ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1996 года по МПК H01J45/00 

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

Известны два типа радиоизотопных источников 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.

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 [1]
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 1500^оС) и одновременного охлаждения его наружной оболочки.

Более прогрессивным радиоизотопным источником тока является вторично-эмиссионный источник тока [2]
Указанный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока содержит расположенный в герметичном 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.

Однако при расположении эмиттеров с обеих сторон относительно радиоизотопа снижается эффективность их использования в силу того, что через каждый эмиттер проходят излучаемые радиоизотопом заряженные частицы только в одном направлении. Тем самым объем эмиттера недостаточно рационально участвует во вторичной эмиссии электронов под воздействием заряженных частиц, излучаемых радиоизотопом. Это обстоятельство ограничивает энергетические показатели вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока.

Цель изобретения состоит в том, чтобы найти рациональную компоновку радиоизотопов и эмиттеров, при которой вся толщина эмиттера облучалась максимально возможным числом излучаемых радиоизотопом заряженных частиц.

Предлагается усовершенствованный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока, содержащий размещенные в герметичном корпусе радиоизотоп и эмиттер с толщиной не более длины пробега в нем излучаемой радиоизотопом заряженной частицы, состоящий из последовательно чередующихся электрически изолированных слоев двух различных веществ с неодинаковыми коэффициентами вторичной электронной эмиссии.

Цель достигается тем, что источник снабжен по меньшей мере еще одним дополнительным расположенным в корпусе радиоизотопом и излучения частиц обоих изотопов направлены навстречу одно другому, а эмиттер размещен между этими радиоизотопами.

В результате такого технического решения удается повысить энергетическую эффективность вторично-эмиссионного радиоизотопа источника тока за счет более интенсивного облучения всей толщины эмиттера заряженными частицами.

На фиг. 1 показан схематично вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока с двумя радиоизотопами и эмиттером между ними; на фиг. 2 бинарная ячейка эмиттера источника тока, облучаемая одновременно радиоизотопами с обеих сторон.

Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока имеет герметичный корпус 1, сделанный, например, из нержавеющей стали и приспособленный для создания в нем вакуума.

Внутри корпуса 1 размещены слои 2 и 3 радиоизотопа, излучение которых направлено как наружу, так и навстречу друг другу. Толщина слоя каждого радиоизотопа 2 или 3 составляет не больше длины пробега в нем заряженной частицы и принимается из условия уменьшения потерь частиц, излучаемых делящимися ядрами из изотопного материала. Радиоизотопы 2 и 3 изготавливаются в виде фольги толщиной порядка 5 мкм. Целесообразно в качестве радиоизотопов 2 и 3 применять изотопы калифорния-248, кюрия-242, полония-210.

Выбор радиоизотопа 2 или 3 продиктован необходимым временем эксплуатации источника тока и тем, что применяемый изотоп должен излучать α-частицы, а остальные типы излучения ( β и γ-частицы) должны быть пренебрежимо малы, либо полностью отсутствовать.

В пространстве корпуса 1 между слоями радиоизотопов 2 и 3 расположен многослойный эмиттер 4, состоящий из последовательно чередующихся слоев 5 и 6 различных веществ, обладающих не одинаковыми по величине коэффициентами вторичной электронной эмиссии, которые электрически изолированы один от другого либо вакуумными промежутками 7, либо решетками 8 из диэлектрического материала, например из керамики или пластмассы.

В качестве слоев 5 и 6 целесообразно использовать металлы, в частности бериллий и медь, чьи коэффициенты вторичной электронной эмиссии при облучении α-частицами достаточно сильно различаются и соответственно равны 30 и 5,5, при этом длина пробега α-частиц с энергией 5-6 МэВ в них составляет около 23 мкм, а средняя энергия электронов вторичной эмиссии примерно 15 В.

Один из слоев 5 или 6 может быть изготовлен из полупроводникового материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы. В конкретном случае это может быть кремний или арсенид галлия.

С целью предотвращения потерь электронов в промежутке 7 между слоями 5 и 6 эмиттера 4 давление в указанном промежутке 7 остаточных газов должно быть не хуже 10^-6 Торр, а расстояние между слоями 5 и 6 не должно превышать длины свободного пробега электронов в остаточном газе.

В предпочтительном варианте реализации изобретения в вакуумном промежутке 7 желательно иметь диэлектрические решетки 8, которые наносятся непосредственно на слои 5 и 6 вещества, из которого они изготовлены. Наличие решеток 8 из диэлектрического материала позволяет придать повышенную конструкционную жесткость слоям 5 и 6 эмиттера 4, и в связи с этим их можно изготавливать в виде более тонкой фольги порядка 0,01 мкм вместо 0,1 мкм, если бы решетки 8 отсутствовали.

В этом случае эмиттер 4 при тех же габаритах имеет гораздо большее число составляющих его слоев 5 и 6 и характеризуется большими значениями энергетических показателей. Однако нужно соблюдать условие, при котором сумма толщин всех слоев 5 и 6 эмиттера 4 не превышала бы длины пробега излучаемой радиоизотопами 2 и 3 заряженной частицы в веществе слоев 5 и 6.

Слои 5 с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 9 и образуют положительный вывод 10 источника тока, а слои 6 с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 11 и образуют отрицательный вывод 12 источника тока.

При вышеописанном выполнении эмиттера 4 и его размещении между радиоизотопами 2 и 3 заметно повышается энергетическая эффективность источника тока благодаря более интенсивному с обеих сторон облучению частицами слоев 5 и 6 эмиттера 4.

Каждые два слоя 5 и 6 и разделяющий их промежуток 7 (решетка 8) составляют бинарную ячейку эмиттера 4, совокупность которых вместе с радиоизотопами 2 и 3 образует источник тока в целом.

Поэтому принцип действия предложенного вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока будет ясен из описания работы ячейки, показанной на фиг. 2.

Будем считать, что слой 5 изготовлен из металла с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, например бериллия, а слой 6 из металла с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, например меди, и оба слоя 5 и 6 облучаются α-частицами (ионами), излучаемыми радиоизотопами 2 и 3 навстречу друг другу, как это показано большими стрелками.

При пролете заряженной частицы через бинарную ячейку вторичная электронная эмиссия будет происходить с обеих поверхностей каждого слоя 5 и 6, но рассмотрим только поверхности слоев 5 и 6, обращенные друг к другу. При этом из слоя 5 металла будет выбито γ₅, а из слоя 6 металла γ₆ электронов. Перемещение этих электронов показано маленькими стрелками.

Практически все выбитые заряженной частицей вторичные электроны при отсутствии в вакуумном промежутке 7 между слоями 5 и 6 металлов электромагнитных полей достигнут противоположного слоя. Вследствие этого на слое 5 металла образуется недостаток электронов, а на слое 6 металла их избыток, равный γ₅ γ₆ электронов.

Расположение радиоизотопов 2 и 3 и эмиттера 4 так, чтобы каждый слой эмиттера был размещен между радиоизотопами, позволяет почти в два раза снизить вес эмиттера 4, расход материала и улучшить массогабаритные характеристики, поскольку для работы этого источника необходимо n + 1 слоев эмиттера 4, а не 2n.

Электрическая мощность Р такого радиоизотопного источника тока будет пропорциональна суммарной площади S слоя радиоизотопов 2 и 3, которая должна определяться как:
S где κ_o удельная активность 1 см³ изотопа в Ки/см³,
d_R суммарная толщина радиоизотопов;
ε_o средняя энергия электронов.

Рассмотрим пример.

Возьмем в качестве изотопа ²¹⁰Р_о, нанесенный на металл-матрицу, его удельная активность η 4500 Кюри/г, где η ≈ 0,4-0,5, время полураспада 138,4 сут. Плотность ≈ 10 г/см.

Пусть толщина слоя изотопа будет d_R5 · 10^-4 см.

Тогда согласно формуле для S, выраженной через требуемую мощность, найдем для Р 100,0 кВт
S
3000 Ки/г γ₅ γ₆ 25; ε_o10 эВ; d_R 5 · 10^-4 см; d₅ d₆ 10^-4 см; S 1,13 ·10⁶ см².

Беря S 10⁴ см², получаем 113 пластин изотопов; в варианте "В" 114 по 1000.

Вес изотопа 8,65 кг; вес пластин 24,3 кг; вес устройства 30 кг ("В"); удельная эффективность 18 Вт/г изотопа; 2 Вт/г устройства; мощность выд. изотопа 5,32 · 10⁵ Вт; эффективность η 18,8%
Сравнительные данные энергетических показателей известного и предложенного вторично-эмиссионного радиоизотопного 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, в значительной степени за счет более интенсивного и рационального облучения эмиттера 4 одновременно двумя радиоизотопами 2 и 3.

При изготовлении предложенного источника в виде куба со стороной длиной 1 м его температура при учете только потерь избыточного тепла путем излучения не превышает 300^оС. Увеличением излучающей поверхности источника эту температуру можно заметно уменьшить.

Сущность: в герметичном вакуумированном корпусе размещены слои радиоизотопа, между которыми находится эмиттер, облучаемый встречно направленными излучениями радиоизотопов. Эмиттер состоит из последовательно чередующихся электрически изолированных один от другого слоев различных веществ, например металлов, обладающих различными коэффициентами вторичной электронной эмиссии. При этом одни слои соединены между проводниками и образуют положительный вывод источника тока, а другие слои соединены между собой проводниками и образуют отрицательный вывод источника тока. 2 ил.

ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА, содержащий размещенные в герметичном корпусе излучающий элемент, выполненный в виде радиоизотопа, и эмиттер толщиной, не превышающей длину пробега в нем излучаемых радиоизотопом заряженных частиц, состоящий из последовательно чередующихся электрически изолированных слоев двух различных веществ с неодинаковыми коэффициентами вторичной электронной эмиссии, отличающийся тем, что источник снабжен по меньшей мере еще одним дополнительным расположенным в корпусе излучающим элементом в виде радиоизотопа, выполненным так, что излучение обоих изотопов направлены навстречу одно другому, а эмиттер расположен между радиоизотопами.