ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Полезная модель - источник электрического тока - относится к области электроэнергетики с использованием новых материалов, а именно к полупроводниковым приборам преобразования энергии ядерного распада (нестабильных изотопов) в электрическую энергию.
Известно множество устройств, позволяющих извлекать определенную часть из потока энергии излучений и/или элементарных частиц, которые проходят через полупроводниковые материалы, используемые в составе устройства, 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 других приборах используется способность некоторых полупроводниковых преобразователей вырабатывать электроэнергию из излучения (радиации) 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 (0-15%) и неспособность производить энергию достаточной мощности при малых габаритах.
Известно устройство радиоизотопной активации электрического заряда и генерации электрической энергии с помощью пьезоэлектрического элемента, преобразующего энергию активации в механическую, а затем в электрическую энергию (US patent №6,479,920 от 12.11.2002 г.). Устройство содержит основание, с консольно закрепленной на нем эластично-деформируемой пластиной, на свободном конце которой ближе к основанию закреплен либо изотопный источник радиоактивного излучения, а на основании непосредственно под источником - вещество-поглотитель излучения (обычно, бета-излучение), либо наоборот: источник излучения и поглотитель, закрепляются в обратном порядке, при этом, на деформируемой пластине, ближе к ее закрепленному концу, установлен пьезоэлемент, с электрических контактов которого снимается выходная электрическая мощность.
Недостатками аналога являются малый коэффициент полезного действия (КПД) (<5%), низкая мощность производимого электричества и наличие движущихся частей, которые значительно снижают эффективность преобразования энергии.
Известно устройство для прямого преобразования энергии распада ядер радиоактивных материалов в электроэнергию (US patent №6,774,531 от 10.08.2004 г.). Устройство содержит камеру с находящимися в ней полупроводниковыми пластинами, сформированными с большой энергопоглощающей поверхностью по технологии изготовления пористых пластин со специально сформированными макропорами, при этом, пластины имеют участки, в каждом из которых сформированы близкорасположенные области, одна с проводимостью p-типа, а другая - n-типа. Указанные области p- и n-типа присоединены к выходным контактам устройства раздельно в соответствии с типом проводимости по схеме параллельного соединения. В представленном аналоге область n-типа сформирована в виде слоя на пористой поверхности p-типа, в том числе, и внутри макропор. Объем радиоактивного материала, эмитирующего продукты распада, заключен внутрь указанных макропор поверх слоя n-типа. Излученные высокоэнергетические частицы, пролетающие по очереди через области полупроводника n-типа, а затем - p-типа, выбивают в полупроводнике электронно-дырочные пары, которые являются непосредственным источником электрической энергии в устройстве.
Основным недостатком аналога является (низкий КПД из-за наличия большой доли неиспользуемого тормозного излучения бета-частиц при прохождении их от точки рождения до области реакции) и использование сложной и дорогостоящей технологии формирования макропор на поверхности с нанесением на этот сложный рельеф различных материалов и слоев со специальными свойствами. При этом, хотя КПД устройства выше, чем у других аналогов, конструктивные особенности (в том числе, относительно невысокая плотность макропор и расположение радиоактивного материала с одной стороны относительно границы между областями p- и n-типа) не позволяют достичь предельных значений КПД (до 50%) и повышенной удельной мощности выработки электроэнергии, а именно, отношения мощности вырабатываемой электрической энергии к массе устройства.
В качестве прототипа принят изотопный полупроводниковый аккумулятор (батарея), использующий преобразование энергии радиоактивного распада в электроэнергию путем улавливания высокоэнергетических частиц и образования в полупроводнике электронно-дырочных пар за счет неупругого торможения частиц -продуктов распада (US patent №6,238,812 от 29.05.2001 г.). Аккумулятор содержит ряд последовательно соединенных элементов, каждый из которых состоит из двух слоев полупроводникового материала с проводимостью p- и n-типа, между которыми расположен тонкий слой радиоактивного полупроводникового материала, эмитирующего высокоэнергетические частицы. При последовательном соединении элементов слои с p- и n-проводимостью каждого элемента батареи имеют выходные контакты, присоединенные к контактам соседних элементов с противоположной проводимостью, при этом крайние контакты батареи присоединены к нагрузке, образуя замкнутую цепь. В патенте прототипа особо подчеркивается, что радиоактивный материал не входит в состав слоев с p- и n-проводимостью элементов аккумулятора.
Недостатками прототипа являются низкий КПД (<=10%) и недостаточно большая удельная мощность выработки электроэнергии (низкое отношение количества вырабатываемой электрической энергии к массе батареи) при сравнительной простоте изготовления устройства (и стоимости, более низкой, чем стоимость других аналогов).
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание источника электрического тока, обеспечивающего автономное вырабатывание электроэнергии в течение длительного времени с высоким КПД до 50%, при большем соотношении мощности к массе и габаритам, чем у аналогов, а также сравнительное снижение стоимости удельных показателей и устройства в целом.
Решение данной технической задачи заключается в том, что в источнике электрического тока, использующем радиоактивное излучение нестабильных изотопов, которое проникает в полупроводниковый материал, содержащий слои примесей p-типа и n-типа, и преобразуется в нем непосредственно в энергию электрического тока, и содержащем выходные электрические контакты, отходящие от каждого или от некоторых из слоев полупроводника, согласно полезной модели, в отличие от аналогов, полупроводниковый материал, в котором происходит преобразование энергии излучения в электрическую энергию, представляет собой один или более полупроводниковых кристаллов, содержащих в своем составе радиоактивные нестабильные изотопы, например, в составе кристалла PbS содержится изотоп Рb-210, при этом, по крайней мере, в одном полупроводниковом кристалле слои примесей p-типа и n-типа получены по технологии создания слоев примеси, например, путем легирования или фотореакций в объеме кристалла, с многослойным расположением слоев: либо с чередованием слоев p-типа, n-типа, либо с чередованием слоев p-типа, собственной проводимости, n-типа и собственной проводимости, при этом, расстояние между слоями сравнимо по порядку значений с толщиной запирающего слоя соответствующего p-n-перехода между слоями, при этом, по крайней мере, в одном многослойном полупроводниковом кристалле имеется возможность соединения контактов от слоев с проводимостью p-типа в один выходной контакт кристалла, соединения контактов от слоев с собственной проводимостью во второй выходной контакт кристалла и/или соединения контактов от слоев с проводимостью n-типа в третий выходной контакт кристалла, при этом имеется возможность закрепить, по крайней мере, часть полупроводниковых кристаллов на едином основании без электрического контакта с ним, при этом, источник электрического тока может быть обеспечен системой охлаждения его нагревающихся частей, например, водяного, воздушного типа и/или с использованием радиатора.
Основным преимуществом полезной модели перед аналогами является размещение ядер вещества, эмитирующего радиоактивное излучение, в составе полупроводникового материала (кристалла), в котором происходит преобразование энергии излучения в энергию свободных носителей (электронов и дырок). При этом, отсутствуют потери, затрачиваемые на прохождение высокоэнергетических частиц из наружного радиоактивного препарата внутрь кристалла. При таком расположении радиоактивных элементов частицы радиации незамедлительно расходуют свою энергию на ионизацию полупроводника, теряя некоторую часть энергии на тормозное излучение (до 50%). В случае же внешнего препарата тормозное излучение становится преобладающим, тем самым, снижая эффективность и удельную мощность устройства (на 80%). Кристаллическая структура полупроводника обеспечивает снижение потерь при движении свободных носителей от места рождения до соответствующего p-n-перехода или до выходного контакта слоя в кристалле.
Предпочтительно при реализации полезной модели, чтобы полупроводниковые кристаллы были выполнены в виде одинаковых пластин с взаимно параллельными верхней и нижней плоскими гранями и с направлением максимальной диффузии примесей, перпендикулярным этим граням.
Кроме того, желательно, чтобы расстояние между слоями p- и n-типа было равно 1-3 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода. Это необходимо, с одной стороны, чтобы слой был достаточно тонким, что исключит массовую рекомбинацию носителей тока в областях, где нет электрического поля p-n перехода, а с другой стороны, чтобы слой был достаточно широким, что не допустит уменьшения градиента потенциала и, тем самым, входной мощности. Толщина слоев подбирается по максимуму выходной мощности для выбранного типа полупроводника и степени насыщения его примесями.
Также, для части полупроводниковых кристаллов имеется возможность соединения выходных контактов этих кристаллов, объединяющих контакты от слоев p-типа или n-типа и создающих положительный или отрицательный электрический потенциал, по схемам параллельного и/или последовательного соединения кристаллов в батарею электрических элементов. Такое соединение обеспечивает возможность оптимизации параметров источника тока, в соответствии с параметрами используемой нагрузки: уменьшение внутреннего сопротивления, увеличение выходного электрического напряжения источника, что позволяет увеличить мощность источника электрического тока не менее, чем в 1000 раз.
При этом, система охлаждения выполнена с использованием циркуляции водяного или воздушного потока, омывающих нагретые части источника, и/или с использованием внешнего радиатора, в качестве которого, например, может быть использовано основание, на котором закреплены полупроводниковые кристаллы. Охлаждение источника тока, и в частности, объема и слоев полупроводниковых материалов позволяет оптимизировать температурный режим преобразования энергии излучения в электрическую энергию и передачи ее на выходные контакты устройства за счет уменьшения вероятности рекомбинации носителей тока через p-n переход в обратном направлении при снижении температуры, это повысит КПД источника тока.
Осуществление полезной модели иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг.1 поясняет процесс генерации электрического тока в полупроводниковом кристалле, содержащем три слоя примесей: с проводимостью p-типа, собственной и n-типа.
На фиг.2 показан полупроводниковый кристалл, содержащий многослойную структуру чередующихся слоев примеси p- и n-типа, с объединением контактов от слоев p-типа в один выходной контакт и от слоев n-типа во второй выходной контакт кристалла.
На фиг.3 реализована схема монтажа множества полупроводниковых пластин внутри радиационного защитного кожуха с интегрированной системой охлаждения.
Показан источник электрического тока, выполненный в двух вариантах. В обоих вариантах материал полупроводника представляет собой монокристаллическую структуру, например, PbS, в составе которой содержатся атомы нестабильного изотопа Рb-210.
В первом варианте источника тока (Фиг.1) в состав полупроводникового кристалла добавляют легирующие примеси p-типа и n-типа с разных сторон, чтобы создать внутри кристалла области дырочной и электронной проводимости, где 1 - область с дырочной проводимостью, 2 - область с собственной проводимостью, 3 - область с электронной проводимостью, 4 - радиоактивный изотоп, 5 - высокоэнергетическая частица, излученная ядром изотопа, 6 - подключаемая внешняя полезная нагрузка. При этом, заряды разного знака будут дрейфовать к разным областям: электроны - к области с электронной проводимостью, а дырки - к области с дырочной проводимостью и далее к выходным контактам, отходящим от этих областей. При расстоянии между слоями p- и n-типа большим, чем 1-3 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода, резко увеличивается вероятность рекомбинации встречных пар электрон-дырка, что приведет к итоговой потере мощности устройства. В этом варианте расстояние между слоями в несколько раз превышает указанную толщину. Для того чтобы достичь меньшего расстояния между слоями, кристалл легируют поднесением накаленного легировочного материала с двух сторон в направлении максимальной скорости диффузии атомов внутри кристалла, а сам кристалл делают тонким в направлении диффузии и плоским
Во втором варианте устройства (Фиг.2) значительно уменьшено расстояние между слоями примесей p- и n-типа, и соответственно, уменьшена длина дрейфа носителей тока, тем самым практически исключена их встречная рекомбинация. Это достигается тем, что кристалл легируют многослойным образом с обеспечением расстояния между слоями различной проводимости порядка 1-1,5 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода. Для этого в монокристаллической пластине полупроводника, содержащего радиоизотопы, в поперечном направлении с максимальным коэффициентом диффузии методом жидкофазной эпитаксии производят внедрение примесного элемента (в нужные области внедряют атомы серы и свинца в полупроводник PbS для создания слоев с дырочной и электронной проводимостью). К полученным слоям приваривают контакты из нейтрального металла и выходы с одноименных слоев присоединяют параллельно к одной клемме, а с других одноименных областей - к другой.
Пространство между слоями примесей p- и n-типа может быть занято областью с собственной проводимостью, либо там может прямо проходить плоскость p-n перехода. В такой многослойной структуре слои с дырочной и электронной проводимостью попеременно чередуются друг с другом.
Такие кристаллы можно закрепить на едином основании, собрать в батарею с последовательным и/или параллельным соединением, а между ними пропускать охладительную жидкость или газ 8, что увеличит КПД и срок эксплуатации устройства (Фиг 3). При этом всю батарею нужно поместить в свинцовый или стальной кожух 7 или в кожух из другого материала, содержащего тяжелые элементы, чтобы обезопасить окружающие предметы от сопровождающей радиации. Лучше всего кроме самих пластин также в защитный кожух поместить и всю систему охлаждения. При этом, газ или жидкость 8 будут циркулировать от пластин к внешнему радиатору 10 и обратно с помощью электрического насоса 9 небольшой мощности, подпитываемого током от самого источника тока.
Применение.
Полупроводниковые устройства преобразования энергии из неэлектрических ресурсов большой удельной емкости в электричество являются перспективными для использования их в энергетике будущего. Это обусловлено тем, что они способны довольно дешево, без тяжелых экологических результатов и, в перспективе, с большой экономической выгодой производить электроэнергию для нужд народного хозяйства.
Источники электрического тока можно применять в долгофункционирующих (на многолетний период) заменителях-имитаторах или регуляторах неработающих органов высших животных и человека. Такие устройства, с хорошо подобранными параметрами и подходящим переносным источником энергии, способны снабжать указанный заменитель в течение всей жизни пациента, что является явным преимуществом в выборе данного варианта.
Источники электрического тока можно применять в автономных глубоководных, геологоразведочных, медицинских, аэро-, космических и др. зондах. Автономные зонды снабжены роботизированным механизмом, обеспечивающим его функциональность и выживаемость. Этот механизм требует для своей работы подачу заданного уровня энергии непрерывно, в течение всего времени своей деятельности. Обычные химические аккумуляторы и топливные элементы неспособны удовлетворить таким требованиям. Источники энергии с радиоактивными элементами дают именно такое соотношение долговечности, уровня и плотности энергии, поэтому их использование наиболее перспективно в данном направлении.
Источники электрического тока можно применять в более крупных мобильных устройствах, предназначенных для транспорта, промышленности, систем жизнеобеспечения, робототехники и др. Для этого необходимо объединить элементы (кристаллы) источника тока до необходимой мощности (увеличенной в 1000 раз и более) в батареи больших размеров с нужными электрическими параметрами и параметрами охлаждения.