RU90612U1 - SOURCE OF ELECTRIC CURRENT - Google Patents

Abstract

1. Источник электрического тока, использующий радиоактивное излучение нестабильных изотопов, которое проникает в полупроводниковый материал, содержащий слои примесей p-типа и n-типа, и преобразуется в нем непосредственно в энергию электрического тока, при этом от каждого или от некоторых из слоев полупроводника отходят выходные электрические контакты, отличающийся тем, что полупроводниковый материал, в котором происходит преобразование энергии излучения в электрическую энергию, представляет собой один или более полупроводниковых кристаллов, содержащих в своем составе радиоактивные нестабильные изотопы, например, в составе кристалла PbS содержится изотоп Рb-210, при этом, по крайней мере, в одном полупроводниковом кристалле слои примесей p-типа и n-типа получены по технологии создания слоев примеси, например, путем легирования или фотореакций в объеме кристалла, с многослойным расположением слоев: либо с чередованием слоев p-типа, n-типа, либо с чередованием слоев p-типа, собственной проводимости, n-типа и собственной проводимости, при этом расстояние между слоями сравнимо по порядку значений с толщиной запирающего слоя соответствующего p-n-перехода между слоями, при этом, по крайней мере, в одном многослойном полупроводниковом кристалле имеется возможность соединения контактов от слоев с проводимостью p-типа в один выходной контакт кристалла, соединения контактов от слоев с собственной проводимостью во второй выходной контакт кристалла и/или соединения контактов от слоев с проводимостью n-типа в третий выходной контакт кристалла, при этом имеется возможность закрепить, по крайней мере, часть полупроводников�1. An electric current source using radioactive radiation of unstable isotopes, which penetrates into a semiconductor material containing p-type and n-type impurity layers, and is converted directly into electric current energy, with each or some of the semiconductor layers leaving output electrical contacts, characterized in that the semiconductor material in which the radiation energy is converted into electrical energy is one or more semiconductor crystals of talls containing radioactive unstable isotopes, for example, the PbS crystal contains the Pb-210 isotope, while at least one semiconductor crystal contains p-type and n-type impurity layers using the technology of creating impurity layers, for example , by doping or photoreactions in the bulk of the crystal, with a multilayer arrangement of layers: either with alternating p-type, n-type layers, or with alternating p-type layers, intrinsic conductivity, n-type and intrinsic conductivity, while the distance between the layers is comparable by the order of values with the thickness of the barrier layer of the corresponding pn junction between the layers, while at least one multilayer semiconductor crystal it is possible to connect contacts from layers with p-type conductivity to one output contact of the crystal, to connect contacts from layers with intrinsic conductivity to the second output contact of the crystal and / or the connection of contacts from the layers with n-type conductivity to the third output contact of the crystal, and it is possible to fix at least part of the semiconductors

Description

Полезная модель - источник электрического тока - относится к области электроэнергетики с использованием новых материалов, а именно к полупроводниковым приборам преобразования энергии ядерного распада (нестабильных изотопов) в электрическую энергию.A useful model - an electric current source - refers to the field of electric power using new materials, namely, semiconductor devices for converting nuclear decay energy (unstable isotopes) into electrical energy.

Известно множество устройств, позволяющих извлекать определенную часть из потока энергии излучений и/или элементарных частиц, которые проходят через полупроводниковые материалы, используемые в составе устройства, и преобразовывать извлеченную энергию в энергию электрического тока. В качестве примера можно привести фотоэлементы, преобразующие часть энергии светового потока или преобразователи энергии тепла в энергию термо-ЭДС.There are many devices that allow you to extract a certain part of the energy flow of radiation and / or elementary particles that pass through the semiconductor materials used in the device, and convert the extracted energy into electric current energy. An example is photocells that convert part of the energy of the light flux or converters of heat energy into thermo-EMF energy.

В других приборах используется способность некоторых полупроводниковых преобразователей вырабатывать электроэнергию из излучения (радиации) радиоактивных материалов. Особенностью этих приборов является возможность их работы в автономном режиме длительное время, сравнимое с периодом полураспада радиоактивных материалов, участвующих в реакции распада. Общим недостатком существующих устройств является низкое КПД (0-15%) и неспособность производить энергию достаточной мощности при малых габаритах.Other devices use the ability of some semiconductor converters to generate electricity from the radiation (radiation) of radioactive materials. A feature of these devices is the possibility of their autonomous operation for a long time, comparable with the half-life of radioactive materials involved in the decay reaction. A common drawback of existing devices is low efficiency (0-15%) and the inability to produce energy of sufficient power at small dimensions.

Известно устройство радиоизотопной активации электрического заряда и генерации электрической энергии с помощью пьезоэлектрического элемента, преобразующего энергию активации в механическую, а затем в электрическую энергию (US patent №6,479,920 от 12.11.2002 г.). Устройство содержит основание, с консольно закрепленной на нем эластично-деформируемой пластиной, на свободном конце которой ближе к основанию закреплен либо изотопный источник радиоактивного излучения, а на основании непосредственно под источником - вещество-поглотитель излучения (обычно, бета-излучение), либо наоборот: источник излучения и поглотитель, закрепляются в обратном порядке, при этом, на деформируемой пластине, ближе к ее закрепленному концу, установлен пьезоэлемент, с электрических контактов которого снимается выходная электрическая мощность.A device is known for the radioisotope activation of an electric charge and the generation of electrical energy using a piezoelectric element that converts the activation energy into mechanical and then into electrical energy (US patent No. 6,479,920 dated 11/12/2002). The device contains a base, with an elastic-deformable plate cantileverly mounted on it, on the free end of which is closer to the base either an isotopic source of radioactive radiation is fixed, and on the base directly below the source is a radiation absorbing substance (usually beta radiation), or vice versa: the radiation source and absorber are fixed in the reverse order, while on the deformable plate, closer to its fixed end, a piezoelectric element is installed, from the electrical contacts of which the output elec electric power.

Недостатками аналога являются малый коэффициент полезного действия (КПД) (<5%), низкая мощность производимого электричества и наличие движущихся частей, которые значительно снижают эффективность преобразования энергии.The disadvantages of the analogue are the small coefficient of performance (COP) (<5%), the low power of the produced electricity and the presence of moving parts, which significantly reduce the efficiency of energy conversion.

Известно устройство для прямого преобразования энергии распада ядер радиоактивных материалов в электроэнергию (US patent №6,774,531 от 10.08.2004 г.). Устройство содержит камеру с находящимися в ней полупроводниковыми пластинами, сформированными с большой энергопоглощающей поверхностью по технологии изготовления пористых пластин со специально сформированными макропорами, при этом, пластины имеют участки, в каждом из которых сформированы близкорасположенные области, одна с проводимостью p-типа, а другая - n-типа. Указанные области p- и n-типа присоединены к выходным контактам устройства раздельно в соответствии с типом проводимости по схеме параллельного соединения. В представленном аналоге область n-типа сформирована в виде слоя на пористой поверхности p-типа, в том числе, и внутри макропор. Объем радиоактивного материала, эмитирующего продукты распада, заключен внутрь указанных макропор поверх слоя n-типа. Излученные высокоэнергетические частицы, пролетающие по очереди через области полупроводника n-типа, а затем - p-типа, выбивают в полупроводнике электронно-дырочные пары, которые являются непосредственным источником электрической энергии в устройстве.A device for the direct conversion of the decay energy of the nuclei of radioactive materials into electricity (US patent No. 6,774,531 of 08/10/2004). The device comprises a chamber with semiconductor wafers located therein, formed with a large energy-absorbing surface by the technology of manufacturing porous wafers with specially formed macropores, and the wafers have sections in each of which closely spaced regions are formed, one with p-type conductivity and the other n-type. The indicated p- and n-type regions are connected to the output contacts of the device separately in accordance with the type of conductivity according to the parallel connection scheme. In the presented analogue, the n-type region is formed as a layer on the p-type porous surface, including inside the macropores. The volume of radioactive material emitting decay products is enclosed inside these macropores over an n-type layer. The emitted high-energy particles, flying in turn through the regions of the n-type semiconductor, and then the p-type, knock out electron-hole pairs in the semiconductor, which are a direct source of electrical energy in the device.

Основным недостатком аналога является (низкий КПД из-за наличия большой доли неиспользуемого тормозного излучения бета-частиц при прохождении их от точки рождения до области реакции) и использование сложной и дорогостоящей технологии формирования макропор на поверхности с нанесением на этот сложный рельеф различных материалов и слоев со специальными свойствами. При этом, хотя КПД устройства выше, чем у других аналогов, конструктивные особенности (в том числе, относительно невысокая плотность макропор и расположение радиоактивного материала с одной стороны относительно границы между областями p- и n-типа) не позволяют достичь предельных значений КПД (до 50%) и повышенной удельной мощности выработки электроэнергии, а именно, отношения мощности вырабатываемой электрической энергии к массе устройства.The main disadvantage of the analogue is (low efficiency due to the presence of a large fraction of unused bremsstrahlung of beta particles when passing from the point of birth to the reaction region) and the use of a complex and expensive technology for the formation of macropores on the surface by applying various materials and layers with special properties. At the same time, although the efficiency of the device is higher than that of other analogues, design features (including the relatively low density of macropores and the location of the radioactive material on the one hand relative to the boundary between the p- and n-type regions) do not allow reaching the limit values of the efficiency (up to 50%) and increased specific power of electricity generation, namely, the ratio of the power of generated electric energy to the mass of the device.

В качестве прототипа принят изотопный полупроводниковый аккумулятор (батарея), использующий преобразование энергии радиоактивного распада в электроэнергию путем улавливания высокоэнергетических частиц и образования в полупроводнике электронно-дырочных пар за счет неупругого торможения частиц -продуктов распада (US patent №6,238,812 от 29.05.2001 г.). Аккумулятор содержит ряд последовательно соединенных элементов, каждый из которых состоит из двух слоев полупроводникового материала с проводимостью p- и n-типа, между которыми расположен тонкий слой радиоактивного полупроводникового материала, эмитирующего высокоэнергетические частицы. При последовательном соединении элементов слои с p- и n-проводимостью каждого элемента батареи имеют выходные контакты, присоединенные к контактам соседних элементов с противоположной проводимостью, при этом крайние контакты батареи присоединены к нагрузке, образуя замкнутую цепь. В патенте прототипа особо подчеркивается, что радиоактивный материал не входит в состав слоев с p- и n-проводимостью элементов аккумулятора.As a prototype, an isotopic semiconductor battery (battery) was adopted, which uses the conversion of radioactive decay energy into electricity by trapping high-energy particles and the formation of electron-hole pairs in the semiconductor due to inelastic braking of particles-decay products (US patent No. 6,238,812 of 05/29/2001) . The battery contains a series of series-connected elements, each of which consists of two layers of semiconductor material with p- and n-type conductivity, between which there is a thin layer of radioactive semiconductor material emitting high-energy particles. When the cells are connected in series, the p- and n-conductivity layers of each battery cell have output contacts connected to the contacts of adjacent cells with opposite conductivity, while the extreme contacts of the battery are connected to the load, forming a closed circuit. The prototype patent emphasizes that the radioactive material is not part of the layers with p- and n-conductivity of the battery cells.

Недостатками прототипа являются низкий КПД (<=10%) и недостаточно большая удельная мощность выработки электроэнергии (низкое отношение количества вырабатываемой электрической энергии к массе батареи) при сравнительной простоте изготовления устройства (и стоимости, более низкой, чем стоимость других аналогов).The disadvantages of the prototype are low efficiency (<= 10%) and insufficiently large specific power of electricity generation (low ratio of the amount of generated electric energy to the mass of the battery) with the comparative simplicity of manufacturing the device (and cost lower than the cost of other analogues).

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание источника электрического тока, обеспечивающего автономное вырабатывание электроэнергии в течение длительного времени с высоким КПД до 50%, при большем соотношении мощности к массе и габаритам, чем у аналогов, а также сравнительное снижение стоимости удельных показателей и устройства в целом.The technical task of the proposed utility model is the creation of an electric current source that provides autonomous generation of electricity for a long time with high efficiency up to 50%, with a greater ratio of power to mass and dimensions than that of analogues, as well as a comparative reduction in the cost of specific indicators and the device as a whole .

Решение данной технической задачи заключается в том, что в источнике электрического тока, использующем радиоактивное излучение нестабильных изотопов, которое проникает в полупроводниковый материал, содержащий слои примесей p-типа и n-типа, и преобразуется в нем непосредственно в энергию электрического тока, и содержащем выходные электрические контакты, отходящие от каждого или от некоторых из слоев полупроводника, согласно полезной модели, в отличие от аналогов, полупроводниковый материал, в котором происходит преобразование энергии излучения в электрическую энергию, представляет собой один или более полупроводниковых кристаллов, содержащих в своем составе радиоактивные нестабильные изотопы, например, в составе кристалла PbS содержится изотоп Рb-210, при этом, по крайней мере, в одном полупроводниковом кристалле слои примесей p-типа и n-типа получены по технологии создания слоев примеси, например, путем легирования или фотореакций в объеме кристалла, с многослойным расположением слоев: либо с чередованием слоев p-типа, n-типа, либо с чередованием слоев p-типа, собственной проводимости, n-типа и собственной проводимости, при этом, расстояние между слоями сравнимо по порядку значений с толщиной запирающего слоя соответствующего p-n-перехода между слоями, при этом, по крайней мере, в одном многослойном полупроводниковом кристалле имеется возможность соединения контактов от слоев с проводимостью p-типа в один выходной контакт кристалла, соединения контактов от слоев с собственной проводимостью во второй выходной контакт кристалла и/или соединения контактов от слоев с проводимостью n-типа в третий выходной контакт кристалла, при этом имеется возможность закрепить, по крайней мере, часть полупроводниковых кристаллов на едином основании без электрического контакта с ним, при этом, источник электрического тока может быть обеспечен системой охлаждения его нагревающихся частей, например, водяного, воздушного типа и/или с использованием радиатора.The solution to this technical problem is that in a source of electric current using radioactive radiation of unstable isotopes, which penetrates into a semiconductor material containing p-type and n-type impurity layers, and is converted directly into electric current energy, and contains output electrical contacts extending from each or from some of the layers of the semiconductor, according to the utility model, in contrast to analogs, a semiconductor material in which energy is converted and radiation into electrical energy, is one or more semiconductor crystals containing radioactive unstable isotopes, for example, the PbS crystal contains the Pb-210 isotope, while at least one semiconductor crystal contains p-type impurities and n-type obtained by the technology of creating impurity layers, for example, by doping or photoreactions in the bulk of the crystal, with a multilayer arrangement of layers: either with alternating layers of p-type, n-type, or with alternating layers of p-type, intrinsic the conductivity, n-type and intrinsic conductivity, in this case, the distance between the layers is comparable in order of magnitude with the thickness of the barrier layer of the corresponding pn junction between the layers, while at least one multilayer semiconductor crystal has the ability to connect contacts from the layers with conductivity p-type into one output contact of the crystal, connection of contacts from layers with intrinsic conductivity to the second output contact of the crystal and / or connection of contacts from layers with conductivity of n-type to the third output contact t of the crystal, while it is possible to fix at least part of the semiconductor crystals on a single base without electrical contact with it, while the electric current source can be provided with a cooling system for its heated parts, for example, water, air type and / or using a radiator.

Основным преимуществом полезной модели перед аналогами является размещение ядер вещества, эмитирующего радиоактивное излучение, в составе полупроводникового материала (кристалла), в котором происходит преобразование энергии излучения в энергию свободных носителей (электронов и дырок). При этом, отсутствуют потери, затрачиваемые на прохождение высокоэнергетических частиц из наружного радиоактивного препарата внутрь кристалла. При таком расположении радиоактивных элементов частицы радиации незамедлительно расходуют свою энергию на ионизацию полупроводника, теряя некоторую часть энергии на тормозное излучение (до 50%). В случае же внешнего препарата тормозное излучение становится преобладающим, тем самым, снижая эффективность и удельную мощность устройства (на 80%). Кристаллическая структура полупроводника обеспечивает снижение потерь при движении свободных носителей от места рождения до соответствующего p-n-перехода или до выходного контакта слоя в кристалле.The main advantage of the utility model over analogues is the placement of the nuclei of a substance emitting radioactive radiation in a semiconductor material (crystal), in which the radiation energy is converted into the energy of free carriers (electrons and holes). At the same time, there are no losses spent on the passage of high-energy particles from an external radioactive preparation into the crystal. With this arrangement of radioactive elements, radiation particles immediately spend their energy on the ionization of the semiconductor, losing some of the energy on bremsstrahlung (up to 50%). In the case of an external preparation, bremsstrahlung becomes predominant, thereby reducing the efficiency and specific power of the device (by 80%). The crystal structure of the semiconductor provides a reduction in losses during the motion of free carriers from the place of birth to the corresponding pn junction or to the output contact of the layer in the crystal.

Предпочтительно при реализации полезной модели, чтобы полупроводниковые кристаллы были выполнены в виде одинаковых пластин с взаимно параллельными верхней и нижней плоскими гранями и с направлением максимальной диффузии примесей, перпендикулярным этим граням.Preferably, when implementing the utility model, the semiconductor crystals are made in the form of identical plates with mutually parallel upper and lower flat faces and with a direction of maximum diffusion of impurities perpendicular to these faces.

Кроме того, желательно, чтобы расстояние между слоями p- и n-типа было равно 1-3 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода. Это необходимо, с одной стороны, чтобы слой был достаточно тонким, что исключит массовую рекомбинацию носителей тока в областях, где нет электрического поля p-n перехода, а с другой стороны, чтобы слой был достаточно широким, что не допустит уменьшения градиента потенциала и, тем самым, входной мощности. Толщина слоев подбирается по максимуму выходной мощности для выбранного типа полупроводника и степени насыщения его примесями.In addition, it is desirable that the distance between the p- and n-type layers be 1-3 times the thickness of the barrier layer of the corresponding pn-junction. This is necessary, on the one hand, for the layer to be sufficiently thin, which eliminates mass recombination of current carriers in regions where there is no electric field of the pn junction, and on the other hand, for the layer to be wide enough to prevent a decrease in the potential gradient and, therefore, input power. The layer thickness is selected according to the maximum output power for the selected type of semiconductor and the degree of saturation with impurities.

Также, для части полупроводниковых кристаллов имеется возможность соединения выходных контактов этих кристаллов, объединяющих контакты от слоев p-типа или n-типа и создающих положительный или отрицательный электрический потенциал, по схемам параллельного и/или последовательного соединения кристаллов в батарею электрических элементов. Такое соединение обеспечивает возможность оптимизации параметров источника тока, в соответствии с параметрами используемой нагрузки: уменьшение внутреннего сопротивления, увеличение выходного электрического напряжения источника, что позволяет увеличить мощность источника электрического тока не менее, чем в 1000 раз.Also, for a part of semiconductor crystals, it is possible to connect the output contacts of these crystals, combining contacts from p-type or n-type layers and creating a positive or negative electric potential, according to the parallel and / or serial connection of crystals into a battery of electrical elements. Such a connection makes it possible to optimize the parameters of the current source, in accordance with the parameters of the load used: a decrease in internal resistance, an increase in the output voltage of the source, which makes it possible to increase the power of the electric current source by no less than 1000 times.

При этом, система охлаждения выполнена с использованием циркуляции водяного или воздушного потока, омывающих нагретые части источника, и/или с использованием внешнего радиатора, в качестве которого, например, может быть использовано основание, на котором закреплены полупроводниковые кристаллы. Охлаждение источника тока, и в частности, объема и слоев полупроводниковых материалов позволяет оптимизировать температурный режим преобразования энергии излучения в электрическую энергию и передачи ее на выходные контакты устройства за счет уменьшения вероятности рекомбинации носителей тока через p-n переход в обратном направлении при снижении температуры, это повысит КПД источника тока.Moreover, the cooling system is made using the circulation of water or air flow washing the heated parts of the source, and / or using an external radiator, for which, for example, a base can be used on which semiconductor crystals are fixed. The cooling of the current source, and in particular, the volume and layers of semiconductor materials, makes it possible to optimize the temperature regime for converting radiation energy into electrical energy and transferring it to the output contacts of the device by reducing the probability of recombination of current carriers through the pn junction in the opposite direction with decreasing temperature, this will increase the efficiency current source.

Осуществление полезной модели иллюстрируется следующими фигурами.The implementation of the utility model is illustrated by the following figures.

Фиг.1 поясняет процесс генерации электрического тока в полупроводниковом кристалле, содержащем три слоя примесей: с проводимостью p-типа, собственной и n-типа.Figure 1 explains the process of generating an electric current in a semiconductor crystal containing three layers of impurities: with p-type conductivity, intrinsic and n-type.

На фиг.2 показан полупроводниковый кристалл, содержащий многослойную структуру чередующихся слоев примеси p- и n-типа, с объединением контактов от слоев p-типа в один выходной контакт и от слоев n-типа во второй выходной контакт кристалла.Figure 2 shows a semiconductor crystal containing a multilayer structure of alternating p- and n-type impurity layers, combining contacts from p-type layers into one output contact and from n-type layers into a second crystal output contact.

На фиг.3 реализована схема монтажа множества полупроводниковых пластин внутри радиационного защитного кожуха с интегрированной системой охлаждения.Figure 3 is a mounting diagram of a plurality of semiconductor wafers inside a radiation protective casing with an integrated cooling system.

Показан источник электрического тока, выполненный в двух вариантах. В обоих вариантах материал полупроводника представляет собой монокристаллическую структуру, например, PbS, в составе которой содержатся атомы нестабильного изотопа Рb-210.Shows the source of electric current, made in two versions. In both variants, the semiconductor material is a single crystal structure, for example, PbS, which contains atoms of the unstable isotope Pb-210.

В первом варианте источника тока (Фиг.1) в состав полупроводникового кристалла добавляют легирующие примеси p-типа и n-типа с разных сторон, чтобы создать внутри кристалла области дырочной и электронной проводимости, где 1 - область с дырочной проводимостью, 2 - область с собственной проводимостью, 3 - область с электронной проводимостью, 4 - радиоактивный изотоп, 5 - высокоэнергетическая частица, излученная ядром изотопа, 6 - подключаемая внешняя полезная нагрузка. При этом, заряды разного знака будут дрейфовать к разным областям: электроны - к области с электронной проводимостью, а дырки - к области с дырочной проводимостью и далее к выходным контактам, отходящим от этих областей. При расстоянии между слоями p- и n-типа большим, чем 1-3 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода, резко увеличивается вероятность рекомбинации встречных пар электрон-дырка, что приведет к итоговой потере мощности устройства. В этом варианте расстояние между слоями в несколько раз превышает указанную толщину. Для того чтобы достичь меньшего расстояния между слоями, кристалл легируют поднесением накаленного легировочного материала с двух сторон в направлении максимальной скорости диффузии атомов внутри кристалла, а сам кристалл делают тонким в направлении диффузии и плоскимIn the first embodiment of the current source (FIG. 1), p-type and n-type dopants are added to the composition of the semiconductor crystal from different sides to create hole and electron conductivity regions inside the crystal, where 1 is the region with hole conductivity, 2 is the region with intrinsic conductivity, 3 - region with electronic conductivity, 4 - radioactive isotope, 5 - high-energy particle emitted by the isotope core, 6 - connected external payload. In this case, charges of different signs will drift to different regions: electrons - to the region with electronic conductivity, and holes - to the region with hole conductivity and further to the output contacts extending from these regions. When the distance between the p- and n-type layers is greater than 1-3 times the thickness of the barrier layer of the corresponding p-n junction, the probability of recombination of counterpropagating electron-hole pairs increases sharply, which will lead to a total loss of device power. In this embodiment, the distance between the layers is several times greater than the specified thickness. In order to achieve a shorter distance between the layers, the crystal is alloyed by bringing incandescent alloying material on both sides in the direction of the maximum diffusion rate of atoms inside the crystal, and the crystal itself is made thin in the diffusion direction and flat

Во втором варианте устройства (Фиг.2) значительно уменьшено расстояние между слоями примесей p- и n-типа, и соответственно, уменьшена длина дрейфа носителей тока, тем самым практически исключена их встречная рекомбинация. Это достигается тем, что кристалл легируют многослойным образом с обеспечением расстояния между слоями различной проводимости порядка 1-1,5 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода. Для этого в монокристаллической пластине полупроводника, содержащего радиоизотопы, в поперечном направлении с максимальным коэффициентом диффузии методом жидкофазной эпитаксии производят внедрение примесного элемента (в нужные области внедряют атомы серы и свинца в полупроводник PbS для создания слоев с дырочной и электронной проводимостью). К полученным слоям приваривают контакты из нейтрального металла и выходы с одноименных слоев присоединяют параллельно к одной клемме, а с других одноименных областей - к другой.In the second embodiment of the device (Figure 2), the distance between the p- and n-type impurity layers is significantly reduced, and accordingly, the length of the drift of the current carriers is reduced, thereby their counter recombination is practically eliminated. This is achieved by the fact that the crystal is doped in a multilayer manner, providing a distance between layers of different conductivity of the order of 1-1.5 thickness of the barrier layer of the corresponding pn junction. To this end, an impurity element is introduced into a single crystal wafer of a semiconductor containing radioisotopes in the transverse direction with a maximum diffusion coefficient by liquid phase epitaxy (sulfur and lead atoms are introduced into the PbS semiconductor to create layers with hole and electron conductivity). Neutral metal contacts are welded to the obtained layers and the outputs from the layers of the same name are connected in parallel to one terminal, and from other areas of the same name to the other.

Пространство между слоями примесей p- и n-типа может быть занято областью с собственной проводимостью, либо там может прямо проходить плоскость p-n перехода. В такой многослойной структуре слои с дырочной и электронной проводимостью попеременно чередуются друг с другом.The space between the p- and n-type impurity layers can be occupied by a region with its own conductivity, or the p-n junction plane can pass directly there. In such a multilayer structure, the layers with hole and electron conductivity alternately alternate with each other.

Такие кристаллы можно закрепить на едином основании, собрать в батарею с последовательным и/или параллельным соединением, а между ними пропускать охладительную жидкость или газ 8, что увеличит КПД и срок эксплуатации устройства (Фиг 3). При этом всю батарею нужно поместить в свинцовый или стальной кожух 7 или в кожух из другого материала, содержащего тяжелые элементы, чтобы обезопасить окружающие предметы от сопровождающей радиации. Лучше всего кроме самих пластин также в защитный кожух поместить и всю систему охлаждения. При этом, газ или жидкость 8 будут циркулировать от пластин к внешнему радиатору 10 и обратно с помощью электрического насоса 9 небольшой мощности, подпитываемого током от самого источника тока.Such crystals can be fixed on a single base, assembled into a battery with serial and / or parallel connection, and coolant or gas 8 can be passed between them, which will increase the efficiency and life of the device (Fig 3). In this case, the entire battery must be placed in a lead or steel casing 7 or in a casing of another material containing heavy elements in order to protect surrounding objects from accompanying radiation. It is best to place the entire cooling system in addition to the plates themselves in the protective casing. At the same time, gas or liquid 8 will circulate from the plates to the external radiator 10 and vice versa using an electric pump 9 of low power, fed by current from the current source itself.

Применение.Application.

Полупроводниковые устройства преобразования энергии из неэлектрических ресурсов большой удельной емкости в электричество являются перспективными для использования их в энергетике будущего. Это обусловлено тем, что они способны довольно дешево, без тяжелых экологических результатов и, в перспективе, с большой экономической выгодой производить электроэнергию для нужд народного хозяйства.Semiconductor devices for converting energy from non-electric resources of large specific capacity to electricity are promising for use in the energy sector of the future. This is due to the fact that they are capable of rather cheaply, without heavy environmental results and, in the long term, with great economic benefit, to produce electricity for the needs of the national economy.

Источники электрического тока можно применять в долгофункционирующих (на многолетний период) заменителях-имитаторах или регуляторах неработающих органов высших животных и человека. Такие устройства, с хорошо подобранными параметрами и подходящим переносным источником энергии, способны снабжать указанный заменитель в течение всей жизни пациента, что является явным преимуществом в выборе данного варианта.Sources of electric current can be used in long-functioning (for many years) substitutes-simulators or regulators of non-working organs of higher animals and humans. Such devices, with well-chosen parameters and a suitable portable energy source, are able to supply the indicated substitute throughout the patient's life, which is a clear advantage in choosing this option.

Источники электрического тока можно применять в автономных глубоководных, геологоразведочных, медицинских, аэро-, космических и др. зондах. Автономные зонды снабжены роботизированным механизмом, обеспечивающим его функциональность и выживаемость. Этот механизм требует для своей работы подачу заданного уровня энергии непрерывно, в течение всего времени своей деятельности. Обычные химические аккумуляторы и топливные элементы неспособны удовлетворить таким требованиям. Источники энергии с радиоактивными элементами дают именно такое соотношение долговечности, уровня и плотности энергии, поэтому их использование наиболее перспективно в данном направлении.Electric current sources can be used in autonomous deep-sea, exploration, medical, aerospace, space and other probes. Autonomous probes are equipped with a robotic mechanism to ensure its functionality and survival. This mechanism requires for its work the supply of a given level of energy continuously, throughout the entire duration of its activity. Conventional chemical batteries and fuel cells are unable to meet such requirements. Energy sources with radioactive elements give just such a ratio of durability, level and energy density, therefore their use is most promising in this direction.

Источники электрического тока можно применять в более крупных мобильных устройствах, предназначенных для транспорта, промышленности, систем жизнеобеспечения, робототехники и др. Для этого необходимо объединить элементы (кристаллы) источника тока до необходимой мощности (увеличенной в 1000 раз и более) в батареи больших размеров с нужными электрическими параметрами и параметрами охлаждения.Electric current sources can be used in larger mobile devices intended for transport, industry, life support systems, robotics, etc. To do this, it is necessary to combine the elements (crystals) of the current source to the required power (increased by 1000 times or more) in large batteries with necessary electrical parameters and cooling parameters.

Claims (5)

1. Источник электрического тока, использующий радиоактивное излучение нестабильных изотопов, которое проникает в полупроводниковый материал, содержащий слои примесей p-типа и n-типа, и преобразуется в нем непосредственно в энергию электрического тока, при этом от каждого или от некоторых из слоев полупроводника отходят выходные электрические контакты, отличающийся тем, что полупроводниковый материал, в котором происходит преобразование энергии излучения в электрическую энергию, представляет собой один или более полупроводниковых кристаллов, содержащих в своем составе радиоактивные нестабильные изотопы, например, в составе кристалла PbS содержится изотоп Рb-210, при этом, по крайней мере, в одном полупроводниковом кристалле слои примесей p-типа и n-типа получены по технологии создания слоев примеси, например, путем легирования или фотореакций в объеме кристалла, с многослойным расположением слоев: либо с чередованием слоев p-типа, n-типа, либо с чередованием слоев p-типа, собственной проводимости, n-типа и собственной проводимости, при этом расстояние между слоями сравнимо по порядку значений с толщиной запирающего слоя соответствующего p-n-перехода между слоями, при этом, по крайней мере, в одном многослойном полупроводниковом кристалле имеется возможность соединения контактов от слоев с проводимостью p-типа в один выходной контакт кристалла, соединения контактов от слоев с собственной проводимостью во второй выходной контакт кристалла и/или соединения контактов от слоев с проводимостью n-типа в третий выходной контакт кристалла, при этом имеется возможность закрепить, по крайней мере, часть полупроводниковых кристаллов на едином основании без электрического контакта с ним, при этом источник электрического тока может быть обеспечен системой охлаждения его нагревающихся частей, например, водяного, воздушного типа и/или с использованием радиатора.1. An electric current source using radioactive radiation of unstable isotopes, which penetrates into a semiconductor material containing p-type and n-type impurity layers, and is converted directly into electric current energy, with each or some of the semiconductor layers leaving output electrical contacts, characterized in that the semiconductor material in which the radiation energy is converted into electrical energy is one or more semiconductor crystals of talls containing radioactive unstable isotopes, for example, the PbS crystal contains the Pb-210 isotope, while at least one semiconductor crystal contains p-type and n-type impurity layers using the technology of creating impurity layers, for example , by doping or photoreactions in the bulk of the crystal, with a multilayer arrangement of layers: either with alternating p-type, n-type layers, or with alternating p-type layers, intrinsic conductivity, n-type and intrinsic conductivity, while the distance between the layers is comparable by a series of values with the thickness of the barrier layer of the corresponding pn junction between the layers, while at least one multilayer semiconductor crystal it is possible to connect contacts from layers with p-type conductivity to one output contact of the crystal, to connect contacts from layers with intrinsic conductivity to the second output contact of the crystal and / or the connection of contacts from the layers with n-type conductivity to the third output contact of the crystal, and it is possible to fix at least part of the semiconductors x crystals on single foundation without electrical contact therewith, wherein the electric current source may be provided by cooling its hot parts, e.g., water, air type and / or using a radiator. 2. Источник электрического тока по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть полупроводниковых кристаллов выполнена в виде одинаковых пластин с взаимно параллельными верхней и нижней плоскими гранями и с направлением максимальной диффузии примесей перпендикулярным этим граням.2. The electric current source according to claim 1, characterized in that at least a part of the semiconductor crystals is made in the form of identical plates with mutually parallel upper and lower flat faces and with a direction of maximum diffusion of impurities perpendicular to these faces. 3. Источник электрического тока по п.1, отличающийся тем, что расстояние между слоями p- и n-типа равно 1-3 толщины запирающего слоя соответствующего p-n-перехода.3. The electric current source according to claim 1, characterized in that the distance between the p- and n-type layers is 1-3 times the thickness of the barrier layer of the corresponding p-n junction. 4. Источник электрического тока по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, для части полупроводниковых кристаллов имеется возможность соединения выходных контактов этих кристаллов, объединяющих контакты от слоев p-типа или n-типа и создающих положительный или отрицательный электрический потенциал, по схемам параллельного и/или последовательного соединения кристаллов в батарею электрических элементов, что позволяет увеличить мощность источника электрического тока не менее чем в 1000 раз.4. The electric current source according to claim 1, characterized in that, at least for part of the semiconductor crystals, it is possible to connect the output contacts of these crystals, combining the contacts from the p-type or n-type layers and creating a positive or negative electric potential, according to schemes of parallel and / or serial connection of crystals into a battery of electrical elements, which allows to increase the power of the electric current source by at least 1000 times. 5. Источник электрического тока по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена с использованием циркуляции водяного или воздушного потока, омывающих нагретые части источника, и/или с использованием внешнего радиатора, в качестве которого, например, может быть использовано основание, на котором закреплены полупроводниковые кристаллы.

5. The electric current source according to claim 1, characterized in that the cooling system is made using the circulation of water or air flow, washing the heated parts of the source, and / or using an external radiator, for which, for example, a base can be used, which semiconductor crystals are fixed.