РАДИОИЗОТОПНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, СОВМЕЩЕННЫМ С ИСТОЧНИКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
RADIOISOTOPE ELEMENT OF ELECTRIC POWER SUPPLY WITH SEMICONDUCTOR CONVERTER, COMBINED WITH RADIATION SOURCE

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (патент РФ №2452060, МПК H01L 31/04, G01H 1/00, опубл. 27.05.2012), который содержит пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного вещества на текстурированной поверхности. Текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, а радиоактивное вещество покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.
Недостатками такого преобразователя являются сложная технология изготовления, требующая большого расхода дорогостоящего изотопа, а также бесполезные потери бета-излучения с наружной поверхности слоя радиоактивного вещества.
Так известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности, состоящая из набора плоских элементов, каждый из которых состоит из трех тонких пластин из электроизоляционного материала (патент США №8487392, МПК H01L 27/14, опубл. 16.07.2013). Одна из пластин, на поверхность которой нанесен радиоактивный изотоп никель-63, фосфор-33 или прометий-147, является источником бета-излучения, на поверхность другой пластины последовательно нанесены электроды, образующие выпрямляющий и омические контакты тонкопленочного полупроводникового преобразователя, а третья пластина служит для взаимной электроизоляции соседних элементов. Для коммутации элементов в батарею используется металлизация на периферии пластин.
Недостатком элементов, составляющих такую батарею является использование в источнике излучения и полупроводниковом преобразователе изоляционных пластин-подложек, не участвующих в рабочем процессе, изготовленных из хрупкого материала, не обладающего достаточной гибкостью, а также бесполезные потери бета-излучения с одной стороны источника в толще электроизоляционного материала. Это снижает эффективность (коэффициент полезного действия) батареи и ухудшает ее весогабаритных характеристик.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является радиоизотопный элемент электрического питания с источником бета-излучения в виде фольги, содержащей изотоп никель-63, помещенной между двумя полупроводниковыми преобразователями, скоммутированными с помощью металлических контактов. Вся конструкция помещается в корпус и соединяется с внешними электрическими контактами (Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.Н. Беринцев, Б.М. Костишко, В. В. Светухин, И. С.Федоров. Радиоизотопный элемент электрического питания. Ульяновский государственный университет при поддержке Госкорпорации «Росатом». - http://www.rusnauka.com/21_SEN_2014/Phisica/6_174557.doc.htm).
Недостаток такого радиоизотопного элемента электрического питания заключается в том, что его весогабаритные характеристики в значительной степени определяются толщиной полупроводниковых преобразователей, формируемых на полупроводниковых пластинах, составляющей сотни микрометров.
Задачей изобретения является улучшение весогабаритных характеристик радиоизотопного элемента и повышение эффективности преобразования энергии.
Поставленная задача решается тем, что в радиоизотопном элементе электрического питания, включающем источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и, по крайней мере, один полупроводниковый преобразователь, согласно изобретению полупроводниковый преобразователь по существу совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении.
В частных случаях осуществления изобретения:
- полупроводниковое покрытие нанесено с одной стороны содержащей радиоактивный изотоп фольги;
- полупроводниковое покрытие нанесено с обеих сторон содержащей радиоактивный изотоп фольги;
- в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется соединение вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов (оксид или халькогенид упомянутого вентильного металла), образующее с металлом фольги барьер Шоттки;
- в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется сложное соединение металла фольги с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов и с вентильным металлом (сложный оксид или халькогенид металла фольги и вентильного металла), в котором содержание вентильного металла увеличивается по мере приближения к наружной поверхности покрытия, с образованием полупроводниковой выпрямляющей гетероструктуры.
- в качестве радиоактивного изотопа использован никель-63, кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238, или америций-241.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.
На фиг. 1 показано поперечное сечение элемента электрического питания, имеющего источник излучения, выполненный в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, на которую нанесено полупроводниковое покрытие 2, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Упомянутая фольга также служит положительным контактом элемента, а отрицательный контакт для токосъема с покрытия условно показан стрелкой, указывающей направление тока.
На фиг. 2 показано поперечное сечение элемента электрического питания, в котором с обеих сторон фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, нанесены полупроводниковые покрытия 2 и 3, пропускающие электрический ток только в одном направлении. Каждое из этих направлений показано стрелками, условно обозначающими отрицательные контакты для съема тока с наружной поверхности покрытий, а положительный контактом элемента служит фольга 1.
При поглощении полупроводниковым покрытием заряженных частиц, излучаемых содержащей радиоактивный изотоп фольгой, в нем возникают термодинамически неравновесные (избыточные) носители противоположного электрического заряда (электронно-дырочные пары). В результате способности покрытия пропускать электрический ток только в одном направлении, эти носители расходятся к его противоположным поверхностям, создавая бетавольтаический эффект и напряжение в цепи между фольгой и наружной поверхностью полупроводникового покрытия.
В качестве источника излучения может использоваться никелевая фольга, содержащая изотоп никель-63, а также фольги, содержащие кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238, америций-241.
Полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении, может быть выполнено в виде слоя полупроводникового оксида или халькогенида (соединения с серой, селеном, теллуром) вентильного металла, такого как титан, цирконий, ниобий, ванадий и т.д. Если металл фольги имеет более высокую работу выхода электронов, по сравнению с материалом упомянутого покрытия (например, (например, у никеля эта велиина ~4,96 эВ, а у полупроводниковой двуокиси титана ~4,53 эВ), на их границе образуется барьер Шоттки, обеспечивающий необходимую анизотропию электропроводности покрытия. Токосъем с полупроводникового покрытия обеспечивается омическим (невыпрямляющим) контактом с металлическими электродами. Такие контакты могут быть получены путем легирования приповерхностного слоя покрытия для возникновения туннельного эффекта, либо вырождения полупроводника. В частности, вырожденные полупроводники на основе оксидов и халькогенидов вентильных металлов могут быть получены изменением состава этих соединений в сторону увеличения содержания металла.
x
y
z
В качестве полупроводникового покрытия также может использоваться слой сложного оксида или халькогенида металла, из которого изготовлена радиоактивная фольга, и одного из ранее упомянутых вентильных металлов, при увеличивающимся по мере приближения к наружной поверхности содержании последнего. Содержание вентильного металла целесообразно увеличивать вплоть до значений, обеспечивающих возможность образования омического контакта покрытия с металлами за счет образования вырожденного полупроводника или возникновения туннельного эффекта. Необходимая анизотропия электропроводности в этом случае обеспечивается образованием выпрямляющих гетероструктур, например таких как NiTiO, где 0<х<1, 0<y<1, 0<z<3 (Г.П. Стефанович, А.Л. Пергамент, П.П. Борисков и др. Зарядоперенос в выпрямляющих оксидных гетероструктурах и оксидные элементы доступа ReRAM. Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 5, с. 650-656). При этом часть радиоактивного изотопа окажется внутри выпрямляющей гетероструктуры, что способствует более полному использованию его излучения для образования электронно-дырочных пар и их более эффективному разделению электрическим полем, что способствует повышению эффективности преобразования энергии.
63
63
Толщина фольги и толщина полупроводникового покрытия определяются длиной пробега частиц используемого излучения в применяемых материалах. Например, при использовании никелевой фольги с высоким содержанием изотопа Ni, излучающего β-частицы со средней энергией ~17 кэВ, толщина фольги не должна превышать 2-3 мкм, а толщина полупроводниковых покрытий на основе оксидов никеля и титана, с необходимой анизотропией электропроводности, обеспечиваемой барьером Шоттки или выпрямляющей гетероструктурой, не превышает ~10 мкм (А.А. Давыдов, Е.Н. Федоров и др. Разработка источников излучения на основе Ni с преобразователями β-излучения различного типа. Цветные металлы ISSN 0372-2929,2016, №7 (883), с. 71-75).
Использование содержащей радиоактивный радиоизотоп фольги в качестве источника радиоактивного излучения и одновременно в качестве подложки для покрытия, служащего полупроводниковым преобразователем, существенно улучшают весогабаритные характеристики и способствуют повышению эффективности радиоизотопного элемента электрического питания.
Осуществление изобретения.
В радиоизотопном элементе электрического питания в качестве источника излучения использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63, а в качестве полупроводникового соединения вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы на поверхность фольги с одной стороны наносилось полупроводниковое покрытие - полупроводниковая двуокись титана, образующая барьер Шоттки с никелем. Содержание в титана в покрытии возрастало по мере приближения к его поверхности, вплоть до 100%, что обеспечивало омический (невыпрямляющий) контакт с металлическими электродами. Толщина покрытия составляла ~15 мкм. Указанное покрытие было получено путем реактивного магнетронного напыления титана в кислородосодержащей среде, при уменьшении парциального давления кислорода в ходе технологического процесса. Толщина полученного в соответствии с настоящим изобретением радиоизотопного элемента с барьером Шоттки не превысила 20 мкм. Таким образом, толщина уменьшилась по сравнению с прототипом, по крайней мере, на толщину подложки, на которой создается выпрямляющий контакт его полупроводникового преобразователя (для кремниевых преобразователей эта величина составляет ~200-300 мкм).
63
x
y
z
В радиоизотопном элементе электрического питания с выпрямляющей гетероструктурой на поверхность радиоактивной никелевой фольги толщиной ~2 мкм в качестве сложного полупроводникового соединения никеля с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы и с вентильным металлом, с двух сторон наносился сложный окисел состава NiTiO. Причем с приближением к поверхности покрытия величина х уменьшались от ~1 до 0, величина у возрастала от 0 до 1, а величина z возрастала от 1 до ~3 и затем снижалась почти до 0, что соответствует изменению состава покрытия в пределах NiO-NiTiO3-TiO2-Ti. Такое распределение элементов в покрытии толщиной ~8 мкм было получено сочетанием методов термообработки и реактивного магнетронного напыления в кислородосодержащей среде. Толщина полученного радиоизотопного элемента также не превышала 20 мкм. Использование оксидного материала с высоким содержанием никеля на границе с фольгой и покрытия способствовало их прочному сцеплению и устойчивость к деформациям. Это позволяет сделать рассматриваемый элемент электрического питания гибким, свернуть его рулон, сложить «гармошкой» и т.п. Для такого элемента не требуется корпус, что способствует дополнительному улучшению его весогабаритных характеристик. В результате характеристики радиоизотопного элемента, в котором полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, могут быть улучшены еще на порядок. Помимо этого в данном исполнении радиоизотопного элемента часть изотопа находится непосредственно внутри выпрямляющей структуры, что способствует более эффективному разделению образовавшихся под действием радиоактивного излучения электронно-дырочных пар, благодаря чему дополнительно решается и задача по повышению эффективности преобразования энергии.