RU2461915C1 - Nuclear battery - Google Patents
Nuclear battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2461915C1 RU2461915C1 RU2011117288/28A RU2011117288A RU2461915C1 RU 2461915 C1 RU2461915 C1 RU 2461915C1 RU 2011117288/28 A RU2011117288/28 A RU 2011117288/28A RU 2011117288 A RU2011117288 A RU 2011117288A RU 2461915 C1 RU2461915 C1 RU 2461915C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detector
- wells
- layers
- battery
- type layers
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию частиц, испускаемых изотопами, в электрический ток, и может быть использовано в качестве элемента питания в различных электронных устройствах, потребляющих небольшой ток, но вынужденных работать без замены источников питания в течение десятка лет, например в кардиостимуляторах, или в глубоководных датчиках, или в приборах, запущенных в космос, либо в приборах, установленных в труднодоступных местах.The invention relates to devices that convert the energy of particles emitted by isotopes into electric current, and can be used as a battery in various electronic devices that consume a small current, but are forced to work without replacing power sources for a decade, for example, in pacemakers, or in deep-sea sensors, or in devices launched into space, or in devices installed in hard-to-reach places.
Известны ядерные батарейки, принцип действия которых основан на конверсии энергии частиц, возникающих при радиоактивном распаде изотопов, в электрический ток при прохождении через полупроводниковый детектор, работающий в бета- или фотовольтаическом режиме. Известные батарейки используют газообразные, жидкие и твердотельные изотопы, испускающие альфа-, бета-частицы, а также гаммакванты [1, 2, 3].Nuclear batteries are known whose operating principle is based on the conversion of the energy of particles arising from the radioactive decay of isotopes into an electric current when passing through a semiconductor detector operating in beta or photovoltaic mode. Known batteries use gaseous, liquid, and solid-state isotopes that emit alpha, beta particles, as well as gamma quanta [1, 2, 3].
Известно устройство [1], которое содержит корпус, в котором помещен полупроводниковый детектор из аморфного кремния, представляющий p-i-n-структуру, а внутренность корпуса наполнена тритием (3H), который испускает электроны. Время полураспада трития примерно 12 лет. В рабочем режиме каждая бета-частица, достигшая поверхности детектора, влетает в детектор и создает в нем более одной тысячи электронно-дырочных пар. Возникшие дырки и электроны разделяются внутренним полем p-i-n-структуры, что приводит к формированию напряжения на контактах детектора и появлению электрического тока при подключении нагрузки. Недостатком такой батарейки являются малые значения тока, пропорциональные площади только одной поверхности плоского детектора.A device [1] is known, which comprises a housing in which an amorphous silicon semiconductor detector is placed, representing a pin structure, and the inside of the housing is filled with tritium ( 3 H), which emits electrons. The half-life of tritium is approximately 12 years. In the operating mode, each beta particle that reaches the surface of the detector flies into the detector and creates more than one thousand electron-hole pairs in it. The resulting holes and electrons are separated by the internal field of the pin structure, which leads to the formation of voltage at the detector contacts and the appearance of an electric current when the load is connected. The disadvantage of such a battery is the small current values proportional to the area of only one surface of a flat detector.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является батарейка на изотопах, предложенная в американском патенте (Patent US 6774531) [3]. В прототипе существенно увеличена эффективность детектора за счет специальной конструкции 3D-кремниевого детектора.The closest analogue of the invention is the isotope battery proposed in the American patent (Patent US 6774531) [3]. In the prototype, the efficiency of the detector is significantly increased due to the special design of the 3D-silicon detector.
Известная батарейка содержит корпус, наполненный газообразным тритием, куда помещен бетавольтаический детектор из кремния n-типа. В объеме детектора созданы колодцы для трития, на стенках которых сформирован слой p+-типа проводимости, причем все размеры колодцев не превышают длину свободного пробега электронов в тритии.The known battery contains a housing filled with gaseous tritium, where a beta-volt detector of n-type silicon is placed. Wells for tritium are created in the detector volume, on the walls of which a p + -type conductivity layer is formed, and all the well sizes do not exceed the mean free path of electrons in tritium.
Недостатком известного устройства является то, что реализация детектора, содержащего в объеме полупроводника глубокие колодцы, на стенках которых сформирован p-n-переход, является очень сложной технической задачей, решенной пока только для кремния. Для других полупроводников, имеющих более высокую плотность, чем у кремния, известная конструкция детектора вообще малоэффективна. Действительно, при средней энергии электронов Е=6 кэВ, испускаемых тритием, электрон сможет проникнуть в детектор только на глубину 0.1-0.2 мкм, а при наличии слоя p-типа на стенках колодцев значительная часть заряда, порожденная электронами, рекомбинирует в нем, не достигнув p-n-перехода.A disadvantage of the known device is that the implementation of a detector containing deep wells in the semiconductor volume, on the walls of which a p-n junction is formed, is a very difficult technical problem, which has been solved so far only for silicon. For other semiconductors having a higher density than silicon, the known detector design is generally ineffective. Indeed, at an average electron energy E = 6 keV emitted by tritium, an electron can penetrate into the detector only to a depth of 0.1-0.2 μm, and in the presence of a p-type layer on the walls of the wells, a significant part of the charge generated by electrons recombines in it without reaching pn junction.
Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанных недостатков.The technical result, which is aimed at the claimed solution, is to eliminate these disadvantages.
Этот результат достигается тем, что ядерная батарейка на радиоактивных изотопах, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличается тем, что в объеме детектора созданы чередующиеся слои n+, i (либо ν, либо π) и p+-типов проводимостей в такой последовательности: n+-i-p+-i-…-n+-i-р+, причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев, к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p+-типа и тоже соединены.This result is achieved by the fact that a nuclear battery with radioactive isotopes containing a housing filled with isotope material, where at least one semiconductor detector is located, in which wells are created in volume, all well sizes being less than the mean free path of particles emitted by a gaseous isotope , differs in that alternating layers of n + , i (either ν, or π) and p + types of conductivities are created in the detector volume in the following sequence: n + -ip + -i- ... -n + -i-p + , moreover, these layers lie in planes, perpendicular On the walls of the wells, on the n + -type layers, ohmic contacts are created that are electrically interconnected, the same contacts are created on the p + -type layers and are also connected.
В предлагаемом устройстве конструкция детектора исключает необходимость формирования на стенках колодцев p-n-переходов. Поэтому детектор может быть изготовлен не только из кремния, но и из других полупроводников, например из арсенида галлия.In the proposed device, the detector design eliminates the need to form p-n junctions on the walls of the wells. Therefore, the detector can be made not only of silicon, but also of other semiconductors, for example, gallium arsenide.
На фиг.1 схематично представлено сечение одной из возможных конструкций предлагаемой батарейки. Батарейка содержит корпус 1 с электродами 2 и 3. Корпус наполнен материалом радиоактивного изотопа 4. В корпус помещены два детектора 5 и 6 из арсенида галлия. Детекторы выполнены из эпитаксиального материала, содержащего последовательность слоев n+ 7, i 8, p+ 9, высоколегированным слоям n+ 7, p+ 9 созданы омические контакты соответственно 10 и 11, соединенные проволочками с электродами 2 и 3 корпуса. Перпендикулярно плоскостям, в которых выращены слои n+, i, p+ в объеме детектора сформированы колодцы 12.Figure 1 schematically shows a section of one of the possible designs of the proposed battery. The battery contains a housing 1 with electrodes 2 and 3. The housing is filled with the material of the radioactive isotope 4. Two detectors 5 and 6 of gallium arsenide are placed in the housing. The detectors are made of epitaxial material containing a sequence of layers n + 7, i 8, p + 9, ohmic contacts 10 and 11, respectively, are connected to wires with electrodes 2 and 3 of the housing by high-doped layers n + 7, p + 9. Wells 12 are formed perpendicular to the planes in which the n + , i, p + layers are grown in the detector volume.
Пример практического исполнения. В герметичный металлический корпус 1, имеющий электроды 2 и 3, электрически развязанные с корпусом за счет диэлектрических вставок, были установлены два идентичных детектора 5 и 6. При этом внутренность корпуса была заполнена радиоактивным тритием, испускающим бета-частицы. Детекторы изготавливались из арсенида галлия, выращенного с помощью газофазовой эпитаксии. На проводящей подложке n+-типа последовательно были выращены слои: n+-слой 7 толщиной 10 мкм, i-слой 8, компенсированный хромом в процессе эпитаксии, толщиной 30 мкм, p+-слой 9 толщиной 10 мкм, затем i-слой 8 толщиной 30 мкм, n+-слой 7 толщиной 10 мкм и затем снова i-слой 8 толщиной 30 мкм, p+-слой 9 толщиной 10 мкм. С использованием стандартных методов фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления формировались омические контакты 10 и 11 к высоколегированным слоям. С использованием реактивно-ионного травления и кратковременного химического травления в детекторах формировались колодцы 12 с диаметром верхнего отверстия 80 мкм и шагом 100 мкм. В результате была получена ядерная батарейка новой конструкции.An example of practical implementation. Two identical detectors 5 and 6 were installed in a sealed metal case 1 having electrodes 2 and 3 electrically isolated from the case due to dielectric inserts. The inside of the case was filled with radioactive tritium emitting beta particles. The detectors were made from gallium arsenide grown by gas phase epitaxy. The following layers were successively grown on the n + type conductive substrate: n + layer 7 10 μm thick, i-layer 8 compensated by chromium during epitaxy, 30 μm thick, p + layer 9 10 μm thick, then i-layer 8 30 microns thick, n + layer 7 10 microns thick and then again i-layer 8 30 microns thick, p + layer 9 10 microns thick. Using standard methods of photolithography, chemical etching, and vacuum deposition, ohmic contacts 10 and 11 to highly doped layers were formed. Using reactive-ion etching and short-term chemical etching, wells 12 were formed in the detectors with a top hole diameter of 80 μm and a pitch of 100 μm. The result was a new design nuclear battery.
В рабочем режиме при размерах детекторов 5×5 см2 общий объем колодцев, заполненных тритием, составляет 0.25 см3. При этом радиоактивность указанного объема с тритием равна 1010 Бк. Поскольку 70% электронов, испущенных в результате радиоактивного распада трития, попадают в активные области детектора т.е. в полуизолирующие области 8 (часть попадает в высоколегированные слои) и каждый электрон порождает примерно 1700 электронно-дырочных пар, то максимальная величина тока от данной батарейки составит 2.5 мкА.In operating mode, with detector sizes of 5 × 5 cm 2, the total volume of wells filled with tritium is 0.25 cm 3 . Moreover, the radioactivity of the indicated volume with tritium is 10 10 Bq. Since 70% of the electrons emitted as a result of the radioactive decay of tritium fall into the active regions of the detector i.e. in the semi-insulating region 8 (part falls into highly doped layers) and each electron generates approximately 1700 electron-hole pairs, the maximum current from this battery will be 2.5 μA.
Таким образом, предложена ядерная батарейка с новой конструкцией бетавольтаического детектора. Реализация детектора не требует создания p-n-переходов на стенках колодцев, сформированных в объеме детектора, поэтому для создания полупроводникового детектора можно использовать не только кремниевые структуры.Thus, a nuclear battery with a new design of the betavoltaic detector is proposed. The implementation of the detector does not require the creation of p-n junctions on the walls of wells formed in the volume of the detector; therefore, not only silicon structures can be used to create a semiconductor detector.
Источники информацииInformation sources
1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. /Nuclear batteries/ Patent US 5606213, 1997.1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. / Nuclear batteries / Patent US 5606213, 1997.
2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. /Radioisotope-powered semiconductor battery/ Patent US 5859484, 1999.2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. / Radioisotope-powered semiconductor battery / Patent US 5859484, 1999.
3. Gadeken L. /Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of radioactive material/ Patent US 6774531, 2004.3. Gadeken L. / Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of radioactive material / Patent US 6774531, 2004.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011117288/28A RU2461915C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Nuclear battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011117288/28A RU2461915C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Nuclear battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2461915C1 true RU2461915C1 (en) | 2012-09-20 |
Family
ID=47077595
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011117288/28A RU2461915C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Nuclear battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2461915C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2641100C1 (en) * | 2016-12-08 | 2018-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" | COMPACT BETAVOLTAIC POWER SUPPLY OF LONG USE WITH BETA EMITTER ON BASIS OF RADIOISOTOPE 63 Ni AND METHOD OF OBTAINING IT |
RU2704321C2 (en) * | 2014-11-14 | 2019-10-28 | Кинетик Энерджи Острейлиа Пти Лтд | Electric generator system |
RU2714783C2 (en) * | 2019-05-29 | 2020-02-19 | Общество с ограниченной ответственностью "БетаВольтаика" | Method of forming semiconductor structures for converting the radio-chemical decay of c-14 into electric energy |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2129744C1 (en) * | 1992-05-12 | 1999-04-27 | Соулэр Селлз, Инк. | Process and facility to manufacture photogalvanic devices and photogalvanic device |
US6774531B1 (en) * | 2003-01-31 | 2004-08-10 | Betabatt, Inc. | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material |
US20060088739A1 (en) * | 2004-10-26 | 2006-04-27 | Energy Conversion Devices, Inc. | Power generation and supply system |
US7482533B2 (en) * | 2005-02-22 | 2009-01-27 | Medusa Special Projects, Llc | Nuclear-cored battery |
-
2011
- 2011-04-28 RU RU2011117288/28A patent/RU2461915C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2129744C1 (en) * | 1992-05-12 | 1999-04-27 | Соулэр Селлз, Инк. | Process and facility to manufacture photogalvanic devices and photogalvanic device |
US6774531B1 (en) * | 2003-01-31 | 2004-08-10 | Betabatt, Inc. | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material |
US20060088739A1 (en) * | 2004-10-26 | 2006-04-27 | Energy Conversion Devices, Inc. | Power generation and supply system |
US7482533B2 (en) * | 2005-02-22 | 2009-01-27 | Medusa Special Projects, Llc | Nuclear-cored battery |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2704321C2 (en) * | 2014-11-14 | 2019-10-28 | Кинетик Энерджи Острейлиа Пти Лтд | Electric generator system |
RU2641100C1 (en) * | 2016-12-08 | 2018-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" | COMPACT BETAVOLTAIC POWER SUPPLY OF LONG USE WITH BETA EMITTER ON BASIS OF RADIOISOTOPE 63 Ni AND METHOD OF OBTAINING IT |
RU2714783C2 (en) * | 2019-05-29 | 2020-02-19 | Общество с ограниченной ответственностью "БетаВольтаика" | Method of forming semiconductor structures for converting the radio-chemical decay of c-14 into electric energy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6774531B1 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
US6949865B2 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
US20130154438A1 (en) | Power-Scalable Betavoltaic Battery | |
US8937360B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
US11798703B2 (en) | Radiation powered devices comprising diamond material and electrical power sources for radiation powered devices | |
Sachenko et al. | Efficiency analysis of betavoltaic elements | |
Murphy et al. | Design considerations for three-dimensional betavoltaics | |
US10699820B2 (en) | Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same | |
Aydin et al. | Investigation of nickel‐63 radioisotope‐powered GaN betavoltaic nuclear battery | |
CN107210078B (en) | Generator system | |
RU2461915C1 (en) | Nuclear battery | |
Gorbatsevich et al. | Analysis (Simulation) of Ni-63 beta-voltaic cells based on silicon solar cells | |
Gao et al. | High-performance alpha-voltaic cell based on a 4H-SiC PIN junction diode | |
RU170474U1 (en) | RADIO ISOTOPIC DC | |
JP2012512410A (en) | Generator excited by ionizing radiation | |
US11538601B2 (en) | Nuclear microbattery | |
Naghipour et al. | Graphene/porous GaN Schottky Betacell | |
US11769603B2 (en) | H-3 silicon carbide PN-type radioisotopic battery and manufacturing method of the same | |
KR102595089B1 (en) | Cross-linked ionizing radiation converter and method for manufacturing the same | |
CN112863727B (en) | Nuclear battery and method for providing electric energy | |
US7936019B2 (en) | Nano and MEMS power sources and methods thereof | |
US9018721B1 (en) | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope | |
RU168184U1 (en) | PLANAR CONVERTER OF IONIZING RADIATIONS WITH ACCUMULATING CAPACITOR | |
JP2019529944A (en) | Beta Volta battery | |
CN106847361A (en) | Zinc oxide PIN-type nuclear battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200429 |