Електричний генератор

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии радиоактивных источников гамма-излучения в электрическую, в частности путем облучения полупроводниковых элементов, образующи х полупроводниковый переход и может использоваться для автономного электропитания потребителей различной мощности. Для повышения мощности электрического генератора целесообразно использовать вместо источника света более мощный источник электромагнитного излучения, например радиоактивного гамма-излучения. Подобное техническое решение защищено патентом США [1]. Принцип действия электрического генератора основан на преобразовании энергии источника радиоактивного гамма-излучения в электрическую. Данное техническое решение наиболее близко к заявляемому по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбрано в качестве прототипа. Прототип, аналогично заявляемому электрическому генератору, содержит источник радиоактивного гамма-излучения и облучаемый элемент, в котором происходит преобразование энергии гамма-излучения в электрическую. Облучаемый элемент состоит из неорганических кристаллических элементов, образующих полупроводниковый переход. Полупроводниковый переход обладает определенной пороговой величиной, а энергия источника радиоактивного излучения больше пороговой величины. Работа известного устройства основана на следующем: неорганические кристаллические элементы, образующие полупроводниковый переход, представляют собой элементы с электронной и дырочной проводимостью. В результате взаимодействия гаммаизлучения с неорганическими кристаллическими элементами, в них образуется большое число подвижных носителей заряда - электронов и дырок, и, вследствие этого, создается разность потенциалов между областями с электронной и дырочной проводимостью. При этом, электроны области с электронной проводимостью перемещаются в область с дырочной проводимостью. Переход носителей заряда через границу полупроводникового перехода возможен при передаче им источником гамма-излучения определенной пороговой энергии. При достижении энергии носителей заряда пороговой величины, количество подвижных носителей заряда увеличивается, при этом происходит рекомбинация зарядов, в результате чего возрастает сопротивление на границе полупроводникового перехода. Т.к. гаммаизлучение действует непрерывно, количество подвижных носителей заряда продолжает возрастать и в определенный момент времени достигает величины насыщения. Образующаяся при этом разностность потенциалов между областями с электронной и дырочной проводимостью, определяет номинальное напряжение электрического, генератора. Подключение генератора к внешней цепи приводит к уменьшению подвижных носителей заряда в неорганических кристаллических элементах, но под действием гамма-излучения, их концентрация вновь увеличивается и обеспечивает непрерывную работу генератора. Количество подвижных носителей заряда также зависит от числа дефектных зон в неорганических кристаллических элементах и увеличивается с увеличением числа этих зон. В прототипе увеличение количества дефектных зон происходит за счет нагрева неорганических кристаллических элементов. Для поддержания высокой температуры используется кожух с определенным термосопротивлением. Основным недостатком прототипа является необходимость поддержания высокой температуры для эффективной работы устройства, что требует применения источников радиоактивного гаммаизлучения повышенной мощности и приводит к уменьшению срока службы генератора. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать электрический генератор таким образом, чтобы исключить необходимость нагрева неорганических кристаллических элементов до высокой температуры и поддержания этой температуры для образования дефектных зон в неорганических кристаллических элементах, и за счет этого увеличить срок службы устройства и обеспечить возможность использования источников радиоактивного гамма-излучения малой мощности, например радиоактивных отходов. Поставленная задача решается тем, что в электрическом генераторе, содержащем источник радиоактивного гамма-излучения и облучаемый элемент, состоящий из неорганических кристаллических элементов, образующи х полупроводниковый переход с определенной пороговой величиной, при этом энергия радиоактивного источника гамма-излучения больше пороговой величины, согласно изобретению, облучаемый элемент содержит пару металлических пластин, а неорганические кристаллические элементы представляют собой микропорошок и расположены между внутренними поверхностями металлических пластин. Целесообразно использовать не менее двух пар металлических пластин, соединенных друг с другом параллельно, при этом каждую пару пластин разделять с последующей слоем диэлектрика. К классу микропорошков относятся порошки с размером зерен менее 63мкм. Применение в заявляемом электрическом генераторе неорганических кристаллических элементов, образующи х полупроводниковый переход, в виде микропорошка обеспечивает создание в них большого количества дефектных зон, что приводит к увеличению количества свободных носителей заряда в областях с электронной и дырочной проводимостью. При этом, чем выше концентрация подвижных носителей заряда, тем выше напряжение на выходе генератора. Если в качестве полупроводникового материала выбрать мелкодисперсные частицы, которые не подвергались специальной очистке, то на них всегда можно обнаружить различные дефекты структуры, пленки окислов и молекулы адсорбированных газов, которые могут образовывать большое количество локальных уровней, вызывающих интенсивный процесс рекомбинации электронно-дырочных пар. Роль поверхностной рекомбинации тем выше, чем больше отношение площади поверхности кристалла к его объему, т.е. чем меньше размеры кристалла. Так, например, если взять кристалл в форме куба со стороной a = 1см и кристалл со стороной a = 0,001см, то соотношение площади поверхности к объему будет соответственно 6 и 60000, что свидетельствует о возможности увеличения числа носителей заряда, т.к. скорость рекомбинации подвижных носителей заряда определяет скорость их генерации. Скорости генерации и рекомбинации находятся всегда в состоянии динамического равновесия. Поскольку проникающая способность гаммаизлучения большая, то процессы образования подвижных носителей заряда активно протекают на расстоянии 0,3 - 0,5м от источника излучения. Для повышения мощности целесообразно изготавливать генераторы с большим количеством пар металлических пластин, между внутренними поверхностями которых расположены неорганические кристаллические элементы, образующие полупроводниковый переход. При параллельном соединении пар пластин полная мощность генератора будет определяться суммой мощностей, генерируемых каждой парой пластин. Во избежание короткого замыкания, каждая пара металлических пластин отделяется от последующей слоем диэлектрика. По мнению авторов, заявляемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень", т.е. оно является новым и не следует явным образом из известного уровня техники. На фиг.1 представлена схема электрического генератора; на фиг.2 вольт-амперные характеристики. Электрический генератор содержит источник радиоактивного гамма-излучения 1. Справа и слева от него симметрично расположены по две пары металлических пластин 2. Между внутренними поверхностями пластин расположены неорганические кристаллические элементы 3. Каждая пара металлических пластин 2 отделена от последующей слоем диэлектрика 4 и с помощью выводов 5 подсоединена параллельно к шинам внешней цепи 6. Для безопасности и удобства работы устройство помещено в корпус 7. Проведены испытания заявляемого электрического генератора. В качестве источника радиоактивного гамма-излучения 1 использовался радиоактивный кобальт Co с энергией гаммаквантов 1,17МЭВ и периодом полураспада 5,2 года. Ме таллическими пластинами 2 служили медные и железные, покрытые слоем олова пластины круглой формы площадью 7см 2 каждая. На медные пластины наносился слой микропорошка карбида кремния зеленого, обладающего электронной проводимостью, на железные - слой микропорошка карбида кремния черного, обладающего дырочной проводимостью. Это позволило уменьшить сопротивление на границе металл - полупроводник. Толщина слоя на каждой пластине колебалась в пределах 0,15 0,18мм, при зернистости кристаллических элементов 10мкм. В качестве диэлектрика 4 использовали сетку из гетинакса толщиной 1мм. Электрический генератор помещался в корпус 7 из стеклопластика, являющегося диэлектриком, поверх которого надевался наружный корпус из свинца, что делает генератор радиационнобезопасным в эксплуатации. Испытания проводили на генераторах, собранных из двух, трех и пяти пар пластин, подсоединенных параллельно к шинам внешней цепи 6 с помощью выводов 5. Вольт-амперные характеристики строились по показаниям вольтметра и амперметра при изменении нагрузки во внешней цепи с помощью реостата. При этом, кривая 1 отражает характер изменения тока и напряжения во внешней цепи генератора, собранного из двух пар пластин, кривая 2 - генератора, собранного из трех пар пластин, кривая 3 - генератора, собранного из пяти пар пластин. Осуществление изобретения позволит решить проблему эффективного использования радиоактивных отходов и создавать в зависимости от потребности генераторы малой, средней и большой мощности, которыми можно оснащать транспортные средства, энергопотребляющие производства, космические аппараты и другие объекты. Электрический генератор и его элементы могут быть изготовлены в заводских условиях с использованием существующего оборудования.