(57)【要約】      （修正有）【課題】電気自動車等に搭載する長寿命バッテリを提供する。【解決手段】ベタボルタイック電源は、電気自動車等の輸送機器および輸送用途に用いられ、アイソトープ層２０およびエネルギー変換層１０の積層構造である。アイソトープ層２０は、約０．５年から約５年の半減期を有し、約１５keVから約２００keVの範囲のエネルギーを有する放射線線源である。ベタボルタイック電源は、輸送機器の耐用寿命の間、当該輸送機器の稼働に十分な電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐用寿命を有する輸送機器のためのベタボルタイック電源であって、
約１５keVよりも大きく、約２００keVよりも小さいエネルギー量を有するベータ粒子、Ｘ線、あるいはガンマ線としての放射線を放射するとともに、半減期が約０．５年から約５年の間にあるアイソトープ材料を有する複数のアイソトープ層と、
いくつかのあるいは全ての前記アイソトープ層の間に介在し、前記放射線からのエネルギーを受けるとともに、前記エネルギーを、耐用寿命の間、前記輸送機器に給電するのに十分な電気エネルギーに変換する複数のエネルギー変換層とを含んでいる
ベタボルタイック電源。
【請求項２】
前記エネルギー変換層はGaNを含んでいる、請求項１に記載のベタボルタイック電源。
【請求項３】
前記エネルギー変換層の厚さは約１０ミクロンから２０ミクロンである、請求項１または２に記載のベタボルタイック電源。
【請求項４】
前記アイソトープ材料は(3)H、(194)Os、(171)Tm、(179)Ta、(109)Cd、(68)Ge、(159)Ce、および(181)Wを含むアイソトープ材料の一群から選択される、請求項１から３のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項５】
前記ベータ粒子、Ｘ線、およびガンマ線が前記ベタボルタイック電源から漏洩するのを実質的に防止するように動作可能に配設された放射線吸収シールドをさらに有している、請求項１から４のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項６】
隣接する前記アイソトープおよび前記エネルギー変換層がレイヤーペアを規定しているとともに、
５００から１０，０００の前記レイヤーペアを含んでいる、請求項１から５のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項７】
前記アイソトープ層は同じアイソトープ材料で形成されている、請求項１から６のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項８】
電気エネルギーの量が少なくとも１００ワットである、請求項１から７のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項９】
前記アイソトープおよび前記エネルギー変換層から熱を除去する冷却コンジットをさらに含んでいる、請求項１から８のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項１０】
前記ベタボルタイック電源に電気的に接続された輸送機器をさらに含む、請求項１から９のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項１１】
耐用寿命を有する輸送機器用のベタボルタイック電源であって、
約１５keVよりも大きく、約２００keVよりも小さいエネルギー量を有している放射線を放射するとともに、半減期が約０．５年から約５年の間にあるアイソトープ材料を有する複数のアイソトープ層と、
いくつかの、あるいは全ての前記アイソトープ層の間に介在する複数のエネルギー変換層とを有しており、
前記各エネルギー変換層は、前記放射線からのエネルギーを受けるとともに、前記放射線からの前記エネルギーを、０．５年から５年の間の耐用寿命期間中、前記輸送機器に給電するための１００ワット以上の電気エネルギーに変換する、
ベタボルタイック電源。
【請求項１２】
１以上の前記エネルギー変換層がダイオード構造を有している、請求項１１に記載のベタボルタイック電源。
【請求項１３】
前記ダイオード構造はGaNあるいはGeを含んでいる、請求項１２に記載のベタボルタイック電源。
【請求項１４】
前記Geは(68)Geを含んでいる、請求項１３に記載のベタボルタイック電源。
【請求項１５】
隣接する前記アイソトープおよび前記エネルギー変換層がレイヤーペアを規定しており、
５００から１０，０００の前記レイヤーペアを含んでいる、請求項１１から１４のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項１６】
前記アイソトープ層は同じアイソトープ材料で形成されている、請求項１１から１５のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項１７】
前記放射線は、ベータ粒子、Ｘ線、およびガンマ線の少なくとも１つを含んでいる、請求項１１から１６のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項１８】
前記ベタボルタイック電源に対して電気的に接続された前記輸送機器をさらに含む、請求項１１から１７のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項１９】
前記ベタボルタイック電源に電気的に接続された従来のバッテリーをさらに含む、請求項１１から１８のいずれかに記載のベタボルタイック電源。
【請求項２０】
請求項１から９、１１から１７のいずれかに記載のベタボルタイック電源に電気的に接続された輸送機器。
【請求項２１】
請求項１１から１７のいずれかに記載のベタボルタイック電源に電気的に接続された従来のバッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１２年７月２３日に出願された米国仮出願No.６１／６７４，７８１に基づく優先権主張を伴う。また、同仮出願は本明細書に組み込まれる。
【０００２】
この出願は、２０１３年４月１５日に出願された米国特許出願１３／８６３，２８３に関連する。また、同米国特許出願は本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、概して、輸送用途に用いられる電源、さらに言えば、ベタボルタイック電源に関する。
【背景技術】
【０００４】
電気自動車は、社会に対し、輸送に用いられる化石燃料の使用量削減を提案している。電気自動車による輸送が受け入れられるための大きな障害は、航続距離と、バッテリーの充電時間である。結局のところ、航続距離は自動車に搭載されるバッテリーの容量によって制限される。バッテリーの容量は、溜められるエネルギーの量を規定し、エネルギーの量は、ほとんどの用途における持続時間を決定する。
【０００５】
典型的な電気自動車用バッテリーの一例は、テスラ・モータースが製造販売するロードスタータイプの電気自動車に使用されているリチウムベースのバッテリーシステムである。当該自動車の開発時において、このバッテリーシステムは、世界最大かつ技術的に最先端のリチウムイオンバッテリーパックのひとつであった。１回の充電でロードスターを２００マイルを超えて走らせるのに十分なエネルギーを溜めることができた。当該バッテリーパックは、約５３キロワット時の電気エネルギーを溜めることができた。しかしながら、このロードスターは小さな車輛である。このリチウムイオンバッテリーの代替品には少なくとも同等、可能であればより多くのエネルギーを溜める能力が求められるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，３０１，２５４号明細書
【特許文献２】米国特許第７，６２２，５３２号明細書
【特許文献３】米国特許第７，６６３，２８８号明細書
【特許文献４】米国特許第７，９３９，９８６号明細書
【特許文献５】米国特許第８，０１７，４１２号明細書
【特許文献６】米国特許第８，１３４，２１６号明細書
【特許文献７】米国特許第８，１５３，４５３号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１１／００３１５７２号明細書
【非特許文献１】「GaNベタボルタイックエネルギー変換」０−７８０３−８７０７−４／０５、２００５IEEE，ホーンスバーグ他
【非特許文献２】アーリントン・テクノロジ−・アソシエーションによる発表「ベータバッテリー−長寿命、自己再充電バッテリー」、２０１０年３月３日
【非特許文献３】ラリー・Ｌ・ガデカンによる発表「トリチウム化した３Ｄダイオードのベタボルイタイック・マイクロバッテリー」、ＩＡＥＡアドバンストワークショップ、アドバンストセンサーズフォーセイフガーズ、２００７年４月２３〜２７日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
求められるのは、再充電なしで電気自動車を走らせるのに十分な出力を発生させることができ、あるいは、（１年あるいは複数年といった）ある程度の期間の後、別の長寿命バッテリーへの代替えを提案できるバッテリーである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電気自動車や電気で動く他のタイプの車輛といった輸送機器に給電するためのベタボルタイック電源に関する。このベタボルタイック電源は、当該輸送機器の耐用寿命、あるいは当該耐用寿命の実質的に一部にほぼ対応する期間の連続的な作動を提供する。この耐用寿命は、例えば６ヶ月から５年といったように、６ヶ月から１０年の範囲で有り得る。
【０００９】
本発明は、電動輸送機器（例えば自動車、ただし単に自動車に限定されない）への給電に用いられるベタボルタイック電源に関する。オートバイ、トラック、三輪および複数車輪の輸送機器、パーソナル輸送機器（例えばセグウェイ社の製品）、ゴルフカート、スクーター等の他の輸送機器はすべて本発明による利益を受け得る。ベタボルタイック電源は、輸送機器の耐用寿命、あるいは当該耐用寿命の実質的に一部に対応する期間の連続的な作動を提供するように構成されている。
【００１０】
本明細書に開示されるベタボルタイック電源は、所定の耐用期間を有する電動輸送機器に適する選択された量の電力を供給することができる。アイソトープ材料およびエネルギー変換材料の積層（多層）構造を有する選択アイソトープの統合により、従来のベタボルタイック電源とは桁違いに高いレベルの出力を提供する。Ｘ線やガンマ線（ガンマ）と同様、ベータ粒子（ベータ）は輸送機器を動作させるのに有用な電気に変換される。
【００１１】
ベタボルタイック電源は、蓄えたエネルギーを電気に変換するため、アイソトープの核反応に依存している。ベタボルタイック電源は、従来、非常に長寿命のアイソトープを用いて、ベータ（電子）粒子をエネルギーに変換している。それらは、通常、低出力の用途、および、デバイスへのアクセスが現実的ではない宇宙船や衛星といった用途に使用されている。
【００１２】
本ベタボルイック装置は、輸送機器に適した電気出力量を供給する。アイソトープ材料およびエネルギー変換材料の積層（多層）構造を伴う選択されたアイソトープの統合は、公知のベタボルタイック電源よりも桁違いに大きな電力レベルを提供する。ベータ粒子は、Ｘ線あるいはガンマ線と同様、輸送機器を駆動するのに役立つ電気に変換される。
【００１３】
本発明の一局面は、耐用寿命を有する輸送機器のためのベタボルタイック電源であり、各アイソトープ層は、約１５keVよりも大きく、約２００keVよりも小さいエネルギー量を有するベータ粒子、Ｘ線、あるいはガンマ線としての放射線を放射するとともに、半減期が約０．５年から約５年の間にあるアイソトープ材料を有している複数のアイソトープ層を含む。この電源は、また、いくつかのあるいは全てのアイソトープ層の間に介在し、放射線からのエネルギーを受けるとともに、当該エネルギーを、耐用寿命の間、輸送機器に給電するのに十分な電気エネルギーに変換する複数のエネルギー変換層を含んでいる。
【００１４】
本発明の他の局面は、エネルギー変換層がGaNを含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００１５】
本発明の他の局面は、各エネルギー変換層の厚さが約１０ミクロンから２０ミクロンである、上述のベタボルタイック電源である。
【００１６】
本発明の他の局面は、アイソトープ材料が(3)H、(194)Os、(171)Tm、(179)Ta、(109)Cd、(68)Ge、(159)Ce、および(181)Wを含むアイソトープ材料の一群から選択される、上述のベタボルタイック電源である。
【００１７】
本発明の他の局面は、ベータ粒子、Ｘ線、およびガンマ線がベタボルタイック電源から漏洩するのを実質的に防止するように動作可能に配設された放射線吸収シールドをさらに有している、上述のベタボルタイック電源である。
【００１８】
本発明の他の局面は、隣接するアイソトープおよびエネルギー変換層がレイヤーペアを規定し、ベタボルタイック電源が５００から１０，０００のレイヤーペアを含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００１９】
本発明の他の局面は、アイソトープ層が同じアイソトープ材料で形成されている、上述のベタボルタイック電源である。
【００２０】
本発明の他の局面は、電気エネルギーの量が少なくとも１００ワットである、上述のベタボルタイック電源である。
【００２１】
本発明の他の局面は、アイソトープおよびエネルギー変換層から熱を除去する冷却コンジットをさらに含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００２２】
本発明の他の局面は、ベタボルタイック電源に電気的に接続された輸送機器をさらに含む、上述のベタボルタイック電源である。
【００２３】
本発明の他の局面は、耐用寿命を有する輸送機器用のベタボルタイック電源である。この電源は複数のアイソトープ層を含んでおり、各アイソトープ層は、約１５keVよりも大きく、約２００keVよりも小さいエネルギー量を有している放射線を放射するとともに、半減期が約０．５年から約５年の間にあるアイソトープ材料を有している。この電源は、また、いくつかの、あるいは全てのアイソトープ層の間に介在する複数のエネルギー変換層を有しており、各エネルギー変換層は、放射線からのエネルギーを受けるとともに、放射線からの当該エネルギーを０．５年から５年の間の耐用寿命期間中輸送機器に給電する１００ワット以上の電気エネルギーに変換する。
【００２４】
本発明の他の局面は、１以上のエネルギー変換層がダイオード構造を有している、上述のベタボルタイック電源である。
【００２５】
本発明の他の局面は、ダイオード構造がGaNあるいはGeを含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００２６】
本発明の他の局面は、Geが(68)Geを含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００２７】
本発明の他の局面は、隣接するアイソトープおよびエネルギー変換層がレイヤーペアを規定し、ベタボルタイック電源が５００から１０，０００のレイヤーペアを含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００２８】
本発明の他の局面は、アイソトープ層が異なる半減期を有する第１および第２アイソトープで形成されている、上述のベタボルタイック電源である。
【００２９】
本発明の他の局面は、アイソトープ層が同じアイソトープ材料から形成されている、上述のベタボルタイック電源である。
【００３０】
本発明の他の局面は、放射線がベータ粒子、Ｘ線、およびガンマ線の少なくとも１つを含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００３１】
本発明の他の局面は、輸送機器をさらに含んでいる、上述のベタボルタイック電源である。
【００３２】
本発明の他の局面は、ベタボルタイック電源に電気的に接続された従来のバッテリーをさらに含む、上述のベタボルタイック電源である。
【００３３】
上記の背景技術等に関する記載及び下記の詳細な説明に関する記載は、特許請求の範囲に記載されている本開示の本質および特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。添付図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本開示の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本開示の原則および実施を説明するための一助となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のベタボルタイック電源の実施例を示す概略図である。
【図２】本発明のベタボルタイック電源の実施例を示す概略図である。
【図３】本発明のベタボルタイック電源の実施例を示す概略図である。
【図４Ａ】本発明のベタボルタイック電源の実施例を示す概略図である。
【図４Ｂ】本発明のベタボルタイック電源の実施例を示す概略図である。
【図５】任意の従来のバッテリーと共に示される本発明のベタボルタイック電源を利用する輸送機器（例えば、電気自動車）の実施例を示す概略図である。
【図６Ａ】ダイオードとして形成されたエネルギー変換層の実施例を示す側面図である。
【図６Ｂ】ダイオードとして形成されたエネルギー変換層の実施例を示す平面図である。
【図７Ａ】アイソトープ層に対応して動作可能に配設された２つのダイオードに基づくエネルギー変換層を示す側面図である。
【図７Ｂ】図７Ａと同じデバイスを示す図であるが、ダイオードに基づくエネルギー変換層の電極の構成例が９０度回転されている。
【図７Ｃ】図７Ｂと同様に、外部の輸送機器に対して電気的に接続された電極を示す図である。
【図８】図３と同様の図であり、ベタボルタイック電源におけるエネルギー変換層として(68)Geを使用する場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
ここで、本開示の様々な実施形態を詳細に参照する。実施形態の一例を図面に示す。図中、同一または同様の部分を参照する際、可能な限り同一または同様の参照番号及び符号を使用する。図面には決まった縮尺が無く、当業者であれば、これら図面は本開示の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。
【００３６】
後述する特許請求の範囲は、この詳細な説明に組み込まれるととともに、この詳細な説明の一部を成す。
【００３７】
略号「mw」は、「ミリワット」の意味で使用されている。
【００３８】
アイソトープは（ｘ）ｙと記載されており、ｘは質量数、および、ｙは元素記号を意味する。
【００３９】
本明細書において使用される「放射線」の語は、アイソトープの放射線との意味合いで使用されているとともに、放射された粒子および電磁波の両方を含む。
【００４０】
本明細書において使用される「ベタボルタイック」の語は、ベータ粒子に限定されず、また、ガンマ線やＸ線といった他の非ベータ線を含む。「ベタボルタイック電源」および「アイソトープ電源」の語は技術的に互いに同意語としてしばしば使用されることから、本明細書において使用される「ベタボルタイック電源」の語は、「アイソトープに基づく電源」と同義である。
【００４１】
下記の米国特許、特許公報、および公知資料や発表を含む、本明細書で引用された全ての特許公開公報および特許公報は、それらの言及により、本明細書に組み込まれる。米国特許第７，３０１，２５４号；７，６２２，５３２；７，６６３，２８８；７，９３９，９８６；８，０１７，４１２；８，１３４，２１６；８，１５３，４５３；米国特許出願公開第２０１１／００３１５７２号；「GaNベタボルタイックエネルギー変換」０−７８０３−８７０７−４／０５、２００５ＩＥＥＥ，ホーンスバーグ他；アーリントン・テクノロジ−・アソシエーションによる発表「ベータバッテリー−長寿命、自己再充電バッテリー」、２０１０年３月３日；ラリー・Ｌ・ガデカンによる発表「トリチウム化した３Ｄダイオードのベタボルイタイック・マイクロバッテリー」、ＩＡＥＡアドバンストワークショップ、アドバンストセンサーズフォーセイフガーズ、２００７年４月２３〜２７日。
【００４２】
本発明は、輸送機器および輸送用途に用いられるベタボルタイック電源に関する。１以上のアイソトープ材料の薄層（アイソトープ層）がエネルギー変換材料（エネルギー変換層）に囲まれているアイソトープを利用した、所定のタイプの電源が存在する。このエネルギー変換層は発電機のような動きをする。一般に、エネルギー変換層は、アイソトープからの放射線を受けるとともに、当該放射線のエネルギーを有用な電気、つまり、対応する電力量を示す電流の量に変換する。
【００４３】
図１は、エネルギー変換層（膜）１０およびアイソトープ層（膜）２０によって規定された積層構造を有するベタボルタイック電源６の一例を示す概略図である。これらエネルギー変換層１０は、いくつかの、あるいは、全てのアイソトープ層２０の間に挟まれている。一例において、図１に示すように、積層構造は、エネルギー変換層１０およびアイソトープ層２０が交互になっている。
【００４４】
一例において、エネルギー変換層１０を形成する材料は、GaNを含むか、あるいはGaNで構成されており、アイソトープ層を形成する材料は、(179)を含むか、あるいは(179)で構成されている。このため、一の実施例において、ベタボルタイック電源６は、GaN／(179)Ta／GaN／(179)Ta／GaN／(179)Ta／…／GaNによって規定された積層構造を有しており、各エネルギー変換層１０の厚さが約１０ミクロンから２０ミクロンである。このため、一例において、ベタボルタイック電源６の積層構造は、層１０および２０による交互の「レイヤーペア」３０の並びによって規定されている。
【００４５】
本明細書に開示されたベタボルタイック電源６の具体的な設計は、輸送機器への給電に対するいくつかの基本的要求事項に基づく。
１）  輸送機器の寿命に相当する（あるいはそれよりも少し長い）寿命
２）  消費者の要求に見合った、十分な平均電力の発生、および
３）  環境的に安全で、かつ、消費者が使いやすいこと。つまり、人体、環境、あるいは、隣接するあらゆる電子機器に有害な放射線を放出しないこと。
【００４６】
アイソトープは、公知の半減期を有している。加えて、その減衰過程における放射が一般的に知られている。減衰アイソトープからの放射は、大略、下記のカテゴリーにあてはまる。
１）  ガンマ線（ガンマ）：これは原子核から放出される放射線である。この放射線のエネルギーは、keVで表される。
２）  Ｘ線：これは、原子を囲む電子から放出される放射線である。この放射線のエネルギーは、keVで表される。
３）  ベータ放射（ベータ）：「ベータ」は、原子からの放出電子である。当該電子のエネルギーは、keVで表される。
４）  アルファ放射（アルファ）：「アルファ」粒子は、放出ヘリウム原子である。当該「アルファ」粒子のエネルギーは、keVで表される。
【００４７】
ガンマ線およびＸ線は、それぞれの源が異なること以外、基本的に同じもの（両者とも電磁放射線）であることに留意すべきである。ガンマは原子核から放射され、Ｘ線は原子の軌道上の電子から放射される。
【００４８】
本明細書に開示される実施例のベタボルタイック電源６は、ベータ、ガンマ、およびＸ線の少なくとも１つを有用なエネルギー（具体的には電気エネルギー）に変換する。一例において、GaNタイプあるいはGeタイプのエネルギー変換層１０が使用される。一例において、異なる材質のエネルギー変換層１０が使用される。また、一例において、異なるアイソトープ層２０が使用される。
【００４９】
ベタボルタイック電源６で生成される電力は、アイソトープから単位時間当たりに放出される粒子の数に比例するとともに、アイソトープ原子の数および当該アイソトープの半減期に依存する。アイソトープ層が「完全に変換された」（つまり、他の材質の存在によって弱められていない）とき、当該アイソトープ層に蓄えられたエネルギーは最大になっている。
【００５０】
アイソトープ層における放射源原子の数は一定であることから、ベタボルタイック電源６で生成される電力を増加させる唯一の方法は、アイソトープの半減期を減少させることにより、単位時間当たりに放射される粒子の数を増加させることである。このため、消費電力が高く、かつ、相対的に寿命が短いデバイス（例えば、最大で１０年あるいはたった２，３年まで、あるいはたった２、３ヶ月、数十年ではない）に対しては、それに対応する短い半減期を有するアイソトープが求められる。
【００５１】
消費者向けの輸送機器のほとんどが数ヶ月から１０年までの範囲となり得る寿命（大半の最大寿命はたった数年である）を有しているので、ここでは同程度の期間（具体的な半減期の例としては、約０．５年から約５年の範囲にある）の半減期を有するアイソトープが考えられる。(63)Ni（両アイソトープ層は完全に変換されているものとする）よりも短い半減期を有するアイソトープから始めることにより、単位時間当たりに放射される粒子の数は半減期同士の比に応じて増大し得る。
【００５２】
また、一例において、本明細書に開示されたベタボルタイック電源６は、ユーザに対して危険性がないと考えられる放射を行うアイソトープを活用する。ガンマおよびＸ線放射に関し、アイソトープ層２０に使用される実施例のアイソトープは、約２５０keVより小さいエネルギー、あるいは、２００keVよりも小さいエネルギーを有している。
【００５３】
本明細書に開示したベタボルタイック電源において、アイソトープはベータ、Ｘ線、あるいはガンマを放射し得る。Ｘ線およびガンマの両方は、GaN材料に正孔および電子対を形成し得るとともに、エネルギー生成の手助けを行い得る。一例において、複数のタイプのアイソトープが使用される。一例において、電子（ベータ）、Ｘ線、およびガンマの少なくとも１つが採用される。
【００５４】
アイソトープ層２０に使用される材料についての基準の例は以下の通りである。
１）  輸送機器や輸送用途の有用な寿命に対して実質的に適合する短い半減期。
２）  有用な寿命（耐用寿命）の期間、必要な量の電力を供給するため、蓄えたエネルギーの必要な量の放射。
３）  ２５０keVより小さなエネルギーでの、ベータ、ガンマ、あるいはＸ線の放射。
４）  １５keVより大きなエネルギーでの、ベータ、ガンマ、およびＸ線の放射。
５）  アルファ粒子を放出しないこと。
【００５５】
上記基準１は、輸送機器の有用な寿命と同等の期間にアイソトープ層２０からすべてのエネルギーを抽出することを求めている。このことは、ベタボルタイック電源６から最大電力が引き出されることを確実にする。基準２は、輸送機器が十分な電力を得ることを確実にする。基準３は、アイソトープ層２０からの放射が輸送機器や人体に重大な害を与えることなく効率的に使用され得ることを確実にする。基準４は、当該放射が有用な最小量の電力を生成することを確実にする。基準５は、活動的なアルファ粒子の前述した短所を回避する。
【００５６】
他の基準は、エネルギー変換層１０が、放射線硬化されたベタボルタイック電源６を形成するIII−IV族化合物で形成されるということである。GaNあるいはAlGaNデバイスが非常にダメージ耐性を有しているのに対して、シリコンデバイスは、その小さなバンドギャップのため、高出力放射線および／またはベータからダメージを受けやすい傾向にあることが知られている。
【００５７】
一例において、アイソトープ材料は人工的に生成されるのが好適である。
【００５８】
下に示す表１は、実施例に係るアイソトープ、それらの半減期、放射エネルギーおよび生成モードを示す。放射される種の列は、当該種の最大エネルギーを示す。一般的に、放射は連続的である。例えば、(179)Taの場合、最大Ｘ線放射は６５keVである。しかしながら、放射は６keVから６５keVまで連続的に変化する。より小さなエネルギーのＸ線は、とりわけ電気の生成に有用である。
【表１】
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【００５９】
アイソトープについての上記表１、および、上述した基準によれば、表１中で下線を付すとともに太字にしたアイソトープは、潜在的に、アイソトープ層２０としての使用に最も適しているといえる。
【００６０】
上記表１中の他のアイソトープは、より選択された環境下で使用され得る。例えば、高出力のベータを放射するアイソトープは有用であるが、GaNに基づくエネルギー変換層１０に対してより大きなダメージを与えるおそれがある。非常に高いエネルギーのガンマを放射するアイソトープには、追加のシールドが求められるであろう。人工的な生成プロセスが知られていないアイソトープは、その可用性が制限されるであろう。核分裂によって生成されるアイソトープもその可用性が制限されるおそれがある。
【００６１】
約１０年の耐用寿命が期待される輸送機器の場合、アイソトープ層２０に(3)Hを使用することが要求されるであろう。なぜならば、(3)H（重水素）は固体ではなく、一例において、重水素アイソトープ層２０の例は、固体のアイソトープ層２０を形成するために他の材料と混ぜ合わされた重水素を有している。
【００６２】
耐用寿命が約５年の輸送機器の場合、アイソトープの選択として(194)Osが望ましい。
【００６３】
耐用寿命が約２年の輸送機器の場合、アイソトープの選択として(179)Taが望ましい。
【００６４】
耐用寿命が１年よりも短い輸送機器の場合、アイソトープの選択として(68)Geが望ましい。
【００６５】
つまり、いくつかのものはより用い易く、また、より安価になるが、上記表１に示されたアイソトープは、潜在的に、すべてアイソトープ層２０として有用である。
【００６６】
電流および電力の算定
ベタボルタイック電源６によってどの程度の電流および電力が生成され得るかを算定するため、厚さが１０ミクロンの(179)Ta層であり、半減期が１．８２年のアイソトープ層２０を想定する。さらに、当該層の１００％がアイソトープに変換されるものとする。(179)Taアイソトープ層２０は６５keVのガンマ、および１１１keVのベータを放射する。当該ベータは、１０から２０ミクロンのGaNに効率的に吸収される。６５keVのガンマのGaNへの吸収長は１００ミクロンを超える。このため、ほとんどのガンマは厚さが１０から２０ミクロンのGaN層で吸収されない。吸収される一部のガンマは電力の生成に加えられる。
【００６７】
厚さ１０ミクロン（面積１cm2）の(179)Ta層からの１秒当たりの分裂数の概算は、約１×１０12／秒である。これは、薄膜における原子の数を算出し、そのうちの半数が半減期中に分裂することから、この半数を半減期に対応する秒で除することによって計算されたものである。変換材料に生成された電子正孔対の数は以下の式で与えられる。
G=（N・E）／Eehp
ここで、Gは生成された電子正孔対の数であり、Nは１秒当たりの分裂の数であり、Eはベータ粒子のエネルギーであり、Eehpは１つの電子正孔対の生成に要する平均エネルギーである。
【００６８】
１×１０12／秒の分裂の場合、約１ミリアンペアの電流が１cm2のアイソトープ層２０から生成される。厚さが１０ミクロンのGaNエネルギー変換層１０を想定したとき、開回路電圧は大略２．３ボルトであり、このことは、約２mw/cm2で電力が生成されることを示している。自動車を動かせるのには十分でない場合、自動車や他の輸送機器を動かせるのに十分な出力を出せるようにデバイスを大きくすることができる。
【００６９】
実際の電力生成は、この量よりもわずかに高くなる傾向にある。なぜならば、アイソトープ層２０からのガンマの一部がGaNエネルギー変換層１０に捕捉され、このことがエネルギー生成の一助となるからである。ガンマの約１５％は１０keVよりも小さく、GaN層に吸収される傾向にある。
【００７０】
このような膜は薄く、かつ、図３に示すように、順に積み上げてGaN/アイソトープ/GaN/アイソトープ/GaN/アイソトープ/…/GaNといった積層を生成することができる。各GaN層の厚さは約１０ミクロンであり（実際の厚さは特定のアイソトープにおけるベータ粒子の効率的な捕捉に依存し、典型的な約１０ミクロンの厚さであれば、179Taから放射される111keVベータのほとんどを捕捉するのに十分である。）、一連のGaN/(179)Taの交互「レイヤーペア」が生成される。輸送に用いられるベタボルタイック電源の一例は、数百から数万の層を含み得る。
【００７１】
各Ta層が１０ミクロンであり、かつ、各GaN層が１０ミクロンであることにより、５００レイヤーペアを有する１ｃｍ厚さのデバイスの構造が構成され得る。各層が２ｍｗ／ｃｍ2を生成するので、５００レイヤーペアでは１ワット／ｃｍ2の電力が生成される。自動車輸送に用いるものであれば、長さ１００ｃｍ、幅３０ｃｍ、高さ１０ｃｍの大きさが想定される。断面積は３０００ｃｍ2であり、５０００レイヤーペアで１０ｃｍ高さのパッケージになる。このような寸法で構成された燃料セルは下記の電力を生成する。
（２ｍｗ/ｃｍ2/レイヤーペア）・（３０００ｃｍ2）・（５０００レイヤーペア）＝３０，０００ワット
５３キロワット時の電力を溜めることができ、航続距離が２００マイルであるテスラ・ロードスターのバッテリーと比較する。当該自動車が約３時間で２００マイルを走行すると仮定すると、当該自動車は１８キロワットを消費する。３０キロワットを生成できるベタボルタイック燃料セルは、再充電の必要なく電力を当該自動車へ供給するのに十分であろう。
【００７２】
エネルギー変換層１０の実際の厚さは、アイソトープ層２０からの粒子を当該エネルギー変換層１０が捕捉する効率に依存する。通常、GaNのエネルギー変換層１０の場合、約１０ミクロンの厚さがあれば、(179)Taで形成されたアイソトープ層２０から放射される１１１keVのベータのほとんどを捕捉するのに十分であるといえる。
【００７３】
放射線吸収シールド
アイソトープ層２０に使用される特定のアイソトープによっては、少なくともベタボルタイック電源６の一部を放射線吸収材料で密閉する必要がある。図２は、放射線吸収材料で形成された放射線吸収シールド４０内に収容された図１のベタボルタイック電源６を示している。放射線吸収材料の一例はステンレスである。
【００７４】
シールド４０における放射線吸収壁の厚さは、アイソトープ層２０から放射される放射線のエネルギーや使用される放射線吸収材料の種類に依存する。例えば、(179)Taで形成されたアイソトープ層２０の場合、ガンマ放射のピークは６５keVである。図１および２のベタボルタイック電源６の積層構造において、当該積層の中心付近で生成されたガンマは、当該積層構造から外部へ出るまでにエネルギー変換層１０およびアイソトープ層２０によって吸収される。しかしながら、消費者および／または他の電子機器は、積層構造の端付近から放射されたガンマから実質的に保護される必要がある。このため、一例において、シールド４０は、(179)Taで形成されたアイソトープ層２０で生成された６５keVのガンマ線をブロックするのに十分なステンレス製の１mm厚さの壁を有している。
【００７５】
一例において、ベタボルタイック電源６が(3)H（重水素）で形成されたアイソトープ層２０で主に発電する場合、ガンマやＸ線が放射されることはなく、また、ベータは１８．６keVを上限とするエネルギーを有している。この例において、(3)Hアイソトープ層２０の一方側に配置された１０ミクロン厚さのGaNエネルギー変換層１０は、ベタボルタイック電源６のシールドとして十分な役割を果たす。(3)Hアイソトープの寿命は１２．６年であることから、(179)Taから単位時間当たりに放射される粒子の数は著しく低減し（約１／７）、また、ベータの平均エネルギーは約１／３である。このことは、そのような発生源からの平均電力が発生源(179)Taに比べて約１／２０であることを意味している。にもかかわらず、低電力が求められるある種のモバイル給電用途において、このようなベタボルタイック電源は有用であり得る。
【００７６】
発熱および冷却
エネルギー変換層１０（例えば、GaNやAlGaN）に用いられるエネルギー変換材料の効率は、一般的に、２５から３５％である。したがって、アイソトープ層２０から放射されるエネルギーの相当な量は熱に変わる。その結果、冷却コンジットの設置が必要となるおそれがある。GaN（またはAlGaN）エネルギー変換層１０および(179)Taアイソトープ層２０は、良好な熱伝導率を有している。図３は、図１に近い図であり、冷却コンジット５０を通して積層構造内で生じた熱６０を外部へ排出するために、当該積層構造を貫通する任意の冷却コンジット５０を追加することを示している。一例において、コンジット５０は、銅のように高い熱伝導率を有する固体材料で形成することができる。
【００７７】
アプリケーション
ベタボルタイック電源６の寿命の間、アイソトープ層２０からの放射は徐々に劣化する。アイソトープ材料の半減期に到達すると、当該ベタボルタイック電源６で生成される電力は、当初の値の半分に落ちる。このため、設定された将来の期日において要求とされる性能を満たすのに十分な電力（つまり、十分な面積および十分な数のレイヤーペア）を生成できるようにベタボルタイック電源６を構成することが望まれる。
【００７８】
複数のアイソトープ
ベタボルタイック電源６における全てのアイソトープ層２０を同じアイソトープ材料で形成する必要はない。図４Ａに示すベタボルタイック電源６の一実施例では、複数種類のアイソトープ層２０があり、これら異なるアイソトープ層は２０ａおよび２０ｂと記載されている。図４Ａに示す、異なる層２０ａおよび２０ｂは、複合アイソトープ層２０を形成すると考えることができる。
【００７９】
もし、給電される輸送機器がその寿命の初期段階においてより電力を要する場合に、本実施例のようなアイソトープ層２０が望まれる。例えば、もしベタボルタイック電源が５０のレイヤーペア３０を有しているのであれば、アイソトープ層２０の半分（層２０ａ）を(179)Taで形成し、残り半分（層２０ｂ）を(68)Geで形成する。(68)Geアイソトープは、より早く劣化することから、より大きな初期電力を供給できる。これにより、特定のベタボルタイック電源６における、時間に対するエネルギー生成プロファイルを調整できる。図４Ａに示すようないくつかの例において、異なるアイソトープ層２０ａおよび２０ｂは互いに隣接するように配設することができる。つまり、これらはエネルギー変換層１０によって分断されない。図４Ｂに示す他の実施例において、アイソトープ層２０ａおよび２０ｂは、積層構造において交互に配設されている。一の実施例において、図４Ａおよび図４Ｂに示す構造を組み合わせて使用することもできる。
【００８０】
一定電力の生成
本明細書に開示されるベタボルタイック電源６の特徴は、それが電力を供給する輸送機器が使用されない場合であっても、その時の１００％の電力を生成できる点にある。このため、当該輸送機器自身が使用されていないときでさえも発電し、かつ、後の使用に備えてエネルギーを蓄えることが可能となる。図５は、本明細書に開示されたベタボルタイック電源６から電力供給される前述の輸送機器１００を示す。当該輸送機器１００は、ベタボルタイック電源６に対して電気的に接続され、かつ、当該ベタボルタイック電源６に充電される従来のバッテリー８を有している。
【００８１】
このため、一例において、ベタボルタイック電源６は、ハイブリッド電源を形成するため、従来の電源（つまり、バッテリ）８と組み合わされる。当該ハイブリッド電源は、輸送機器が使用されていない時において、電力を生成することができる。これにより、ベタボルタイック電源６をより少ない層および／またはより小さい面積にすることができる。
【００８２】
エネルギー変換層の実施例
図６Ａは、ベタボルタイック電源６についてのダイオードに基づくエネルギー変換層１０の実施例を示す概略側面図であり、図６Ｂはそれの概略平面図である。エネルギー変換層１０は、天面１２および底面１４を有している。図６Ａおよび６Ｂは、一例に係る正電極１２０Ｐおよび負電極１２０Ｎの位置を示している。エネルギー変換層１０は、Ｐ／Ｎ接合層１０Ｊによって仕切られたＰドープ層１０ＰおよびＮドープ層１０Ｎを有している。
【００８３】
正電極１２０Ｐおよび負電極１２０Ｎは、アイソトープ層２０を簡単に統合するような位置に配置される（例えば、図示するように、エネルギー変換層１０の天面および底面、あるいは、互いに離間させつつ同じ面に）。図７Ａおよび図７Ｂは、多層積層構造を有するベタボルタイック電源６についてのそれぞれの実施例を示す側面図である。図７Ｃは、従来のバッテリー８や輸送機器１００といった外部デバイスに対して電気リード（ワイヤー）１０４を介して電気的に接続された状態を示す、ベタボルタイック電源６の側面図である。リード１０４には、プラス電圧「＋Ｖ」およびマイナス電圧「−Ｖ」が示されている。
【００８４】
Geを含むエネルギー変換層
エネルギー変換層１０は、Geを含むか、あるいは、Geで構成され得ることにも留意すべきである。効率の良いGe太陽電池が製造されており、また、そのような太陽電池はベタボルタイック電源６に求められるデバイス構造に似ている。一例において、エネルギー変換層１０に用いられるGe材料は(68)Geであり、このことにより、自身がベータ電子およびＸ線の両方の発生源となるエネルギー変換層１０が形成される。このように、省スペースでより多くの電力を生成できる。
【００８５】
図８は、(68)Geを用いた交互の層で形成されたベタボルタイック電源６の一例を示している。このような構成は、(68)Geの寿命がその用途に適している場合に使用される。Geは、ダイオードに基づくエネルギー変換層１０を形成するのにGaNが使用されるのと全く同じように、ダイオードに基づくエネルギー変換層１０を形成するのに使用され得る。
【００８６】
その結果、ベタボルタイック電源６の例は、長寿命のアイソトープ層２０（例えば、(139)Taアイソトープ層）、および、アイソトープ層２０からのエネルギーを電気に変換するエネルギー変換層１０としてのGeに基づくダイオードを有している。しかしながら、エネルギー変換層１０のダイオードの実施例を形成する当該Geに基づく材料は、それ自身が電気を生成するアイソトープ（例えば(68)Ge）であってもよい。この構成により、エネルギーを生成する層を２倍にしたり、また、GaNダイオードに基づく構成の倍の電力を生成することができる。この構成は、また、空間の使用率を最大化する。
【００８７】
当業者には明白であるが、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、本開示に対して様々な修正および変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本開示の修正および変更を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【外国語明細書】
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1.Abstract
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2.Representative Drawing
Fig.1
Fig.1
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Fig.2
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Fig.3
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Fig.4A
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Fig.4B
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Fig.5
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Fig.6A
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Fig.6B
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Fig.7A
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Fig.7B
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Fig.7C
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Fig.8
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