دنیای نانو

دنیای نانو

شبیه‌سازی و ساخت باتری بتاولتائیک به منظور استفاده در ضربان‌ساز قلب با استفاده از نیمه‌رسانای SiC و مقایسه چشم‍ه‌های Ni63 ، Sr90

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده فیزیک و مهندسی هسته ای. دانشگاه صنعتی شاهرود. شاهرود. ایران
2 دانشکده فیزیک و مهندسی هسته ای، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
3 دانشکده فیزیک و مهندسی هسته‌ای، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود- ایران
چکیده
در این پژوهش، طراحی و شبیه‌سازی و ساخت یک باتری بتاولتائیک برای کاربرد در مولد انرژی نوسان‌سازهای قلب مبتنی بر چشمه Ni63و Sr90 با استفاده از نیم‌رسانای کاربید سیلیکون مورد بررسی قرار گرفت. شبیه‌سازی‌ها به روش مونت کارلو و با استفاده از کد MCNPX انجام شد تا ضخامت بهینه لایه نیم‌رسانا و میزان انرژی جذب‌شده در لایه‌ها تعیین شود. و طبق آن ضخامت ۲ میکرومتر به عنوان ساختار بهینه معرفی شد وبراساس آن مقدار چگالی جریان اتصال کوتاه برابر با 2/19 نانوآمپربر سانتی متر مربع ، مقدار ولتاژ مدار بازبرابر با 47/2 ولت و درصد بازدهی برابر با 5/35 برای چشمه Ni63و برای چشمه Sr90 مقدار چگالی جریان اتصال کوتاه برابر با 25/126 نانوآمپربر سانتی متر مربع ، مقدار ولتاژ مدار بازبرابر با 560/2 ولت و درصد بازدهی برابر با 8/1 به دست آمد.

در مرحله ساخت، دو روش دکتر بلید و کندوپاش برای رسوب‌دهی لایه‌ها مورد استفاده قرار گرفت و چهار نوع زیرلایه شیشه، آلومینیوم، ویفر سیلیکونی و تنگستن ارزیابی شد. این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از نیم‌رسانای کاربید سیلیکون و چشمه Ni63، Sr90 همراه با بهینه‌سازی ضخامت لایه‌ها و انتخاب زیرلایه مناسب، امکان ساخت باتری‌های بتاولتائیک با عملکرد قابل اعتماد، ایمنی پرتویی بالا، طول عمر طولانی و چگالی انرژی بالا با پتانسیل اولیه برای کاربردهای توان پایین از جمله در مولد انرژی نوسان‌ساز قلب را فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Simulation and Fabrication of Betavoltaic Batteries for Pacemaker Applications Using SiC Semiconductor: A Comparative Study of Ni-63 and Sr-90 Sources

نویسندگان English

Mahdieh Mirzamohammadi 1
Hossein Tavakoli-Anbaran 2
Mohammad Maghsodi 3
1 Faculty of Physics and Nuclear Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Faculty of Physics and nuclear engineering, Shahrood university of technology, Sharood. Iran
3 Faculty of Physics and Nuclear Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

In this study, the design, simulation, and fabrication of a betavoltaic battery for application in cardiac pacemaker power generators are investigated using Ni-63 and Sr-90 radioisotope sources in combination with silicon carbide (SiC) as the semiconductor material. Monte Carlo simulations were performed using the MCNPX code to determine the optimal semiconductor layer thickness and to evaluate the amount of energy deposited within each layer. Accordingly, a semiconductor layer thickness of 2 µm was identified as the optimal structure. The simulated electrical performance of the Ni-63 based device yielded a short-circuit current density of 19.2 nA/cm², an open-circuit voltage of 2.47 V, and an energy conversion efficiency of 35.5%. For the Sr-90 source, the corresponding values were obtained as a short-circuit current density of 126.25 nA/cm², an open-circuit voltage of 2.560 V, and an energy conversion efficiency of 1.8%, respectively.



During the fabrication stage, Doctor Blade and sputtering techniques were employed for layer deposition, and glass, aluminum, silicon wafer, and tungsten substrates were systematically examined. Overall, this work confirms that the combination of SiC semiconductor layers with Ni-63 and Sr-90 radioisotope sources, along with optimized layer thickness and appropriate substrate selection, enables the development of reliable betavoltaic batteries featuring high radiation safety, long operational lifespan, and elevated energy density, with initial potential for low-power applications, including cardiac pacemaker power generators.

کلیدواژه‌ها English

MCNPX simulation code
SiC semiconductor
Sr90 source
Ni63 source

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 12 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 22 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 04 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 12 مهر 1405