Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока Советский патент 1992 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к устройствам, использующим вторичную электронную эмиссию, индуцированную потоком заряженных частиц, получаемых радиоизотопом, и может быть применено в качестве автономного источника электропитания различных электронных .схем.

Известен термоэмиссионный преобразователь, содержащий цилиндрический катод и окружающий его коллектор. Катод состоит из концевых камер с Делящимся веществом, соединенных прокладками с цилиндрической оболочкой.

Недостатком указанного устройства является низкая энергоэффективность, которую количественно можно характеризовать коэффициентом полезного действия (КПД), определяемым как отношение энергии, уносимой в виде элек- .трического тока, к энергии, затраченной на нагрев полупроводникового кристалла. Кроме того, необходимость поддержания внутри высоких температур, необходимых для работы устройства, создает дополнительные трудности при эксплуатации его в экстремальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является радиоизотопный источник, который состоит из слоя изотопа и эмиттера, представляющего собой металлический слой толщиной не более длины пробега заряженной частицы, излучаемой изотопом в металле, из которого изготовлен эмиттер.

Вторичные электроды образуются вдоль всего пути заряженной частицы в металле, а эмиттируется лишь незначителная часть из тонкого приповерхностного слоя, равного по толщине длине пробега электронов в металле, что приводит к невысоким значениям токов вторичных электронов.

(Л

со

СП СЛ

СО

317

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности преобразования энергии ядерного излучения в электрическую путем уве- личения тока вторичных электронов. На фиг. 1 изображена схема вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока; на фиг. 2 - бинарная ячейка источника тока.

Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока содержит (фиг.1), вакуумированный корпус 1, в котором размещается тонкий слой изотопа 2

толщиной сЦ, не превышающей длины пробега заряженной частицы в изото- топе. Такая толщина слоя изотопа выбирается для уменьшения потерь частиц, излучаемых делящимися ядрами из изотопного материала. С обеих сторон слоя изотопа располагается эмиттер, состоящий из чередующихся слоев двух металлов 3 и k с различными коэффициентами вторичной эмиссии у . Сумма толщин металлических слоев с каждой стороны изотопа не должна превышать длины пробега излучаемой изотопом заряженной частицы в металле Рщ. Сло изолированы друг от друга вакуумными промежутками, толщина которых должна обеспечивать электрическую изоляцию между металлическими слоями. Кроме того величина вакуумного промежутки ре должна превышать длины свободного пробега электронов в остаточном газе для того, чтобы не было потерь вторичных электронов. Слои эмиттера, изготовленные из металла с большим У3 соединены между собой и образуют положительный вывод источника тока, а слои эмиттера, изготовленные из металла с меньшим )r,, соединены между собой изотопом и образуют отрицательный вывод.

Рассмотрим работу бинарной ячейки эмиттера (фиг.2), состоящей из одной пары тонких слоев двух различных металлов, облучаемых ионами, излучаемыми изотопом. При прохождении иона

Для создания вторично-эмиссионног радиоизотопного источника необходимо знать требуемую электрическую мо ность и необходимый срок службы. Эл

сквозь оба слоя вторичная электрон- трическая мощность, снимаемая с выНЗЯ ЭМИССИЯ ПРОИСХОДИТ С Обеих ПОВерХ- 3U вшюв такого оапиоияотпт..пгг, игт™ностей каждого слоя. Рассмотрим поверхности, обращенные друг к другу. Для определенности будем считать, что слой 3 изготовлен из металла с боль55

водов такого радиоизотопкого источника тока, пропорциональна площади слоя изотопа. Для получения электри ческой мощности Р необходима следую щая площадь S слоя радиоактивного изотопа толщиной dR:

шим коэффициентом вторичной эмиссии, а слой k - .из металла с меньшим J. Коэффициент вторичной эмиссии, определяемые как

Г KVN;

5

5

0

5

S

где Ng - количество электронов вторичной эмиссии, выбитых из металла NJ ионами, и измеренные в ряде экспериментальных исследований оказались существенно различающимися для различных металлов. Тогда при пролете заряженной частицы через эту бинарную ячейку из слоя металла 3 будет выбито у электронов, а из слоя - Г4- электронов.

Практически все выбитые ионом вторичные электроны при отсутствии в пространстве между слоями электромагнитных полей достигнут противоположной пластины. Вследствие этого на слое металла 3 образуется недостаток зарядов, а на слое - их избыток, равный jj1 К л. -электронов. При подключении бинарной ячейки к нагрузке в цепи потечет электрический ток. Коэффициент преобразования энергии одной пары пластин Ј, можно записать в виде

I - (JA XiiЈ°.

с &0(.

средняя энергия электронов эмиссии;

энергия заряженной частицы (иона). Набрав N таких бинарных ячеек,

где N Rnp/d , +v 2.(d, d2 - толщины металлических слоев), увеличим коэффициент преобразования в 2N раз, увеличив, следовательно, ток вторичных электронов. Коэффициент 2N показывает, что эмиссия происходит с Q обеих поверхностей каждого металлического слоя. Коэффициент полезного действия такого устройства можно записать в виде

и 2(i3 )NЈo

i - --Б;Г -

Для создания вторично-эмиссионного радиоизотопного источника необходимо знать требуемую электрическую мощность и необходимый срок службы. Элекгде

Ј0трическая мощность, снимаемая с вывшюв такого оапиоияотпт..пгг, игт™

водов такого радиоизотопкого источника тока, пропорциональна площади слоя изотопа. Для получения электрической мощности Р необходима следующая площадь S слоя радиоактивного изотопа толщиной dR:

Р

(jf9-)3,7 10co

S

5 1

где 9Ј0 - удельная активность 1 см изотопа в Ки/см5.

Выбор изотопа определяется необходимым временем эксплуатации. Кроме того, изотоп должен излучать р -частицы, остальные типы излучения (И, V ) должны быть пренебрежимо малы, либо отсутствовать полностью. Для создания вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока со сроком службы около года могут быть использованы, например, следующие изотопы: калифорний-2 8, кюрий-2 2.

В качестве материалов для изго- товлени-я слоев с большим и малым J из исследованных материалов наиболее пригодны бериллий и медь, имеющие следующие коэффициенты вторичной эмиссии при облучении оЈ-частицами:

У Be 30; fcu 55- в этих метал- лах длина пробега оЈ-частиц с энергией 5-6 МэВ составляет около 23 мкм, а средняя энергия электронов вторичной эмиссии - около 15 В. Для предотвращения потерь электронов в промежутке между слоями металла давление остаточных газов должно быть не хуже 10 Торр. При этом давлении толщина вакуумного промежутка, которая порядка толщины металлического слоя, будет значительно меньше длины свободного пробега электронов в остаточном газе.

Технические характеристики источников тока с радиоактивным изотопом кюрием-2 2 и с эмиттером,изготовленным из бериллия и меди, приведены в таблице.

При работе вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока часть энергии излучения радиоактивного изотопа расходуется на нагрев устройства. При отводе тепла от устройства только за счет лучистого теплопере- носа через боковую поверхность стационарная температура определяется выражением

4 о

37559

где S Ј - площадь боковой поверхности устройства;

ОТ 5,6 КГ эрг/см2 градус - постоянная Стефана-Больц- мана I

R -.коэффициент серости , Т0 - температура РКельвинах. Если этот источник скомпоновать JQ в куб со стороной 1 м, то за счет только потерь избыточного тепла пу- тем излучения температура источника тока будет не выше 300°С, а при принятии специальных мер по увеличению 15 излучающей поверхности - значительно ниже.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство поз- «юляет повысить энергетическую эф- 20 фективность преобразования за счет увеличения тока вторичных электронов, Предлагаемые радиоизотопные источники тока исключают необходимость создания высокой рабочей температуры и 25 обладают высокой радиационной стойкостью.

Формула изобретения

JQ Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока, содержащий корпус, внутри которого размещен слой изотопа , по обеим сторонам которого расположены металлические эмиттеры толщиной , не превышающей длины пробега

35 в металле эмиттера заряженной частицы, излучаемой изотопом, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетической эффективности, каждый из эмиттеров выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенты вторичной ион- электронной эмиссии которых различаются больше,, чем на значение (f/N, где # - среднее значение коэффициента вторичной эмиссии двух металлов, а N - число пар слоев металлов эмиттера.

45

0,1

n,1 7,5-15 70-8П

10

1000 10000 3,0-3,5

Сущность изобретения: каждый из эмиттеров источника тока выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенты вторичной ион-электронной эмиссии, которые различаются больше, чем на значение J/N, где J1 - среднее значение коэффициента вторичной эмиссии двух металловJ N - число пар слоев металлов эмиттера. 2 ил., 1 табл.

, x

,/

Y77/7/y////Y//////y/,

Ј

ХЧ

чХ

-#

&/г /

/