Радиоизотопный механо-электрический генератор Российский патент 2018 года по МПК G21G1/00 

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.

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.

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.