Начало XXI века знаменуется бурным развитием нанотехнологий. На их основе создаются многочисленные микроэлектронные и микро электромеханические устройства различной сложности и энергоемкости, для питания которых требуются генераторы мощности в наномикро- и милливаттом диапазонах.

Формируется новое научное направление, нацеленное на разра ботку перспективных нетрадиционных источников питания — миниатюрных, высоконадёжных, безопасных и максимально длительно работающих, не требующих подзарядки в течение многих лет. Такие требованиям в полной мере удовлетворяет бета-вольтаическая полупроводниковая батарея на основе долгоживущего радионуклида. Он с полным основанием может быть отнесена к числу прорывных разработок. Однако на сегодняшний день технология создания таких энергоисточников и их выходные характеристики далеки от совершенства.

Рассмотрены вопросы современного состояния и перспективны направлений исследований поданной проблематике. Приводятся результаты авторских разработок в направлении оптимизации конструкции и существенного повышения параметров бета- преобразователя. Предложены новые технологические решения, нацеленные на создание высокоэффективных отечественных источников автономного электропитания, основанных на новых физических принципах.

Книга предназначена, в первую очередь, для научных работнико и инженеров-исследователей, специализирующихся в областях прямого преобразования видов энергии. В качестве учебного пособия будет полезна для преподавателей, студентов и аспирантов фундаментальной физико-химической инженерии и радиохимии высших учебных заведений. Ориентирована на читателей, интересующихся современными прорывными научно-техническими разработками.

О Г Л А В Л Е Н И Е

Введение

В связи с ростом потребностей в использовании портативных электронных устройств, способных работать продолжительное время без обслуживания, возникла необходимость развития соответствующего научного направления — генераторов микромощности. Эта область относительно новая и по многим показателям находится на этапе исследования возможностей практической реализации (в первую очередь, в связи с недостаточно высокой эффективностью и высокой стоимостью таких устройств). Рассматриваются возможности построения микроэнергетических систем на различных физических принципах.

В качестве возможного решения задачи, прежде всего, традиционно рассматривается использование современных химических источников тока: литиевых батарей, литий-ионных аккумуляторов, молекулярных суперконденсаторов. Однако удельная энергоёмкость этих устройств (Вт- ч/г, Вт- ч/см³) невелика, максимальный срок службы наилучших образцов не превосходит нескольких лет, диапазон рабочих температур ограничен снизу снижением скорости химической реакции и, как следствие, понижением эдс батареи; сверху — закипанием электролита и саморазрядом.

В последние годы повысился интерес к созданию термоэлектрических генераторов (ТЭГ) по технологии печати термоэлементов с использованием эффективных наноструктурированных термоэлектриков. Печатная технология в принципе может стать основой создания микротермоэлектрических генераторов (микроТЭГ). Выполнение активной тонкоплёночной термоэлектрической структуры по технологии микроэлектроники обеспечивает возможность мультиплицирования отдельных термоэлектрических ячеек с целью получения требуемой выходной мощности микроТЭГ. Ожидается, что дальнейшее развитие печатных технологий предоставит возможность изготовления дешёвых и эффективных наноструктурированных термоэлементов. Батарея на таких элементах может функционировать только при наличии внешнего источника тепла (или холода). Одним из возможных источников тепла являются радиоактивные изотопы (радиоизотопы, радионуклиды). Энергия, сопровождающая их распад, может быть преобразована в тепловую и её использование в ТЭГе превращает ТЭГ в РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор. Известными преимуществами энергоисточников на основе радионуклидов являются наиболее высокая удельная энергоёмкость, большой срок непрерывной работы (от 5 до 50 лет и более, в зависимости от выбора изотопа), малые весогабаритные параметры, широкий температурный диапазон работоспособности и высокая надежность.

Кроме РИТЭГов — устройств с двойным преобразованием энергии распада — в научной литературе активно обсуждается вопрос создания автономных источников тока, использующих принцип прямого (однократного) преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую энергию. Помимо известного с 1913 года [1] непосредственного сбора заряженных частиц, образующихся при радиоактивном распаде, в последние десятилетия повышенное внимание привлекли преобразовательные устройства с использованием p-n-перехода полупроводникового диода [2—5]. В основе лежит эффект образования электрон-дырочных пар в полупроводнике при взаимодействии с заряженными частицами, а наличие встроенного электрического поля р-п-псрсхода способствует сепарации образованных зарядов, возникновению электродвижущей силы (эдс) и электрического тока во внешней цепи. Практическое значение имеет взаимодействие с быстрыми электронами (бетачастицами) в диапазоне энергии до -200 кэВ. Другие заряженные частицы (осколки деления, альфа-частицы, тозитроны) быстро разрушают p-n-переход и взаимодействие с ними имеет только академический интерес. Поэтому эффект получил наиболее употребительное название «бета-вольтаический» (изредка используют термины бета-электрический или радиационно-стишулированный), а отрасль технологии, связанная с его исследованием, развитием и использованием, именуется бета-волътаикой.

Бета-вольтаический эффект сродни хорошо изученному и широко используемому фотоэлектрическому эффекту, но отнюдь не идентичен ему вследствие существенного различия в объёмном распределении образующихся в полупроводнике зарядов.

Бета-волътаические полупроводниковые батареи обладают высокой энергоёмкостью (на несколько порядков выше лучших химических источников тока). Эффективно работают в широком диапазоне рабочих температур (от плюс 60 °С до минус 120°С) без снижения выходных характеристик. При отсутствии дозиметрических проблем делают возможным использовать эти источники питания в многочисленных электронных устройствах микро- и милливаттного уровня потребления. Такие миниатюрные источники тока незаменимы для бесчисленных микросистемных, информационно-телекоммуникационных и медицинских применений.

В то же время, обладая модульным принципом набора мощности, они могут использоваться для длительного (до 100 лет и более) энергопитания автономных объектов, находящихся в труднодоступных местах в условиях космического, наземного, морского, подводного базирования.

На сегодняшний день нет более конкурентоспособных источников электрической энергии микро- и милливаттного уровня мощности в сравнении с бета-вольтаическими полупроводниковыми батареями. Именно поэтому разработка новых радионуклидных источников с повышенной энергоемкостью представляет актуальную задачу в целом ряде прорывных научно-технических направлений.

Задача создания радионуклидных полупроводниковых батарей, с нашей точки зрения, состоит, как минимум, из трех принципиально важных частей:

• выбор радионуклида, разработка технологии его получения, создание источника бета-излучения, исследование совместимости источника бета-излучения с полупроводниковым преобразователем;
• выбор полупроводника, создание на его основе бета-электрического преобразователя с высоким кпд при низких интенсивностях излучения и разработка технологии его изготовления;
• разработка конструктивных решений для создания источника тока и технологических аспектов его изготовления в специальных условиях радиоизотопного производства, обеспечивающих заданные параметры энергоисточника и его радиационную безопасность.

Научно-практическая значимость результатов исследований и разработок, представленных в настоящей монографии, в том числе выполненных авторами, определяется в первую очередь тем, что они охватывают весь спектр технологических задач, стоящих в настоящее время, по промышленному освоению новых высокоэффективных и компактных источников электрического питания. В их числе: выбор радионуклидов и освоение их промышленного производства; выбор полупроводниковых структур для бета-преобразователей, отработка технологий текстурирования их поверхностей и нанесения радионуклидов; разработка конструкции базового бета-преобразователя и методов повышения его выходных характеристик.