RU2568958C1 - Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию - Google Patents
Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568958C1 RU2568958C1 RU2014127723/28A RU2014127723A RU2568958C1 RU 2568958 C1 RU2568958 C1 RU 2568958C1 RU 2014127723/28 A RU2014127723/28 A RU 2014127723/28A RU 2014127723 A RU2014127723 A RU 2014127723A RU 2568958 C1 RU2568958 C1 RU 2568958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- platinum
- ionizing radiation
- energy
- semiconductor material
- gold
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество. Техническим результатом изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Description
Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Способ может быть использован в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных источников электроэнергии с большим сроком службы.
Изучение процессов и методов преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию актуально по нескольким причинам. Во-первых, такие исследования имеют фундаментальное значение для изучения электронных свойств алмаза. Во-вторых, в России и в мире наблюдается потребность в источниках электроэнергии с большим сроком службы для нужд промышленности, в частности оборонной; такие источники могут быть созданы на основе заявляемого изобретения. В-третьих, автономные источники электроэнергии необходимы для исследовательских целей, в частности для исследования космоса и для глубоководных исследований.
Известен способ создания источника электроэнергии с помощью радиоактивного материала, используемого в электрическом генераторе, преобразующем энергию электронов радиоактивного распада в электроэнергию. Сущность изобретения заключается в выборе органического материала, а именно 1-этилэтилена, насыщении атомами трития 3Н (тритированиии) его таким образом, что соотношение количества атомов трития к количеству атомов углерода составляет по меньшей мере 1:1. Процесс тритирования заключается в добавлении или замещении атомов трития или сочетает оба процесса. Полученный полимерный материал используется в устройстве для генерации электрического тока за счет преобразования энергии, выделяющейся при распаде радиоактивного материала, в состав которого входит по меньшей мере один слой полупроводникового пористого материала, в поры которого вышеуказанный полимерный материал помещается путем пропитки. К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность и многостадийность процесса изготовления как собственно тритированного полимерного материала, так и устройства для генерации электрического тока, существенно повышающие стоимость изделия (Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009).
Известный способ генерации электрической мощности в ходе процесса распада радиоактивного материала, при этом радиоактивный материал и область полупроводникового р-n перехода объединены в ячейку. Область р-n перехода образована соответствующей структурой множества участков с р- и n-проводимостью. По меньшей мере часть одной из областей р-n перехода представляет собой область, насыщенную порами с соотношением глубины к диаметру больше 20:1 и расположенных под углом более 55 градусов к поверхности, на которой они сформированы. Размеры и формы областей с макропорами и улучшенные области р-n перехода способствуют улучшению параметров электрического тока, генерируемого устройством. В качестве полупроводникового материала используется кремний, а в качестве радиоактивного материала - тритий или изотопы 63Ni или 241Am. К недостаткам данного изобретения можно отнести использование в качестве полупроводникового материала кремния, обладающего радиационной стойкостью, в 100 раз меньшей, чем алмаз, а также использование в качестве источника излучения высокотоксичного 241Am, являющегося α-излучателем с энергией излучаемых частиц 5,5 МэВ, которые вызовут радиационное повреждение кремния в ходе длительной эксплуатации устройства (Патент US 6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005).
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является автономный источник питания и способ изготовления источника преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29, включающий изготовление полупроводникового материала с использованием карбида кремния, состоящего из областей р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников, воздействие на один из слоев металла ионизирующим бета-излучением и снятие электричества с помощью проводников.
К недостаткам известного изобретения можно отнести сложную, многостадийную схему изготовления полупроводниковой структуры, использование низкоэнергетических источников бета-излучения, использование в качестве полупроводникового материала карбида кремния, обладающего существенно более низкой радиационной стойкостью, что определяет более низкий срок службы полупроводникового материала.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающем изготовление полупроводникового материала состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением и снятие электричества с помощью проводников, согласно изобретению в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения, а в качестве полупроводникового материала берут синтетический алмаз р-типа с содержанием бора в количестве 1014-1016 атомов на см3.
На поверхностях алмаза в областях р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из них - трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото толщиной 5-100 нм для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия толщиной 5-100 нм, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разделяются на отрицательные, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.
Алмаз отличается от других полупроводниковых материалов повышенной радиационной стойкостью, что позволит создавать не деградирующие с течением времени гетероструктуры под действием радиоизотопов, испускающих высокоэнергетические электроны, и использовать их в сравнительно жестких радиационных условиях. Наибольший интерес представляет пороговая энергия электронов, достаточная для возникновения дефектов в алмазе, - она составляет 165-220 кэВ и меняется в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности алмаза. Для сравнения в кремнии дефекты образуются уже при энергии электрона несколько десятков кэВ. Алмаз также характеризуется уникально высокой подвижностью носителей заряда, что значительно уменьшает вероятность рекомбинации электронов и дырок при работе алмазного источника тока и приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Кроме того, уникально высокая теплопроводность алмаза значительно упрощает решение задачи об отводе тепла от любых электронных устройств на его основе. Система титан-платина-золото выступает в роли омического контакта, ее выбор обусловлен следующими требованиями: во-первых, данный контакт не должен приводить к существенному падению напряжения на нем, чтобы исключить дополнительные резистивные потери. Во-вторых, данный слой должен обладать высокой адгезией к алмазу и высокой стойкостью к термоциклированию, т.к. планируется, что он будет использоваться для соединения кристалла преобразователя с корпусом источника тока. Для формирования контакта с барьером Шоттки ключевой является максимальная разность работ выхода электрона из алмаза и из металла контакта - высота этого барьера определяет разность потенциалов на границах области пространственного заряда, от нее зависит напряжение, генерируемое базовым элементом. Именно платина (металлы платиновой группы) обеспечивает достижение максимального напряжения.
В качестве ионизирующего излучения взято альфа-излучение 238Pu, так как один грамм чистого 238Pu генерирует 0,567 Вт мощности, что обеспечивает достижение необходимого напряжения, также период полураспада 238Pu обеспечивает длительный срок службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию.
Изобретение поясняется чертежом, иллюстрирующим предлагаемое техническое решение.
Преобразование энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза осуществляется следующим образом. Источник 1 ионизирующего излучения испускает ионизирующее излучение 2. На пути ионизирующего излучения 2 располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа 3 с контактом Шоттки 4 и омическим контактом 5 так, чтобы ионизирующее излучение 2 полностью или частично попадало на контакт Шоттки 4. При помощи проводников 6 электрический ток снимается с контактов 4 и 5 и передается потребителю 7.
Была создана сборка из 130 преобразователей ионизирующего излучения, разделенная на 4 неравных сектора. В каждом секторе преобразователи были присоединены омическим контактом к медной подложке проводящим клеем и объединены параллельно при помощи микросварки к контактам Шоттки золотым проводом толщиной 40 мкм. Сектора были объединены последовательно-параллельно для достижения рабочего напряжения. Сборка была собрана в пластиковом корпусе для защиты от внешних воздействий.
Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом выразится в повышении степени генерации электрической энергии за счет использования высокоэнергетических ионизирующих источников с альфа-излучением, а также в увеличении срока службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию за счет использования синтетического алмаза в качестве полупроводникового материала, имеющего более высокую радиационную стойкость в условиях ионизирующего излучения по сравнению с карбидом кремния.
Пример конкретного выполнения способа
Для проведения испытаний были изготовлены образцы полупроводникового материала, состоящего из синтетического алмаза с содержанием бора в количестве 1014-1016 атомов на см3, на который воздействовали альфа-излучением активностью 0,2 Ки.
В результате получена на выходе мощность 25 мкВт.
Одновременно проведены испытания известного способа. Результаты испытаний сведены в таблице.
Источники информации
1. Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009.
2. Патент US6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005.
3. Патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29.
Claims (3)
1. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающий изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, отличающийся тем, что в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.
2. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что неразрывные металлические контакты из трехслойной системы металлизации вида титан-платина-золото и металла платиновой группы наносят толщиной 5-100 нм каждый.
3. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в металле контакта Шоттки формируют отверстия различной формы и размеров для лучшего прохождения ионизирующего излучения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014127723/28A RU2568958C1 (ru) | 2014-07-08 | 2014-07-08 | Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014127723/28A RU2568958C1 (ru) | 2014-07-08 | 2014-07-08 | Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2568958C1 true RU2568958C1 (ru) | 2015-11-20 |
Family
ID=54598243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014127723/28A RU2568958C1 (ru) | 2014-07-08 | 2014-07-08 | Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2568958C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2668229C1 (ru) * | 2017-12-26 | 2018-09-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Способ изготовления полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего излучения в электроэнергию |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999036967A1 (en) * | 1998-01-16 | 1999-07-22 | British Nuclear Fuels, Plc | Solid state electric generator using radionuclide-induced exciton production |
| WO2000022629A1 (en) * | 1998-10-09 | 2000-04-20 | British Nuclear Fuels Plc | Power cell |
| US6753469B1 (en) * | 2002-08-05 | 2004-06-22 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Very high efficiency, miniaturized, long-lived alpha particle power source using diamond devices for extreme space environments |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| US8492861B1 (en) * | 2010-11-18 | 2013-07-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope |
-
2014
- 2014-07-08 RU RU2014127723/28A patent/RU2568958C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999036967A1 (en) * | 1998-01-16 | 1999-07-22 | British Nuclear Fuels, Plc | Solid state electric generator using radionuclide-induced exciton production |
| WO2000022629A1 (en) * | 1998-10-09 | 2000-04-20 | British Nuclear Fuels Plc | Power cell |
| US6753469B1 (en) * | 2002-08-05 | 2004-06-22 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Very high efficiency, miniaturized, long-lived alpha particle power source using diamond devices for extreme space environments |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| US8492861B1 (en) * | 2010-11-18 | 2013-07-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2668229C1 (ru) * | 2017-12-26 | 2018-09-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Способ изготовления полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего излучения в электроэнергию |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chandrashekhar et al. | Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell | |
| US3714474A (en) | Electron-voltaic effect device | |
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| US2819414A (en) | Radioactive battery employing stacked semi-conducting devices | |
| US6479919B1 (en) | Beta cell device using icosahedral boride compounds | |
| US11798703B2 (en) | Radiation powered devices comprising diamond material and electrical power sources for radiation powered devices | |
| US20130154438A1 (en) | Power-Scalable Betavoltaic Battery | |
| US8937360B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
| US11094425B2 (en) | Thermionic power cell | |
| KR20120071241A (ko) | 베타소스로부터 전류를 생성하는 적층형 베타전지 및 그 제작방법 | |
| US20140264256A1 (en) | Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same | |
| US9391218B2 (en) | Voltaic cell powered by radioactive material | |
| RU170474U1 (ru) | Радиоизотопный источник постоянного тока | |
| RU90612U1 (ru) | Источник электрического тока | |
| RU2568958C1 (ru) | Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию | |
| CN107210078A (zh) | 发电机系统 | |
| Murashev et al. | Peculiarities of betavoltaic battery based on Si | |
| KR102134223B1 (ko) | 베타전지 | |
| RU2461915C1 (ru) | Ядерная батарейка | |
| US11769603B2 (en) | H-3 silicon carbide PN-type radioisotopic battery and manufacturing method of the same | |
| US9018721B1 (en) | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope | |
| RU168184U1 (ru) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором | |
| RU2605758C1 (ru) | Источник электрического питания | |
| KR20190109495A (ko) | 가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 | |
| RU2641100C1 (ru) | Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа 63 Ni и способ его получения |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160709 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190517 |