RU207579U1 - Радиоизотопный источник электрической энергии - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к радиоизотопному источнику электрической энергии. Источник включает гранулированный радиолюминофор в виде радиолюминесцентных кристаллов (1), выполненных из высокотемпературной кристаллической керамики на основе фосфата, допированной альфа-излучающим изотопом актиноида с содержанием (0,01-0,10) %, легированной редкоземельным элементом с содержанием (1-2) %. Радиолюминесцентные кристаллы (1) распределены в слое (2) оптически прозрачного компаунда. С двух сторон к слою (2) оптически прозрачного компаунда примыкают два полупроводниковых фотоэлектрических преобразователя (3), которые могут быть выполнены, в частности, на основе соединений А3В5. Слой (2) оптически прозрачного компаунда и два полупроводниковых фотоэлектрических преобразователя (3) заключены в защитный корпус (4) и подсоединены электрическими проводами (5) к внешним электрическим контактам (6). Техническим результатом является обеспечение повышенной безопасности использования радиоизотопного источника электрического питания при относительно высокой удельной мощности. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области энергетики, а более конкретно к радиоизотопным источникам энергии с большим сроком службы и может быть применима в электронике, приборостроении, машиностроении и медицине. Например, в датчиках для атомной промышленности, кардио- и нейростимуляторах, биодатчиках, системах жизнеобеспечения, инсулиновых помпах, МЭМС, автономных электронных системах с совмещенным питанием, световых индикаторах в различных приборах и устройствах, портативных часах, автомобильных аккумуляторах, элементах датчиков систем позиционирования и прочее.

Известен источник электрической энергии (см. WO2017054031 МПК G21H 1/00, G21H1/12, H01L31/00, опубл. 02.08.2017), включающий одно или несколько радиоактивных веществ в качестве источника высокоэнергетичных фотонов и/или электронов, предпочтительно в форме жидкости или в виде ядерного топливного стержня, фотоэлектрический материал, предпочтительно пористый, заключенные в металлический контейнер, снабженный электромагнитами, ускоряющими распад радиоактивных веществ.

Недостатками известного источника электрической энергии являются значительные габариты и высокая радиационная нагрузка на фотоэлектрический материал из-за непосредственного воздействия на него высокоэнергетического потока фотонов и/или электронов, приводящее к ускоренной деградации фотоэлектрического материала.

Известно устройство для преобразования энергии ядерного распада (см. RU2626324, МПК G21H 1/12, опубл. 26.07.2017), где фотоэлектрические преобразователи вырабатывают электроэнергию при облучении светом, созданным облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции. Пространство между фотоэлектрическими преобразователями заполнено чередующимися объемами радиоактивного материала и люминофора, при этом характерный размер объемов радиоактивного материала не превышает длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем или, по крайней мере, сравним с ним, а характерный размер объемов люминофора не меньше длины свободного пробега эмитируемых частиц в люминофоре. В конструкции устройства используют зерна люминофора, которые окружены тонким слоем радиоактивного вещества, либо радиоактивные частицы помещены внутрь зерен люминофора.

В связи с использованием в известном устройстве бета-радиоактивного материала существует необходимость обеспечения дополнительной защиты от проникающей радиации, а окруженный (снаружи либо внутри) радиоактивным материалом люминофор подвержен быстрой деградации под воздействием частиц высоких энергий, испускаемых радиоактивным материалом.

Известен радиоизотопный источник электрической энергии (Maxim Sychov, Alexandr Kavetsky, Galina Yakubova, Gabriel Walter, ShahidYousaf, Qian Lin, Doris Chan, Heather Socarras, Kenneth Bower. - Alpha indirect conversion radioisotope power source // Applied Radiation and Isotopes. 2008. №66. C. 173-178), в котором кинетическая энергия альфа-частиц (²³⁸Pu, 300 мКи) преобразуется в свет после прохождения люминофорного экрана, после чего образующиеся фотоны попадают на фотоэлектрический преобразователь, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Радиоактивным источником служит ²³⁸Pu, в качестве люминофорного материала выступает ZnS, а фотопреобразователи имеют структуру Al_xGa_1-xAs/GaAs. Покрытое люминофором предметное стекло установлено на некотором расстоянии от радиоактивного источника ²³⁸Pu, а между источником альфа-излучения и слоем люминофора помещен тонкий отражающий металлический слой, который, может быть выполнен, например, из алюминиевой или золотой фольги толщиной ~1 мкм, предназначенный для повышения светового потока на фотоэлектрический преобразователь за счет переотражения излучения в слое люминофора.

В известном радиоизотопном источнике электрической энергии источник альфа-излучения и люминофорный экран разнесены в пространстве, что увеличивает размеры устройства и вносит дополнительные потери, снижая тем самым эффективность радиоизотопного источника энергии в целом. Недостатком известного радиоизотопного источника энергии электрической энергии является также слабая степень радиационной защиты.

Известен преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или деления) в электрическую энергию (см. RU2663971, МПК G21H 1/12, опубл. 14.08.2018), содержащий по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора по меньшей мере с одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с полупроводниковым элементом. В слой активированного сцинтиллятора диспергировано ядерное топливо в виде волокон и/или такой слой расположен в контакте по меньшей мере с одним слоем ядерного топлива.

Недостатком известного преобразователя ядерной энергии является использование сцинтиллятора с малой радиационной стойкостью, что сильно снижает срок службы источника питания.

Известен преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер и/или быстрых нейтронов ядерного синтеза) (см. RU2694362, МПК G21H 1/12, опубл. 12.07.2019), содержащий по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора по меньшей мере с одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с полупроводниковым фотоэлектрическим преобразователем. В активированном сцинтилляторе атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами в качестве ядерного топлива.

Недостатком известного преобразователя ядерной энергии является использование сцинтилляторов с малой радиационной стойкостью, что сильно снижает срок службы источника питания. К тому же применение градиентного волновода требует дополнительных технологических операций при изготовлении преобразователя, в ходе которых необходимо получать структуру волновода с минимальными оптическими потерями которые, в конечном счете, будут влиять на удельную мощность излучения.

Известен радиоизотопный источник электрической энергии (см. US8294023, МПК H01L 31/00, Н01М 14/00, G21H 1/00, C09K 11/54, C09K 11/72, опубл. 23.10.2012), включающий радиоизотопные наночастицы из группы: ³Н, ⁹⁰Sr, ¹⁴⁸Gd, ²⁴¹Am, ²⁴⁴Cm, ²³²U, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, или ²³⁸Pu, внутри поликристаллического сцинтиллятора из группы: CaF₂, легированный Eu; ZnS, ZnS, CdS, легированные Ag; Y₂O₃, легированный Eu; или Y₂SiO₅, легированный Се; дополнительный поликристаллический сцинтиллятор, по меньшей мере частично окружающий поликристаллический сцинтиллятор с радиоизотопными наночастицами, и фотоэлектрический преобразователь, оптически соединенный с окружающим поликристаллическим сцинтиллятором и выполненный из группы: Si, SiC, GaP, GaAs, InP, GaInP₂, CdTe или InGaN. Запрещенную зону материала фотоэлектрического преобразователя выбирают так, чтобы она соответствовала длине волны излучения поликристаллических сцинтилляторов. Энергия продуктов радиоактивного распада преобразуется в энергию фотонов, которые попадают на фоточувствительную поверхность по меньшей мере одного фотоэлектрического преобразователя, который в конечном счете генерирует электрическую энергию.

В известном радиоизотопном источнике электрической энергии использован сцинтиллятор с малой радиационной стойкостью, что приводит к снижению срок службы источника питания, а дополнительный слой сцинтиллятора увеличивает габариты устройства.

Известен радиоизотопный источник электрической энергии (см. US20190088380, МПК G21H 1/12, опубл. 21.03.2019), включающий источник света в виде слоя кристаллов люминофора, смешанных с ураном, с двух сторон которого расположены фотоэлектрические преобразователи.

Известный радиоизотопный источник электрической энергии содержит кристаллы люминофора, имеющие малую радиационную стойкость, что приводит к снижению срока службы источника питания. На безопасность влияет следующее: частицы урана находятся вне кристаллической решетки кристаллов, а их содержание значительно. Металлические частицы урана, к тому же, способны поглощать свет, что понижает эффективность люминесценции. В заявке, также, не предусмотрено спектрального согласования источника излучения и фотопреобразователей.

Известен радиоизотопный источник электрической энергии (см. RU169881, МПК G21H 1/12, опубл. 05.04.2017), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Источник-прототип содержит корпус, снабженный внешними электрическими контактами, соединенными посредством электрических проводов с внешними электрическими контактами первого и второго полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, между которыми расположен радиолюминесцентный источник оптического излучения. Радиолюминесцентный источник оптического излучения представляет собой гранулированный радиолюминофор с металлическими частицами радиоизотопа ⁶³Ni со средним размером менее 3 мкм и содержанием более 0,1%, которые распределены в оптически прозрачном компаунде, выполненном в виде слоя толщиной (100-150) мкм. Спектральные диапазоны поглощения фотоэлектрических преобразователей согласованы со спектральным диапазоном оптического излучения радиолюминесцентного источника оптического излучения.

Недостатком известного радиоизотопного источника электрической энергии является использование бета-частиц в качестве радиоактивного источника ионизирующего излучения, что приводит к усложнению защиты от проникающей радиации. Использованный в известном радиоизотопном источнике люминофор имеет малую радиационную стойкость, что приводит также к снижению срока службы источника питания.

Задачей настоящего технического решения является разработка радиоизотопного источника электрической энергии, который бы при относительно высокой удельной мощности отличался повышенной безопасностью.

Поставленная задача решается тем, что радиоизотопный источник электрической энергии содержит защитный корпус, снабженный внешними электрическими контактами, соединенными посредством электрических проводов с внешними электрическими контактами первого и второго полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, между которыми расположен радиолюминесцентный источник оптического излучения в виде гранулированного радиолюминофора, легированного химическим элементом и допированного радиоизотопом, распределенного в слое оптически прозрачного компаунда. Новым в настоящем радиоизотопном источнике является то, что гранулированный радиолюминофор выполнен из высокотемпературной кристаллической керамики на основе фосфата, допированной альфа-излучающим изотопом актиноида с содержанием (0,01-0,10) % и легированной редкоземельным элементом с содержанием (1-2) %.

В качестве альфа-излучающего изотопа актиноида может быть введен плутоний ²³⁸Pu или америций ²⁴¹Am.

Высокотемпературная кристаллическая керамика на основе фосфата может быть выполнена из ксенотима или из монацита.

В качестве редкоземельного элемента может быть введен европий Eu³⁺.

Слой оптически прозрачного компаунда может быть выполнен толщиной (1-3) мм.

Равномерное допирование гранулированного радиолюминофора радиоизотопом в виде альфа-излучающего изотопа актиноида в малом количестве, такого как, например, ²³⁸Pu с периодом полураспада 87,7 лет и энергией испускаемых α-частиц 5456,3 кэВ в 28,98% случаев и 5499,03 кэВ в 70,91% случаев, обеспечивает более высокую удельную мощность источника излучения по сравнению с бета-частицами, минимизируется собственное поглощение, а за счет использования оптимальной толщины слоя оптически прозрачного компаунда минимизируется и паразитное рассеяние генерируемого света. Более высокая удельная мощность альфа-источника и малая длина пробега альфа-частиц позволяет использовать меньшую площадь фотоэлектрического преобразователя для достижения одинакового уровня вырабатываемой мощности источника питания по сравнению с бета-источником. Либо при сохранении общих габаритов использование радиоизотопа в виде альфа-излучающего изотопа актиноида вместо бета-излучающего изотопа допускает намного меньшее содержание радионуклида в радиоизотопном источнике для достижения необходимого уровня вырабатываемой мощности электроэнергии.

Выполнение гранулированного радиолюминофора из высокотемпературной кристаллической керамики на основе фосфата, такой как монацит EuPO₄ и ксенотим ΥΡO₄, механически, химически и радиационно-стойкой, служащей минералоподобной матрицей для иммобилизации альфа-излучающего изотопа актиноида и легирующей примеси активных центров люминесценции, позволяет значительно снизить аморфизацию и разрушение радиолюминофора под действием высоких дозовых нагрузок, что позволяет повысить надежность с точки зрения безопасности использования радиоизотопного источника потребителем и для остальных частей его конструкции при относительно высокой удельной мощности.

Содержание альфа-излучающего изотопа актиноида (0,01-0,10) % обусловлено тем, что при содержании менее 0,01% эффективность люминесценции снижается. При содержании альфа-излучающего изотопа актиноида более 0,10% растет количество безызлучательных дефектов в кристаллах керамики, усложняются требования к безопасности и размерам устройства, относимые к закрытым источникам ионизирующего излучения.

Содержание легирующего редкоземельного элемента (1-2) % обусловлено тем, что при содержании легирующего редкоземельного элемента менее 1% энергия радиоактивного распада не может быть использована в полном объеме, так как доля активных центров люминесценции еще мала, это приводит к понижению эффективности люминесценции. При содержании легирующего редкоземельного элемента более 2% проявляется эффект концентрационного тушения, который также приводит к понижению интенсивности люминесценции.

Настоящая полезная модель поясняется чертежами, где

на фиг.1 схематически изображен настоящий радиоизотопный источник электрической энергии;

на фиг.2 представлен спектр оптического излучения радиоизотопного источника электрической энергии с гранулированным радиолюминофором из ксенотима ΥΡO₄, допированного плутонием ²³⁸Pu и легированного европием Eu³⁺ (на спектре каждому пику соответствует переход ⁵D₀→⁷F_j - переход 4f-электронов ионов Eu³⁺ в основное электронное состояние).

Настоящий радиоизотопный источник электрической энергии (см. фиг.1) включает гранулированный радиолюминофор в виде радиолюминесцентных кристаллов 1, выполненных из высокотемпературной кристаллической керамики на основе фосфата, допированной альфа-излучающим изотопом актиноида с содержанием (0,01-0,10) %, легированной редкоземельным элементом с содержанием (1-2) %, например, из ксенотима ΥΡO₄, допированного плутонием ²³⁸Pu и легированного европием Eu³⁺, или из монацита EuPO₄, допированного америцием ²⁴¹Am и легированного Eu³⁺. Радиолюминесцентные кристаллы 1 распределены в слое 2 оптически прозрачного компаунда, предпочтительно толщиной (1-3) мм, например, из силикона. С двух сторон к слою 2 оптически прозрачного компаунда примыкают два полупроводниковых фотоэлектрических преобразователя 3, выполненных, например, на основе соединений А³В⁵ с оптимизированной спектральной чувствительностью. Слой 2 оптически прозрачного компаунда и два полупроводниковых фотоэлектрических преобразователя 3 заключены в защитный корпус 4 и подсоединены электрическими проводами 5 к внешним электрическим контактам 6.

Настоящий радиоизотопный источник электрической энергии работает следующим образом. Альфа-частицы, излучаемые изотопом актиноида, содержащегося в радиолюминесцентных кристаллах 1, теряют энергию в результате упругих и неупругих столкновений с атомами кристаллической матрицы - кристаллической керамики на основе фосфата, при этом часть энергии альфа-частиц расходуется на образование радиационных дефектов (смещение атомов матричной системы радиолюминесцентных кристаллов 1), часть на возбуждение электронной системы с образованием фононов и на тепловой нагрев радиолюминесцентных кристаллов 1. Эффективность передачи энергии возбуждения электронной матричной системы радиолюминесцентных кристаллов 1 центрам люминесценции определяется очень многими факторами: относительным расположением возбужденных уровней центров свечения относительно зоны проводимости, наличием собственных дефектов и их уровней энергии, а также наличием каналов безызлучательной рекомбинации возбуждения и других. Механизм люминесценции связан с внутрицентровыми переходами. Они имеют место в центрах люминесценции - ионах переходных металлов или их комплексах. Выбор центра ионной люминесценции определяется спектральными диапазонами, в которых планируется наблюдать люминесценцию. Световое излучение, возникающее в результате перехода возбужденных уровней электронов ионов редкоземельного элемента радиолюминесцентных кристаллов 1 в основное электронное состояние, поступает в полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи 3, которые вырабатывают постоянную электрическую энергию под воздействием светового излучения, получаемую на внешних электрических контактах 6. При этом спектр люминесценции радиоизотопного источника излучения, например, ксенотима ΥΡO₄, допированного плутонием ²³⁸Pu и легированного европием Eu³⁺ (см. фиг.2) и спектр поглощения фотоэлектрического преобразователя 3 согласуют для повышения эффективности преобразования светового излучения в электрическую энергию. На фиг.2 приведен спектр люминесценции радиоизотопного источника излучения ксенотима ΥΡO4, допированного плутонием 238Pu и легированного европием Eu3+, на спектре каждому пику соответствует переход 5D0→Fj - переход 4f-электронов ионов Eu3+ в основное электронное состояние: кривая 7 - переход 5D0→7F1, кривая 8 - 5D0→7F2, кривая 9 - 5D0→7F3, кривая 10 - 5D0→7F4.

Настоящий радиоизотопный источник электрической энергии позволяет вырабатывать относительно высокие значения удельной мощности при сохранении малогабаритности и длительного срока службы и позволяет обеспечить безопасность использования, как для потребителя, так и для сопутствующих частей общей конструкции.

Claims (8)

1. Радиоизотопный источник электрической энергии, содержащий защитный корпус, снабженный внешними электрическими контактами, соединенными посредством электрических проводов с внешними электрическими контактами первого и второго полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, между которыми расположен радиолюминесцентный источник оптического излучения в виде гранулированного радиолюминофора, легированного химическим элементом и допированного радиоизотопом, распределенного в слое оптически прозрачного компаунда, отличающийся тем, что гранулированный радиолюминофор выполнен из высокотемпературной кристаллической керамики на основе фосфата, допированной альфа-излучающим изотопом актиноида с содержанием (0,01-0,10) % и легированной редкоземельным элементом с содержанием (1-2) %.

2. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве альфа-излучающего изотопа актиноида введен плутоний ²³⁸Pu.

3. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве альфа-излучающего изотопа актиноида введен америций ²⁴¹Am.

4. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что высокотемпературная кристаллическая керамика на основе фосфата выполнена из ксенотима.

5. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что высокотемпературная кристаллическая керамика на основе фосфата выполнена из монацита.

6. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве редкоземельного элемента введен европий Eu³⁺.

7. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что слой оптически прозрачного компаунда выполнен толщиной (1-3) мм.

8. Радиоизотопный источник по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи выполнены на основе соединений А³В⁵.

Images