Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нового поколения высокоэффективных преобразователей бета-излучения в электрическую энергию на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур

Номер контракта: 14.578.21.0103

Руководитель: Батурин Андрей Сергеевич

Должность руководителя: доцент

Докладчик: Тарелкин Сергей Александрович, младший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ядерная батарея, бета-вольтаический генератор, барьерная структура, широкозонный полупроводник, генерация, рекомбинация, неравновесные носители заряда.

Цель проекта:
Разработка технологии создания преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких широкозонных полупроводниковых структур для использования в составе автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения, обеспечивающей увеличение КПД преобразование не менее чем на 50% по сравнению с существующими аналогами. Настоящий проект является составной частью комплексного проекта по теме: "Создание высокоэффективных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы на основе радиационно-стойких структур"

Основные планируемые результаты проекта:
1. Результаты теоретических исследований по созданию и оптимизации параметров преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур.
2. Описание разработанной математической модели функционирования полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия.
3. Конструкторская и технологическая документация для изготовления преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур.
4. Экспериментальные образцы преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур, имеющие следующие характеристики:
- напряжение холостого хода, не менее 1 В
- фактор заполнения, не менее 50%
- КПД преобразования энергии бета-излучения, не менее 5%
- габаритный размер, не менее 3,0х3,0 мм
- габаритная толщина, не более 0,03 мм
- ширина запрещенной зоны, не менее 2 эВ.
5. Результаты исследовательских испытаний экспериментальных образцов преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур
6. Рекомендации по усовершенствованию технологии создания преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемом с использованием планируемых в проекте результатов, является полупроводниковый преобразователь энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию прямого действия для создания автономных компактных радиационно-стимулированных источников постоянного напряжения. По принципу действия подобные преобразователи сходны с солнечными батареями, которые преобразуют энергию фотонов в электричество с той лишь разницей, что в качестве источника генерации электрон-дырочных пар выступает бета-частица.
В настоящее время в мире имеются полупроводниковые преобразователи, 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 преобразователя предлагается использовать широкозонные материалы (нитрид галлия, карбид кремния, алмаз и др.), обладающие высокой радиационной стойкостью. Кроме того с увеличением ширины запрещенной зоны возрастает выходное напряжение и увеличивается КПД преобразователя β-излучения, что связано с уменьшением относительных затрат энергии на рождение электрон-дырочных пар. Данное обстоятельство позволяет ожидать получение полупроводниковых преобразователей с увеличенным не менее чем на 50% КПД преобразования по сравнению с аналогами на кремнии.
В настоящем проекте будет проанализирована возможность создания универсальных преобразователей на основе полупроводникового синтетического алмаза, нитрида алюминия и карбида кремния для работы с ионизирующим излучением с различной энергией. Будут изготовлены экспериментальные образцы и проведено сравнение их свойств.
Результаты проекта позволят создать новый класс автономных радиационно-стимулированных источников питания с повышенной эффективностью, в частности, на основе изотопов: тритий, никель-63, стронций-90, прометий-147 и др.
Разработка компактных необслуживаемых элементов питания повышенного срока службы соответствует требованиям обеспечения технологической независимости и импортозамещения для нужд стратегических отраслей, таких как ядерная промышленность, космическая и медицинская техника, автономные маяки и метеостанции.
Результаты проекта позволят создать продукцию, замещающую и превосходящую по своим характеристикам ядерные батареи длительного срока службы фирм США: Widetronix (Firefli-T, Firefli-N), City Labs (ERDIP, LCC) и BetaBatt (Trench, Fill-Jelli-Roll). Продукция этих фирм с 2014 года не может быть импортирована в Российскую Федерацию из-за санкций, ограничивающих поставку в РФ продукции двойного назначения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты проекта будут использованы при разработки базовых конструкций и технологий создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения с удельной мощностью не менее 50 мкВт/см^3 и сроком службы не менее 20 лет в рамках проводимого комплексного проекта на тему «Создание высокоэффективных β-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы на основе радиационно-стойких структур».
Получаемые результаты комплексного проекта послужат основой для последующего создания Индустриальным партнером во взаимодействии с головным исполнителем новых видов продукции – автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы – для обеспечения необходимого уровня национальной и технологической безопасности России, повышения её экспортного потенциала и снижения импортной зависимости в стратегически важных отраслях промышленности.
Радиационно-стимулированные источники питания в сравнении с химическими элементами питания (как отечественными, так и импортными) обладают минимум на 2 порядка большей плотностью энергии. Срок службы таких источников зависит от скорости распада радиоизотопа и может достигать 100 лет. В качестве радиоактивного элемента-источника энергии может выступать любой радиоизотоп с длительным временем жизни, распадающийся по бета-минус каналу.
Новое поколение батарей питания позволит создать стратегический задел в области специальных источников питания, нацеленный на:
• Обеспечение безопасности на атомных станциях за счет создания энергонезависимых систем контроля;
• Обеспечение автономным питанием специальной техники;
• Освоение космоса за счет создания автономных необслуживаемых спутников и зондов;
• Развитие медицины за счет создания нового поколения необслуживаемых имплантов;
• Освоение труднодоступных регионов, в частности, крайнего Севера, за счет создания автономных геолого-разведывательных зондов, энергонезависимых сенсоров, буев и т.д.
Кроме того, промышленное внедрение разработанной технологии создания преобразователей энергии ионизирующего ьета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур способствует развитию направления экстремальной электроники, что позволит в перспективе выйти на масштабные сегменты применения электронных компонентов в промышленных секторах, где нет такой жесткой ценовой конкуренции, как в потребительской электронике, но имеющих при этом довольно высокую емкость с точки зрения объемов потребления.

Текущие результаты проекта:
1. На основе патентных исследований и аналитического обзора литературы выполнена сравнительная оценка возможных направлений исследований и осуществлен выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи по созданию полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию для использования в составе автономных радиационно-стимулированных элементов питания.
2. Разработана математическая модель функционирования полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия.
3. Проведены расчеты оптимальной схемы коммутации преобразователя в элементе питания в зависимости от технологических параметров преобразователя.
4. Разработан метод формирования тонких слоев широкозонных полупроводниковых материалов, в том числе сверхтвердых, с использованием метода ионной имплантации.
5. Осуществлен выбор конструкции и разработана КД для изготовления экспериментальных образцов преобразователей.