ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к источникам тока, использующим вторичную электронную эмиссию, индуцированную потоком заряженных частиц, более конкретно к вторично-эмиссионным радиоизотопным источникам тока, которые могут быть использованы в качестве автономного источника электрического питания различных электрических и электронных схем.

В настоящее время известны два типа радиоизотопных источника тока. Один из них, наиболее распространенный, содержит заполняемую радиоизотопным материалом емкость, покрытую снаружи слоем металла, служащего эмиттером, и расположенную концентрически вокруг емкости металлическую оболочку, принимающую электроны, перетекающие с поверхности эмиттера [1] В результате излучения радиоизотопного материала выделяется тепло, которое вызывает термоэлектронную эмиссию электронов в направлении от расположенной внутри емкости к внешней металлической оболочке, а возникающий при этом электрический ток течет в обратном направлении.

Промышленная привлекательность такого источника тока заключается в его простоте и значительных сроках работы. Однако его использование связано с рядом определенных трудностей из-за низкого значения КПД и необходимости поддержания в источнике высоких температур (свыше 2000^оС) и одновременного охлаждения его наружной оболочки.

Более прогрессивным радиоизотопным источником тока является вторично-эмиссионный источник тока [2] содержащий расположенный в герметичном вакуумированном корпусе слой радиоизотопа, по обеим сторонам от которого помещены металлические эмиттеры. Их толщина не превышает длины пробега в металле эмиттера заряженной частицы, излучаемой радиоизотопом. При этом каждый эмиттер выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенты вторичной электронной эмиссии которых отличаются один от другого.

Эффективность радиоизотопного источника тока такого типа определяется тем, что вторичные электроны образуются вдоль всего пути движения заряженной частицы в металле, т. е. энергия заряженной частицы непосредственно преобразуется в энергию электронов, количество и средняя энергия которых несоизмеримо выше, чем при термоэлектронной эмиссии. Поэтому данный источник тока имеет высокие энергетические показатели, которые прямо пропорциональны количеству слоев эмиттера.

Так как общая толщина эмиттера не превышает длины пробега излучаемой радиоизотопом заряженной частицы, то увеличит количество слоев, а значит, и КПД эмиттера возможно только за счет уменьшения толщины каждого слоя. Однако при уменьшении толщины слоев эмиттера они теряют свою конструкционную жесткость, в связи с чем может нарушиться их электрическая изоляция, например, при прогибе и уменьшатся тем самым вакуумные промежутки между ними.

В основу изобретения положена задача создать вторично-массивный радиоизотопный источник тока с достаточной конструкционной жесткостью эмиттера при одновременном уменьшении толщины его слоев.

Эта задача решается созданием вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока, содержащего размещенные в герметичном корпусе радиоизотопом и эмиттер толщиною не более длины пробега в нем излучаемой радиоизотопом заряженной частицы, состоящий из последовательно чередующихся электрически изолированных слоев двух различных веществ с неравными коэффициентами вторичной электронной эмиссии, в котором в соответствии с изобретением между слоями эмиттера расположены решетки из диэлектрического материала, предназначенные для электрической изоляции слоев эмиттера и повышения жесткости конструкции эмиттера при малой толщине его слоев.

В предпочтительной форме реализации изобретения решетка из диэлектрического материала нанесена непосредственно на слои эмиттера.

Благодаря повышению конструкционной жесткости слоя эмиттера появляется возможность толщину каждого слоя уменьшить до величины не более нескольких атомных слоев вещества, из которого выполнен слой эмиттера.

В одном варианте осуществления изобретения решетки между слоями эмиттера целесообразно выполнить из керамики. В другом варианте осуществления изобретения указанные решетки между слоями эмиттера могут быть выполнены из пластмассы.

Преимущество разработанного в соответствии с изобретением вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока заключается в заметном повышении его энергетических показателей.

На фиг. 1 показан схематично вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока, выполненный в соответствии с изобретением; на фиг. 2 изображена бинарная ячейка эмиттера этого источника тока.

Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока имеет герметичный корпус 1, в частности, из нержавеющей стали, приспособленный для создания в нем вакуума. Внутри корпуса примерно в его средней части размещен слой радиоизотопа 2, толщина которого составляет не больше длины пробега в нем заряженной частицы и принимается она из условия уменьшения потерь частиц, излучаемых делящими ядрами из изотопного материала. Обычно радиоизотоп 2 изготавливается в виде фольги толщиной порядка 5 мкм. В качестве радиоизотопа могут быть применены изотопы калифорния-248, кюрия-242, полония-210. Выбор радиоизотопа определяется прежде всего необходимым временем эксплуатации источника тока и тем, что изотоп должен излучать α-частицы, а остальные типы узлучения ( β и γ-частицы) должны быть пренебрежимо малы либо отсутствовать полностью.

С обеих сторон слоя радиоизотопа 2 расположены эмиттеры 3, состоящие из последовательно чередующихся слоев 4 и 5 металлов, имеющих различные коэффициенты вторичной электронной эмиссии и электрически изолированных один от другого решетками 6 из диэлектрического материала, в частности из керамики или пластмассы. В качестве металлов слоев 4 и 5 предпочтительно использовать бериллий и медь по той причине, что их коэффициенты вторичной электронной эмиссии при облучении α-частицами достаточно высоки и соответственно равны 30 и 5,5, а длина пробега α-частиц с энергией 5-6 МэВ в них составляет около 23 мкм, причем средняя энергия электронов вторичной эмиссии около 15 В. Один из слоев 4 или 5 может быть изготовлен из полупроводникового материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы. В конкретном случае таким полупроводниковым материалом могут быть, в частности, кремний или арсенид галлия.

Для предотвращения потерь электронов в промежутке 7 между слоями 4 и 5 металлов давление там остаточных газов должно быть не хуже 10^-6 мм рт. ст. а расстояние между слоями 4 и 5 металлов не должно превышать длины свободного пробега электронов в остаточном газе. Это расстояние фиксируется диэлектрической решеткой 6, толщина которой сопоставима с толщиной слоя 4 или 5 металла.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения диэлектрическая решетка 6 наносится непосредственно на слои 4 и 5 металла. Тем самым решетка придает повышенную конструкционную жесткость слоям 4 и 5 металла, в результате чего становится возможным изготавливать слои 4 и 5 металла в виде более тонкой фольги порядка 0,05 мкм вместо 0,1 мкм, как это имеет место в известном вторично-эмиссионном радиоизотопном источнике тока. Благодаря получению более тонких слоев 4 и 5 металлов удалось создать эмиттер 3 с большими значениями энергетических показателей при тех же габаритах. Однако нужно следить за тем, чтобы сумма толщин всех металлических слоев 4 и 5 в каждом эмиттере 3 не превышала длины пробега излучаемой радиоизотопом 2 заряженной частицы в металле.

Слои 4 металла с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 8 и образуют положительный вывод 9 источника тока, а слои 5 металла с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 10 и образуют отрицательный вывод 11 источника тока.

Каждые два слоя 4 и 5 металла и разделяющая их диэлектрическая решетка 6 составляют бинарную ячейку эмиттера 3, совокупность которых вместе с радиоизотопом 2 и представляет источник тока. Поэтому для объяснения принципа действия предложенного вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока покажем работу такой бинарной ячейки, изображенной на фиг. 2.

Будем считать, что слой 4 изготовлен из металла с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, например бериллия, а слой 5 из металла с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, например меди, и оба слоя 4 и 5 облучаются α-частицами (ионами), излучаемыми радиоизотопом 2 в направлении, показанном большой стрелкой.

При пролете заряженной частицы через бинарную ячейку вторичная электронная эмиссия осуществляется с обеих поверхностей каждого слоя 4 и 5, но рассмотрим только поверхности, обращенные друг к другу, когда из слоя 4 металла выбито γ₄ электронов, а из слоя 5 металла γ₅ электронов. Перемещение этих электронов показано меленькими стрелками.

Практически все выбитые заряженной частицей вторичные электроны при отсутствии в промежутке 7 между слоями 4 и 5 металлов электромагнитных полей достигают противоположного слоя. Вследствие этого на слое 4 металла образуется недостаток электронов, а на слое 5 металла их избыток, равный γ₄-γ₅ электронов.

При подключении бинарной ячейки к нагрузке в цепи течет электрический ток. Коэффициент η преобразования энергии одной пары слоев металла можно записать в виде
η где ε_o- средняя энергия электронов эмиссии;
ε_α- энергия заряженной частицы (иона).

Набрав N таких бинарных ячеек, получим
N где R длина пробега заряженной частицы в металле;
d₄ толщина слоя 4 металла;
d₅ толщина слоя 5 металла, т. е. увеличим коэффициент преобразования в 2N раз, увеличив тем самым ток вторичных электронов. Коэффициент показывает, что эмиссия происходит с обеих поверхностей каждого металлического слоя. КПД источника тока, содержащего N бинарных ячеек, можно записать в виде
η
Электрическая мощность P такого радиоизотопного источника тока пропорциональна площади S слоя радиоизотопа 2, которая должна определяется как
S где κ- удельная активность 1 см³ изотопа в Ки/см³;
d_R толщина радиоизотопа.

Сравнительные данные энергетических показателей известного и предложенного вторично-эмиссионного радиоизотопных источников тока с эмиттером, изготовленным из бериллия и меди, приведены в таблице.

Из таблицы видно, что по своим энергетическим параметрам предложенный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока превосходит известный.

Эксперименты также показывают, что при компоновании предлагаемого источника тока в куб со стороной длиной 1 м его температура нагрева за счет только потерь избыточного тепла путем излучения не превышает 300^оС. Увеличением излучаемой поверхности источника эту температуру можно значительно уменьшить.

Сущность изобретения: вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока имеет расположенные в герметичном вакуумированном корпусе 1 слой радиоизотопа 2 и находящиеся с его обеих сторон эмиттеры 3 в виде последовательно чередующихся слоев 4 и 5 двух различных веществ с неравными коэффициентами вторичной электронной эмиссии. Слои 4 и 5 эмиттеров 3, выполненные из металлов или полупроводников, электрически изолированы один от другого решетками 6 из диэлектрического материала, размещенными в промежутках 7, которые могут быть нанесены непосредственно на слои 4 или 5. Решетки 6 служат также для придания повышенной конструкционной жесткости слоям 4 и 5 при значительном уменьшении их толщины. 3 з. п. ф-лы, 1 табл. 2 ил.

1. ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА, содержащий размещенные в герметичном корпусе радиоизотоп и эмиттер толщиной, не превышающей длины пробега в нем излучаемых радиоизотопом заряженных частиц, состоящий из последовательно чередующихся электрически изолированных слоев двух различных веществ с неравными коэффициентами вторичной электронной эмиссии, отличающийся тем, что толщина каждого из слоев эмиттера выбрана не превышающей нескольких атомных слоев вещества эмиттера, а между соседними слоями расположены решетки, выполненные из диэлектрического материала для электрической изоляции слоев и повышения жесткости эмиттера. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что каждая из решеток образована нанесением диэлектрического материала на соответствующий слой эмиттера. 3. Источник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве материала решетки использована керамика. 4. Источник по пп.1-2, отличающийся тем, что в качестве материала решетки использована пластмасса.