Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в ультрафиолетовое излучение. В заявленном способе предусмотрено использование диссоциирующего газа и преобразование ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Источник альфа-излучения испускает альфа-частицы, которые в диссоциирующем газе превращаются в ультрафиолетовое излучение. На пути ультрафиолетового излучения располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа с контактом Шоттки и омическим контактом так, чтобы ультрафиолетовое излучение полностью или частично попадало на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза. При этом электрический ток снимается с контактов при помощи проводников и передается потребителю. Техническим результатом изобретения является исключение сложной, многостадийной схемы изготовления полупроводниковой структуры с возможностью использования только низкоэнергетических бета-источников, повышение электрофизических характеристик (радиационная стойкость, напряжение пробоя, подвижность электронов и дырок, теплопроводность) при преобразовании энергии ионизирующего излучения различных видов (альфа-излучение, бета-излучение, ультрафиолетовое излучение) в широком диапазоне энергий в электрическую энергию. 4 з. п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в ультрафиолетовое излучение с помощью диссоциирующего газа и преобразование ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Способ может быть использован в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы.

Изучение процессов и методов преобразования энергии ультрафиолетового излучения и ионизирующего излучения в электрическую энергию актуально по нескольким причинам. Во-первых, такие исследования имеют фундаментальное значение для изучения полупроводниковых 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.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является автономный источник питания и способ двухступенчатого преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, патент US №8552616, публ. 2013.10.08, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29, содержащий в качестве первичного источника ионизирующего излучения радиоизотопы, воздействие излучения на газ криптон или ксенон, размещенные в герметичной емкости с созданием ультрафиолетового излучения, которым в качестве вторичного источника ионизирующего излучения воздействуют на полупроводниковый материал с областями р- и n-типами проводимости и области p-n перехода, присоединение к различным областям проводимости проводников, генерацию электрического тока в полупроводниковом материале и последующее снятие электричества посредством проводников.

К недостаткам известного изобретения можно отнести использование в качестве первичного источника ионизирующего излучения радиоактивного материала низкоэнергетических радиоизотопов Sr-35,Tm-171, Po-210 с периодом полураспада 0,239-1,92 года, которые не могут обеспечить стабильную работу в течение длительного времени, а также обеспечивают низкую степень генерации электричества в полупроводнике.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, обеспечивающего стабильную работу в течение более длительного времени, а также высокую степень генерации электричества в полупроводнике.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающем воздействие на газ, содержащийся в герметичной емкости, энергией радиоизотопа с созданием ультрафиолетового излучения, воздействие им в качестве вторичного источника ионизирующего излучения на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза, состоящий из областей с р- и n-типами проводимости в области p-n перехода, генерирование в нем электричества, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и снятие электричества с их помощью, согласно изобретению, в качестве первичного источника ионизирующего излучения используют радиоизотопы тяжелых металлов, излучением которых воздействуют на смесь газов, состоящую из криптона и хлора, в соотношении (97±2):(3±2) по объему соответственно, находящуюся в герметичной емкости, тем самым создают ультрафиолетовое излучение, которым воздействуют на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза. В качестве полупроводникового материала используют синтетический алмаз р-типа проводимости, содержащий бор в количестве 1014-1016 атомов на см3, и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото 5-100 нм толщиной для съема положительного заряда, и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия толщиной 10-200 нм, для снятия отрицательных зарядов, генерируемых внутри полупроводникового материала с присоединением к ним проводников.

Смесь газов из криптона и хлора в соотношении по объему (97±2):(3±2) соответственно после воздействия на них ионизирующим излучением создает ультрафиолетовое излучение с длиной волны, соответствующей максимальной степени поглощения алмазом.

В качестве первичного ионизирующего излучения взято альфа-излучение 238Pu, так как один грамм чистого 238Pu генерирует 0,567 Вт мощности, что обеспечивает достижение необходимого напряжения, также период полураспада 238Pu обеспечивает длительный срок службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию.

Выбор системы металлизации титан-платина-золото в роли омического контакта 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 полупроводниковым базовым элементом-преобразователем на основе синтетического алмаза. Именно платина (металлы платиновой группы) обеспечивает достижение максимального напряжения.

Изобретение поясняется фигурой, иллюстрирующей предлагаемое техническое решение.

Преобразование энергии альфа-излучения радиоизотопа в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза осуществляется следующим образом. Источник 1 альфа-излучения испускает альфа-частицы, которые в диссоциирующем газе вызывают ультрафиолетовое излучение 2. На пути лучей ультрафиолетового излучения 2 располагается синтетический полупроводниковый алмаз с р- и n-типом проводимости 3 с контактом Шоттки 4 и омическим контактом 5 так, чтобы ультрафиолетовое 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.

Пример конкретного выполнения способа.

Для проведения испытаний создают образцы полупроводникового материала, состоящего из синтетического алмаза с содержанием бора в количестве 1014-1016 атомов на см3. Также предварительно изготавливают смесь газов, состоящую из криптона и хлора в соотношении 95 и 5 объемн.% соответственно, и смесь тех же газов в соотношении 99 и 1 объемн.%.

Создают сосуд давления со сложенными один на другой 362 слоями полупроводниковых базовых элементов-преобразователей на основе синтетического алмаза, закрепленных в подложке из диоксида циркония (ZrO2) и пластин с напыленным плутонием 238Pu (плутоний-238). Между слоями базовых элементов и пластинами с плутонием необходим зазор 100 мкм, который наполняется газовой смесью криптон-хлор путем закачки газа в сосуд под давлением 150 атм. Верх сосуда, через который вставляют набор элементов, закрывается фланцем со шпильками.

Одновременно проведены испытания известного способа. Результаты испытаний сведены в таблице.

Таблица
Способ Параметры способа Показатели способа
Мощность источника Срок службы
Предлагаемый Алмаз с содержанием бора в количестве 1014 атомов/см3 Альфа-излучение (238Pu)+ газовая смесь Kr-Cl (95:5) 20 нВт 30 лет
Алмаз с содержанием бора в количестве 1016 атомов/см3 Альфа-излучение (238Pu)+ газовая смесь Kr-Cl (99:1) 20 нВт 30 лет
Известный карбид кремния Альфа-излучение (210Ро)+ газовая смесь Kr-Cl (97:3) 10 мкВт 1 год

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом выразится в более высокой степени генерации электричества за счет использования высокоэнергетических источников альфа-излучения и увеличении надежности и срока службы приборов, использующих способ двухступенчатого преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию.

Источники информации

1. Патент US №8552616, публ. 2013.10.08, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29.

1. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающий воздействие на газ, содержащийся в герметичной емкости, энергией радиоизотопа с созданием ультрафиолетового излучения, воздействие им в качестве вторичного источника ионизирующего излучения на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза, состоящий из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, генерирование в нем электричества, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и снятие электричества с их помощью, отличающийся тем, что в качестве первичного источника ионизирующего излучения используют радиоизотопы тяжелых металлов, излучением которых воздействуют на смесь газов, состоящую из криптона и хлора, в соотношении (97±2):(3±2) по объему соответственно, находящуюся в герметичной емкости, тем самым создают ультрафиолетовое излучение, которым воздействуют на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза, в качестве полупроводникового материала используют синтетический алмаз р-типа проводимости, содержащий бор в количестве 1014-1016 атомов на см3, и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для снятия положительного заряда, и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия, для снятия отрицательных зарядов, генерируемых внутри полупроводникового материала с присоединением к ним проводников.

2. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что металлические контакты в виде трехслойной системы металлизации вида титан-платина-золото наносят толщиной 5-100 нм каждый.

3. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что контакты с потенциальным барьером Шоттки - из платины, или золота, или ирридия наносят толщиной 10-200 нм каждый.

4. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в металле контакта Шоттки формируют отверстия различной формы и размеров для лучшего прохождения ионизирующего излучения.

5. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника первичного излучения используют плутоний-238 или его радионуклиды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников и может использоваться в энергетике. Подземный ядерно-энергетический комплекс содержит наклонные У-образно расположенные скважины.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию ядерного распада в электрическую энергию, и может быть использовано в производстве компактных источников электрического тока длительного пользования.

Изобретение относится к использованию локальной электрической станции-преобразователя энергии излучения радиоактивного вещества в электрическую. .

Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает 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 с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество. Техническим результатом 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. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Наверх