СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
METHOD TO CONVERT ENERGY OF IONISING RADIATION INTO ELECTRIC ENERGY

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Способ может быть использован в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных источников электроэнергии с большим сроком службы.
Изучение процессов и методов преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию актуально по нескольким причинам. Во-первых, такие исследования имеют фундаментальное значение для изучения электронных свойств алмаза. Во-вторых, в России и в мире наблюдается потребность в источниках электроэнергии с большим сроком службы для нужд промышленности, в частности оборонной; такие источники могут быть созданы на основе заявляемого изобретения. В-третьих, автономные источники электроэнергии необходимы для исследовательских целей, в частности для исследования космоса и для глубоководных исследований.
3
Известен способ создания источника электроэнергии с помощью радиоактивного материала, используемого в электрическом генераторе, преобразующем энергию электронов радиоактивного распада в электроэнергию. Сущность изобретения заключается в выборе органического материала, а именно 1-этилэтилена, насыщении атомами трития Н (тритированиии) его таким образом, что соотношение количества атомов трития к количеству атомов углерода составляет по меньшей мере 1:1. Процесс тритирования заключается в добавлении или замещении атомов трития или сочетает оба процесса. Полученный полимерный материал используется в устройстве для генерации электрического тока за счет преобразования энергии, выделяющейся при распаде радиоактивного материала, в состав которого входит по меньшей мере один слой полупроводникового пористого материала, в поры которого вышеуказанный полимерный материал помещается путем пропитки. К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность и многостадийность процесса изготовления как собственно тритированного полимерного материала, так и устройства для генерации электрического тока, существенно повышающие стоимость изделия (Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009).
63
241
241
Известный способ генерации электрической мощности в ходе процесса распада радиоактивного материала, при этом радиоактивный материал и область полупроводникового р-n перехода объединены в ячейку. Область р-n перехода образована соответствующей структурой множества участков с р- и n-проводимостью. По меньшей мере часть одной из областей р-n перехода представляет собой область, насыщенную порами с соотношением глубины к диаметру больше 20:1 и расположенных под углом более 55 градусов к поверхности, на которой они сформированы. Размеры и формы областей с макропорами и улучшенные области р-n перехода способствуют улучшению параметров электрического тока, генерируемого устройством. В качестве полупроводникового материала используется кремний, а в качестве радиоактивного материала - тритий или изотопы Ni или Am. К недостаткам данного изобретения можно отнести использование в качестве полупроводникового материала кремния, обладающего радиационной стойкостью, в 100 раз меньшей, чем алмаз, а также использование в качестве источника излучения высокотоксичного Am, являющегося α-излучателем с энергией излучаемых частиц 5,5 МэВ, которые вызовут радиационное повреждение кремния в ходе длительной эксплуатации устройства (Патент US 6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005).
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является автономный источник питания и способ изготовления источника преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29, включающий изготовление полупроводникового материала с использованием карбида кремния, состоящего из областей р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников, воздействие на один из слоев металла ионизирующим бета-излучением и снятие электричества с помощью проводников.
К недостаткам известного изобретения можно отнести сложную, многостадийную схему изготовления полупроводниковой структуры, использование низкоэнергетических источников бета-излучения, использование в качестве полупроводникового материала карбида кремния, обладающего существенно более низкой радиационной стойкостью, что определяет более низкий срок службы полупроводникового материала.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала.
14
16
3
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающем изготовление полупроводникового материала состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением и снятие электричества с помощью проводников, согласно изобретению в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения, а в качестве полупроводникового материала берут синтетический алмаз р-типа с содержанием бора в количестве 10-10 атомов на см.
На поверхностях алмаза в областях р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из них - трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото толщиной 5-100 нм для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия толщиной 5-100 нм, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разделяются на отрицательные, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.
Алмаз отличается от других полупроводниковых материалов повышенной радиационной стойкостью, что позволит создавать не деградирующие с течением времени гетероструктуры под действием радиоизотопов, испускающих высокоэнергетические электроны, и использовать их в сравнительно жестких радиационных условиях. Наибольший интерес представляет пороговая энергия электронов, достаточная для возникновения дефектов в алмазе, - она составляет 165-220 кэВ и меняется в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности алмаза. Для сравнения в кремнии дефекты образуются уже при энергии электрона несколько десятков кэВ. Алмаз также характеризуется уникально высокой подвижностью носителей заряда, что значительно уменьшает вероятность рекомбинации электронов и дырок при работе алмазного источника тока и приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Кроме того, уникально высокая теплопроводность алмаза значительно упрощает решение задачи об отводе тепла от любых электронных устройств на его основе. Система титан-платина-золото выступает в роли омического контакта, ее выбор обусловлен следующими требованиями: во-первых, данный контакт не должен приводить к существенному падению напряжения на нем, чтобы исключить дополнительные резистивные потери. Во-вторых, данный слой должен обладать высокой адгезией к алмазу и высокой стойкостью к термоциклированию, т.к. планируется, что он будет использоваться для соединения кристалла преобразователя с корпусом источника тока. Для формирования контакта с барьером Шоттки ключевой является максимальная разность работ выхода электрона из алмаза и из металла контакта - высота этого барьера определяет разность потенциалов на границах области пространственного заряда, от нее зависит напряжение, генерируемое базовым элементом. Именно платина (металлы платиновой группы) обеспечивает достижение максимального напряжения.
238
238
238
В качестве ионизирующего излучения взято альфа-излучение Pu, так как один грамм чистого Pu генерирует 0,567 Вт мощности, что обеспечивает достижение необходимого напряжения, также период полураспада Pu обеспечивает длительный срок службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию.
Изобретение поясняется чертежом, иллюстрирующим предлагаемое техническое решение.
Преобразование энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза осуществляется следующим образом. Источник 1 ионизирующего излучения испускает ионизирующее излучение 2. На пути ионизирующего излучения 2 располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа 3 с контактом Шоттки 4 и омическим контактом 5 так, чтобы ионизирующее излучение 2 полностью или частично попадало на контакт Шоттки 4. При помощи проводников 6 электрический ток снимается с контактов 4 и 5 и передается потребителю 7.
Была создана сборка из 130 преобразователей ионизирующего излучения, разделенная на 4 неравных сектора. В каждом секторе преобразователи были присоединены омическим контактом к медной подложке проводящим клеем и объединены параллельно при помощи микросварки к контактам Шоттки золотым проводом толщиной 40 мкм. Сектора были объединены последовательно-параллельно для достижения рабочего напряжения. Сборка была собрана в пластиковом корпусе для защиты от внешних воздействий.
Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом выразится в повышении степени генерации электрической энергии за счет использования высокоэнергетических ионизирующих источников с альфа-излучением, а также в увеличении срока службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию за счет использования синтетического алмаза в качестве полупроводникового материала, имеющего более высокую радиационную стойкость в условиях ионизирующего излучения по сравнению с карбидом кремния.
Пример конкретного выполнения способа
14
16
3
Для проведения испытаний были изготовлены образцы полупроводникового материала, состоящего из синтетического алмаза с содержанием бора в количестве 10-10 атомов на см, на который воздействовали альфа-излучением активностью 0,2 Ки.
В результате получена на выходе мощность 25 мкВт.
Одновременно проведены испытания известного способа. Результаты испытаний сведены в таблице.
Источники информации
1. Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009.
2. Патент US6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005.
3. Патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29.