Импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания
Автор: Пчелинцева Екатерина Сергеевна, Новиков Сергей Геннадьевия, Беринцев Алексей Валентинович, Костишко Борис Михайлович
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Физика и электроника
Статья в выпуске: 4-4 т.14, 2012 года.
Бесплатный доступ
В работе проведено моделирование радиацинно-стимулированного источника электрического тока на основе изотопа 63Ni, работающего в импульсном режиме. Моделирование проводилось в системе LTspice IV согласно структурной схеме импульсного радиационно-стимулированного источника тока, включающей в себя инвертор на коммутируемых конденсаторах, импульсный генератор и бетавольтаический элемент питания. При работе схемы в импульсном режиме мощность элемента питания составила около 3,6 мВт.
Бетавольтаический эффект, радиационно-стимулированная генерация тока, моделирование физических процессов
Короткий адрес: https://sciup.org/148201334
IDR: 148201334 | УДК: 537.533.9
Pulsed radiation-induced power source
The present work reports modeling of 63Ni based pulse radiation-induced power source. Modeling has been performed in LTspice IV system according to the structure chart of pulse radiation-induced power source that comprises inventor based on switched capacitors, pulse oscillator, and betavoltaic cell. Cell power is 3,6 mW for operating circuit in pulsed modes.
Текст научной статьи Импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания
тарей питания варьируются от нескольких (147Pr) до ста лет (63Ni) [3]. На основе радиоизотопных источников питания возможно создание гибридного источника тока или напряжения с элементами накопления заряда, работающего в импульсном режиме.
-
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ
Предлагаемый импульсный радиационно-стимулированный источник тока, основанный на использовании энергии радиоактивного распада различных изотопов, содержит первичный преобразователь на основе полупроводниковой структуры с p-n-переходами с нанесенным на его поверхность изотопом 63Ni, испускающим бета электроны с широким энергетическим спектром, а также устройство преобразования постоянного напряжения первичного источника в переменное, умножитель напряжения и импульсный генератор. Структурная схема источника приведена на рис. 1.
Электрическая принципиальная схема импульсного радиационно-стимулированного источника питания приведена на рис. 2, где блок 1 представляет собой инвертор на коммутируемых конденсаторах, блок 2 – умножитель напряжения, блок 3 – импульсный генератор с низковольтным питанием.
Представленная схема работает следующим образом. Под воздействием бета-электронов испускаемых источником 63Ni в области пространственного заряда (ОПЗ) генерируются электронно-дырочные пары, а за счет встроенного электрического поля в ОПЗ происходит разделение заряда, таким образом на входе Х1 и Х2 образу-
Рис. 1. Структурная схема импульсного радиационно-стимулированного источника питания
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема импульсного радиационно-стимулированного источника питания
ется контактная разность потенциалов. Если задействовать блоки 1 и 2, то такой режим на выходах Х5 и Х6 позволяет получить преобразование импульсного низкого напряжения в высокое постоянное напряжения, а если блоки 1 и 3 то на выходе Х3 и Х4 радиационно-стимулированного источника импульсы тока амплитудой до сотен миллиампер. Переключение режима работы импульсного источника тока осуществляется ключом SW1.
Для моделирования работы импульсного импульсного радиационно-стимулированного элемента питания использовались экспериментальные данные, полученный в ОАО ГНЦ «НИИ Атомных реакторов», по определению генерации тока на кремниевых диодах с применением изотопа 63Ni различной активности [4-5].
Моделирование работы элемента питания в импульсном режиме проводилось в системе LTspice IV согласно структурной схеме импульсного радиационно-стимулированного источника тока. При моделировании импульсного радиационно-стимулированного источника тока использована батареи из 1000 элементов включенных последовательно и парал- лельно с общей площадью p-n-переходов около 1000 см2.
В конструкции импульсного радиационно-стимулированного источника тока в соответствие со схемой удалось достигнуть увеличения выходного импульсного тока до значения 200 мА (рис. 3), импульса напряжения до значения 180 мВ (рис. 4), с длительностью импульса до 2 мс и частотой повторения порядка 800 Гц.
-
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конструктивно, предлагаемый импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания с применением бета-источника 63Ni активностью 40 мКи может представлять собой герметичный корпус с выведенными наружу клеммами для подключения полезной нагрузки с небольшими габаритными размерами, временем работы более 50 лет и мощностью около 3,6 мВт.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.
Рис. 3. Импульс тока на выходе автономного источника импульсного электрического питания
|
180mV 1 йП«п\/ ___________________ 16 0mV |
V(n |
07) |
|||||||||
|
14 0mV 19Пт\/ ______________ 12 0mV |
|||||||||||
|
-1 fl firn \/ _____________________________ 10 0mV |
|||||||||||
|
О П т\ / _________________ |
|||||||||||
|
80mV К fl т\ / ___________________ 60mV |
|||||||||||
|
Л ___________________ |
|||||||||||
|
40mV 20mV |
|||||||||||
|
0mV -20mV 0ms 4 |
ms 8 |
ms 12 |
ms 16 |
ms 20 |
ms |
24 |
ms 28 |
ms 32 |
ms |
36 |
ms 40m |
Рис. 4. Импульс напряжения на выходе автономного источника импульсного электрического питания
Список литературы Импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания
- Wang, Z.L. Song J. Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays//Science. 2006. V.312. P. 243.
- RF Energy Harvesting with Multiple Antennas in the Same Space/M. Mi [et al.]//IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2005. V. 47. N. 5. P. 100-105.
- Guo H., Lal A. Nanopower betavoltaic microbatteries//The 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (Boston, 2003). Boston, 2003. P. 36-39.
- Пчелинцева Е.С. [и др.] Моделирование радиационно-стимулированного источника тока на pin структурах//Известие вузов. Поволжский регион. 2009. №3(11). С.113-125.
- Пчелинцева Е.С. [и др.] Радиационно-стимулированный источник энергии на основе изотопа никель-63//ВАНТ. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011. Вып. 1. С.65-69.
