УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области методов преобразования ионизирующих излучений в электроэнергию.
В настоящее время для решения ряда задач необходимы автономные источники электроэнергии с длительным периодом работы. Такие источники электроэнергии востребованы, например, при использовании за полярным кругом, в космосе и т.д., то есть при работе в труднодоступных местах, удаленных от энергетической инфраструктуры. В качестве источников энергии могут выступать радиоактивные короткоживущие изотопы, при ядерном распаде которых выделяется целый ряд высокоэнергетических частиц и излучений. В связи с этим актуальной задачей становиться разработка способов преобразования энергии ионизирующих излучений в электроэнергию.
Основными промышленно используемыми устройствами получения электроэнергии от ионизирующих излучений являются радиоизотопные термоэлектрогенераторы (РИТЭГи). В таких устройствах в качестве источника энергии используются радиоактивные изотопы. Излучаемая ими энергия поглощается и превращается в тепло, при этом нагревая полупроводниковый термоэлектрический элемент, который производит электричество. Было разработано и произведено несколько типов таких устройств, различных габаритов и мощности, начиная от микроваттных батарей для кардиостимуляторов с размерами аналогичных элементам питания тип A, AA, AAA и заканчивая крупногабаритными РИТЭГами с массой до 2300 кг (модель ИЭУ-1), которые нашли свое применение в качестве источников питания для маяков, межпланетных станций и др.
Главными достоинствами такого типа устройств являются отсутствие движущихся частей, что обуславливает длительный срок необслуживаемой работы (не менее 10 лет), широкий диапазон рабочих температур, возможность работы под землей, под водой и в космосе.
К недостаткам РИТЭГов можно отнести низкий КПД 3-7%, что связано с низким коэффициентом преобразования тепла в электроэнергию термоэлектрическими батареями.
Кроме того, в последнее время все больший интерес вызывают устройства для прямого преобразования радиации в электроэнергию, принцип действия которых более подробно объяснен ниже, однако практического применения они в настоящее время не имеют из-за сложностей в производстве и низким КПД.
Аналог
Из уровня техники известны устройства для получения электроэнергии от источников радиоактивного излучения. Так, например, известно устройство [патент US 2005/0077876 A1 от 14.04.2005], преобразующее энергию ионизирующих излучений в электроэнергию, состоящее из нескольких пластин композита, который состоит из последовательно лежащих слоев изолятор - металл с малым атомным номером - изолятор - металл с большим атомным номером. Слои металла с малым атомным номером соединены параллельно между собой и изолированы от слоев тяжелого металла, также соединенных параллельно. Пучок ионизирующего излучения падает перпендикулярно поверхности пластины. При прохождении через пластину, ионизирующее излучение поглощается за счет комптоновского рассеяния и фотоэффекта, выбивая электроны с электронных оболочек атомов. Количество электронов, выбиваемых из тяжелого металла больше, чем из более легкого, за счет чего между ними возникает разность потенциалов. Дополнительное увеличение разности потенциалов достигается при поглощении электронов, выбитых из тяжелого металла, слоями легкого металла.
-5
Главным недостатком известного устройства заключается в том, что оно имеет низкий КПД, который на опытных образцах, представленных авторами составил ~10%.
Прототип
Наиболее близким к заявляемой модели по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию [патент US 2010/0061503 A1 от 11.03.2010]. Характерной особенностью устройства является то, что элементарными преобразующими радиацию элементами являются наноразмерные объекты, такие как нанослои, нанокластеры и нанотрубки, из проводников с малым и большим атомным номером, разделенные слоем изолятора и определенным образом связанные между собой.
Главным недостатком устройства являются большие технологические сложности, возникающие при его изготовлении, связанные с необходимостью наномасштабного управления структурой преобразователя и необходимостью осуществить параллельное или последовательное соединение всех элементарных преобразующих «ячеек» между собой.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель состоит в улучшении технологичности процесса получения, увеличении максимальных геометрических размеров, повышении рабочих температур, а также снижении себестоимости, устройств для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию, за счет использования биоморфных углеродных и карбидокремниевых матриц, полученных из древесины, в качестве основы для их изготовления.
Поставленные заявителем технические результаты достигаются тем, что в устройстве для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию, состоящем из проводников с малым и большим атомным номером, разделенных слоем изолятора, в роли проводника с малым атомным номером выступает биоморфная матрица, полученная на основе древесины
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в качестве проводника с малым атомным номером выступает углеродная биоморфная микроканальная матрица.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в качестве проводника с малым атомным номером выступает карбидокремниевая биоморфная микроканальная матрица.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в качестве проводника с малым атомным номером выступает углеродная биоморфная микроканальная матрица с нанесенным на нее слоем карбида кремния.
2
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в качестве проводника с малым атомным номером выступает карбидокремниевая биоморфная микроканальная матрица и изолирующий слой организуется путем оксидирования карбида кремния на поверхности матрицы, с образованием слоя SiO.
2
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в качестве проводника с малым атомным номером выступает углеродная биоморфная микроканальная матрица с нанесенным на нее слоем карбида кремния и изолирующий слой организуется путем оксидирования карбида кремния на поверхности матрицы, с образованием слоя SiO.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в роли проводника с большим атомным номером используются радиоактивные металлы или сплавы. Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в роли проводника с большим атомным номером выступают растворы солей тяжелых металлов или суперионных проводников.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в качестве основы для получения биоморфной проводящей матрицы из проводника с малым атомным номером используется предварительно прессованная древесина.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию. Устройство состоит из микроканальной матрицы из проводящего материала с малым атомным номером (коллектора) (1). Поверхность микроканалов покрыта слоем изолятора (2), в то время как сами каналы заполнены проводником с большим атомным номером (эмиттера) (3). К коллектору и к эмиттеру присоединены токосъемные провода (4).
На Фиг. 2 показана схема работы устройства для преобразования ионизирующих излучений в электроэнергию. При прохождении ионизирующего излучения (5) через устройство, оно, преимущественно поглощается материалом эмиттера (3), при этом выбивая электроны (6), которые, проходя через слой изолятора (2), поглощаются материалом коллектора (1), за счет чего возникает разность потенциалов. Для создания устройства с высоким КПД необходимо одновременное выполнение нескольких условий. Во-первых: это большая разница атомных номеров материалов коллектора и эмиттера для обеспечения преимущественного поглощения гамма квантов в эмиттере. Во-вторых: отдельные слои проводника с большим атомным номером должны быть достаточно тонкими (~0,1-10 мкм), чтобы обеспечить возможность электронам, выбиваемым в центральной части пластины, достичь коллектора. В-третьих: очень важную роль играет слой диэлектрика, который, с одной стороны, должен быть проницаем для выбиваемых быстрых электронов, а с другой стороны его толщина (~1-100 нм) должна быть достаточно большой для обеспечения хороших изолирующих свойств и минимизации токов утечки посредством миграции тепловых электронов.
В связи с необходимостью нано- и микромасштабного управления структурой устройства для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию, изготовление его традиционными методами, например путем организации такой структуры из нанотрубок, является сложным и дорогостоящим процессом. В данной полезной модели предлагается использование биоморфных материалов в качестве основы для получения устройства.
Биоморфные матрицы - это новый класс материалов, главной особенностью которых является использование древесины в качестве основы для их получения. Древесину пиролизуют, т.е. нагревают до высоких температур в инертной атмосфере, в результате чего получается микроканальная углеродная матрица, сохраняющая структуру исходной древесины (древесный уголь). На Фиг. 3 и 4 показаны примеры таких биоуглеродных матриц на основе древесины ели и березы. Кроме того на Фиг. 5 показана биоморфная карбидокремниевая матрица, которую можно получить путем силицирования исходной биоморфной углеродной матрицы расплавом кремния, с последующим удалением его излишков из микроканалов.
-1
-4
Применение биоморфных углеродных и карбидокремниевых матриц для изготовления устройства оптимально по целому ряду причин. Во-первых: низкие атомные номера элементов составляющих матрицу обеспечивают слабое поглощение радиации коллектором. Во-вторых: низкое удельное сопротивление, которое для биоморфного карбида кремния составляет ~10 Ом*см, а для биоуглерода ~10 Ом*см. В-третьих: микронный диаметр каналов, а также возможность управления этой величиной путем выбора и модифицирования исходной древесины, что позволяет преобразовывать гамма излучение с меньшей длиной волны и оптимизировать характеристики под конкретные спектры излучения. В-четвертых: заметно более низкая себестоимость матриц по сравнению с материалами, состоящими из нанотрубок и нанокластеров. Важным технологическим преимуществом биоморфных матриц является отсутствие необходимости отдельно соединять все элементарные преобразующие микроканальные элементы. Это обеспечивается тем, что стенки соседних микроканалов являются общими и в них есть поры, связывающие между собой соседние каналы. За счет этого и микроканальный коллектор и микроцилиндрический эмиттер оказываются самосвязанными.
Важно отметить, что помимо оптимизации эффективности устройства путем выбора исходной древесины, существует возможность изменения размеров и формы каналов за счет предварительного прессования исходной древесной заготовки, что открывает широкие возможности для управления характеристиками устройства. На Фиг. 6 показан пример такой углеродной матрицы на основе прессованной древесины ели.
Кроме того, матрицы из биоуглерода обладают высокой химической стойкость и высокими рабочими температурами в инертной, а в случае карбидокремниевой матрицы, и в окислительных средах.
Для изготовления устройства для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию необходимым условием является создание изолирующего слоя на внутренней поверхности микроканалов. В качестве изолятора могут быть использованы оксиды различных элементов, нанесенные с использованием золь-гель методов.
2
В данной заявке предлагается использовать еще один способ создания слоя изолятора. Он основан на том, что при окислени карбида кремния при температурах выше ~800°C на его поверхности образуется слой аморфного SiO, обладающего очень высоким электрическим сопротивлением. Используя эту особенность карбида кремния мы можем создать тонкий слой изолятора, разделяющего микроканальный коллектор и эмиттер. В случае с карбидокремниевыми матрицами достаточно простого отжига в кислородосодержащей атмосфере. Для углеродных матриц необходимо ввести еще одну операцию предварительного нанесения слоя карбида кремния на внутреннюю поверхность микроканалов, что можно осуществить, например, за счет выдержки в парах кремния при высоких температурах.
Полученную таким образом матрицу необходимо заполнить проводником с большим атомным номером, в роли которого могут выступать тяжелые металлы, в том числе и радиоактивные, суперионные проводники и растворы, содержащие ионы тяжелых металлов. При этом при использовании радиоактивных материалов, такое устройство не будет требовать внешнего источника радиации и может работать как гальванический элемент.
Второй вариант - использование в качестве изолятора двойного электрического слоя. Этот слой имеет толщину <1 нм и обладает относительно низкими токами утечки и естественным образом возникает на границе материала с ионными растворами и супериониками, т.е. дополнительная операция по нанесению изолятора не потребуется.
Заявляемую полезную модель, возможно реализовать с использованием известных средств и методов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "промышленная применимость".