Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока
Сущность изобретения: каждый из эмиттеров источника тока выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенты вторичной ион-электронной эмиссии , которые различаются больше, чем на значение J/N, где J1 - среднее значение коэффициента вторичной эмиссии двух металловJ N - число пар слоев металлов эмиттера. 2 ил., 1 табл.
союз советсних
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (19) 011
),1U q< 2 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТ6ЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР 1 (21) 4769492/21 (22) 19.12.89 (46) 30.05.92. Бюл. Р 20 (72) В.М.Балебанов, В.И.Карась, С.И.Кононенко., С.С.Моисеев, В.И.Муратов, В.Н.Покровский и В.E. Сторижко (53) 621.362(088.8) (56) Патент Франции М 2139938, кл. Н 01 1 45/00, 1971 . Авторское свидетельство СССР M 882354, кл. Н 01 J 45/00, 1981. (54) ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫИ РАДИОN30T0I1HblA NCT0ANNK Т0КА Изобретение относится к устройствам, использующим вторичную элек.трОнную эмиссию, индуцированную потоком заряженных частиц, получаемых радиоизотопом, и может быть применено в качестве автономного источника электропитания различных электронных .схем. Известен термоэмиссионный преобразователь, содержащий цилиндрический катод и окружающий его коллектор. Катод состоит из концевых камер с Делящимся веществом, соединенных прокладками с цилиндрической оболочкой.!. Недостатком указанного устройства является низкая энергоэффективность, которую количественно можно харак-. теризовать коэффициентом полезного действия (КПД), определяемым как отношение энергии, .уносимой в виде Элек.трического тока, к энергии, затрачен1 ной на нагрев полупроводникового кри2 (57) Сущность изобретения: каждый из эмиттеров источника тока выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенть вторичной ион-электронной эмис. сии, которые различаются больше, чем на значение (/N, где Ip - среднее значение коэффициента вторичной эмиссии двух металлов, N — число пар слоев металлов эмиттера, 2 ил., 1 табл. сталла. Кроме того, необходимость поддержания внутри высоких температур, необходимых для работы устройства, создает дополнительные трудности при эксплуатации его в экстремальных условиях, Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является радиоизотопный источник, который состоит из слоя изотопа и эмиттера, представляющего собой металлический слой толщиной не более длины пробега заряженной частицы, излучаемой изотопом в металле, из которого изготовлен эмиттер. Вторичные электроды образуются вдоль всего пути заряженной частицы в металле, а эмйттируется лишь незначителная часть из тонкого приповерхностного слоя, равного flo толщине длине пробега электронов в металле, что приводит к невысоким значениям токов вторичных электронов. 3 1737559 Целью изобретения является повышение энергетической эффективности .преобразования энергии ядерного излучения в электрическую путем уве- личения тока вторичных электронов. На фиг. 1 изображена схема вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока; на фиг, 2 - бинарная ячейка источника тока. Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока содержит (фиг.1), . вакуумированный корпус 1, в котором размещается тонкий слой изотопа 2 толщиной d, не превышающей длины пробега заряженной частицы s изототопе. Такая толщина слоя изотопа выбирается для уменьшения потерь частиц, излучаемых делящимися ядрами из изотопного материала. С обеих сторон слоя изотопа располагается эмиттер, состоящий из чередующихся слоев двух металлов 3 и ч с различными коэффициентами вторичной эмиссии . Сумма толщин металлических слоев с каждой стсроны изотопа не должна превышать длины пробега излучаемой изотопом заряженной частицы в металле R>>. Слои I изолированы друг от друга ваку. мными промежутками, толщина которых должна обеспечивать электрическую изоляцию между металлическими слоями. Кроме того величина вакуумногопромежутка не должна превышать длины свободного пробега электронов в остаточном газе для того, чтобы не было потерь вторичных электронов. Слои эмиттера, изготовленные из металла с большим соединены между собой и образуют по- . ложительный вывод источника тока, а слои эмиттера, изготовленные из металла с меньшим, соединены между собой изотопом и образуют отрицательный вывод. Рассмотрим работу бинарной ячейки эмиттера (фиг.2), состоящей из одной пары тонких слоев двух различных металлов, облучаемых ионами, излучаемыми изотопом. При прохождении иона сквозь оба слоя вторичная электронная эмиссия происходит с обеих поверхностей каждого слоя. Рассмотрим поверхности, обращенные друг к другу. Для определенности будем считать, что слой 3 изготовлен иэ металла с большим коэффициентом вторичной эмиссии, 1 . а слой 4 — .из металла с меньшим . Коэффициенты. вторичной эмиссии, опре" деляемые как е е / где N — количество электронов вто..е ричной эмиссии, выбитых иэ металла 5 N, ионами, и измеренные в ряде экспериментальных исследований оказались существенно различающимися для различных металлов. Тогда при пролете заряженной частицы через эту би1О нарную ячейку из слоя металла 3 будет выбито электронов, а из слоя 4 — "4 электронов. Практически все выбитые ионом вторичные электроны при отсутсгвии в 15 пространстве между слоями электро.магнитных полей достигнут противоположной пластины. Вследствие этого на слое металла 3 образуется недостаток зарядов, а на слое 4 - их 20 избыток, ра вныи 2g - $ < электронов. При подключении бинарной ячейки к нагрузке в цепи потечет электрический ток. Коэффициент преобразояания энергии одной пары пластин 1 можно записать в виде (ь-$<)Е ос где fo - средняя энергия электронов эмиссии; Е - энергия заряженной частицы (иона); Набрав N таких бинарных ячеек, 30 бурй + 2(с1, с! — толщины металлических слоев), увеличим коэффициент .преобразования в 2N раз, увеличив, следовательно, ток вторичных электронов. Коэффициент 2N показывает, что эмиссия происходит с 0 обеих поверхностей каждого металлического слоя. Коэффициент полезного действия такого устройства можно записать в виде P I 1:<> Жо с! р (— ) 3, 7 1 О о Ру 2(З 74 ) 11-0 45 р. . «» М Для создайия вторично-эмиссионного радиоизотопного источника необходимо знать требуемую электрическую мощность и необходимый срок службы. Эле к 0 трическая мощность, снимаемая с выводов такого радиоизотопного источника тока, пропорциональна площади слоя изотопа . Для получения электрической мощности Р необходима следующая площадь Б слоя радиоактивного изотопа толщиной d . 1737559 где Б g - площад ь боковой и овер хности устройства; 5,6 10 бэрг/см град 4 с 5 постоянная Стефана-Больцмана, . R —, коэффициент серости, Т - температура р кельвинах. Если этот источник скомпоновать 1О в куб со стороной l м, то за счет только потерь избыточного тепла путем излучения температура источника тока будет нв выше 300 С, а при принятии слециальных мер по увеличению излучающей поверхности - значительно ниже. Таким образом, по сравнению с прое тотипом предлагаемое устройство позволяет повысить энергетическую эф2О фективность преобразования за счет увеличения тока вторичных электронов, Предлагаемые радиоизотопные источники тока исключают необходимость созЭ дания высокой рабочей температуры и обладают высокой радиационной стойкостью 4 3 7 10 ®ь К ЕмВ о Б где я. - удельная активность 1 см изотопа в Ки/см . Выбор изотопа определяется необходимым временем эксплуатации. Кроме того, изотоп должен излучать р -частицы, остальные типы излучения (P, g ) должны быть пренебрежимо малы, либо отсутствовать полностью-. Для создания вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока со сроком службы около года могут быть использованы, например, следующие изотопы: калифорний-248, кюрий-242. В качестве материалов для изготовления слоев с большим и малым из исследованных материалов наиболе пригодны бериллий и медь, имеющие следующие коэффициенты вторичной эмиссии при облучении К -частицами: = 30, ц = 5,5. В этих металлах длина пробега tK частиц с энергией 5-6 ИэВ составляет около 23 мкм а средняя энергия электронов вторичной эмиссии - около 15 В. Для прер от вращения потер ь электронов в промежутке между слоями металла давление остаточных газов должно быть не хуже 10 Торр. При этом давлении толщина 8aкуумного промежутка, которая порядка толщины металлического слоя, будет зйачительно меньше длины свободного пробега электронов в остаточном газе. Технические характеристики источников тока с радиоактивным изотопом кюрием-242 и с эмиттером,изготовленным из бериллия и меди, приведены в таблице. При работе вторично-эмиссионного радиоизотопного источника тока част.ь энергии излучения радиоактивного изотопа расходуется на нагрев устройства. При отводе тепла от устройства только. за счет лучистого теплопереноса через боковую поверхность стационарная температура определяется выражением Формула изобретения Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тока, содержащий корпус, внутри которого размещен слой изотопа, по обеим сторонам которого .распогожены металлические эмиттеры толщиной, не превышающей длины пробега в металле эмиттера заряженной частицы, излучаемой изотопом, о т л и ч аю шийся тем, что, с .целью повышения энергетической эффективности, каждый из эмиттеров выполнен в виде электрически изолированных вакуумными промежутками последовательно чередующихся слоев двух различных металлов, коэффициенты вторичной ион4% электронной эмиссии которых различаются больше,. чем на значение g/N, где — среднее значение коэффициента вторичной эмиссии двух метал,лов, а N — число пар слоев металлов эмиттера. ч 1737559 Ток, Д Толщина Толщина слоя РабоN *, и/и Масса КПД, чее изото па О, 1 Н,1 7, 5-15 70-80 10 1OOV 1Î00Î 3,0-3,5 СоСтавитель С.Кононенко Техред Л, Олийнык Корректор М.Самборская Редактор А.йежнина Заказ 1898 . Тираж Подписное ВЙИИПИ Государственного комитета о изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101 слоя бериллия, мкм Толщина слоя меди, мкм ИЗОТО па, кг Масса устройства, КГ напряние, в Мощность, Вт
