Регистрация / Вход
Прислать материал

14.580.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.580.21.0003
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов"
Название доклада
Создание высокоэффективных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы на основе радиационно-стойких структур
Докладчик
Бормашов Виталий
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью настоящих ПНИЭР, реализуемых в рамках комплексного проекта, является разработка базовых конструкций и технологий создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения с удельной мощностью не менее 50 мкВт/см3 и сроком службы не менее 20 лет для нужд ядерной энергетики, авиакосмической техники, нано- и микроэлектроники, биомедицины и специальной техники, что будет способствовать повышению экспортного потенциала России и снижению импортной зависимости в стратегически важных отраслях промышленности.
Основные задачи проекта: разработка конструкций и технологий изготовления радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы, изготовление и испытание образцов элементов питания.
Актуальность и новизна исследования
Важнейшим базовым элементом любого микроэлектронного устройства и микроэлектронной системы в целом является источник бесперебойного электропитания микро - ваттного диапазона мощности, к которому также предъявляются жесткие требования по таким параметрам как: габаритные размеры, которые должны быть, по крайней мере, сравнимыми с габаритами самого микроэлектронного устройства; надежность и стабильность параметров в течение всего срока эксплуатации; высокая удельная энергоемкость и КПД; устойчивость к внешним воздействиям; безопасность; длительный срок службы (несколько десятков лет) в широком диапазоне температур и давлений. Ни один из существующих в настоящее время традиционных типов элементов электропитания микроэлектронных систем этим условиям не удовлетворяет, поэтому поставленная задача носит системный, глобальный характер и является своевременной и актуальной.
Исследования являются новыми, так как к настоящему моменту в мире не существует радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с характеристиками, близкими к характеристикам разрабатываемого изделия, в частности, практически все производимые в мире элементы питания генерируют ток короткого замыкания в 100-1000 раз меньше, чем разрабатываемый элемент питания.
Описание исследования

Работы первого этапа ПНИЭР связаны с выбором направления исследования и разработкой эскизного проекта радиационно-стимулированных элементов питания. Проведены патентные исследования и аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения с длительным сроком службы. Проведена сравнительная оценка возможных направлений исследований и осуществлены выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи, определены принципы работы элемента питания, материалы основных его составляющих и методы их создания и объединения.

Проведены теоретические исследования эффективности передачи энергии, выделяемой в радиоизотопе никель-63 при бета-распаде, преобразователю на основе радиационно-стойких структур с учетом геометрии расположения преобразователей и изотопа в сборке. С учетом проведенных исследований разработана математическая модель процесса генерации тормозного ионизирующего излучения, возникающего при торможении бета-частиц в источнике и защитном экране. С использованием разработанной модели проведены расчеты массогабаритных характеристик радиационной защиты для радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания.

Разработан эскизный проект радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы, устанавливающий принципиальные решения изделия, дающих общее представление о принципе работы и устройстве изделия.

Работы второго этапа ПНИЭР связаны, в первую очередь, с разработкой конкретных конструкторских и технологических решений для изготовления и испытаний радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания.

Разработанный технический проект радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы содержит описание выбранных решений по компоновке и корпусировке опытных образцов. При разработке проекта было проведено численное моделирование параметров единичного преобразователя и сборок из множества преборазователей. Также при отработке решений по компоновке было проведено макетирование с целью подтверждения работоспособности выбранных решений.

Разработанный комплект ЭКД для изготовления опытных образцов радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания включает в себя деталировку, согласно которой будут изготавливаться опытные образцы для проведения исследовательских испытаний.

Разработанный предварительный проект рабочей технологической документации с литерой «П» для изготовления опытных образцов радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания описывает основные технологические операции изготовления элементов, а также список оборудования, необходимого для изготовления

Разработанные программа и методики исследовательских испытаний опытных образцов радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания описывают подготовку и проведение испытаний элементов с целью исследования их технических характеристик и путей достижения значений, установленных требованиями технического задания.

Результаты исследования

Проект направлен на создание высокоэффективных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания со следующими характеристиками: удельная мощность - не менее 50 мкВт/см3; напряжение холостого хода - не менее 1 В; ток короткого замыкания - не менее 20 мкА; срок службы - не менее 20 лет;

Элементы питания нового поколения на временном горизонте 5-6 лет в сравнении с изделиями конкурентов (мировыми аналогами) будут отличаться:

1) повышенной не менее чем в 2 раза эффективностью (КПД) преобразования энергии, выделяющейся при распаде бета-источника, в электроэнергию, что позволит в перспективе снизить себестоимость источника примерно на 50% за счет более 
экономичного расходования дорогостоящего радиоизотопа с высокой степенью обогащения.
2) увеличенной на 50% удельной мощностью, что позволит снизить на треть массогабаритные показатели элементов питания батарей на их основе с сохранением требуемого уровня выходной мощности.
3) усиленным уровнем эксплуатационной надежности за счет использования преобразователей с длительным сроком службы (более 20 лет) на основе радиационно-стойких материалов.

В ходе выполнения 3 этапа ПНИЭР были изготовлены опытные образцы радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания для исследовательских испытаний и проведены соответствующие исследовательские испытания. Для исследовательских испытаний была разработана упрощенная конструкция элементов питания, позволяющая экспериментально исследовать основные принципы работы элемента питания и определить его свойства.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследования обусловлена постоянно возрастающим спросом на автономные источники электропитания длительного срока службы.
Внедрение результатов проекта позволит в ближайшей перспективе удовлетворить существующую высокую потребность в элементах питания для автономной аппаратуры, функционирующей в условиях невозможности обслуживания (зарядки, заправки топлива или замены источника напряжения). Разрабатываемое новое поколение автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания и батарей на их основе позволит создать стратегический задел в области специальных источников питания, нацеленный на:
1) Обеспечение безопасности на атомных станциях за счет создания энергонезависимых систем контроля;
2) Обеспечение автономным питанием специальной техники;
3) Освоение космоса за счет создания автономных необслуживаемых спутников и зондов;
4) Развитие медицины за счет создания нового поколения необслуживаемых имплантов;
5) Освоение труднодоступных регионов, в частности, крайнего Севера, за счет создания автономных геолого-разведывательных зондов, энергонезависимых сенсоров, буев и т.д. Создание нового поколения элементов питания обеспечит повышение обороноспособности и технологической безопасности РФ за счет создания аналогичных или превосходящих аналогичные зарубежные образцы элементов питания и на основе отечественных компонентов и комплектующих.
Планируемый масштаб выпуска продукции и ее рабочие характеристики обеспечат полное замещение импортных аналогов Widetronix (Firefli-T, Firefli-N), City Labs (ERDIP, LCC) и BetaBatt (Trench, Fill-Jelli-Roll) в отечественных отраслях промышленности.