РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных изотопов.
Из текущего уровня техники известно множество устройств, позволяющих извлекать определенную часть из потока энергии излучений и/или элементарных частиц, выделяющегося при распаде ядер нестабильных радиоизотопов, и преобразовывать извлеченную энергию в энергию электрического тока. В качестве примера можно привести фотоэлементы, преобразующие часть энергии светового потока, или преобразователи энергии тепла в энергию термо-ЭДС. В ряде приборов используется способность некоторых полупроводниковых структур вырабатывать электроэнергию при облучении продуктами распада радиоактивных материалов. Особенностью этих приборов является возможность их работы в автономном режиме длительное время, сравнимое с периодом полураспада радиоактивных материалов, участвующих в реакции распада. Общим недостатком существующих устройств является низкое КПД и неспособность производить энергию достаточной мощности при малых габаритах.
Известны бета-вольтаические источники питания на основе полупроводниковых структур (патент US №8872408 В2, МПК G21H 1/06, G21H 1/02, дата приоритета 2012.04.24; патент US №8866152 В2, МПК H01L 29/24, H01L 21/50, H01L 21/20, дата приоритета 2009.11.19; патент CN №101320601 В, МПК G21H 1/00, G21H 1/06, дата приоритета 2008.06.18; патент RU №2568958 С1, МПК H01L 31/04, G21H 1/06, дата приоритета 2014.07.08). Подобные устройства характеризуются плоскопараллельной слоистой структурой, включающей в себя от одного до нескольких тысяч слоев, в которой слои полупроводниковых преобразователей разделены слоями радиоактивного вещества. В полупроводниковых слоях создают барьерную структуру посредством нанесения контакта Шоттки или создания p-n или p-i-n структуры при помощи легирования полупроводника. Для изготовления преобразователей используют один из следующих материалов: кремний, карбид кремния, нитрид галлия, алмаз. Для изготовления слоев радиоактивного вещества используют множество различных радиоизотопов с периодом полураспада от 1 до 1000 лет. Электрические выводы всех преобразователей объединяют в электрическую цепь последовательно и/или параллельно.
Наиболее близким к заявленном техническому решению является бета-вольтаическая батарея с высокой удельной мощностью (Патент US №8487392 В2, МПК H01L 27/14, дата приоритета 2009.08.06). Устройство включает в себя крышку, первый слой, второй слой и третий слой. Крышка составлена из двух металлических частей, являющихся полюсами устройства, разделенных диэлектрическим слоем. Первый слой прилегает к крышке, и состоит из центральной радиоизотопной части, окруженной диэлектрической частью, на которой созданы два металлических контакта, каждый из которых нанесен с обеих сторон слоя и с торцов: один контакт касается изотопа, второй контакт не касается изотопа. Второй слой прилегает к первому слою и состоит из центральной полупроводниковой части из карбида кремния, на которой с обеих сторон по периметру созданы омические контакты, окруженной диэлектрической частью, на которой созданы два металлических контакта, каждый из которых нанесен с обеих сторон слоя и с торцов и не касается полупроводниковой части и омических контактов. Третий слой прилегает ко второму слою и состоит из сплошной диэлектрической части, на которой созданы два металлических контакта, каждый из которых нанесен с обеих сторон слоя и с торцов. В качестве радиоактивного вещества может быть использован один или несколько изотопов из списка: тритий, никель-63, фосфор-33, прометий.
Недостатком описанного решения, как и прочих бета-вольтаических источников питания на основе полупроводниковых структур, является невозможность достижения высокой удельной мощности вырабатываемого электрического тока в течение длительного времени по причине низкого КПД преобразования энергии радиоактивного распада в электроэнергию и чрезмерно большой толщины преобразователей и прочих элементов, входящих в состав устройств, в частности, обеспечивающих электрические соединения и изоляцию, что приводит к повышению их объема без увеличения мощности.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании источника электрического тока, обеспечивающего автономное вырабатывание электроэнергии в течение длительного времени с высоким КПД при большем соотношении мощности к массе и габаритам, чем у аналогов.
Данная задача решается за счет того, что в корпус, состоящий из двух проводящих деталей, являющихся положительным и отрицательным электрическими полюсами источника и изолированными друг от друга диэлектрическим материалом, помещают стопку полупроводниковых диодных структур из синтетического алмаза, на каждую из которых нанесены с противоположных сторон электроды (катод и анод), разделяя каждую структуру слоями проводящей фольги, при этом каждая диодная структура в стопке повернута относительно своих ближайших соседей так, что катоды электрически соединены друг с другом через слой фольги, и аноды электрически соединены друг с другом через слой фольги, а часть каждого слоя фольги выходит за геометрические пределы стопки диодных структур, причем концы фольги, расположенной между катодами, которая изготавливается частично или полностью из радиоактивного материала, выходят на одну сторону стопки и образуют электрический контакт с отрицательным полюсом источника, а концы фольги, расположенной между анодами, выходят на другую сторону стопки и образуют электрический контакт с положительным полюсом источника.
Полупроводниковые диодные структуры из синтетического алмаза выполнены из диодов Шоттки, получаемых отделением эпитаксиально выращенной высокочистой или низколегированной алмазной пленки от сильнолегированной алмазной подложки электрохимическим травлением жертвенного слоя, с последующим нанесением анода в виде омического контакта со стороны отделенной подложки, а после нанесением с противоположной стороны катода, форма которого задается теневыми масками, в виде электрода с контактом, формирующим барьер Шоттки к алмазной пленке, причем жертвенный слой создается вблизи поверхности подложек перед процессом эпитаксиального роста алмазной пленки с помощью метода ионной имплантации.
Толщина полупроводниковых диодных структур выполнена равной от 1 до 3 длин пробега продуктов распада используемого радиоактивного материала в синтетическом алмазе.
Толщина фольги из радиоактивного материала может выполнена равной от 0,5 до 2 длин пробега продуктов распада в материале фольги, которую изготавливают с использованием одного или нескольких из следующих изотопов: никель-63, тритий, прометий-147, стронций-90, америций-241, плутоний-238, плутоний-239.
Технический результат заключается в повышении не менее чем на 20% КПД преобразования энергии, выделяемой при распаде радиоизотопа, в электроэнергию, увеличении не менее чем на 20% удельной мощности, повышении эксплуатационной надежности для увеличения срока службы источников.
Для пояснения сущности предлагаемого технического решения приведены фиг. 1-2.
На фиг. 1 показана структура полупроводниковой диодной структуры.
Каждая полупроводниковая диодная структура состоит из слоя сильнолегированной алмазной подложки 1 толщиной от 0,1 до 3 мкм и слоя эпитаксиально выращенной высокочистой или слаболегированной алмазной пленки 2, толщину которого подбирают таким образом, чтобы полная толщина полупроводниковых диодных структур была равна от 1 до 3 длин пробега продуктов распада используемого радиоактивного материала в синтетическом алмазе. На сильнолегированной подложке создают анод 3 в виде омического контакта. На высокочистой или слаболегированной алмазной пленке создают катод 4 в виде электрода с контактом, формирующим барьер Шоттки к алмазной пленке.
На фиг. 2 показана схема соединения полупроводниковых диодных структур в источнике постоянного тока.
Полупроводниковые диодные структуры устанавливают в стопку таким образом, чтобы аноды 3 соседних полупроводниковых диодных структур были электрически соединены через проводящую фольгу 5 и катоды 4 соседних полупроводниковых диодных структур были электрически соединены через радиоактивную проводящую фольгу 6. Каждый слой фольги выступает за геометрические пределы стопки диодных структур, причем все слои 5, объединенные с анодами 3, выступают с одной стороны, а все слои 6, объединенные с катодами 4, выступают с другой стороны.
Все слои фольги, объединенные с анодами, электрически соединяют с деталью корпуса 7, являющейся положительным электрическим полюсом устройства. Все слои фольги, объединенные с катодами, электрически соединяют с деталью корпуса 8, являющейся отрицательным электрическим полюсом устройства.
Устройство работает следующим образом. Радиоактивный изотоп, содержащийся в проводящей фольге, самопроизвольно распадается с течением времени. Продукты распада, являющиеся электронами или альфа-частицами, покидают объем фольги и частично попадают в объем полупроводниковых диодных структур, прилегающих к фольге. Продукты распада, попадающие в объем полупроводниковой диодной структуры, взаимодействуют с электронами структуры, при этом их кинетическая энергия уменьшается, а в полупроводнике генерируются неравновесные носители заряда: электрон-дырочные пары. Под действием электростатического поля, создаваемого в объеме полупроводника контактом Шоттки, неравновесные носители заряда дрейфуют в разные стороны: дырки собираются на аноде, а электроны собираются на катоде. Каждая полупроводниковая диодная структура непрерывно генерирует электрический ток таким образом.
Так как все слои фольги, соединенные с анодами, электрически объединены с деталью корпуса, являющейся положительным электрическим полюсом устройства, и все слои фольги, соединенные с катодами, электрически объединены с деталью корпуса, являющейся отрицательным электрическим полюсом устройства, все полупроводниковые диодные структуры соединены параллельно для достижения большой величины силы тока. При включении полюсов устройства в замкнутую электрическую цепь, например, последовательно с нагрузкой, ток, создаваемый всеми структурами, протекает через нагрузку, генерируя полезную мощность.
Скорость распада радиоактивного изотопа, входящего в состав устройства, не зависит от режима его работы, поэтому при коротком замыкании полюсов устройства его функциональность не нарушается.
2
2
2
2
В качестве варианта реализации предлагаем устройство со следующей структурой. В качестве фольги, содержащей радиоактивный изотоп, используем фольгу никеля с содержанием изотопа никеля-63 не менее 20% размером 3,8×4,5 мм толщиной 1,5 мкм. В качестве фольги, не содержащей радиоактивный изотоп, используем фольгу из естественной смеси изотопов никеля размером 3,8×4,5 мм толщиной 1,5 мкм. В качестве полупроводниковых диодных структур используем алмазные структуры размером 4×4 мм, состоящие из сильнолегированной подложки толщиной 1 мкм и слоя слаболегированной пленки толщиной от 10 до 20 мкм. Изготовление структуры включает в себя следующие этапы: синтеза легированного бором монокристалла алмаза методом высокого давления и высокой температуры, вырезание лазером и механическая полировка пластины легированного бором монокристалла алмаза толщиной более 200 мкм, создание жертвенного (удаляемого) слоя вблизи поверхности подложки методом ионной имплантации гелием с энергией более 400 кэВ, синтез слоя слаболегированной пленки методом газофазного осаждения, отщепление тонкой пластины с помощью электрохимического травления жертвенного слоя, создание омического контакта со стороны подложки, состоящего из трех слоев металла (титан, платина, золото) общей толщиной 200 нм; создание в центре слаболегированной пленки методом магнетронного напыления контакта Шоттки из пленки никеля толщиной 30-50 нм размером 3,6×3,6 мм.
В состав источника тока входит 200 полупроводниковых диодных структур, 100 слоев радиоактивной фольги и 101 слой нерадиоактивной фольги. Крайние полупроводниковые диодные структуры в стопке повернуты анодами наружу. Части слоев фольги, выходящие за пределы стопки, загибаются вдоль торцов, при этом осуществляем их электрический контакт друг с другом.
Стопка окружена с шести сторон диэлектрическими прокладками для предотвращения электрического контакта с корпусными деталями. В двух прокладках, прилегающих к торцам стопки, вдоль которых из стопки выходят части слоев фольги, сделаны отверстия. В эти отверстия устанавливают пружинные элементы из проводящего материала, например, бронзы (на фигурах не указано).
В качестве двух деталей корпуса, являющихся полюсами источника тока, используют алюминиевые П-образные детали. Детали корпуса устанавливают поверх стопки полупроводниковых диодных структур таким образом, чтобы пружинный элемент, прижимающий слои фольги, находящиеся в контакте с анодами, находился в контакте с положительным полюсом источника, а пружинный элемент, прижимающий слои фольги, находящиеся в контакте с катодами, находился в контакте с отрицательным полюсом источника.
3
Описанная реализация устройства позволяет генерировать напряжение холостого хода не менее 1 В и полезную удельную мощность не менее 13 мкВт/см.
Предлагаемый радиоизотопный источник постоянного тока позволяет обеспечивать автономное вырабатывание электроэнергии в течение длительного времени с высоким КПД при большем соотношении мощности к массе и габаритам, чем у аналогов и может быть широко использован в аэрокосмической, медицинской и атомной промышленности.