RU2054742C1

RU2054742C1 - Secondary emission radioisotope source of energy

Info

Publication number: RU2054742C1
Application number: RU93021487A
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: 1996-02-20

Abstract

FIELD: nuclear technology. SUBSTANCE: radioisotope layers are located in sealed case from which air is evacuated. Emitter is irradiated by radiation of radioisotopes directed in opposition. Emitter is composed of layers of different matters, for example metals, displaying different coefficients of secondary electron emission alternating in sequence and insulated from each other. In this case one layers are interconnected by conductors and form positive terminal of source and other layers are interconnected by other conductors and form negative terminal of source. EFFECT: facilitated manufacture, enhanced operational characteristics. 2 dwg

Description

Изобретение относится к источникам тока, использующим вторичную электронную эмиссию, индуцированную потоком заряженных частиц, и более точно к вторично-эмиссионным радиоизотопным источникам тока, которые могут быть использованы в качестве автономного источника электрического питания различных электрических и электронных цепей. The invention relates to current sources using secondary electronic emission induced by the flow of charged particles, and more specifically to secondary-emission radioisotope current sources that can be used as a stand-alone source of electrical power for various electrical and electronic circuits.

Известны два типа радиоизотопных источников тока. Two types of radioisotope current sources are known.

Один из них, наиболее распространенный, содержит заполняемую радиоизотопным материалом емкость, покрытую снаружи слоем металла, служащего эмиттером, и расположенную концентрически вокруг емкости металлическую оболочку, принимающую электроны, перетекающие с поверхности эмиттера. One of them, the most common, contains a container filled with radioisotope material, coated on the outside with a layer of metal serving as an emitter, and a metal shell located concentrically around the container, which receives electrons flowing from the surface of the emitter.

В результате излучения радиоизотопного материала выделяется тепло, которое вызывает термоэлектронную эмиссию электронов в направлении от расположенной внутри емкости к внешней металлической оболочке, а возникающий при этом электрический ток течет в обратном направлении [1]
Промышленная привлекательность такого источника тока заключается в его простоте и значительных сроках работы.As a result of the radiation of the radioisotope material, heat is generated, which causes thermionic emission of electrons in the direction from the inside of the tank to the outer metal shell, and the resulting electric current flows in the opposite direction [1]
The industrial attractiveness of such a current source lies in its simplicity and long service life.

Однако его использование связано с рядом определенных трудностей из-за низкого значения КПД и необходимости поддержания в источнике высоких температур (свыше 1500^оС) и одновременного охлаждения его наружной оболочки.However, its use is associated with a number of certain difficulties due to low efficiencies, and the need to maintain a high source temperatures (above 1500 ^C) and simultaneous cooling of the outer shell.

Более прогрессивным радиоизотопным источником тока является вторично-эмиссионный источник тока [2]
Указанный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока содержит расположенный в герметичном корпусе слой радиоизотопа, по обеим сторонам от которого помещены металлические эмиттеры. Их толщина не превышает длины пробега в металле эмиттера заряженной частицы, излучаемой радиоизотопом.A more advanced radioisotope current source is the secondary-emission current source [2]
The specified secondary-emission radioisotope current source contains a layer of a radioisotope located in a sealed enclosure, on both sides of which are placed metal emitters. Their thickness does not exceed the mean free path in a metal emitter of a charged particle emitted by a radioisotope.

При этом каждый эмиттер выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенты вторичной электронной эмиссии которых отличаются один от другого. Moreover, each emitter is made in the form of successively alternating layers of two different metals electrically isolated by vacuum gaps, the secondary electron emission coefficients of which differ from each other.

Эффективность радиоизотопного источника тока такого типа определяется тем, что вторичные электроны образуются вдоль всего пути движения заряженной частицы в металле, т.е. энергия заряженной частицы непосредственно преобразуется в энергию электронов, количество и средняя энергия которых несоизмеримо выше, чем при термоэлектронной эмиссии. The efficiency of a radioisotope current source of this type is determined by the fact that secondary electrons are formed along the entire path of movement of a charged particle in a metal, i.e. the energy of a charged particle is directly converted to the energy of electrons, the amount and average energy of which is incommensurably higher than during thermionic emission.

Однако при расположении эмиттеров с обеих сторон относительно радиоизотопа снижается эффективность их использования в силу того, что через каждый эмиттер проходят излучаемые радиоизотопом заряженные частицы только в одном направлении. Тем самым объем эмиттера недостаточно рационально участвует во вторичной эмиссии электронов под воздействием заряженных частиц, излучаемых радиоизотопом. Это обстоятельство ограничивает энергетические показатели вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока. However, when the emitters are located on both sides relative to the radioisotope, their efficiency is reduced due to the fact that charged particles emitted by the radioisotope pass through each emitter in only one direction. Thus, the emitter volume is not rationally involved in the secondary emission of electrons under the influence of charged particles emitted by the radioisotope. This circumstance limits the energy performance of the secondary-emission radioisotope current source.

Цель изобретения состоит в том, чтобы найти рациональную компоновку радиоизотопов и эмиттеров, при которой вся толщина эмиттера облучалась максимально возможным числом излучаемых радиоизотопом заряженных частиц. The purpose of the invention is to find a rational arrangement of radioisotopes and emitters, in which the entire thickness of the emitter was irradiated with the maximum possible number of charged particles emitted by the radioisotope.

Предлагается усовершенствованный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока, содержащий размещенные в герметичном корпусе радиоизотоп и эмиттер с толщиной не более длины пробега в нем излучаемой радиоизотопом заряженной частицы, состоящий из последовательно чередующихся электрически изолированных слоев двух различных веществ с неодинаковыми коэффициентами вторичной электронной эмиссии. An improved secondary-emission radioisotope current source is proposed, which contains a radioisotope and an emitter with a thickness of not more than the mean free path of a charged particle emitted by the radioisotope, consisting of successively alternating electrically isolated layers of two different substances with different secondary electron emission coefficients.

Цель достигается тем, что источник снабжен по меньшей мере еще одним дополнительным расположенным в корпусе радиоизотопом и излучения частиц обоих изотопов направлены навстречу одно другому, а эмиттер размещен между этими радиоизотопами. The goal is achieved in that the source is equipped with at least one additional radioisotope located in the housing and the radiation of particles of both isotopes is directed towards one another, and an emitter is placed between these radioisotopes.

В результате такого технического решения удается повысить энергетическую эффективность вторично-эмиссионного радиоизотопа источника тока за счет более интенсивного облучения всей толщины эмиттера заряженными частицами. As a result of this technical solution, it is possible to increase the energy efficiency of the secondary emission radioisotope of the current source due to more intense irradiation of the entire thickness of the emitter with charged particles.

На фиг. 1 показан схематично вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока с двумя радиоизотопами и эмиттером между ними; на фиг. 2 бинарная ячейка эмиттера источника тока, облучаемая одновременно радиоизотопами с обеих сторон. In FIG. 1 shows schematically a secondary-emission radioisotope current source with two radioisotopes and an emitter between them; in FIG. 2 binary cell of the emitter of the current source, irradiated simultaneously by radioisotopes on both sides.

Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока имеет герметичный корпус 1, сделанный, например, из нержавеющей стали и приспособленный для создания в нем вакуума. The secondary-emission radioisotope current source has a sealed housing 1 made, for example, of stainless steel and adapted to create a vacuum in it.

Внутри корпуса 1 размещены слои 2 и 3 радиоизотопа, излучение которых направлено как наружу, так и навстречу друг другу. Толщина слоя каждого радиоизотопа 2 или 3 составляет не больше длины пробега в нем заряженной частицы и принимается из условия уменьшения потерь частиц, излучаемых делящимися ядрами из изотопного материала. Радиоизотопы 2 и 3 изготавливаются в виде фольги толщиной порядка 5 мкм. Целесообразно в качестве радиоизотопов 2 и 3 применять изотопы калифорния-248, кюрия-242, полония-210. Inside the housing 1 there are placed layers 2 and 3 of the radioisotope, the radiation of which is directed both outward and towards each other. The thickness of the layer of each radioisotope 2 or 3 is not 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. Radioisotopes 2 and 3 are made in the form of foil with a thickness of about 5 microns. It is advisable to use isotopes of California-248, Curium-242, Polonium-210 as radioisotopes 2 and 3.

Выбор радиоизотопа 2 или 3 продиктован необходимым временем эксплуатации источника тока и тем, что применяемый изотоп должен излучать α-частицы, а остальные типы излучения ( β и γ-частицы) должны быть пренебрежимо малы, либо полностью отсутствовать. The choice of radioisotope 2 or 3 is dictated by the necessary operating time of the current source and the fact that the used isotope must emit α particles, and the remaining types of radiation (β and γ particles) should be negligible or completely absent.

В пространстве корпуса 1 между слоями радиоизотопов 2 и 3 расположен многослойный эмиттер 4, состоящий из последовательно чередующихся слоев 5 и 6 различных веществ, обладающих не одинаковыми по величине коэффициентами вторичной электронной эмиссии, которые электрически изолированы один от другого либо вакуумными промежутками 7, либо решетками 8 из диэлектрического материала, например из керамики или пластмассы. In the space of the housing 1 between the layers of radioisotopes 2 and 3 there is a multilayer emitter 4, consisting of sequentially alternating layers 5 and 6 of various substances having non-identical secondary electron emission coefficients, which are electrically isolated from one another either by vacuum gaps 7 or gratings 8 from dielectric material, such as ceramic or plastic.

В качестве слоев 5 и 6 целесообразно использовать металлы, в частности бериллий и медь, чьи коэффициенты вторичной электронной эмиссии при облучении α-частицами достаточно сильно различаются и соответственно равны 30 и 5,5, при этом длина пробега α-частиц с энергией 5-6 МэВ в них составляет около 23 мкм, а средняя энергия электронов вторичной эмиссии примерно 15 В. As layers 5 and 6, it is advisable to use metals, in particular beryllium and copper, whose secondary electron emission coefficients when irradiated with α particles are quite different and are respectively equal to 30 and 5.5, while the mean free path of α particles with an energy of 5-6 MeV in them is about 23 microns, and the average energy of the secondary emission electrons is about 15 V.

Один из слоев 5 или 6 может быть изготовлен из полупроводникового материала с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы. В конкретном случае это может быть кремний или арсенид галлия. One of the layers 5 or 6 can be made of a semiconductor material with a secondary electron emission coefficient greater than unity. In a particular case, it may be silicon or gallium arsenide.

С целью предотвращения потерь электронов в промежутке 7 между слоями 5 и 6 эмиттера 4 давление в указанном промежутке 7 остаточных газов должно быть не хуже 10^-6 Торр, а расстояние между слоями 5 и 6 не должно превышать длины свободного пробега электронов в остаточном газе.In order to prevent electron losses in the gap 7 between the layers 5 and 6 of the emitter 4, the pressure in the specified gap 7 of the residual gases should be no worse than 10 ^-6 Torr, and the distance between the layers 5 and 6 should not exceed the mean free path of the electrons in the residual gas.

В предпочтительном варианте реализации изобретения в вакуумном промежутке 7 желательно иметь диэлектрические решетки 8, которые наносятся непосредственно на слои 5 и 6 вещества, из которого они изготовлены. Наличие решеток 8 из диэлектрического материала позволяет придать повышенную конструкционную жесткость слоям 5 и 6 эмиттера 4, и в связи с этим их можно изготавливать в виде более тонкой фольги порядка 0,01 мкм вместо 0,1 мкм, если бы решетки 8 отсутствовали. In a preferred embodiment of the invention, it is desirable to have dielectric gratings 8 in the vacuum gap 7, which are applied directly to the layers 5 and 6 of the substance from which they are made. The presence of gratings 8 of dielectric material allows to give increased structural rigidity to the layers 5 and 6 of the emitter 4, and in this regard, they can be made in the form of thinner foils of the order of 0.01 μm instead of 0.1 μm if the gratings 8 were absent.

В этом случае эмиттер 4 при тех же габаритах имеет гораздо большее число составляющих его слоев 5 и 6 и характеризуется большими значениями энергетических показателей. Однако нужно соблюдать условие, при котором сумма толщин всех слоев 5 и 6 эмиттера 4 не превышала бы длины пробега излучаемой радиоизотопами 2 и 3 заряженной частицы в веществе слоев 5 и 6. In this case, the emitter 4 with the same dimensions has a much larger number of its constituent layers 5 and 6 and is characterized by large values of energy indicators. However, it is necessary to observe a condition under which the sum of the thicknesses of all layers 5 and 6 of emitter 4 would not exceed the mean free path of a charged particle emitted by the radioisotopes 2 and 3 in the material of layers 5 and 6.

Слои 5 с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 9 и образуют положительный вывод 10 источника тока, а слои 6 с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии соединены между собой электрическими проводниками 11 и образуют отрицательный вывод 12 источника тока. Layers 5 with a large coefficient of secondary electron emission are interconnected by electrical conductors 9 and form a positive terminal 10 of the current source, and layers 6 with a lower coefficient of secondary electron emission are interconnected by electrical conductors 11 and form a negative terminal 12 of the current source.

При вышеописанном выполнении эмиттера 4 и его размещении между радиоизотопами 2 и 3 заметно повышается энергетическая эффективность источника тока благодаря более интенсивному с обеих сторон облучению частицами слоев 5 и 6 эмиттера 4. With the above-described embodiment of the emitter 4 and its placement between the radioisotopes 2 and 3, the energy efficiency of the current source is noticeably increased due to the more intense irradiation on both sides of the particles of layers 5 and 6 of the emitter 4.

Каждые два слоя 5 и 6 и разделяющий их промежуток 7 (решетка 8) составляют бинарную ячейку эмиттера 4, совокупность которых вместе с радиоизотопами 2 и 3 образует источник тока в целом. Each two layers 5 and 6 and the gap 7 separating them (lattice 8) constitute the binary cell of the emitter 4, the combination of which together with the radioisotopes 2 and 3 forms the current source as a whole.

Поэтому принцип действия предложенного вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока будет ясен из описания работы ячейки, показанной на фиг. 2. Therefore, the principle of operation of the proposed secondary emission radioisotope current source will be clear from the description of the operation of the cell shown in FIG. 2.

Будем считать, что слой 5 изготовлен из металла с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, например бериллия, а слой 6 из металла с меньшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии, например меди, и оба слоя 5 и 6 облучаются α-частицами (ионами), излучаемыми радиоизотопами 2 и 3 навстречу друг другу, как это показано большими стрелками. We assume that layer 5 is made of metal with a large coefficient of secondary electron emission, such as beryllium, and layer 6 is made of metal with a lower coefficient of secondary electron emission, such as copper, and both layers 5 and 6 are irradiated with α particles (ions) emitted by radioisotopes 2 and 3 towards each other, as shown by large arrows.

При пролете заряженной частицы через бинарную ячейку вторичная электронная эмиссия будет происходить с обеих поверхностей каждого слоя 5 и 6, но рассмотрим только поверхности слоев 5 и 6, обращенные друг к другу. При этом из слоя 5 металла будет выбито γ₅, а из слоя 6 металла γ₆ электронов. Перемещение этих электронов показано маленькими стрелками.When a charged particle passes through a binary cell, secondary electron emission will occur from both surfaces of each layer 5 and 6, but we will only consider the surfaces of layers 5 and 6 facing each other. In this case, γ ₅ will be knocked out of the metal layer 5, and γ ₆ electrons from the metal layer 6. The movement of these electrons is shown by small arrows.

Практически все выбитые заряженной частицей вторичные электроны при отсутствии в вакуумном промежутке 7 между слоями 5 и 6 металлов электромагнитных полей достигнут противоположного слоя. Вследствие этого на слое 5 металла образуется недостаток электронов, а на слое 6 металла их избыток, равный γ₅ γ₆ электронов.Almost all secondary electrons knocked out by a charged particle in the absence of electromagnetic fields in layers 5 and 6 in the vacuum gap 7 reach the opposite layer. As a result, a lack of electrons is formed on the metal layer 5, and on the metal layer 6 there is an excess of them equal to γ ₅ γ ₆ electrons.

Расположение радиоизотопов 2 и 3 и эмиттера 4 так, чтобы каждый слой эмиттера был размещен между радиоизотопами, позволяет почти в два раза снизить вес эмиттера 4, расход материала и улучшить массогабаритные характеристики, поскольку для работы этого источника необходимо n + 1 слоев эмиттера 4, а не 2n. The location of the radioisotopes 2 and 3 and the emitter 4 so that each emitter layer was placed between the radioisotopes allows almost two times to reduce the weight of the emitter 4, the material consumption and to improve the overall dimensions, since this source requires n + 1 layers of emitter 4, and not 2n.

Электрическая мощность Р такого радиоизотопного источника тока будет пропорциональна суммарной площади S слоя радиоизотопов 2 и 3, которая должна определяться как:
S

где κ_o удельная активность 1 см³ изотопа в Ки/см³,
d_R суммарная толщина радиоизотопов;
ε_o средняя энергия электронов.The electric power P of such a radioisotope current source will be proportional to the total area S of the layer of

radioisotopes

2 and 3, which should be determined as:
S

where κ _o specific activity of 1 cm ³ isotope in Ci / cm ³ ,
d _R total thickness of the radioisotopes;
ε _{o is the} average electron energy.

Рассмотрим пример. Consider an example.

Возьмем в качестве изотопа ²¹⁰Р_о, нанесенный на металл-матрицу, его удельная активность η 4500 Кюри/г, где η ≈ 0,4-0,5, время полураспада 138,4 сут. Плотность ≈ 10 г/см.Let us take ²¹⁰ R _о as an isotope deposited on a metal matrix, its specific activity is η 4500 Curie / g, where η ≈ 0.4-0.5, half-life is 138.4 days. Density ≈ 10 g / cm.

Пусть толщина слоя изотопа будет d_R5 · 10^-4 см.Let the isotope layer thickness be d _R 5 · 10 ^-4 cm.

Тогда согласно формуле для S, выраженной через требуемую мощность, найдем для Р 100,0 кВт
S

3000 Ки/г γ₅ γ₆ 25; ε_o10 эВ; d_R 5 · 10^-4 см; d₅ d₆ 10^-4 см; S 1,13 ·10⁶ см².Then, according to the formula for S, expressed in terms of the required power, we find for P 100.0 kW
S

3000 Ci / g γ ₅ γ ₆ 25; ε _o 10 eV; d _R 5 · 10 ^-4 cm; d ₅ d ₆ 10 ^-4 cm; S 1.13 · 10 ⁶ cm ² .

Беря S 10⁴ см², получаем 113 пластин изотопов; в варианте "В" 114 по 1000.Taking S 10 ⁴ cm ² , we get 113 plates of isotopes; in option "B" 114 to 1000.

Вес изотопа 8,65 кг; вес пластин 24,3 кг; вес устройства 30 кг ("В"); удельная эффективность 18 Вт/г изотопа; 2 Вт/г устройства; мощность выд. изотопа 5,32 · 10⁵ Вт; эффективность η 18,8%
Сравнительные данные энергетических показателей известного и предложенного вторично-эмиссионного радиоизотопного источников тока с эмиттером, изготовленным из бериллия и меди, приведены в таблице.The weight of the isotope is 8.65 kg; plate weight 24.3 kg; device weight 30 kg ("B"); specific efficiency of 18 W / g isotope; 2 W / g device; power out. isotope 5.32 · 10 ⁵ W; efficiency η 18.8%
Comparative energy data of the known and proposed secondary emission radioisotope current sources with an emitter made of beryllium and copper are shown in the table.

Из таблицы видно, что по своим энергетическим параметрам предложенный вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока превосходит известный, в значительной степени за счет более интенсивного и рационального облучения эмиттера 4 одновременно двумя радиоизотопами 2 и 3. The table shows that, in terms of its energy parameters, the proposed secondary-emission radioisotope current source is superior to the known one, largely due to more intensive and rational irradiation of emitter 4 simultaneously with two radioisotopes 2 and 3.

При изготовлении предложенного источника в виде куба со стороной длиной 1 м его температура при учете только потерь избыточного тепла путем излучения не превышает 300^оС. Увеличением излучающей поверхности источника эту температуру можно заметно уменьшить.In the manufacture of the proposed source in the form of a cube with a side length of 1 m, its temperature when only the excess heat losses by radiation does not exceed 300 ° ^C. By increasing the radiating surface of this source temperature can be markedly reduced.

Claims

SECONDARY-EMISSION RADIO ISOTOPIC CURRENT SOURCE, containing a radiating element placed in a sealed enclosure made in the form of a radioisotope, and an emitter of a thickness not exceeding the mean free path of charged particles emitted by the radioisotope, consisting of successively alternating electrically isolated layers of two different substances with unequal secondary electron coefficients emission, characterized in that the source is equipped with at least one additional radiating element located in the housing in in the form of a radioisotope, made so that the radiation of both isotopes is directed towards one another, and the emitter is located between the radioisotopes.