発現する。この異常ネルンスト効果によって金属層30において発生する起電力(電界)の方向、向きはスピンゼーベック効果によるものと等しい。このため、実際には図1の構造において金属層30から出力される起電力は、スピンゼーベック効果に起因する成分と異常ネルンスト効果に起因する成分の和となる。
In the above structure, the spin Seebeck effect in the ferromagnetic insulating
図1においては、基板10の下側(z方向負側)に線源40が接続されたが、逆に、金属層30の上側(z方向正側)に線源40を接続してもよい。この場合には、温度勾配の向きが図1とは逆となるため、印加される磁場の向きが図1と同一である場合には、第1電極31・第2電極32間で発生する起電力の向きが逆となる。また、この場合には、第1電極31・第2電極32は、金属層30と線源40の間に設けられる。
In FIG. 1, the
ただし、基板10の下側に線源40を設けた方が、線源40から発せられた放射線が基板10で吸収されるために強磁性絶縁層20に直接達することが抑制される一方で、この放射線を吸収した基板10によって温度勾配ΔTが生成されるため、特に好ましい。
However, if the
なお、上記のように強磁性絶縁層20として用いられる材料であるYIGは軟磁性材料であり、その保磁力及び残留磁化は非常に小さいため、強磁性絶縁層20中でx方向に沿った磁場Hを発生させるために磁場印加層51、52が用いられる。一方、上記のようなスピンゼーベック効果は、強磁性絶縁層20が硬磁性材料であっても発生する。この場合には、外部から印加された磁場が零となった場合の残留磁化を大きくすることができ、残留磁化によって図1における磁場Hの強度を維持することができる。このため、強磁性絶縁層20を硬磁性材料で構成した場合には、予め原子力電池1において図1に示されたような磁場を印加しておけば、磁場印加層51、52は不要である。
As mentioned above, YIG, which is the material used for the ferromagnetic insulating
この原子力電池1の特性を調べるために、図1において磁場印加層51、52と線源40を除き、基板10、強磁性絶縁層20、金属層30のみからなる積層構造を形成し、z方向において温度勾配(温度差ΔT)、x方向に磁場Hをそれぞれ外部から印加して金属層30におけるy方向両側の電位差(出力電圧V0)を測定した。ここでは、基板10として厚さ1mmのGGG、強磁性絶縁層20として厚さ200nmのYIG、金属層30として厚さ10nmのPtを用い、ΔT=8Kとされた。図2は、出力電圧V0の磁場H依存性を測定した結果である。ここで、磁場Hは正負両側で走査され、磁場Hが零近辺では強磁性絶縁層20における一定の残留磁化が図1におけるx方向の磁場となるため、残留磁化の向きに応じたヒステリシスが生じている。この構成を具備する原子力電池1の出力電圧V0は、図2における磁場Hの正側、負側における飽和値となり、20μV程度である。
In order to investigate the characteristics of this
また、放射線として前記のように最も影響の大きなγ線を図1におけるz方向で照射し、上記と同様の出力電圧(飽和値)のΔT依存性を、γ線のドーズ量(被曝量)毎に測定した。γ線源としては、60Coを用い、被曝量は最大で1MGy程度とされた。 In addition, we irradiated γ-rays, which have the greatest effect as radiation, in the z direction in Figure 1 as described above, and measured the ΔT dependence of the output voltage (saturation value) as described above for each γ-ray dose (exposure amount). was measured. 60 Co was used as the γ-ray source, and the maximum exposure dose was about 1 MGy.
また、照射の環境としては(1)室温かつ乾燥雰囲気、(2)高温(150℃)かつ乾燥雰囲気、(3)高温(150℃)かつ蒸気雰囲気、の3種類が選択された。図3(a)は、γ線の照射前における出力電圧V0のΔT依存性(a)、(2)の環境下で0.86MGy照射後の同様の特性(b)をそれぞれ示す。これらの間に有意差はみられず、(2)の環境下で1MGy程度のγ線照射では、上記の原子力電池1の特性劣化は生じない。(1)の環境下においても、同様の結果が得られた。また、この場合の出力電圧はΔTに対して高い線形性を有している。
Furthermore, three types of irradiation environments were selected: (1) room temperature and dry atmosphere, (2) high temperature (150°C) and dry atmosphere, and (3) high temperature (150°C) and steam atmosphere. FIG. 3(a) shows the ΔT dependence of the output voltage V0 before irradiation with γ-rays (a), and the same characteristics (b) after 0.86 MGy irradiation under the environment of (2), respectively. There is no significant difference between these, and γ-ray irradiation of about 1 MGy under the environment (2) does not cause the deterioration of the characteristics of the
一方、(3)の場合には、被曝量に伴って出力電圧がやや劣化した。図4(a)に、この場合の被曝量毎の出力電圧のΔT依存性を、図4(b)に、温度係数(図4(a)における比例係数(V/K))の被曝量依存性をそれぞれ示す。上記の(1)(2)と比べるとγ線照射によって特性劣化が認められるが、その劣化は、1MGy程度で出力電圧が半減する程度である。このため、上記の原子力電池1は高いγ線耐性をもつため、γ線の遮蔽のための重金属層を必要としない。このため、線源40として前記のような半減期の長い複数種類のものを用いて、小型で寿命の長い原子力電池1を得ることができる。
On the other hand, in case (3), the output voltage slightly deteriorated as the exposure amount increased. Figure 4(a) shows the ΔT dependence of the output voltage for each exposure dose in this case, and Figure 4(b) shows the exposure dose dependence of the temperature coefficient (proportionality coefficient (V/K) in Figure 4(a)). Each shows its gender. Compared to (1) and (2) above, characteristic deterioration is observed due to γ-ray irradiation, but the deterioration is to the extent that the output voltage is halved at about 1 MGy. For this reason, the
図2等に示されたように、この原子力電池1の出力電圧は、10-6V程度であり、通常使用されている他の電池と比べて小さい。しかしながら、この原子力電池1は図1のように厚さ方向の温度差によって面内方向で出力電圧が取り出されるため、この原子力電池1を複数直列に接続して新たに原子力電池システムとし、各々の厚さ方向に温度差を付与することによって、大きな出力電圧を得ることができる。
As shown in FIG. 2 and other figures, the output voltage of this
図5(a)は、このような形態の第1の例となる原子力電池システム2を示す。この場合には、支持基板(支持基体)100上に図中横方向にn個の原子力電池1が配列され、各原子力電池1において、磁場印加層51、52による磁場Hは図中下向きに印加されるように形成され、かつ線源40による温度勾配ΔTは紙面垂直方向に付与される。この際、磁場Hの向きは全ての原子力電池1において同一とされるため、磁場Hの強度は面内で一様に高く維持される。また、温度勾配ΔTも面内で全体に一様に付与されるため、各原子力電池1において、安定した出力を得ることができる。この場合において、各原子力電池1が直列に接続されれば、単一の原子力電池1の出力電圧をV0とすると、n×V0の出力電圧を得ることができる。これによって、高い出力電圧を得ることができる。同様にこのような原子力電池1の配列を図5(a)における縦方向にも並列に設け、2次元配列の出力を直列に接続することによって、更に出力電圧を高めることもできる。
FIG. 5(a) shows a
また、図5(b)にこの変形例(第2の例)となる原子力電池システム3として示すように、円柱形状の支持基体110の外周面に図5(a)と同様に原子力電池1を円周上に配列した原子力電池3とすることができる。ここでは、前記のように縦方向に2列の配列が形成されているが、配列の縦方向の数をより多くすることもできる。
Further, as shown in FIG. 5(b) as a
また、図5(a)(b)の原子力電池システムにおいて、各原子力電池1における線源40を設けず、その代わりに支持基板100、支持基体110を線源40で構成してもよい。線源40からは放射線が全ての方向に発せられるため、こうした構成としても高い出力電圧を得ることができる。この場合には、図5の構造において用いられる各原子力電池1において、実質的に線源40を省略することができる。図6は、こうした構造を具備する原子力電池システム4の構造を示す、図5(a)における横方向の断面図である。図6において、更に基板10を共通としてもよい。
Furthermore, in the nuclear battery system of FIGS. 5A and 5B, the
なお、上記の例では、磁場Hの方向、温度勾配ΔTの方向、第1電極、第2電極が形成される方向(出力電圧が取り出される方向)はそれぞれ互いに直交するものとしたが、これらが厳密に直交する必要はなく、素子構成に応じてこれらの間の関係を直交からずらしてもよい。すなわち、十分な出力電圧が得られる限りにおいて、これらの方向は互いに交差すればよい。 In the above example, the direction of the magnetic field H, the direction of the temperature gradient ΔT, and the direction in which the first and second electrodes are formed (direction in which the output voltage is extracted) are assumed to be orthogonal to each other. They do not need to be strictly orthogonal, and the relationship between them may be shifted from orthogonal depending on the element configuration. That is, these directions may intersect with each other as long as a sufficient output voltage can be obtained.
また、基板、強磁性体層、金属層を構成する材料は、上記の例以外でも適宜設定が可能である。
2ミラー以外の光学要素を適宜設けてもよい。
Further, the materials constituting the substrate, the ferromagnetic layer, and the metal layer can be appropriately set other than the above-mentioned examples.
Optical elements other than the two mirrors may be provided as appropriate.
1 原子力電池
2~4 原子力電池システム
5 熱電変換素子
10 基板
20 強磁性絶縁層(強磁性体層)
30 金属層
31 第1電極
32 第2電極
40 線源
51、52 磁場印加層
100 支持基板(支持基体)
110 支持基体
1
30
110 Support base
Claims (8)
前記熱電変換素子は、
基板上に形成され、面内方向に磁場を有する強磁性体層と、
逆スピンホール効果を発現する金属材料で構成され、前記強磁性体層の上に形成され、前記第1電極及び前記第2電極が前記面内方向かつ前記磁場と交差する方向で離間した箇所に形成された厚さ50nm以下の金属層と、
を具備し、
前記放射線として中性子線を発する前記線源が用いられ、
前記線源が、前記強磁性体層の厚さ方向において前記温度勾配を発生させるように前記熱電変換素子に接続され、
前記基板はガリウム・ガドリニウム・ガーネット(GGG)で構成され、ホウ素(B)又はカドミウム(Cd)でコーティングされたことを特徴とする原子力電池。 A nuclear battery that combines a radiation source that constantly emits radiation and a thermoelectric conversion element that generates an electromotive force between a first electrode and a second electrode due to a temperature gradient generated by the radiation,
The thermoelectric conversion element is
a ferromagnetic layer formed on a substrate and having a magnetic field in an in-plane direction;
It is made of a metal material that exhibits a reverse spin Hall effect, is formed on the ferromagnetic layer, and is located at a location where the first electrode and the second electrode are spaced apart in the in-plane direction and in the direction intersecting the magnetic field. A formed metal layer with a thickness of 50 nm or less,
Equipped with
The radiation source that emits a neutron beam is used as the radiation,
The radiation source is connected to the thermoelectric conversion element so as to generate the temperature gradient in the thickness direction of the ferromagnetic layer,
A nuclear battery, wherein the substrate is made of gallium gadolinium garnet (GGG) and coated with boron (B) or cadmium (Cd) .
複数の前記原子力電池が前記略円柱形状の外周面の周方向に沿って配列されたことを特徴とする請求項6に記載の原子力電池システム。 The support base has a substantially cylindrical shape,
7. The nuclear power battery system according to claim 6 , wherein a plurality of said nuclear batteries are arranged along the circumferential direction of said substantially cylindrical outer peripheral surface.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019215282A JP7385260B2 (en) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | Nuclear battery, nuclear battery system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019215282A JP7385260B2 (en) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | Nuclear battery, nuclear battery system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021085774A JP2021085774A (en) | 2021-06-03 |
JP7385260B2 true JP7385260B2 (en) | 2023-11-22 |
Family
ID=76088823
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019215282A Active JP7385260B2 (en) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | Nuclear battery, nuclear battery system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7385260B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7528026B2 (en) | 2021-05-27 | 2024-08-05 | 株式会社東芝 | Nuclear battery |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011249746A (en) | 2010-04-30 | 2011-12-08 | Keio Gijuku | Thermoelectric element and thermoelectric conversion device |
WO2013047254A1 (en) | 2011-09-27 | 2013-04-04 | 日本電気株式会社 | Member with thermoelectric conversion function, and method for producing same |
JP2013064710A (en) | 2011-09-16 | 2013-04-11 | Masayuki Kumada | Utilization method of radioactive waste originating from nuclear reactors by ri battery |
JP2016162881A (en) | 2015-03-02 | 2016-09-05 | 日本電気株式会社 | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
JP2017103378A (en) | 2015-12-03 | 2017-06-08 | ヤマハ株式会社 | Magnetoresistance effect element, magnetic sensor, manufacturing method of magnetoresistance effect element, and manufacturing method of magnetic sensor |
US20170186932A1 (en) | 2015-12-23 | 2017-06-29 | Unist (Ulsan National Institute Of Science And Technology) | Spin thermoelectric device |
-
2019
- 2019-11-28 JP JP2019215282A patent/JP7385260B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011249746A (en) | 2010-04-30 | 2011-12-08 | Keio Gijuku | Thermoelectric element and thermoelectric conversion device |
JP2013064710A (en) | 2011-09-16 | 2013-04-11 | Masayuki Kumada | Utilization method of radioactive waste originating from nuclear reactors by ri battery |
WO2013047254A1 (en) | 2011-09-27 | 2013-04-04 | 日本電気株式会社 | Member with thermoelectric conversion function, and method for producing same |
JP2016162881A (en) | 2015-03-02 | 2016-09-05 | 日本電気株式会社 | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
JP2017103378A (en) | 2015-12-03 | 2017-06-08 | ヤマハ株式会社 | Magnetoresistance effect element, magnetic sensor, manufacturing method of magnetoresistance effect element, and manufacturing method of magnetic sensor |
US20170186932A1 (en) | 2015-12-23 | 2017-06-29 | Unist (Ulsan National Institute Of Science And Technology) | Spin thermoelectric device |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
A. Yagmur,K. Uchida, K. Ihara, et al.,Gamma radiation resistance of spin Seebeck,Appl. Phys. Lett. 109, 243902,109,米国,2016年12月16日,243902-1~4 |
Sanbing Wang et al.,Design and analysis of nuclear battery driven by the external neutron source,Annals of Nuclear Energy,Volume 72,2014年10月31日,p.455-460 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021085774A (en) | 2021-06-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Takahashi et al. | Recent progress in CdTe and CdZnTe detectors | |
JP2007509345A5 (en) | ||
Bolotnikov et al. | High-efficiency CdZnTe gamma-ray detectors | |
CN107210078B (en) | Generator system | |
JP7627515B2 (en) | Thermoelectric conversion system and thermoelectric conversion method | |
JP7385260B2 (en) | Nuclear battery, nuclear battery system | |
Anderson et al. | Test results of a BaF2 calorimeter tower with a wire chamber readout | |
CN104221157A (en) | A solid state radiation detector with enhanced gamma radiation sensitivity | |
Taylor et al. | Temperature dependence of the spin and orbital magnetization density in Sm 0.982 Gd 0.018 Al 2 around the spin-orbital compensation point | |
US8044358B2 (en) | Spectroscopic fast neutron detection and discrimination using Li-Based semiconductors | |
Kim et al. | Cryogenic particle detection based on magnetic microcalorimeters for rare event searches | |
RU2672039C1 (en) | Planar semiconductor detector | |
Yabe et al. | A silicon X-and gamma-ray detector for room temperature and low voltage operation | |
Xi et al. | Studies on Cr electrode of CdZnTe detector for high energy radiation detection | |
Walenta | Principles and new developments of semiconductor radiation detectors | |
Turner et al. | LXVI. Highly forbidden transitions in the decay of Na24 | |
Frankel et al. | Detection of Ga 66 Positron Polarization by the Annihilation-in-Flight Rate in Polarized Matter | |
Furgeri | Quality assurance and irradiation studies on CMS silicon strip sensors | |
Liu et al. | Self-powered 4 H-SiC charged particle detector with 1 cm2 sensitive area and 0.63% energy resolution | |
WO2022264940A1 (en) | Thermoelectric power generation device | |
Tyagi | Spin Photovoltaic Effect on Molecule Coupled Ferromagnetic Films of a Magnetic Tunnel Junction | |
Schuwalow | Calorimetry at the ILC detectors | |
Bolotnikov | CdZnTe position-sensitive drift gamma-ray detectors | |
Prudchenko et al. | Power Source Based on Al0. 8Ga0. 2As/GaAs Photovoltaic Converter and YPO4: Eu/(238Pu) Radioluminescent Emitter | |
Xiang et al. | Evaluation on the Performance of CZT Detectors in Alpha Particle Detection with Experiment and Simulation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220706 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230314 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230411 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230609 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230912 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230927 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20231017 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231102 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7385260 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |