© 2001-2018 Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Проекты
Разработка нового поколения высокоэффективных преобразователей бета-излучения в электрическую энергию на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур
Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.578.21.0103
Период выполнения: 19.08.2015 - 31.12.2016
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.
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 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.
6. Разработана техническая (КД и ТД) документация для изготовления экспериментальных образцов пластин-заготовок.
7. Изготовлены экспериментальные образцы пластин-заготовок в соответствии с разработанной документацией.
8. Разработан технологический процесс изготовления преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур.
9. Подготовлен комплект технологической документации на разработанный технологический процесс изготовления преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур.
10. Изготовлены экспериментальные образцы преобразователей энергии бета-излучения.
11. Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов преобразователей.
12. Разработана конструкция и осуществлено изготовление держателя для закрепления экспериментальных образцов преобразователей для обеспечения экспериментальных исследований стабильности их характеристик во времени с использованием средств моделирования воздействия бета-излучения. 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 синтетические монокристаллы алмаза, обладающие высокой радиационной стойкостью. Кроме того за счет большой ширины запрещенной зоны алмаза (~5.5 эВ) возрастает выходное напряжение и увеличивается КПД преобразователя бета-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
