Nikel-63 ve prometyum-147 rasyoizotopları ile güçlendirilmiş betavoltaik ve doğrudan şarjlı nükleer pillerin deneysel incelenmesi

Abstract

Yapılan tez çalışmasında, Ni-63 radyoizotopu ile güçlendirilmiş doğrudan dönüşümlü (betavoltaik) ve Pm-147 kaynağı ile güçlendirilmiş doğrudan şarjlı nükleer prototipleri geliştirilmiştir. Geliştirilen betavoltaik nükleer pilin açık devre voltajı ve kısa devre akımı ölçülmüş, akım-voltaj eğrileri çizilmiş, dolum faktörü ve verim değerleri hesaplanmıştır. Geliştirilen doğrudan şarjlı nükleer pil prototipi üzerinde biriken toplam yük, doyum voltajı, şarj akımı ve kapasitans ölçümleri yapılmıştır. Elde edilen ölçüm sonuçlarından pilde depolanan enerji, maksimum güç ve verim değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca nükleer pil protiplerinin akım-voltaj-güç ölçümlerinin bilgisayar kontrollü olarak yapılması için Labview tabanlı nükleer pil karakterizasyon yazılımı geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılım kullanılan radyoaktif kaynağın türüne ve aktivitesine bağlı olarak verileri analiz etmekte ve pilin maksimum akım-voltaj, dolum faktörü, kısa devre akımı, açık devre voltajı ve verim değerlerini otomatik olarak hesaplamaktadır. Tez araştırmasının birinci kısmında, Ni-63 tabanlı betavoltaik nükleer pil ve ölçüm sistemi geliştirilmesi üzerine çalışılmıştır. Çalışmanın birinci aşamasında, GaN yarı iletken malzemesinin karakteristik parametreleri ve aktif bölge kalınlığı simülasyonları yapılmıştır. Yapılan Monte Carlo modellemeleri, Ni-63 beta enerji spektrumu için, GaN tüketim bölgesi genişliğinin 450 nm ile 2.1 μm arasında olması gerektiğini göstermiştir. GaN p bölgesinin katkılama yoğunluğu dikkate alınarak yapılan simülasyon ve teorik hesaplamalara göre, Ni-63 kaynağından yayımlanan ortalama 17.4 keV enerjili beta parçacık enerjisinin tamamına yakınının, 1 μm içerisinde soğurulduğu görülmüştür. Bu sebeple yarı iletkenin aktif bölge kalınlığının 1 μm civarında olmasının uygun olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca, Silvaco yarı iletken aygıt simülasyon programı ve Tracer Monte-Carlo simülatörü ile elde edilen sonuçlar kullanılarak, aygıt tasarımı, epitaksi büyütme ve aygıtların performansını etkileyen faktörlerden, kontak direncinin düşürülmesi için çalışmalar yapılmıştır. Epitaksi büyütmeleri Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiş ve metal kontakları yapılarak ölçüme hazır hale getirilmiştir. Farklı özelliklerde birçok yarı iletken aygıt geliştirilmiştir. Üretilen aygıtların karanlık akımları ölçülmüş ve morötesi dalgaboylarında, fotonlara tepkiselliği gözlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, Ni-63 ve Pm-147 radyoaktif ince film üretim çalışmaları yapılmıştır. Bunun için MCNP simülasyonu ile, optimum ince film kalınlığının ne olması gerektiği belirlenmiştir. Elde edilen kalınlık değeri için, kaynağın kendini hangi oranda zırhladığı ve beta enerji spektrumunun hangi oranda değiştiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar kullanılarak, Ni-63 kaynağı elektroliz yöntemi ile, Pm-147 kaynağı ise damlatma yöntemi ile metal üzerine kaplanmıştır. Son aşamada hazırlanan radyoaktif ince filmler, GaN yarı iletken aygıtlar ile birebir örtüştürülerek betavoltaik nükleer pilin üretimi tamamlanmıştır. Üretilen prototipler, uygun bir vakum hücresi içerisine yerleştirilerek vakum altında akım-voltaj-güç ölçümleri yapılmıştır. Geliştirilen ilk betavoltaik nükleer pil prototipi üzerinde yapılan ölçümlerde, açık devre voltajı 0.65 V, kısa devre akımı 0.1 nA ve maksimum güç 0.016 nW olarak bulunmuştur. Pilin verimi % 0.05, dolum faktörü (FF) 0.25 civarındadır. Geliştirilen ikinci prototip üzerinde yapılan ölçümlerde açık devre voltajı 0.98 V, kısa devre akımı 0.4 nA ve maksimum güç 0.11 nW olarak elde edilmiştir. Pilin verimi %0.35 ve dolum faktörü (FF) 0.28 olarak hesaplanmıştır. Ölçülen değerler, kaynağın toplam aktivitesinin 1 mm2’ lik yarı iletken eklem alanına denk gelen 0.75 mCi aktivite ile elde edilmiştir. Tez araştırmasının ikinci kısmında, Pm-147 tabanlı doğrudan şarjlı nükleer pil düzeneği hazırlanmış ve kurulan düzenek yüksek vakum hücresi içerisine yerleştirilmiştir. Ölçümlerin yapılabilmesi için, nükleer pilin kontakları, vakum bağlantı ekipmanları ile hücre dışına taşınmıştır. Deney kurulumu tamamlandıktan sonra, ölçüm cihazları sırayla bağlanarak, pilin akım, voltaj ve kapasitans değerleri ölçülmüştür. Ayrıca vakum hücresinin üzerine yerleştirilen elektrostatik alan/voltaj ölçer ile, nükleer pilin plakalarında biriken toplam yük ve voltaj değerleri temassız olarak ölçülmüştür. Toplam 100 mCi aktiviteli Pm-147 radyoizotopla güçlendirilmiş nükleer pil prototipi üzerinde yapılan ölçümlerde, pilin doyum voltajı 421 V, şarj akımı 54 pA ve üretilen maksimum güç 22.7 nW olarak bulunmuştur. Pilin kapasitans değeri 66.8 pF, verim değeri %0.07 civarındadır. Pilde depolanan güç değeri 6 μJ civarındadır. Bu aktivitede teorik verim değeri % 0.21 bulunmasına rağmen deneysel verim değerinin üç kat daha düşük bulunmuştur. Bunun nedeni, ortalama 62 keV enerjili Pm-147 beta parçacıklarının geri saçılma etkisini azaltmak için, metal kolektörler üzerine 25 μm polimid film kaplanmasıdır. Bu kalınlıkta, Katz-Penfold yarı deneysel formül’e göre 49 keV ve altındaki beta spektrumu kaybolmaktadır ve kaplanması gereken polimid film kalınlığı 0.3-0.4 μm’yi geçmemelidir.