СПОСОБ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Российский патент 2015 года по МПК G21H1/06 

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.

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.

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.