НИИ НПО «Луч», Подольск, Россия:

А. А. Давыдов, ведущий инженер-программист
С. А. Марковин, инженер 2-й категории
А. В. Попкова, старший научный сотрудник, эл. почта: popkova-alena@rambler.ru
Е. Н. Фёдоров, главный специалист

Весьма актуальным направлением развития микросистемной техники является создание радиационно-стимулированных источников питания с длительным периодом эксплуатации (50 лет и более). Определяющая роль в создании таких источников отводится разработке источников бета-излучения оптимальных размеров и их совмещению с полупровод никовыми преобразователями, изготовленными из кремния или широкозонных полупроводников. В статье обоснован выбор изотопа ⁶³Ni в качестве источника бета-излучения. Представлены результаты экспериментов по получению источника бета-излучения на основе ⁶³Ni для радиационно-стимулированных источников питания, способных обеспечить многолетнее электроснабжение микросистем, в том числе находящихся в недоступных местах. Определена оптимальная толщина источника излучения для бета-вольтаических элементов на основе ⁶³Ni. Сформулированы требования к выбору метода создания источника бета-излучения ⁶³Ni. Разработаны основы технологии создания бета-излучателя в виде фольги 63Ni из раствора хлорида никеля в соляной кислоте посредством получения порошка оксалата никеля, его термического разложения до порошка никеля, последующей плавки и прокатки до фольги ⁶³Ni толщиной 3 мкм, которая по теоретическим расчетам является оптимальной для двухстороннего преобразования излучения источника. Приведены термограмма разложения порошка оксалата никеля и гистограмма распределения частиц порошка никеля по размерам. Определены режимы спекания, плавления, выдержки и охлаждения порошка никеля. Изучена микроструктура порошка никеля и установлено присутствие в нем конгломератов частиц размером 20–120 мкм, состоящих из отдельных частиц дисперсностью 1–5 мкм. Методами рентгенофазового и рентгенофлуоресцентного анализов определены состав фольги и ее структура (97,58 % Ni). Получена фольга никеля толщиной 3 мкм с однородной структурой поверхности.

Работа выполнена по государственному заданию при финансовой поддержке в лице Минобрнауки России на 2015–2016 гг., соглашение № 14.625.21.0031 (Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI62515X0031).

1. Акульшин Ю. Д., Лурье М. С., Пятышев Е. Н., Глуховский А. В., Казакин А. Н. Бета-вольтаический МЭМС-преобразователь энергии // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2014. Вып. 5 (205). С. 35–42.
2. Нагорнов Ю. С. Современные аспекты применения бета-вольтаического эффекта. — Ульяновск : УлГУ, 2012. — 113 с.
3. Li Da-Rang, Jiang Lan, Yin Jian-Hua, Tan Yuan-Yuan, Liin Nai. Betavoltaic battery conversion efficiency improvement based on interlayer structures // Chinese Physics Letters. 2012. Vol. 29, No. 7. 078102. 30.
4. Зайцев С. И., Павлов В. Н., Панченко В. Я., Поликарпов М. А., Свинцов А. А., Якимов Е. Б. Сравнение эффективности детекторов бетаизлучения из ⁶³Ni, изготовленных из кремния и широкозонных полупроводников // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2014. № 9. С. 9–12.
5. Краснов А. А., Леготин С. А., Диденко С. И., Омельченко Ю. К., Мурашев В. Н., Рабинович О. И., Юрчук С. Ю., Яромский В. П. Оптимизация эффективности преобразования энергии бетавольтаического элемента на основе кремния // Физика и технология наноматериалов и структур : сборник научных статей 2-й Международной научно-практической конференции (24–26 ноября 2015 г.) : в 2 томах. Т. 2. — Курск : ЗАО «Университетская книга», 2015. С. 134–142.
6. Юрчук С. Ю., Краснов А. А., Леготин С. А., Омельченко Ю. К., Диденко С. И., Мурашев В. Н., Рабинович О. И., Осипов Ю. В. Моделирование вольт-амперных характеристик бетавольтаического источника питания // Физика и технология наноматериалов и структур : сборник научных статей 2-й Международной научно-практической конференции (24– 26 ноября 2015 г.) : в 2 томах. Т. 2. — Курск : ЗАО «Университетская книга», 2015. С. 117–124.
7. Bryskin B., Pustovalov A., Tsvetkov L., Fedorov V., Kostylev A. Highly enriched nickel-63 radionuclide for -voltaic nuclear batteries // J. Energy Technology. 2014. No. 2. P. 210–214.
8. Hui Guo, Yanqiang Shi, Yuming Zhang, Yujuan Zhang, Jisheng Han. Fabrication of SiC p–i–n betavoltaic cell with ⁶³Ni irradiation source // IEEE. 2011.
9. Duggirala R., Lal A., Radhakrishnan Sh. Radioisotope thin-film powered microsystems. New York : Springer Science + Business Media LLC, 2010.
10. Katz L., Penfold A. S. Range-energy relations for electrons and the determination of beta-ray end-point energies by absorption // Reviews Modern Physics. 1952. Vol. 24. P. 28–35.
11. Tang XiaoBin, Ding Ding, Liu YunPeng. Optimization design and analysis of Si – ⁶³Ni betavoltaic battery // Science China. Technological Sciences. 2012. Vol. 55, No. 4. P. 990–996.
12. Kanaya K., Okayama S. Penetration and energy-loss theory of electrons in solid targets // Journal of Physics D : Applied Physics. 1972. Vol. 5. P. 43–58.