СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
ELECTRIC GENERATOR SYSTEM

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к области генерации электроэнергии, и в частности, к электрической энергии, преобразуемой из энергии радиоактивных излучений.
Уровень техники
[0002] Элементы электропитания представляют собой автономные источники электрической энергии для питания внешней нагрузки. Распространенный пример элемента электропитания - электрохимическая батарея. В то время как электрохимические батареи эффективны в обеспечении потребностей в энергии в течение периода времени при относительно низкой стоимости, ограничивающим фактором является количество доступной энергии, определяемое типом материала и весом. Из-за ограничений по хранению энергии и плотности энергии электрохимических батарей относительно их массы предпринимались многочисленные попытки производства альтернативных элементов питания, таких как батареи, использующие энергию радиактивных изотопов, вследствие высоких теоретических пределов плотности энергии.
[0003] Существует несколько различных типов радиоизотопных батарей. Один такой тип - это радиотеплоэлектрический генератор (РТГ), который использует тепло, вырабатываемое во время распада радиоактивного материала, для производства электрической энергии. Эти устройства имеют низкий полезный коэффициент действия преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Соответственно, в РТГ обычно используются радиоизотопы с очень высокой энергией для создания источника электрической энергии, и они обычно требуют усиленного экранирования. Кроме того, мощность электрической энергии невелика.
[0004] Другой тип радиоизотопных батарей - устройство непрямого преобразования, в котором используются радиоизотоп, люминесцентный материал и фотоэлектрический элемент. Частицы распада, излучаемые радиоизотопом, возбуждают люминесцентный материал. Свет, испускаемый люминесцентным материалом, поглощается фотоэлектрическим элементами для выработки электричества. Этот тип батареи обычно имеет низкий полезный коэффициент действия из-за двухэтапного преобразования и относительно короткого срока службы, так как люминесцентный материал повреждается излучениями.
[0005] Другой пример радиоизотопной батареи - устройство прямого преобразования, в котором используется радиоизотоп и полупроводниковый материал. Обычные полупроводники ограниченно применяются в данном устройстве, так как они подвержены сопутствующему радиационному разрушению продуктами радиоизотопного распада. В частности, падающие высокоэнергетические бета-частицы создают дефекты в полупроводнике, которые рассеивают и улавливают генерируемые носители заряда. Повреждения накапливаются, и таким образом с течением времени снижается эффективность батареи.
[0006] Патент US 5,260,621 описывает твердотельную ядерную батарею, содержащую радиактивный источник относительно высокой энергии с сопутствующей выработкой тепла, и объемный кристаллический полупроводник, такой как AIGaAs, который характеризуется образованием дефектов как реакции на радиоизотоп. Материал выбирается таким образом, чтобы радиационное разрушение восстанавливалось путем отжига при высоких рабочих температурах батареи. Это устройство отличается низким полезным коэффициентом действия, что приводит к необходимости использования высокоэнергетического источника радиации и также требует высоких рабочих температур для функционирования.
[0007] Патент US 5859484 описывает твердотельную радиоизотопную полупроводниковую батарею, содержащую подложку из кристаллического полупроводникового материала, такого как GaInAsP. В этой батарее предпочтительно используется радиоизотоп, который испускает только частицы с низкой энергией, чтобы свести к минимуму разрушение полупроводникового материала и чтобы максимально увеличить срок службы. Результатом использования низкоэнергетического источника радиации является более низкая максимальная мощность электроэнергии.
12
2
12
2
[0008] Такое устройство также раскрывается в патенте US 6479919, в котором описывается бета-ячейка, включающая в себя икосаэдрические формы борида, например, ВР или BAs, источник бета-радиации и средство передачи электрической энергии внешней нагрузке. Производство арсенида бора и фосфида бора дорогое, что повышает стоимость выпуска таких типов устройств. Кроме того, выпуск таких устройств увеличивает риски для здоровья, безопасности и окружающей среды, связанные с обращением с арсенидным и фосфидным материалами.
[0009] В итоге, проблемы с современными радиоизотопными батареями включают в себя неэффективность преобразования излучаемой энергии в электрическую энергию, радиационное разрушение, влияющее на материалы устройств, требования по экранированию высокоэнергетических источников радиации, и полупроводниковый материал, подверженный разрушению.
[0010] Цель данного изобретения - предложить радиоизотопную батарею, которая покажет улучшенный баланс между продолжительностью срока службы и мощностью электроэнергии.
Краткое изложение сущности изобретения
[0011] В соответствии с настоящим изобретением предложена система электрического генератора, включающая в себя: радионуклидный материал, тонкий слой оксида цинка, металлические электроды, контактирующие с оксидом цинка и образующие переход металл-полупроводник между ними, в котором радиоактивные излучения, получаемые от радионуклидного материала, преобразуются в электрическую энергию на переходе металл-полупроводник; и электрические контакты, подсоединенные к электродам, которые облегчают течению электрической энергии при подключении к нагрузке.
[0012] При использовании оксида цинка изобретатели получили удивительные результаты. В то время как оксид цинка является собственным полупроводником n-типа, его промышленное применение в качестве полупроводникового материала ограничено или он промышленно не применяется из-за отсутствия стойких легированных материалов ZnO р-типа. Следовательно, он считается плохим выбором полупроводникового материала для образования перехода р-n, что является основным направлением для конструирования радиоизотопных батарей.
[0013] Традиционно выбираемые полупроводниковые материалы, такие как GaAs, GalnAs; или Si, Si-C; или CdTe; и т.д., продемонстрировали структурное разрушение при воздействии высоких уровней радиации.
[0014] Изобретатель обнаружил, что оксид цинка при использовании его с соответствующей толщиной может выдерживать высокие уровни радиации и может, будучи используемым как часть перехода металл-полупроводник (в отличие от р-n перехода), давать подходящую мощность электроэнергии.
Краткое описание чертежей
[0015] Варианты осуществления данного изобретения далее описываются со ссылкой на сопроводительные чертежи. На чертежах:
[0016] фиг. 1 - график, показывающий изменение вырабатываемого тока при изменении толщины оксида цинка при испытаниях с применяемым напряжением 3 В,
[0017] фиг. 2 - график, показывающий изменение вырабатываемого тока при изменении толщины оксида цинка для разных материалов электрода и конфигураций при испытаниях с применяемым напряжением 3 В,
[0018] фиг. 3 - график, показывающий изменение вырабатываемого тока относительно прилагаемого напряжения при изменении расстояния радионуклида от слоя оксида цинка,
[0019] фиг. 4 -схематическое изображение первого варианта осуществления устройства электропитания,
[0020] фиг. 5 - схема альтернативного варианта осуществления устройства электропитания,
[0021] Фиг. 6 - схема дальнейшего альтернативного варианта осуществления устройства электропитания.
Подробное описание изобретения
[0022] Настоящее изобретение далее в основном описывается со ссылками на конкретные иллюстративные примеры. Следует понимать, что принципы данного изобретения могут быть реализованы с использованием вариаций отличительных признаков изображенных и описанных конкретных вариантов осуществления. Примеры необходимо считать иллюстративными и не ограничивающими более широких идей изобретения, раскрытых в данном документе.
[0023] Один вариант осуществления настоящего изобретения - система электрического генератора, использующая полупроводниковый материал n-типа, имеющий металлические электроды, контактирующие с полупроводниковым материалом и подвергающие конструкцию облучению от радионуклидного материала. Радиоактивное излучение преобразуется в электрическую энергию на переходе металл-полупроводник, образованном между электродами и полупроводниковым материалом. Для потока выработанной электрической энергии важно, чтобы существовала разница потенциалов между электродами. Поэтому необходимо наличие существенной разницы в области контакта металла и полупроводника между электродами, чтобы создавалась генерация большего заряда на одном электроде по сравнению с другим. Электрод, имеющий большее накопление заряда, становится эффективным отрицательным выводом, а другой электрод становится положительным выводом.
[0024] Для максимального увеличения выработки электроэнергии в радиоизотопной ячейке электропитания желательно использовать относительно высокоэнергетический источник радиации и высокорадиоактивную плотность. Однако большинство полупроводниковых материалов не могут выдержать такие высокие уровни энергии и конструкционно разрушаются при воздействии на них.
[0025] Оксид цинка - это полупроводник n-типа, но он не применяется на практике как очень плохой полупроводниковый материал. Однако изобретатель данного изобретения обнаружил, что оксид цинка на самом деле демонстрирует способность выдерживать относительно высокие энергетические уровни радиации и высокорадиоактивную плотность.
[0026] Первоначальные испытания, в которых использовался оксид цинка в предложенной системе для выработки электроэнергии, к сожалению, привели к неудовлетворительным результатам, предсказанным общепринятой точкой зрения в области техники, а именно, что ZnO - плохой полупроводниковый материал. Несмотря на способность выдерживать высокие уровни радиации, вырабатываемая электрическая мощность была пренебрежимо мала.
[0027] Однако когда испытания проводились с варьированием толщины оксида цинка, используемого в системе для выработки электроэнергии, это принесло удивительно положительные результаты, когда оксид цинка был представлен в форме достаточно тонкого слоя или пленки. В рамках данного описания и формулы изобретения «тонкий» означает приблизительно менее 15 мкм, и предпочтительно менее 10 мкм.
[0028] Фиг. 1 - график, на котором показано изменение вырабатываемого тока при изменении толщины оксида цинка при испытаниях с применяемым напряжением 3 В. В данном испытании оптимальный ток был при 1000 нм.
[0029] В практических экспериментах тонкая пленка оксида цинка формировалась на подложке путем ВЧ магнетронного распыления или электрохимического осаждения из паровой фазы, имеющей поверхность 5 см × 5 см. Подложка состояла из первого слоя стекла. В этом отношении сапфир и кварц также считаются подходящими для данного первого слоя. Подложка далее состояла из слоя легированного материала оксида цинка, который образовал поверхность, на которую наносился оксид цинка.
[0030] Этот слой легированного материала оксида цинка позволил образовать на нем меньший положительный электрод, таким образом отделяя положительный электрод от оксида цинка, но обеспечивая путь тока благодаря полупроводниковым свойствам легированного оксида металла. Подходящие легированные материалы оксида металла включают в себя, но не ограничиваясь, легированный фтором оксид олова и легированный оловом оксид индия.
[0031] Ряд металлических материалов был протестирован на пригодность в качестве электродов, а именно, золото, медь, алюминий и серебро. Кроме того, были проверены разные конфигурации электродов: первая, в которой электрод покрывал всю поверхность слоя оксида цинка, и вторая, в которой использовалась гребенчатая или пальцевидная сетчатая структура на поверхности оксида цинка. Общая толщина материала металлического электрода составляла от 100 нм до 1000 нм, и предпочтительно 150 нм.
[0032] Золото и медь наносились методом распыления, в то время как алюминий и серебро наносились методом термического напыления.
[0033] Разные образцы подвергались воздействию Sr-90. Результаты показали, что золото, алюминий и серебро давали линейные и симметричные вольтамперные кривые на переходе металл-полупроводник, что предполагает желаемую степень омического контакта между этими металлами и оксидом цинка.
[0034] Медь давала нелинейные и асимметричные результаты, указывающие на барьер Шоттки, что предполагает, что она не подходит для настоящих целей.
[0035] В отношении разных конфигураций была отмечена пренебрежимо малая разница в результатах. Это предполагает, что гребенчатая сетчатая структура, в которой используется меньше металла, является целесообразным решением. Должно быть понятно, что другие геометрии и конфигурации предполагаются в рамках объема данного изобретения.
[0036] Аналогично, необходимо понимать, что данное изобретение может быть реализовано с использованием разных металлов, включая сплавы, в переходе металл-полупроводник.
[0037] Были проведены испытания с разной толщиной слоя оксида цинка от 150 нм до 1500 нм.
[0038] Неожиданно результаты показали, что по мере того как толщина увеличивалась до 1500 нм, вырабатываемая электрическая мощность также увеличивалась до тех пор, пока не была достигнута оптимальная толщина, после которой увеличение толщины приводило к снижению вырабатываемой электрической мощности. После приблизительно 1500 нм мощность становилась слишком низкой для практических целей. Следовательно, испытания предполагают, что идеальный диапазон толщины для оксида цинка составляет от 150 нм до 1500 нм. Оптимальная толщина на самом деле варьировалась в зависимости от выбора материалов.
[0039] Оптимальная толщина на самом деле варьировалась в зависимости от выбора материалов. На фиг. 2 показано изменение тока в зависимости от изменения толщины при постоянном напряжении и источнике радиации, но с разными материалами и толщиной материала. Материал включал в себя серебро с электродом пальцевидной конфигурации; серебро в полном электроде; алюминий с электродом пальцевидной конфигурации; алюминий в полном покрытии; и золото в полном покрытии.
[0040] В определенных целях оптимальная толщина составляла 1000 нм, в то время как в других испытаниях оптимальная толщина составляла 1250 нм, см. фиг. 1 и 2. Тем не менее, общий полезный диапазон толщины оставался в достаточной степени постоянным. Ожидается, что оптимальная толщина может также варьироваться, в пределах диапазона, в зависимости от выбора радионуклидного материала.
[0041] Альтернативные бета-излучающие материалы, которые могут использоваться при осуществлении данного изобретения, включают в себя Рm-147, Ni-63 и тритий или любой другой подходящий бета-излучающий материал. Настоящее изобретение, в принципе, способно использовать другие виды радиоактивного материала, например, источники рентгеновского излучения, источники гамма-излучения или любой другой подходящий материал. Радионуклиды могут быть в любой подходящей химической форме, и материал в принципе может быть смесью разных радионуклидов или с другими материалами.
[0042] Также были проведены испытания по варьированию расстояния и угла падения материала Sr-90 к слою оксида цинка, варьируясь от 2 мм до 350 мм, что показано на фиг. 3. На фиг. 3 представлен график, на котором показано изменение вырабатываемого тока относительно приложенного напряжения при изменении расстояния радионуклида от слоя оксида цинка.
[0043] Как ожидалось, наилучшая мощность достигалась на самом маленьком расстоянии, и мощность уменьшалась по мере увеличения расстояния. Тем не менее, все еще приемлемая мощность наблюдалась на всем диапазоне испытаний, в частности приблизительно до 300 мм и при угле <45°. При данных параметрах толщины генератора это - большое пространство, и предполагается, что ряд структур генератора может быть расположен как слоистая конструкция с одинаковым радионуклидным материалом, таким образом увеличивая выдаваемую электрическую мощность от одного радионуклидного источника.
[0044] Далее описываются примеры устройств электропитания, в которых используется система электрического генератора.
[0045] На фиг. 4 изображено базовое устройство 10 с «единственным слоем». Как показано, устройство 10 включает в себя корпус 12, внутри которого в центре находится слой герметизированного радионуклида 14, например, Sr-90, Pm-147, Ni-63 или Н-3. Корпус 12 может быть выполнен из различных подходящих материалов, таких как алюминий, сталь и т.п. и вмещает в себя атмосферу воздуха 28. Герметизирующий материал 16 может быть алюминиевым, пластмассовым, майларовым, другим подходящим металлическим сплавом или аналогичным материалом с низким Z (Z - атомный вес). На каждой стороне радионуклида 14 находятся подложки 18 (например, стеклянные подложки), имеющие слой легированного оловом оксида индия 20 и тонкий слой оксида цинка 22, сформированного сверху. Альтернативой легированному оловом оксиду индия может быть фторид олова-индия. Основной отрицательный электрод 24 образован на другой поверхности оксида цинка 22, и меньший положительный электрод 26 образован на поверхности легированного оловом оксида индия 20. Проводящие выводы 30 подсоединены к обоим электродам 24, 26 и выходят наружу корпуса 12 для подключения к нагрузке.
[0046] На фиг. 5 показано устройство 110 с «двойным слоем». Каждая сторона центрального радионуклида 114 имеет структуру из двух слоев 122 оксида цинка, каждый с соответствующими электродами 124, 126, легированными слоями 120 оксида металла, и разделенных изолирующей подложкой 132.
[0047] На фиг. 6 изображено устройство 210 с «тройным слоем», в котором слои подложки и ZnO расположены в структуре типа «сэндвич». Аналогично другим примерам, центральный герметизированный радионуклид 214 имеет структуру из 3 слоев подложки 232 на каждой стороне, со слоями 222 ZnO, слоями 220 легированного оксида металлаи электродами 224, 226.
[0048] Как понятно для специалистов, можно продолжать увеличивать количество слоев и, как следствие, повышать вырабатываемую электрическую мощность. Предел того, какое количество слоев можно использовать, обусловливается тем, как далеко от радионуклидного материала находится самый дальний слой.
[0049] Необходимо понимать, что конструкции с более чем одним слоем радионуклидов могут использоваться со множественными конструкциями типа «сэндвич», добавленными для обеспечения желаемого уровня мощности. Также необходимо понимать, что, хотя описанная конструкция в целом имеет квадратную форму, конструкция может быть любой желаемой формы, и может быть изогнута в подходящей реализации, с условием, что соответствующие промежутки сохраняются.