Geri Dön

Simulation of betavoltaic batteries with geant4

Betavoltaik pillerin geant4 programı ile benzetimi

PDF İndir

  1. Tez No: 733573
  2. Yazar: BERRİN CANKILIÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSKENDER ATİLLA REYHANCAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Nükleer Mühendislik, Physics and Physics Engineering, Nuclear Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Radyasyon Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 77

Özet

Lityum iyon piller yaygın olarak kullanılan pillerdir ancak kısa deşarj süreleri ve ısıdan kolayca etkilenmelerinden dolayı bazı uygulamardan doğan ihtiyaçları tam olarak karşılayamamaktadırlar. Bu noktada betavoltaik piller, uzun ömürleri, yüksek entegrasyon kabiliyetleri, istikrarlı çalışma performansları, -50 °C - +150 °C arasındaki sıcaklıklara dayanabilen operasyonel performansları gibi özellikleriyle dikkat çekmektedirler. Ek olarak, betavoltaik piller, düşük güç gerektiren uzaktan kontrollü uygulamalar için de idealdir çünkü betavoltaikler bakım gerektirmeden uzun süreler boyunca çalışabilirler. Tıbbi cihazlar, savunma, uzay ve petrol kuyusu uygulamaları ve uzaktan kontrollü sensörler, betavoltaik pilleri ticarileştirmeye yönelik uygulamalardan bazılarıdır. Paul Rapport, 1953 yılında betavoltaik çalışma prensibini tanımlayan ilk araştırmacıydı. Rapport deneyinde %0.2 verim elde etti, ancak radyasyon hasarı nedeniyle calışmaları yüksek başarı elde edemedi. Bununla birlikte, 1950'lerin ortalarından bu yana, betavoltaik piller bilim insanları tarafından hem malzeme bilimi hem de tasarım açısından geliştirilmeye devam etmektedir. 1968-1974 yılları arasında, Larry Olsen liderliğindeki bir araştırma grubu, betavoltaik enerji dönüşümünü arttırmaya odaklandı ve %4 verimliliğe, 10 yıldan fazla pil ömrüne sahip Betacel kalp pillerini geliştirdi. Betacel kalp pilleri, 100'den fazla hastanın kalp pillerine yerleştirildi. Betavoltaik bataryalar ile ilgili çalışmalara bir süre ara verildikten sonra, 2006 yılında yeniden bu alanda çeşitli çalışmalar yapılmaya ve önemli gelişmeler elde edilmeye başlanmıştır. CityLabs, kendi betavoltaik pillerini geliştiren şirketlerden bir diğeridir. CityLabs tarafından geliştirilen Nano-TritiumTM betavoltaik batarya, şuan halihazırda piyasada mevcuttur ve herhangi bir kullacı tarafından satın alınabilmektedir. Betavoltaiklerin çalışma mekanizması, fotovoltaiklerin çalışma mekanizmasına çok benzemektedir. Güneş hücreleri akım oluşturmak için güneşten gelen fotonları emer fakat betavoltaik hücreler akım oluşturmak için radyonüklitlerden gelen beta elektronlarının enerjisini kullarak akım oluşturur. Ayrıca, güneşten gelen her foton yarıiletkende bir elektron-hol çifti oluştururken, betavoltaiklerde radyoaktif bir kaynak tarafından yayılan her beta parçacığı yüzlerce hatta binlerce elektron-hol çifti üretebilir. Bir betavoltaik pilde, yarı iletken ile etkileşime giren beta parçacıklarının kinetik enerjileri sayesinde elektrik akımı üretilir. Kinetik enerjinin bir kısmı akım oluşturmak için kullanılırken bir kısmı yarı iletkenin kafesinde kaybolur. Bu nedenle, bu elektronhol çiftlerinin malzemenin hangi bölümünde oluştuğu önemli bir ayrıntıdır. Tükenim bölgesi olarak adlandırılan, p ve n tipi yarı iletkenin birleşme bölgesindeki elektrik alanda oluşan elektron-hol çiftleri, betavoltaik dönüştürücüde akıma en çok katkı sağlayan faktörlerdir. Bu nedenle elektrik nerjisinin üretilebilmesi için kaynaktan gelen beta parçacıklarının, kullanılan yarıiletkenin tükenim bölgesine ulaşması gerekir. Bunun sonucu olarak radyonüklitden yayılan beta parçacıklarının enerjisi ile kullanılan yarıiletken malzemenin özellikleri birbiriyle uyumlu olmalıdır. Yarıiletkende oluşan hol ve elektronlar tükenim bölgesindeki elektrik alan tarafından toplayıcılara doğru ivmelendirilir ve bu ayrılmış elektron-hol çiftleri üretilen akıma katkıda bulunur. Öte yandan betavoltaik pillerde kullanılan radyonüklit seçiminde insan sağlığına zarar vermeyecek, güvenli ve saf beta yayan bir radyoaktif kaynak kullanılmalıdır. H-3 ve Ni-63, enerjileri ve uyumlulukları nedeniyle betavoltaik pil çalışmaları için en yaygın kullanılan radyoizotoplar olmasına rağmen, S-35, Kr-85, Y-90 ve Pm-147, ilgi duyulan diğer alternatif radyoizotoplardır. Uygun radyoaktif kaynak seçilirken sadece insan sağlığı için değil aynı zamanda yarı iletken malzemenin iç yapısına zarar vermeyecek bir enerjiye sahip olan kaynak seçimi yapılmalıdır. SiC, GaN, GaP, GaAs ve AlGaAs gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenler radyasyon hasarına karşı dirençlidir ve bu alandaki gelişmelere katkıda bulunur. Bu tez çalışmasında, arka planında Monte Carlo yöntemini kullanan Geant4 yazılımı ile oluşturulan bir simülasyon modeli dizayn edilmiştir. Geant4, yüksek enerji fiziğinden medikal fiziğe kadar değişen uygulamalarla akademi ve endüstride yaygın olarak kullanılan bir yazılımdır. GEANT4 yazılımı kullanıcıya farklı malzeme ve farklı geometriler oluşturup, kapsamlı bir dizi fizik süreci ile parçacıkların davranışlarını modelleme imkanı sunar. Calışmada kullanılan malzemelere literatür araştırması sonucunda karar verilmiştir. Simülasyon çalışması, farklı yarı iletkenler ve radyoaktif kaynaklar kullanarak pil gövdesinde biriken enerjileri karşılaştırır. Yarı iletken dönüştürücü olarak silisyum (Si), silisyum karbür (SiC), galyum nitrür (GaN), galyum arsenit (GaAs) ve alüminyum galyum arsenit (AlGaAs) malzemeleri kullanılırken, beta kaynağı olarak Nikel-63 (Ni-63) ve Trityum (3H) gibi radyoizotoplar kullanılmıştır. SiC, Si, GaN, AlGaAs ve GaAs yari iletken malzemeleri ile trityum kaynağı kullanıldığında sirasiyla %90.78, %88.18, %81.90, %79.45 ve %77.15 enerji birikim verimlilikleri elde edilmiştir. SiC yarı iletkeni ve trityum kaynağının birlikte kullanılması ile daha yüksek enerji birikim verimine ulaşıldığı gözlenlenmiştir. GaN, SiC, GaAs, Si ve AlGaAs yari iletken malzemeleri ile Nikel-63 kaynağı kullanıldığında sırasıyla %80.53, %76.30, %74.73, %66.85 ve %61.48 enerji birikim verimlilikleri elde edilmistir. GaN yarı iletkeni ve Nikel-63 kaynağının birlikte kullanılmasının daha yüksek enerji biriktirme verimine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Bu simülasyon için tasarlanan yarı iletken dönüştürücü, 10 μm kalınlığında ve 1x1 mm2 yüzey alanına sahip bir dikdörtgen prizma şeklindedir. 10 μmlik toplam kalınlık, yarı iletkenlerde en yüksek enerji birikimi aralığını belirlemek için toplam için 0,2 μm lik toplam 50 dilimlik katmanlara bölünmüştür. Trityum kaynağından yayılan beta parçacıkları ilk 1 μm mesafede enerjilerinin çoğunu kaybederken, Nikel-63 kaynağından yayılan beta parçacıkları ilk 5 μm mesafede yarı iletkene enerjilerini vererek enerjilerini tüketirler. Nickel-63 kaynağının tritium kaynağına kıyasla enerji yoğunluğunun fazla olmasından dolayı elde edilen kalınlık farkı beklenen bir farktır. Tükenme bölgesine ulaşan beta parçacıkları malzemeyi iyonize eder ve o bölgede elektron-hol çiftleri oluşturarak betavoltaik hücredeki akım oluşumuna önemli ölçüde katkıda bulunur. Bu nedenle, yarı iletkenin tükenme bölgesi, betavoltaik pilin ana iyonlaştırıcı radyasyon alanına karşılık gelmelidir. Bu nedenle, kaynağın 400 nm altında 1 μm'lik bir tükenme bölgesi tasarlanmış ve bu bölgede depolanan enerji ve enerji biriktirme verimliliği hesaplanmıştır. Trityum ile birlikte yapılan simulasyon çalışmasında, GaN ve GaAs malzemelerinin tükenme bölgesinde biriken enerji miktarı çok düşüktür. Trityumdan yayılan beta parçacıkları, enerjilerinin çoğunu ilk 0,4 mikrometre kalınlığında biriktirdiğinden, bu malzemelerin tükenme bölgeleri 0,4 mikrometreden daha kısa bir mesafeye yerleştirilmek üzere tasarlanmalıdır.

Özet (Çeviri)

Lithium-ion batteries are widely used batteries, but they have short discharge periods and are easily affected by heat. At this point, betavoltaic batteries draw attention due to their features, like their long lives, easy integration abilities, stable working performances, and operational performances at low and high temperatures, which withstand temperatures of -50 °C up to +150 °C. In addition, betavoltaic batteries are ideal for low-power remote electrical applications because BVs provide long operating times without maintenance requirements. Medical devices, defence systems, space and oil-well applications, and remote sensors are some applications to commercialize betavoltaic batteries. Paul Rapport was the first researcher to define the betavoltaic effect in 1953. Rapport obtained 0.2% efficiency in his experiment, but because of the radiation damage, the the experiment could not get high success. Nevertheless, since the mid-1950s, betavoltaic batteries have continued to be developed by scientists both in terms of materials science and design. Between 1968-1974, a research group led by Larry Olsen focused on increasing the betavoltaic energy conversion, and they developed the Betacel pacemakers, which have 4% efficiency and over 10-year battery life. The Betacel pacemakers were implanted into pacemakers in over 100 patients. After a break in the studies about BVs, in 2006, various studies and significant developments were started to be carried out in this field again. City-Labs is one of the companies that developed their battery. Nano- TritiumTM battery was developed by City Labs and it is commercially available. The working mechanism of betavoltaics is very similar to that of photovoltaics. However, instead of absorbing photons coming from the sun to create a current out of a solar cell, beta radiation is caused by beta particles (electrons) from the radionuclides. In a betavoltaic battery, electric current is produced by the kinetic energy of beta particles interacting with the semiconductor. Some portions of the kinetic energy are used for creating current, and some portions are lost to the lattice of the semiconductor. Therefore, it is an essential detail in which part of the material these EHPs are formed. Electron-hole pairs formed in the electric field in the junction region of the p and n-type semiconductor called the depletion region, are the factors that most contribute to the current from the EHPs formed in the betavoltaic converter. Therefore, for creating electrical energy, beta particles coming from the source should reach the depletion region of the used semiconductor junction. For this reason, the energy of the beta particles emitted from the radionuclide and the properties of the semiconductor material used should be compatible with each other. The holes and electrons formed in the semiconductor are accelerated to the collectors, and these separated electron-hole pairs contribute to the generated current. On the other hand, a safe, pure, beta-emitting radioactive source that will not harm human health should be used in selecting radionuclide used in betavoltaic batteries. Although H-3 and Ni-63 are the most widely used radioisotopes for betavoltaic battery studies due to their energy and compatibility, S-35, Kr-85, Y-90, and Pm-147 are other alternative radioisotopes of interest. When choosing the appropriate radioactive source, it should be taken into account that it is not only for human health but also that the semiconductor material has an energy that will not harm its internal structure. Wide bandgap semiconductors like SiC, GaN, GaP, GaAs, and AlGaAs are resistant to radiation damage and contribute to the developments in this area. This thesis has a simulation study with the Geant4 toolkit, which uses the Monte Carlo method in its background. The materials used were decided as a result of literature research. The simulation study compares the deposited energy on the battery body using different semiconductors and radioactive sources. Silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), and aluminium gallium arsenide (AlGaAs) are used as semiconductor transducers, and Nickel-63 (Ni-63) and Tritium (H-3) are used as beta sources. The deposited energy value is in descending order in the materials SiC, Si, GaN, AlGaAs and GaAs with %90.78, %88.18, %81.90, %79.45 and %77.15 energy deposition efficiencies when using a tritium source. It is observed that using SiC semiconductor and tritium source has higher energy deposition efficiency. The deposited energy value is in descending order in the materials GaN, SiC, GaAs, Si and AlGaAs with %80.53, %76.30, %74.73, %66.85 and %61.48 energy deposition efficiencies when using a Nickel-63 source. It is observed that using GaN semiconductor and Nickel-63 source has higher energy deposition efficiency. The semiconductor converter designed for this simulation has the shape of a rectangular prism with a thickness of 10 μm and 1x1 mm2 surface area. 10 μm total thickness is divided into 0.2 μm layers for a total of 50 slices to determine the range of peak energy deposition in semiconductors. Beta particles emitted from the Tritium source lose most of their energy in the first 1 μm thickness, while beta particles emitted from the Nickel-63 source consume their energy by releasing their energy to the semiconductor at the first 5 μm thickness.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    605513

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

    Experimental investigation of Nickel-63 and Promethium-147 radioisotope-powered betavoltaic and direct charge nuclear batteries

    SELİM AYDIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EROL KAM

  2. Tez No

    900625

    III-V grubu yarıiletken malzeme tabanlı ince film beta (β) voltaik hücrelerin tasarımı ve modellenmesi

    Design and modeling of III-V group semiconductor material based thin film βeta (β) voltaic cells

    SAMET ÖZDEMİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA KULAKCI

  3. Tez No

    82576

    Simulation of grouting in one dimensions

    Enjeksiyon çamuru dağılımının tek boyutlu hesaplanması

    HAKAN ELMALI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN GER

  4. Tez No

    82666

    Simulation of condenser microphone behavior

    Kapasitif mikrofon davranışının simülasyonu

    CAFER KIRBAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞAKİR ERKOÇ

  5. Tez No

    75625

    Simulation of groundwater flow using a numerical flow model-a case study: Application of modflow to misli groundwater basin

    Sayısal bir akım modeli kullanarak yeraltı su akımı simülasyonu. Bir durum çalışması: Misli yeraltı suyu havzasına modflow uygulanması

    ÖZLEM ACAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİL ÖNDER

Geri Dön