Регистрация / Вход
Прислать материал

14.625.21.0031

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.625.21.0031
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ"
Название доклада
Разработка технологий получения высокоэффективных источников бета-излучения для радиационно-стимулированных элементов питания
Докладчик
Федоров Евгений Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования - разработка технологии получения эффективных источников бета-излучения на основе радиоизотопа никель-63 с высокой степенью обогащения и удельной активностью 40 Кюри на грамм для использования в составе автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения. Настоящие ПНИ являются составной частью комплексного проекта ПНИЭР по теме: «Создание высокоэффективных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы на основе радиационно-стойких структур».
Для достижения поставленной цели - создания нового автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов с радикально лучшими характеристиками необходимо решить следующие основные задачи:
− определить эффективную толщину источника бета-излучения;;
− разработать технологию изготовления источника бета-излучения;
− отработать и оптимизировать основные технологические операции изготовления источника бета-излучения;
− изготовить макеты источника бета-излучения и исследовать их характеристики;
− разработать оптимальный способ совмещения источников бета-излучения и преобразователей энергии бета–излучения с целью создания генераторной части элемента питания.

Актуальность и новизна исследования
В настоящее время, в связи с развитием микросистем, появилась необходимость в автономных источниках электроэнергии, которые могли бы обеспечить многолетнее автономное энергоснабжение микроэлектронной техники. В частности, такая техника необходима для решения следующих актуальных задач:
1) распределенный многофункциональный мониторинг в системах контроля технического состояния, безопасности и охраны различных объектов на основе микродатчиков;
2) поддержание дежурного режима (standby) в системах, обеспечивающих включение основной аппаратуры при поступлении команды или по достижению заданного значения контролируемого внешнего параметра.
Источники энергии должны быть соизмеримы по весогабаритным показателям с другими элементами микросистем и функционировать в течение десятилетий. Современные электрохимические источники тока не всегда удовлетворяют этим требованиям. Перспективным решением проблемы можно рассматривать использование энергии радиоактивного распада при ее прямом преобразовании в электричество (минуя тепловую энергию).
Разработки устройств, осуществляющих прямое преобразование энергии заряженных частиц радиоактивного излучения, названных ядерными батареями (ЯБ) второго типа, начались в начале 50-х годов прошлого века. Однако спрос на эти устройства и их эффективность в то время были слишком малы. В настоящее время такие устройства чаще называют бета-вольтаическими элементами, а перспективы повышения их эффективности связывают с применением современных материалов и технологий.


Описание исследования

На начальном этапе исследований разработана технология получения источников бета-излучения на основе радиоизотопа Ni-63 (слоя никеля в виде фольги с высокой степенью обогащения). Учитывая сложность разработанного технологического процесса получения металлической фольги никеля из раствора хлорида никеля в соляной кислоте, с целью уточнения и оптимизации его параметров исследованы следующие “узловые” технологические операции:

 процесс получения порошка оксалата никеля; процесс получение порошка металлического никеля; плавление металлического порошка никеля; многостадийную прокатку слитка в фольгу.

Процесс получения порошка оксалата никеля.

Для данного процесса необходимо установить влияние температуры осаждения оксалата никеля из раствора хлорида никеля на средний размер и фракционный состав осаждаемого порошка. Данные характеристики, необходимы, во-первых, для своего рода входного контроля порошка оксалата никеля перед операцией его восстановления до металла, а также с целью прогнозирования фракции металлического порошка после процесса восстановления.

Совместное применение лазерного анализатора размеров частиц и методов электронной микроскопии позволяет установить численное значение среднего размера частиц и получить информацию о форме и размерах конгломератов в которые они собраны. Применение лишь одно из этих методов исследований качественно снижает информативность получаемых данных.

Процесс получение порошка металлического никеля.

В данной технологической операции исследуемыми параметрами являлись форма, размеры, химический состав порошка металлического никеля после процесса восстановления. Форма и размеры частиц порошка определяют его насыпную плотность, что важно для операции загрузки порошка в тигель. Процесс получение металлического порошка должен проводиться в условиях минимизации внесения примесных элементов, так как при последующем проведении операции прокатки возможно образование хрупких соединений, снижающих механические свойства никелевой фольги, с образованием несплошностей. Тем самым, химический анализ никелевых порошков после процессов восстановления должен являться неотъемлемой частью исследований. Факторами, оказывающими влияние на исследуемые параметры в данной операции, являются среда и режимы восстановления оксалата никеля.

Преимуществами электронной микроскопии являются оперативное получение данных о размерах частиц порошка, их форме и элементному составу. Однако, в процессе исследований можно лишь качественно установить значения по таким элементам как кислород и углерод. Дополнительно применив в данной задаче методы реакционной газовой хроматографии удается получить количественное содержание данных элементов.

Плавление металлического порошка никеля.

В данной технологической операции необходимо подобрать материал и форму тигля для процесса плавления, исследовать температурно – временной режим плавки. Материал и форма тигля должны удовлетворять следующим условиям: количество исходного порошка никеля менее 1г, засыпка порошка никеля в тигель производится под собственным весом, тигель совмещен с литейной формой и обладает низкой смачиваемостью. В соответствии с литературными данными, исследуемый температурный интервал процесса плавления порошка никеля лежит в диапазоне от 1470 до 1510 ˚С. Полученные образцы необходимо охарактеризовать с точки зрения анализа структуры (полнота прохождения плавки, размер зерна), наличия/отсутствия дефектов (является важным с точки зрения последующей многостадийной прокатки, образования дефектов), величины микротвердости (характеристика механических свойств образца и его структурных составляющих).

Многостадийная прокатка слитка в фольгу.

Результатом исследования данной операции должно стать подтверждение данных, полученных на первом этапе работ, а именно: поперечная и поверхностная текстуры, изменение длины никелевой фольги от количества проходов, зависимость толщины от длины при прокатке никелевой фольги. В дополнении к этому необходимо дать характеристику фольг после “окончательной” прокатки с точки зрения: значения толщины фольги, нарушения сплошности, величины разнотолщинности, механических свойств (фрактографический анализ) и данных по примесному составу. Оценить механические характеристики фольг на этапах многостадийной прокатки согласно ГОСТ не представляется возможным (они отсутствуют). В этой связи целесообразно применить совместно методы фрактографического анализа и электронной микроскопии, позволяющие качественно охарактеризовать структуру излома.

Результаты исследования

На первом этапе работ проведен анализ современной научно – технической литературы по данной тематике, выбран оптимальный метод с точки зрения минимальных потерь радиоактивного изотопа Ni-63– метод формирования слоя в виде тонких микронных фольги разработана технология получения никелевой фольги толщиной от 1,5 до 3 мкм.

На втором этапе разработана программа и методики исследовательских испытаний технологического процесса получения источника бета-излучения, направленная на отработку и оптимизацию основных технологических режимов и параметров процесса создания никелевой фольги заданных параметров.

Проведены исследовательские испытания технологического процесса получения источника бета-излучения, включающие получение металлического порошка никеля, получение заготовки требуемой формы, прокатку заготовки в фольгу микронных толщин, изготовление макета источника бета-излучения.

По результатам исследований технологической операции получение порошка оксалата никеля определен оптимальный температурный режим осаждения – 40 °С, длительность процесса осаждения 1 час, процесса отстаивания 48 часов.

Процесс восстановления оксалата никеля до металлического порошка рекомендовано проводить в среде водорода, обеспечивающего получение наноразмерных и субмикронных порошков с минимальным количеством дефектных гранул, низким содержанием газовых примесей, высоким выходом годного, заданных фракций. Температура восстановления 400 °С, длительность процесса 1 час.

Установлен температурно – временной режим плавки металлического порошка:  температуре 1510 °С в атмосфере аргона, длительность высокотемпературной выдержки 0,5 часа, а также материал тигля − оксид циркония стабилизированный иттрием, обладающей низкой смачиваемостью и взаимодействием с никелем.

Показано, что процесс многостадийной прокатки с промежуточными отжигами и с последующей прокаткой в «конверте» имеет высокую стабильность (повторяемость). Изготовленные никелевые фольги удовлетворяют требованиям по толщине, сплошности, шероховатости поверхности и разнотолщинности. Изготовлены макеты источника бета-излучения для совмещения с полупроводниковыми и МЭМС преобразователями.

Разработаны программа и методики сравнительных экспериментальных исследований способов совмещения источников бета-излучения и преобразователей энергии бета-излучения.

Осуществлен выбор и обоснование возможных способов качественного и надежного совмещения источника бета-излучения и преобразователей энергии бета–излучения. Разработан комплект технологической документации по совмещению источника бета-излучения в форме раствора соли и преобразователя энергии с использованием метода химического осаждения.

Разработан комплект технологической документации по совмещению источника бета-излучения в форме фольги и преобразователя энергии с использованием метода механического совмещения и приклеивания.

Практическая значимость исследования
Разработка предназначена для создания эффективных источников бета-излучения и использования их в различных областях науки и техники в составе автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения, в том числе, в области ядерной медицины, источников питания для маячков в труднодоступных местах, космической и компьютерной техники. Предлагаемая к разработке ядерная батарея на основе радиоизотопа Ni-6З должна быть экологически безопасной и не требующей обслуживания, стойкой к воздействиям окружающей среды, вырабатывающей электроэнергию не менее 50 лет за счёт бета-распада (100 лет период полураспада Ni-63). Одним из возможных примеров применения такого источника питания является использование в элементе питания кардиостимуляторовv