МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭМИТТЕР ДЛЯ ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННОГО РАДИОИЗОТОПНОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к эмиттерам, используемым во вторично-эмиссионных радиоизотопных источниках тока. Изготовленные с такими эмиттерами вторично-эмиссионные радиоизотопные источники тока обычно используются в качестве автономного источника электрического питания долгосрочного действия для различных электрических и электронных цепей.

Известны однослойные и многослойные эмиттеры для радиоизотопных источников тока.

Применяемый в термоэмиссионных радиоизотопных источниках тока эмиттер представляет собой заполняемую радиоизотопным материалом емкость, покрытую снаружи слоем металла, например, вольфрама, служащего эмиттером [1] Под воздействием излучения радиоизотопного материала в емкости выделяется тепло, вызывающее термоэлектронную эмиссию электронов наружного слоя металла емкости, которые принимает внешняя металлическая оболочка, расположенная с зазором вокруг радиоизотопного материала.

Сложность работы с известным эмиттером заключается в том, что для его функционирования необходимо поддерживать в радиоизотопном материале в емкости высокую температуру (свыше 2000^оС) и одновременно охлаждать внешнюю оболочку.

Используемый во вторично-эмиссионных радиоизотопных источниках тока многослойный эмиттер лишен указанных выше недостатков. Он состоит из последовательно чередующихся тонких слоев двух различных металлов, например бериллия и меди, имеющих различные коэффициенты вторичной электронной эмиссии. Слои металла электрически изолированы один от другого, в частности, вакуумными промежутками. При этом общая толщина эмиттера, включая чередующиеся слои металлов, должны быть не более длины пробега в нем заряженной частицы, излучаемой радиоизотопом [2]
По своим энергетическим параметрам многослойный эмиттер превосходит однослойный эмиттер как применяемый в термоэмиссионных радиоизотопных источниках тока, как и во вторично-эмиссионных радиоизотопных источниках тока. Это обусловлено тем, что вторичные электроны во вторично-эмиссионном источнике тока образуются вдоль всего пути движения заряженной частицы в металле эмиттера, а испускается с поверхностных слоев эмиттера. Другими словами энергия заряженной частицы непосредственно преобразуется в энергию электронов, количество и средняя энергия которых значительно выше, чем при термоэлектронной эмиссии. В то же время использование эмиттера с металлическими чередующимися слоями ограничено максимально возможными значениями коэффициентов вторичной электронной эмиссии.

В основу изобретения положена задача создать многослойный эмиттер, позволяющий повысить энергетическую эффективность вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока за счет подбора материала одного из чередующихся слоев с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

Эта задача решается созданием многослойного эмиттера для вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока, имеющего толщину не более длины пробега в нем излучаемой радиоизотопом заряженной частицы и состоящего из последовательно чередующихся, электрически изолированных слоев двух различных материалов с неравными коэффициентами вторичной электронной эмиссии. В соответствии с изображением усовершенствование заключается в том, что один из чередующихся слоев выполнен из полупроводникового материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы. Предпочтительно в качестве такого материала использовать кремний или арсенид галлия.

Обычное, широко известное, использование полупроводниковых материалов заключается в создании эмиссии электронов через n-р-переход между двумя полупроводниковыми материалами при воздействии на один из них, например, радиоизотопным излучением или нагревом.

В конструкции предложенного эмиттера при радиоизотопном облучении его полупроводникового слоя используется эффект эмиссии электронов из поверхностной части слоя. В этом и представляется неочевидность предложенного технического решения применять полупроводниковые материалы с заданными свойствами для изготовления одного из чередующихся слоев эмиттера.

Благодаря предложенному техническому решению удается создать многослойный эмиттер с более улучшенными характеристиками энергетических показателей.

На чертеже схематично показан вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока с многослойным эмиттером, выполненным согласно изобретению.

Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока имеет герметичный корпус 1, в частности, из нержавеющей стали, приспособленный для создания в нем вакуума. Внутри корпуса размещен слой радиоизотопа 2, толщина которого составляет не больше длины пробега в нем заряженной частицы и принимается она из условия уменьшения потерь частиц, излучаемых делящимися ядрами из изотопного материала. Целесообразно радиоизотоп 2 изготовить в виде фольги толщиной порядка 5 мкм. В качестве радиоизотопа 2 могут быть применены изотопы калифорния-248, кюрия-242, полония-210.

Выбор радиоизотопа 2 диктуется прежде всего необходимым временем эксплуатации источника тока и тем, что изотоп должен излучать α-частицы, а остальные типы излучения (β и γ-частицы) должны быть пренебрежимо малы либо отсутствовать полностью.

С обеих сторон радиоизотопа 2 в корпусе 1 расположены эмиттеры 3, состоящие из последовательно чередующихся слоев 4 и 5 двух различных материалов, имеющих неравные коэффициенты вторичной электронной эмиссии и электрически изолированных один от другого решетками 6 из диэлектрического материала, в частности из керамики или пластмассы, или вакуумными промежутками 7. В качестве материала слоя 4 с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии необходимо использовать полупроводниковый материал, коэффициент вторичной электронной эмиссии которого был бы больше единицы. Предпочтительно применять такие полупроводниковые материалы, как кремний и арсенид галлия.

Как известно, коэффициент вторичной электронной эмиссии указанных полупроводниковых материалов составляет порядка 100. Поэтому изготовление из них одного из чередующихся слоев эмиттеров 3 достаточно эффективно влияет на его энергетические показатели.

Слой 4 полупроводникового материала получают путем вакуумно-дугового напыления на легко удаляемую подложку (не показана), располагаемую в вакуумном промежутке 7 между решетками 6 из диэлектрического материала. Легко удаляемая подложка может быть выполнена из такого же материала.

В качестве материала слоя 5 с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии предпочтительно использовать металл, например медь, по той причине, что ее коэффициенты вторичной электронной эмиссии при облучении α-частицами достаточно низки и соответственно равны 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. Толщина каждого слоя 4 или 5 эмиттеров 3 может быть 0,01-0,1 мкм.

Для предотвращения потерь электронов в промежутке 7 между слоями 4 и 5 давление в нем остаточных газов должно быть не хуже 10^-6 мм рт. ст. а расстояние между слоями 4 и 5 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 эмиттеров 3.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения диэлектрическая решетка 6 наносится непосредственно на слои 4 и 5 эмиттеров 3. Тем самым решетка 6 придает повышенную конструкционную жесткость слоям 4 и 5, в результате чего становится возможным изготавливать слои 4 и 5 толщиной всего порядка 0,01 мкм вместо 0,1 мкм.

Особенно важно наличие решетки 6 при изготовлении слоя 4 из полупроводникового материала толщиной порядка 0,01 мкм, учитывая его хрупкость. При отсутствии решеток 6 и наличии только вакуумных промежутков 7 между слоями 4 и 5 толщину слоя 4 необходимо увеличивать для придания ему достаточной конструкционной жесткости. Слой 5 металла обычно изготавливается в виде фольги.

Путем утоньшения слоев 4 и 5 удается создать эмиттер 3 с большими значениями энергетических показателей при тех же габаритах. Однако нужно следить за тем, чтобы суммарная толщина всех слоев 4 и 5 в каждом эмиттере 3 не превышала длины пробега излучаемой радиоизотопом 2 заряженной частицы в материале слоев 4 и 5.

Как видно на чертеже, слои 4 полупроводникового материала, т. е. 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 и разделяющая их диэлектрическая решетка 6 в вакуумном промежутке 7 составляет бинарную ячейку эмиттера 3, совокупность которых вместе с радиоизотопом 2 и представляет источник тока. Поэтому для объяснения принципа действия предложенного многослойного эмиттера вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока рассмотрим работу такой бинарной ячейки.

При пролете заряженной частицы, излучаемой радиоизотопом 2, через бинарную ячейку вторичная электронная эмиссия осуществляется с обеих поверхностей каждого слоя 4 и 5, но рассмотрим только поверхности, обращенные друг другу. При этом из слоя 4 выбито γ₄ электронов, а из слоя 5 γ₅ электронов.

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

Электрическая мощность P такого радиоизотопного источника тока пропорциональна площади S слоя радиоизотопа 2, которая должна определяться как
S где κ_о- удельная активность 1 см изотопа в Ки/см;
d_R толщина радиоизотопа;
ε_o- средняя энергия электронов.

Использование полупроводникового материала позволяет существенно повысить разность γ₄-γ₅, что ведет к увеличению эффективности устройства и улучшению массогабаритных характеристик.

В таблице приводятся сравнительные данные энергетических показателей известного источника тока, в котором чередующиеся слои эмиттера выполнены из меди, и предложенного источника тока, в котором один из чередующихся слоев эмиттера выполнен из кремния или арсенида галлия, а другой из меди.

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 при учете только потерь избыточного тепла путем излучения не превышает 300^оС. Увеличением площади излучающей поверхности источника эту температуру можно значительно уменьшить.

Сущность изобретения: многослойный эмиттер для вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока состоит из последовательно чередующихся слоев 4 и 5 полупроводникового материала и металла соответственно. Слои 4 и 5 электрически изолированы один от другого диэлектрическими решетками 6 или вакуумными промежутками 7, образуя эмиттеры 3, которые располагаются с обеих сторон радиоизотопа 2. Слои 4 соединены между собой проводниками 8 и образуют положительный вывод 9 источника тока, а слои 5 соединены проводниками 10 и образуют отрицательный вывод 11 источника тока. 2 з. п. ф-лы, 1 табл. 1 ил.

1. МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭМИТТЕР ДЛЯ ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННОГО РАДИОИЗОТОПНОГО ИСТОЧНИКА ТОКА, состоящий из двух рядов последовательно чередующихся электрически изолированных слоев двух различных материалов, толщина которого выбрана не превышающей длину пробега в нем излучаемых радиоизотопом заряженных частиц, отличающийся тем, что слои одного из рядов выполнены из полупроводникового материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии, превышающем коэффициент вторичной электронной эмиссии металла, из которого выполнены слои другого ряда эмиттера. 2. Эмиттер по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала использован кремний. 3. Эмиттер по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала использован арсенид галлия.