Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [41] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93

решении ряда весьма сложных проблем могла бы рассматриваться как наиболее перспективная в конструктивном отношении.

Несомненный интерес представляет также совмещение ядерного источника энергии с термоэмиссионным и термоэлектрическим преобразователями энергии. Такое сочетание позволит значительно увеличить полезный температурный перепад и получить достаточно высокий суммарный к. п. д. процесса прямого преобразования энергии.

§ 11. ВЛИЯНИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Применение радиоизотопных или ядерных источников энергии в термоэлектрических устройствах и установках характеризуется тем, что полупроводниковые материалы оказываются под действием радиационных полей. Обычно а- и -излучения, проникающая способность которых невелика, могут не учитываться, однако влияния у- и нейтронного излучений на свойства термоэлектрических материалов избежать не удается.

Интенсивность излучений, действующих на термоэлементы, может колебаться в очень широких пределах в зависимости от характеристик источника, геометрического расстояния от него до термоэлементов, свойств среды на пути радиационных потоков и многих других факторов. Особенно важно учитывать влияние радиационных полей на полупроводниковые материалы в случае размещения термоэлементов непосредственно на тепловыделяющих элементах в активной зоне ядерного реактора.

Из теории термоэлектрических эффектов известно, что существует значительное влияние концентрации носителей заряда, или дефектов кристаллической решетки, на термоэлектрические свойства полупроводниковых материалов. Выше указывалось, что дефекты кристаллической решетки, создаваемые примесями, радиационными полями и другими способами, позволяют изменить свойства полупроводников. В принципе воздействие радиационных полей может не только ухудшать термоэлектрические свойства полупроводниковых материалов, но иногда и улучшать их. Очевидно, изменение свойств полупроводникового материала зависит не только от его исходных характеристик, но и от вида излучения (потоки Y"квантов или нейтронов), величин потоков и длительности пребывания материала в радиационном поле. Существенное влияние должна оказывать и температура, при которой происходит процесс облучения. Особенное действие на термоэлектрические свойства полупроводниковых материалов, видимо, оказывают быстрые нейтроны и жесткое -излучение.

Механизм взаимодействия нейтронов и 7-излучения с ядрами полупроводникового материала заключается в следующем:



1. При столкновении с ядрами атомов полупроводникового материала быстрые нейтроны обмениваются с ними энергией. Величина этой энергии чаще всего превышает энергию связи атомов в молекулах, вследствие чего возможен разрыв химических связей и сдвиг атомов в кристаллической решетке с образованием вакансии. В некоторых случаях атом при столкновении с быстрым нейтроном может приобрести энергию, во много раз превышающую пороговую энергию смещения. Это приведет к последовательному возникновению большого количества вторичных вакансий и значительному изменению термоэлектрических характеристик материала, даже при относительно небольших интегральных потоках.

Тепловые нейтроны, а также нейтроны промежуточной (до 300 эв) энергии, по-видимому, не в состоянии вызвать большого количества смещений атомов в кристаллической решетке. Поэтому даже при больших интегральных потоках их влияние на термоэлектрические свойства будет значительно меньшим, чем в случае быстрых нейтронов.

2. у-кванты при взаимодействии с полупроводниковым материалом выбивают электроны из оболочки атомов, сообщая им значительную энергию. Электроны, получившие эту энергию, могут разрушить химические связи атомов в молекулах, что также приведет к изменению термоэлектрических свойств.

В ряде случаев необходимо также учитывать явление превращения атомов под действием радиоактивного излучения и легирование полупроводникового материала осколками деления. G)-вершенно естественно, что изменение свойств полупроводникового материала в радиационном поле зависит также от его ядерно-физических свойств.

Табл. 8, иллюстрирующая различия в величине эффективного сечения поглощения тепловых нейтронов и других ядерно-физических характеристик некоторых веществ, применяемых в термоэлектрических устройствах, позволяет сделать вывод о том, что влияние радиоактивного излучения может быть существенно различным в зависимости от 1иатериала [13].

В качестве примера рассмотрим некоторые экспериментальные данные, полученные на Брукхейвенском реакторе 6MTR и реакторе TR фирмы Westinghouse. В результате этих экспериментов были определены коэффициент термоэдс и удельное электрическое сопротивление некоторых термоэлектрических материалов до и после облучения и непосредственно в процессе облучения.

Результаты экспериментов (первая группа), основанных на замерах свойств термоэлектрических материалов Bi-Ge-Те, GeTe и РЬТе до и после облучения, показаны на рис. 75-78 [44].

Вторая группа экспериментов базировалась на замерах термоэлектрических характеристик материалов непосредственно в реакторе. Схемой устройства для замеров (рис. 79) предусматривалась возможность пропускания через образец постоянного тока и ав-



тематическая запись показаний приборов. Коэффициент термоэдс и величина электрического сопротивления определялись в функции продолжительности облучения и величины потока.

>

?7J т т S73 673 773 1°К


Рис. 75. Графики зависимостей as = as (Г) и р=р (Т) до и после облучения образцов из Geo.os Bio.os Те интегральным потоком тепловых нейтронов 9,43-1018 .-2

I - после облучения: 2 - до облучения;

773 Ш т 573 673 773 873 Щ

Рис. 76. Графики зависимостей as=as (Г) и р = р (Т) до и после облучения образцов Geo.ssBiosTe интегральным потоком тепловых нейтронов 1,5-10" см~ (а, б). у - до облучения: 2 - после облучения

Таблица 8

Ядерно-физические характеристики некоторых термоэлектрических материалов

, О

CJ С .

Продукты активации

О -

§

Элемент

Р* 11

s о ь

<

я S

о

<

и 5

s iS 2

bog < E a

g S к X >J

о <U я Д Д

a" So о

s о о с о •s- 5 ш &

< о U Е- Е-

Висмут

209,0

2,82

0,0004

725 лет

4,90а

Германий

72,6

4.53

0,13

82 мин.

1,20Р

Кадмий

112,41

4,63

43 дня

1,62Р

Кремний

28,06

5,19

0,010

2,6 часа

l,80v

Мышьяк

74,91

4,61

0,20

27 час.

з.ор

Свинец

207,21

3,30

0,007

3,3 часа

1.45Р

0,70у

Селен

78,96

3,43

0,52

59 мин.

1.44Р

Сера

32,06

3,76

0,015

87 дней

1,92Р

Серебро

107,88

5.86

2,3 мин.

2,70Р

Сурьма

121,76

3,31

0,17

60 дней

1,62р

Теллур

127,61

2,95

0,12

25 мин.

1,80Р

Цинк

65,38

6,67

0,060

250 дней

1.14V



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [41] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93



0.0012