RU2050626C1

RU2050626C1 - Multilayer emitter for secondary-emission radio-isotope current supply

Info

Publication number: RU2050626C1
Application number: RU93021488A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Балебанов; Вячеслав Игнатьевич Карась; Сергей Игнатьевич Кононенко; Семен Самойлович Моисеев; Владимир Иванович Муратов
Original assignee: Вячеслав Михайлович Балебанов; Вячеслав Игнатьевич Карась; Сергей Игнатьевич Кононенко; Семен Самойлович Моисеев; Владимир Иванович Муратов
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1995-12-20

Abstract

FIELD: electric discharge tubes or lamps. SUBSTANCE: multilayer emitter for secondary-emission radio-isotope current supply is built up of alternating semiconductor material and metal layers 4 and 5, respectively. Layers 4 and 5 are electrically insulated by means of insulating screens 6 or vacuum gaps 7 forming emitters 3 arranged on both sides of radio- isotope 2. Layers 4 are interconnected by conductors 8 to form positive lead 9 of current supply; layers 5 are interconnected by conductors 10 to form negative lead 11 of current supply. EFFECT: improved design. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к эмиттерам, используемым во вторично-эмиссионных радиоизотопных источниках тока. Изготовленные с такими эмиттерами вторично-эмиссионные радиоизотопные источники тока обычно используются в качестве автономного источника электрического питания долгосрочного действия для различных электрических и электронных цепей. The invention relates to emitters used in secondary emission radioisotope current sources. Second-emission radioisotope current sources manufactured with such emitters are usually used as a stand-alone long-acting power supply for various electrical and electronic circuits.

Известны однослойные и многослойные эмиттеры для радиоизотопных источников тока. Single-layer and multi-layer emitters for radioisotope current sources are known.

Применяемый в термоэмиссионных радиоизотопных источниках тока эмиттер представляет собой заполняемую радиоизотопным материалом емкость, покрытую снаружи слоем металла, например, вольфрама, служащего эмиттером [1] Под воздействием излучения радиоизотопного материала в емкости выделяется тепло, вызывающее термоэлектронную эмиссию электронов наружного слоя металла емкости, которые принимает внешняя металлическая оболочка, расположенная с зазором вокруг радиоизотопного материала. The emitter used in thermionic radioisotope current sources is a tank filled with a radioisotope material, coated externally with a metal layer, such as tungsten, which serves as an emitter [1] Under the influence of radiation of a radioisotope material, heat is generated in the tank, which causes the thermionic emission of electrons from the outer layer of the metal of the tank, which is received by the external a metal shell located with a gap around the radioisotope material.

Сложность работы с известным эмиттером заключается в том, что для его функционирования необходимо поддерживать в радиоизотопном материале в емкости высокую температуру (свыше 2000^оС) и одновременно охлаждать внешнюю оболочку.The difficulty with known emitter lies in the fact that its operation must be maintained in the material in the vessel radioisotope high temperature (over 2000 ^C) and simultaneously cool the outer shell.

Используемый во вторично-эмиссионных радиоизотопных источниках тока многослойный эмиттер лишен указанных выше недостатков. Он состоит из последовательно чередующихся тонких слоев двух различных металлов, например бериллия и меди, имеющих различные коэффициенты вторичной электронной эмиссии. Слои металла электрически изолированы один от другого, в частности, вакуумными промежутками. При этом общая толщина эмиттера, включая чередующиеся слои металлов, должны быть не более длины пробега в нем заряженной частицы, излучаемой радиоизотопом [2]
По своим энергетическим параметрам многослойный эмиттер превосходит однослойный эмиттер как применяемый в термоэмиссионных радиоизотопных источниках тока, как и во вторично-эмиссионных радиоизотопных источниках тока. Это обусловлено тем, что вторичные электроны во вторично-эмиссионном источнике тока образуются вдоль всего пути движения заряженной частицы в металле эмиттера, а испускается с поверхностных слоев эмиттера. Другими словами энергия заряженной частицы непосредственно преобразуется в энергию электронов, количество и средняя энергия которых значительно выше, чем при термоэлектронной эмиссии. В то же время использование эмиттера с металлическими чередующимися слоями ограничено максимально возможными значениями коэффициентов вторичной электронной эмиссии.The multilayer emitter used in secondary emission radioisotope current sources is devoid of the above disadvantages. It consists of successively alternating thin layers of two different metals, for example beryllium and copper, having different secondary electron emission coefficients. The metal layers are electrically isolated from one another, in particular by vacuum gaps. Moreover, the total thickness of the emitter, including alternating layers of metals, should be no more than the mean free path of a charged particle emitted by a radioisotope in it [2]
In terms of energy parameters, a multilayer emitter is superior to a single-layer emitter as used in thermionic radioisotope current sources, as well as in secondary-emission radioisotope current sources. This is due to the fact that secondary electrons in the secondary-emission current source are formed along the entire path of the charged particle in the emitter metal, and are emitted from the surface layers of the emitter. In other words, the energy of a charged particle is directly converted to the energy of electrons, the amount and average energy of which are much higher than during thermionic emission. At the same time, the use of an emitter with alternating metal layers is limited by the maximum possible values of the secondary electron emission coefficients.

В основу изобретения положена задача создать многослойный эмиттер, позволяющий повысить энергетическую эффективность вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока за счет подбора материала одного из чередующихся слоев с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. The basis of the invention is the task of creating a multilayer emitter, which allows to increase the energy efficiency of the secondary-emission radioisotope current source by selecting the material of one of the alternating layers with a large coefficient of secondary electron emission.

Эта задача решается созданием многослойного эмиттера для вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока, имеющего толщину не более длины пробега в нем излучаемой радиоизотопом заряженной частицы и состоящего из последовательно чередующихся, электрически изолированных слоев двух различных материалов с неравными коэффициентами вторичной электронной эмиссии. В соответствии с изображением усовершенствование заключается в том, что один из чередующихся слоев выполнен из полупроводникового материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы. Предпочтительно в качестве такого материала использовать кремний или арсенид галлия. This problem is solved by creating a multilayer emitter for a secondary-emission radioisotope current source having a thickness no greater than the mean free path of a charged particle emitted by the radioisotope and consisting of successively alternating, electrically isolated layers of two different materials with unequal secondary electron emission coefficients. In accordance with the image, the improvement consists in the fact that one of the alternating layers is made of a semiconductor material with a secondary electron emission coefficient of more than one. It is preferable to use silicon or gallium arsenide as such a material.

Обычное, широко известное, использование полупроводниковых материалов заключается в создании эмиссии электронов через n-р-переход между двумя полупроводниковыми материалами при воздействии на один из них, например, радиоизотопным излучением или нагревом. The usual, well-known use of semiconductor materials is to create electron emission through an n-p junction between two semiconductor materials when one of them is exposed, for example, by radioisotope radiation or by heating.

В конструкции предложенного эмиттера при радиоизотопном облучении его полупроводникового слоя используется эффект эмиссии электронов из поверхностной части слоя. В этом и представляется неочевидность предложенного технического решения применять полупроводниковые материалы с заданными свойствами для изготовления одного из чередующихся слоев эмиттера. In the design of the proposed emitter during the radioisotope irradiation of its semiconductor layer, the effect of electron emission from the surface of the layer is used. This is the non-obviousness of the proposed technical solution to use semiconductor materials with desired properties for the manufacture of one of the alternating layers of the emitter.

Благодаря предложенному техническому решению удается создать многослойный эмиттер с более улучшенными характеристиками энергетических показателей. Thanks to the proposed technical solution, it is possible to create a multilayer emitter with more improved characteristics of energy indicators.

На чертеже схематично показан вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока с многослойным эмиттером, выполненным согласно изобретению. The drawing schematically shows a secondary emission radioisotope current source with a multilayer emitter made according to the invention.

Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока имеет герметичный корпус 1, в частности, из нержавеющей стали, приспособленный для создания в нем вакуума. Внутри корпуса размещен слой радиоизотопа 2, толщина которого составляет не больше длины пробега в нем заряженной частицы и принимается она из условия уменьшения потерь частиц, излучаемых делящимися ядрами из изотопного материала. Целесообразно радиоизотоп 2 изготовить в виде фольги толщиной порядка 5 мкм. В качестве радиоизотопа 2 могут быть применены изотопы калифорния-248, кюрия-242, полония-210. The secondary-emission radioisotope current source has a sealed housing 1, in particular of stainless steel, adapted to create a vacuum in it. A layer of a radioisotope 2 is placed inside the casing, the thickness of which is no more than the mean free path of a charged particle in it and is taken from the condition of reducing the loss of particles emitted by fissile nuclei from an isotopic material. It is advisable to produce a radioisotope 2 in the form of foil with a thickness of the order of 5 μm. As a radioisotope 2, isotopes of California-248, Curium-242, Polonium-210 can be used.

Выбор радиоизотопа 2 диктуется прежде всего необходимым временем эксплуатации источника тока и тем, что изотоп должен излучать α-частицы, а остальные типы излучения (β и γ-частицы) должны быть пренебрежимо малы либо отсутствовать полностью. The choice of radioisotope 2 is dictated primarily by the necessary operating time of the current source and the fact that the isotope must emit α-particles, and the remaining types of radiation (β and γ-particles) must be negligible or completely absent.

С обеих сторон радиоизотопа 2 в корпусе 1 расположены эмиттеры 3, состоящие из последовательно чередующихся слоев 4 и 5 двух различных материалов, имеющих неравные коэффициенты вторичной электронной эмиссии и электрически изолированных один от другого решетками 6 из диэлектрического материала, в частности из керамики или пластмассы, или вакуумными промежутками 7. В качестве материала слоя 4 с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии необходимо использовать полупроводниковый материал, коэффициент вторичной электронной эмиссии которого был бы больше единицы. Предпочтительно применять такие полупроводниковые материалы, как кремний и арсенид галлия. On both sides of the radioisotope 2, emitters 3 are located in the housing 1, consisting of sequentially alternating layers 4 and 5 of two different materials having unequal secondary electron emission coefficients and electrically isolated from one another by gratings 6 made of dielectric material, in particular ceramic or plastic, or vacuum gaps 7. As the material of layer 4 with a large coefficient of secondary electron emission, it is necessary to use a semiconductor material, the coefficient of secondary electron emission which would be greater than one. Semiconductor materials such as silicon and gallium arsenide are preferred.

Как известно, коэффициент вторичной электронной эмиссии указанных полупроводниковых материалов составляет порядка 100. Поэтому изготовление из них одного из чередующихся слоев эмиттеров 3 достаточно эффективно влияет на его энергетические показатели. As you know, the coefficient of secondary electron emission of these semiconductor materials is about 100. Therefore, the manufacture of one of the alternating layers of emitters 3 effectively affects its energy performance.

Слой 4 полупроводникового материала получают путем вакуумно-дугового напыления на легко удаляемую подложку (не показана), располагаемую в вакуумном промежутке 7 между решетками 6 из диэлектрического материала. Легко удаляемая подложка может быть выполнена из такого же материала. The semiconductor material layer 4 is obtained by vacuum arc spraying onto an easily removable substrate (not shown) located in the vacuum gap 7 between the gratings 6 of the dielectric material. Easily removable substrate can be made of the same material.

В качестве материала слоя 5 с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии предпочтительно использовать металл, например медь, по той причине, что ее коэффициенты вторичной электронной эмиссии при облучении α-частицами достаточно низки и соответственно равны 5,5, а длина пробега α-частиц с энергией 5-6 МэВ в них составляет около 23 мкм, причем средняя энергия электронов вторичной эмиссии около 15 В. Толщина каждого слоя 4 или 5 эмиттеров 3 может быть 0,01-0,1 мкм. It is preferable to use a metal, for example, copper, as the material of layer 5 with a lower secondary electron emission coefficient, because its secondary electron emission coefficients when irradiated with α particles are sufficiently low and equal to 5.5, and the mean free path of α particles with energy 5-6 MeV in them is about 23 microns, and the average energy of the secondary emission electrons is about 15 V. The thickness of each layer of 4 or 5 emitters 3 can be 0.01-0.1 microns.

Для предотвращения потерь электронов в промежутке 7 между слоями 4 и 5 давление в нем остаточных газов должно быть не хуже 10^-6 мм рт. ст. а расстояние между слоями 4 и 5 не должно превышать длины свободного пробега электронов в остаточном газе. Это расстояние фиксируется диэлектрической решеткой 6, толщина которой сопоставима с толщиной слоя 4 или 5 эмиттеров 3.To prevent loss of electrons in the gap 7 between layers 4 and 5, the pressure in it of the residual gases should be no worse than 10 ^-6 mm RT. Art. and the distance between layers 4 and 5 should not exceed the mean free path of electrons in the residual gas. This distance is fixed by a dielectric grating 6, the thickness of which is comparable to the thickness of a layer of 4 or 5 emitters 3.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения диэлектрическая решетка 6 наносится непосредственно на слои 4 и 5 эмиттеров 3. Тем самым решетка 6 придает повышенную конструкционную жесткость слоям 4 и 5, в результате чего становится возможным изготавливать слои 4 и 5 толщиной всего порядка 0,01 мкм вместо 0,1 мкм. In a preferred embodiment of the invention, the dielectric grating 6 is applied directly to the layers 4 and 5 of the emitters 3. Thus, the grating 6 gives increased structural rigidity to the layers 4 and 5, as a result of which it becomes possible to produce layers 4 and 5 with a thickness of only about 0.01 μm instead of 0 , 1 μm.

Особенно важно наличие решетки 6 при изготовлении слоя 4 из полупроводникового материала толщиной порядка 0,01 мкм, учитывая его хрупкость. При отсутствии решеток 6 и наличии только вакуумных промежутков 7 между слоями 4 и 5 толщину слоя 4 необходимо увеличивать для придания ему достаточной конструкционной жесткости. Слой 5 металла обычно изготавливается в виде фольги. Especially important is the presence of a lattice 6 in the manufacture of layer 4 from a semiconductor material with a thickness of the order of 0.01 μm, given its fragility. In the absence of gratings 6 and the presence of only vacuum gaps 7 between layers 4 and 5, the thickness of layer 4 must be increased to give it sufficient structural rigidity. The metal layer 5 is usually made in the form of a foil.

Путем утоньшения слоев 4 и 5 удается создать эмиттер 3 с большими значениями энергетических показателей при тех же габаритах. Однако нужно следить за тем, чтобы суммарная толщина всех слоев 4 и 5 в каждом эмиттере 3 не превышала длины пробега излучаемой радиоизотопом 2 заряженной частицы в материале слоев 4 и 5. By thinning layers 4 and 5, it is possible to create an emitter 3 with large values of energy indicators at the same dimensions. However, it is necessary to ensure that the total thickness of all layers 4 and 5 in each emitter 3 does not exceed the mean free path of the charged particle emitted by the radioisotope 2 in the material of layers 4 and 5.

Как видно на чертеже, слои 4 полупроводникового материала, т. е. с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, соединены между собой электрическими проводниками 8 и образуют положительный вывод 9 источника тока, а слои 5 металла с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 10 и образуют отрицательный вывод 11 источника тока. As can be seen in the drawing, the layers 4 of the semiconductor material, i.e., with a large coefficient of secondary electron emission, are interconnected by electrical conductors 8 and form a positive terminal 9 of the current source, and the layers 5 of metal with a lower coefficient of secondary electron emission are interconnected by electrical conductors 10 and form the negative terminal 11 of the current source.

Каждые два слоя 4 и 5 и разделяющая их диэлектрическая решетка 6 в вакуумном промежутке 7 составляет бинарную ячейку эмиттера 3, совокупность которых вместе с радиоизотопом 2 и представляет источник тока. Поэтому для объяснения принципа действия предложенного многослойного эмиттера вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока рассмотрим работу такой бинарной ячейки. Each two layers 4 and 5 and the dielectric grating 6 separating them in the vacuum gap 7 constitute a binary cell of the emitter 3, the combination of which together with the radioisotope 2 represents the current source. Therefore, to explain the principle of operation of the proposed multilayer emitter of a secondary emission radioisotope current source, we consider the operation of such a binary cell.

При пролете заряженной частицы, излучаемой радиоизотопом 2, через бинарную ячейку вторичная электронная эмиссия осуществляется с обеих поверхностей каждого слоя 4 и 5, но рассмотрим только поверхности, обращенные друг другу. При этом из слоя 4 выбито γ₄ электронов, а из слоя 5 γ₅ электронов.When a charged particle emitted by a radioisotope 2 passes through a binary cell, secondary electron emission is carried out from both surfaces of each layer 4 and 5, but we consider only surfaces facing each other. In this case, γ ₄ electrons are knocked out from layer 4, and γ ₅ electrons from layer 5.

Практически все выбитые заряженной частицей вторичные электроны при отсутствии в промежутке 7 между слоями 4 и 5 электромагнитных полей достигают противоположного слоя. Вследствие этого на слое 4 образуется недостаток электронов, а на слое 5 их избыток, равный γ₄-γ₅ электронов.Almost all secondary electrons knocked out by a charged particle in the absence in the gap 7 between layers 4 and 5 of electromagnetic fields reach the opposite layer. As a result of this, a lack of electrons is formed on layer 4, and on their layer 5 an excess equal to γ ₄ -γ ₅ electrons.

Электрическая мощность P такого радиоизотопного источника тока пропорциональна площади S слоя радиоизотопа 2, которая должна определяться как
S

где κ_о- удельная активность 1 см изотопа в Ки/см;
d_R толщина радиоизотопа;
ε_o- средняя энергия электронов.The electric power P of such a radioisotope current source is proportional to the area S of the layer of the radioisotope 2, which should be defined as
S

where κ _about - specific activity of 1 cm of the isotope in Ci / cm;
d _{R is the} thickness of the radioisotope;
ε _o is the average electron energy.

Использование полупроводникового материала позволяет существенно повысить разность γ₄-γ₅, что ведет к увеличению эффективности устройства и улучшению массогабаритных характеристик.The use of semiconductor material can significantly increase the difference γ ₄ -γ ₅ , which leads to an increase in the efficiency of the device and improve overall dimensions.

В таблице приводятся сравнительные данные энергетических показателей известного источника тока, в котором чередующиеся слои эмиттера выполнены из меди, и предложенного источника тока, в котором один из чередующихся слоев эмиттера выполнен из кремния или арсенида галлия, а другой из меди. The table provides comparative data on the energy indicators of a known current source in which alternating layers of the emitter are made of copper, and the proposed current source in which one of the alternating layers of the emitter is made of silicon or gallium arsenide, and the other of copper.

Из таблицы видно, что по своим энергетическим параметрам предложенный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока превосходит известный. The table shows that in its energy parameters the proposed secondary-emission radioisotope current source is superior to the known one.

Эксперименты также показывают, что при компоновании предлагаемого источника тока в куб со стороной длиной 1 м его температура при учете только потерь избыточного тепла путем излучения не превышает 300^оС. Увеличением площади излучающей поверхности источника эту температуру можно значительно уменьшить.Experiments also show that with the proposed current source compose a cube with a side length of 1 m, its temperature is only the excess heat losses by radiation at the account does not exceed 300 ° ^C. By increasing the area of the emitting surface of the source this temperature can be reduced considerably.

Claims

1. MULTI-LAYER EMITTER FOR A SECOND-EMISSION RADIOISOTOPIC SOURCE SOURCE, consisting of two rows of successively alternating electrically isolated layers of two different materials, the thickness of which is chosen not exceeding the mean free path of charged particles emitted by the radioisotope, characterized in that the layers of one of the series are made of semiconductors material with the coefficient of secondary electron emission exceeding the coefficient of secondary electron emission of the metal from which the layers of another row of e Mitter.

2. The emitter according to claim 1, characterized in that silicon is used as a semiconductor material.

3. The emitter according to claim 1, characterized in that gallium arsenide is used as a semiconductor material.