一种微结构辐射器及制作方法与流程

1.本公开涉及辐射器技术领域，尤其是涉及一种微结构辐射器及制作方法。


背景技术：

2.核电源以其长寿命、高能量密度的特点，已经在空间、海洋各任务系统中有许多应用，同位素热源将辐射器加热发射光谱经过过滤器过滤，到达光伏电池转换为电能。发明人发现，辐射器在实际使用中还有待提高，目前在核电源系统中工程产品比较匮乏，在保证光学性能的前提下，不能满足实际需求。


技术实现要素：

3.本公开提供了一种微结构辐射器及制作方法，以解决发明人认识到的辐射器在保证光学性能的前提下，不能同时满足实际需求的技术问题。
4.本公开提供了一种微结构辐，包括：
5.热光电转换系统，所述热光电转换系统包括热源部、辐射器、滤波器、光伏电池和热控模块，所述热源部被配置为提供热源，所述辐射器被配置为将热源转换为热辐射能，所述滤波器被配置为过滤光子，所述光伏电池被配置为实现光电转换，所述热控模块被配置为控制温度。
6.在上述任一技术方案中，进一步地，还包括试验模型，所述试验模型被配置为对所述辐射器进行高温稳定性测试。
7.在上述任一技术方案中，进一步地，所述热源部包括同位素源和热管冷却反应堆。
8.在上述任一技术方案中，进一步地，所述同位素源外侧设置有所述辐射器，所述热管冷却反应堆外侧设置有所述辐射器。
9.在上述任一技术方案中，进一步地，所述辐射器的一端设置有第一盖板，所述辐射器的另一端设置有第二盖板，所述第一盖板与所述第二盖板被配置为固定所述辐射器。
10.在上述任一技术方案中，进一步地，所述光伏电池设置为半导体光伏电池。
11.在上述任一技术方案中，进一步地，所述辐射器具有光谱发射率选择特性。
12.在上述任一技术方案中，进一步地，所述辐射器为二维光子晶体辐射器时，基底上是圆形柱孔洞二维阵列。
13.本公开还提供了一种微结构辐射器制作方法，包括如下步骤：
14.(1)、基底经真空高温退火后，抛光至粗糙度、平整度及平行度均达到光学要求；
15.(2)、基底上沉积一层cr薄膜作为硬掩模，其上旋涂防反射涂层及光刻胶，使用激光干涉刻蚀，邻近效应形成圆孔；
16.(3)、曝光确定空腔周期，等离子体灰化法确定空腔直径，形成光刻图案；
17.(4)、采用反应离子刻蚀将图形转移到cr层，最后刻蚀至基底。
18.在上述任一技术方案中，进一步地，基底上涂覆可由紫外光照后被固化的聚合物流体，压印得到模板后进行二次压印，形成大面积微结构。
19.本公开的有益效果主要在于：
20.本公开提供的一种微结构辐射器及制作方法，其中辐射器具有精确定制的光学特性和高选择性的光谱发射率，并与光伏电池的带隙相匹配，本公开提供使用同位素源及热管冷却反应堆作为两种不同热源的使用方案，通过核电源热光电式发电技术与微结构辐射器结合提高了与光伏电池匹配的选择性光谱发射率，进而提高了装置的发电效率；核电源不依赖太阳能，能自主产生能量，能量密度高，能满足大功率发电任务，电功率可达到百千瓦级，通过热光电转换技术可以使发电效率在10％以上。
21.应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
22.为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本公开实施例的热光电转换系统示意图；
24.图2为本公开实施例的热源与辐射器结合立体结构示意图；
25.图3为本公开实施例的辐射器表面结构示意图；
26.图4为本公开实施例中的不同直径圆柱型微腔对比示意图；
27.图5为本公开实施例中的不同深度圆柱微腔对比示意图；
28.图6为本公开实施例中的不同周期圆柱微腔对比示意图；
29.图7为本公开实施例中的微结构及不同金属ta发射率对比示意图；
30.图8为本公开实施例中的辐射器发射光谱示意图；
31.图9为本公开实施例中的光电晶元量子效率曲线示意图；
32.图10为本公开实施例中的热光电系统发电效率示意图；
33.图11为本公开实施例中的激光干涉原理示意图。
34.图标：
35.100
‑
热光电转换系统；101
‑
热源部；102
‑
辐射器；103
‑
滤波器；104
‑
第一盖板；105
‑
第二盖板。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
38.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
40.请参阅图1，在一个或多个实施例中提供了一种微结构辐射器，其包括热光电转换系统100，热光电转换系统100包括热源部101、辐射器102、滤波器103、光伏电池和热控模块，热源部101被配置为提供热源，辐射器102被配置为将热源转换为热辐射能，滤波器103被配置为过滤光子，光伏电池被配置为实现光电转换，热控模块被配置为控制温度，光伏电池设置为半导体光伏电池。
41.请参阅图11，还包括试验模型，试验模型被配置为对辐射器102进行高温稳定性测试。
42.需要说明的是，微结构辐射器稳定性测试及具体方法如下：
43.同位素源工作温度约1200～1500k，反应堆源工作温度约1000～1300k，由钨和碳纳米管复合结构的二维辐射器，在1000℃(1273k)下加热168小时；对上层镀20
‑
40nmhfo2的钨钽合金二维光子晶体，在1000℃(1273k)下加热300小时、1200℃(1473k)下加热1小时退火处理，通过上述测试表明辐射器光学性能几乎没有下降。
44.微结构辐射器表面稳定性发生降解的主要反应有：氧化、再结晶、晶粒生长、表面扩散、蒸发和再冷凝，除氧化试验以外，其他试验均在真空下进行，试验将样品在工作温度下放置100小时，通过横截面扫描电子显微图和发射率测量值定期监测热降解。
45.稳定性测试使用高温加速寿命试验模型
‑
阿伦尼斯模型，表征温度应力加速寿命影响，特征值寿命为l与工作温度t的关系如下式：
[0046][0047]
其中m
p
为所测特征值失效值，m1为所测特征值初始值，a0为一常数，e
a
为活化能，活化能参数是和材料相关与温度无关的常数。
[0048]
高温加速寿命试验中同一特征值的退化参数用加速因子α表示，即正常温度l0与高温t1下的产品寿命l1之比：
[0049][0050]
请参阅图2，在一些实施例中，热源部101包括同位素源和热管冷却反应堆，同位素源利用其放射性同位素衰变能，可使用
90
sr、
238
pu、
210
po等，外表面安装辐射器102，热管冷却反应堆通过反应堆裂变，热量由热管带出，以热管作热源部分，在热管整体外层包覆辐射器102进行使用。对于同位素源，以一个标准通用热源(gphs)为例，发电面与辐射器102紧贴，并用第一盖板104和第二盖板105进行位置固定，第一盖板104与第二盖板105使用非发电面；对于热管冷却反应堆，热管呈正三角形排布，周围由高导热石墨填充至六棱柱状，侧面
六面紧贴辐射器102并用第一盖板104和第二盖板105进行位置固定。
[0051]
需要说明的是，表述物体在一定温度下向外界的辐射能力的大小的物理量称为辐射力，即单位时间内单位表面积向其半球空间的所有方向辐射全波长范围内的能量。物体的辐射力和温度的关系由斯特藩
‑
波尔兹曼定律规定：
[0052][0053]
其中，e
r
为辐射力，单位为w/m2；δ为斯特藩
‑
玻尔兹曼常数，δ＝5.67
×
108w/m2·
k4；ε为物体的发射率；t为物体温度，单位为k；t0为外界环境温度，单位为k。
[0054]
辐射器特定波长光子的发射率，表示单位时间内该特定波长光子的出射几率；而辐射器的发射率则反应了整个辐射器的辐射力，即某一时刻的辐射器对外辐射出能量的强弱，由相同条件下辐射器的辐射力与黑体的辐射力的比值大小表示。辐射器的辐射力为辐射器对外界辐射不同波长光子的总能量，因此，其辐射力即为单位时间内，不同波长的光子能量与其数目的乘积的总和，表示为：
[0055][0056]
式中，e
r
为辐射器对外辐射光子的总能量；e(λ)为对应波长的光子能量；ε(λ)为对应波长光子的发射率。黑体的吸收率为1，根据基尔霍夫定律，可视为与辐射器相同条件下，黑体的发射率为1，则黑体辐射力表示为：
[0057][0058]
则辐射器的发射率ε
r
即为：
[0059][0060]
式中，h为普朗克常数，h＝4.136
×
10
‑
15
ev
·
s；c为光速，c＝3.0
×
108m/s。
[0061]
辐射器的光学性能即描述其优先透过带内光子、抑制带外光子的能力，由发射率直观描述。带内光子能量高于光伏电池带隙，带外光子能量低于光伏电池带隙，可以通过光谱控制实现优先带内发射。
[0062]
请参阅图3，辐射器102是一种具有精确定制的光学特性和高选择性的光谱发射率，并与合适的小带隙光伏电池的带隙相匹配的特殊化辐射器结构。
[0063]
需要说明的是，在微观尺度下，物体表面的特征尺寸将与热辐射波长处于同等量级，或者比热辐射波长更小。通过特殊的微结构表面可以对热辐射的光谱进行选择性调控，如光栅，光子晶体结构，超材料结构等，结合微结构表面独特的辐射特性及其对辐射的调控能力。
[0064]
本公开中的核电源光伏电池部分，带隙能量要与红外匹配，可选择使用铟镓砷(ingaas)或锑化镓(gasb)光电晶元阵列。禁带宽度用eg表示：
[0065]
e
g
＝(gasb)＝0.7ev
[0066]
e
g
＝(ingaas)＝0.55ev
[0067]
由于所选晶元材料量子效率在0.8～2.5μm峰值较高，因此需选择光学性能匹配的辐射器。
[0068]
制作使用二维光子晶体辐射器，基底上是圆柱形孔洞二维阵列，微腔直径为r，深度为d，周期为a。
[0069]
对于带空腔的光子晶体，每个单独的腔作为波导来增强波长低于截止的发射，截至波长
[0070][0071]
请参阅图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，制作以钽为基底的辐射器：
[0072]
(1)、固定深度d＝8μm和周期a＝1.3μm，不同直径对微结构辐射器发射率的影响结果不同。截止波长随着直径的增大而增大，并且波长小于截止波长的波段存在多个发射峰，平均发射率为0.8
‑
0.9。深度不变时，截止波长随直径增大而增大，小于截止波长的光波可与谐振腔的其他高阶谐振模耦合而被辐射器吸收，进而在小于截止波长的波段存在多个发射峰。
[0073]
(2)、固定周期和直径，改变深度。辐射器仍具有选择发射性，圆柱孔深度的影响主要体现在小于截止波长的波段，随着孔深度的增大，平均发射率增大。固定直径和周期时，此时深度的变化对截止波长几乎没有影响。此外，随着深度的增加，光波能够与谐振腔作用的时间更长，使光波更有效地被吸收，导致小于截止波长的波段平均发射率增大。
[0074]
(3)、固定直径1.1μm和深度8μm，改变周期。随周期的增大，截止波长变化很小，在大于截止波长和与周期大小相对应的位置，发射率随周期增大而降低。在大于截止波长的位置，光波不会与空腔反应，体现的主要是材料自身的高反射性，进而周期越大，微结构辐射器的光谱发射率越接近平面钽的光谱发射率。另一方面，微结构辐射器的光谱发射率还受表面等离子体极化和衍射平面波的影响，表面等离子体极化在上述几何尺寸下的影响很小，可以忽略。在小于截止波长的波段，尤其是周期大小对应的位置，衍射模的存在会影响光波与谐振腔的耦合，增强光的反射，使该波段的发射率明显降低。
[0075]
本公开中，在0.8～2.5μm的有效波段内，普通金属钽的平均发射率明显低于微结构钽，采用微结构对有用波段占比的提升效果显著，通过仿真设计，得到与锑化镓和铟镓砷电池晶元相匹配的微结构优化参数，如下所示：
[0076][0077]
在核电源系统中，为重点研究辐射器对发电系统的影响，在此分析中略去滤波器影响部分，热源在波长间隔λ～dλ经辐射器转换的净辐射热通量q(λ)dy即为：
[0078][0079]
其中，ε为辐射器在波长λ的发射率；t为辐射器表面温度；k为玻尔兹曼常数，k＝1.380649
×
10
‑
23
j/k。
[0080]
辐射器转换的能量由光子的形式存在，光谱到达晶元表面发生光电效应，由光子能量hv＝hc/λ，得到在波长间隔λ～dλ内地额光测量；
[0081][0082]
同位素源工作温度约1200～1500k，反应堆源工作温度约1000～1300k，在此选取1200k的热源加热辐射器。
[0083]
经过光电效应产生的电通量，如下式：
[0084][0085]
其中α为有效布片率；q(λ)为晶元外量子效率。
[0086]
请参阅图10，以铟镓砷晶元为例，在无过滤器调试下，微结构ta与普通金属ta最终获得系统效率相比，微结构辐射器对于核电源系统效率提升显著。
[0087]
本公开还提供了一种微结构辐射器制作方法，包括如下步骤：
[0088]
(1)、基底经真空高温退火后，抛光至粗糙度、平整度及平行度均达到光学要求；
[0089]
(2)、基底上沉积一层cr薄膜作为硬掩模，其上旋涂防反射涂层及光刻胶，使用激光干涉刻蚀，邻近效应形成圆孔；
[0090]
(3)、曝光确定空腔周期，等离子体灰化法确定空腔直径，形成光刻图案；
[0091]
(4)、采用反应离子刻蚀将图形转移到cr层，最后刻蚀至基底。
[0092]
在上述任一技术方案中，进一步地，基底上涂覆可由紫外光照后被固化的聚合物流体，压印得到模板后进行二次压印，形成大面积微结构。
[0093]
具体的，本公开提供的一种微结构辐射器的工作原理为：将微结构选择辐射器应用于核电源系统中，与热光电转换系统100中的热源、滤波器103、光伏电池及热控模块耦合，将热能转换为热辐射能，通过光伏电池光电效应转换为电能，且本公开提供使用同位素源及热光冷却反应堆两种不同的热源使用方案，通过核电源热光电式发电机室与微结构辐
射器结合，进而提高了与光伏电池匹配的选择性光谱发射率，进而提高了装置的发电效率。同时使用高温加速寿命试验模型对微结构辐射器进行高温稳定性测试，定量监测热降解。
[0094]
需要说明的是，辐射器102和滤波器103具体的型号和规格需要根据本公开设备的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不在详细赘述。
[0095]
辐射器102和滤波器103的供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。
[0096]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。