CC BY
46
УДК 537.533.9
ИМПУЛЬСНЫЙ РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ
© 2012 Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.В. Беринцев, Б.М. Костишко
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: [email protected].
Новиков Сергей Геннадьевия, кандидат технических наук, начальник лаборатории твердотельной электроники НИТИ. E-mail: [email protected].
Беринцев Алексей Валентинович, научный сотрудник лаборатории твердотельной электроники НИТИ. E-mail: [email protected].
Костишко Борис Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой физических методов в прикладных исследованиях. E-mail: [email protected]
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
© 2012 E.S. Pchelintseva, S.G. Novikov, A.V.Berintsev, B.M. Kostishko
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: [email protected] Sergei Novikov, Candidate of Technics, Head at the Solid State Electronics Laboratory of Research Institute of Technology. E-mail: [email protected]
Alexei Berintsev, Researcher, at the Solid State Electronics Laboratory of Research Institute of Technology. E-mail: [email protected]
Boris Kostishko, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Rector, Head at the Physical Methods in Applied Researches Department. E-mail: [email protected]
