RU2626324C2 - Device for energy fission conversion - Google Patents

Device for energy fission conversion Download PDF

Info

Publication number
RU2626324C2
RU2626324C2 RU2015152851A RU2015152851A RU2626324C2 RU 2626324 C2 RU2626324 C2 RU 2626324C2 RU 2015152851 A RU2015152851 A RU 2015152851A RU 2015152851 A RU2015152851 A RU 2015152851A RU 2626324 C2 RU2626324 C2 RU 2626324C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phosphor
radioactive
volumes
energy
light
Prior art date
Application number
RU2015152851A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015152851A (en
Inventor
Дмитрий Евгеньевич Глухов
Андрей Михайлович Ситников
Андрей Владимирович Тихонов
Галина Юрьевна Коломоец
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Квантовый кремний" (ООО "Квантовый кремний")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Квантовый кремний" (ООО "Квантовый кремний") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Квантовый кремний" (ООО "Квантовый кремний")
Priority to RU2015152851A priority Critical patent/RU2626324C2/en
Publication of RU2015152851A publication Critical patent/RU2015152851A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2626324C2 publication Critical patent/RU2626324C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21HOBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/12Cells using conversion of the radiation into light combined with subsequent photoelectric conversion into electric energy

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: device for converting the energy of the nuclear fission energy is generated from the photoelectric converters of light emission generated by irradiation of the luminescent material with the products of the nuclear reaction. Herewith the space is filled between the photoelectric converters by the alternating volumes of the radioactive material and the phosphor. The characteristic size of the radioactive material volumes does not exceed the mean free path of the emitted particles therein or, at least, comparable thereto, and the characteristic size of the phosphor volumes is not smaller than the mean free path of the emitted particles in the phosphor.
EFFECT: increasing the output device power due to uniform distributing radioactive substances in the phosphor medium and limitating the characteristic sizes of the phosphor and the radioactive substance.
7 cl, 6 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области источников энергии, преобразующих энергию ядерных реакций, в частности энергию бета распада, с помощью полупроводниковых преобразователей.The invention relates to the field of energy sources that convert the energy of nuclear reactions, in particular beta decay energy, using semiconductor converters.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Существует значительный ряд устройств, преобразующий энергию радиоактивного распада в электричество посредством полупроводниковых преобразователей различной конструкции. Некоторые устройства используют полупроводниковые преобразователи, в которых тем или иным способом создается развитая поверхность самого тела преобразователя в виде пор или специально сформированной структуры, а радиоактивное вещество располагается непосредственно в теле полупроводникового преобразователя. Оно может находиться на всей поверхности или ее части или/и быть распределенным непосредственно в объеме преобразователя.There is a significant number of devices that convert the energy of radioactive decay into electricity through semiconductor converters of various designs. Some devices use semiconductor converters, in which one way or another creates a developed surface of the converter body itself in the form of pores or a specially formed structure, and the radioactive substance is located directly in the body of the semiconductor converter. It can be located on the entire surface or its part and / or be distributed directly in the volume of the transducer.

Наиболее типичными конструкциями можно считать устройства, описанные, например, в следующих источниках информации: RU 2461915 С1 от 20.09.2012, RU 2452060 С2 от 27.05.2012, US 6774531 А1 от 10.08.2004.The most typical constructions can be considered devices described, for example, in the following information sources: RU 2461915 C1 from 09/20/2012, RU 2452060 C2 from 05/27/2012, US 6774531 A1 from 08/10/2004.

В качестве первичного источника энергии в этих устройствах используются различные радиоактивные материалы, но наиболее перспективными считаются устройства, работающие на изотопе никеля-63 и тритии. Это обусловлено «чистым» бета-распадом упомянутых изотопов, а также относительно невысокой энергией бета частиц, исключающей опасность радиационного повреждения базы (тела) полупроводникового преобразователя и, соответственно, деградации выходной мощности всего устройства.Various radioactive materials are used as the primary source of energy in these devices, but devices operating on the nickel-63 and tritium isotopes are considered the most promising. This is due to the "pure" beta decay of the said isotopes, as well as the relatively low energy of beta particles, eliminating the risk of radiation damage to the base (body) of the semiconductor converter and, accordingly, degradation of the output power of the entire device.

В то же время, использование радиоактивных источников с относительно низкими энергиями частиц означает, что необходимо предпринимать специальные меры для предотвращения эффекта самопоглощения частиц в самом слое радиоактивного материала, фактически ограничивая характерный размер твердых радиоактивных источников. Длина свободного пробега собственных бета частиц в никеле-63, например, составляет только 0,1÷0,2 мкм, что ограничивает мощность всего устройства. Типичная зависимость количества эмитированных частиц от толщины сплошного слоя радиоактивного источника имеет нелинейный характер (стремится к насыщению) и показана на фиг. 1.At the same time, the use of radioactive sources with relatively low particle energies means that special measures must be taken to prevent the effect of self-absorption of particles in the layer of radioactive material, actually limiting the characteristic size of solid radioactive sources. The mean free path of intrinsic beta particles in nickel-63, for example, is only 0.1 ÷ 0.2 μm, which limits the power of the entire device. A typical dependence of the number of emitted particles on the thickness of a continuous layer of a radioactive source is nonlinear (tends to saturation) and is shown in FIG. one.

То есть устройства с совмещенным полупроводниковым преобразователем и радиоактивным источником имеют ограничение выходной удельной мощности.That is, devices with a combined semiconductor converter and a radioactive source have a limiting output specific power.

Фактически, реализация подобной конструкции возможна только при применении газообразного радиоактивного источника, что дает ограничения и по типам используемых радиоактивных материалов.In fact, the implementation of such a design is possible only with the use of a gaseous radioactive source, which gives limitations on the types of radioactive materials used.

Другой конструктивный вариант устройств предполагает промежуточное преобразование энергии распада в излучение с помощью соответствующего люминофора (катодолюминофора) и последующее преобразование его в электрическую энергию полупроводниковым преобразователем. При этом в качестве радиоактивного источника могут выступать как газообразные, так и твердые вещества.Another constructive variant of the devices involves an intermediate conversion of decay energy into radiation using the corresponding phosphor (cathodoluminophore) and its subsequent conversion into electrical energy by a semiconductor converter. In this case, both gaseous and solid substances can act as a radioactive source.

Известно устройство, раскрытое в RU 2202839 С2 от 20.04.2003, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесены зеркальный слой и участки слоя люминофора или участки зеркального слоя с нанесенными на них участками слоя люминофора, причем колба заполнена слаборадиоактивным инертным газом с возможностью взаимодействия частиц естественного радиоактивного распада изотопов инертного газа с люминофором и с возможностью выделения при этом потока фотонов, а устройство преобразования выполнено в виде полупроводниковых элементов солнечной батареи.A device is known, disclosed in RU 2202839 C2 dated 04/20/2003, in which a mirror layer and sections of a phosphor layer or sections of a phosphor layer with sections of a phosphor layer deposited on them are applied to the inner surface of the bulb, the bulb being filled with a slightly radioactive inert gas with the possibility of interaction of particles of natural radioactive the decay of isotopes of an inert gas with a phosphor and with the possibility of separation of the photon flux, and the conversion device is made in the form of semiconductor solar cell elements.

К недостаткам данного устройства следует отнести тот факт, что, с одной стороны, воздействию радиоактивных частиц подвергается только тонкий слой нанесенного люминофора, а с другой стороны не все частицы смогут достигнуть слоя люминофора из-за рассеяния и поглощения в газе.The disadvantages of this device include the fact that, on the one hand, only a thin layer of the applied phosphor is exposed to radioactive particles, and on the other hand, not all particles can reach the phosphor layer due to scattering and absorption in the gas.

Также известна система и способ для самозаряжающейся батареи, раскрытые в US 8350520 В2 от 08.01.2013, где используется твердый источник. При этом первоначальная энергия бета частицы от распада Sr-90 превращается в свет с помощью окружающего радиоактивный источник люминофора (сцинтиллятора), а сам свет преобразуется в электрическую энергию с помощью фотоэлектрического преобразователя. Сам радиоактивный источник располагается по оси цилиндра, преобразователь - на поверхности цилиндра, а сцинтиллятор (люминофор) заполняет тело цилиндра. К недостаткам данного устройства следует отнести тот факт, что компактное расположение радиоактивного источника не исключает эффекта самопоглощения эмитированных частиц в самом источнике, что снижает общую мощность устройства.Also known is a system and method for a self-charging battery, disclosed in US 8350520 B2 of 01/08/2013, where a solid source is used. In this case, the initial energy of beta particles from the decay of Sr-90 is converted into light using the surrounding radioactive source of the phosphor (scintillator), and the light itself is converted into electrical energy using a photoelectric converter. The radioactive source itself is located along the axis of the cylinder, the transducer is located on the surface of the cylinder, and the scintillator (phosphor) fills the cylinder body. The disadvantages of this device include the fact that the compact location of the radioactive source does not exclude the effect of self-absorption of emitted particles in the source itself, which reduces the overall power of the device.

Известно устройство (US 5721462A от 24.02.1998), в котором в содержащем радиоактивное вещество геле распределены малые объемы люминофора. Гель нанесен на поверхность фотопреобразователя, вырабатывающего электрическую энергию. К недостаткам данного устройства следует отнести возможность неконтролируемого поглощения в самом геле.A device is known (US 5721462A dated 02.24.1998) in which small volumes of a phosphor are distributed in a gel containing a radioactive substance. The gel is applied to the surface of a photoconverter that generates electrical energy. The disadvantages of this device include the possibility of uncontrolled absorption in the gel itself.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (US 4242147 A от 30.12.1980), в котором энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции, причем пространство между фотоэлектрическими преобразователями заполнено чередующимися объемами радиоактивного материала и люминофора, которые, в свою очередь заключены в контейнеры с держателями. Держатели и контейнеры могут быть выполнены из прозрачного материала.The closest in technical essence is the device (US 4242147 A dated 12.30.1980), in which the energy is generated by photoelectric converters from light radiation created by irradiating a luminescent material with nuclear reaction products, the space between the photoelectric converters being filled with alternating volumes of radioactive material and a phosphor, which, in turn are enclosed in containers with holders. Holders and containers can be made of transparent material.

Указанная конструкция имеет следующие недостатки. Во-первых, наличие контейнеров значительно ослабляет поток частиц, дошедших до люминесцентного материала за счет поглощения в материале контейнера. Во-вторых, указанные объемы имеют довольно большие размеры, намного превышающие длину свободного пробега эмитированных частиц, что также обуславливает значительное самопоглощение.The specified design has the following disadvantages. Firstly, the presence of containers significantly attenuates the flow of particles reaching the luminescent material due to absorption in the container material. Secondly, these volumes are quite large, far exceeding the mean free path of emitted particles, which also leads to significant self-absorption.

Известные технические решения не отражают геометрические характеристики конструкций, связанные с пробегом эмитированных частиц как в самом радиоактивном материале, так и в люминофоре.Known technical solutions do not reflect the geometric characteristics of the structures associated with the range of emitted particles in the radioactive material itself and in the phosphor.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности преобразования энергии ядерного распада за счет равномерного распределения радиоактивного вещества в среде люминофора и ограничения характерных размеров радиоактивного вещества и люминофора.The objective of the present invention is to increase the efficiency of conversion of nuclear decay energy due to the uniform distribution of the radioactive substance in the phosphor medium and limiting the characteristic sizes of the radioactive substance and phosphor.

Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении выходной мощности устройства.The technical result of the present invention is to increase the output power of the device.

Технический результат достигается тем, что энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции, причем 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.The technical result is achieved by the fact that energy is generated by photoelectric converters from light radiation created by irradiating a luminescent material with nuclear reaction products, the space between the photoelectric converters being filled with alternating volumes of radioactive material and a phosphor, while the characteristic size of the volumes of radioactive material does not exceed the mean free path of emitted particles in him, or at least comparable to him, and the characteristic size of the volumes of lumi the nophora is not less than the mean free path of the emitted particles in the phosphor.

В данном контексте характерным размером объема выступает средний диаметр (для случая шарообразных) или меньший из геометрических размеров для иных (например, прямоугольных) объемов.In this context, the characteristic size of the volume is the average diameter (for the case of spherical) or the smaller of the geometric dimensions for other (for example, rectangular) volumes.

При указанных геометрических размерах объемов радиоактивного материала большая часть эмитируемых им частиц будет выходить из указанных объемов, то есть потери на самопоглощение будут минимальны.Given the geometric dimensions of the volumes of radioactive material, most of the particles emitted by it will come out of these volumes, that is, losses on self-absorption will be minimal.

При указанных геометрических размерах объемов люминофора большая часть эмитированных частиц сможет поглотиться в них, обеспечив повышенный выход световых фотонов, что увеличивает выходную мощность устройства.With the indicated geometric dimensions of the phosphor volumes, most of the emitted particles can be absorbed in them, providing an increased output of light photons, which increases the output power of the device.

Дополнительного преимущества можно достичь, если использовать радиоактивный источник, изготовленный из химического соединения радиоактивного материала, прозрачного для основного излучения люминофора. При этом радиоактивный материал не будет ослаблять (затенять) световой поток к фотопреобразователям. Люминофор, в общем случае, должен обладать высокой прозрачностью для собственного излучения и максимально возможной технически энергетической эффективностью преобразования энергии частиц в излучение.Additional benefits can be achieved by using a radioactive source made of a chemical compound of a radioactive material that is transparent to the main radiation of the phosphor. In this case, the radioactive material will not weaken (obscure) the light flux to the photoconverters. A phosphor, in the general case, should have high transparency for intrinsic radiation and the maximum technically possible energy efficiency for converting particle energy into radiation.

Кроме того, чередующиеся объемы радиоактивного материала и люминофора могут образовывать по меньшей мере один светоизлучающий слой, световое излучение которого складывается из свечения отдельных объемов люминофора.In addition, alternating volumes of radioactive material and phosphor can form at least one light emitting layer, the light radiation of which is composed of the glow of individual volumes of the phosphor.

Под световым излучением понимается излучение люминофора в любом волновом диапазонеUnder the light radiation refers to the radiation of the phosphor in any wavelength range

Кроме того, в случае варианта осуществления, когда образуют по меньшей мере два светоизлучающих слоя, то фотоэлектрические преобразователи могут находиться между указанными слоями.In addition, in the case of the embodiment, when at least two light-emitting layers are formed, the photoelectric converters may be located between these layers.

Кроме того, светоизлучающие слои могут включать отличные по характеристикам радиоактивные материалы и люминофоры.In addition, the light-emitting layers may include excellent radioactive materials and phosphors.

При этом фотоэлектрические преобразователи могут иметь двухстороннюю чувствительность.In this case, photoelectric converters can have two-sided sensitivity.

Совокупность приведенных параметров позволяет исключить явление самопоглощения и обеспечивает линейную зависимость выходной мощности устройства от массы радиоактивного материала.The combination of the above parameters eliminates the phenomenon of self-absorption and provides a linear dependence of the output power of the device on the mass of radioactive material.

Устройство может использовать как твердое, так и жидкое или газообразное состояние радиоактивного соединения (элемента) или их смесь.The device can use either a solid or a liquid or gaseous state of a radioactive compound (element) or a mixture thereof.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг. 1 представлено сравнение эмитированных пленкой никеля-63 электронов в зависимости от толщины слоя h (теоретический расчет).In FIG. Figure 1 shows a comparison of electrons emitted by a nickel-63 film as a function of layer thickness h (theoretical calculation).

По оси ординат - количество электронов, относительные ед.The ordinate axis is the number of electrons, relative units.

По оси абсцисс - толщина слоя никеля (мкм).The abscissa indicates the thickness of the nickel layer (μm).

Ntot(h) - количество электронов вышедших наружу из сплошного слоя никеля.Ntot (h) is the number of electrons released from a continuous layer of nickel.

Ndiss(h) - количество электронов в предположении разбиения пленки никеля на множество бесконечно малых объемов.Ndiss (h) is the number of electrons under the assumption that the nickel film is divided into many infinitely small volumes.

На фиг. 2-6 представлены варианты устройства для преобразования энергии распада.In FIG. Figures 2-6 show device options for converting decay energy.

ОБОЗНАЧЕНИЯNOTATION

1 - Радиоактивный материал, характерный размер объема которого не превышает длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем, или, по крайней мере, сравним с ним.1 - Radioactive material, the characteristic size of the volume of which does not exceed the mean free path of the emitted particles in it, or, at least, is comparable with it.

2 - Люминофор, характерный размер объема которого не меньше длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем.2 - Phosphor, the characteristic size of the volume of which is not less than the mean free path of the emitted particles in it.

3 - Зона, в которой преобразуется энергия атомного распада, сравнимая с длиной свободного пробега образующихся при распаде частиц.3 - The zone in which the energy of atomic decay is converted, comparable to the mean free path of the particles formed during the decay.

4 - Чередующиеся объемы радиоактивного материала и люминофора - светоизлучающий слой.4 - Alternating volumes of radioactive material and phosphor - light-emitting layer.

5 - Фотоэлектрический преобразователь.5 - Photoelectric Converter.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Источник электроэнергии (включающий в себя устройство преобразования ядерной энергии) содержит источник потока фотонов, устройство преобразования энергии излучения в электрическую энергию - полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи. Для передачи электрического тока от фотоэлектрических преобразователей к потребителю энергии предусмотрены провода.An electric power source (including a nuclear energy conversion device) contains a photon flux source, and a device for converting radiation energy into electrical energy - semiconductor photoelectric converters. To transmit electric current from photovoltaic converters to the energy consumer, wires are provided.

Энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного 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.Energy is generated by photoelectric converters from light radiation created by irradiating a luminescent material with nuclear reaction products. The space between the photoelectric converters is filled with alternating volumes of radioactive material and a phosphor, while the characteristic size of the volumes of radioactive material does not exceed the mean free path of emitted particles in it, or at least is comparable with it, and the characteristic size of the volumes of the phosphor is not less than the mean free path of emitted particles in the phosphor.

Радиоактивный источник может быть изготовлен из химического соединения радиоактивного материала, прозрачного для основного излучения люминофора, например соответствующей его соли или окисла. Люминофор, в общем случае, должен обладать высокой прозрачностью для собственного излучения и максимально возможной технически энергетической эффективностью преобразования энергии частиц в излучение.The radioactive source may be made of a chemical compound of a radioactive material that is transparent to the main radiation of the phosphor, for example, its corresponding salt or oxide. A phosphor, in the general case, should have high transparency for intrinsic radiation and the maximum technically possible energy efficiency for converting particle energy into radiation.

Спектральная характеристика фотопреобразователя, в свою очередь, должна обеспечивать преобразование излучения люминофора с максимально возможной эффективностью.The spectral characteristic of the photoconverter, in turn, should ensure the conversion of phosphor radiation with the highest possible efficiency.

В зависимости от выбора конкретного радиоактивного материала реализация устройства преобразования ядерной энергии предлагаемой конструкции может быть осуществлена в нескольких вариантах. Работа некоторых из возможных вариантов иллюстрируется чертежами.Depending on the choice of a particular radioactive material, the implementation of the nuclear energy conversion device of the proposed design can be carried out in several versions. The operation of some of the possible options is illustrated by drawings.

В варианте устройства, изображенного на фиг. 2, зерна люминофора 2 окружены тонким слоем радиоактивного вещества 1, толщина которого достаточно мала для полного пропускания эмитируемых при атомном распаде частиц, например электронов. Эти частицы проникают в зерно люминофора, при этом в зоне 3, сравнимой с длиной свободного пробега частиц, энергия частиц преобразуется в световую энергию. Каждая частица люминофора, имеющая размер больше зоны 3, испускает собственное излучение, которое проходит как сквозь частицу люминофора, прозрачную для собственного излучения, так и сквозь тонкий слой радиоактивного материала. Поскольку слой радиоактивного вещества тонок, то каждая частица люминофора испускает незначительное количество световой энергии. Из множества таких частиц собраны светоизлучающие слои 4, где световая энергия отдельных частиц складывается и полный световой поток отправляется на фотоэлектрический преобразователь 5.In the embodiment of the device shown in FIG. 2, the grains of the phosphor 2 are surrounded by a thin layer of radioactive substance 1, the thickness of which is small enough to completely transmit particles emitted during atomic decay, for example electrons. These particles penetrate the phosphor grain, while in zone 3, comparable to the mean free path of the particles, the particle energy is converted into light energy. Each phosphor particle having a size larger than zone 3 emits its own radiation, which passes through both the phosphor particle transparent to its own radiation and through a thin layer of radioactive material. Since the layer of radioactive substance is thin, each particle of the phosphor emits a small amount of light energy. Of the many such particles, light-emitting layers 4 are assembled, where the light energy of the individual particles is added up and the total light flux is sent to the photoelectric converter 5.

За счет того, что толщина слоя радиоактивного вещества меньше длины свободного пробега частиц в самом слое радиоактивного материала, не происходит потерь энергии частиц за счет самопоглощения. С другой стороны, за счет того, что зерно люминофора имеет диаметр, превышающий длину свободного пробега частиц в самом люминофоре, все эмитируемые частицы участвуют в процессе создания световой энергии. За счет уменьшения потерь устройство имеет повышенный коэффициент эффективности.Due to the fact that the thickness of the layer of radioactive substance is less than the mean free path of particles in the layer of radioactive material, there is no loss of particle energy due to self-absorption. On the other hand, due to the fact that the phosphor grain has a diameter greater than the mean free path of the particles in the phosphor itself, all emitted particles participate in the process of creating light energy. By reducing losses, the device has an increased efficiency ratio.

Покрытие зерен люминофора радиоактивным прозрачным материалом происходит после формирования самого люминофора. Покрытие может осуществляться каким-либо известным в технике способом, например осаждением радиоактивного вещества из пересыщенного раствора. Такая конструкция пригодна для радиоактивного вещества, не вызывающего появления радиационных дефектов в базе полупроводникового фотопреобразователя, например соединений никеля-63.The coating of phosphor grains with a radioactive transparent material occurs after the formation of the phosphor itself. The coating may be carried out by any method known in the art, for example by precipitation of a radioactive substance from a supersaturated solution. This design is suitable for a radioactive substance that does not cause the appearance of radiation defects in the base of a semiconductor photoconverter, for example, nickel-63 compounds.

В варианте устройства, изображенного на фиг. 3, радиоактивные частицы 1 помещены внутрь зерен люминофора 2, в том числе и на стадии изготовления самого люминофора. Такое введение радиоактивного вещества может быть реализовано известными способами, например, при спекании частиц люминофора за счет введения в шихту дополнительно радиоактивного материала. Частицы радиоактивного прозрачного материала 1 окружены зоной 3, в которой преобразуется энергия атомного распада, сравнимая с длиной свободного пробега образующихся при распаде частиц, и помещены в зерно люминофора 2. Множество таких зерен образуют светоизлучающие слои 4, при этом световой поток от зерен преобразуются с помощью фотоэлектрических преобразователей 5 в электрическую энергию.In the embodiment of the device shown in FIG. 3, the radioactive particles 1 are placed inside the grains of the phosphor 2, including at the stage of manufacture of the phosphor itself. Such an introduction of a radioactive substance can be implemented by known methods, for example, by sintering phosphor particles by introducing additional radioactive material into the charge. The particles of the transparent radioactive material 1 are surrounded by zone 3, in which the atomic decay energy is converted, comparable to the mean free path of the particles produced by the decay, and placed in the phosphor grain 2. Many of these grains form light-emitting layers 4, and the light flux from the grains is converted using photoelectric converters 5 into electrical energy.

Такая конструкция отличается от изображенной на фиг. 2 еще и тем, что позволяет использовать радиоактивные соединения, могущие вызвать радиационные повреждения (дефекты) в базе полупроводникового фотопреобразователя, например Gd 148.This design is different from that shown in FIG. 2 also by the fact that it allows the use of radioactive compounds that can cause radiation damage (defects) in the base of a semiconductor photoconverter, for example Gd 148.

Частным случаем этого варианта является конструкция, изображенная на фиг. 4. Здесь люминофор выполнен в виде цельной пластины 2, в которой распределены частицы прозрачного радиоактивного материала 1. В технике известны способы изготовления цельных пластин люминофора, выращивание монокристалла, например. В совокупности такая комбинация образует светоизлучающий слой 4, излучение которого преобразуется фотопреобразователями 5. В такой конструкции нет потерь на рассеяние от многочисленных отражений от зерен люминофора, что дает ей преимущества по отношению к конструкции, изображенной на фиг. 3. В данном варианте осуществления характерным размером люминофора выступает среднее расстояние между частицами радиоактивного вещества.A particular case of this embodiment is the design shown in FIG. 4. Here, the phosphor is made in the form of a solid plate 2, in which particles of a transparent radioactive material are distributed 1. Techniques are known for manufacturing integral phosphor plates, for example, growing a single crystal. Together, this combination forms a light-emitting layer 4, the radiation of which is converted by the photoconverters 5. In this design, there are no losses due to scattering from numerous reflections from the phosphor grains, which gives it advantages over the design shown in FIG. 3. In this embodiment, the characteristic distance of the phosphor is the average distance between the particles of the radioactive substance.

Защита фотопреобразователя от радиационных повреждений усилена в варианте устройства, изображенного на фиг. 5. Здесь фотоэлектрический преобразователь 5 и слой радиоактивного прозрачного вещества 1 разделены толстыми, с толщиной более длины свободного пробега частиц слоями монолитного сплошного люминофора 2 (сцинтиллятора). Толщина слоя радиоактивного вещества 1 меньше длины свободного пробега частиц в нем, поэтому он может считаться малым объемом в терминах, описанных выше. В этом случае фотоэлектрический преобразователь 5 гарантированно защищен от частиц с высокой энергией, образующихся при атомном распаде, что позволяет использовать радиоактивные материалы с большой энергией эмитированных частиц, например Sr-90.The protection of the photoconverter from radiation damage is enhanced in the embodiment of the device shown in FIG. 5. Here, the photoelectric converter 5 and the layer of transparent radioactive substance 1 are separated by thick layers with a thickness greater than the mean free path of the particles by the layers of a continuous solid phosphor 2 (scintillator). The thickness of the layer of radioactive substance 1 is less than the mean free path of the particles in it, so it can be considered a small volume in terms described above. In this case, the photoelectric transducer 5 is guaranteed to be protected from high-energy particles generated by atomic decay, which allows the use of radioactive materials with high energy of emitted particles, for example Sr-90.

Каждый вариант устройства может содержать различное количество светоизлучающих слоев, в том числе и один слой.Each variant of the device may contain a different number of light-emitting layers, including one layer.

Более того, предлагаемое изобретение включает возможность расположения двух и более светоизлучающих слоев различных радиоактивных материалов с разными свойствами, например с высокой и низкой энергией эмитированных частиц, что иллюстрируется фиг. 6. Здесь могут быть совмещены для совместного использования, например соединения стронция-90 и никеля-63. Соответственно, и люминофоры могут быть разными и по составу, и по геометрическим параметрам. Например, один из светоизлучающих слоев 4 может быть выполнен путем разделения первого радиоактивного материала с высокой энергией частиц 1 монолитным сплошным слоем первого люминофора 2. Другой светоизлучающий слой 4 состоит из частиц второго люминофора с частицами прозрачного второго радиоактивного материала.Moreover, the present invention includes the possibility of arranging two or more light-emitting layers of various radioactive materials with different properties, for example, high and low energy of emitted particles, as illustrated in FIG. 6. Here can be combined for sharing, for example, compounds of strontium-90 and nickel-63. Accordingly, phosphors can be different both in composition and in geometric parameters. For example, one of the light-emitting layers 4 can be made by separating the first high-energy radioactive material 1 with a monolithic continuous layer of the first phosphor 2. Another light-emitting layer 4 consists of particles of a second phosphor with particles of a transparent second radioactive material.

Дополнительным преимуществом в этом варианте выступает дополнительная радиационная защита внешними слоями люминофора как фотопреобразователей, так и пространства вне указанного устройства, в том числе и от высокоэнергетичных фотонов (рентгеновского излучения).An additional advantage in this embodiment is additional radiation protection by the outer layers of the phosphor of both the photoconverters and the space outside the specified device, including from high-energy photons (x-ray radiation).

Во всех вариантах устройств пространство между частицами и (или) слоями и фотоэлектрическими преобразователями может быть заполнено оптической средой с коэффициентом преломления, приближающимся к коэффициенту преломления люминофора для устранения потерь на рассеяние света.In all device variants, the space between particles and (or) layers and photoelectric converters can be filled with an optical medium with a refractive index approaching the refractive index of the phosphor to eliminate light scattering losses.

Дополнительного преимущества можно достичь, если использовать фотопреобразователи с двухсторонней чувствительностью, создавая многослойные структуры, как показано на фиг. 2. При этом каждый фотопреобразователь, находящийся между люминесцирующими слоями, находится в условиях повышенной энергетической освещенности (облученности), что повышает кпд преобразования фотопреобразователя по сравнению с его односторонним вариантом.Additional benefits can be achieved by using photoconverters with two-sided sensitivity, creating multilayer structures, as shown in FIG. 2. Moreover, each photoconverter located between the luminescent layers is in conditions of increased energy illumination (irradiation), which increases the conversion efficiency of the photoconverter in comparison with its one-sided version.

Вышеприведенное описание поясняет и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что пояснения, использованные в данном документе, являются иллюстрационными, а не ограничивающими. Изменения могут быть сделаны в пределах компетенции прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано в данном документе со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается частностями, раскрытыми в данном документе; скорее, настоящее изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.The above description illustrates and in no way limits the present invention. Although the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it should be understood that the explanations used herein are illustrative and not restrictive. Changes may be made within the scope of the appended claims. Although the present invention is described herein with reference to specific means, materials and embodiments, the present invention is not limited to the details disclosed herein; rather, the present invention extends to all functionally equivalent structures that fall within the scope of the appended claims.

Claims (7)

1. Устройство для преобразования энергии ядерного распада, где энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции, причем 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.1. A device for converting nuclear decay energy, where the energy is generated by photoelectric converters from light radiation created by irradiating a luminescent material with nuclear reaction products, the space between the photoelectric converters being filled with alternating volumes of radioactive material and a phosphor, while the characteristic size of the volumes of radioactive material does not exceed the length of the free the path of emitted particles in it, or at least comparable to it, and the characteristic p The size of the phosphor is not less than the mean free path of the emitted particles in the phosphor. 2. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что чередующиеся объемы радиоактивного материала и люминофора образуют по меньшей мере один светоизлучающий слой, световое излучение которого складывается из свечения отдельных объемов люминофора.2. The device according to claim 1, characterized in that the alternating volumes of the radioactive material and the phosphor form at least one light emitting layer, the light radiation of which is composed of the glow of individual volumes of the phosphor. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что чередующиеся объемы радиоактивного материала и люминофора образуют по меньшей мере два светоизлучающих слоя, световое излучение которых складывается из свечения отдельных объемов люминофора, а фотоэлектрические преобразователи находятся между светоизлучающими слоями.3. The device according to claim 1, characterized in that the alternating volumes of the radioactive material and the phosphor form at least two light-emitting layers, the light emission of which is composed of the glow of individual volumes of the phosphor, and the photoelectric converters are located between the light-emitting layers. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что фотоэлектрические преобразователи имеют двухстороннюю чувствительность.4. The device according to p. 3, characterized in that the photoelectric converters have two-way sensitivity. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что по меньшей мере два светоизлучающих слоя содержат отличающиеся по характеристикам радиоактивные материалы и люминофоры.5. The device according to p. 3, characterized in that at least two light-emitting layers contain differing in characteristics radioactive materials and phosphors. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что фотоэлектрические преобразователи имеют двухстороннюю чувствительность.6. The device according to p. 5, characterized in that the photoelectric converters have two-sided sensitivity. 7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что радиоактивный материал прозрачен для основного излучения люминофора.7. The device according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that the radioactive material is transparent to the main radiation of the phosphor.
RU2015152851A 2015-12-09 2015-12-09 Device for energy fission conversion RU2626324C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152851A RU2626324C2 (en) 2015-12-09 2015-12-09 Device for energy fission conversion

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152851A RU2626324C2 (en) 2015-12-09 2015-12-09 Device for energy fission conversion

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015152851A RU2015152851A (en) 2017-06-15
RU2626324C2 true RU2626324C2 (en) 2017-07-26

Family

ID=59068161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015152851A RU2626324C2 (en) 2015-12-09 2015-12-09 Device for energy fission conversion

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2626324C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4242147A (en) * 1978-11-15 1980-12-30 Detoia Vincent D Device for converting waste nuclear energy to electricity
RU2202839C2 (en) * 1998-12-03 2003-04-20 Голодяев Александр Иванович Power supply
US7482533B2 (en) * 2005-02-22 2009-01-27 Medusa Special Projects, Llc Nuclear-cored battery
RU90612U1 (en) * 2009-07-31 2010-01-10 Александров Михаил Тимофеевич SOURCE OF ELECTRIC CURRENT

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4242147A (en) * 1978-11-15 1980-12-30 Detoia Vincent D Device for converting waste nuclear energy to electricity
RU2202839C2 (en) * 1998-12-03 2003-04-20 Голодяев Александр Иванович Power supply
US7482533B2 (en) * 2005-02-22 2009-01-27 Medusa Special Projects, Llc Nuclear-cored battery
RU90612U1 (en) * 2009-07-31 2010-01-10 Александров Михаил Тимофеевич SOURCE OF ELECTRIC CURRENT

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015152851A (en) 2017-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Derenzo et al. Direct detection of sub-GeV dark matter with scintillating targets
CA1324186C (en) Light emitting polymer electrical energy source
US8859883B2 (en) Electric power generation method using solar cells and photovoltaic power generation system
US5124610A (en) Tritiated light emitting polymer electrical energy source
Xu et al. CsPbBr3 quantum dot films with high luminescence efficiency and irradiation stability for radioluminescent nuclear battery application
US9224901B1 (en) Scintillator and semiconductor based materials incorporating radioactive materials
US10580544B2 (en) Power source and method of forming same
CN103996422A (en) Fluorescent nuclear battery
Lei et al. Demonstration and aging test of a radiation resistant strontium-90 betavoltaic mechanism
Hong et al. Parameter optimization and experiment verification for a beta radioluminescence nuclear battery
US20190267503A1 (en) Power source and method of forming same
CN106297936A (en) Isotope β x radiation x fluorescence radiation photovoltaic cell
Tang et al. Physical Parameters of Phosphor Layers and their Effects on the Device Properties of Beta‐radioluminescent Nuclear Batteries
RU2626324C2 (en) Device for energy fission conversion
CN105869695A (en) Radioisotope cell based on gaseous radioactive source
RU169881U1 (en) RADIO ISOTOPIC POWER SUPPLY
US20220350039A1 (en) Indirect conversion nuclear battery using transparent scintillator material
JP2002510035A (en) Methods and devices for semiconductor electric generators using radionuclide induced exciton products
RU2694362C1 (en) Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission of atomic nuclei and/or energy of thermonuclear neutrons) into electrical energy and a device for its implementation
CN115565712A (en) Long-life alpha-type photovoltaic isotope battery
US11764322B2 (en) Betavoltaics with absorber layer containing coated scintillating particles
Kavetsky et al. Conversion of radioactive decay energy to electricity
CN2862493Y (en) Promethium optical energy electricity generating apparatus
RU2584184C1 (en) Space-based photovoltaic module design
Yürük et al. Investigation of the effect of beta source and phosphors on photovoltaic cells

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181210