Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии изготовления радиационно-стимулированного источника напряжения на основе радионуклида Ni-63 и синтетического монокристалла алмаза с увеличенным сроком эксплуатации для нужд медицины, аэрокосмической промышленности и других применений.

Номер контракта: 14.577.21.0118

Руководитель: Терентьев Сергей Александрович

Должность руководителя: зав. отделом

Докладчик: Садовой Владимир Юрьевич, младший научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
изотоп никель-63, бета-вольтаический эффект, радиационно-стимулированный источник питания, полупроводниковый преобразователь, источники тока, разделение изотопов

Цель проекта:
Цель : Разработка научно-технических основ создания радиационно-стимулированного источника повышенного постоянного и импульсного напряжения на основе полупроводниковых преобразователей энергии бета-распада радионуклида никель-63 в электрическую, с длительностью работы более 50 лет. Задачи : 1) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов в области создания изотопных источников электропитания; 2) выбор радионуклида - источника энергии для изотопного источника электропитания; 3) создание преобразователя энергии ионизирующего излучения в электроэнергию; 4) изготовление источника электропитания.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами работы станут :
1) разработка научно-технической документации создания экспериментальных образцов преобразователей на основе синтетического алмаза;
2) разработка физико-математической модели, описывающие процессы, происходящие в источнике электроэнергии;
3) создание и испытания экспериментального образца автономного источника электроэнергии.
Разрабатываемый изотопный источник постоянный электрического напряжения электропитания должен обладать следующими характеристиками:
1) напряжение разомкнутой цепи – не менее 12 В;
2) ток короткого замыкания – не менее 1 нА;
3) сопротивление внутреннее – не более 2000 кОм;
4) срок эксплуатации – не менее 50 лет;
5) напряжение конечное (в конце срока эксплуатации) – не менее 60% от напряжения начального;
6) емкость удельная – не менее 40 А * ч / кг;
7) источник ионизирующего излучения - никель-63.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разрабатываемый изотопный источник постоянный электрического напряжения электропитания должен обладать следующими характеристиками:
1) напряжение разомкнутой цепи – не менее 12 В;
2) ток короткого замыкания – не менее 1 нА;
3) сопротивление внутреннее – не более 2000 кОм;
4) срок эксплуатации – не менее 50 лет;
5) напряжение конечное (в конце срока эксплуатации) – не менее 60% от напряжения начального;
6) емкость удельная – не менее 40 А * ч / кг;
7) источник ионизирующего излучения - никель-63.

2. Новизна проекта заключается в использовании легированного синтетического алмаза в качестве материала для изготовления преобразователя энергии высокоэнергетического бета-излучения в электроэнергию.

Актуальность проекта определяется возрастающими потребностями высокотехнологичных секторов экономики, таких как ядерная энергетика, авиакосмическая техника, нано- и микроэлектроника, биомедицина, специальная техника, в необслуживаемых источниках энергообеспечения с длительным сроком эксплуатации. Кроме того, разработка компактных необслуживаемых элементов питания повышенного срока службы повышает степень технологической независимости и позволит создать импортозамещающую продукцию.

3. В настоящее время на рынке существует 1 серийный источник питания на основе 63Ni: Firefli-N, чья мощность не превышает 1 мкВт. Существует проект источника питания Trench 1/4 фирмы BetaBatt, Inc. (США) на основе 63Ni, мощность которого предварительно оценивается в 90 мкВт. Эти величины являются ориентиром при проведении ПНИЭР. В обоих источниках в качестве полупроводникового материала используется SiC (в США отсутствует производство алмазных преобразователей), что позволяет получать рабочее напряжение порядка 4,5 В при последовательно-параллельной сборке преобразователей.
Мощность разрабатываемого источника составит 15 мкА, что превышает мощность любого серийно изготавливаемого радиоизотопного источника питания, напряжение при параллельной сборке составит 0,9 В, срок службы - 20 лет, что достижимо только при использовании 63Ni.

4. В настоящее время в мире имеются БГГ, основанные на p-n переходе в кристаллах кремния, однако срок их службы ограничен из-за быстрого накопления радиационных дефектов в кремнии под действием высокоэнергетических продуктов радиоактивного распада, которое значительно снижает КПД преобразования. Для решения этой проблемы в качестве рабочей среды БГГ предлагается использовать алмаз. Наиболее подходящим радиоизотопом для создания источника является никель-63.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработка новых источников питания с длительным сроком службы без необходимости регулярного обслуживания является в настоящее время одной из наиболее актуальных проблем развития мобильных устройств, длительное время находящейся в удалении от стационарных источников питания: космической и морской техники, медицинских устройств, приборов для освоения дальнего севера. Одним из способов решения этой проблемы является использование радиационно-стимулированных источников электроэнергии: срок их службы определяется периодом полураспада радиоизотопа и может составлять десятки лет, они не требуют обслуживания и заправки топлива.

2. Космической и морской техники, медицинских устройств, приборов для освоения дальнего севера, а также другие сферы деятельности, где нет возможности частого обслуживания прибора.

3. БГГ на монокристалле синтетического алмаза смогут заменить используемые сейчас БГГ на кремнии и существенно увеличить срок службы данных элементов, а также сохранять выходные параметры на первоначальном уровне на протяжении бОльшего временного промежутка.

4. Возможна международная кооперация, а также выступление с данной тематикой на научных форумах, конференциях для популяризации данной тематики исследований.

Текущие результаты проекта:
1) Проведено численное моделирование;
2) Изготовлены ЭО легированных бором пластин алмаза с высокой проводимостью;
3) Проведены исследовательские испытания легированных бором пластин алмаза с высокой проводимостью;
4) Изготовлены ЭО низкодефектных легированных бором монокристаллов алмаза;
5) Проведены исследовательские испытания низкодефектных легированных бором монокристаллов алмаза;
6) Разработан ЛР получения эпитаксиальных слоев прецизионнолегированного алмаза;
7) Проводится разработка ЭКД на радиационно-стимулированные источники повышенного постоянного и импульсного напряжения;
8) Разработаны ПМ исследовательских испытаний ЭО эпитаксиальных слоев прецизионнолегированного алмаза;
9) Проводятся подготовительные работы для изготовления ЭО эпитаксиальных слоев прецизионнолегированного алмаза;​
10) Проводятся подготовительные работы для проведения исследовательских испытаний ЭО эпитаксиальных слоев прецизионнолегированного алмаза.​
Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств :
1) Осуществлено материально-техническое обеспечение работ, в том числе:
а) закуплено оборудования для обработки кристаллов алмаза;
б) закуплены материалов для обработки кристаллов алмаза;
в) исследовано качество поверхности легированных бором пластин алмаза с высокой проводимостью;
2) Осуществляется материально-техническое обеспечение работ, в том числе:
а) закупка оборудования и материалов для процессов газофазного осаждения тонких пленок на алмаз;
б) исследование качества поверхности эпитаксиальных слоев прецизионнолегированного алмаза.