Импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания

Пчелинцева Екатерина Сергеевна; Новиков Сергей Геннадьевия; Беринцев Алексей Валентинович; Костишко Борис Михайлович

УДК 537.533.9

ИМПУЛЬСНЫЙ РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ

Ульяновский государственный университет

Поступила в редакцию 20.11.2012

В работе проведено моделирование радиацинно-стимулированного источника электрического тока на основе изотопа 63Ni, работающего в импульсном режиме. Моделирование проводилось в системе LTspice IV согласно структурной схеме импульсного радиационно-стимулированного источника тока, включающей в себя инвертор на коммутируемых конденсаторах, импульсный генератор и бетаволь-таический элемент питания. При работе схемы в импульсном режиме мощность элемента питания составила около 3,6 мВт.

Ключевые слова: бетавольтаический эффект; радиационно-стимулированная генерация тока; моделирование физических процессов.

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время маломощные (0,001-10 мВт) и долгоживущие (20-50 лет) источники электрического питания требуются целому классу устройств. Традиционные химические батареи обладают высокой мощностью, но ни у одной из них срок службы не превышает 10 лет. Предложено и осуществлено множество вариантов для реализации источников питания, удовлетворяющие данным условиям. Например, источники питания преобразующие тепловую и солнечную энергии, энергию вибрации и микроволн [1, 2]. Однако с помощью предложенных вариантов трудно поддерживать постоянную мощность продолжительное время. Одним из самих перспективных вариантов в данном случае является преобразование радиоактивной энергии изотопов в электрическую. Преимуществами энергетических источников на основе радиоизотопов являются большой срок работы (свыше 10 лет в зависимости от выбора изотопа), низкий вес, небольшой размер, широкий температурный диапазон и высокая надежность. Периоды полураспада и соответствующая длительность работ таких ба-

Пчелинцева Екатерина Сергеевна, кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории зондовой и электронной микроскопии НИТИ. E-mail: nanolabniti@gmail.com.

Новиков Сергей Геннадьевия, кандидат технических наук, начальник лаборатории твердотельной электроники НИТИ. E-mail: novikovsg@ulsu.ru.

Беринцев Алексей Валентинович, научный сотрудник лаборатории твердотельной электроники НИТИ. E-mail: berints@mail.ru.

Костишко Борис Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой физических методов в прикладных исследованиях. E-mail: kost@sv.uven.ru

тарей питания варьируются от нескольких (147Рг) до ста лет (63М) [3]. На основе радиоизотопных источников питания возможно создание гибридного источника тока или напряжения с элементами накопления заряда, работающего в импульсном режиме.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ

Предлагаемый импульсный радиационно-стимулированный источник тока, основанный на использовании энергии радиоактивного распада различных изотопов, содержит первичный преобразователь на основе полупроводниковой структуры с р-п-переходами с нанесенным на его поверхность изотопом 63№, испускающим бета электроны с широким энергетическим спектром, а также устройство преобразования постоянного напряжения первичного источника в переменное, умножитель напряжения и импульсный генератор. Структурная схема источника приведена на рис. 1.

Электрическая принципиальная схема импульсного радиационно-стимулированного источника питания приведена на рис. 2, где блок 1 представляет собой инвертор на коммутируемых конденсаторах, блок 2 - умножитель напряжения, блок 3 - импульсный генератор с низковольтным питанием.

Представленная схема работает следующим образом. Под воздействием бета-электронов испускаемых источником 63М в области пространственного заряда (ОПЗ) генерируются электронно-дырочные пары, а за счет встроенного электрического поля в ОПЗ происходит разделение заряда, таким образом на входе Х1 и Х2 образу-

Физика и электроника

Рис. 1. Структурная схема импульсного радиационно-стимулированного источника питания

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема импульсного радиационно-стимулированного источника питания

ется контактная разность потенциалов. Если задействовать блоки 1 и 2, то такой режим на выходах Х5 и Х6 позволяет получить преобразование импульсного низкого напряжения в высокое постоянное напряжения, а если блоки 1 и 3 то на выходе Х3 и Х4 радиационно-стимулированно-го источника импульсы тока амплитудой до сотен миллиампер. Переключение режима работы импульсного источника тока осуществляется ключом SW1.

Для моделирования работы импульсного импульсного радиационно-стимулированного элемента питания использовались экспериментальные данные, полученный в ОАО ГНЦ «НИИ Атомных реакторов», по определению генерации тока на кремниевых диодах с применением изотопа 63№ различной активности [4-5].

Моделирование работы элемента питания в импульсном режиме проводилось в системе LTspice IV согласно структурной схеме импульсного радиационно-стимулированного источника тока. При моделировании импульсного радиационно-стимулированного источника тока использована батареи из 1000 элементов включенных последовательно и парал-

лельно с общей площадью p-n-переходов около 1000 см2.

В конструкции импульсного радиационно-стимулированного источника тока в соответствие со схемой удалось достигнуть увеличения выходного импульсного тока до значения 200 мА (рис. 3), импульса напряжения до значения 180 мВ (рис. 4), с длительностью импульса до 2 мс и частотой повторения порядка 800 Гц.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конструктивно, предлагаемый импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания с применением бета-источника 63№ активностью 40 мКи может представлять собой герметичный корпус с выведенными наружу клеммами для подключения полезной нагрузки с небольшими габаритными размерами, временем работы более 50 лет и мощностью около 3,6 мВт.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

200mA 180mA 160mA 140mA 120mA 100mA 80mA 60mA 40mA 20mA 0mA •

- J -J

Рис. 3. Импульс тока на выходе автономного источника импульсного электрического питания

У(п007)

180mV 160mV 140mV 120mV 100mV 80mV 60mV 40mV 20mV 0mV ■ -20mV

Рис. 4. Импульс напряжения на выходе автономного источника импульсного электрического питания СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wang Z.L. Song J. Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays // Science. 2006. V.312. P. 243.

2. RF Energy Harvesting with Multiple Antennas in the Same Space / M. Mi [et al.] // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2005. V. 47. N. 5. P. 100-105.

3. Guo H., Lal A. Nanopower betavoltaic microbatteries // The 12th International Conference on Solid State

Sensors, Actuators and Microsystems (Boston, 2003). Boston, 2003. P. 36-39.

4. Пчелинцева Е.С. [и др.]. Моделирование радиацион-но-стимулированного источника тока на pin структурах // Известие вузов. Поволжский регион. 2009. №3(11). С.113-125.

5. Пчелинцева Е.С. [и др.]. Радиационно-стимулирован-ный источник энергии на основе изотопа никель-63 // ВАНТ. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011. Вып. 1. С.65-69.

0ms

4m s

8ms

12ms

16ms

20ms

24m s

28m s

32ms

36ms

40m

4ms

PULSED RADIATION-INDUCED POWER SOURCE

Ulyanovsk State University

The present work reports modeling of 63Ni based pulse radiation-induced power source. Modeling has been performed in LTspice IV system according to the structure chart of pulse radiation-induced power source that comprises inventor based on switched capacitors, pulse oscillator, and betavoltaic cell. Cell power is 3,6 mW for operating circuit in pulsed modes.

Key words: betavoltaic effect; radiation-induced power generation; modeling of physical processes.

Ekaterina Pchelintseva, Candidate of Physics and Mathematics, Head at the Probe and Electron Microscopy Laboratory of Research Institute of Technology. E-mail: nanolabniti@gmail.com Sergei Novikov, Candidate of Technics, Head at the Solid State Electronics Laboratory of Research Institute of Technology. E-mail: novikovsg@ulsu.ru

Alexei Berintsev, Researcher, at the Solid State Electronics Laboratory of Research Institute of Technology. E-mail: berints@mail.ru

Boris Kostishko, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Rector, Head at the Physical Methods in Applied Researches Department. E-mail: kost@sv.uven.ru

PULSED RADIATION-INDUCED POWER SOURCE

Текст научной работы на тему «Импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания»