Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию

Авторы патента:

Кудашова Элина Александровна (RU)

Трощиев Сергей Юрьевич (RU)

Бланк Владимир Давыдович (RU)

Терентьев Сергей Александрович (RU)

Орыщенко Алексей Сергеевич (RU)

Карзов Георгий Павлович (RU)

Каштанов Александр Дмитриевич (RU)

G21H1/06 - элементы с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным различными полупроводниковыми материалами

Владельцы патента RU 2564116:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в ультрафиолетовое излучение. В заявленном способе предусмотрено использование диссоциирующего газа и преобразование ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Источник альфа-излучения испускает альфа-частицы, которые в диссоциирующем газе превращаются в ультрафиолетовое излучение. На пути ультрафиолетового излучения располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа с контактом Шоттки и омическим контактом так, чтобы ультрафиолетовое излучение полностью или частично попадало на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза. При этом электрический ток снимается с контактов при помощи проводников и передается потребителю. Техническим результатом изобретения является исключение сложной, многостадийной схемы изготовления полупроводниковой структуры с возможностью использования только низкоэнергетических бета-источников, повышение электрофизических характеристик (радиационная стойкость, напряжение пробоя, подвижность электронов и дырок, теплопроводность) при преобразовании энергии ионизирующего излучения различных видов (альфа-излучение, бета-излучение, ультрафиолетовое излучение) в широком диапазоне энергий в электрическую энергию. 4 з. п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в ультрафиолетовое излучение с помощью диссоциирующего газа и преобразование ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Способ может быть использован в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы.

Изучение процессов и методов преобразования энергии ультрафиолетового излучения и ионизирующего излучения в электрическую энергию актуально по нескольким причинам. Во-первых, такие исследования имеют фундаментальное значение для изучения полупроводниковых свойств алмаза. Во-вторых, в России и в мире наблюдается потребность в источниках электроэнергии с большим сроком службы для нужд промышленности, в частности оборонной; такие источники могут быть созданы на основе заявляемого изобретения. В-третьих, автономные источники электроэнергии необходимы для исследовательских целей, в частности для исследования космоса и для глубоководных исследований.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является автономный источник питания и способ двухступенчатого преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, патент US №8552616, публ. 2013.10.08, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29, содержащий в качестве первичного источника ионизирующего излучения радиоизотопы, воздействие излучения на газ криптон или ксенон, размещенные в герметичной емкости с созданием ультрафиолетового излучения, которым в качестве вторичного источника ионизирующего излучения воздействуют на полупроводниковый материал с областями р- и n-типами проводимости и области p-n перехода, присоединение к различным областям проводимости проводников, генерацию электрического тока в полупроводниковом материале и последующее снятие электричества посредством проводников.

К недостаткам известного изобретения можно отнести использование в качестве первичного источника ионизирующего излучения радиоактивного материала низкоэнергетических радиоизотопов Sr-35,Tm-171, Po-210 с периодом полураспада 0,239-1,92 года, которые не могут обеспечить стабильную работу в течение длительного времени, а также обеспечивают низкую степень генерации электричества в полупроводнике.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, обеспечивающего стабильную работу в течение более длительного времени, а также высокую степень генерации электричества в полупроводнике.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающем воздействие на газ, содержащийся в герметичной емкости, энергией радиоизотопа с созданием ультрафиолетового излучения, воздействие им в качестве вторичного источника ионизирующего излучения на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза, состоящий из областей с р- и n-типами проводимости в области p-n перехода, генерирование в нем электричества, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и снятие электричества с их помощью, согласно изобретению, в качестве первичного источника ионизирующего излучения используют радиоизотопы тяжелых металлов, излучением которых воздействуют на смесь газов, состоящую из криптона и хлора, в соотношении (97±2):(3±2) по объему соответственно, находящуюся в герметичной емкости, тем самым создают ультрафиолетовое излучение, которым воздействуют на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза. В качестве полупроводникового материала используют синтетический алмаз р-типа проводимости, содержащий бор в количестве 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³, и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото 5-100 нм толщиной для съема положительного заряда, и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия толщиной 10-200 нм, для снятия отрицательных зарядов, генерируемых внутри полупроводникового материала с присоединением к ним проводников.

Смесь газов из криптона и хлора в соотношении по объему (97±2):(3±2) соответственно после воздействия на них ионизирующим излучением создает ультрафиолетовое излучение с длиной волны, соответствующей максимальной степени поглощения алмазом.

В качестве первичного ионизирующего излучения взято альфа-излучение ²³⁸Pu, так как один грамм чистого ²³⁸Pu генерирует 0,567 Вт мощности, что обеспечивает достижение необходимого напряжения, также период полураспада ²³⁸Pu обеспечивает длительный срок службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию.

Выбор системы металлизации титан-платина-золото в роли омического контакта обусловлен следующими требованиями: во-первых, данный контакт не должен приводить к существенному падению напряжения на нем, чтобы исключить дополнительные резистивные потери. Во-вторых, данный слой должен обладать высокой адгезией к алмазу и высокой стойкостью к термоциклированию, т.к. планируется, что он будет использоваться для соединения кристалла преобразователя с корпусом источника тока. Для формирования контакта с барьером Шоттки ключевой является максимальная разность работ выхода электрона из алмаза и из металла контакта - высота этого барьера определяет разность потенциалов на границах области пространственного заряда, от нее зависит напряжение, генерируемое полупроводниковым базовым элементом-преобразователем на основе синтетического алмаза. Именно платина (металлы платиновой группы) обеспечивает достижение максимального напряжения.

Изобретение поясняется фигурой, иллюстрирующей предлагаемое техническое решение.

Преобразование энергии альфа-излучения радиоизотопа в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза осуществляется следующим образом. Источник 1 альфа-излучения испускает альфа-частицы, которые в диссоциирующем газе вызывают ультрафиолетовое излучение 2. На пути лучей ультрафиолетового излучения 2 располагается синтетический полупроводниковый алмаз с р- и n-типом проводимости 3 с контактом Шоттки 4 и омическим контактом 5 так, чтобы ультрафиолетовое излучение 2 полностью или частично попадало на контакт Шоттки 4. При помощи проводников 6 электрический ток снимается с контактов 4 и 5 и передается потребителю 7.

Пример конкретного выполнения способа.

Для проведения испытаний создают образцы полупроводникового материала, состоящего из синтетического алмаза с содержанием бора в количестве 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³. Также предварительно изготавливают смесь газов, состоящую из криптона и хлора в соотношении 95 и 5 объемн.% соответственно, и смесь тех же газов в соотношении 99 и 1 объемн.%.

Создают сосуд давления со сложенными один на другой 362 слоями полупроводниковых базовых элементов-преобразователей на основе синтетического алмаза, закрепленных в подложке из диоксида циркония (ZrO₂) и пластин с напыленным плутонием ²³⁸Pu (плутоний-238). Между слоями базовых элементов и пластинами с плутонием необходим зазор 100 мкм, который наполняется газовой смесью криптон-хлор путем закачки газа в сосуд под давлением 150 атм. Верх сосуда, через который вставляют набор элементов, закрывается фланцем со шпильками.

Одновременно проведены испытания известного способа. Результаты испытаний сведены в таблице.

Таблица
Способ	Параметры способа	Показатели способа
Мощность источника	Срок службы
Предлагаемый	Алмаз с содержанием бора в количестве 10¹⁴атомов/см³	Альфа-излучение (²³⁸Pu)+ газовая смесь Kr-Cl (95:5)	20 нВт	30 лет
Алмаз с содержанием бора в количестве 10¹⁶ атомов/см³	Альфа-излучение (²³⁸Pu)+ газовая смесь Kr-Cl (99:1)	20 нВт	30 лет
Известный	карбид кремния	Альфа-излучение (²¹⁰Ро)+ газовая смесь Kr-Cl (97:3)	10 мкВт	1 год

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом выразится в более высокой степени генерации электричества за счет использования высокоэнергетических источников альфа-излучения и увеличении надежности и срока службы приборов, использующих способ двухступенчатого преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию.

Источники информации

1. Патент US №8552616, публ. 2013.10.08, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29.

1. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающий воздействие на газ, содержащийся в герметичной емкости, энергией радиоизотопа с созданием ультрафиолетового излучения, воздействие им в качестве вторичного источника ионизирующего излучения на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза, состоящий из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, генерирование в нем электричества, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и снятие электричества с их помощью, отличающийся тем, что в качестве первичного источника ионизирующего излучения используют радиоизотопы тяжелых металлов, излучением которых воздействуют на смесь газов, состоящую из криптона и хлора, в соотношении (97±2):(3±2) по объему соответственно, находящуюся в герметичной емкости, тем самым создают ультрафиолетовое излучение, которым воздействуют на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза, в качестве полупроводникового материала используют синтетический алмаз р-типа проводимости, содержащий бор в количестве 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³, и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для снятия положительного заряда, и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия, для снятия отрицательных зарядов, генерируемых внутри полупроводникового материала с присоединением к ним проводников.

2. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что металлические контакты в виде трехслойной системы металлизации вида титан-платина-золото наносят толщиной 5-100 нм каждый.

3. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что контакты с потенциальным барьером Шоттки - из платины, или золота, или ирридия наносят толщиной 10-200 нм каждый.

4. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в металле контакта Шоттки формируют отверстия различной формы и размеров для лучшего прохождения ионизирующего излучения.

5. Способ двухступенчатого преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника первичного излучения используют плутоний-238 или его радионуклиды.

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников и может использоваться в энергетике. Подземный ядерно-энергетический комплекс содержит наклонные У-образно расположенные скважины.

Гетерогенный источник тока // 2356115

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию ядерного распада в электрическую энергию, и может быть использовано в производстве компактных источников электрического тока длительного пользования.

Локальная электростанция - преобразователь энергии излучения радиации веществ в электрическую энергию // 2182380

Изобретение относится к использованию локальной электрической станции-преобразователя энергии излучения радиоактивного вещества в электрическую. .

Устройство для превращения энергии радиоактивных излучений, содержащихся в радионуклидах, в электрическую энергию // 2130658

Способ превращения энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию // 2130657

Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию // 2568958

Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество. Техническим результатом изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Планарный высоковольтный фото- и бетавольтаический преобразователь и способ его изготовления // 2605783

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии. Особенностью такой конструкции является размещение нескольких элементов p-i-n-структур, изолированных друг от друга микроканалами и соединенных последовательно, причем каждая структура собирает излучение р-n-переходов на обеих сторонах кремниевой пластины как от светового источника, так и от бета-источника. Такой преобразователь может быть использован в труднодоступных местах, шахтах, для питания биосенсоров, внедряемых внутрь организма, и т.д., а также для зарядки микроаккумуляторов на основе химических источников тока с твердотельным электролитом. Планарный фото- и бета-вольтаический преобразователь согласно изобретению обеспечивает высокое значение выходного напряжения ЭДС. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Комбинированный накопительный элемент фото- и бетавольтаики на микроканальном кремнии // 2605784

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации. Такой преобразователь может быть использован в труднодоступных местах, шахтах, для питания биосенсоров, внедряемых внутрь организма, и т.д. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии и способ его изготовления // 2607835

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности. Поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества микропор и «колодцев», имеющих разную форму, при этом слой никеля покрывает стенки микропор и общей поверхности до 95-99%. Поверхность полупроводника содержит микропоры с размерами: ширина - 20÷40 нм, длина - 400÷600 нм; глубина - 100÷250 нм; количество пор до 2500-3000 на 1 см2. Способ изготовления бета-вольтаического генератора включает этап нанесения радиоактивного вещества в микропоры пластин полупроводника с развитой поверхностью, при этом напыляют слой металлического цинка, а затем помещают пластины в водный раствор хлорида никеля-63 на 8-60 часов при температуре 10-50°C и pH 4,5. Изобретение обеспечивает возможность создания бета-вольтаического генератора электроэнергии с повышенной энергоемкостью, сроком службы 50-70 лет, при минимальной трудоемкости, затраченной на изготовление изделия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Бета-вольтаический генератор электроэнергии и способ повышения его эффективности // 2610037

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей. Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий пластину с развитой поверхностью, выполненной в виде множества микропор, имеющих разную форму. Никель-63 покрывает стенки микропор и остальную поверхность пластины с максимально высоким уровнем радиоактивности. Пластины полупроводника с текстурированной поверхностью, имеющего глухие микропоры и «колодцы», заполненные слоем металлического цинка, закрепляют на стальную пластину, обладающую магнитными свойствами, помещают в водный раствор хлорида никеля-63 на 8-10 часов при температуре 10-20°C и pH 4,5. Уровень радиоактивности на поверхности пластины при данном способе нанесения может достигать 10 mCu/см2. Изобретение обеспечивает возможность создания бета-вольтаического генератора электроэнергии с повышенной энергоемкостью, сроком службы 50-70 лет, при минимальной трудоемкости, затраченной на изготовление изделия. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Гибкий бетавольтаический элемент // 2631861

Изобретение относится к средствам прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры. Гибкий бета-вольтаический элемент содержит источник бета-излучения выполнен в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, который окружен, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем. Преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла (например, Ni, Nb, Zr, V), на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой. Способность слоя полупроводникового оксида вентильного металла пропускать ток только в одном направлении обеспечивается либо тем, что электрический контакт, нанесенный на этот слой, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым оксидом барьер Шоттки, либо тем, что в упомянутом слое сформирована выпрямляющая гетероструктура. Техническим результатом является возможность оптимизации весогабаритных характеристик бета-вольтаического элемента. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Бета-вольтаическая батарея // 2632588

Изобретение относится к источникам питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность: бета-вольтаическая батарея содержит корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности. Комплект собран из преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, между которыми размещены токопроводящие радиоизотопные элементы. Комплекты разделены изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными пазами. Противолежащие пазы снабжены токопроводящими контактами, выполненными с возможностью их электрического соединения как с токопроводящими контактами крайних преобразователей каждого комплекта, так и с регулятором. В качестве радиоизотопного элемента используется никель-63 с обогащением от 80%, нанесенный на n-слои полупроводниковых преобразователей. Технический результат: повышение удельной мощности батареи. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа 63 ni и способ его получения // 2641100

Изобретение относится к технике безотходной ядерной технологии. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером, представляющий собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где каждый из микроисточников тока содержит кремнийсодержащую n+ легированную пластинку с р+ эпитаксиальным слоем, и источник бета-частиц в виде содержащего радиоизотоп никеля-63 металлического электропроводного слоя, контактирующего с одной или с двух сторон с полупроводниковым преобразователем, и систему токосъемных электродов для подключения к нагрузке, при этом в качестве полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц в электрическую энергию - матрицу монокристаллического р-кремния, а в качестве источника бета-частиц - соразмерную с пластинкой полупроводника токопроводящую металлическую пластинку, в качестве системы токосъемных электродов - комбинацию системы внутренних встроенных с обеих сторон кремниевой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния серебряных линейных электродов. Изобретение позволяет повысить генерируемую электрическую мощность, ток и напряжение бетавольтаического источника. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.