KR102134223B1 - 베타전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵 및 반도체 기술, 특히 베타 - 보타 효과를 사용하는 반도체 변환기에 기초한 전력 원의 생성에 관한 것이다. 베타전지는 케이스, 커버, 반도체 컨버터, 절연 및 방사성 동위원소 소자 및 전도성 콘택트를 포함하며, 필요한 출력 전력을 얻기 위해 병렬 및 (또는) 직렬로 연결된 하나 또는 여러 세트로 구성된다. 키트는 전도성 방사성 동위원소가 놓여있는 서로 반대 방향으로 향하는 변환기로 조립된다. 키트는 고르게 이격 된 홈이있는 절연요소로 분리되어 있다. 각각의 세트의 극한 트랜스 듀서의 전도성 접촉부 및 컨트롤러와 마찬가지로, 전기적으로 연결될 수있는 전도성 콘택트가 반대 홈에 제공된다. 반도체 컨버터의 n 층에 증착된 고농축 니켈 -63 동위원소가 방사성 동위원소로 사용된다. 기술적인 결과는 방사성 동위원소 요소의 방사능을 가장 완벽하게 사용하고 변환기 사이에 전기 접점으로 방사성 동위원소 요소를 사용함에 따라 전지의 특정 출력을 증가시키는 것과 작동 중에 출력 전기 매개 변수의 조절기와 전지 세트를 전기적으로 연결하는 가능성이 있기 때문이다.

Description

베타전지

본 발명은 핵 및 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 베타 - 볼타 효과를 사용한 반도체 변환기에 기초한 전력의 생성에 관한 것이다.

텍스쳐 표면을 갖는 반도체 판, 텍스쳐링 된 표면을 따르는 다이오드 구조 및 방사성 베타 - 방출 물질 층을 포함하는 베타 방사선의 전기로의 반도체 변환기가 공지되어 있다. (특허 RU No. 2 452 060, IPC H01L31 / 04 참조).

텍스쳐 표면은 원형, 사각형 또는 기타 임의의 형태로 엔드 - 투 - 엔드 채널 세트로 만들어지며 방사성 물질은 채널의 벽과 대부분의 반도체 표면을 덮는다.채널의 벽 및 반도체의 표면은 미세릴리프를 가지며, 채널들 사이의 거리는 100 미크론을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 베타 방출 핵종은 니켈 63, 삼중 수소, 또는 둘 모두를 사용한다. 텍스처는 포토 리소그래피 또는 레이저 펄스를 사용하여 미리 생성된다. 텍스쳐 표면을 만드는 방법의 특징을 고려할 때, 마이크로 채널의 주어진 표면을 얻는 정확성, 결과적으로 적용되는 방사성 동위원소의 양을 보장하는 것은 어렵다. 이 경우, 엄격하게 규정된 전력으로 전원을 얻을 수 없다.

고 전력 밀도의 알려진 베타전지는 하우징과, 하우징 상에서 절연성 개스킷에 의해 분리된 양극 및 음극 전극이 있는 덮개와, 하우징 내에서 특정 순서로 배치되는 요소 1, 2, 3, 4 및 5로 구성된다(미국 특허 제8487392호, IPC H01L 27/14 참조).

요소 1은 분리 링으로 전지의 전류 이동을 담당한다. 요소 1은 요소의 상부와 하부 사이의 저-저항(low-resistance) 경로를 얻기 위해 증착에 의해 두꺼운 금층이 형성된 세라믹 물질로 만들어진다. 세라믹에서 요소 2가 놓이는 구멍을 만든다.

요소 2는 반도체 SiC를 기반으로 하는 베타 - 동 전기 장치이며, 베타 방사선의 에너지를 전기로 변환하고 반도체 변환기이다. 반도체 변환기의 상부 및 하부 측면에서, 증착 방법에 의해 오믹 콘택이 형성된다.

요소 3은 방사성 동위원소 요소이며, 전도성 요소와 결합 된 방사성 동위원소 포일 및 AlN으로 만들어진 절연 섹션이다. 도전성 요소는 증착 방법에 의해 형성되고, 요소의 상부와 하부 사이의 저-저항 경로를 얻기 위한 두꺼운 금층이다.

요소 4는 AlN으로 제조된 절연 소자로서, 증착 방법에 의해 형성된 전도성 소자를 갖추고 있으며, 소자의 상부와 하부 사이의 저-저항 경로를 얻기 위해 두꺼운 금층을 나타낸다.

요소 5는 방사성 동위원소 포일(foil), 절연 물질 및 전도성 영역이 직렬로 접속되어 있는 요소이다. 도전 영역은 요소 5의 상부와 하부 사이에 저-저항 경로를 얻기 위해 두꺼운 금층인 측면 영역에 증착에 의해 형성된다. 방사성 동위원소 포일에 가장 가까운 전도성 물질은 전체 요소를 통과하는 전도성 링의 형태로 만들어지며, 이는 또한 요소의 상부와 하부 사이의 저-저항 경로로서 작용한다.

병렬 회로를 갖는 잘 알려진 베타전지를 만들기 위해 요소 1, 2, 3 및 4가 사용된다. 절연요소 4, 그 개구 내에 배치된 요소 2를 갖는 요소 1, 방사성 동위원소 소스를 갖는 요소 3 및 덮개가 하우징 내에 연속적으로 설치된다. 위의 요소 세트는 필요한 출력에 도달 할 때까지 병렬로 연결된 하나 또는 여러 세트로 구성 할 수 있다.

직렬 및 병렬 회로로 잘 알려진 베타전지를 생성하려면 요소 1, 2, 3, 4 및 5가 사용된다. 키트를 케이스에 조립할 때, 절연요소 4, 개구에 배치된 요소 2를 갖는 요소 1, 방사성 동위원소 공급원 및 전도성 고리를 갖는 요소 5, 다시 개구부에 배치된 요소 2 및 방사성 동위원소 공급원을 갖는 요소 3이 직렬로 설치된다. 이 경우 요소 1과 요소 2의 각 조합 사이에는 방사성 동위원소 소스와 전도성 고리가 있는 요소 5가 설정된다. 방사성 동위원소 소스가 있는 요소 3은 최상위 요소 2 위에 배치된다. 양전극 및 음극 전극이 있는 덮개가 전체 구조에 설치되어 패키지 다발을 완성한다. 위의 요소 세트는 필요한 출력에 도달 할 때까지 병렬로 연결된 하나 또는 여러 세트로 구성 할 수 있다.

청구된 중심 방사성 동위원소 층은 다음 요소 중 하나 이상을 포함한다 : 삼중 수소 방사성 동위원소, 니켈 - 63, 인 - 33 또는 프로메튬이다. 본 출원인은 프로토타입으로 알려진 베타전지를 선택했다. 알려진 베타전지의 단점은 그 출력 전기 파라미터(전압 및 전류)가 조립 중의 소자의 수 및 전기적 접속의 종류(직렬 또는 병렬)에 의해 결정되며 작동 시에 변경될 수 없다는 점이다. 또한, 병렬연결 베타전지에서, 방사성 동위원소 소스를 갖는 하나의 요소(3)는 SiC 및 절연요소(4)를 기반으로 하는 반도체 변환기를 갖는 요소(2) 사이에 배치되고, 제 2 요소(3)는 최상위 요소(2) 위에 설치된다. 결과적으로, 방사성 동위원소(3)에서, 방사성 동위원소에 인접한 반도체 변환기에 직접 향하는 플레이트의 일 측면으로부터의 방사선의 일부만이 사용되며, 그 결과 값비싼 방사성 동위원소를 사용하는 효율이 감소한다(거의 2배). 직렬 및 병렬연결을 가진 베타전지에서 요소 5는 방사성 동위원소의 양면을 사용하고 요소 3은 한 면만 사용한다.

제안된 베타전지를 사용하여 얻을 수 있는 기술적 결과는 다음과 같다. 그 결과, 방사성 동위원소 원소의 복사 에너지의 반도체 변환기가 전기 에너지로 가장 완벽하게 변환되고, 반도체 변환기 사이의 전기 접점으로 방사성 동위원소(예 : 금속 니켈-63 또는 프로메튬-147)를 사용하기 때문에 전지의 비력이 증가한다.　그 결과 전지 세트와 컨트롤러의 전기 연결 가능성이 창출된다. 이 기술 결과는 하우징 및 커버를 포함하는 베타전지가 실리콘, A3B5 화합물, 알루미늄, 갈륨, 질소 또는 인(또는 그들 모두)의 고용체로 이루어진 p-n 또는 p-i-n 구조를 기반으로 한 반도체 변환기에 의해 달성된다.

상기 반도체 변환기는 반도체 변환기의 전체 폭에 걸쳐 증가한 공간전하영역에 의해 제조되고, 상기 팩은 그 반대 극성의 표면이 서로 마주보는 반도체 변환기로 조립되며, 전류 운송용 방사성 동위원소 요소는 상기 반대 극성의 표면 사이에 배치되고, 상기 팩은 그 둘레를 따라서 균등한 간격으로 홈이 배치된 절연요소에 의해 분리되어 있고, 상기 홈의 수는 상기 전지의 상기 팩의 수의 2배 이상이며, 마주보는 홈에는 도전성 접점이 설치되고, 그 중 하나는 홈의 영역에서 절연요소의 하부 표면으로 연결되고, 다른 하나는 상부 표면으로 연결되며, 이들은 각 팩의 극단적인 반도체 변환기의 도전성 접점과 컨트롤러의 양쪽에 전기적으로 접속할 수 있는 방법으로 설치된다.

특정한 성능의 경우, 전도성 방사성 동위원소로서 고농축 니켈- 63 동위원소가 사용된다.

특정 실시 예의 경우, 세트의 가장 바깥 쪽 반도체 변환기의 도전 접점은 도전성 금속, 예를 들어 구리의 n 또는 p 층을 증착하여 만들어진다

특정 실시 예의 경우, 세트의 극한 반도체 변환기의 전도성 접점은 최적의 두께의 n 또는 p - 니켈-63층을 증착하여 만들어진다.

변환기의 pn 또는 pi-n 구조의 전체 두께에 대해 공간 전하의 증가 된 면적을 갖는 프로파일 된 도핑을 갖는 반도체 변환기(이하, 변환기라고 함)의 구현은 베타 방사선 에너지의 가장 완전한 변환을 전기 에너지로 얻을 수 있게 한다. 이 모든 것은 전하 운반체의 재조합의 감소와 변환기 재료의 층에서의 베타 입자의 흡수 감소로 인해 베타 - 베타 전지(이하, 전지 라 칭함)의 비력을 증가시키기 때문에 발생한다.

또한, 베타 입자의 에너지가 pn 구조 또는 pi-n 구조의 전체 폭에 걸쳐 전류로 변환되는 공간전하영역의 폭이 증가한다. 이를 통해 변환기의 p 층을 향한 방사성 동위원소 요소의 방사능을 사용할 수 있으며 "방사성 동위원소 원소 - 변환기"의 다층 구조를 만들 수 있어 전지의 특정 전력도 증가시킨다.

서로 반대 방향으로 향하는 컨버터 세트의 조립과 그것들 사이의 전도성 방사성 동위원소의 배치는 다음을 허용한다. 첫째로, 방사성 동위원소 요소의 양 측면에서 방출 된 방사선을 전기 에너지로 변환하고, 두 번째로 전도성 방사성 동위원소를 전기 접점으로 사용하여 그들 사이에 변환기의 전기적 직렬 연결을 만드는 것이다. 외주 홈을 따라 균등하게 이격 된 절연요소 집합의 분리. 베타전지(이하 전지라고 함)의 개수의 두 배 이상이어야 한다. 상기 절연 소자의 대향하는 홈에 도전성 접촉자를 공급함으로써, 상기 도전성 접촉을 갖는 모든 슬롯이 접촉없이 자유 슬롯을 가지도록하고, 상기 도체를 그 안에 배치하도록 상기 절연요소를 상기 홈들 사이의 일 단계로 회전시킴으로써 상기 전지를 조립할 수 있게한다. 그에 따라 도전성 접촉자와 컨트롤러의 전기연결 가능성이 있다.

홈의 영역에서 절연요소의 하부 표면상의 도전성 접점 중 하나의 제거 및 상부 표면상의 제 2 및 각 세트의 극한 변환기의 절연요소에 인접한 도전성 접점과의 전기적 연결 가능성을 갖는 구현은 다음을 허용한다. 이것은 하나의 접점이 컨버터의 절연 층에 인접한 컨버터의 n-층으로부터 아래쪽으로, 그리고 격리 소자에 인접한 컨버터의 p층으로부터 위로부터 두 번째 접촉 - 양 전하로 음전하를 끌어 당길 수 있게 한다. 따라서 절연요소의 대향 슬롯에 위치된 전도성 콘택과 함께 전지 팩 컨버터의 전기적 연결 가능성을 만든다.

절연요소의 대향하는 홈에 있는 전도성 접점과 접점 위의 자유 슬롯이 있으면 각 전지 세트를 조절기에 전기적으로 연결할 수 있다.

n-층의 트랜스 듀서에 80 % 이상의 농축도를 갖는 전도성 방사성 동위원소로 니켈-63을 사용하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. 먼저 전지의 특정 전력을 증가시키고 두 번째로 니켈-63을 단일 변환기의 n 층과 인접한 두 번째 변환기의 p층 사이의 전기 접촉으로 사용한다.

구리와 같은 전도성 금속의 n-층 또는 p층에 적용하여 집합의 극단적 인 변환기의 전도성 접촉부를 실행하면 절연요소의 전도성 접점에 전기적으로 연결될 수 있다. 세트의 극한 변환기에있는 전도성 접점은 니켈 - 63 n 또는 p층의 최적 두께로 증착되어 전도성 방사성 동위원소를 접점으로 사용하여 절연요소의 전도성 접점에 전기적으로 연결될 수 있으며 전지의 비력을 증가시킬 수 있다.

도 1은 컨트롤러가 있는 전지를 도시한다;
도 2는 도 1의 연장요소를 도시한다;
도 3는 도 1의 섹션 B-B를 도시한다;
도 4는 도 1의 섹션 A-A를 도시한다;

제안된 전지(1)는 절연요소(4)에 의해 분리된 하나 이상의 팩(3)로 적층 된 변환기(2)로 구성된다(도 1 및 도 2 참조). 제안된 전지(1)는 절연요소(4)에 의해 분리된 하나 이상의 팩(3)로 적층 된 변환기(2)로 구성된다(도 1 및 도 2 참조). 도 1은 3세트로 구성된 전지를 보여준다. 팩(3) 내의 변환기(2)는 서로 반대 극성 표면들에 의해 지향되고, 반대 극성의 표면들 사이에는 전도성 방사성 동위원소 요소(5)가 배치되어 있다. 방사성 동위원소 요소(5)로 고도로 농축된 니켈 - 63 방사성 동위원소가 n 층의 변환기(2) 상에 증착된다. 각각의 팩(3)의 상부 변환기(6) 및 하부 변환기(7)는 각각 구리와 같은 도전성 재료의 n 또는 p 층 상에 제조된 콘택트(8)를 구비하고, 상부 변환기(6) 상에서는 콘택트(8)가 n 층에 도포되고, 하부 변환기(7) 상에서는 콘택트(8)가 p 층에 도포된다. 절연요소(4)는 절연요소(4)의 전체 둘레 주위로 균일하게 배치된 홈(9)이 설치된다. 그리고 홈(9)의 총 개수는 전지(1)의 설계에 따라 전지(1)의 팩(3)의 개수의 2배 이상이다. 절연요소(5)(도 3 참조)의 대향하는 홈(9)에는 접점(10, 11)이 제공되고, 나머지 홈(9)은 자유롭게 남아있다. 각각의 접점(10)은 홈(9)의 근방에서 절연요소(4)의 바닥면(13) 상에 증착된 도전부(12)과 홈(9)에 직접 위치된 도전성 영역(14)을 포함한다. 각각의 접점(11)은 대향하는 홈(9)의 영역에서 절연요소(5)의 상부 표면(15) 상에 증착된 도전부(12)와 그 홈(9)에 직접 위치된 도전부(14)에 연결된다.

최적 두께의 방사성 동위원소 요소(5)의 n 또는 p 층 상, 특히 니켈-63에 적용함으로써 팩(3)의 극단적인 변환기(6 및 7)의 전도성 접촉의 경우는 절연요소(4, 16, 17)의 홈(9)에 배치된 접점(10, 11)과의 전기적 접속은 방사성 동위원소 요소(4)와 도전부(12)의 직접 전기 접촉에 의해 수행된다.

상부 절연요소(16)에는 접점(10)만이 그 아래에 위치한 키트 (3)의 상부 변환기(6) 및 상부 절연체 요소(17) 위의 키트 (3)의 하부 반도체 변환기(7)에 연결된 콘택트(11)에 연결된다. 전지(1)를 조립할 때, 하부 절연요소(17) 및 상부 절연요소(16) 위에 위치된 각각의 절연요소(5)는 홈(9) 사이의 단차에 의해 서로에 대해 회전된다. 결과적으로, 접점(10 및 11)이 없는 자유 홈(9)은 접점(10 및 11)이 있는 모든 홈 위에 배치된다. 외경상의 각 팩(3)는 절연 슬리브(18) 내에 설치된다.

전지(1)는 하부 음극(20)이 고정되고 상부 양극(21)이 절연 스페이서(22 및 23)를 통해 하우징(19)에 장착된 상태로 하우징(19)에 배치된다. 하우징(19)과 팩(3) 사이의 공간은 유전체 매스틱(dielectric mastic) 또는 콤파운드(24)로 채워진다. 하부 절연요소(17)의 접촉부(11), 절연요소(5)의 접촉부(10, 11), 상부 절연요소(16)의 접촉부(10) 및 상부 전극(21)은 도체(25, 26, 27, 28, 29 및 30)와 함께 조절기(31)에 연결된다(도 4 참조). 이 컨트롤러(31)는 상부 절연요소(16) 위의 하우징(19)에 설치된다.

제안된 전지(1) 및 전지의 하우징(19), 절연요소(5, 16 및 17) 및 반도체 변환기(2, 6 및 7)는 전지(1)의 상부에 전극(20 및 21)을 배치한 상태에서 정사각형 또는 직사각형 단면으로 만들 수 있다.

전지 1에는 다음과 같이 전기 에너지가 발생한다.

방사성 동위원소 요소(5)의 표면을 떠나는 베타 입자는 특정 원소에 인접한 변환기(2)로 떨어진다. 그 높은 에너지 때문에 베타입자는 인접한 변환기(2)의 p 또는 n 층 도핑층을 통해서 비행한다. 공간전하영역(SCR)으로 들어가면 베타입자가 이 영역의 원자와 충돌한다. 공간전하영역에서의 원자와 전자 사이의 전기적 연결이 변환기(2)의 p 및 n 층에서보다 현저하게 약하기 때문에 전자는 원자로부터 떨어져서 전자 - 홀 쌍이 생성된다. 자유전자는 증가한 음전하의 영역, 즉 변환기(2)의 n 층으로 급격하게 이동한다. 따라서, 공간전하영역(SCR) 중의 잔류전자는 결과적으로 발생하는 전자의 결핍을 보충하고, 또, 음전하 영역으로 향하는 경향이 있으며, 이에 의해 사실상 전자가 존재하지 않은 원자는 양전하영역, 즉 p 영역으로 이동한다. 이와 같이 변환기(2)의 p 층과 n 층 사이에 전위차, 즉 전압이 발생한다. 베타입자는 공간전하영역에서 움직임을 계속하며 모든 에너지를 잃을 때까지 전자 - 홀 쌍을 생성한다.

변환기(2)는 팩(3)을 형성하도록 조립되고, 전도성 방사성 동위원소(5)는 반대 극성 표면 사이에 배치되므로, 결과적으로 팩(3)의 변환기(2)는 전기적으로 직렬로 접속된다. 각 팩(3)의 상부 변환기(6) 및 하부 변환기(7)로부터, 그 컨택트 (8)는 도전부(12)를 통해서 홈(9)에 배치된 절연요소(4, 16 및 17)의 접점(11 및 10)과 접속된다. 하부 컨버터(7)의 n 층으로부터의 음전하가 접촉한다. 하부 변환기(7)의 n 층으로부터의 음전하는 접점(10)으로 들어가고, 상부 변환기(6)의 p 층으로부터의 양전하는 접점(11)으로 들어간다. 접점(10, 11)으로부터 음전하 및 양전하가 도체(26, 27, 28 및 29)를 통해 컨트롤러(31)에 공급되고, 전압이 도체(25 및 30)를 통해 컨트롤러로부터 하부 전극(20) 및 상부 전극(21)에 공급된다.

Claims (4)

1. 하우징 및 커버와,
   실리콘제의 p-n 또는 p-i-n 구조를 갖는 반도체 변환기와,
   A3B5 화합물과,
   프로파일드 도핑(profiled doping)에 의해 제조되며, 알루미늄, 갈륨, 질소 또는 인의 적어도 하나 또는 이들 모두로 이루어지는 고용체와,
   절연요소 및 방사성 동위원소 요소와,
   필요한 출력 전력을 생성하기 위해 병렬 및/또는 직렬로 접속된 하나 또는 복수의 팩을 형성하도록 구성된 도전성 접점을 포함하고,
   상기 반도체 변환기는 반도체 변환기의 전체 폭에 걸쳐서 증가한 공간전하영역에 의해 제조되며,
   상기 팩은, 반도체 변환기로 조립되어 있고, 그 반대 극성의 표면이 서로 마주보며, 전류 운송용 방사성 동위원소 요소가 반대 극성의 표면 사이에 배치되어 있으며,
   상기 팩은, 절연요소에 의해 분리되어 있고, 그 둘레를 따라서 균등한 간격으로 홈이 배치되어 있으며, 상기 홈의 수는 상기 팩의 수의 2배 이상이고, 마주보는 홈에는 도전성 접점이 설치되고, 그 중 하나는 홈의 영역에서의 절연요소의 하부 표면으로 연결되며, 다른 하나는 상부 표면으로 연결되며, 절연요소의 도전성 접점은 각 팩의 극단의 반도체 변환기의 도전성 접점과 컨트롤러의 양쪽에 전기적으로 접속할 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 베타전지.
2. 제 1 항에 있어서,
   고농도의 니켈 63이 상기 반도체 변환기의 n 층에 적층되는 방사성 동위원소 요소로 사용되는 것을 특징으로 하는 베타전지.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 팩의 가장 바깥쪽의 반도체 변환기의 상기 도전성 접점은 구리와 같은 도전성 금속의 n 층 또는 p 층 상에 적층하여 제조되는 것을 특징으로 하는 베타전지.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 팩의 가장 바깥쪽의 반도체 변환기의 상기 도전성 접점은 니켈 63의 n 층 또는 p 층 상에 적층하여 제조되며, 적절한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 베타전지.

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