Известия РАН. Энергетика, 2019, № 1, стр. 82-99

ВВЕДЕНИЕ

В связи с ростом потребностей в использовании портативных электронных устройств (способных работать продолжительное время без обслуживания) возникла необходимость развития соответствующего научного направления – генераторов микромощности. Эта область относительно новая и по многим показателям находится на этапе исследования возможностей практической реализации (в первую очередь, в связи с недостаточно высокой эффективностью и высокой стоимостью таких устройств).

Рассматриваются возможности построения микроэнергетических систем на различных физических принципах.

Так, в последние годы повысился интерес к созданию термоэлектрических генераторов (ТЭГ) по технологии печати термоэлементов с использованием эффективных наноструктурированных термоэлектриков. Печатная технология может стать основой создания микротермоэлектрических генераторов (микроТЭГ). Выполнение активной тонкопленочной термоэлектрической структуры по технологии микроэлектроники обеспечивает возможность мультиплицирования отдельных термоэлектрических ячеек с целью получения требуемой выходной мощности микроТЭГ. Новые печатные технологии дают возможность изготовления дешевых и эффективных наноструктурированных термоэлементов.

В качестве возможного решения задачи рассматривается также использование современных химических источников тока: литиевых батарей, литий-ионных аккумуляторов, молекулярных суперконденсаторов. Однако, удельная (Вт/г, Вт/см³) энергоемкость этих устройств невелика, максимальный срок службы наилучших образцов не превосходит нескольких лет, диапазон рабочих температур ограничен снизу – снижением скорости химической реакции (и как следствие понижением ЭДС батареи), сверху – закипанием электролита и саморазрядом.

В последние годы в зарубежной научной литературе активно обсуждается вопрос о возможности создания автономных источников тока, использующих принцип прямого преобразовании энергии бета-распада в электрическую энергию с использованием p-n перехода полупроводникового диода. Бета-вольтаический эффект является аналогом фотоэлектрического эффекта с тем отличием, что образование электрон-дырочных пар в полупроводнике с р-n-переходом происходит под воздействием бета-частиц, а не светового излучения [1].

Бета-вольтаические полупроводниковые батареи обладают высокой энергоемкостью (на несколько порядков выше лучших химических источников тока). Эффективно работают в широком диапазоне рабочих температур (от плюс 60°С до минус 120°С) без снижения выходных характеристик. Отсутствие дозиметрических проблем делает возможным использовать такие источники питания в многочисленных электронных устройствах микро- и милливаттного уровня потребления.

Известными преимуществами энергоисточников на основе радиоизотопов (радионуклидов) являются большой срок непрерывной работы (от 5 до 50 лет и более, в зависимости от выбора изотопа), малые весогабаритные параметры, широкий температурный диапазон и высокая надежность. Именно поэтому создание новых радионуклидных источников энергии с повышенной энергоемкостью представляет актуальную задачу в целом ряде прорывных научно-технических направлений.

Такие миниатюрные источники питания незаменимы для бесчисленных микросистемных, информационно-телекоммуникационных и медицинских применений. В то же время, обладая модульным принципом набора мощности, они могут использоваться для длительного (до 100 лет и более) энергопитания автономных объектов, находящихся в труднодоступных местах в любых условиях (космического, наземного, морского, подводного базирования).

На сегодняшний день нет более конкурентоспособных источников электрической энергии (микро- и милливаттного уровня мощностей) в сравнении с бета-вольтаическими полупроводниковыми батареями.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Впервые бета-вольтаическая ячейка в сочетании с p-n-переходом в полупроводниковом устройстве была описана в зарубежной научной литературе в середине 1950-х гг. [2]. В качестве радиоактивного источника использовался радионуклид стронция-90. В этой ячейке было получено 0.8 микроватт электрической мощности при очень низком к. п. д. ~ 0.2%; одновременно были зафиксированы радиационные повреждения в полупроводнике. Дальнейшие исследования электрон-вольтаического эффекта в кремниевых и германиевых материалах на р-n-переходах, с использованием радионуклида Sr⁹⁰–Y⁹⁰ в качестве бета-источника, продолжил Раппопорт с коллегами (RCA группа) [3–6]. Ими была предложена теория, объясняющая работу бета-вольтаических устройств.

Наиболее заметный прогресс был достигнут в разработке бета-вольтаических устройств с использованием прометия-147 в качестве источников питания для кардиостимуляторов [7]. В период 1968−1974 гг. исследования, проведенные в лаборатории Дональд У. Дугласа (DWDL) под руководством доктора Ларри Олсена, позволили разработать миниатюрный Pm147-Si бета-вольтаический источник питания, который впоследствии был вживлен в кардиостимуляторы у более чем 285 тестированых пациентов. Комиссия по атомной энергии (USAEC) санкционировала лицензирование в США клинических исследований данных источников питания, и это позволило проводить имплантации Betacel кардиостимуляторов до 50 в месяц [8–11]. При использовании в качестве источника питания Pm-147 батарея достигла к.п.д. преобразования ~4%, с ожидаемым сроком службы ~10 лет. Однако, из-за высокой стоимости и опасения по поводу побочного гамма-излучения (из-за загрязнения радионуклидом Pm-146), впоследствии предпочтение было отдано электрохимическим источникам питания (литиевым батареям), вместо бета-вольтаических [12].

В последние 12 лет научные исследования сосредоточились на разработке конструкции устройств источников тока с использованием радионуклидов, а также на проблемах, связанных с р-n-переходами в полупроводниковых пластинах из кристаллического (SiC) и аморфного (a-Si) кремния.

В 2005 г. фирма Qynergy разработала на основе криптона-85 бета-вольтаическую ячейку Qyncell™. Энергетическая эффективность была высокой, но возникали проблемы, связанные с деградацией, обусловленной радиационными повреждениями, с образованием дефектов в карбиде кремния [13]. Фирма Betabatt разработала трехмерный пористый кремниевый диод на основе тритий-(Р-Si), но при его испытаниях не удалось достичь высоких значений плотности тока [14]. Фирма Widetronix разработала комбинированную Ni-63–4Н SiC бета-вольтаическую ячейку, в которой эффективность преобразования энергии достигала 6% [15].

В 2008 г. фирма City Labs (США, Флорида) начала производить тритиевые бета-вольтаические источники энергии (NanoTritium™ батареи), с использованием запатентованных материалов (Prop) [12]. Изделия City Labs’ достигли эффективности конверсии β-излучения до 7.5% и самой высокой плотности энергии (1.2 × 10^–2 мВт/кг). Фирма City Labs продемонстрировала первые образцы коммерческих бета-вольтаических батарей на тритии (Nano Tritium) нано-ваттной мощности для использования в миниатюрных электронных приборах, в том числе для смартфона фирмы Samsung. Фирмой City Labs заключен контракт с ВВС США с объемом финансирования 100 млн долларов на разработку АБ на тритии повышенной мощности.

В настоящее время за рубежом исследованиями по разработке источников питания с использованием радионуклидов трития и никеля-63 (нано-ваттной мощности) наиболее активно продолжают заниматься ученые и специалисты США. Пионером в применении радиоизотопа никеля-63 для создания миниатюрных источников электрической энергии по технологии MEMS (Micro Electromechanical Systems) является профессор Корнельского университета Амит Лал, который получил в 2002 г. патент (US 6479920, November 2002) на этот способ получения электрической энергии. По технологии MEMS − энергия бета-излучения никеля-63 преобразуется сначала в колебания микроскопической консоли. Механическая энергия колебаний затем преобразуется в электрическую энергию. Эти работы финансируются агентством DARPA (Управление передовых оборонных исследовательских проектов). На Международной конференции International Electric Devices (IEDM) в 2009 г. Амит Лал представил результаты исследований, которые продемонстрировали прогресс в области разработки MEMS– радионуклидных источников питания для киберорганизмов (ручное управление живыми организмами). Одна из новых программ Министерства обороны США – MAV (Micro Air Vehicles) направлена на разработку и создание летающих микро-БЛА (беспилотные летающие аппараты), где в качестве источников питания планируется также использовать бета-вольтаические батареи.

По словам А. Лала, мобильные технологии развиваются стремительными шагами, а элементы питания, от которых зависит жизненный цикл этих устройств, практически не совершенствуются. По его мнению, настало время, когда разработка бета-вольтаических батарей является реально насущной задачей. Бета-преобразователи на никеле-63 могут надежно эксплуатироваться в течение 50-летнего срока службы и могут рассматриваться в качестве автономных источников электропитания для проекта “Центральной нервной системы Земли”, нацеленной на покрытие всей планеты датчиками, функционирующими независимо от условий окружающей среды в течение длительного времени.

Справедливости ради, следует отметить, что помимо США, исследования бета-эффекта проводятся также в Германии, Китае и ряде других стран. Однако коммерческий выпуск радиационно-стимулированных источников электрического питания освоен только тремя американскими компаниями: Widetronix, Inc. (USA), City Labs, Inc. (USA), BetaBatt, Inc. (USA).

Эти компании выпускают источники питания, в которых в качестве радионуклидов используются тритий, Ni-63, Pm-147 (с активностями от десятков мКи до Ки), в качестве полупроводникового преобразователя используются p-n-переходные структуры с развитой поверхностью на основе Si, GaAs, SiC, AlN. Удельные мощности источников не превышают значений 1–10 мкВт/Ки и КПД преобразования 1–3%. Цена на указанные источники в среднем составляет 2000–3000$ за микроватт электрической мощности. Она определяется, прежде всего, высокой стоимостью применяемого источника ионизирующего излучения.

Следует, однако, отметить, что элемент питания на основе изотопа никеля-63 с обогащением более 20%, КПД > 1% и мощностью более 1 мкВт пока не получен. Выходная электрическая мощность разработанных за рубежом батарей на никеле-63 и тритии составляет несколько десятков наноВатт (рис. 1 и 2).

Рис. 1.

Внешний вид (а) и устройство (b) бета-вольтаической полупроводниковой батареи (разработка: City Labs, Inc.).

Рис. 2.

Опытные образцы бета-вольтаических батарей нановаттного уровня мощностей на тритии и на никеле-63 (разработки: City Labs, Inc. и BetaBatt, Inc.).

В России к настоящему времени существуют лишь инициативные научные исследования по данной проблематике, законченных разработок нет, и промышленное производство такого типа источников не освоено.

Из отечественных научных групп, которые исследовали возможности практической реализации бета-вольтаического эффекта, можно отметить коллективы ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Ульяновского государственного университета, ООО НПП “БИАПОС” (с участием ряда предприятий Росатома), Объединенного института высоких температур РАН и Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова [16–18].

В ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН испытывались лабораторные образцы бета-вольтаических АБ на тритии нановаттного диапазона мощностей. В УлГУ предложен радиационно-стимулированный импульсный источник с выходным напряжением 2 В и током 100 нА. В НПП “БИАПОС” велась разработка экспериментального образца бета-вольтаического источника на никеле-63 микроваттного диапазона мощностей (рис. 3). Химфак МГУ разработал способы введения радионуклидов в различные материалы – графит, фуллерены, алмазы, производные кремния. В ОИВТ РАН (совместно с Химфаком МГУ) в инициативном порядке (при поддержке гранта РФФИ) проводятся исследования и разработки, направленные на оптимизацию конструкции и повышение выходных параметров бета-преобразователя.

Рис. 3.

Экспериментальный образец бета-вольтаической АБ на никеле-63 с кремниевым преобразователем, разработанный и изготовленный НПП “БИАПОС”.

Специализированные отечественные организации (входящие в Госкорпорацию “Росатом”), для тех или иных целей проводили разработки радиационно-стимулированных источников питания (рис. 4). Однако к настоящему времени государственная программа с целевым финансированием по данной проблематике отсутствует.

Рис. 4.

Опытные образцы бета-вольтаических батарей на прометии-147 (ВНИИ Радиационной техники, СССР).

Развитие этого направления сдерживается отсутствием достаточных количеств металлического никеля-63 с высокой степенью обогащения. До сих пор он является побочным продуктом исследовательских работ. Постоянно действующего производства этого радионуклида в мире нет. Только в России, а конкретно ГНЦ “НИИ атомных реакторов” в Димитровграде, производит на своем ультравысокопоточном реакторе СМ-2 и поставляет на мировой рынок ограниченное количество Ni-63 с обогащением не более 10%. Такой продукт не обеспечивает приемлемых характеристик коммерческой батареи. Необходимо поднять степень обогащения радионуклидом Ni-63 целевого материала до уровня 80–90% и довести его выпуск до необходимых промышленных количеств.

Госкорпорацией “Росатом” разработан кластерный проект, нацеленный на создание производства (к 2020 г.) бета-вольтаических источников электроэнергии с использованием радионуклида никеля-63 на базе Железногорского Горно-химического комбината (Красноярский край). Однако какой это будет источник – тип, конструкция, технология изготовления, с какими выходными характеристиками – эти вопросы пока остаются открытыми и требуют проработки.

2. НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК

В устройствах прямого преобразования энергии бета-распада в электрическую энергию используются диодные структуры с p-n-переходом на основе полупроводниковых материалов.

Принцип работы бета-преобразователя основан на том, что излученные при распаде радионуклида электроны высоких энергий, попадая в область p-n перехода полупроводниковой пластины, генерируют там электронно-дырочную пару, которая затем разделяется областью пространственного заряда (ОПЗ). Вследствие этого на n- и p-поверхностях полупроводниковой пластины возникает разность электрических потенциалов и в замкнутой цепи возникает ток.

Количество образовавшихся носителей заряда пропорционально энергии и интенсивности потока бета-частиц. Механизм преобразования напоминает тот, который реализован в полупроводниковых солнечных батареях, но с заменой фотонного облучения на облучение бета-частицами – продуктами распада радионуклидов.

В освоении и дальнейшем продвижении прямых полупроводниковых бета-преобразователей существует ряд не решенных на сегодняшний день задач:

− у всех известных прямых бета-преобразователей низкий КПД <5%;

− “дорогая” технология производства полупроводниковых структур с развитой поверхностью;

− низкая радиационная стойкость полупроводниковых структур, особенно наноструктур;

− низкие напряжения (порядка ширины запрещенной зоны) и малые токи (порядка единиц нА).

При этом в науке и технике существует целое направление, связанное с прямым преобразованием световой энергии в электрическую – фотовольтаика. В этом направлении достигнуты рекордные КПД у преобразователей, оптимизированы конструкции, разработаны новые материалы. На протяжении последних 20 лет развитие этого направления характеризуется решением многих научных, технических и технологических задач. Поэтому, целесообразно при разработке эффективных радионуклидных преобразователей, использовать некоторые принципы, позаимствованные из фотовольтаики.

К ним относятся:

− применение для бета-преобразователей перспективных полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной (кристаллический кремний, арсенид галлия и другие структуры). С увеличением ширины запрещенной зоны возрастает выходное напряжение преобразователя и увеличивается КПД;

− создание трехмерных (каскадных) диодных структур за счет увеличения площади p-n-переходов;

− создание стеков из последовательно или параллельно включенных полупроводниковых структур с p-n-переходами, разделенными источниками ионизирующего излучения;

− проверка возможности создания источника питания с использованием высоковольтных кремниевых матричных преобразователей (когда в качестве единичного преобразователя выступает не один диод, а матрица из последовательно скоммутированных m диодов-микроэлементов, поверхность которых покрыта со всех сторон источником бета-излучения).

3. АВТОРСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ

По мнению авторов, новый разрабатываемый энергоисточник должен быть компактным, иметь минимально возможные габариты при максимальных выходных параметрах. Тогда он может рассматриваться как базовый, универсальный для различных практических приложений.

На основе этой базовой конструкции могут создаваться автономные источники питания, как миниатюрные для бесчисленных микросистемных, телекоммуникационных и медицинских применений (нано-, микро- и милливаттного уровня мощности), так и достаточно мощные для спецтехники и космоса − с использованием модульного принципа набора мощности (путем мультиплицирования отдельных ячеек бета-преобразователей).

Требования, предъявляемые к разрабатываемой базовой, бета-вольтаической батарее, включают следующие показатели:

− высокий уровень надежности и безопасности при длительном ресурсе работы;

− удобство технического обслуживания;

− доступность исходных материалов для массового производства;

− приемлемые, с точки зрения сроков окупаемости, энергозатраты.

При разработке нового энергоисточника использован ряд предпосылок, полученных в ходе предыдущих исследований по данной проблематике. В их числе:

− применение полупроводниковых структур с развитой поверхностью, с целью увеличение эффективности бета-преобразования;

− отработка новых способов нанесения радионуклида на развитую поверхность преобразователя (напыление, электрохимическое осаждение и др.);

− создание многослойных твердотельных структур с чередующимися слоями радионуклидов и полупроводниковых преобразователей;

− использование источников ионизирующего излучения с максимально возможным обогащением по долгоживущему радионуклиду;

− использование малых масс изотопов (микромоли). Для достижения этой цели необходимо выбирать радионуклиды с максимальной удельной радиоактивностью. Для снижения самопоглощения толщина источников ионизирующего излучения на поверхности полупроводниковой пластины должна быть <1 мкм;

− энергия бета-частиц не должна превышать пороговые значения энергии разрушения для материала полупроводника (меньше 200−300 кэВ). Гамма составляющие в спектре излучения радионуклида должны отсутствовать.

4. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ БЕТА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

При разработке новой конструкции бета-преобразователя авторский подход был нацелен на упрощение способа и снижение стоимости изготовления бета-преобразователя, с одновременным повышением его удельной электрической мощности и надежности в эксплуатации [19–21].

4.1. Выбор радионуклидов для бета-преобразователя

Перечень изотопов, обладающих бета-распадом с приемлемым временем жизни и уровнем энергии бета-распада, ограничивается всего несколькими радионуклидами: тритий, никель-63, стронций-90, цезий-137, кадмий-113m и прометий-147.

При бета-распаде никеля-63 и трития, в отличие от других рассматриваемых радионуклидов, происходит излучение настолько “мягкое”, что полностью поглощается конструктивными элементами устройства. Таким образом, радионуклидные батареи, работающие на никеле-63 или тритии, могут быть совершенно экологически “чистыми” и не оказывать какого-либо радиационного воздействия на окружающую среду.

Существенные отличия никеля-63 от трития заключаются в следующем:

1. Никель-63 − металл, тритий – газ.

2. Средняя энергия бета-частиц у никеля-63 (18 кэВ), у трития (6 кэВ).

3. Период полураспада никеля-63 (100 лет), трития (12 лет).

4. Продуктом радиоактивного распада никеля-63 является медь (металл), в то время как продукт распада трития – гелий (газ).

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики 2-х наиболее безопасных и долгоживущих радионуклидов: трития и никеля-63.

Таблица 1.  

Характеристики радионуклидов для изготовления бета-вольтаических батарей

№	Радионуклид	Т1/2, годы	Max энергия бета-частиц Еmax, кэВ	Ср. энергия бета-частиц Еср., кэВ	Удельная энергоемкость, Вт/г
1	Тритий	12.36	18.6	6.0	0.329
2	Никель-63	100	65.9	18.0	1.7 × 10–3

Два важных параметра радионуклидной батареи − длительность работы и плотность мощности – обусловлены (взаимосвязаны) основным принципом радиоактивного распада: чем короче период полураспада, тем выше плотность мощности.

Период радиоактивного полураспада радионуклида трития, составляющий 12.3 года, позволяет создать батарейку со сроком службы максимум 10 лет. Использование никеля-63 позволяет прогнозировать работоспособность источника тока в течение нескольких десятилетий, вплоть до 100 лет. Скорее всего, срок службы никелевой батареи будет определяться процессом эксплуатационной деградации полупроводникового преобразователя, а не распадом излучателя. Хотя справедливости ради следует отметить: максимальная энергия бета-частиц никеля-63 составляет 65 кэВ, что намного ниже порога радиационных повреждений, равного 300 кэВ для кремния или арсенида галлия.

Технологически, удобнее всего работать с твердотельным источником ионизирующего излучения, каким является Ni-63, нанося его в виде тонкой микронной (или субмикронной) пленки на полупроводниковые структуры. Но и газообразный тритий позволяет использовать его в виде металлических соединений – тритидов (по аналогии с металлогидридами – интерметаллическими соединениями и сплавами, которые активно и в больших количествах поглощают водород и отдают его при изменении внешних условий). При этом плотность атомов трития, запасаемого в тритидах (также как и водорода в металлогидридах), гораздо выше, чем их плотность в газообразных состояниях при нормальных условиях.

Безусловно, по величине средней энергии излучения бета-частиц и продолжительности периода полураспада, тритиевая батарея проигрывает никелевой батарее. Однако, при ее создании имеются технологические преимущества. Тритиевая батарея выгодно отличается простотой получения и доступностью исходного сырья – трития.

В отличие от трития (который является изотопом водорода и продуктом радиоактивных отходов, возникающих при работе АЭС), никеля-63 в природе не существует. Он является новым продуктом ядерных технологий, который надо сначала наработать в достаточных количествах, а затем обогатить до 80–85% (на предприятиях ГК “Росатом”). Это оказывает существенное влияние на его нынешнюю стоимость − цены за кюри этого источника составляют в среднем – 4000 долл./Ки.

Таким образом, выполненный анализ характеристик доступных на сегодняшний день долгоживущих радионуклидов и оценки их параметров показывают, что:

1. Энергоисточники бета-вольтаического типа на никеле-63 будут обладать максимальными выходными характеристиками, максимальным сроком непрерывной работы (более 50 лет), но и наиболее высокой стоимостью.

2. Энергоисточники бета-вольтаического типа на тритии будут иметь большую удельную энергоемкость, большой срок непрерывной работы (порядка 10 лет) и невысокую (по сравнению с никелем-63) стоимость.

Каждый из этих типов энергоисточников найдет свои ниши (с многочисленными потребителями) в различных областях народнохозяйственного и специального назначения.

Преимущества бета-вольтаических батарей в сравнении с широко используемыми в настоящее время литиевыми элементами питания, демонстрирует диаграмма на рис. 5.

Рис. 5.

Сопоставление бета-вольтаических и литиевых элементов питания.

Видно, что при одинаковой выходной мощности (1 мВт), массово-габаритные характеристики (вес, г; размер, см³), а также энергетическая плотность (Вт час/г) и срок службы (в годах) обоих типов энергоисточников − существенно различаются. По всем приведенным показателям бета-вольтаические батареи имеют неоспоримые преимущества.

Кроме того, неоспоримым преимуществом бета-вольтаической батареи является то, что она может эффективно работать в широком диапазоне рабочих температур (от плюс 60°С до минус 120°С) и давлений (от космического вакуума до морских глубин) без снижения выходных характеристик. В то время как диапазон рабочих температур химических источников тока ограничен снизу – снижением скорости химической реакции (и как следствие понижением ЭДС батареи), сверху – закипанием электролита и саморазрядом.

Следует также отметить, что бета-вольтаический преобразователь имеет модульный принцип набора мощности. Единичные ячейки можно скоммутировать в батарею с любым, требуемым заказчику, уровнем выходной мощности и напряжением.

Отсутствие дозиметрических проблем дает возможность использовать бета-вольтаические источники питания в любых системах и устройствах народно-хозяйственного и специального назначения.

4.2. Выбор полупроводниковых структур и отработка технологии текстурирования их поверхности

При создании полупроводникового бета-преобразователя в первую очередь рассматриваются возможности использования полупроводниковых материалов, применяемых в настоящее время в фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях) наземного и космического назначения. В их числе: арсенид галлия, карбид кремния, аморфный кремний, кристаллический кремний, каскадные структуры, тонкопленочные структуры и др.

На первом этапе, для оптимизации технологии текстурирования полупроводниковых структур и отработки способов нанесения радионуклидов на поверхность полупроводникового диода были выбраны кремниевые пористые материалы (как наиболее выгодные по стоимостным и эксплуатационным характеристикам).

Одним из путей повышения удельной электрической мощности преобразователя является увеличение площади плоской поверхности диодной структуры, покрытой источником бета-излучения. Для этого используется текстурирование полупроводниковых пластин. Например, в объеме пластины создается квазитрехмерная пористая структура, состоящая из расположенных упорядоченным образом пор (“колодцев”) [13, 18]. Такая структура именуется макропористой и характеризуется тем, что глубина “колодцев” во много раз больше их поперечного размера. Однако, процессы изготовления макропористой структуры и нанесения радиоактивных слоев в узких и глубоких порах связаны с большими технологическими трудностями. Кроме того, это ведет к увеличению стоимости бета-преобразователя и снижает срок его службы.

Одна из авторских инноваций заключается в том, что диодную структуру, на которую наносится слой радионуклида (никеля-63, трития), предлагается создавать и формировать особым способом [19]. Для изготовления пластин пористого полупроводника используется микрокристаллический кремний. Поверхность пластин обрабатывается методом электрохимического травления. По определенной схеме наносятся на поверхность пластин микропоры и глухие “колодцы”.

На расчетной глубине в “колодцах” специальным методом лазерной деструкции создаются камеры-расширения, задача которых состоит в увеличении рабочих объемов и фрактальности пор − “колодцев” (рис. 6 и 7). Увеличение рабочих объемов для данного случая составляет 30–40% по сравнению с исходным объемом пор.

Рис. 6.

Изготовление пористого кремния. Сканирующая электронная микроскопия образцов макропористого кремния (имеющих глухие поры, “колодцы”, боковые камеры), полученная методом лазерной деструкции (слева – вид сбоку, справа – вид сверху).

Рис. 7.

Изготовление пористого кремния. Сканирующая электронная микроскопия образцов макропористого кремния (имеющих глухие поры, “колодцы”, боковые камеры), полученная методом лазерной деструкции (слева – вид сбоку, справа – вид сверху).

Следует заметить, что сквозные поры и “колодцы”, как предлагают авторы [18], делать не рекомендуется, поскольку они приводят к снижению прочности полупроводниковой матрицы.

В предлагаемом способе стенки микропор и глухих “колодцев” формируются без потери механической прочности полупроводниковой матрицы и имеют требуемые объем и фрактальность. Размеры пор должны быть достаточными для обеспечения попадания в них радионуклида, например, путем диффузии.

Создание микропор и глухих “колодцев” (с заданными характеристиками камер расширения) позволяет многократно увеличивать активную площадь поверхности полупроводника, покрываемую впоследствии слоем радионуклида, что ведет к существенному увеличению тока генерации и повышению мощности бета-вольтаического полупроводникового генератора (см. рис. 8 и 9).

Рис. 8.

Принцип действия бета-вольтаической полупроводниковой батареи (плоские полупроводниковые пластины). 50% бета-излучения Ni-63 попадает на поверхность Si, и 50% − потери.

Рис. 9.

Принцип действия бета-вольтаической полупроводниковой батареи (наличие микропор и глухих колодцев). Более 90% бета-частиц переходит в Si, менее 10% − потери.

Это связано с тем, что удельные электрические характеристики ячейки бета-преобразователя возрастают пропорционально “запасаемому” полупроводниковой пластиной количеству радионуклида. Поэтому, чем больше площадь поверхности текстурированной пластины, тем больше она “запасет” радионуклида и выше будут электрические характеристики бета-преобразователя.

Дополнительный рост удельной мощности бета-вольтаического генератора регулируется тем, что диаметр, глубина, численность и объем микропор и “колодцев”, количество боковых “камер” в них могут изменяться в направлении максимального повышения поверхности пористого кремниевого полупроводникового материала (и запасания максимально требуемого количества радиоактивного вещества). В зависимости от требований можно получать 2500−3000 пор на площади 1 см².

Глубина залегания “колодцев”, увеличение объемов “колодцев” за счет создания боковых камер в них − существенно влияют на токи генерации. Повышение удельной мощности бета-вольтаического генератора, наряду с оптимизацией глубины залегания “колодцев” в р-слое, достигается также увеличением области пространственного заряда (ОПЗ) в зоне р-n-перехода полупроводника, образующегося в кремниевой матрице.

Для создания структуры с максимальным выходным током необходимо, чтобы ширина области носителей заряда была порядка нескольких микрометров и залегала в области максимальной генерации.

Количественные оценки для кремниевых полупроводниковых пластин показывают, что для формирования структуры с максимальным выходным током необходимо, чтобы ширина пор составляла 20−40 нм, длина − порядка 400−600 нм, с глубиной залегания (в области максимальной генерации ОПЗ) 100−250 нм.

5. НАПРАВЛЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТКИ

Области применения радиоизотопных источников простираются от практически вечных батареек сверхмалых размеров для питания разнообразной портативной техники индивидуального пользования до специализированных робото-устройств и автономных объектов, осуществляющих длительную (до 100 лет) работу в труднодоступных местах (космического, наземного, морского, подводного базирования, и др.).

В их числе:

1) Медицина и здравоохранение:

− имплантируемые электрокардиостимуляторы, нейростимуляторы, бионические протезы, в т.ч. восстанавливающие деятельность головного мозга и центральной нервной системы;

− сенсоры и датчики, контролирующие самочувствие и состояние организма человека, и др.

2) Телекоммуникационная техника:

− системы питания портативных устройств, компьютерных интегральных схем и т.д.

3) Промышленность и инфраструктура:

− датчики контроля стратегически важных объектов: плотины и гидростанции; высотные конструкции; мосты, туннели, транспортные сооружения; трубопроводы, шахтные подземные объекты, и др.;

− системы контроля состояния клапанов (задвижек), газоанализаторы, идентификационные метки и т.д.

В ближайшее время рынок датчиков может стать основным для применения бета-вольтаических источников питания. Базу для этого создает интенсивное развитие беспроводных сенсорных сетей. Перспективная ниша просматривается в области датчиков, встраиваемых на этапе строительства в сложные инженерные сооружения с целью мониторинга их целостности.

4) Космос:

− дополнительное электропитание солнечных батарей в околоземном пространстве; - микроспутники;

− планетные исследования Луны, Марса, астероидов и др.;

− исследование планет дальнего космоса, в т.ч. Юпитера, Сатурна и их спутников.

5) Технические средства оборонного комплекса:

− охранные системы и сенсоры стратегически важных объектов, в том числе государственной границы;

− автономные системы шифрования, радиочастотные активные и пассивные метки;

− компенсаторы саморазряда аккумуляторных батарей пусковых ракетных комплексов;

− датчики контроля доступа;

− глубоководные датчики и роботизированные технические средства;

− беспилотные летательные аппараты;

− космические навигационные спутниковые системы;

− мониторинг состояния военнослужащего;

− электропитание приборов и устройств военнослужащих в полевых условиях.

По зарубежным оценкам, к 2020 г. в мире будет использоваться порядка 18 млрд устройств (индивидуального массового пользования), требующих автономных источников питания с низким энергопотреблением и максимально длительным ресурсом непрерывной работы. Общая потребность в таких источниках оценивается в 9 млрд долларов в год.

Особо следует остановиться на международном военном проекте, инициированном США и союзными странами НАТО в конце 1990-х−начале 2000-х годов. Название проекта “Солдат будущего” (Soldier of the Future).

Смысл проекта заключается в увеличении эффективности и производительности отдельного военнослужащего (солдата в полевых условиях), с использованием технологических достижений XXI-го века.

Военнослужащий в полевых условиях должен быть обеспечен следующими системами: позиционирования и навигации, связи, ночного видения, целенаведения и др. С использованием новейших разработок в области наноматериалов, для солдата создается легкая динамическая броня-экипировка, выполняющая еще и опорные функции экзоскелета. Разрабатывается устройство сложной подсистемы микроклимата для обогрева или охлаждения бойца. Создается система мониторинга психофизиологического состояния военнослужащего, с периодическими замерами температуры тела и кожи, пульса, кровяного давления и других параметров. Состояние солдата будет выводиться на встроенный в шлем дисплей, а так же на встроенный в броню медицинский компьютер, который будет принимать решения о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата (рис. 10).

Рис. 10.

Экипировка военнослужащего XXI-го века.

По заявлениям разработчиков зарубежного проекта “применение современных компактных, наиболее мощных и эффективных источников автономного электропитания в состоянии обеспечивать работу комплекса приборов экипировки военнослужащего лишь в течение одних суток”.

Разрабатываемая в России экипировка воина будущего − “Ратник”, ставит для решения аналогичные задачи. Она предполагает использование военнослужащим в полевых условиях от 10 до 15 разных гаджетов различной сложности и энергоемкости.

В концепцию экипировки “воина будущего” идеально вписываются радионуклидные практически “вечные батарейки” сверхмалых размеров для питания разнообразной портативной техники индивидуального пользования военнослужащего XXI века.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научно-технический прогресс в бурно развивающихся областях микроэлектроники, микроэлектромеханики, информационных и телекоммуникационых технологий – требует разработки принципиально новых источников автономного питания с практически неограниченным ресурсом работы в любых климатических условиях.

Предварительные проработки показывают, что таким требованиям удовлетворяют бета-вольтаические полупроводниковые батареи. Бета-вольтаические преобразователи обладают высокой энергоемкостью (на несколько порядков выше лучших химических источников тока). Эффективно работают в широком диапазоне рабочих температур (от плюс 60°С до минус 120°С) без снижения выходных характеристик. Отсутствие дозиметрических проблем дает возможность массово использовать такие источники питания в любых системах и устройствах нано-, микро- и милливаттного уровня потребляемой мощности, со сроком гарантированного бесперебойного электропитания в диапазоне 10–100 лет (в зависимости от выбора радионуклида).

В настоящее время известны несколько зарубежных компаний, которые разрабатывают опытные образцы бета-вольтаических полупроводниковых батарей в диапазоне нано- и микроваттных мощностей. Однако, по признанию разработчиков, технология создания этих энергоисточников далека от совершенства. Имеется большое количество проблем, которые требуют своего решения.

Научная и технологическая новизна результатов, приведенных в данной публикации, заключается в разработке новых, эффективных методов создания и оптимизации конструкции базового бета-преобразователя, с заведомо лучшими техническими и эксплуатационными характеристиками по сравнению с имеющимися аналогами. В случае успешного внедрения и промышленного освоения разработанных технологий возможен приоритет отечественных специалистов в данной научно-технической области.

Работа выполнена при поддержке РФФИ. Грант № 16-08-00068.