РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую.
Известны радиоизотопные источники электрической энергии прямого преобразования (Фрадкин Г.М., Кодюков В.М. Радиоизотопные источники электрической энергии. - М.: Атомиздат, 1972. - С. 89) содержащие источник ионизирующего излучения и преобразователь, предназначенный для преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую.
В качестве преобразователей в таких источниках электрической энергии используются полупроводниковые элементы с p-n - переходами или контактами металл-полупроводник. В этих элементах существует встроенное в переходах и контактах электрическое поле, необходимое для эффективного разделения электронно-дырочных пар, создаваемых радиационным воздействием. В результате чего, например, в p-n-переходе n-область заряжается отрицательно, а p-области положительно (Olsen L.C., Seeman S.E., Griffin B.I. Betavoltaic nuclear electric power sources. // Journal Name: Trans. Amer. Nucl. Soc, 12: 481-2 (Nov. 1969). - 1969. - Jan.). При этом, каждая частица создает в материале полупроводника до нескольких десятков тысяч электронно-дырочных пар. Однако, не все электронно-дырочные пары, созданные при облучении участвуют в образовании потенциала и тока во внешней цепи. А повышение эффективности таких преобразователей сегодня является весьма актуальной задачей.
Недостатками прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую являются прямое взаимодействие ионизирующего излучения с полупроводниковыми структурами, содержащими p-n - переходы, что приводит к быстрому разрушению преобразователей, неэффективное использование источников ионизирующего излучения за счет размещения областей пространственного заряда в толще структуры, отделенной от источника ионизирующего излучения нейтральными областями в которых происходит генерация, но разделение зарядов не происходит, малая ширина области со встроенным электрическим полем в структурах (частицы с высокими энергиями пролетают через эту область и создают заряды в нейтральных областях),низкий к.п.д. преобразования (порядка 1-5%), сложная технология совмещения источников ионизирующего излучения с преобразователями.
Известны источники электрической энергии с двойным преобразованием (конверсией) ("Polymers, Phosphors, and Voltaics for Radioisotope Microbatteries", CRC Press, 2002) их отличительной особенностью является наличие преобразователя энергии радиоактивного распада, например, в световую. При этом такие преобразователи радиационно изолированны от фотопреобразователей, которые, в результате, не подвергаются прямому воздействию продуктов распада, что повышает срок их службы. При этом такие источники могут иметь высокий КПД за счет высоких КПД преобразования «радиация-свет» (до 50%) и «свет-электричество» (до 30%).
3
90
148
241
244
232
137
60
238
2
2
2
3
2
5
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются радиоизотопные источники электрической энергии (Radioisotope power source US 20110100439 A1), которые включают радиоизотопные наночастицы взвешенные в сцинтилляционных материалов или прозрачной матрице и фотоэлектрические устройства оптически связанные с поликристаллическим сцинтиллятором или прозрачной матрицей. При воздействии излучения радиоизотопных наночастиц на сцинтиллятор происходит генерация света, который попадая на фотовольтаическое устройство, вырабатывает электрический ток. В качестве радиоизотопного источника энергии в указанном изобретении могут применяться частицы Н, Sr или Gd, а также Am, Cm, U, Cs, Co или Pu. Фотовольтаическое устройство может быть изготовлено из Si, SiC, GaP, GaAs, InP, GalnP, CdTe или InGaN, а поликристаллический сцинтиллятор может содержать легированный европием CaF, легированный серебром ZnS, CdS, легированный европием YO, легированный церием YSiO.
Недостатками изобретения является использование радиоизотопов с небольшим сроком службы, с высокими средними энергиями распада, способными разрушать кристаллическую структуру сцинтилляторов за непродолжительное время. Наличие в некоторых случаях излучений опасных для конечного пользователя. Низкий к.п.д. преобразования из-за неоптимизированных размеров наночастиц радиоизотопов, и концентраций их в матрице сцинтиллятора или в матрице оптически прозрачного компаунда.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение к.п.д. радиоизотопного источника электрического питания и продление срока службы.
Технический результат - повышение уровня выходного напряжения и выходного тока радиоизотопного источника электрического питания.
63
Указанный технический результат может быть достигнут следующим образом. Радиоизотопный источник электрического питания содержит корпус, снабженный внешними электрическими контактами, соединенными посредством электрических проводов с внешними электрическими контактами первого и второго полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, между которыми расположен радиолюминесцентный источник оптического излучения. При этом, радиолюминесцентный источник оптического излучения представляет собой гранулированный радиолюминофор с металлическими частицами радиоизотопа Ni со средним размером менее 3 мкм и содержанием более 0,1%, которые растворены в оптически-прозрачном компаунде, выполненном в виде слоя толщиной 100-150 мкм, а спектральные диапазоны поглощения фотоэлектрических преобразователей, согласованны со спектральным диапазоном оптического излучения радиолюминесцентного источника оптического излучения.
63
63
63
63
2
Отличием данного изобретения от аналогов является использование частиц радиоизотопа Ni с периодом полураспада 100 лет и со средней энергией бета-частицы 17 кэВ, что обеспечивает длительный срок службы источника и радиолюминофора более 50 лет. При этом радиоизотоп Ni используется в качестве активатора (лигатуры) радиолюминофора, что обеспечивает наличие источника ионизирующего излучения как снаружи кристалла люминофора, так и внутри кристалла. Предлагаемое использование в качестве частиц радиоизотопа порошка NiCl обеспечивает значительное снижение себестоимости источника за счет исключения из технологии производства дорогостоящих операций выделения металлического Ni. Кроме того, заявляемые размеры частиц и их концентрации обеспечивают максимальный к.п.д. предлагаемого радиоизотопного источника электрического питания длительного срока действия, что подтверждается теоретическими расчетами и экспериментальными данными.
Описание изобретения
Энергия, испускаемая при радиоактивном распаде ядер нестабильных изотопов преобразуется в кинетическую энергию дочернего ядра (ядро получаемое в результате распада) и испускаемых частиц. Эта кинетическая энергия продуктов распада может быть преобразована в электрическую (Polymers, Phosphors, and Voltaics for Radioisotope Microbatteries / K.E. Bower, Y.A. Barbanel, Y.G. Shreter, G.W. Bohnert. Abingdon: CRC Press, 2002. P. 504.).
Наиболее распространенным методом создания радиоизотопных источников электрического питания является использование энергии альфа или бета-распада долгоживущих радиоизотопов посредством прямого или двойного преобразования в электрическую.
3
63
На сегодняшний день известны разработки радиоизотопных источников прямого преобразования, в которых используется бетавольтаический эффект, основанный на эффекте генерации электронно-дырочных пар в различных барьерных структурах. К числу таких разработок можно отнести продукты компаний Widetronix, Inc (USA) (линейка продуктов Firefly-T, Firefly-N), City Labs, Inc., (USA), BetaBatt, Inc (USA). В основу источников электрического питания указанных фирм положены либо изотоп Н, либо Ni. При этом удельные мощности, полученных источников не превышают значений 1-10 мкВт/Ки и к.п.д. преобразования составляет 1-3%.
При использовании двойного метода преобразования энергии распада в электрическую возможно достижения значительных к.п.д., в частности более 10%, за счет использования преобразования энергия распада-свет с к.п.д. до 50% и световая энергия - электрическая энергия с к.п.д. до 35%.
63
Предлагаемый радиоизотопный источник электрического питания длительного срока действия (фиг. 1) содержит корпус (1), снабженный внешними электрическими контактами (2), соединенными посредством электрических проводов (3) с внешними электрическими контактами первого и второго полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (4), между которыми расположен радиолюминесцентный источник оптического излучения, который представляет собой гранулированный радиолюминофор (5), смешанный с частицами радиоизотопа Ni (6) со средним размером менее 3 мкм и содержанием более 0,1%, которые растворены в оптически-прозрачном компаунде, расположенном в виде слоя толщиной менее 100-150 мкм между фоточувствительными поверхностями первого и второго полупроводникового фотоэлектрического преобразователя (4) со спектральным диапазоном поглощения, согласованным со спектральным диапазоном оптического излучения радиолюминофора.
63
Принцип работы такого источника питания следующий. При радиоактивном бета распаде изотопа Ni испускаются электроны со средней энергией 17 кэВ. Взаимодействие испускаемых электронов с частицами радиолюминофора, в качестве которого может использоваться, например, полупроводниковое соединение ZnS, легированное Cu, Ag, Mn и др. химическими элементами, вызывает радиолюминесценцию (свечение) цвет которой зависит от легирующего элемента, а интенсивность от числа электронов, взаимодействующих с радиолюминофором. Фотоны, возникающие при радиолюминесценции, выходя из радиолюминофора, попадают на чувствительные поверхности фотопреобразователей, работающих в фотовольтаическом режиме. В результате, на выходных электрических контактах фотопреобразователя при условии неизменности интенсивности свечения радиолюминесцентного источника света образуется постоянное фотонапряжение.
63
63
63
63
В предлагаемом радиоизотопном источнике электрического питания длительного срока действия решается задача максимального использования энергии радиоактивного распада радиоизотопа Ni для преобразования в оптическую. Для этого радиоизотоп выполняется в виде частиц со средним размером менее 3 мкм. Выбор размера частиц связан с устранением эффекта самопоглощения энергии в объеме радиоизотопа Ni. На фиг. 2 (линия 1) приведена зависимость поверхностной активности сферической никелевой частицы от ее диаметра. При размерах частицы более 10 мкм ее поверхностная активность практически не изменяется. Это происходит вследствие поглощения бета-частиц в материале никелевой частицы. Таким образом, использование частиц диаметром более 10 мкм экономически нецелесообразно. При этом, использование наночастиц Ni также не эффективно по причине малой массы делящегося вещества и малой суммарной активности частицы. На фиг. 2 (линия 2) представлена зависимость доли бета-частиц, возникших внутри сферической частицы и достигших ее поверхности. На фиг. 2 (линия 3) представлена эффективность использования бета-частиц, возникших в результате радиоактивного распада, определяемая как произведение зависимостей, представленных линиями 1 и 2. Как следует из фиг. 2 (линия 3), оптимальным оказывается диаметр частицы около 3 мкм. В этом случае обеспечивается наиболее эффективное использование дорогостоящего Ni.
Для повышения эффективности преобразования энергии, вышедшей из частицы радиоизотопа в предлагаемом источнике используется порошок радиолюминофора со средним размером частиц менее 3 мкм. Указанные размеры позволяют плотно окружить частицу радиоизотопа одним или несколькими слоями радиолюминофора, что обеспечит попадание практически всех электронов из радиоизотопа в радиолюминофор и максимально эффективное преобразование их энергии в энергию фотонов. Максимальный эффект достигается при соотношении концентраций частиц радиолюминофора и радиоизотопа 1000/1 (Фиг. 3). Дальнейшее увеличение концентрации никелевых частиц в композите люминофор-никель не приводит к увеличению интенсивности света из-за поглощения оптического излучения в композите.
II
VI
63
63
В качестве связующего материала в радиолюминесцентном источнике может использоваться оптически прозрачный компаунд, который несколько снижает эффективность преобразования за счет поглощения части энергии электронов. При этом толщина радиолюминесцентного источника света выбирается в пределах 100-150 мкм, что обеспечивает максимальный выход света из источника и малые боковые потери (фиг. 4). В качестве радиолюминофоров могут выступать, например полупроводниковое соединение AB, легированные Cu, Ag, Mn и др. химическими элементами. В частности, особенностью предлагаемого источника является использование в качестве лигатуры самого Ni, что обеспечит еще большую эффективность радиолюминофора за счет расположения источника ионизирующего излучения внутри частиц радиолюминофора. Кроме того, использование в качестве активатора Ni позволит расширить спектр свечения люминофора, что важно для применений совместно с фотопреобразователями с широким спектральным диапазоном.
Для расширения спектрального диапазона свечения радиолюминесцентного источника света при совместном использовании с широкодиапазонным фотопреобразователем в одном из вариантов предлагаемого источника возможно использование смеси порошков радиолюминофоров с разными цветами свечения, активированных различными химическими элементами. Это позволяет получить источник света с несколькими спектральными полосами излучения. Такая комбинация позволит более эффективно использовать фотопреобразователь с широким спектральным диапазоном
63
63
63
2
2
Для снижения себестоимости производства заявляемого источника в одном из вариантов вместо частиц металлического Ni возможно использование частиц NiCl. В данном варианте исключается дорогостоящая процедура выделения металлического никеля из раствора NiCl, что приводит к снижению стоимости радиоизотопного источника и источника питания в целом.
В одном из вариантов предлагаемого источника питания радиолюминесцентный источник оптического излучения выполнен в виде плоской герметичной стеклянной колбы, находящейся между фоточувствительными поверхностями первого и второго полупроводникового фотоэлектрического преобразователя. Этот вариант обеспечивает радиационную безопасность радиолюминесцентного источника оптического излучения, поскольку поглощение бета-электронов, не участвующих в процессе радиолюминесценции, от частиц находящихся на поверхности радиолюминесцентной композиции или близко к ней полностью поглощаются в 100 мкм стекла. Выход бета-частиц за пределы радиолюминесцентного источника света исключен.
63
Таким образом, предлагается радиоизотопный источник электрического питания длительного срока действия, содержащий корпус, снабженный внешними электрическими контактами, соединенными посредством электрических проводов с внешними электрическими контактами первого и второго полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, между которыми расположен радиолюминесцентный источник оптического излучения, который представляет собой гранулированный радиолюминофор, смешанный с частицами радиоизотопа Ni со средним размером менее 3 мкм и содержанием более 0,1%, которые растворены в оптически-прозрачном компаунде, расположенном в виде слоя толщиной менее 100-150 мкм между фоточувствительными поверхностями первого и второго полупроводникового фотоэлектрического преобразователя со спектральным диапазоном поглощения, согласованным со спектральным диапазоном оптического излучения радиолюминофора.