АВТОНОМНЫЙ БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G21H1/04 

Данное изобретение относится к устройствам вакуумной эмиссионной электроники. Оно может быть использовано для преобразования и накопления энергии бета-излучений в электрическую энергию, а при подключении внешней нагрузки - для генерации тока и напряжения во внешнюю цепь (т.е. может быть использовано в качестве автономного источника питания).

Аналогами заявляемого устройства, близкими по спектру выполняемых задач, являются бета-вольтаические источники питания в составе источника бета-излучений (ИБИ) и полупроводникового преобразователя (ИБИ), в которых базовая конструкция ИБИ представляет собой подложку, несущую вещество изотопа, с небольшими конструктивными вариациями различным образом способствующими увеличению мощности источника снимаемой с единицы площади [различные способы оптимизации соотношения (Z⋅ρ)/A], либо образования химической связи атомов изотопа с веществом подложки. Например, при использовании трития в качестве активного вещества источника бета-излучений, применяют подложки из кремния либо молибдена, поверхность которых покрывают пленкой титана насыщенной по особым технологиям тритием который фиксируется в пленке титана в фазе гидридов титана. Полупроводниковый преобразователь (ПП) таких ИВИ выполнен, как правило, на основе p-i-n, либо гетеро-р-n переходных структур, а в качестве базовых материалов используются кремний, либо полупроводники группы А₃В₅ [1…5].

При создании целого ряда устройств (автономные источники питания кардиостимуляторов, искусственных сердец и почек; автономные источники питания датчиков скафандров при проведении подводных работ либо работ в открытом космосе, и др.), по экологическим соображениям допускается использование БВИ только с маломощными источниками бета-излучений. Однако, при использовании маломощных источников β-излучений в связке с конструкциями ПП на основе p-i-n либо гетеро-р-n переходных структур, при накоплении заряда на собственной (либо внешней) емкости ПП, возникают проблемы связанные с балансом величин токов генерированных неравновесных электронов и дырок, и токов утечки p-i-n переходов (токи утечки не должны превышать токов генерации). Так, при использовании ИБИ на основе трития локализованного в пленке титана, испускающего при бета-распаде электроны со средней энергией в 5,7 кэВ, снимаемая с пластины предельная мощность бета-излучений не превышает 0,6-1,0 мкВт/см². При пересчете на ток электронов, это (в зависимости от квантовой эффективности материала ПП) соответствует плотности тока снимаемого с p-i-n ПП от 40 нА/см² (для кремния) до 70 нА/см² (для арсенида галлия). Резкие ограничения при накоплении заряда на ПП (а значит максимальной величины напряжения) связаны с тем, что при разделении неравновесных носителей р-n либо i-n переходами в вентильном режиме происходит смещение p-i-n (либо р-n) структуры в прямом направлении, а значит предельно - допустимое напряжение при зарядке емкости ПП соответствует так называемому напряжению "пятки" ВАХ прямого смещения переходов. Теоретически, для р-n переходов на кремнии оно составляет 0,35…0,40 В, для р-n на GaAs - 0,45…0,50 Однако, фактически, как показали экспериментальные исследования p-i-n и гетеро-р-n переходных структур выполненные многочисленными группами исследователей на различных структурах полученных различными ростовыми технологиями, для ПП площадью в 1 см² на основе p-i-n структур материалов групп A₃B₅ и А₂В₆ (GaAs, GaN и их твердых растворов) или на основе SiC, при использовании тритиевого источника излучений величины реализованных напряжений не превышают значений в 0,05 В. Значения близкие к теоретическим реализуются только на высокочистом p-i-n Si, где токи утечки прямого смещения до напряжений ~0,4 В не превышают ~10…30 нА/см². Однако, p-i-n Si ПП в составе БВИ при работе в условиях повышенной радиации (например, в открытом космосе) имеют крайне малый рабочий ресурс устойчивой работы (~50…100 часов). В то же время, использование полупроводниковых структур на основе радиационно-стойких широкозонных полупроводников (GaAs, GaN и их твердых растворов) затруднительно так как для реализации приборно значимых напряжений приходится набирать стопки из множества пластин ПП, что значительно увеличивает габариты и вес изделий. Большие значения токов утечки p-i-n структур на основе широкозонных материалов связаны с высокой плотностью в них структурных дефектов. Так, типичные величины плотности дислокаций в подложечном и эпитаксиальном материале составляют: в структурах на основе GaAs - 10⁴ см^-2, в структурах на основе GaN - 10⁶…10⁷ см^-2, в структурах на основе SiC - 10⁷…10⁸ см^-2. Типичные величины токов утечки p-i-n структур площадью в 1 см², прямо смещенных до рабочих напряжений (в 0,3…0,5 В), составляют при этом: для p-i-n GaAs ~1 мкА, для p-i-n GaN ~5…10 мкА и для p-i-n SiC структур ~10…50 мкА. В силу сказанного, в маломощных автономных БВИ невозможно эффективное применение упомянутых широкозонных материалов и приборных структур на их основе.

Наиболее близкой по конструкции с указанным выше функциональным применением является конструкция БВИ "конденсаторного" типа, известная как DCNB (Direct Charge Nuclear Batter) [6, 7].

Задачей изобретения является значительное уменьшение токов утечки, при значительном увеличении тока зарядки и связанного с этим увеличением генерируемого напряжения. Задача решается посредством реализации в конструкции автономного БВИ "конденсаторного" типа (прототип, [6]) функции умножения потока электронов.

Предлагается конструкция автономного бета-вольтаического источника питания, содержащего проводящие пластины, на поверхности одной из которых размещен слой вещества изотопа, отличающийся тем, что между упомянутыми проводящими пластинами вводят дополнительную проводящую пластину, на поверхности которой обращенной к слою вещества изотопа на первой пластине, размещен слой с функцией умножения потока электронов

Таким образом, предлагаемая конструкция БВИ реализуется в виде трех последовательно расположенных пластин: проводящей пластины несущей радиоактивный изотоп с функцией источника бета-излучений (ИБИ), второй проводящей пластины несущей слой с функцией умножителя потока электронов (УПЭ), который обращен к слою вещества изотопа первой пластины, и третьей проводящей пластины (БП - буферная пластина), близко расположенной к тыльной стороне второй пластины, и образующей с ней плоский конденсатор.

Таким образом, в предлагаемой конструкции БВИ первая и вторая пластины которой, в совокупности, образуют источник бета-излучений с функцией внутреннего умножения потока бета-электронов, а близкорасположенные третья и вторая пластины реализуют конденсатор, выполняющий функцию накопления заряда на пластинах с функциями УПЭ и БП. Осуществляя гальваническую связь пластины ИБИ и УПЭ, снимаем генерируемую энергию на нагрузку R_н.

Схематическое изображение блок-схемы предлагаемой конструкции БВИ представлено на фиг. 1, где 1 - проводящая пластина со слоем источником бета-излучений (ИБИ), 2 - проводящая пластина со слоем (например, алмазным) умножителем потока электронов, 3 - проводящая буферная пластина. Конструкция автономного БВИ заключена в вакуумно-плотный металлокерамический корпус.

Работа БВИ основана на реализации следующей последовательности физических процессов:

- эмиссии бета-электронов из активного (насыщенного веществом изотопа) слоя пластины ИБИ, поз. 1;

- генерации неравновесных электронно-дырочных пар в слое УПЭ пластины поз. 2 в процессе взаимодействия высокоэнергетических бета-электронов с активным веществом, описываемого формулой Бете;

- последующей эмиссии неравновесных электронов (вторичной эмиссии) с поверхности активного слоя УПЭ, приводящей к накоплению заряда на конденсаторе образованном пластинами УПЭ и БП, поз. 3.

В качестве материала УПЭ, активированного к процессам вторичной эмиссии нами предлагается использовать поликристаллическую алмазную пленку легированную бором. Эффективность алмазных пленок легированных бором в качестве пленок умножающих поток электронов показана нами ранее в [8, 9]. В качестве источника первичных электронов могут быть использованы либо бета-источники (тритий, изотопы никеля, углерода, кобальта, и др.), либо источники α-излучений. В рабочем режиме, пластина ИБИ гальванически соединена проводящей шиной с пластиной УПЭ, а между этой шиной и буферной пластиной включена нагрузка.

Пример, иллюстрирующий эффективность предлагаемой конструкции

Пусть даны

Источник бета-электронов на основе трития, помещенного на пластину с активной площадью в 2 см². Известно: средняя энергия бета-электрона ИБИ на основе трития равна 5,7 кэВ, предельная мощность источника трития не превышает, как правило, 0,6…1,0 мкВт/см².

Рассмотрим конструкцию БВИ прототипа "конденсаторного" типа

1). Количество бета электронов выбрасываемое веществом при бета-распада

(2). Ток электронов тритиевого источника одной пластины площадью активного слоя 2 см² (т.е. мощностью в ~1 мкВт)

(3). Ток короткого замыкания

Он равен току эмиссии бета-электронов, - т.е. для изотопов трития с площадью поверхности ~2 см² он равен 2,13⋅10^-10 А=213 рА (см. п. 2)

(4). Учитывая что , а ток разрядки

для в случае равенства тока разрядки на нагрузку R_н току зарядки (стационарный случай) за счет эмиссии бета-электронов с пластины ИБИ, получаем, что напряжение на нагрузке будет равно .

Или .

Значит, при R_н=10⁹ Ом и указанной выше величине n, напряжение на нагрузке будет равно 0,21 В, а при R_н=10¹⁰ Ом - напряжение на нагрузке составит 2,1 В (заметим, ток зарядки постоянен и определяется темпом бета - распада; поэтому - в зависимости от тока разрядки - который определяется сопротивлением нагрузки (R_н) имеем соответствующее U_н). Соответствующий ток через нагрузочные R_н=10⁸ Ом составит 0,021 нА, при токах утечки в преобразователях конденсаторного типа реальных БВИ, корпусированных в металлокерамические вакуумно-плотные корпуса, составляющем ~0,05 нА.

Таким образом, с учетом того, что практически значимые сопротивления нагрузки находятся в пределах 10⁷…10⁸ Ом, результаты полученные для конструкции прототипа "конденсаторного" типа не имеет практической ценности.

Рассмотрим конструкцию заявляемого нами БВИ

Пусть БВИ выполнен в виде гальванически соединенных в указанную на фиг. 1 цепь пластин ИБИ (β-источника), пластины ПП (с функцией УПЭ, т.е. со слоем поликристаллического алмаза легированного бором), и пластины БП (металлизированная Si пластина). Т.е. пластина ПП с функциями УПЭ (вторичной эмиссии) включена в схему БВИ. Расстояние между пластинами ПП и БП, - т.е. между пластиной Si с алмазным слоем легированным бором (С*:В) слоем и металлизированной Si пластиной, положим в 1 мм, при площади каждой из них ≈2 см². При этом, активная площадь ИБИ (как и в прототипе) - 2 см², полная мощность ~1 мкВт (та же что и у прототипа). Коэффициента вторичной эмиссии электронов с поверхности алмазной пленки имеет значение k≈100 (экспериментальные результаты исследований алмазных пленок при энергиях первичных электронов ~1 кэВ). Значительное превышение коэффициента вторичной эмиссии с поверхности алмазных пленок над аналогичными значениями при вторичной эмиссии с поверхностей металлов и диэлектриков (3…5) обусловлено отрицательной энергией сродства к электрону для некоторых граней алмаза (001 и 111), что и приводит для поликристаллических пленок к столь привлекательным результатам.

Тогда, с учетом представленных данных:

(1). Количество бета электронов выбрасываемое веществом при бета-распада

(2). Ток электронов тритиевого источника одной пластины площадью активного слоя 2 см² (т.е. мощностью в 1 мкВт)

(3). Емкость тритиевого источника

3.а. Если рассматривать его как плоский конденсатор

3.б. Если рассматривать его как удаленный источник

Линейный размер удаленного источника в 1 см соответствует емкости в 1 pF. У нас диаметр активной области ИБИ ~2 см, а значит емкость бета источника как удаленного источника равна ~2 pF.

(4). Ток вторичной эмиссии электронов из алмазного слоя структуры C*/Si будет равен I=I_ИБИ⋅k=2,13×10^-10×100=2,13×10^-8 А=21,3 нА.

(5). При равенстве тока разрядки на нагрузку в R_н току зарядки потоками бета-электронов (оцениваем стационарную ситуацию), с учетом умножения потока электронов за счет вторичной эмисии, получаем, что напряжение на нагрузке будет равно:

Т.е. при R_н=10⁹ Ом напряжение на нагрузке будет равно 33,6 В, при R_н=10⁸ Ом напряжение на нагрузке составит 3,36 В, а при R_н=10⁷ Ом напряжение на нагрузке составит ~0,34 В.

Как видим, соответствующий ток через различные нагрузки R_н составит ~21,3 нА при токах утечки по вакуумно-плотному металлокерамическому корпусу не превышающих значений в 0,05 нА, а полезная мощность выделяемая при этом на нагрузке составит: при R_н=10⁹ Ом - мощность нагрузки ~0,716 мкВт; при R_н=10⁸ Ом - мощность нагрузки составит ~72 нВт, при R_н=107 Ом - 7,2 нВт.

Как видим, предлагаемая в заявке конструкция имеет практическую значимость при использовании в качестве ИБИ маломощных экологически чистых источников (трития, изотопов никеля и углерода).

Таким образом, эффективность предложенного БВИ обусловлена предложенной конструкцией, обеспечивающей умножение потока бета-электронов за счет эффекта вторичной эмиссии электронов из алмазных пленок. При этом, выбор поликристаллической алмазной пленки слабо легированной бором, в качестве вещества активного к процессам вторичной, обеспечивает возможность эффективной работы широкого ряда датчиков так и некоторых исполнительных устройств с маломощными источниками автономного питания. Компоненты конструкции и конструкция в целом являются при этом радиационно-стойкими, термически стойкими и стойкими к механическим воздействиям (вибрационно-стойкими и ударно-стойкими). Технологический маршрут изготовления предлагаемого БВИ прост и короток. Сравнительная себестоимость конструкции чрезвычайно мала.

Заметим, при увеличении мощности источника и энергии бета-электронов пропорционально возрастут накапливаемый заряд, а также предельные токи, а также напряжение и мощность на нагрузке.

Источники информации

[1]. И. Бессарабов. Автономный источник питания на основе кремниевой p-i-n структуры. Lambert Academic Publishing (LAP). 2015. 156 с.

[2]. Wang, G., Hu, R, Wei, H., Zhang, H., Yang, Y., Xiong, X., Liu, G., Luo, S., 2010. The effect of temperature changes on electrical performance of the betavoltaic cell. Appl. Radiat. Isot. 68, 2214-2217.

[3]. Wang, H., Tang, X.-B., Liu, Y.-P., Xu, Z.-H., Liu, M., Chen, D., 2015. Temperature effect on betavoltaic microbatteries based on Si and GaAs under 63Ni and 147Pm irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. В 359, 36-43.

[4]. R. Bauerlein,, 1959. Measurement of the lattice-defect-formation energy in certain AIIIBV compounds by electron irradiation experiments. Z. Naturforschung, 14a, 1069

[5]. Патент Ru. №2222072. Усилитель электронного потока, приоритет от 16.11.2000. Опубликовано 2004.01.20

[6]. J.Н. Coleman, "Nuclear Batteries," Proc. 10th Annual Battery Research and Development Conference, 56, Power Sources Division, Ft. Monmouth, N. J. (1956).

[7]. J. Braun, L. Fermvik, and A. Stenback, "Theory and Performance of a Tritium Battery for the Microwatt Range," Journal of Physics E: Scientific Instruments, 6, 727 (1973).

[8]. Патент Ru. №2387042 C2. Усилитель электронного потока, приоритет от 29.04.2008. Опубликован 2010.04.20

[9]. , A.E. Kuleshov, E.A. Poltoratskii, G.S. Rychkov.

Electron multiplier concentrator on the base of polycrystalline diamond film.//

Diamond and related materials, Jan 2011, Vol. 20, issue 1, P. 23-25

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям для автономных источников питания и может быть эффективно использовано для совместной работы с маломощными источниками бета-излучений. Для автономного бета-вольтаического источника питания предложена конструкция полупроводникового преобразователя конденсаторного типа с функцией умножения потока электронов, работа которой основана на вторичной эмиссии электронов, а в качестве базового материала используется алмаз. Техническим результатом является возможность значительно уменьшить токи утечки при одновременном увеличении тока зарядки и величины генерируемого напряжения при той же мощности бета-вольтаического источника излучений, при этом одновременно обеспечивается возможность удовлетворить требования по радиационной стойкости (которым не удовлетворяют приборы на кремнии) в полупроводниковых преобразователях на p-i-n структурах, работающих в вентильном режиме. 1 ил.

Автономный бета-вольтаический источник питания, содержащий проводящие пластины, на поверхности одной из которых размещен слой вещества изотопа, отличающийся тем, что между упомянутыми проводящими пластинами вводят дополнительную проводящую пластину, на поверхности которой, обращенной к слою вещества изотопа на первой пластине, размещен слой с функцией умножения потока электронов.