Емкостной накопитель электрической энергии

 

Изобретение относится к области электротехники и электроники. Технический результат заключается в повышении радиационной стойкости емкостного накопителя. Для этого устройство содержит накопительный конденсатор с двумя обкладками, разделенными поляризованным пироэлектриком, при этом пироэлектрик расположен таким образом, что вектор напряженности электростатического поля между обкладками и вектор спонтанной или остаточной поляризации пироэлектрика составляют угол α, причем -90°<α<90°, а размеры конденсатора выбраны из соотношения:

где S - площадь обкладки; К_v - коэффициент пропорциональности между радиационно-индуцированной электропроводностью и мощностью поглощенной дозы излучения; V₀ - напряжение на конденсаторе до облучения; δ_Δ - дозовая чувствительность пироэлектрика; Г - геометрический фактор, равный: Г=d/S для плоского конденсатора, где d - расстояние между обкладками; где а, b - радиусы обкладок, - длина конденсатора; где а, b - радиусы обкладок. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и электроники и может быть использовано в электрических схемах, содержащих накопители электрической энергии.

Известны накопители, состоящие из накопительного конденсатора, содержащего две обкладки, разделенные диэлектриком [1]. В качестве диэлектрика в конденсаторах используются различные органические и неорганические изоляторы. Принцип действия известных накопителей энергии заключается в следующем.

К обкладкам конденсатора подключают источник питания. На обкладках конденсатора появляется заряд Q₀ , в диэлектрике - электрическое поле с напряженностью , а между обкладками устанавливается разность потенциалов V₀. При этом в конденсаторе запасается энергия W ₀, равная:

где C - емкость конденсатора.

Подключая далее к обкладкам цепь нагрузки, используют накопленную энергию в различных целях.

Недостатком известных накопителей является их низкая радиационная стойкость при работе в полях импульсного ионизирующего излучения, так как возникающая в диэлектрике при облучении радиационно-индуцированная электропроводность приводит к утечке части заряда (саморазряд конденсатора). При определенных условиях утечка заряда может приближаться к 100% [2]. Например, для конденсатора с керамическим диэлектриком 90% утечки заряда вызывается дозой гамма-излучения 7,2 Мрад, для конденсатора из стекла - 0,15 Мрад [3]. Накопители на конденсаторах с линейными диэлектриками, описанные в [2, 3], являются аналогами заявляемого устройства.

Известны конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используются нелинейные диэлектрики - неполяризованные пироэлектрики, например, керамика титаната бария [2]. Принцип действия накопителей на конденсаторах с неполяризованными пироэлектриками идентичен принципу действия накопителей на конденсаторах с линейными диэлектриками. Недостатком известных накопителей является их низкая радиационная стойкость в полях импульсного ионизирующего излучения, обусловленная саморазрядом конденсатора при облучении. Накопители на конденсаторах с неполяризованными пироэлектриками [2] являются аналогами заявляемого устройства.

Известны конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используются поляризованные пироэлектрики. Пироэлектрик расположен в конденсаторе таким образом, что вектор поляризации перпендикулярен обкладкам. Такие конденсаторы применяются, например, в качестве чувствительного элемента в пироэлектрических детекторах импульсного ионизирующего излучения [4].

Принцип действия накопителей на конденсаторах с поляризованным пироэлектриком заключается в следующем.

К обкладкам конденсатора подключают источник питания. На обкладках конденсатора появляется заряд Q₀, в диэлектрике - электрическое поле с напряженностью , а между обкладками устанавливается разность потенциалов V₀. При облучении заряженного конденсатора импульсом ионизирующего излучения происходит нагрев пироэлектрика и на обкладках, вследствие пироэлектрического эффекта, дополнительно появляется электрический заряд Q_n. Знак Q_n однозначно зависит от направления вектора поляризации. Поэтому, без учета радиационно-индуцированной электропроводности, накопитель должен характеризоваться зарядом Q_∑=Q₀±Q_n, электрическим полем и разностью потенциалов V_∑=V₀±V_n ( и V_n - напряженность поля и разность потенциалов, создаваемые за счет пироэффекта). Действие излучения приводит также к возникновению в пироэлектрике объемной радиационно-индуцированной электропроводности и, следовательно, к утечке части заряда через диэлектрик.

Емкостной накопитель на конденсаторе с поляризованным пироэлектриком является прототипом заявляемого устройства. Аналоги и прототип характеризуются наличием следующих признаков: заряженный накопительный конденсатор, содержащий две обкладки, разделенные диэлектриком.

Недостатком накопителей на конденсаторах с поляризованным пироэлектриком является их низкая радиационная стойкость, так как вследствие совместного проявления пироэлектрического эффекта и радиационно-индуцированной электропроводности, нельзя предсказать характеристики накопителя во время и после облучения.

Целью настоящего изобретения является повышение радиационной стойкости емкостного накопителя за счет компенсации утечки заряда, вызванной объемной радиационно-индуцированной электропроводностью.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостном накопителе электрической энергии, состоящем из заряженного накопительного конденсатора, содержащего две обкладки, разделенные поляризованным пироэлектриком, пироэлектрик между обкладками расположен таким образом, что вектор напряженности электростатического поля между обкладками и вектор спонтанной или остаточной поляризации пироэлектрика составляют угол α, причем -90°<α<90°, а размеры конденсатора выбраны из соотношения:

где S - площадь обкладки;

К_v - коэффициент пропорциональности между радиационно-индуцированной электропроводностью и мощностью поглощенной дозы излучения;

V₀ - напряжение на конденсаторе до облучения;

δ_Δ - дозовая чувствительность пироэлектрика;

Г - геометрический фактор, равный:

для плоского конденсатора,

где d - расстояние между обкладками;

где а, b - радиусы обкладок,

- длина конденсатора;

для сферического конденсатора,

где а, b - радиусы обкладок.

Признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, характеризуют новизну заявляемого технического решения. Авторам и заявителю не известны технические решения в этой и других областях техники, характеризующиеся указанными отличительными признаками порознь или в совокупности. Поэтому считаем, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенность отличий".

На фиг.1 представлен вариант исполнения заявляемого накопителя, на фиг.2 - практически реализованный накопитель.

Накопитель фиг.1 состоит из заряженного плоского конденсатора, содержащего две металлические обкладки 1 и 2. Знак заряда, запасенного конденсатором от источника, указан на обкладках знаками "+" и "-". Направление вектора напряженности электрического поля указано стрелкой 3. Обкладки разделены поляризованным пироэлектриком 4. Направление вектора поляризации пироэлектрика указано стрелкой 5. Векторы поляризации и напряженности поля составляют между собой угол α. К реализации заявляемого устройства никакие специфические требования не предъявляются.

Емкостной накопитель работает следующим образом.

При облучении накопителя импульсом ионизирующего излучения, происходит нагрев поляризованного пироэлектрика, разделяющего обкладки заряженного накопительного конденсатора. Нагрев пироэлектрика сопровождается изменением его спонтанной (монокристаллы) или остаточной (керамика) поляризации и, как следствие, на обкладках конденсатора генерируется электрический заряд. Величина заряда Q_п при отсутствии радиационно-индуцированной электропроводности связана с поглощенной дозой излучения соотношением [4]:

Расположение пироэлектрика между обкладками конденсатора таким образом, что вектор напряженности электростатического поля между обкладками и вектор спонтанной или остаточной поляризации составляют угол -90°<α<90°, приводит к тому, что на каждой из обкладок Q_п и Q₀ имеют одинаковые знаки. Это обусловлено тем, что только при таких значениях угла α вектор поляризации имеет составляющую, направленную к отрицательно заряженной обкладке, и согласно теории пироэлектрического эффекта, на ней генерируются отрицательные заряды.

Одновременно с началом облучения имеет место ионизация пироэлектрика, т.е. в нем появляется радиационно-индуцированная электропроводность (РИЭ). РИЭ приводит к утечке части заряда, как генерируемого пироэлектриком, так и запасенного на обкладках от источника питания, через диэлектрик, разделяющий обкладки. Различают объемную, поверхностную и остаточную РИЭ [2]. Из них основным фактором, за счет которого происходит саморазряд конденсатора, является объемная РИЭ. Утечка заряда за счет поверхностной и остаточной РИЭ может быть частично или полностью устранена за счет конструктивных особенностей конденсатора или за счет источника питания.

В общем случае зависимость объемной радиационно-индуцированной электропроводности δ_v от мощности поглощенной дозы излучения имеет вид [2]:

где K_v=const; 0,5≤Δ≤1

Показатель степени Δ для одного и того же диэлектрика может быть разным в зависимости от длительности импульса излучения: максимальное значение Δ=1 он принимает при облучении в наносекундном диапазоне длительностей [6]. Как следует из (3), максимальному значению Δ соответствует максимальное значение δ.

Выберем в качестве характеристики накопителя напряжение V на накопительном конденсаторе. Конденсатор будем характеризовать также емкостью C. Эквивалентную схему накопителя представим в виде генератора пироэлектрического тока I_п, нагруженного на емкость конденсатора и параллельно включенные сопротивление утечки R_δ и сопротивление конденсатора R_к, обусловленное собственной (темновой) электропроводностью пироэлектрика. На практике выполняется условие:

В этом случае уравнение для напряжения на конденсаторе запишем в следующем виде:

Выражение для пироэлектрического тока найдем дифференцированием выражения (3) для заряда:

Выражение для R_δ для случая максимальной РИЭ запишем в виде

где Г - коэффициент, который определяется геометрией конденсатора, и равен:

для плоского конденсатора,

где d - расстояние между обкладками;

где а, b - радиусы обкладок,

- длина конденсатора;

где a, b - радиусы обкладок.

Уравнение (6) с учетом (7), (8) имеет вид

Начальное условие V(0)=V₀.

Решение уравнения (8) с учетом начального условия:

Используя условие полной компенсации утечки заряда:

V(t)=V₀ - получим соотношение, связывающее размеры конденсатора с характеристиками пироэлектрика и напряжением источника питания:

Если РИЭ описывается степенной зависимостью вида (4) с показателем степени Δ≠1, то при одинаковых условиях облучения δ будет меньше, чем в случае линейной зависимости, и, следовательно, будет меньше утечка заряда. В этом случае для напряжения на конденсаторе можно записать:

Таким образом, если в емкостном накопителе электрической энергии, содержащем заряженный накопительный конденсатор с поляризованным пироэлектриком, векторы поляризации и напряженности электростатического поля составляют угол -90°<α<90°, а размеры конденсатора выбраны из соотношения (11), то напряжение на конденсаторе не уменьшается при облучении его импульсом ионизирующего излучения. Тем самым повышается радиационная стойкость емкостного накопителя электрической энергии.

Практически реализованный накопитель (фиг.2) состоит из плоского конденсатора с закраинами.

Конденсатор содержит две обкладки 1 и 2 из серебра толщиной 10 мкм. Обкладки выполнены в форме круга ⊘10 мм. Размеры накопителя ⊘20×3,3 мм. Обкладки разделены пироэлектриком 4: пьезокерамикой системы цирконата-титаната свинца марки ПКР-7М [7]. В области 6 между обкладками пироэлектрик поляризован; направление вектора поляризации указано стрелкой 5. В области закраин 7 пироэлектрик не поляризован. Закраины выполнены для уменьшения вклада утечки заряда по поверхности накопителя. Конденсатор заряжен, знак заряда на обкладках указан знаками "+" и "-", направление вектора напряженности поля указано стрелкой 3. Емкость конденсатора ˜1 нФ. Размеры конденсатора выбраны из условия сохранения на нем при облучении начального напряжения V₀=500 В. Значения K_v и δ_Δ для пьезокерамики ПКР-7м приведены в [8] и составляют К_v=1,2·10^-11 Ом^-1·м ^-1·Гр^-1·с и δ_Δ=1,6·10^-6 Кл·Гр^-1 ·м^-2.

Облучение накопителя проведено на импульсном ядерном реакторе БР-1 в диапазоне значений поглощенной дозы 2·10²-4·10³Гр.

Соответствующий диапазон мощностей доз составил 2,5·10⁶-5,7·10 ⁷ Гр/с. При указанных условиях облучения в пределах погрешности измерений (˜12%) изменения величины напряжения на накопителе не зарегистрировано.

Источники информации

1. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1964.

2. Горячева Г.А., Шапкин А.А., Ширшев Л.Г. Действие проникающей радиации на радиодетали. М.: Атомиздат, 1971.

3. Cordweell W.A. IEEE Trans. on Nucl. Soi., NS-10, №2, 1968.

4. Альбиков З.А., Веретенников А.И., Козлов О.В. Детекторы импульсного ионизирующего излучения. М.: Атомиздат, 1978.

5. Борисенок В.А., Новицкий Е.З. Амплитудная характеристика пироэлектрического детектора. Атомная энергия, т.56, №1, 1984.

6. Гросс Б. Формирование заряда и поляризационные эффекты, вызванные действием облучения. В кн.: Электреты. /Под редакцией Г.Сесслера, М.: Наука, 1983 г.

7. Фесенко Е.Г., Данцигер А.Я., Разумовская О.Н. Новые пьезокерамические материалы. Ростов-на-Дону: Ростовский университет, 1983.

8. Борисенок В.А., Новицкий Е.З., Кошелев А.С. Метод измерения радиационно-индуцированной электропроводности в сегнетоэлектриках при импульсном облучении. Атомная энергия, т.63, №4, 1987.

Формула изобретения

Емкостной накопитель электрической энергии, содержащий накопительный конденсатор с двумя обкладками, разделенными поляризованным пироэлектриком, отличающийся тем, что, с целью повышения радиационной стойкости накопителя, путем компенсации утечки заряда, вызванной объемной радиационно-индуцированной электропроводностью, пироэлектрик расположен таким образом, что вектор напряженности электростатического поля между обкладками и вектор спонтанной или остаточной поляризации пироэлектрика составляют угол α, причем - 90°<α<90°, а размеры конденсатора выбраны из соотношения:

S - площадь обкладки конденсатора,

К _v - коэффициент пропорциональности между радиационно-индуцированной электропроводностью и мощностью дозы излучения,

V₀ - напряжение на конденсаторе до облучения,

δ_Δ - дозовая чувствительность пироэлектрика;

Г - геометрический фактор, равный:

Г=d/S для плоского конденсатора,

где α - расстояние между обкладками,

а, b - радиусы обкладок;

- длина конденсатора.

РИСУНКИ