RU2670710C1 - Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения - Google Patents

Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения Download PDF

Info

Publication number
RU2670710C1
RU2670710C1 RU2017145583A RU2017145583A RU2670710C1 RU 2670710 C1 RU2670710 C1 RU 2670710C1 RU 2017145583 A RU2017145583 A RU 2017145583A RU 2017145583 A RU2017145583 A RU 2017145583A RU 2670710 C1 RU2670710 C1 RU 2670710C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
semiconductor
foil
coating
metal
radioisotope
Prior art date
Application number
RU2017145583A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2670710C9 (ru
Inventor
Андрей Анатольевич Давыдов
Павел Александрович Зайцев
Шамиль Талибулович Тухватулин
Евгений Николаевич Фёдоров
Алексей Станиславович Шадский
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority to RU2017145583A priority Critical patent/RU2670710C9/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2670710C1 publication Critical patent/RU2670710C1/ru
Publication of RU2670710C9 publication Critical patent/RU2670710C9/ru

Links

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
    • G21H1/06Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation

Abstract

Использование: для питания микроэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что радиоизотопный элемент электрического питания включает источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и по крайней мере один полупроводниковый преобразователь, при этом полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Технический результат - обеспечение возможности: повышения эффективности преобразования энергии. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (патент РФ №2452060, МПК H01L 31/04, G01H 1/00, опубл. 27.05.2012), который содержит пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного вещества на текстурированной поверхности. Текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, а радиоактивное вещество покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.
Недостатками такого преобразователя являются сложная технология изготовления, требующая большого расхода дорогостоящего изотопа, а также бесполезные потери бета-излучения с наружной поверхности слоя радиоактивного вещества.
Так известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности, состоящая из набора плоских элементов, каждый из которых состоит из трех тонких пластин из электроизоляционного материала (патент США №8487392, МПК H01L 27/14, опубл. 16.07.2013). Одна из пластин, на поверхность которой нанесен радиоактивный изотоп никель-63, фосфор-33 или прометий-147, является источником бета-излучения, на поверхность другой пластины последовательно нанесены электроды, образующие выпрямляющий и омические контакты тонкопленочного полупроводникового преобразователя, а третья пластина служит для взаимной электроизоляции соседних элементов. Для коммутации элементов в батарею используется металлизация на периферии пластин.
Недостатком элементов, составляющих такую батарею является использование в источнике излучения и полупроводниковом преобразователе изоляционных пластин-подложек, не участвующих в рабочем процессе, изготовленных из хрупкого материала, не обладающего достаточной гибкостью, а также бесполезные потери бета-излучения с одной стороны источника в толще электроизоляционного материала. Это снижает эффективность (коэффициент полезного действия) батареи и ухудшает ее весогабаритных характеристик.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является радиоизотопный элемент электрического питания с источником бета-излучения в виде фольги, содержащей изотоп никель-63, помещенной между двумя полупроводниковыми преобразователями, скоммутированными с помощью металлических контактов. Вся конструкция помещается в корпус и соединяется с внешними электрическими контактами (Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.Н. Беринцев, Б.М. Костишко, В. В. Светухин, И. С.Федоров. Радиоизотопный элемент электрического питания. Ульяновский государственный университет при поддержке Госкорпорации «Росатом». - http://www.rusnauka.com/21_SEN_2014/Phisica/6_174557.doc.htm).
Недостаток такого радиоизотопного элемента электрического питания заключается в том, что его весогабаритные характеристики в значительной степени определяются толщиной полупроводниковых преобразователей, формируемых на полупроводниковых пластинах, составляющей сотни микрометров.
Задачей изобретения является улучшение весогабаритных характеристик радиоизотопного элемента и повышение эффективности преобразования энергии.
Поставленная задача решается тем, что в радиоизотопном элементе электрического питания, включающем источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и, по крайней мере, один полупроводниковый преобразователь, согласно изобретению полупроводниковый преобразователь по существу совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении.
В частных случаях осуществления изобретения:
- полупроводниковое покрытие нанесено с одной стороны содержащей радиоактивный изотоп фольги;
- полупроводниковое покрытие нанесено с обеих сторон содержащей радиоактивный изотоп фольги;
- в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется соединение вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов (оксид или халькогенид упомянутого вентильного металла), образующее с металлом фольги барьер Шоттки;
- в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется сложное соединение металла фольги с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов и с вентильным металлом (сложный оксид или халькогенид металла фольги и вентильного металла), в котором содержание вентильного металла увеличивается по мере приближения к наружной поверхности покрытия, с образованием полупроводниковой выпрямляющей гетероструктуры.
- в качестве радиоактивного изотопа использован никель-63, кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238, или америций-241.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.
На фиг. 1 показано поперечное сечение элемента электрического питания, имеющего источник излучения, выполненный в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, на которую нанесено полупроводниковое покрытие 2, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Упомянутая фольга также служит положительным контактом элемента, а отрицательный контакт для токосъема с покрытия условно показан стрелкой, указывающей направление тока.
На фиг. 2 показано поперечное сечение элемента электрического питания, в котором с обеих сторон фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, нанесены полупроводниковые покрытия 2 и 3, пропускающие электрический ток только в одном направлении. Каждое из этих направлений показано стрелками, условно обозначающими отрицательные контакты для съема тока с наружной поверхности покрытий, а положительный контактом элемента служит фольга 1.
При поглощении полупроводниковым покрытием заряженных частиц, излучаемых содержащей радиоактивный изотоп фольгой, в нем возникают термодинамически неравновесные (избыточные) носители противоположного электрического заряда (электронно-дырочные пары). В результате способности покрытия пропускать электрический ток только в одном направлении, эти носители расходятся к его противоположным поверхностям, создавая бетавольтаический эффект и напряжение в цепи между фольгой и наружной поверхностью полупроводникового покрытия.
В качестве источника излучения может использоваться никелевая фольга, содержащая изотоп никель-63, а также фольги, содержащие кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238, америций-241.
Полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении, может быть выполнено в виде слоя полупроводникового оксида или халькогенида (соединения с серой, селеном, теллуром) вентильного металла, такого как титан, цирконий, ниобий, ванадий и т.д. Если металл фольги имеет более высокую работу выхода электронов, по сравнению с материалом упомянутого покрытия (например, (например, у никеля эта велиина ~4,96 эВ, а у полупроводниковой двуокиси титана ~4,53 эВ), на их границе образуется барьер Шоттки, обеспечивающий необходимую анизотропию электропроводности покрытия. Токосъем с полупроводникового покрытия обеспечивается омическим (невыпрямляющим) контактом с металлическими электродами. Такие контакты могут быть получены путем легирования приповерхностного слоя покрытия для возникновения туннельного эффекта, либо вырождения полупроводника. В частности, вырожденные полупроводники на основе оксидов и халькогенидов вентильных металлов могут быть получены изменением состава этих соединений в сторону увеличения содержания металла.
В качестве полупроводникового покрытия также может использоваться слой сложного оксида или халькогенида металла, из которого изготовлена радиоактивная фольга, и одного из ранее упомянутых вентильных металлов, при увеличивающимся по мере приближения к наружной поверхности содержании последнего. Содержание вентильного металла целесообразно увеличивать вплоть до значений, обеспечивающих возможность образования омического контакта покрытия с металлами за счет образования вырожденного полупроводника или возникновения туннельного эффекта. Необходимая анизотропия электропроводности в этом случае обеспечивается образованием выпрямляющих гетероструктур, например таких как NixTiyOz, где 0<х<1, 0<y<1, 0<z<3 (Г.П. Стефанович, А.Л. Пергамент, П.П. Борисков и др. Зарядоперенос в выпрямляющих оксидных гетероструктурах и оксидные элементы доступа ReRAM. Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 5, с. 650-656). При этом часть радиоактивного изотопа окажется внутри выпрямляющей гетероструктуры, что способствует более полному использованию его излучения для образования электронно-дырочных пар и их более эффективному разделению электрическим полем, что способствует повышению эффективности преобразования энергии.
Толщина фольги и толщина полупроводникового покрытия определяются длиной пробега частиц используемого излучения в применяемых материалах. Например, при использовании никелевой фольги с высоким содержанием изотопа 63Ni, излучающего β-частицы со средней энергией ~17 кэВ, толщина фольги не должна превышать 2-3 мкм, а толщина полупроводниковых покрытий на основе оксидов никеля и титана, с необходимой анизотропией электропроводности, обеспечиваемой барьером Шоттки или выпрямляющей гетероструктурой, не превышает ~10 мкм (А.А. Давыдов, Е.Н. Федоров и др. Разработка источников излучения на основе 63Ni с преобразователями β-излучения различного типа. Цветные металлы ISSN 0372-2929,2016, №7 (883), с. 71-75).
Использование содержащей радиоактивный радиоизотоп фольги в качестве источника радиоактивного излучения и одновременно в качестве подложки для покрытия, служащего полупроводниковым преобразователем, существенно улучшают весогабаритные характеристики и способствуют повышению эффективности радиоизотопного элемента электрического питания.
Осуществление изобретения.
В радиоизотопном элементе электрического питания в качестве источника излучения использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63, а в качестве полупроводникового соединения вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы на поверхность фольги с одной стороны наносилось полупроводниковое покрытие - полупроводниковая двуокись титана, образующая барьер Шоттки с никелем. Содержание в титана в покрытии возрастало по мере приближения к его поверхности, вплоть до 100%, что обеспечивало омический (невыпрямляющий) контакт с металлическими электродами. Толщина покрытия составляла ~15 мкм. Указанное покрытие было получено путем реактивного магнетронного напыления титана в кислородосодержащей среде, при уменьшении парциального давления кислорода в ходе технологического процесса. Толщина полученного в соответствии с настоящим изобретением радиоизотопного элемента с барьером Шоттки не превысила 20 мкм. Таким образом, толщина уменьшилась по сравнению с прототипом, по крайней мере, на толщину подложки, на которой создается выпрямляющий контакт его полупроводникового преобразователя (для кремниевых преобразователей эта величина составляет ~200-300 мкм).
В радиоизотопном элементе электрического питания с выпрямляющей гетероструктурой на поверхность радиоактивной никелевой фольги толщиной ~2 мкм в качестве сложного полупроводникового соединения никеля с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы и с вентильным металлом, с двух сторон наносился сложный окисел состава 63NixTiyOz. Причем с приближением к поверхности покрытия величина х уменьшались от ~1 до 0, величина у возрастала от 0 до 1, а величина z возрастала от 1 до ~3 и затем снижалась почти до 0, что соответствует изменению состава покрытия в пределах NiO-NiTiO3-TiO2-Ti. Такое распределение элементов в покрытии толщиной ~8 мкм было получено сочетанием методов термообработки и реактивного магнетронного напыления в кислородосодержащей среде. Толщина полученного радиоизотопного элемента также не превышала 20 мкм. Использование оксидного материала с высоким содержанием никеля на границе с фольгой и покрытия способствовало их прочному сцеплению и устойчивость к деформациям. Это позволяет сделать рассматриваемый элемент электрического питания гибким, свернуть его рулон, сложить «гармошкой» и т.п. Для такого элемента не требуется корпус, что способствует дополнительному улучшению его весогабаритных характеристик. В результате характеристики радиоизотопного элемента, в котором полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, могут быть улучшены еще на порядок. Помимо этого в данном исполнении радиоизотопного элемента часть изотопа находится непосредственно внутри выпрямляющей структуры, что способствует более эффективному разделению образовавшихся под действием радиоактивного излучения электронно-дырочных пар, благодаря чему дополнительно решается и задача по повышению эффективности преобразования энергии.

Claims (6)

1. Радиоизотопный элемент электрического питания, включающий источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и по крайней мере один полупроводниковый преобразователь, отличающийся тем, что по существу полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении.
2. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковое покрытие нанесено с одной стороны содержащей радиоактивный изотоп фольги.
3. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковое покрытие нанесено с обеих сторон содержащей радиоактивный изотоп фольги.
4. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется соединение вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов, образующее с металлом радиоактивной фольги барьер Шоттки.
5. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется сложное соединение металла радиоактивной фольги с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов и с вентильным металлом, в котором содержание вентильного металла увеличивается по мере приближения к наружной поверхности покрытия, с образованием полупроводниковой выпрямляющей гетероструктуры.
6. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве радиоактивного изотопа использован никель-63, кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238 или америций-241.
RU2017145583A 2017-12-25 2017-12-25 Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения RU2670710C9 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017145583A RU2670710C9 (ru) 2017-12-25 2017-12-25 Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017145583A RU2670710C9 (ru) 2017-12-25 2017-12-25 Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2670710C1 true RU2670710C1 (ru) 2018-10-24
RU2670710C9 RU2670710C9 (ru) 2018-11-29

Family

ID=63923438

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017145583A RU2670710C9 (ru) 2017-12-25 2017-12-25 Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2670710C9 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791719C1 (ru) * 2021-12-21 2023-03-13 Бейджинг Бета Вольт Нью Енерджи Ко., Лтд. Бета-вольтаическая батарея и способ её изготовления

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5260621A (en) * 1991-03-18 1993-11-09 Spire Corporation High energy density nuclide-emitter, voltaic-junction battery
RU90612U1 (ru) * 2009-07-31 2010-01-10 Александров Михаил Тимофеевич Источник электрического тока
RU2452060C2 (ru) * 2010-05-27 2012-05-27 Виталий Викторович Заддэ Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию
US8487392B2 (en) * 2009-08-06 2013-07-16 Widetronix, Inc. High power density betavoltaic battery
RU170474U1 (ru) * 2016-12-27 2017-04-26 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Радиоизотопный источник постоянного тока
RU2631861C1 (ru) * 2016-12-06 2017-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Гибкий бетавольтаический элемент

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5260621A (en) * 1991-03-18 1993-11-09 Spire Corporation High energy density nuclide-emitter, voltaic-junction battery
RU90612U1 (ru) * 2009-07-31 2010-01-10 Александров Михаил Тимофеевич Источник электрического тока
US8487392B2 (en) * 2009-08-06 2013-07-16 Widetronix, Inc. High power density betavoltaic battery
RU2452060C2 (ru) * 2010-05-27 2012-05-27 Виталий Викторович Заддэ Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию
RU2631861C1 (ru) * 2016-12-06 2017-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Гибкий бетавольтаический элемент
RU170474U1 (ru) * 2016-12-27 2017-04-26 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Радиоизотопный источник постоянного тока

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791719C1 (ru) * 2021-12-21 2023-03-13 Бейджинг Бета Вольт Нью Енерджи Ко., Лтд. Бета-вольтаическая батарея и способ её изготовления
RU2807315C1 (ru) * 2023-07-26 2023-11-14 Бейджинг Бета Вольт Нью Енерджи Ко., Лтд. Бета-вольтаический источник тока и способ его изготовления

Also Published As

Publication number Publication date
RU2670710C9 (ru) 2018-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bormashov et al. High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes
US8487392B2 (en) High power density betavoltaic battery
US6479919B1 (en) Beta cell device using icosahedral boride compounds
US8866152B2 (en) Betavoltaic apparatus and method
US4916035A (en) Photoelectrochemical cells having functions as a solar cell and a secondary cell
US9099212B2 (en) Low volumetric density betavoltaic power device
CN104025329A (zh) 可反复充放电的量子电池
US10699820B2 (en) Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same
RU170474U1 (ru) Радиоизотопный источник постоянного тока
BR112017010158B1 (pt) Sistema de gerador elétrico
CA2990152C (en) Voltaic cell
US11875908B2 (en) Electrode with radioisotope and phosphor composite layer for hybrid radioisotope batteries and radioluminescent surfaces
RU2670710C1 (ru) Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения
RU2631861C1 (ru) Гибкий бетавольтаический элемент
US10685758B2 (en) Radiation tolerant microstructured three dimensional semiconductor structure
KR102134223B1 (ko) 베타전지
RU2641100C1 (ru) Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа 63 Ni и способ его получения
Liu et al. Single-walled carbon nanotube film-silicon heterojunction radioisotope betavoltaic microbatteries
WO2021107909A1 (ru) ХЕМОЭЛЕКТРОННЫЙ КОНВЕРТЕР НА ОСНОВЕ НАНОПОРОШКОВ ZrО2 - З%мол Y2О3
CN109192350A (zh) 一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池及其制备方法
Murashev et al. Silicon betavoltaic batteries structures
RU2731547C1 (ru) Автономный бета-вольтаический источник питания
Nagornov Effect of charge on the current-voltage characteristics of silicon pin structures with and without getter annealing under beta irradiation of Ni-63
RU179476U1 (ru) Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию
Kim et al. Enhanced output voltage of thermoelectric generators driven by alternate triboelectric charges

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification