DE1055144B

DE1055144B - Core battery for converting radioactive radiation energy into electrical energy

Info

Publication number: DE1055144B
Application number: DEA26513A
Authority: DE
Inventors: Dr Gerhard Barsch; Dr Paul Mueller; Dipl-Phys Dr Karl-Joachi Euler
Original assignee: Accumulatoren Fabrik AG
Current assignee: Accumulatoren Fabrik AG
Priority date: 1957-02-05
Filing date: 1957-02-05
Publication date: 1959-04-16

Description

Kernbatterie zur Umwandlung von radioaktiver Strahlungsenergie in elektrische Energie Die Erfindung betrifft eine Kernbatterie zur Umwandlung von radioaktiver Strahlungsenergie in elektrische Energie mit mehreren p-n-Schichten und mehreren über das Schichtenpaket verteilten Schichten von Strahlern, deren Reichweite sich jeweils mindestens durch eine Sperrschicht erstreckt.Core battery for converting radioactive radiation energy into electrical energy The invention relates to a core battery for converting radioactive radiation energy into electrical energy with several p-n layers and several layers of radiators distributed over the layer package, their range each extends through at least one barrier layer.

Es ist bekannt, daß beim Bestrahlen einer p-n-Sperrschichtdiode mit radioaktiver Strahlung an den beiden mit der p- und n-Schicht in Verbindung stehenden Elektroden eine elektrische Spannung entsteht. Dabei lädt sich die mit dem p-leitenden Bereich verbundene Elektrode positiv und die mit dem n-Bereich verbundene Elektrode negativ auf. Legt man nun an die beiden Elektroden einen Lastwiderstand, dann fließt ein konstanter radioelektrischer Strom. Die hierbei als Sperrschichtdioden verwendeten Halbleiter sind z. B. Diamant, Silizium, Germanium, Aluminiumphosphid, AlAs, GaP, CdTe, AgJ, die durch Zusatz geeigneter Störmatome (Akzeptoren und Donatoren) zum Teil Defektelektronenleitung, zum Teil Überschußelektronenleitung aufweisen.It is known that when irradiating a p-n junction diode with radioactive radiation at the two connected to the p- and n-layers Electrodes create an electrical voltage. In doing so, the one with the p-type is charged Area connected electrode positive and the electrode connected to the n-area negative on. If you now apply a load resistor to the two electrodes, then flows a constant radioelectric current. The ones used here as junction diodes Semiconductors are z. B. diamond, silicon, germanium, aluminum phosphide, AlAs, GaP, CdTe, AgJ, which by adding suitable interfering atoms (acceptors and donors) to the Part of the hole conduction, part of the excess electron conduction.

Abb.1 zeigt als einfachstes Modell einer Kernbatterie eine einzelne Zelle, bestehend aus einer p-m-Sperrschicht und einer Schicht des radioaktiven Isotops. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß nur ein Teil der genannten Strahlung des Isotops auf die Sperrschicht trifft und davon wiederum nur ein Teil absorbiert und somit für die Spannungserzeugung ausgenutzt wird. Eine günstigere Umsetzng der radioaktiven Strahlungsenergie in elektrische Energie läßt sich in bekannter Weise dadurch erzielen, daß an Stelle einer p-n-Sperrschicht zwei oder mehrere p-n-Sperrschichtdioden verwendet werden, die so angeordnet sein können, daß ein möglichst großer Anteil der radioaktiven Strahlung von diesen absorbiert und damit für die Erzeugung elektrischer Spannung ausgenutzt wird. Je nach der Dicke und der Anzahl der verwendeten p-n-Sperrschichtdioden können dabei ein oder mehrere Strahlungsquellen verwendet werden. Bei dieser Anordnung jedoch treten durch Absorption und durch den unterschiedlichen Abstand zwischen der bzw. den Strahlungsquellen und den p-n-Schichten infolge unterschiedlicher Strahlungsintensität sehr stark voneinander abweichende Spannungen in den einzelnen p-n-Sperrschichten auf. Dies ist ein bedeutender Nachteil, da hierdurch die Stromausbeute in ungünstiger Weise beeinflußt wird. Eine weitere Folge der unterschiedlichen Spannungen der einzelnen p-n-Sperrschichten ist, daß unter diesen Bedingungen eine Reihen- oder Parallelschaltung dieser Schichten nur unter beträchtlichen Leistungsverlusten möglich ist. Mit einer der bekannten Anordnungen mehrerer p-n-Schichten lassen sich zwar höhere Spannungen, aber keine wesentlich höheren Ströme als bei Verwendung nur einer Sperrschicht erzielen. Würde man z. B. bei einer Kernbatterie mit mehreren p-n-Schichten die Zellen sämtlich in Reihe schalten, so würde man im Leerlauffall ebenso wie bei normalen Batterien eine Addition der Spannungen erhalten, während im Belastungsfall die Gesamtspannung der Batterie niedriger liegen würde als die Summe der Einzelspannungen. Bei einer Parallelschaltung dieser Zellen ist im Belastungsfall die Stromstärke niedriger als die Summe der Stromstärken, die man bei Verwendung der einzelnen Zellen als Batterie erhalten würde. Das beruht darauf, daß infolge der Strahlungsabsorption die Bestrahlungsstärken der einzelnen Sperrschichten und daher auch ihre Strom-Spannungs-Charakteristiken verschieden sind. Bei Parallelschaltung z. B. wirken daher die Sperrschichten mit geringerer Bestrahlungsstärke praktisch nur als Parallelwiderstände, die zu Nebenströmen und damit zu unerwünschten Energieverlusten Anlaß geben. Da die mit einer Kernbatterie zu erzeugenden Ströme sehr klein und in der Größenordnung von Miniampere liegen, besteht an einer Stromerhöhung technisch ein sehr großes Interesse.Figure 1 shows a single core battery as the simplest model of a core battery Cell consisting of a p-m barrier layer and a layer of the radioactive isotope. The disadvantage of this known arrangement is that only some of the aforementioned Radiation from the isotope hits the barrier layer and only part of it hits the barrier is absorbed and thus used for voltage generation. A cheaper one Implementation of the radioactive radiation energy into electrical energy can be in known way to achieve that in place of a p-n junction two or multiple p-n junction diodes are used, which can be arranged in such a way that that as large a proportion of the radioactive radiation as possible is absorbed by them and is thus used to generate electrical voltage. Depending on the thickness and the number of p-n junction diodes used can be one or more Radiation sources are used. With this arrangement, however, occur by absorption and by the different distance between the radiation source or sources and the p-n layers are very strong due to different radiation intensities different voltages in the individual p-n barriers. this is a significant disadvantage, since it results in an unfavorable current yield being affected. Another consequence of the different tensions of each p-n barriers is that under these conditions a series or parallel connection these layers is only possible with considerable loss of performance. With a the known arrangements of several p-n layers allow higher voltages, but do not achieve significantly higher currents than when using only one barrier layer. Would you z. B. in a core battery with several p-n layers, the cells all connected in series, so you would when idling as with normal batteries an addition of the stresses is obtained, while in the case of load the total stress of the battery would be lower than the sum of the individual voltages. At a When these cells are connected in parallel, the current intensity is lower when there is a load than the sum of the currents that can be obtained when using the individual cells as Battery would get. This is due to the fact that due to the absorption of radiation the irradiance of the individual barrier layers and therefore also their current-voltage characteristics are different. When connected in parallel z. B. therefore act with the barrier layers lower irradiance practically only as parallel resistances that lead to side currents and thus give rise to undesirable energy losses. Because the one with a core battery currents to be generated are very small and of the order of magnitude of mini amperes, there is a great technical interest in increasing the current.

Aufgabe war es, eine Kernbatterie zu konstruieren, die bei niedrigstem Energieverlust bei der Umsetzung von Strahlungsenergie in elektrische Energie eine möglichst große Stromspannungs- oder Leistungsausbeute gewährleistet. Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlerschichten so angeordnet und hinsichtlich ihrer Strahlungsintensität so bemessen sind, daß die Bestrahlungsstärke aller p-n-Schichten möglichst groß und gleich ist. In einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird dies z. B. dadurch erreicht, daß die Aktivität der Strahlerschichten von der Mitte des Paketes nach außen beiderseitig in gleicher Weise zunimmt. In einer anderen Ausführungsform z. B. wird die möglichst gleich große Bestrahlungsstärke aller p-ii-Sperrschichten dadurch erreicht, daß Absorberschichten eingelegt sind. Um auch an den Sperrschichten, die sich an den Rändern des Paketes befinden, die Strahlungsintensität gegenüber den in der Mitte des Paketes befindlichen Schichten gleich groß ;In halten, sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an beiden Stirnflächen der Batterie Reflektoren, vorzugsweise aus schwerem Metall, z. B. Tantal, Blei, Wolfram, Wismut u. dgl., angebracht. Auf diese Weise gelingt es, daß die Strahlung, die auf eine Anzahl von p-n-Schichten fällt, gleich groß ist, so daß in jeder dieser Sperrschichten gleiche bzw. annähernd gleiche Spannungen entstehen. Diese Sperrschichten mit gleicher Spannung lassen sich nun ohne Energieverlust parallel schalten. Des weiteren können in diesem Schichtenpaket gegebenenfalls die Randsperrschichten eine niedrigere Spannung aufweisen, die jedoch unter sich ebenfalls wiederum gleich groß ist, so daß auch die Randsperrschichten ohne Energieverlust parallel geschaltet werden können. Zur Ausnutzung der gesamten erhaltenen elektrischen Energie können nun diese beiden Gruppen hintereinandergeschaltet werden, wodurch gleichzeitig die Spannung erhöht wird.The task was to design a core battery that guarantees the greatest possible voltage or power yield with the lowest possible energy loss when converting radiant energy into electrical energy. According to the invention, this object was achieved in that the radiator layers are arranged and, with regard to their radiation intensity, dimensioned in such a way that the radiation intensity of all pn layers is as large and equal as possible. In one embodiment of the subject matter of the invention, this is z. B. achieved in that the activity of the radiation layers increases from the center of the package to the outside in the same way on both sides. In another embodiment, for. B. the irradiance of all p-ii barrier layers that is as equal as possible is achieved by inserting absorber layers. , The radiation intensity with respect to the located in the center of the package layers of equal size in order also to the barrier layers which are located at the edges of the packet; In keeping, in a further embodiment of the invention, on both end surfaces of the battery are reflectors, preferably made of heavy metal, z. B. tantalum, lead, tungsten, bismuth and the like., Attached. In this way it is possible for the radiation which falls on a number of pn layers to be of the same magnitude, so that the same or approximately the same voltages arise in each of these barrier layers. These barrier layers with the same voltage can now be connected in parallel without any loss of energy. Furthermore, the edge barrier layers in this layer package can optionally have a lower voltage, which, however, is again equally large, so that the edge barrier layers can also be connected in parallel without loss of energy. In order to utilize all of the electrical energy obtained, these two groups can now be connected in series, whereby the voltage is increased at the same time.

Zur Verhinderung von seitlichen Strahlungsverlusten kann erfindungsgemäß die Mantelfläche der Batterie, bestehend aus den Schmalseiten der Sperrschichtdioden, mit einem Reflektor umgeben sein. Schließlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, Transistoren an Stelle von Sperrschichtdioden zu verwenden, die aus mindestens zwei möglichst gleichen symmetrisch angeordneten und parallel geschalteten p-ti-Sperrschichten aufgebaut sind.To prevent lateral radiation losses, according to the invention the outer surface of the battery, consisting of the narrow sides of the junction diodes, be surrounded by a reflector. Finally, according to the invention, it is also possible Use transistors instead of junction diodes, which are made up of at least two p-ti barrier layers which are symmetrically arranged and connected in parallel, if possible are constructed.

Durch diesen Aufbau der Kernbatterie wird die Isotopenstrahlung optimal ausgenutzt und werden die Strahlungsverluste sowohl nach den Seiten als auch nach den Stirnflächen auf ein Minimum gesenkt. Man erreicht dadurch eine so große Stromkapazität, wie sie bei keiner der bisher bekannten Ausführungen erzielt werden konnte.This structure of the core battery makes the isotope radiation optimal exploited and the radiation losses are both to the sides and to the end faces reduced to a minimum. This achieves such a large current capacity, as it could not be achieved with any of the previously known designs.

In Abb. 2 ist schematisch die erfindungsgemäße Anordnungsmöglichkeit einer Anzahl von p-n-Sperrschichten gezeigt, die als dünne Scheiben in Form eines Lamellenpaketes angeordnet sind. In diesem Fall befindet sich zwischen je zwei Sperrschichten jeweils eine Schicht des radioaktiven Isotops. An den beiden Stirnflächen sind schraffiert die Reflektoren angedeutet.In Fig. 2 is a schematic of the arrangement according to the invention a number of p-n barriers shown as thin disks in the shape of a Lamella pack are arranged. In this case there is two barrier layers between each one layer of the radioactive isotope at a time. The two end faces are hatched the reflectors indicated.

Bei der in Abb. 3 dargestellten Anordnung werden ebenfalls mehrere Sperrschichten verwendet, aber die einzelnen Schichten des Isotops werden jeweils durch mehrere Sperrschichten voneinander getrennt; zwischen aneinander grenzenden Sperrschichten befinden sich Spalte. Die Intensität der Strahlung der einzelnen Isotopenschichten muß so gewählt werden, daß auf jede p-n-Sperrschicht die gleiche Strahlungsenergie fällt, was z. B. durch Präparate mit unterschiedlicher Aktivität, durch Konzentrationsänderungen des aktiven Materials in der Isotopenschicht oder durch Absorberfolien erreicht wird.In the arrangement shown in Fig. 3, there are also several Barriers are used, but the individual layers of the isotope are each one separated from each other by several barrier layers; between adjoining Barriers are gaps. The intensity of the radiation of each Isotope layers must be chosen so that the same on each p-n barrier layer Radiant energy falls, which z. B. by preparations with different activity, due to changes in the concentration of the active material in the isotope layer or is achieved by absorber foils.

In Abb.4 ist als weiteres Beispiel die Schaltung einer aus sechs Zellen bestehenden Batterie angegeben. Dabei ist angenommen, daß bei dem vorliegenden Lastwiderstand die Spannung der Zellen 1 und 3 bzw. 1' und 3' gleich der Summe der Spannungen der Zellen 2 und 2' ist. Wie aus Abb. 4 hervorgeht, sind 1 und 3, 1' und 3' sowie 2 und 2' jeweils in Serie geschaltet; die so entstandenen drei Gruppen aus je zwei in Serie geschalteten Elementen sind sodann parallel geschaltet. Der verfügbare Strom ist also ungefähr dreimal so groß als bei Serienschaltung aller Zellen. Ganz entsprechend hat man bei einer Batterie mit mehr als sechs Zellen zu verfahren. Es ist zu beachten, daß die günstigste Einteilung der Zellen in Gruppen von dem jeweils vorgesehenen Lastwiderstand abhängt. Sind die Spannungen der einzelnen Gruppen nicht genau gleich, so besteht unter Umständen die Möglichkeit, durch Einlegen von Absorberfolien zwischen einige Zellen die Bestrahlungsstärke systematisch so zu ändern, daß die Zellengruppen nachträglich die gleiche Spannung erhalten.Another example in Fig. 4 is the circuit of one of six cells existing battery specified. It is assumed that with the present load resistance the voltage of cells 1 and 3 or 1 'and 3' is equal to the sum of the voltages of the Cells 2 and 2 '. As can be seen from Fig. 4, are 1 and 3, 1 'and 3' and 2 and 2 'each connected in series; the resulting three groups of two each Elements connected in series are then connected in parallel. The available The current is therefore roughly three times as large as when all cells are connected in series. Quite The same procedure must be used for a battery with more than six cells. It should be noted that the most favorable division of the cells into groups of the depends on the intended load resistance. Are the tensions of each group not exactly the same, there may be the possibility, by inserting Absorber foils between some cells systematically increase the irradiance change so that the cell groups subsequently receive the same voltage.

In Abb. 4 als Beispiel für kombinierte Reihen- und Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen ist vorausgesetzt, daß für die Spannungen U der einzelnen Zellen gilt: U1= Ui" U2= U2" U3= U3" U1= U3 =2 U2.In Fig. 4 as an example of combined series and parallel connection of the individual battery cells, it is assumed that the following applies to the voltages U of the individual cells: U1 = Ui " U2 = U2" U3 = U3 "U1 = U3 = 2 U2.

Die andere Weise zur Erhöhung der Stromstärke besteht in der Verwendung von p-n-p- bzw. n-p-n-Transistoren an Stelle von p-n-Dioden als Zellen. Dabei müssen die beiden Sperrschichten jedes Transistors möglichst symmetrisch angeordnet und gleich sein. Dann können die beiden Sperrschichten jedes Transistors parallel geschaltet werden und ergeben eine doppelte Stromausbeute. Im übrigen können die so erhaltenen Zellen - wie oben erläutert - teilweise in Serie, teilweise parallel zusammengeschaltet werden. Voraussetzung ist dabei allerdings, daß auch die Bestrahlungsstärken beider Sperrschichten möglichst gleich und groß sind. Ist das nicht der Fall, müssen die Sperrschichten verschiedener Transistoren miteinander kombiniert werden.The other way to increase the amperage is to use it of p-n-p or n-p-n transistors instead of p-n diodes as cells. Have to the two barrier layers of each transistor are arranged as symmetrically as possible and be equal. Then the two barrier layers of each transistor can be connected in parallel and result in a double current efficiency. In addition, the thus obtained Cells - as explained above - connected together partly in series, partly in parallel will. A prerequisite is that the irradiance of both Barrier layers are as equal and large as possible. If this is not the case, they have to Barrier layers of different transistors are combined with one another.

Gegenüber den bisher bekannten Ausführungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Kernbatterie vor allem dadurch. aus, daß sie in einem bisher unbekannten Ausmaß die Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Des weiteren ist die Stromausbeute der erfindungsgemäßen Kernbatterie wesentlich größer als bei den bisher bekannten Ausführungen.Compared to the previously known designs, the inventive Core battery mainly because of this. from that to an unprecedented extent converts the radiation energy into electrical energy. Furthermore, the current efficiency is the core battery according to the invention is much larger than the previously known Executions.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Nuclear battery for converting radioactive radiation energy into electrical energy with several p-n layers and several over the layer package distributed layers of radiators, the range of which extends at least through a barrier layer extends, characterized in that the radiator layers so arranged and are dimensioned in terms of their radiation intensity so that the Irradiance of all p-n layers is as large and equal as possible.

2. Core battery according to claim 1, characterized in that the activities of the radiator layers Increase in the same way from the center of the package outwards on both sides.

3. Core battery according to claims 1 and 2, characterized in that to achieve Irradiance levels of all p-n barrier layers that are as similar as possible to the absorber layers are inserted.

4. core battery according to claims 1 to 3, characterized in that that on the two. Front surfaces of the battery reflectors, preferably made of heavy weight Metal, e.g. B. made of tantalum, lead, tungsten, bismuth and the like. Are attached.

5. Core battery according to Claims 1 to 4, characterized in that optionally Edge barriers, which have lower voltages, connected in series are.

6. core battery according to claims 1 to 5, characterized in that the Outer surface of the battery, consisting of the narrow sides of the junction diodes, is surrounded by a reflector.

7. Core battery according to claims 1 to 6, characterized by transistors instead of junction diodes, the two junction layers of which are arranged as equally and symmetrically as possible and connected in parallel. Contemplated publications: British Patent No. 761,404;. "Funkechnik", Vol. 9, 1954, p. 620; "Zeitschrift für Elektrochemie", Vol. 58, 1954, pp. 283 to 321; "Nucleonics", Vol. 13, 1955, H. 11, pp. 129 to 133; "Journal of Applied Physics", Vol. 25, 1954, pp. 1422-1431.