بررسی و محاسبه مشخصه‌های باتری بتاولتائیک نانوسیمی چشمه‌ بتازای نیکل-63 با استفاده از Geant4 و COMSOL

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک دانشگاه پیام نور مشهد

2 گروه فیزیک دانشگاه حکیم سبزواری

3 گروه فیزیک دانشگاه فنی حرفه‌ای مشهد

10.24200/nst.2025.1851.2114
چکیده
در این پژوهش، به منظور دقت محاسبۀ پارامترهای باتری بتاولتائیک، توزیع انباشت انرژی ناشی از طیف بتای چشمه نیکل – 63 (63Ni) با استفاده از ابزار Geant4 برای 109 ذره شبیه‌سازی شده و سپس با استفاده از نرم‌افزار COMSOL متغیر‌های مداری در نیم‌رسانای سیلیکون با غلظت ناخالصی ذاتی cm-3 1015×1 = ni و غلظت ناخالصی n و p cm-31016×16/3Nd = و cm-3 1019×1 = Na محاسبه شده‌ است. شبیه-سازی در فعالیت (mCi) 9/2 جهت مقایسه با حالت نظری و اعتبارسنجی روش به کار رفته انجام شده و مقادیر nA 31/27 و mV19/445 به ترتیب برای جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز به دست آمده است. همچنین محاسبات در فعالیت‌های مختلف در بازه (mCi) 1/0 تا (mCi) 10 تکرار شده‌اند. از مقادیر توان بیشینۀ به دست آمده می‌توان نتیجه گرفت که با توجه به هندسه باتری و به حداقل رسیدن اثر خودجذبی چشمه، متغیر‌های مداری باتری‌های نانوسیم در فعالیت‌های یکسان در مقایسه با باتری‌های مسطح بیشتر می‌شوند. این ویژگی‌ها آنها را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای آینده باتری‌های بتاولتائیک تبدیل می‌کند و پیش‌بینی می‌شود به تدریج هندسه‌های بهینه شدۀ نانوسیم‌ها از باتری‌های مسطح بتاولتائیک تجاری فعلی پیشی‌ بگیرند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

The characteristics investigation and calculation of a nanowire betavoltaic battery with a Ni-63 beta source using Geant4 and COMSOL

نویسندگان English

ءMahnaz Zare Harati 1
Ali Asghar Mowlavi 2
Fereshte Fadaei 3
1 Department of Physics, ‎Payam Noor University, Mashhad, Iran
2 Department of Physics, School of Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran.
3 Department of Physics, National University of Skills (NUS), Mashhad, Iran
چکیده English

In this study, to ensure accurate calculation of betavoltaic battery parameters, the accumulated energy deposition from the beta spectrum of a nickel-63 (⁶³Ni) source was simulated using the Geant4 toolkit for 10⁹ particles. Subsequently, the circuit parameters in a silicon semiconductor were calculated with COMSOL, considering an intrinsic impurity concentration of nᵢ = 1×10¹⁵ cm⁻³ and impurity concentrations Nd = 3.16×10¹⁶ cm⁻³ for n-type and Na = 1×10¹⁹ cm⁻³ for p-type regions. Simulations were performed at an activity level of 2.9 mCi to compare the results with theoretical models and to validate the methodology. The obtained values were 27.31 nA for the short-circuit current and 445.19 mV for the open-circuit voltage. Additional simulations were carried out for activity levels ranging from 0.1 to 10 mCi. From the obtained maximum output power values, it can be concluded that considering the battery geometry and the minimization of source self-absorption effects, the circuit parameters of nanowire-based betavoltaic batteries are enhanced compared with planar batteries at identical activity levels and it is anticipated that optimized nanowire geometries will progressively surpass the performance of current commercial planar betavoltaic batteries.

کلیدواژه‌ها English

Batavoltaic battery
Geant4 tool
COMSOL software
Silicon

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 05 مهر 1404