Радиоизотопный механо-электрический генератор

Изобретение относится к радиоизотопным механо-электрическим генераторам с пьезоэлектрическим кантилевером. Устройство включает отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на первой металлической плате и содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая коллектором. Также предусмотрено наличие расположенной вне зоны действия радиоактивного изотопа опоры из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, являющейся пьезоэлектрическим преобразователем.. Балка-кантилевер выполнена из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой и содержит на поверхностях электроды пьезоэлектрического преобразователя, выполненные из тонкопленочного металлического покрытия, к которому присоединены выводы выходного напряжения. При этом один из электродов электрически соединен с коллектором, опора балки-кантилевера содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и металлические фиксаторы положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов. Техническим результатом является расширение области применения за счет возможности подбора и регулировки частоты выходного переменного напряжения путем изменения длины свободной части балки-кантилевера в процессе сборки. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиоизотопным микромеханическим и микроэлектромеханическим устройствам и, в частности, к радиоизотопным механо-электрическим генераторам с пьезоэлектрическим кантилевером.

В настоящее время существуют все возрастающие потребности высокотехнологичных секторов экономики, таких как ядерная энергетика, авиакосмическая техника, нано- и микроэлектроника (в том числе МЭМС/НЭМС, МОЭМС/НОЭМС), биомедицина, специальная техника (в том числе системы безопасности и контроля), в необслуживаемых источниках энергообеспечения с длительным сроком эксплуатации. Вместе с тем наблюдается усиление тенденций по наращиванию присутствия в Арктике и освоения Сибири, для чего необходимо предусмотреть создание сети автономного навигационного оборудования, систем телеметрии и метеорологии, позволяющей производить онлайн-мониторинг широкого спектра параметров, а также позволяющей повысить точность позиционирования навигационной системы ГЛОНАСС в приполярных широтах. Разработка компактных необслуживаемых элементов питания повышенного срока службы способствует созданию существенного стратегического задела с возможностью занятия лидирующих мировых позиций в данной отрасли.

Известно устройство (US 6479920 B1, опубликован 12.11.2002), содержащее плату с закрепленным на ней пленочным источником β-излучения (эмиттер) и расположенный параллельно плате упругий кантилевер, один конец которого закреплен на опоре, причем на закрепленном конце кантилевера расположен пьезоэлектрический элемент с выводами выходного напряжения, а на свободном конце кантилевера расположен металлический абсорбер β-излучения (коллектор).

В этом устройстве коллектор собирает электроны, излучаемые источником β-излучения, а положительные заряды остаются в радиоактивном источнике. Результирующая электростатическая сила перемещает кантилевер в сторону источника. Когда расположенный на кантилевере коллектор касается эмиттера, заряды нейтрализуются и из-за упругости кантилевера он возвращается обратно в исходное положение. Затем этот цикл повторяется и кантилевер в этом устройстве является самовозвратным.

К недостаткам этого устройства относится то, что при работе генератора происходит изгиб свободного конца кантилевера на всем пути через зазор между коллектором и эмиттером, обеспечивающий короткое замыкание пары эмиттер-коллектор, что требует последующей зарядки коллектора, начиная от нулевого потенциального уровня. Кроме того, в этом устройстве электроны эмиттируются на изгибающийся кантилевер и по мере сближения коллектора с эмиттером эффективное электрическое поле между ними резко возрастает, что приводит к увеличению скорости ионизации молекул газа в зазоре эмиттер-коллектор и может привести к большим токам утечки.

Известно также устройство (US 0273244 A1, опубл. 29.11.2007) (прототип), в котором используется отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая обкладка которого, являющаяся коллектором, выполнена из металла с высокой электропроводностью. Устройство содержит также расположенные вне зоны действия радиоактивного изотопа опору из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, выполненной из металла или кремния, пьезоэлектрический преобразователь, электрически соединенный с коллектором и содержащий выводы выходного напряжения, металлическую плату, расположенную параллельно балке на некотором расстоянии от нее, электрически связанную с подложкой пленки радиоактивного изотопа и находящуюся под потенциалом эмиттера.

Собранный на коллекторе заряд распределяется между плоскопараллельным конденсатором эмиттер-коллектор и отдельно расположенным конденсатором с изменяющейся емкостью, который формируется в зазоре между балкой-кантилевером и металлической платой, расположенной параллельно балке-кантилеверу и находящейся под потенциалом эмиттера.

Конденсатор эмиттер-коллектор теряет заряд через ток смещения и ионизационные утечки, но увеличение расстояния между эмиттером и коллектором позволяет снизить электрическое поле в плоскопараллельном конденсаторе и ток ионизации может быть сведен к минимуму. В отдельно расположенном конденсаторе кантилевер - металлическая плата ток ионизации отсутствует.

Расположенная вне зоны действия радиоактивного изотопа балка-кантилевер постоянно находится под потенциалом коллектора, а металлическая плата, расположенная параллельно балке-кантилеверу на некотором расстоянии от нее, находится под потенциалом эмиттера. При самовозбуждении упругой балки-кантилевера имеет место ее изгиб в небольшой части зазора и происходит непрерывная вибрация балки-кантилевера, а пьезоэлектрическая сборка непрерывно генерирует переменное напряжение.

Недостатком этого устройства является невозможность подбора и регулировки периода колебания балки-кантилевера в процессе сборки устройства, который зависит как от упругости и сечения балки, так и от длины свободной части балки.

Техническим результатом является расширение области применения путем создания возможности подбора и регулировки изменять частоту выходного переменного напряжения за счет изменения длины свободной части балки-кантилевера в процессе сборки.

Это достигается тем, что в конструкции радиоизотопного механо-электрического генератора, включающей отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на металлической плате и содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая обкладка которого, являющаяся коллектором, выполнена из металла с высокой электропроводностью; включающей расположенные вне зоны действия радиоактивного изотопа опору из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, пьезоэлектрический преобразователь, электрически соединенный с коллектором и содержащий выводы выходного напряжения, включающий металлическую плату, расположенную параллельно балке на некотором расстоянии от нее, электрически соединенную с металлической платой эмиттера и находящуюся под потенциалом эмиттера, в отличие от известного технического решения балка-кантилевер выполнена из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой, содержит на верхней поверхности тонкопленочное металлическое покрытие-электрод пьезоэлектрического преобразователя, а на нижней поверхности содержит трехслойное тонкопленочное покрытие, где первый слой, выполненный из металла, - электрод пьезоэлектрического преобразователя, второй слой - тонкопленочное диэлектрическое покрытие, третий слой, выполненный из металла, - потенциальный электрод балки-кантилевера, а опора балки-кантилевера, выполненная из диэлектрического материала, содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и содержит металлические фиксаторы положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов и выводы выходного напряжения механо-электрического генератора от нижнего электрода кантилевера и верхнего электрода кантилевера через верхний металлический фиксатор.

Введение в конструкцию радиоизотопного механо-электрического генератора балки-кантилевера, выполненной из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой и содержащей на верхней и нижней поверхностях систему тонкопленочных электродов, позволило, в отличие от прототипа, использовать плоскую балку-кантилевер без жесткой фиксации на ее поверхности отдельной пьезоэлектрической сборки. Это в свою очередь позволяет при регулировке выходных характеристик радиоизотопного механо-электрического генератора осуществлять перемещение балки-кантилевера в направлении, перпендикулярном опоре через сквозной проем, изменяя тем самым колебания балки-кантилевера и соответственно частоту переменного выходного напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежом радиоизотопного механо-электрического генератора.

Устройство содержит: основание 1, металлическую плату 2 эмиттера, эмиттер 3, содержащий пленку радиоактивного изотопа-источника β-излучения, диэлектрические опоры 4 коллектора, коллектор 5, электрическое соединение 6 коллектора с металлическим электродом балки-кантилевера через нижний металлический фиксатор, выводы 7 выходного напряжения механо-электрического генератора от электродов кантилевера через металлические фиксаторы, диэлектрическую опору 8 балки-кантилевера, верхний и нижний фиксаторы 9 балки-кантилевера в опоре, электроды 10 пьезоэлектрического элемента-кантилевера, пьезоэлектрическую балку-кантилевер 11, металлическую плату 12 кантилевера, электрическое соединение 13 металлической платы эмиттера с металлической платой кантилевера.

Реализация предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом.

Устройство смонтировано на основании 1. Отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на медной плате 2 и содержащая пленку радиоактивного изотопа Ni-63 размером 5×5 мм, является эмиттером 3, а вторая обкладка которого размером 7×7 мм, являющаяся коллектором 5, выполнена из металла. Плата 2 и коллектор 5 имеют контактный зажим для подсоединения провода. Фторопластовые опоры коллектора 4 винтового типа позволяют регулировать зазор эмиттер-коллектор в интервале 0-1 мм для установки необходимого постоянного напряжения. Коллектор 5 собирает электроны, излучаемые радиоактивным изотопом Ni-63, а положительные заряды остаются на эмиттере. Конденсатор эмиттер-коллектор теряет заряд через ток смещения и ионизационные утечки, но увеличение расстояния между эмиттером и коллектором позволяет снизить электрическое поле в плоскопараллельном конденсаторе и ток ионизации может быть сведен к минимуму (в соответствии с методикой, описанной в прототипе US 0273244 A1).

Отдельно расположенный блок кантилевера содержит опору балки-кантилевера 8, выполненную из фторопласта и закрепленную вертикально на основании 1. Балка-кантилевер 8 содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и содержит металлические фиксаторы 9 положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов, и выводы выходного напряжения механо-электрического генератора от нижнего электрода кантилевера и верхнего электрода кантилевера через верхний металлический фиксатор. Верхний и нижний фиксаторы балки выполнены из металла, причем нижний фиксатор жестко закреплен в проеме опоры, а верхний подпружиненный фиксатор поджимается к балке винтом с верхнего торца опоры. Фиксаторы имеют контактный зажим для подсоединения провода.

Балка-кантилевер 11 выполнена из монокристаллического ниобата лития со сформированной бидоменной структурой, имеет размеры 25×5×0,2 мм, задаваемые требованием наличия заданной частоты собственных колебаний консоли после релаксации заряда и имеет 2 плоскопараллельные грани. Предварительно глубина залегания и морфология доменной структуры изучается методом селективного травления. Тонкопленочные электроды пьезоэлектрического элемента-кантилевера 10 сформированы по всей площади верхней и нижней поверхностей балки методом магнетронного распыления.

Блок кантилевера содержит металлическую плату 12, расположенную параллельно балке на некотором расстоянии от нее. Металлическая плата расположена перпендикулярно опоре 8 между балкой кантилевера 11 и основанием 1, содержит на торце выемку с размером, равным сечению опоры 8 для перемещения по высоте опоры при регулировке зазора между потенциальным электродом балки кантилевера и металлической платой, и содержит фиксатор положения платы на опоре.

За счет электрического соединения 6 электрод балки-кантилевера 10 постоянно находится под потенциалом коллектора 5. За счет электрического соединения 13 металлическая плата кантилевера 12 постоянно находится под потенциалом эмиттера 2. Электростатическое притяжение вызывает изгиб упругой балки-кантилевера в небольшой части зазора, а затем из-за упругости кантилевера он возвращается в исходное положение. Этот цикл повторяется и пьезоэлектрическая сборка 10, 11, 12 непрерывно генерирует переменное синусоидальное напряжение, частота которого зависит от свойств балки (упругость, размеры) и от зазора между потенциальным электродом балки кантилевера и металлической платой и длины вылета балки кантилевера. В заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, существует возможность регулировки независимых от свойств балки параметров и, как следствие, возможность устанавливать требуемую частоту выходного напряжения.

Было экспериментально установлено, что при используемых для реализация предлагаемой конструкции комплектующих регулировка позволяет изменять частоту выходного переменного напряжения в интервале 100-10000 Гц.

Радиоизотопный механо-электрический генератор, включающий отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на первой металлической плате и содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая - коллектором, а также расположенную вне зоны действия радиоактивного изотопа опору из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, являющейся пьезоэлектрическим преобразователем, длина свободного конца которой обеспечивает заданную резонансную частоту генератора, при этом пьезоэлектрический преобразователь электрически соединен с коллектором и содержит выводы выходного напряжения, при этом металлическая плата, расположенная на диэлектрической опоре параллельно балке на некотором расстоянии от нее, электрически соединена с эмиттером, отличающийся тем, что балка-кантилевер выполнена из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой, содержит на поверхностях электроды пьезоэлектрического преобразователя, выполненные из тонкопленочного металлического покрытия, к которому присоединены выводы выходного напряжения, при этом один из электродов электрически соединен с коллектором, опора балки-кантилевера, выполненная из диэлектрического материала, содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и содержит металлические фиксаторы положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской установке, предназначенной для выполнения инъекций пациентам элюирующего раствора, содержащего рубидий-82. Установка (1) содержит, в частности, средства (3) для вмещения генератора (G) стронция/рубидия, способного к выработке элюирующего раствора, который содержит указанный рубидий-82 и который способен загрязняться стронцием-82 и/или стронцием-85.

Изобретение относится к средствам производства радионуклидов. Изобретение предусматривает наличие в генераторе первого и второго радионуклидов одного и того же химического элемента: изотопы одного и того же химического элемента имеют сходные химические свойства и поэтому обычно не могут быть разделены традиционными химическими методами; в этом аспекте изобретение обеспечивает разделение.

Изобретение относится к способу выделения изотопа 63Ni из облученной металлической мишени для использования в автономных источниках питания, например, основанных на бетавольтаическом эффекте.

Изобретение относится к области физико-химического разделения радионуклидов, в частности к способу получения радионуклида стронция-82, и может быть использовано в ядерной медицине.

Изобретение относится к технологии получения радионуклидов для ядерной медицины. Способ получения радионуклида 177Lu включает изготовление мишени, содержащей лютеций природного изотопного состава или обогащенный по изотопу 176Lu, облучение нейтронами мишени, с последующим выделением целевого радионуклида 177Lu, полученного в результате реакции 176Lu(n, γ)177Lu .

Изобретение относится к технологии получения радиоактивных изотопов. Заявленный способ выделения препарата 225Ас из смеси 228Th и 229Th включает сорбцию смеси изотопов тория на сильноосновной анионообменной смоле с последующей очисткой раствора, содержащего 225Ас, от примесей, отделяют радиоактивные изотопы радия и свинца путем их осаждения.
Изобретение относится к области получения радиоактивных изотопов, а более конкретно к технологии получения радиоактивного изотопа никель-63, используемого в производстве бета-вольтаических источников тока.

Изобретение относится к реакторной технологии получения радионуклидов и может быть использовано для производства радионуклида 63Ni, являющегося основой для создания миниатюрных автономных источников электрической энергии с длительным сроком службы, работающих на бета-вольтаическом эффекте.

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами.

Заявленное изобретение относится к изотопному генератору. Колонный блок изотопного генератора содержит колонну, содержащую материнский радионуклид, который самопроизвольно распадается на относительно короткоживущий дочерний радионуклид.

Изобретение относится к генератору для получения стерильных радиоизотопов. Генератор содержит колонку с сорбентом и радиоизотопом, размещенную внутри радиационной защиты и корпуса генератора, иглу элюата, соединенную трубкой с колонкой, многоходовый кран снабжен ручкой переключения, воздушный фильтр. Верхняя часть колонки закрыта пробкой из свинца, выходная трубка из стали, являющаяся линией элюата, вставлена в нижнюю часть колонки, огибает ее боковую сторону, проходит через пробку, через воздушный фильтр, закрепленный внутри верхней части корпуса, и соединена с иглой элюирования, надетой на выходной штуцер жидкостного фильтра. Входная трубка из стали, являющаяся линией элюента, вставлена через пробку в верхнюю часть колонки и соединена с первым штуцером трехходового крана, на второй штуцер трехходового крана надет воздушный фильтр, к третьему штуцеру трехходового крана подсоединен гибкий шланг для соединения с нижней частью емкости с элюентом. Техническим результатом является повышение эффективности элюирования и выхода целевого радионуклида при повышении автоматизации процесса элюирования. 1 ил.

Изобретение относится к cпособу наработки радиоактивных изотопов в ядерном реакторе на быстрых нейтронах. Способ предусматривает использование мишеней для наработки радиоизотопов, размещаемых в облучательной сборке между втулками, и прутков, выполненных с использованием замедляющего нейтроны материала, при этом облучательную сборку помещают в боковом экране ядерного реактора на быстрых нейтронах. Вокруг облучательной сборки располагают сборки, не содержащие ядерное топливо. Быстрые нейтроны пропускают в облучательной сборке через замедляющий нейтроны материал и далее замедленные нейтроны пропускают через облучаемый материал (мишени) в облучательной сборке. Наработка радиоизотопов производится одновременно в облучательной сборке и сборках, ее окружающих, в которых содержание стали не превышает 50%. Мишени облучательной сборки имеют сечение поглощения более 1 барн при энергии нейтронов менее 0,1 МэВ. Мишени сборок окружения облучательной сборки имеют сечение поглощения нейтронов ниже 1 барн при энергии нейтронов более 0,1 МэВ. Техническим результатом является упрощение обращения со сборками при дополнительном повышении процесса наработки радионуклидов за счет использования для наработки дополнительных радиоактивных изотопов с помощью быстрых нейтронов при одновременном сохранении функции устранения тепловых нейтронов объема реакторной установки, ранее предназначенного лишь для пассивного устранения тепловых нейтронов объема реакторной установки, ранее предназначенного лишь для пассивного устранения тепловых нейтронов, при сохранении безопасности работы реактора на быстрых нейтронах. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиоизотопным механо-электрическим генераторам с пьезоэлектрическим кантилевером. Устройство включает отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на первой металлической плате и содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая коллектором. Также предусмотрено наличие расположенной вне зоны действия радиоактивного изотопа опоры из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, являющейся пьезоэлектрическим преобразователем.. Балка-кантилевер выполнена из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой и содержит на поверхностях электроды пьезоэлектрического преобразователя, выполненные из тонкопленочного металлического покрытия, к которому присоединены выводы выходного напряжения. При этом один из электродов электрически соединен с коллектором, опора балки-кантилевера содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и металлические фиксаторы положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов. Техническим результатом является расширение области применения за счет возможности подбора и регулировки частоты выходного переменного напряжения путем изменения длины свободной части балки-кантилевера в процессе сборки. 1 ил.

Наверх