УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

63
Полезная модель относится к области создания радиоизотопных элементов питания («атомных батарей»), работающих на бета-вольтаическом эффекте. Такие виды источников имеют широкий круг применения, в частности, в медицине, в связи с чем, в целях биологической безопасности, для их создания применяются изотопы с энергией излучения бета-частиц до нескольких десятков кэВ, например, никель-63 (Ni).
Бета-вольтаический эффект является аналогом фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электронно-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов (квантов светового излучения).
Единичный элемент бета-электрического преобразователя представляет собой полупроводник с p-n-переходом, контактирующий с радиоактивным источником бета-излучения. Образование электронно-дырочных пар происходит при кулоновском взаимодействии проникших в объем полупроводника бета-частиц с электронами атомов кристаллической решетки. Количество образовавшихся неравновесных носителей заряда пропорционально энергии и интенсивности потока падающих бета-частиц.
Эффективное применение бета-источников в составе генераторов напряжения или тока обусловлено несколькими причинами. Во-первых, компактность и высокая энергоемкость изотопов. По массовой и объемной энергоемкости распад бета-изотопов уступает лишь делению ядер урана, плутония, и др. в 4-50 раз, и превосходит химические источники (аккумуляторы, солевые и щелочные элементы питания, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз. Во-вторых, при создании источника тока или напряжение на основе радиоизотопа время непрерывной работы будет зависеть только от его периода полураспада (например, период полураспада никеля-63 составляет 100,1 года, соответственно срок службы источника на его основе составит около 50 лет). Таким образом, создание источников питания на основе долгоживущих изотопов является сегодня актуальной и перспективной задачей.
Известен радиоизотопный источник постоянного тока (RU 170474 приоритет 27.12.2016) созданной на основе диодных структур на тонких пленках из алмаза, из которых собирается атомная батарея в виде стопки из двухсот таких пленок. Между ними располагается на проводящей фольге радиоактивный изотоп. Принципиальным недостатком преобразователя на алмазе с применением радиоактивных источников с низкой энергией электронов (до 20кэВ) является большая ширина запрещенной зоны, что приводит к генерации тока недостаточной плотности для реализации основного преимущества алмаза по сравнению с кремнием - более высокого выходного напряжения на единичном элементе преобразователя. Кроме того, такая батарея будет иметь заведомо более высокую стоимость, т.к. создание алмазных эпитаксиальных слоев для получения диодных структур не освоено в массовом производстве и даже в лабораторных условиях возможно создание эпитаксиальных слоев из алмаза малой площади (до 20 мм2), что в несколько раз увеличивает количество элементов в батареи, при этом возрастает трудоемкость ее сборки.
63
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию [RU 2452060 приоритет 27.05.2010], в котором используется пластина кремния с текстурированной структурой в виде сквозных каналов, внутри и на поверхности которых создан р-n переход. Стенки каналов и поверхность пластины покрываются Ni. При этом увеличивается количество нанесенного изотопа и улучшается геометрия поглощения его излучения, достигая максимального телесного угла. Недостатком данного устройства является сложность технологии и неполное использование объема полупроводника для преобразования энергии излучения.
63
В качестве прототипа выбран бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, описанный в изобретении [RU 2608058 приоритет 14.07.2015], состоящий из полупроводниковой пластины с развитой поверхностной структурой в виде микропор расположенных в глухих «колодцах», в которые осаждается изотоп Ni. Тем самым достигается увеличения количества изотопа и, соответственно, мощности батареи по сравнению с плоским вариантом.
К недостаткам этого устройства-прототипа относятся увеличенный объем полупроводникового преобразователя при сохранении плотности излучения на единицу площади перехода по сравнению с плоским вариантом преобразователя. Сложный рельеф перехода уменьшает степень надежности структуры.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение объема преобразователя, повышение плотности излучения на единицу площади перехода и максимально эффективное использование радиоактивного изотопа при создании атомных батарей, а также возможность повышения КПД преобразователя.
Поставленная задача достигается использованием устройства для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию, содержащего подложку из монокристаллического кремния, диодную структуру и радиоактивный источник. Подложка из кремния выполнена в виде мембраны из эпитаксиального слоя, а радиоактивный источник расположен на поверхности мембраны с двух сторон. Толщина мембраны должна быть не менее длины пробега электронов с максимальной энергией (для используемого изотопа) в кремнии. Верхняя граница толщины мембраны определяется параметрами эпитаксиального слоя из которого она сделана, в частности, длиной диффузии неосновных носителей, чтобы был обеспечен эффективный сбор генерированных излучением в объеме полупроводника электронно-дырочных пар в случае облучения структуры как со стороны выпрямляющего, так и заднего контактов.
Увеличение толщины мембраны упрощает технологию сборки атомной батареи, так как повышает ее механическая прочность. При этом, в случае изготовления атомной батареи в виде стопки из мембран, излучение радиоактивного источника используется с эффективностью 100%,так как возможно одновременное облучение двух соседних мембран одним источником, нанесенным на тонкой фольге или непосредственно на поверхность мембраны, по сравнению со случаем, когда задняя сторона преобразователя не чувствительна к излучению.
Следует отметить, что толщина чувствительной области, определяемая контактной разностью потенциалов и удельным сопротивлением используемого полупроводника (область пространственного заряда (ОПЗ), в которой сбор генерированных носителей происходит за счет их дрейфа в электрическом поле) будет меньше реальной эффективной толщины, которая возрастает за счет включения механизма диффузионного сбора неравновесных носителей, что в свою очередь зависит от времени жизни неосновных носителей в данном полупроводнике. Это позволяет изготавливать мембраны более толстыми по сравнению с протяженностью ОПЗ, что повышает их механическую прочность.
63
63
2
При использовании в атомных батареях изотопов с низкой удельной активностью и низкой энергией излучения, например, как в случае Ni, ограничение количество активности на единицу площади радиоактивного источника толщиной слоя, из которого возможен выход электронов, приводит к тому, что эффективная величина активности, которую возможно преобразовать в электроэнергию, для Ni составляет около 20 мКи/см. Генерированная в этом случае плотность тока в преобразователе не обеспечивает достаточную величину напряжения холостого хода (XX) элемента атомной батареи. Этот недостаток в значительной степени устраняется при нанесении изотопа на заднюю сторону мембраны. В определенном диапазоне увеличение генерированной излучением плотности тока в преобразователе ведет к линейному росту напряжения XX, следствием этого является увеличение КПД преобразователя.
Устройство работает следующим образом:
Радиоактивный изотоп, нанесенный на тонкую пленку, располагается на поверхность мембраны с двух сторон. Вылетающие из него электроны попадают в чувствительную область диодной структуры, при этом в полупроводнике генерируются неравновесные носители заряда: электрон - дырочные пары. Под действием электрического поля, имеющегося в диодной структуре, неравновесные носители заряда дрейфуют в разные стороны: дырки собираются на анод, а электроны - на катоде. Таким образом полупроводниковая диодная структура непрерывно генерирует ток.
Возможность осуществления заявляемой полезной модели показано следующим примером. В качестве элемента атомной батареи использовался эпитаксиальный слой монокристаллического кремния электронного типа проводимости с удельным сопротивлением около 50 Ом⋅см. Низкоомная подложка, на которой был выращен эпитаксиальный слой, стравливалась избирательным электрохимическим травлением. В результате получалась кремниевая мембрана толщиной около 12 мкм, с неоднородностью по толщине не более 10%. На мембране создавался поверхностно-барьерный (ПБ) переход золото-кремний. Задний омический контакт образован напылением алюминия. Диаметр рабочей поверхности составлял 30 мм. Данная структура известна как полностью обедненный кремниевый детектор для регистрации заряженных частиц.
63
2
Источником электронов являлся изотоп Ni, который наносился на две металлические подложки в виде прямоугольников площадью 10×20 мм, активность каждой подложки составляла 10 мКи.
Были проведены следующие измерения:
63
- на лицевую сторону структуры (со стороны золота) размещалась полоска с Ni (нанесенным слоем к золоту) и измерялся ток короткого замыкания (КЗ) при помощи микроамперметра М95. Величина тока КЗ составляла 47 нА. Затем при помощи осциллографа С1-49 с входным сопротивлением 1 МОм измерялось напряжение XX, которое составляло 10 мВ.
63
- описанная процедура аналогично выполнялась и для заднего контакта (со стороны алюминия). В этом варианте ток КЗ составлял 48 нА, напряжение XX - 10 мВ, т.е. с точностью до погрешности измерений результаты одинаковы - результирующий опыт заключатся в расположении полосок с Ni с каждой стороны кремниевой мембраны. В этом случае наблюдался суммарный ток КЗ 98 нА и удвоенное напряжение XX - 20 мВ.
Вывод:
Полученные результаты показывают примерное равенство генерируемого тока при облучении мембраны, как со стороны ПБ перехода, так и со стороны заднего омического контакта. При одновременном облучении с двух сторон происходит суммирование токов и удвоение напряжения XX.
Таким образом, показана возможность использования промышленно выпускающихся эпитаксиальных слоев кремния в качестве полупроводникового преобразователя в атомных батареях.