НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут ядерних досліджень

Коваленко Олександр Васильович

УДК 621.384.6

ІОНІЗАЦІЙНІ ТА ЕНЕРГЕТИЧНІ ПРИЛАДИ

НА ОСНОВІ РАДІОІЗОТОПУ ТРИТІЮ

01. 04. 16. – „Фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на науково-технічній базі тритієвої лабораторії 1 класу Спеціального конструкторсько-технологічного бюро з експериментальним виробництвом (СКТБ з ЕВ) та лабораторії фізико-технічних проблем джерел ядерного випромінювання відділу ядерної фізики ІЯД НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

Коломієць Микола Федорович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

завідувач лабораторією фізико-технічних проблем

джерел ядерних випромінювань відділу ядерної фізики.

Офіціальні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Применко Георгій Іванович,

фізичний факультет, Київський національний

університет імені Тараса Шевченка.

кандидат технічних наук,

Грінченко Геннадій Петрович,

державне підприємство Національна атомна

енергогенеруюча компанія „Енергоатом ”,

заступник директора відокремленого підрозділу

„Науково-технічний центр ”.

Провідна установа: Інститут електронної фізики НАН України (м. Ужгород).

Захист відбудеться „_13 ” _березня___ 2007 р. о _1415__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м. Київ, проспект Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України, 03680, м. Київ, проспект Науки, 47.

Автореферат розісланий 08 лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціальної вченої ради,

кандидат технічних наук __________ Томчай С.П.

ЗАгальна характеристика роботи

Актуальність теми. Після створення РЛС міліметрового і особливо субміліметрового діапазонів електромагнітних хвиль для бортових навігаційних систем, коли розміри НВЧ-розрядників суттєво зменшились і застосування уже розроблених твердих тритієвих джерел початкової іонізації стало неефективним, а в ряді випадків, неможливим, актуальною стала проблема створення автономних мініатюрних джерел початкової іонізації. Причому джерела початкової іонізації повинні виконувати свої функції навіть коли РЛС виключена тому, що антенний комутатор повинен захищати надчутливі елементи приймача від активних перешкод та електромагнітних імпульсів. Ця проблема, на наш погляд, була вирішена завдяки проведеним у даній роботі дослідженням, що пов’язані із застосуванням метало-тритієвих структур в поєднанні з каналовими помножувачами електронів та мікроканальними пластинами, а також зустрічних голкоподібних метало-тритієвих електродів, розміщених у зоні розрядного проміжку. Джерела початкової іонізації на основі тритію для НВЧ-розрядників міліметрового та субміліметрового діапазонів хвиль, що створені нами, показали високу ефективність, але потребували електричного живлення міліватної потужності.

Тому стала актуальною проблема створення автономного джерела електричного струму для живлення таких джерел початкової іонізації. Причому, крім автономності такі джерела струму повинні мати високу надійність, тривалий термін служби в умовах підвищених механічних, кліматичних та радіаційних впливів. Такі джерела електричного струму необхідні також для використання і в інших галузях (наприклад, на космічних апаратах, в автономних радіомаяках, електрокардіостимуляторах і т. і.).

Однією з основних проблем радіоізотопної енергетики є правильний вибір радіоактивного палива. Визначальними при цьому стають наступні характеристики палива - період напіврозпаду, тип і схема розпаду, оскільки від цих параметрів залежать термін служби, питома потужність, потужність дози іонізуючого випромінювання. Тривалість автономної роботи приладів лежить звичайно в межах від декількох місяців до декількох десятків років, тому з більш 1500 відомих до теперішнього часу радіоактивних ізотопів варто обмежитися такими, період напіврозпаду яких знаходиться в межах 100 днів - 100 років. З усього цього різноманіття реально використовуються як паливо у вітчизняних джерелах електроенергії в основному 90Sr (Т1/2=27,7 років, Е?=0,546 МеВ) і 238Pu (Т1/2=87,74 роки, Е?=5,5 МеВ). Основним недоліком такого палива є висока проникаюча здатність його випромінювання, що обумовлює необхідність вживання спеціальних заходів біологічного захисту, що в свою чергу знижує питомі характеристики радіоізотопних джерел електрики. Унікальні фізико-хімічні властивості тритію, висока питома активність (3,59.1014 Бк/г), дешевизна, простота одержання і невисока радіаційна токсичність, прийнятний період напіврозпаду (12,3 роки), невисока енергія ?-електронів (максимальна 18,6 кеВ, середня 5,7 кеВ) дозволяють ефективно його використовувати як паливо радіоізотопних джерел електричної енергії. Тому використання тритію у якості радіоактивного палива відкриває нові перспективи для створення більш ефективних джерел електричної енергії.

У даній роботі ми провели ряд досліджень і розробок, які стосуються створення і оптимізації фізико-технічних характеристик високоефективних автономних іонізаційних та енергетичних приладів, що використовують енергію ?-випромінювання тритію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботи, висвітлені в розділах 1,2,3 даної дисертації виконувались в рамках НДР і ДКР Спеціального конструкторсько-технологічного бюро з експериментальним виробництвом (СКТБ з ЕВ) та лабораторії фізико-технічних проблем джерел ядерного випромінювання відділу ядерної фізики (ЛФТПДЯВ ВЯФ) ІЯД НАН України.

Побудова і виконання досліджень проводилась на науково-технічній базі тритієвої лабораторії 1 класу СКТБ з ЕВ та ЛФТПДЯВ ВЯФ ІЯД НАН України.

До виконання НТР і ДКР залучалися співвиконавці: Санкт-Петербурзький фізико-технічний інститут ім. А. Ф. Йоффе; Чернівецький держуніверситет; Київський держуніверситет ім. Т.Г. Шевченко; НВО „ГРАН” (м. Владикавказ); Інститут металофізики НАН України; Інститут фізики напівпровідників НАН України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка фізичних та фізико-технічних основ, що націлені на створення високоефективних та надійних мініатюрних автономних джерел початкової іонізації для антенних комутаторів РЛС міліметрового і субміліметрового діапазонів і джерел електричного струму, принцип дії яких пов’язаний з використанням енергії ?-випромінювання тритію.

Для реалізації мети роботи було визначено наступні задачі:

1) експериментально дослідити можливості застосування метало-тритієвих структур в поєднанні з каналовими електронними помножувачами (КЕП) та мікроканальними пластинами (МКП) в джерелах початкової іонізації НВЧ-розрядників РЛС міліметрового та субміліметрового діапазону хвиль;

2) провести експериментальні дослідження, що пов’язані із застосуванням зустрічних голкоподібних метало-тритієвих електродів для створення необхідної густини зарядів у зоні розрядного проміжку НВЧ-розрядників;

3) провести аналіз існуючих методів перетворення енергії ядерних випромінювань у електроенергію та провести розрахунки і визначити оптимальні напрямки вирішення проблеми створення радіоізотопного тритієвого джерела електричного струму у міліватному діапазоні електропотужності;

4) дослідити і оптимізувати можливості створення тритієвого джерела електроенергії на основі площинного діода Шотткі;

5) дослідити і оптимізувати можливості застосування площинних тонкоплівкових напівпровідникових гетероструктур для перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію;

6) дослідити і оптимізувати методи перетворення енергії ?-випромінювання тритію з використанням гідрогенізованого аморфного кремнію;

7) дослідити та розробити методи заміщення протію тритієм у гідрогенізованому аморфному кремнії -Si:H методом низькоенергетичної імплантації тритію;

8) дослідити та розробити методи термоіонного отримання тонких плівок гідрогенізованого аморфного кремнію;

9) дослідити методом іонної імплантації з наступним відпаленням температурні залежності питомого опору гідрогенізованого аморфного кремнію, вирощеного методом газофазного осадження при розкладанні силана, дегідрогенізованого і постгідрогенізованого аморфного кремнію.

Об’єкт дослідження. Фізико-технічні характеристики джерел початкової іонізації та напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію.

Предмет дослідження. Тритієві джерела початкової іонізації НВЧ-розрядників та радіоізотопні джерела електричного струму на основі тритію.

Методи дослідження. Для вимірювання фізико-технічних характеристик джерел початкової іонізації та напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію були використані радіометричні та електрометричні методи.

Для визначення основних електрофізичних характеристик напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію використовували електрометричні чотиризондовий і двозондовий методи вимірювання та метод „опору розтікання”.

Для нанесення плівок сорбційно активних матеріалів на напівпровідникові структури використовували методи термоіонного випаровування в високому вакуумі. Застосування цього методу для випаровування кремнію в атмосфері водню дозволило отримати плівки гідрогенізованого аморфного кремнію.

Методом низькоенергетичної іонно-пучкової імплантації іонів протію та дейтерію в напівпровідникові матеріали експериментально доведено ефективність застосування цього методу для гідрогенізації аморфного кремнію a-Sі:H. Розподіл іонів по глибині a-Sі:H перевірено методом вторинно-іонним мас спектрометром (ВІМС).

Методом прямого термічного гідрування сорбційно активних шарів перетворювачів були отримані перетворювачі енергії радіоактивного розпаду тритію типу діода Шотткі.

Наукова новизна одержаних результатів. 1. Вперше створено тритієві джерела початкової іонізації на основі КЕП, що дало можливість досягти густини потоку заряджених частинок в області розрядного проміжку 1011 см-2.с-1, яка є достатньою для надійного захисту вхідних надчутливих елементів приймача РЛС.

2. Вперше створено та досліджено джерело початкової іонізації з розмноженням електронів у МКП та визначено, що МКП на основі кераміки найбільш стабільні, однак для МКП існує проблема автономності, оскільки потребує джерела прискорюючої напруги 200-400 В.

3. Запропоновано, створено та досліджено конструкцію тритієвого джерела початкової іонізації у вигляді зустрічних голкоподібних електродів з нанесеним на конічні поверхні шаром тритіду титану, що дало можливість досягти густину потоку заряджених частинок у розрядному проміжку більше 1011 см-2.с-1, що є достатньою для застосування цієї конструкції у антенних перемикачах РЛС міліметрового і субміліметрового діапазонів.

4. Проведено розрахунки та визначено, що при створенні радіоізотопних джерел у міліватному діапазоні електропотужностей найбільш оптимальним є перетворення енергії ?-випромінювання тритію кремнієвими напівпровідниковими випрямляючими структурами, оптимізація яких зводиться до зменшення зворотних струмів насичення та максимального збільшення струму короткого замикання.

5. Встановлено, що для збільшення висоти бар’єра і зниження густини зворотних струмів насичення тритієвих джерел струму на основі площинних діодів Шотткі є необхідність застосування металу-сорбенту скандію. Максимальна висота бар’єра скандій ? р-кремній складала 0,8 еВ.

6. Встановлено можливість створення ефективних перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію на основі тонкоплівкових поверхнево-бар'єрних структур p-Cu1,8S/n-ZnxCd1-xS/n-CdS з убудованим в область просторового заряду (ОПЗ) p-n-гетероперехода варізонним прошарком типу n-ZnxCd1-xS.

7. Досліджено та оптимізовано параметри низки напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію з використанням гідрогенізованого аморфного кремнію.

8. Експериментально доведено можливість гідрогенізації площинних аморфних кремнієвих структур методом низькоенергетичної імплантації ізотопів водню з послідуючим низькотемпературним відпалюванням, що розширює технологічні можливості створення високоефективних тритієвих батарей.

9. Розроблено та досліджено площинні діоди Шотткі на метал-гідрогенізованому аморфному кремнії, нанесеному методом термоіонного напилення в атмосфері водню.

10. Досліджено температурні залежності питомого опору плівок гідрогенізованого аморфного кремнію, вирощеного методом газофазного осадження при розкладанні силану і потім дегідрогенізованого і постгідрогенізованого методом іонної імплантації з наступною низькотемпературною вакуумною обробкою.

Практичне значення одержаних результатів. З використанням результатів представлених досліджень можливе застосування тритієвих джерел початкової іонізації на основі КЕП та у вигляді системи зустрічних голкоподібних електродів з тритідом титану на конічних поверхнях, які забезпечують густину потоку заряджених частинок 1011 см-2.с-1, що достатньо для надійного автономного захисту входу приймача РЛС від силових перешкод аж до міліметрового і навіть субміліметрового діапазонів хвиль. Перевагою їх є можливість електричного керування густиною потоку електронів, а значить і рівнем спрацьовування захисту приймача від граничного рівня очікуваної силової перешкоди.

Перетворювачі ?-випромінювання на основі гетероструктур типу p-Cu1,8S/n-ZnxCd1-xS/n-CdS, що містили тонкий (~0,2 мкм) приповерхневий варізонний прошарок, можуть розвивати питому корисну потужність 6,9 нВт/см2. Тонкоплівковий варіант виконання таких перетворювачів і джерел ?-випромінювання, дозволяє збільшити корисну потужність, віднесену до одиниці об’єму і ваги батареї, у кілька десятків разів.

Запропоновані конструкції джерел струму на основі монокристалічного і аморфного кремнію з тритієм в металевих електродах і в самому напівпровіднику можна використовувати для живлення малопотужних пристроїв і приладів, наприклад, в автономних джерелах початкової іонізації розрядників антенних комутаторів. У перспективі вони можуть стати основою створення елементної бази нового покоління з автономним живленням окремих мікросхем.

Установка іонно-пучкової низькоенергетичної імплантації іонів ізотопів водню дозволяє гідрогенізувати аморфний кремній з наступною низькотемпературною дифузію у вакуумі.

На захист виносяться:

1. Конструкція та результати експериментальних досліджень фізико-технічних характеристик джерел початкової іонізації НВЧ розрядників РЛС міліметрового та субміліметрового діапазонів хвиль на основі метало-тритієвих структур поєднаних з КЕП та МКП і джерело початкової іонізації утвореного двома зустрічними голкоподібними електродами з тритідом титану на конічних поверхнях;

2. Конструкція та результати експериментальних досліджень фізико-технічних характеристик напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію типу діодів Шотткі TiТ - р-Si, ScТ - р-Si;

3. Результати розрахунків та експериментальних досліджень фізико-технічних характеристик і конструкція площинних перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію типу діодів Шотткі на основі гідрогенізованого аморфного кремнію ?-Si-H, титан-фосфіду галію, титан-телуриду кадмію, тонкоплівковиих поверхнево-бар'єрних структур на основі широко-зонних сполук А2В6 і їхніх твердих розчинів з убудованим в область просторового заряду p-n-гетероперехода варізонним прошарком;

4. Результати експериментальних досліджень фізичко-технічних характеристик перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію на основі багатошарових плівкових p-i-n структур аморфного кремнію;

5. Конструкція установки низькоенергетичної імплантації іонів ізотопів водню та результати експериментальних досліджень їх імплантації в напівпровідникові структури з наступною низькотемпературною дифузію у вакуумі.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в: 1) підготовці, проведенні та обробці даних в усіх експериментах, на базі яких було отримано результати дисертації;

2) створенні технологічних методик виготовлення експериментальних зразків тритієвих джерел початкової іонізації та перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію різноманітних типів і їх здійсненні;

3) створенні експериментальної установки для здійснення методу низькоенергетичної імплантації ізотопів водню;

4) виконанні досліджень фізико-технічних характеристик тритієвих джерел початкової іонізації і перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію та оптимізації цих характеристик.

5) здійсненні розрахунків і оптимізації фізико-технічних характеристик автономних перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію в електроенергію.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, представлені в дисертації, доповідались та обговорювались на шести конференціях та семінарах: 8-й Міжнародній Кримській конференції „СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, 1998 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Приладобудування-98” (Сімферополь 1998 р.); Міжнародному науковому семінарі „Российские технологии для индустрии” (Санкт-Петербург, 2000 р.) на семінарах відділу ядерної фізики ІЯД НАН України „Установка низькоенергетичної імплантації ізотопів водню лабораторного та промислового призначення ” (ІЯД НАН України, 2005 р.) та „Іонізаційні та енергетичні прилади на основі радіоізотопу тритію”(ІЯД НАН України, червень 2006 р.); на об’єднаному семінарі відділів ядерної фізики та ядерної спектроскопії „Іонізаційні та енергетичні прилади на основі радіоізотопу тритію” (ІЯД НАН України, липень 2006 р.)

Публікації. Основні результати, представлені в дисертації, опубліковані в 9 роботах, з них 1 препринт [1], 4 публікації в реферованих журналах [3-5, 9], 3 – в матеріалах міжнародних конференцій [2, 6, 8], 1 – в матеріалах міжнародного наукового семінару [7]. Всі публікації виконано у співавторстві, внесок здобувача вказано вище.

Структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, три розділи, висновки, список використаних джерел, що містять 95 найменувань. Обсяг дисертації складає – 138 сторінок тексту, включаючи 47 рисунків, 3 таблиці та список використаних джерел.

основний зміст роботи

У вступі висвітлено актуальність теми, визначено мету і задачі роботи, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, відмічено особистий внесок здобувача.

У першому розділі дисертації розглянуто важливість проблеми створення мініатюрних, автономних та надійних джерел початкової іонізації для НВЧ-розрядників РЛС міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль, а також методи побудови та підходи до оптимізації їх основних фізико-технічних характеристик. Акцентовано увагу на механізми створення потоку іонізуючих частинок та запропоновані нами технічні рішення підвищення коефіцієнту помноження. Проведений комплексний аналіз властивостей КЕП та МКП: характеристик емітерів, конструкційних матеріалів для їх виготовлення, вольт-амперних характеристик. Детально розглянуті експериментальні установки для макетних досліджень тритієвих джерел початкової іонізації з використанням КЕП, МКП та голкоподібних зустрічних електродів. Аналізуються переваги та обмеження застосування різних типів джерел початкової іонізації. Підкреслено, що з використанням результатів представлених досліджень застосування тритієвих джерел початкової іонізації можливе в розрядних пристроях міліметрового i, навіть, субміліметрового діапазонів хвиль.

Для збільшення густини потоку електронів джерел початкової іонізації до необхідної величини 1011см-2 с-1 і, тим самим, розширення діапазону тисків газової суміші розрядників до (8-16).103 Па нами було вперше запропоновано та досліджено можливості використання метало-тритієвих структур у поєднанні з КЕП. В таких джерелах початкової іонізації коефіцієнт помноження в значній мірі визначається калібром пристрою (відношенням довжини каналу до його діаметра), а також викривленням каналу. Для використання помножувачів при таких тисках газової суміші необхідно зменшити шлях іонізуючих частинок в газовому середовищі. Тобто, для досягнення ефекту помноження необхідно, щоб високоенергетичні ?-електрони тритію слабко взаємодіяли з газом, віддаючи на початку шляху свою енергію в основному при пружних співударяннях. В той же час для підвищення коефіцієнту помноження необхідно збільшення калібру КЕП. На основі цього задача створення джерел початкової іонізації зводиться до оптимізації довжини пробігу заряджених частинок у газі, калібру помножувачів та прискорюючої напруги.

Наявні в нашому розпорядженні КЕП мали порогову прискорюючу напругу, нижче якої розмноження електронів неможливе. Для ВЕП-6 ця напруга складала біля 800 В, тому порогова напруженість поля в них становила 100-120 В/см, і для зниження прискорюючої напруги необхідно йти шляхом скорочення КЕП. Тому особливу увагу було приділено каналовим помножувачам довжиною 10 і 20 мм (тобто, ВЕП-10 і ВЕП-20), діаметром каналу 1,25 мм і конічним розширенням на вході з площею вхідного отвору розтруба біля 1 см2. Такі КЕП дають змогу збирати ?-електрони з великої площі і пропускати їх через малий переріз каналу.

Для вирішення задач початкової іонізації розрядного проміжку розрядників у міліметровому діапазоні хвиль достатнім є досягнення вихідних струмів електронів каналових помножувачів близько (2-5).10-10 А.

Запропоноване нами технічне рішення, що ґрунтується на збиранні ?-електронів із поверхні випромінювача з подальшим їх пропуском через каналовий помножувач із малою площею перерізу, можна реалізувати різними методами, наприклад, розмістивши джерело ?-електронів у вигляді диску на вході КЕП або на конічній поверхні голкоподібного випромінювача (з наступним введенням випромінювача в середину каналу). Остання конструкція має багато можливостей для оптимізації, наприклад, зміною місця знаходження випромінювача в каналі, величини прискорюючої напруги, кута при вершині конуса.

На рис. 1. схематично представлено таке технічне рішення. В прямоканальний помножувач електронів із конічним розширенням на вході введений в середину каналу голкоподібний стержень з тритідом титану на конічній поверхні. Плівка з великим коефіцієнтом вторинно-електронної емісії нанесена як на внутрішній так і на зовнішній поверхнях КЕП. Електроди, виконані за допомогою електропровідного клею.

Сутність такого технічного рішення полягає в об'єднанні трьох механізмів створення потоку іонізуючих частинок: 1) випромінювання ?-електронів тритієм; 2) випромінювання електронів із області несамостійного газового розряду в електричному полі конічного голкоподібного електрода; 3) випромінювання вторинних електронів розмножених у каналовому помножувачі. Це технічне рішення допускає можливість підсилення одного, або двох із цих механізмів, а також послаблення, або виключення взагалі якогось із цих трьох механізмів.

Результати експериментів, що дозволяють зробити висновки про можливість застосування вказаних джерел початкової іонізації у міліметровому діапазоні хвиль при відповідній оптимізації випромінювача та його положення в каналі представлені на рис. 2.

Так, розміщений на виході ВЕП-10 на основі свинцевосилікатного скла при тиску повітря 10640 Па і прискорюючій напрузі 200 В голкоподібний випромінювач з площею тритіду титану значно меншою, ніж у пластинчатому (майже на порядок), дозволяє отримати більший струм колектора рівний 2.1011А. З урахуванням того, що внутрішній діаметр ВЕП складає 1,25 мм густина струму колектора рівна 1,6.109А/см2. Таке джерело електронів може створити в області розрядного проміжку (на відстані 1 мм від виходу ВЕП-10) густину потоку заряджених частинок 1.1010 см-2.с-1, що з врахуванням більшого коефіцієнта іонізації для аргоно-водневого газового середовища реальних пристроїв буде у 1,5 рази вища.

Друге запропоноване нами технічне рішення підвищення коефіцієнту помноження - збільшення калібру КЕП при зменшенні довжини пробігу іонізуючих частинок в газовому середовищі. Це можливо при використанні мікроканальних пластин МКП. При діаметрі одного каналу МКП (10-20) мкм прозорість пластин складає біля (50-70)% тому, щоб отримати перевагу, необхідно досягти величин коефіцієнту помноження десь в 2 рази більшого, ніж в одноканальному ВЕП. Можливість досягнення цього є, оскільки калібр каналу МКП становить 20-100 і більше, а довжина пробігу ?-електронів у газі при тиску 104 Па набагато більша товщини МКП (біля 1 мм).

Досліджені нами вольт-амперні характеристики джерела початкової іонізації з МКП при тиску Р=8000 Па мали низьку ефективність розмноження електронів у таких умовах. Відомо, що матеріали МКП мають більш високий питомий опір, ніж матеріали КЕП, мабуть, тому існує досить високе порогове значення прискорюючої напруги, нижче якого ефект розмноження непомітний на рівні фону. При підвищенні напруги для досягнення необхідних величин струмів підпалюється самостійний розряд. МКП на основі кераміки в порівнянні з іншими мають значну перевагу у цих режимах. Застосування таких матеріалів може привести до зменшення прискорюючої напруги, крім того, пристрої на основі титанату барію або цинку мають кращу стабільність параметрів і термостійкість. Але навіть за умови переходу до більш ефективних матеріалів не зникне проблема автономності пристрою, оскільки необхідно було б створити джерело прискорюючої напруги (200-400) В.

З метою зниження прискорюючої напруги, нами було запропоноване та досліджене джерело початкової іонізації у вигляді системи зустрічних голкоподібних електродів з тритідом титану на конічних поверхнях. В такому джерелі заряди збираються з поверхні, площа якої набагато більша поперечного перерізу розрядного проміжку при значно менших напругах. На рис. 3. схематично зображена експериментальна установка, що включає розміщені в іонізаційній камері з контрольованим напуском газу два голкоподібні електроди, на конічну поверхню яких нанесено тритід титану. Для визначення площі перерізу пучка заряджених частинок у такому джерелі початкової іонізації між голкоподібними електродами розміщувався непрозорий для ?-випромінювання металевий екран з отвором O=0,04 см. На рис. 4 наведені вольт-амперні характеристики такого джерела початкової іонізації із заземленим та незаземленим екраном. Видно, що при напрузі 25 В іонізаційний струм через отвір у незаземленому екрані складає 2.10-10 А, а густина струму 1,6.10-7 А/см2, що відповідає густині потоку заряджених частинок 1012 см-2.с-1. Із заземленим екраном, що досить точно моделює розрядний проміжок, відтворюючи процес "захвату" заземленими електродами деяких із заряджених частинок, іонізаційний струм при напрузі 25 В складає 7.10-11 А і густина струму 5,6.10-8 А/см2. Густина потоку заряджених частинок через отвір у заземленому екрані складає 3,5.1011 см-2.с-1, що достатньо для перекриття всього міліметрового діапазону хвиль.

Тобто, проблема створення джерел початкової іонізації для радіотехнічних приладів міліметрового діапазону може бути вирішена за допомогою такої конструкції при досить низьких напругах живлення.

Однак, повної автономності такі джерела початкової іонізації не мають, тому в наступних розділах приведені результати досліджень, де нами був проведений цикл робіт, направлених на створення автономного радіоізотопного джерела електроенергії на основі тритію з використанням енергії його ?-випромінювання та перетворення її в електричну.

У другому розділі наведено детальний аналіз існуючих методів перетворення енергії випромінювання радіоактивного розпаду: теплових (електродинамічні, термоемісійні, термоелектричні) та не теплових джерел постійного струму (з прямим збиранням зарядів, з подвійним перетворенням енергії, заснованих на вторинній електронній емісії, контактній різниці потенціалів і p-n-переході). Аналізуються переваги та обмеження застосування цих методів у міліватному діапазоні потужностей. Більш детально розглянуті джерела електроенергії на основі тритію. Акцентовано увагу на актуальність досліджень та перспективність застосування напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію в полі p-n-переходу чи бар’єру Шотткі. Детально аналізуються напівпровідникові матеріали та характеристики енергоносія ?-випромінювання тритію. Наведено розрахунки та результати експериментальних досліджень перетворювачів енергії радіоактивного розпаду тритію на основі площинних діодів Шотткі з титаном на монокристалічному р-кремнії та гідрогенізованому аморфному кремнії. Акцептовано увагу на те, що найбільшу питому потужність перетворювача енергії можна отримати при внутрішньому розташуванні тритію в енергоперетворюючому середовищі, наприклад методом імплантації. Обґрунтовано методи оптимізації параметрів перетворювачів енергії на основі діодів Шотткі та p-n-переходів.

Найбільш перспективним джерелом постійного струму міліватної потужності на основі перетворювачів енергії радіоактивного розпаду тритію, з огляду на літературні дані, імовірно, слід вважати джерела з використанням напівпровідникових перетворювачів енергії, що мають поле p-n-переходу чи бар'єра Шотткі для поділу носіїв зарядів.

Тритій має високу питому активність, що дозволяє використовувати його в електродах напівпровідникових перетворювачів енергії у вигляді тонких плівок гідридів титана, цирконію, скандію й ін. з високою питомою активністю, яка становить, наприклад, для тритід титану 7,4.109 Бк/см2. Тритієве джерело випромінювання обумовлює специфічні вимоги до напівпровідникового перетворювача: він повинен містити мілко залягаючий p-n-перехід з максимально тонким верхнім не фото-чутливим шаром; характеризуватися малими втратами за рахунок поверхневої рекомбінації. У той же час довжина фото-активної області (область просторового заряду (ОПЗ) плюс довжина дрейфу неосновних носіїв) повинна бути достатньою для ефективного збирання генерованих носіїв.

З аналізу літературних даних робіт випливає, що у випадку зовнішнього розміщення тритію відносно енергоперетворюючого середовища (у вигляді плівки тритіда металу) характеристики джерела струму визначаються в основному характеристиками енергоперетворюючого середовища і сорбенту тритію. Для титана чи скандію на монокристалічному кремнії з мінімальною товщиною пластин 0,01 см ? максимальна питома потужність Рmax = 12.10-6 Вт/см3, а при використанні р-і-n – діодів ? 24.10-6 Вт/см3. При використанні аморфного кремнію є можливість зменшити товщину окремого елемента до декількох мікрометрів, тобто цей основний показник може бути збільшений як мінімум на порядок ? 200.10-6 Вт/см3. При внутрішньому розташуванні тритію в енергопертворюючому середовищі максимально досяжна питома потужність окремого елемента батареї складає ? 1,5.10-6 Вт/см2, а для батареї з товщиною елементів 0,01 см ? 150.10-6 Вт/см3 і при використанні р-і-n – діодів ? 300.10-6 Вт/см3. Такі показники не задовольняли вимогам, що пред’являються до тритієвих джерел струму „замовником”, тому нами були розглянуті шляхи їх оптимізації.

Оптимізація перетворення енергії ?-випроміню-вання тритію в окремо взятих кремнієвих структурах зводиться до зменшення густини зворотного струму насичення jнас та максимального збільшення густини струму короткого замикання jк.з. Збільшення jк.з. мож-ливе при внутрішньому розміщенні енергоносія в напівпровідниковому перетворювачі енергії, або збільшенні випромінюючої поверхні при зовнішньому розміщенні енергоносія, та зменшенні товщини непродуктив-ного прошарку, що відділяє енергоносій від енергоперетворювача, де ?-випромінювання поглинається, не вносячи добавки в струм у зовнішньому колі. Заміна p-n-переходу бар’єром Шотткі виключає наявність такого прошарку.

Напруга зсуву, прикладена в прямому напрямку до діоду Шоткі визначається виразом

,

де n ? коефіцієнт якості діода (фактор ідеальності); k ? постійна Больцмана; Т ? абсолютна температура; e ? елементарний заряд. Для кімнатної температури величина . Тобто, jк.з визначена питомою активністю радіоактивного матеріалу і може бути збільшена зменшенням енергії народження пари носіїв, що, взагалі кажучи, дуже проблематично, тому практично єдиною можливістю збільшення Uxx джерела, рівної Uс є зменшення jнас при сталості jк.з..

Для одержання значень ЕРС джерела, порівнянних з опублікованими в наукових публікаціях, наприклад, 0,2 В при jк.з.=1.10-6 А/см2, jнас не повинна перевищувати величину

.

Тобто, обмежившись мінімально допустимим значенням Uхх=0,2 В, маємо, що jк.з. повинна бути більше jнас як мінімум, на 3 порядки. Звідси вимоги для висоти бар'єра Шотткі ?б:

.

де А**- модифікована постійна Річардсона. Нами обраний монокристалічний кремній р-типу, так як модифікована постійна Ричардсона для p-кремнію майже в 4 рази менша, ніж для n-кремнію.

Це ідеалізована картина, і наблизитися до неї можна лише в тому випадку, якщо ширина бар'єра буде дорівнювати максимальній довжині пробігу ?-електронів тритію в напівпровіднику, а довжина дрейфу нерівноважних носіїв буде не меншою ширини бар’єра.

У ході наших експериментів насичувалися тритієм титанові і скандієві плівки, які утворюють бар'єр Шотткі з p-кремнієм з питомими опорами 1 кОм.см, 10 Ом.см, 1 Ом.см. Довжина максимального пробігу ?-електронів у кремнії складає 2,6.10-4 см. Такого ж порядку ширина бар'єра L у титана і скандію на 10-омному p-кремнії L =2,7.10-4 см.

Густину струму короткого замикання, близьку до розрахункового значення jк.з.=1.10-6 А/см2, вдалося одержати в джерелах, що представляють собою насичені тритієм титанові плівки на 10-омному p-кремнії. Отримані нами результати дозволяють стверджувати, що узгодження довжини пробігу ?-електронів із шириною бар'єра оптимізує джерела електроенергії по струму короткого замикання. Однак, великі густини зворотних струмів насичення не дозволили одержати в цих джерелах прийнятних величин напруги холостого ходу і ККД перетворення.

Одною із можливостей збільшення висоти бар'єра і зниження густини зворотних струмів насичення є заміна металу-сорбенту титану скандієм. Для визначення оптимальних температурних режимів прогріву бар’єрів Шотткі скандій - р-кремній в технології насичення тритієм скандію зразки нагрівались при різних температурах у вакуумі. Динаміку зміни, при цьому, їх типових параметрів можна простежити по таблиці 1.

Таблиця 1

Типові параметри бар’єрів Шотткі Sc - p-Si після прогріву.

№ зразка | Температура прогріву, К

423 | 643 | 753

Jк.з..10-6,

А/см2 | Uхх.10-3,

В | ?б,

В | Jк.з..10-6,

А/см2 | Uхх.10-3,

В | ?б,

В | Jк.з..10-6,

А/см2 | Uхх.10-3,

В | ?б,

В

1 | 3,75 | 54 | 0,76 | 5,1 | 55 | 0,75 | 5,38 | 0,38 | 0,59

2 | 3,13 | 41 | 0,75 | 4,2 | 65 | 0,80 | 5 | 0,5 | 0,6

3 | 2,64 | 50 | 0,76 | 3,9 | 49 | 0,75 | 4,4 | 0,52 | 0,6

4 | 3,3 | 19 | 0,72 | 3,9 | 13 | 0,66 | 3,6 | 0,21 | 0,59

5 | 3,4 | 29 | 0,73 | 5 | 26 | 0,73 | 5,3 | 0,45 | 0,6

6 | 3 | 35 | 0,74 | 4,1 | 22 | 0,73 | 4,5 | 0,4 | 0,6

7 | 3,9 | 51 | 0,76 | 6,5 | 43 | 0,73 | 7,2 | 0,4 | 0,58

8 | 4,4 | 33 | 0,73 | 7,8 | 30 | 0,72 | 5 | 0,29 | 0,59

9 | 2,9 | 35 | 0,74 | 4,3 | 42 | 0,74 | 2,3 | 0,19 | 0,59

10 | 3 | 45 | 0,76 | 4,8 | 2 | 0,64 | 5,5 | 0,26 | 0,58

11 | 3,44 | 51 | 0,76 | 6,1 | 19 | 0,70 | 8,7 | 0,8 | 0,6

12 | 2,6 | 40 | 0,75 | 4,7 | 2 | 0,64 | 2,6 | 0,1 | 0,57

Очевидно, є можливість узгодження технології створення бар'єрів Шотткі і насичення скандію тритієм.

У третьому розділі описані розроблені нами методи створення площинних перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію та приведені результати досліджень характеристик виготовлених нами перетворювачів. Ці методи включають: термоіонне випаровування та напилення тонких плівок матеріалів перетворювачів у високому вакуумі, пряме термічне гідрування тритієм сорбційно активних шарів перетворювачів, низькоенергетичну іонно-пучкову імплантацію тритію в енергоперетворююче середовище тощо. Детально розглянуті технології отримання плівок гідрогенізованого аморфного кремнію методом: розкладання силану, реактивного напилювання в атмосфері водню, напилювання у високому вакуумі з постгідрогенізацією плівкових структур. Обґрунтовано застосування двозондового та чотиризондового методів виміру основних електрофізичних характеристик напівпровідникових матеріалів. Наведено результати експериментальних досліджень створення тритієвих джерел струму на основі площинного діода Шотткі Ti-GaP, та Ti-CdTe. Аналізуються конструкції тритієвих джерел електроенергії з перетворювачами на основі гідрогенізованого аморфного кремнію та приведено розрахунок їх електрофізичних характеристик. Аналізується термін служби та деградація питомих характеристик напівпровідникових перетворювачів енергії ?-випромінювання тритію. Описано створену нами конструкцію та наведено результати експериментальних досліджень багатошарових плівкових перетворювачів енергії на основі аморфного кремнію. Детально представлена створена нами конструкція установки іонно-пучкової імплантації та наведено результати експериментальних досліджень з імплантації іонів протію та дейтерію в напівпровідникові структури.

Відомо, що аморфний кремній а-Si:H може розчинити 50 ат. % водню, що значно більше ніж монокристалічний кремній, при цьому електронні властивості його багато в чому визначаються воднем, що знаходиться в ньому. Враховуючи це, нами була запропонована конструкції радіоізотопного джерела струму, у якому тритій крім своєї основної функції - енергоносія виконує задачу насичення обірваних зв'язків в аморфному кремнії, тобто в зменшенні густини локалізованих станів у забороненій зоні, чи, що теж саме, формуванні прийнятних електронних характеристик напівпровідникових структур. Звичайним методом прямого термічного гідрування розмістити в ньому тритій не вдається, можливо через негативну величину теплоти переносу для даної бінарної системи. Тому одним з найбільш перспективних методів розміщення енергоносія усередині енергоперетворюючого середовища - як аморфного, так і монокристалічного кремнію, є імплантація. Методом іонно-пучкової імплантації можливо створити в області напівпровідника значну поверхневу концентрацію тритію ~ 1019 см-2, що відповідає питомій активності ~ 1,85.1010 Бк/см2. За рахунок більш повного використання ?-випромінювання (в довільному напрямку вектора швидкості) коефіцієнт розмноження в цьому випадку приблизно на порядок вище, ніж при розміщенні тритію зовні напівпровідника. Щоб при цьому уникнути радіаційних дефектів, які негативно впливають на характеристики p-n-перехід, чи поверхню напівпровідника, підготовлену для напилювання металевих електродів, потрібно, щоб енергія іонів не перевищувала (2-2,5) кеВ. Але при таких енергіях іони водню зможуть упровадитися тільки в приповерхневу область напівпровідника. Для їх подальшого розселення по об’єму перетворювача як правило використовується вакуумне відпалювання, протягом якого дифузійні процеси встановлюють завершений розподіл ізотопів водню в кремнії. Тому нами було запропоновано, розмістити джерело ?-випромінювання в готовій напівпровідниковій структурі з аморфного гідрогенізованого кремнію р-n- чи p-i-n-типу замістивши водень тритієм у n- чи p-області методом постгідрогенізації низькоенергетичною імплантацією іонів водню. Для цього нами була створена установка іонно-пучкової імплантації показана на рис. 5, на якій проведені експериментальні дослідження з імплантації а-Si:H та отримані залежності питомого опору від температури представлені на рис. 6.

В експериментах використовувалися нерадіоактивні ізотопи водню протій і дейтерій. Оптимальна густина іонного струму в експериментах складала 17.10-6 А/см2. За 2 год. у плівку a-Sі:H імплантувалось близько 1018 протонів чи іонів дейтерію на глибину (40-50) нм, що складає для плівки товщиною 5.10-5 см і площею 1 см2 порядку 13 ат. %, цього досить для насичення зв'язків a-Sі:H. Подальше відпалювання зразків у вакуумі при 473 К привело до рівномірного їхнього розподілу по всій товщині плівки. Динаміка зміни питомого опору від температури (криві 4, 3, 2), а також характерна зміна їх кута нахилу в порівнянні з вихідним зразком (крива 1) указують на практично повне відновлення напівпровідникових властивостей аморфного кремнію (крива 2). Крім того, відсутність водню у вихідних зразках після відпалювання у вакуумі (крива 4) і його наявність після імплантації в плівки a-Sі:H (крива 3), а також розподіл по глибині (крива 2) підтверджувалися дослідженнями методом ВІМС.

Друге, запропоноване нами, технічне рішення підвищення ефективності перетворювачів енергії полягає в застосуванні тонко-плівкових поверхнево-бар'єрних структур з фото-чутливим шаром на основі широко-зонних сполук А2В6 і їхніх твердих розчинів. Вони являли собою полікристалічні структури з р-n–гетеропереходом. Складовою n-типу такої структури служили осаджені на підкладку з молібденової фольги плівки CdS, CdSe, ZnxCd1-x товщиною (5–7) мкм, що отримані методом термічного осадження в квазизамкнутому об’ємі з гарячою стінкою. Герероструктури виготовлялися в Інституті фізики напівпровідників НАН України (ІФНП НАНУ).

Усереднені експериментальні значення струмів короткого замикання і напруги холостого ходу для перетворювачів з різним типом гетероструктури, а також усереднені значення струмів насичення р-n-гетеропереходів jнас, виміряні за результатами досліджень вольт-амперних характеристик при кімнатній температурі, приведені в таблиці 2. Для якісного зіставлення в таблиці 1 приведені узяті з літературних джерел результати інших авторів (позиції 5-8)

Таблиця 2

Типові параметри досліджених гетероструктур.

№ пп. | Перетворювачі радіоактивного випромінювання | jк.з,

А/см2 | Uxx,

мВ | jнас,

А/см2 | Джерело

?-випромінювання | Потужність джерела радіоактивного випромінювання,

Вт/см2

1 | p-Cu1,8S/n-CdSe | 6.10-8 | 4 | 9.10-7 | 3Н | 9,12.10-7

2 | p-Cu1,8S/n-CdS | 6.10-8 | 40 | 3.10-8 | 3Н | 9,12.10-7

3 | p-Cu1,8S/n-Zn0,6Cd0,4S | 7.10-9 | 520 | 7.10-14 | 3Н | 9,12.10-7

4 | p-Cu1,8S/n-ZnxCd1-xS/n-CdS | 3.10-8 | 460 | 3.10-12 | 3Н | 9,12.10-7

5 | AlGaAs/GaAs | 2.10-8 | - | - | 3Н | -

6 | AlGaAs/GaAs | 1,15.10-6 | 440 | - | 55Fe Доля енергії проникаючого випромінювання складає 27% | -

7 | p-n-Si | 1,7.10-5 | 190 | - | 90Sr-90Y | 2.10-4

8 | p-n-Ge | 8.10-3 | 30 | - | 90Sr-90Y Середня енергія

?-випромінювання 700 кеВ | 2.10-4

Для гетероструктур, що містять у якості p-складової халькогенід міді, у механізмах струмопрохоження велике значення мають тунельні і тунельно-рекомбінаційні процеси. Вони і визначають, зокрема, величину jнас. Ефективним способом впливу на рекомбінаційні процеси на границі розділу гетероструктури є механізми струмопереносу при використанні убудованих в ОПЗ проміжних варізонних шарів.

Для мінімізації jнас при збереженні досить високих значень jк.з за нашою пропозицією в ІФНП НАНУ розроблені і виготовлені гетероструктури р-Cu1,8S/n-ZnxCd1-x/n-Cd, що містять приповерхневий проміжковий варізонний прошарок n-ZnxCd1-x, товщина якого складала близько 0,2 мкм. У таблиці 2 дані четвертого рядка відносяться до перетворювачів на основі такої гетероструктури. Ці результати свідчать про можливість оптимізації параметрів перетворювачів, призначених для використання в складі атомних батарей.

Висновки

На основі проведеного аналізу літературних даних, а також наших розрахунків і експериментальних досліджень,