ВЛИЯНИЕ ЗАРЯДКИ НА БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОНУКЛИДА НИКЕЛЬ-63

Нагорнов Юрий Сергеевич; Пчелинцева Екатерина Сергееевна; Светухин Вячеслав Викторович; Костишко Борис Михайлович; Радченко Вячеслав Михайлович; Рисованый Владимир Дмитриевич

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 537.533.9

Влияние зарядки на бета-вольтаический эффект с использованием

радионуклида никель-63

Ю.С.Нагорнов, Е.С.Пчелинцева, В.В.Светухин, Б.М.Костишко Ульяновский государственный университет

В.М.Радченко, В.Д.Рисованый

ОАО «ГНЦ НИИ атомных реакторов» (г. Димитровград)

Для электрического питания микроэлектромеханических систем необходимо создание источников, работающих достаточно продолжительное время и обладающих малыми габаритами. Преимуществами электрических источников на основе радиоизотопов являются большой срок работы (свыше 10 лет в зависимости от изотопа) и высокая плотность энергии. Этим обусловлена актуальность исследований бета-вольтаического эффекта и факторов, влияющих на его эффективность [1-3].

Для проведения исследований выбран бета-источник на основе радионуклида никель-63. Во-первых, активность твердого источника на основе этого изотопа не превышает несколько десятков мКи/см2. В этом случае предъявляются требования по безопасности, соответствующие источникам до 1 Ки [4, 5], что существенно упрощает работу с радиоактивными препаратами. Во-вторых, период полураспада изотопа никель-63 составляет 101 год, что позволяет не учитывать изменение активности при проведении экспериментов и обеспечивает максимальный срок эксплуатации бета-вольтаических элементов питания.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории источников Радиохимического отделения ОАО «ГНЦ НИИ атомных реакторов» в г. Димитровграде. Методом гальванического нанесения из растворов №С1 изготовлены твердотельные бета-источники активностью 10-40 мКи. Для исследования бета-вольтаического эффекта в экспериментах использовались образцы, предоставленные ОАО «ОКБ Искра». Они представляют собой р-/-п-диоды, изготовленные по технологии гомоэпитаксиального роста кремния-на-кремнии с одновременным легированием фосфором до уровня 1017-1018 ' см и глубиной залегания р-п-перехода 1,6-1,8 мкм. В качестве подложки использовался кремний р-типа с уровнем легирования 7,2-10 см- . На образцах четырехзондовым методом измерения сопротивления растекания определены поверхностное сопротивление и уровень легирования эпитаксиальных слоев, методом косого шлифа измерена глубина залегания р-п-перехода. Измерения тока и напряжения при исследовании бе-та-вольтаического эффекта проводились при помощи вольтметра-электрометра В7-30.

Как показали измерения, ток генерации менялся нелинейно от 40 до 80 нA при увеличении активности бета-источника от 10 до 40 мКи. Это объясняется тем, что при малых токах генерации влияние токов утечки более существенно, чем при больших токах. При активностях более 40 мКи ток генерации предположительно должен выйти на линейную зависимость. Напряжения ЭДС не достигают номинального значения для этого типа образцов (0,35 В), а ограничиваются напряжениями, при которых ток генерации становится равным темновому току.

Наиболее интересные результаты получены при исследовании влияния длительного воздействия бета-излучения активностью 20 мКи на генерацию тока и ЭДС. Ток генерации составлял 40-50 нA и не деградировал более года. Зависимость напряжения холостого хода от времени облучения показана на рисунке. Видно, что напряжение уменьшается более чем в три раза за первые 15 суток, затем испытывает скачки в диапазоне 6-15 мВ. При этом на разных временных участках происходит сначала линейное уменьшение до значения 6-7 мВ, затем выход на постоянное значение и при определенных условиях резкий скачок. Отметим, что угол наклона примерно одинаковый на различных временных участках.

Данный эффект связан с зарядкой поверхности образца в результате облучения бета-частицами радионуклида Ni-63. Основная часть бета-частиц проникает в глубь образца, генерирует ток в ОПЗ, а затем накопленный отрицательный заряд стекает через контакты ^-«-перехода. Небольшая часть бета-частиц попадает в ловушки на границе окисел-кремний и создает поверхностный заряд, что меняет наблюдаемое значение напряжения ЭДС. Численная оценка накопленного заряда на границе в течение первых десяти суток дает значения порядка 10-10 Ки (приблизительно 1/106 от всех бета-частиц, попавших за это время на образец).

В моменты времени А и В (см. рисунок) твердотельный бета-источник механически перемещали по площади образца, что обеспечивало условия для стока заряда. В дальнейшем динамика накопления заряда носила случайный характер, но напряжение в пиках достигало 10-17 мВ. Это свидетельствует о том, что деградации структуры не происходило, а все изменения ЭДС можно объяснить накоплением заряда и формированием каналов стока.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (грант № 10-08-97001-р_поволжье_а).

Литература

1. Hang Guo, Amit Lal. Nanopower betavoltaic microbatteries // The 12-th Intern. Conf. on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems. - Boston, 2003. - P. 36-39.

2. Использование сверхмногослойных наноструктур для прямого преобразования ядерной энергии в электрическую / В.Б.Ануфренко, АМ.Михайлова, АН.Палагушкин и др. // Нано- и микросистемная техника. - 2008. - № 8. -С. 30-38.

3. Моделирование радиационно-стимулированного источника тока на рш-структурах / Ю.С.Нагорнов, Е.С.Пчелинцева, Б.М.Костишко и др. // Изв. вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2009. -№ 3. - C. 113-125.

4. СанПиН 2.6.1.2523-09 Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009).

5. СП 2.6.1.799-99 Ионизирующее излучение, радиационная безопасность. Основные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99).

Поступило 7 июня 2010 г.

Нагорнов Юрий Сергеевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физических методов в прикладных исследованиях УлГУ. Область научных интересов: возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии, проблемы получения, преобразования и передачи электроэнергии, квантовые точки, наноструктуры, численное моделирование, радиационно-стимулированный источник питания. E-mail: imfit@ulsu.ru

Пчелинцева Екатерина Сергееевна - аспирант кафедры физических методов в прикладных исследованиях УлГУ. Область научных интересов: возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии, проблемы получения, преобразования и передачи элек-

1 1 1 1 1 [

? _

\

в

\ *

* А \ \ —

\ \ \ V

- % w V ч

> •

•\ • \ •

^ 1 * ..... 1 1

0 10 20 30 40

сутки

Зависимость напряжения ЭДС от времени воздействия бета-источника на основе никеля-63 активностью 20 мКи

троэнергии, электронно-стимулированные процессы, макропористый кремний, наномате-риалы, карбид кремния.

Светухин Вячеслав Викторович - доктор физико-математических наук, директор Научно-исследовательского технологического института Ульяновского государственного университета. Область научных интересов: физико-химические и радиационные проблемы материаловедения, проблемы получения, преобразования и передачи электроэнергии, возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии, физика элементарных частиц, нано- и микроструктуры, взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейронов с конденсированным веществом.

Костишко Борис Михайлович - доктор физико-математических наук, профессор, ректор Ульяновского государственного университета. Область научных интересов: возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии, проблемы получения, преобразования и передачи электроэнергии, электронно-стимулированные процессы, макропористый кремний, наноматериалы, карбид кремния.

Радченко Вячеслав Михайлович - доктор химических наук, ведущий научный сотрудник, начальник лаборатории НИИ атомных реакторов (г. Димитровград). Область научных интересов: металловедение трансплутониевых металлов, металлы, сплавы, соединения ТУЭ, металлургия ТПЭ, диаграммы.

Рисованый Владимир Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, директор Центра коллективного пользования, заместитель генерального директора НИИ атомных реакторов (г. Димитровград). Область научных интересов: реакторное материаловедение, взаимодействие альфа-, бета- и гамма-излучения с материалами атомной и полупроводниковой техники.

УДК 621.371

Повышение эффективности работы беспроводных сетей

в сезон дождей

А.В.Гуреев, Тай Зар Линн

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Методы проектирования беспроводных сетей в регионах с умеренным климатом разработаны достаточно хорошо [1, 2]. Однако их использование применительно к беспроводным сетям, работающим в экстремальных климатических условиях имеет ряд особенностей. Одним из факторов, влияющих на качество передачи информации в беспроводной сети, является дождь. В тропических регионах в течение года наблюдаются два ярко выраженных периода: сезон дождей и засуха.

Цель настоящей работы - анализ влияния осадков на работу радиолиний в регионах с резко выраженными в течение года засушливыми и дождливыми периодами и адаптации параметров радиосистемы (мощности передатчика) к таким условиям. Полученные результаты иллюстрируются на примерах построения беспроводных систем в Республике Мьянма.

Для расчета дополнительных потерь распространения сигнала в условиях дождя используется формула [3]

у = кгаБКм,

где у - дополнительные потери распространения сигнала, вызванные выпадением осадков, дБ; г - скорость выпадения осадков, мм/ч; к и а - коэффициенты, зависящие от частоты и вида поляризации сигнала; Вкм - дальность радиолинии, км.

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ ЗАРЯДКИ НА БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОНУКЛИДА НИКЕЛЬ-63»