Читать онлайн Все науки. №9, 2024. Международный научный журнал

УДК: 51—71

¹Ибрагимов Дониёр Давронбекович, ²Алиев Ибратжон Хатамович, ³Абдурахмонов Султонали Мукарамович

¹Андижанский машиностроительный институт, 170019, Республика Узбекистан, Андижанская обл., г. Андижан

²НИИ «ФРЯР», ElectronLaboratoryLLC, 151100, Республика Узбекистан, Ферганская обл., г. Маргилан

³Ферганский политехнический институт, 150100, Республика Узбекистан, Ферганская обл., г. Фергана

Аннотация. В работе описано исследование взаимодействия солнечного элемента на основе кристаллического кремния с потоком электронов и гамма-квантов. Для описания взаимодействия использовалась модель анализа резонансных ядерных реакций с расширенной формой анализа. Согласно произведённому теоретическому и эмпирическому исследованию, доказано, что изменений в структуре исследуемых материалов не наблюдаются, как и проявлений с точки зрения фотоэффекта. В заключении приведено описание полученных теоретических результатов.

Ключевые слова: облучение, уравнение ядерной реакции, состав космического излучения, квант, энергия гамма-кванта.

Введение. Космическое излучение, состоящее из целого спектра различных составляющих, в фотонном виде – из инфракрасного, видимого, ультрафиолетового излучения, в волновом спектре – из рентгеновского излучения и гамма-квантов с различными энергиями и в корпускулярном формате – из частиц различных типов: протонов, электронов, дейтронов, тритонов, альфа-частиц, различных ионов и других с различными энергиями, является на сегодняшний день одним из важных объектов для изучения [1, 3]. Проблемы структуры и состояния космических лучей исследуется со стороны многих научно-исследовательских центров, для этого разработаны и размещены на космических орбитах различные научно-исследовательские конструкции в виде спутников, космической станции или зонтов [2; 4—5].

В каждом из представленных конструкций используются в качестве источника энергии солнечные батареи на основе различных технологий. Известно, что солнечные элементы изготавливаются в различных технологиях, их разделяют по структуре на состоящие из кристаллического кремния, аморфного кремния и арсенида галлия. В основном в космических конструкциях используются кремниевые кристаллические солнечные элементы, так как их эффективность более высокая, чем у остальных вариантов. Солнечные элементы, изготовленные на основе арсенида галлия, имеют наиболее высокую КПД, но являются дорогостоящими [3—5; 8—9; 12].

На сегодняшний день, исследования, проведённые на орбите, дали не мало информации о воздействии космического излучения к используемым конструкциям. В этих работах осуществлены исследования по определению степени опасности космического излучения для человеческого организма. [5—8; 10—11]. Также имеются определённые исследования по возможному отражению космического излучения, создавая электромагнитные зеркала при помощи отдельного подбора соответствующей конструкции [12; 17]. Однако, солнечные панели присутствуют в космосе без дополнительных систем защиты и ограничителей, поскольку каждое ограждение или защита не только требует дополнительной энергии, также воздействует на эффективность солнечных панелей [13—15].

Для сравнения, по результатам проведённого исследования 2011—2013 года, доза излучения, набираемая человеком на протяжении его полёта в 180 дней на Марс, что экспериментально было определено посредством направления зонда, составило критические 500 мЗв, что сопоставимо с 500 днями проживания на Марсе. На космической станции, на протяжении работы в 6 месяцев, что также было установлено в ходе этого исследования, облучение составляет чуть больше 90 мЗв, что для сравнения в 4,5 раза больше, чем доза излучения, получаемая сотрудниками в радиационной промышленности, поскольку она составляет 20 мЗв [16; 19—22].

Не маловажным является изучение вопроса о степени отрицательного влияния, наносящаяся различным конструкциям, в том числе энергетическим установкам со стороны космического излучения. Отрицательно влияние на параметры солнечных панелей со стороны корпускулярного излучения в лице тяжёлых ядер – протонов, дейтронов, альфа-частиц и иных установлен теоретически и экспериментально. Поскольку вероятность начала с их стороны одного или нескольких каналов ядерной реакции весьма велики, что также доказывают эксперименты на ускорителях [5; 6—8]. Дополнительным подтверждением этому служат работы, посвящённые вопросам экранирования космических аппаратов [19; 22].

Остаётся на данный момент открытым вопрос степени воздействия на солнечные батареи и энергетические установки быстрых, а также заторможённых электронов, гамма-квантов различной энергии, в том числе фотонов с малыми энергиями на солнечные батареи [3]. Определение степени их влияния позволит изучить процентное соотношение различных типов излучения, где в преобладающем большинстве являются гамма-кванты различных энергий, далее идут протоны, затем электроны и завешают структуру в малой дозе, дейтроны, тритоны, нейтроны, альфа-частицы и прочие тяжёлые ионы [23—24]. Исходя из представленного, можно сделать заключение о том, что задача установления степени воздействия в отличие от корпускулярного тяжёлого излучения, электронов и гамма-квантов с различными энергиями является актуальным.

Методы и материалы исследования

В ходе исследования использован метод анализа литературы, анализа резонансных ядерных реакций, а также метод анализа взаимодействия гамма-квантов с мишенью. В качестве материалов исследования использованы общедоступные данные относительно масс использованных во взаимодействии частиц, энергий, результатов эмпирических исследований.

Исследование

Исследования основывается на анализе облучения мишени быстрыми электронами и гамма-квантами. Постановка задачи запускается с первоначального рассмотрения ситуация облучения потоком электронов с различными энергиями, в том числе приближёнными к резонансным, а позже множества гамма-квантов пластины из кристаллического кремния.

1. Облучение пучком электронов кристаллического кремния

Для исследования, необходимо представить форму выражения (картежа) ядерной реакции облучения (1).

Из выражения наглядно видно, что в реакции участвуют ядра кремний-28 с массой в 27,976926535055 а. е. м., магний-27 с атомной массой в 26,984340655 а. е. м., магний-28 в 27,983875432828 а. е. м., алюминий-27 – 26,98153841555 а. е. м., магний-26 – 25,98259297333 а. е. м., магний-25 – 24,98583697555 а. е. м., натрий-24 – 23,9909630121818 а. е. м. и алюминий-28 – 27,98191009888 а. е. м. Для продолжения анализа первоначально необходимо определение радиуса ядра-мишени (2), откуда возможно вычисление кулоновского барьера ядра (3) – минимальной энергии, необходимая для запуска ядерной реакции всех каналов от второго номера, по причине, что первый канал – канал рассеяния Резерфорда.

Исходя из определённых параметров стало возможно вычисление критической скорости пучка электронов (4), которая достаточно близка к скорости света и составляет 99,52272948% от скорости света

Электроны с указанными энергиями, являются идеальным для проведения ядерной реакции во всех каналах. Среди каналов наглядно наблюдается анализируемый канал рассеяния Резерфорда, частицы, как правило при бомбардировке действуют по нему с определённой вероятностью, то есть часть пучка рассеивается на ядре. Остальная часть частиц могут запустить один из каналов реакции, либо несколько каналов, в редком случае, если пучок не подошёл ни к одному из каналов в отличие от рассеяния Резерфорда, то устанавливается утверждение, что пучок проходит пластину насквозь, без взаимодействия.

На данный момент, необходимо определить вероятность первого канала – рассеяния Резерфорда, для чего вычисляется его ядерное дифференциальное эффективное сечение (5).

Одним из аспектов неупругого взаимодействия, которым является первый канал является степень приближения пучка к ядру. Для вычисления расстояния приближения определяется коэффициент приближения (6), а после минимальная дистанция между пучком и ядром на момент достижения критической скорости (7).

Из полученного значения наглядно видно, что критического приближения по крайней мере до радиуса действия ядерных сил в 10^—15 м не наблюдается. Для вычисления процентного соотношения частиц, действующие согласно кулоновскому рассеяния могут быть определены исходя из свойств пластины, а именно из плотности ядер кристаллического кремния (8), а также толщины пластины (9).

Заданные параметры становятся основной для вычисления указанного процентного соотношения (10).

Из всего количества налетающих частиц, вне зависимости от тока 1,030571061% подвластны рассеянию Резерфорда. Для рассмотрения канала, действующее в данном случае, необходимо проведение анализа выхода отдельно взятого канала (11—17).

Исходя из анализа стало наглядно видно, что ни в одном из случаев вылета протона, позитрона, нейтрона, дейтрона, тритона и альфа-частицы, а также в случае слияния электрона с ядром кристаллического кремния с образованием ядра алюминия-28 не являются возможными и действительны только в критически малом процентном соотношении относительно случаев преодоления порога выхода реакции. Следствием того, что каждый из каналов является эндо-энергетическим, а величина кулоновского барьера больше выхода реакции по модулю только в случае второго и седьмого канала, приводят к определённому заключению.

Ранее оговаривалось, что в случае невозможности проведения какого бы то ни было из каналов реакций, пучок не входит ни в одну из реакций. При том, что вероятность рассмотрение иных каналов реакций с выходом более тяжёлых ионов является нецелесообразным, по причине уменьшения вероятности прохождения канала с ростом массы вылетающей частицы. Исходя из этого, можно сделать заключение, что взаимодействие со стороны пучка электронов космического излучения будет уместным только в случае рассеяния Резерфорда, только для 1,030571061% частиц, остальные частицы будут пролетать мишень насквозь.

1. Облучение гамма-квантами

Постановка задачи относительно явления облучения потоком гамма-квантов основан на определении энергий космического излучения, граничащие между показателями от 10 МэВ до 100 ГэВ, что является эквивалентным частоте от 10²² до 10²⁵ Гц, а также длине волны от 10^—14 и 10^—17 м, исходя из элементарного соотношения (18).

После облучения гамма-квантами, в случае образования фотоэлектрической эмиссии, каждый из электронов получает определённое количество энергии, а следовательно, величину скорости. Для продолжения расчёта, определяется средняя скорость относительно всех гамма-квантов с частотами от 2,414729752*10²² Гц до 2,414729752*10²⁵ Гц (19).

Полученная скорость после подстановки даёт значение напряжения, эквивалентное энергии электронов в эВ (20).

Используя полученные параметры, вычисляется интенсивность потока излучения непосредственно взаимодействующее в фотоэлектрическом эффекте, используя аспекты первоначального пучка и образованных электронов, в том числе их средней скорости (21).

Учитывая также величину интенсивности и иные параметры, для вычисления процентного соотношения гамма-квантов, входящие в фотоэлектрический эффект, необходимо определение эффективного сечения облучения гамма-квантами, для чего используется свойство внешнего орбитального радиуса мишени – кристаллического кремния-28 (22).

Исходя из величины радиуса кристаллического кремния – ядра мишени, возможно определение величины эффективного сечения, вычисляемое в барнах (23), откуда следует определение процентного соотношения гамма-квантов действующие в фотоэлектрическом эффекте (24).