β辐射伏特效应同位素核电池是利用β放射源衰变产生的电子与半导体材料发生相互作用，形成电子-空穴对，在半导体自身内建电场下发生定向移动产生电流的能量转换装置。它具有寿命长、体积小、输出稳定、能量密度高、抗干扰性强等优点,逐渐成为微能源研究的热点。本文以半导体物理、核辐射物理为理论基础，采用第三代半导体材料（即宽禁带半导体）——氮化镓（GaN）为能量转换器件，选用¹⁴⁷Pm为β放射源，通过MCNP5蒙特卡罗程序模拟、研究了以¹⁴⁷Pm为β粒子放射源，在GaN基内的粒子输运特点、规律，并依此进行核电池的优化设计。主要研究了如下几个方面：1.单能电子在换能材料GaN，防护电极材料Al、Cu、Au中的1/10射程R1和1/100射程R2与入射电子能量的关系，并得到了经验公式。可为换能材料敏感区位置及防护材料厚度等参数的优化设计提供依据。2.在GaN材料中，研究了能量反散射率η与电子入射角度θ、和电子入射能量之间的关系。其中非常成功的拟合出了入射电子能量为60keV，以准直方式入射时的η-θ关系式。发现θ在0—20°范围内，能量反散射系数增幅不大，大于20°后急剧增加。并依照此结论得到两种优化设计方案。通过η-E关系得到如下结论：1)电子入射能量在5keV—400keV之间时，能量反散射率η值的变化相对入射能量E是不灵敏的。2)当入射电子能量相同，靶材料相同时，4π入射情况下的能量反散射率要大于以准直方式入射时的能量反散射率。3)当入射电子能量相同，靶材料相同且电子入射方式也相同时，能量反散射率随着材料密度的增加而增加。3.¹⁴⁷Pm放射源自吸收规律的模拟，得到了如下关系图并给出了合理解释1)¹⁴⁷Pm放射源表面出射活度与质量厚度的关系，随着放射源质量厚度的增加，放射源表面出射活度值首先快速增加而后趋于平缓；2)¹⁴⁷Pm放射源表面出射功率与质量厚度的关系，随着放射源质量厚度的增加，放射源表面出射功率值先快速增加而后趋于平缓；3)不同质量厚度的¹⁴⁷Pmβ放射源表面出射能谱变化规律；4)以及不同质量厚度下的¹⁴⁷Pmβ放射源的自吸收率，成功拟合出了自吸收率曲线。并综合考虑了放射源的表面出射活度、自吸收特性与质量厚度之间的关系，给出了¹⁴⁷Pmβ放射源的最佳参数：质量厚度为7.53mg/cm^2，对应的放射源总活度是7Ci、表面放射活度为3.19Ci，表面输出功率为1557.56μ w/cm^2，自吸收率η为54.47%4.单能电子、表面放射活度为3.19Ci¹⁴⁷Pm放射源分别在GaN换能材料中的能量沉积分布特点和规律并给出合理解释。有如下结论：1)单能准直电子在材料中的能量沉积率随入射深度先增大后减少，有一个明显的能量沉积主要区域；2)随着电子能量增加，电子能量沉积的主要区间所在的深度增大；3)放射源是表面放射活度为3.19Ci¹⁴⁷Pm时，随电子能量增加，电子在材料中的能量沉积率近似成指数规律降低。最终根据模拟结果，本文给出的换能材料灵敏区间推荐深度不用超过35μ m的结论。5.优化设计：（1）GaN材料参杂浓度优化：通过模拟最终选取结深为0.3μ m、P⁺区参杂浓度N_A=2.2E19cm^-3、N区参杂浓度ND=2.63E12cm^-3、N⁺区参杂浓度为5E18cm^-3的GaN材料PIN结。（2）经计算得输出电压V=V_OC=3.127V、短路电流I_SC=13.66μ A、最大输出功率Pm=40.68μ W、能量转换率η=5.22%。（3）电极形状设计、核电池串并联设计、电池组阵设计。