Betacel считается первым коммерчески успешным бетавольтаическим аккумулятором . [1] [2] [3] Он был разработан в начале 1970-х годов Ларри С. Олсеном в американской корпорации McDonnell Douglas с использованием радиоизотопа Прометий-147 в качестве источника бета-электронов, подключенного к кремниевым полупроводниковым элементам. Этот источник питания был включен в Betacel-Biotronik кардиостимулятора . Устройство не получило широкого распространения из-за его ограниченного срока службы и сомнений в использовании радиоактивных материалов.
Разработка
Бетавольтаическая программа вместе с разработкой Betacel возглавлялась доктором Олсеном и группой исследователей из Donald W. Douglas Laboratories (DWDL), McDonnell Douglas Corporation, в начале 1970-х годов. [4] Как первый (и единственный) жизнеспособный бета-гальванический источник энергии, когда-либо разработанный, он сразу же был использован для питания кардиостимуляторов. Кардиостимуляторы с питанием от Betacel были имплантированы многим пациентам в 1970-х годах. Компания Biotronik GmbH & Co., Ingenieurburo, Берлин, адаптировала свои кардиостимуляторы с питанием от химических батарей для работы с батареей Betacel, работающей на прометиевом топливе. Считается, что срок службы кардиостимуляторов Biotronik с питанием от Betacel составляет от 7 до 10 лет. [5] Клинические исследования кардиостимулятора Betacel-Biotronik начались в Европе в 1972 году и были распространены на Соединенные Штаты по лицензии штата Вашингтон в 1973 году. К началу 1973 года более 60 имплантированных кардиостимуляторов Betacel-Biotronik находились под контролем в рамках клинической изучение. [3] [6] К середине 1974 года USAEC санкционировал лицензирование в Соединенных Штатах программы клинических исследований, которая позволила имплантировать 50 кардиостимуляторов Betacel-Biotronik в месяц в крупных клиниках США [7]
Оригинальная технология
Betacels использовала источники бета-излучения Pm-147, которые были объединены с кремниевыми pn-переходами специальной конструкции . Рабочие конфигурации включали сборку однонаправленных источников с Si-pn-переходами в последовательную схему. Выходная мощность Betacel составляла примерно 400 микроватт . Плотность мощности батареи составляла примерно 0,025 милливатт на кубический сантиметр. Сама батарея имела объем примерно один кубический дюйм (16 см 3 ). Большая часть объема использовалась для защиты, чтобы сдерживать гамма-излучение, которое испускалось загрязняющим веществом Pm-146 внутри Pm-147. [8]
Эти батареи Betacel показали эффективность около 4%. Однако более эффективные устройства находились в процессе разработки с использованием двунаправленных бета-источников. Эти устройства с двунаправленным источником могли бы дать КПД, приближающийся к 8%. К сожалению, эти устройства с более высокой эффективностью так и не были реализованы, поскольку производители кардиостимуляторов сосредоточились на использовании литий-ионных батарей, в которых не использовались радиоактивные материалы, и которые могли питать кардиостимуляторы в течение 5-7 лет.
Хотя предыдущие бетавольтаические устройства быстро деградировали из-за радиационного повреждения, Betacel не показал вредных эффектов от излучения. Уровни мощности снизились, как и ожидалось. В частности, заряд батареи экспоненциально снизился с периодом полураспада 2,62 года, таким же, как у Pm-147.
Ограничения и кончина
Pm-147 не является идеальным источником, поскольку период полураспада составляет всего 2,62 года, а загрязнитель Pm-146 излучает гамма-лучи, которые требуют хорошей защиты батарей. Материал токсичен и труднодоступен. Более того, в то время существовало определенное клеймо, связанное с использованием ядерной энергии и радиоактивных материалов: общественность искренне боялась любой ядерной технологии и с подозрением относилась к ней. Это клеймо в сочетании с достижениями в технологии литий-ионных аккумуляторов (и более низкой стоимостью) в конечном итоге затмило надежды на более прибыльное будущее для Betacel, отодвинув бетавольтаические аккумуляторы в сферу академических исследований в последующие годы.
Более поздние разработки в бетавольтаической технологии
Betacel просуществовал недолго, но он заложил основу для будущих исследований в области бетавольтаических технологий и вызвал возрождение интереса к производству бетавольтаической энергии. Другие источники, такие как тритий , были рассмотрены и реализованы при разработке бетавольтаических батарей. В период с 2001 по 2010 год четыре коммерческие компании (City Labs, Inc., BetaBatt Inc., Qynergy, Inc. и Widetronix, Inc.) рискнули заняться разработкой бета-гальванических элементов питания, в то время как университетские исследования по этому вопросу все еще активно проводятся. Быстрый прогресс в области технологий полупроводников и материаловедения, проектирования и изготовления интегральных схем, а также микро- / наноразмерных микроэлектромеханических систем (МЭМС) сошлись до такой степени, что чрезвычайно маленькие устройства с небольшими требованиями к мощности становятся все более и более обычным явлением. Эти устройства идеально подходят для бета-гальванических источников питания, которые могут легко и безопасно обеспечивать уровни мощности от нановатт до микроватт с длительным сроком службы 20 лет.
Рекомендации
- ^ «Ядерная батарея», патент США 3,706,893 , Ларри К. Олсен, Стивен Э. Симан, Бобби И. Гриффин и Чарльз Дж. Амброуз.
- ^ "О Betavoltaic кардиостимулятора Источник питания," Мы Матесон, Успехи в технологии кардиостимулятора, М. Schaldach и С. Furman, редакторы, Springer-Verlag, 1975, стр 401, Proc. Int. Symp. по достижениям в технологии кардиостимуляторов Эрлаген (1974). DOI : 10.1007 / 978-3-642-66187-7_25 .
- ^ a b "Кардиостимуляторы с ядерным топливом", Фред Н. Хаффман и Джон С. Норман, ГРУДЬ 65, стр. 667 - 672 (1974).
- ^ 1970 - Tri-City Herald «Человек года». Признание, присвоенное Tri-City Herald of Tri-Cities, WA за руководство разработкой ядерной батареи Betacel в лабораториях Дональда В. Дугласа. См. Страницу 1 в Tri-City Herald от 1 января 1971 года.
- ^ «Преимущества и риски кардиостимуляторов с питанием от прометия», Р. Франко и М. Л. Смит, «Достижения в технологии кардиостимуляторов», М. Шалдах и С. Фурман, редакторы, Springer-Verlag, 1975, стр. 539, Proc. Int. Symp. по достижениям в технологии кардиостимуляторов Эрлаген (1974).
- ^ Анализ преимуществ / рисков кардиостимуляторов, работающих на батареях BETACEL Promethium-147, TH Smith, J. Greenborg и WE Matheson, Nuclear Technology 26, май 1975 г.
- ^ «Преимущества и риски кардиостимуляторов с питанием от прометия», Р. Франко и М. Л. Смит, «Достижения в технологии кардиостимуляторов», М. Шалдах и С. Фурман, редакторы, Springer-Verlag, 1975, стр. 539, Proc. Int. Symp. по достижениям в технологии кардиостимуляторов Эрлаген (1974).
- ^ "Betacel Nuclear Batteries for Biomedical Applications," LC Olsen and SE Seeman, 8th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Philadelphia, PA, page 451, 13-17 августа 1973.