Все науки. №6, 2022. Международный научный журнал

Ибратжон Хатамович Алиев

Международный научный журнал «Все науки», созданный при OOO «Electron Laboratory» и Научной школы «Электрон», является научным изданием, публикующим последние научные результаты в самых различных областях науки и техники, представляя собой также сборник публикаций по вышеуказанным темам коллегами авторов и рецензируемый редколлегией на платформе «Ридеро» ежемесячно.

ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВА ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ В МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКЕ

Абдурахмонов Султонали Мукарамович

Кандидат физико-математических наук, доцент факультета систем компьютерного проектирования Ферганского политехнического института

Ферганский политехнический институт, Фергана, Узбекистан

Аннотация. Большие гидроэнергетические установки чаще всего используют изначальную конструкцию создания платины для увеличения напора входящей жидкости, что приводит к увеличению общего выхода энергии. В статье рассмотрено теоретическое предположение об использовании подобного метода увеличения скорости самого потока при помощи свойства идеальной жидкости из закона Бернулли и формулы Торричелли.

Ключевые слова: водный поток, напор, ускорение, скорость свободного падения.

Annotation. Large hydropower plants most often use the original design of creating platinum to increase the pressure of the incoming liquid, which leads to an increase in the total energy output. The article considers a theoretical assumption about the use of such a method of increasing the velocity of the flow itself using the properties of an ideal fluid from Bernoulli’s law and Torricelli’s formula.

Keywords: water flow, pressure, acceleration, free fall velocity.

Для больших гидроэнергетических установок часто преобладающими являются технологии создания плотин, где вода приводиться в близкое к статичному по отношению к общему объёму состоянию, после чего вода пропускается в канал, расположенный максимально низко под уровнем воды. Наличие такого ввода жидкости позволяет придавать массе дополнительную скорость благодаря потенциальной энергии, которая превращается в кинетическую.

Доказательством этого утверждения следует соотношение (1), из которого можно вывести как потенциальную энергию (2), так и кинетическую (3), далее при их равенстве (4), можно сделать вывод для скорости (5).

Но, чтобы указать на отношение этого вывода не только к обычным телам с высокой плотностью, то есть к твёрдым, но и к жидкостям, достаточно привести формулу Бернулли (6), вполне справедливую для жидкостей и вывод из неё этой же формулы (7—8).

Из этого видна возможность получения вторичного дополнительного вектора, который чаще всего преобладает и заставляет двигаться именно под давлением самой воды, а вектор скорости притока в само водохранилище чаще всего гасится. Но когда же дело обстоит с обычными малыми гидроэнергетическими установками, здесь ситуация обстоит по-другому, поскольку тормозная способность имеющегося малого объёма в «плотине» не так высока и определяется по коэффициенту трения воды о воду, если так можно выразиться. То есть каждый отрезок, уменьшение происходит именно на указанный коэффициент энергии (9).

Данный вектор скорости суммируется с образующимся вектором скорости из-за давления (8) под прямым углом образуя результирующий вектор (10).

Выводимый результирующий вектор логично будет больше изначального вектора скорости (11), благодаря чему можно сделать вывод того, что использование плотин в конструировании малых гидроэнергетических установок вполне целесообразная технология.

То есть какой бы ни была малой высота плотины и её разность между отверстием вывода потока и уровнем воды, действие, хоть и незначительное будет оказываться. Интересно здесь также и определение зависимости самой изначальной скорости и результирующего вектора (12).

Эта зависимость была выведена, поскольку даже сама начальная скорость не совсем проста и за счёт того, что нижняя полость оврага для «водохранилища» должна быть выполнена в форме склона. Наряду с уменьшением по коэффициенту в зависимости от длины этого пути по (9), начальная скорость будет увеличиваться, поскольку к первоначальной скорости до входа в «водохранилище», при котором поток имел потенциальную энергию, кинетическая энергия, в которую превращается эта потенциальная, то есть действует тот же принцип (1—5), но при этом действует угловой коэффициент.

И если поскольку опять же этот потенциальный вектор направляющий вниз также находится под углом 90 градусов к основному первоначальному вектору, их суммированных вектор будет определяться по (13), создавая зависимость для начальной скорости от первоначальной в следующем расположении.

Откуда справедливо (14).

И важно учесть, что (13) вместе с (14) действует только при плоском склоне самого оврага, не считая коэффициент трения, в случае его расчёта в (14) включается дополнительный коэффициент, ровно, как и в иных случаях, для реализации, но этот коэффициент определяется эмпирически.

При действии же (13) и (14), ранее описанная (12) изменяется как (15).

Таким образом (15) можно считать полноценной формулой при действии прямого склона на дне оврага. При наличии же нескольких векторов, целесообразно использование (16), по той простой причине, что несколько векторов не будут приходить из одного направления, ибо тогда их можно будет объединить в один. А разными вектора могут быть из-за наличия дополнительных поворотов, больших неровностей и подобных не существенных причин.

Заключительным штрихом служит лишь введение коэффициентов, о которых говорилось ранее, а именно о коэффициентах своего рода вязкости (18), зависящий от коэффициента сопротивления движения в потоке (17).

Такой вид (17) формулы (8) был доказан и описан итальянским учёным Эванджелиста Торричелли в 1643 году, а позже уже было показано, что эта формула, как уже упоминалось следствие закона Бернулли.

В заключении можно отметить, что развитие гидроэнергетики несёт в себе весьма прогрессирующий характер, что радует. И данное развитие требует всё новых и новых технологий, среди которых одним из лучших может стать технология использования «малого водохранилища» или искусственного рва с наклонным дном для увеличения эффективности всей гидроэнергетической установки.

Использованная литература

1. Evangelista Torricelli. De motu aquarium // Opera Geometrica. — 1644. C. 191. «Aquas violenter erumpentes in ipso eruptionis puncto eundem impetum habere, quem haberet grave aliquod, sive opsius aquae gutta una, si ex suprema eiusdem aquae superficie usque ad orificium eruptions naturaliter cecidisset».

2. Зиновьев В. А. Краткий технический справочник. Том 1. — М., Госиздат, 1949. — с. 362.

3. Савельев И. В. Курс общей физики. Том 1. Механика, молекулярная физика. — М., Наука, 1987. — с. 251.

ЭКОНОМИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Додобаев Юсубжон Таджибаевич

Доктор экономических наук, профессор

Мўминжон Шокиржонович Йўлдашев

Почетный профессор Ферганского университета, доктор экономических наук

Ферганский политехнический институт, Фергана, Узбекистан

Аннотация. Мақолада гидроэлектростанцияларнинг самарадорлигини ортириш бўйича фикрлар юритилинган. Сув ресурсларидан комплекс фойдаланиш хақидаги мулоҳазалар кирилиган бўлиб, шу билан биргаликда гидротармоқларда транспорт муаммосини ҳал қилишга катта ҳисса қўшилинган.

Калит сўзлар: ГЭС, самарадорлик, сув ресурслари, электр энергияси, ирригация, дарё транспорти, рекреация.

Аннотация. В статье рассматривается эффективность гидроэлектростанций. Была введена обратная связь по комплексному использованию водных ресурсов, и в то же время был внесен значительный вклад в решение транспортной проблемы в гидравлических контурах.

Ключевые слова: ГЭС, эффективность, водные ресурсы, электроэнергия, орошение, речной транспорт, рекреация.

Annotation. The article discusses the effectiveness of hydroelectric power plants. Feedback on the integrated use of Water Resources has been entered, and at the same time a significant contribution has been made to the solution of the transport problem in hydraulic circuits.

Keywords: GES, efficiency, water resources, electricity, irrigation, river transport, recreation.

Высокая эффективность производства электроэнергии на ГЭС определяется рядом факторов, в том числе:

* Постоянное восстановление природных ресурсов;

* Высокая производительность труда при использовании;

* Низкая стоимость электроэнергии, производимой на ГЭС;

* Комплексное использование водных ресурсов для энергетики, ирригации, речного транспорта, борьбы с наводнениями, водоснабжения, отдыха и других целей;

· Наличие низкой этиологии по отношению к сложному технологическому оборудованию.

Крайне важно, что частота производственного ущерба, возникающего при использовании ГЭС, включая случаи гибели людей, значительно меньше по сравнению с ТЭС в расчете на количество произведенной электроэнергии в 1 кВт*ч (с учетом предприятий по добыче топлива и снабжению).

Экономия трудовых ресурсов при использовании ГЭС обусловлена следующим, в том числе:

Невероятно высокая производительность труда по сравнению с TEs;

высокий уровень автоматизации производства;

отсутствие трудовых затрат на добычу, поставку, переработку и утилизацию топливных отходов и, как следствие, количество рабочего персонала, используемого при использовании ГЭС, будет примерно в 12—15 раз меньше, чем количество рабочего персонала на альтернативных объектах. Высокая экономическая эффективность гидроэнергетики обусловлена отсутствием топливной составляющей электроэнергии, медленным износом основных фондов, относительно низкой стоимостью заработной платы, совершенством технологического процесса.

Комплексное использование водных ресурсов. В гидроэнергетической отрасли Республики Узбекистан реконструкция транспортных путей в речных сетях, ирригация, промышленное и муниципальное водоснабжение и развитие рыболовства имеют большое значение в связи со снижением риска крупных наводнений.

Комплексные гидроузлы вносят большой вклад в решение транспортной проблемы.

Водохранилища, которые появляются при строительстве гидроэлектростанций, приводят к тому, что большие площади суши покрываются водой. На гидроэлектростанции приходится в общей сложности 1,2 миллиона тонн разрушительных паводков в республике. близкие к гектарам, с опережающим развитием, многомиллионные жители помогают надежно защищать жилые районы, а также решать сложные социальные и экологические проблемы.

1. Экологические проблемы

Сокращение загрязнения воздуха, особенно оксидами углерода, и предотвращение «парникового эффекта» на планете стали одной из проблем вселенского масштаба. Республика Узбекистан также вносит свой вклад в их разрешение. Одним из способов сокращения выбросов в энергетике является развитие направлений без углеродного топлива. Гидроэнергетика — абсолютно чистое направление в этом отношении. В 2020 году электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, позволила сократить на четверть выбросы электроэнергии.

Технологический процесс производства гидроэнергии является экологически хулиганским. При нормальном состоянии оборудования ГЭС практически не выделяют вредных выбросов в окружающую среду. В то же время строительство гидроэнергетических объектов, в свою очередь, не покажет своего воздействия на окружающую среду.

При строительстве гидроэнергетических объектов происходит комплексное воздействие на окружающую среду. Наиболее серьезный эффект проявляют водохранилища, — их внешний вид влияет на экологический баланс почв и биоценозов. Показанные эффекты могут быть как положительными, так и отрицательными.

Воздействие водохранилищ на окружающую среду зависит от их географического положения и категорий (горные, предгорные, равнинные), геологического строения и гидрогеологического определения их берегов с руслом, площадью, формой внешнего вида, размером, глубиной сброса воды, системой использования и другими условиями.

В результате положительного влияния водохранилищ как координаторов стока становится важным предотвращать нехватку воды для сельскохозяйственных культур в летнее время.

С активизацией природных процессов на отдельных участках прилегающих к ним территорий после создания водоемов в ландшафтах происходят рекреационные изменения, формируются рекреационные зоны, экотуризм.

Можно перечислить следующие другие аспекты воздействия водохранилищ на окружающую среду.

Наводнения в верхней части. В затопленных районах наблюдается увеличение уровня грунтовых вод, и в результате земля становится заболоченной и непригодной для сельскохозяйственного использования.

Изменения береговых форм процесс координации течения и повышения и понижения уровней воды в водохранилище, которые происходят с этим отношением, вызывают изменения формы дна с береговым рельефом, что, в свою очередь, уменьшает размеры водохранилища, приводя к накоплению в нем различных пород, появлению подводных отмели и появление

Гидрологическая система. Процесс строительства водохранилищ и координации самого потока воды в верхней и нижней частях бассейнов вызывает изменения в гидрологической системе gm. Из-за расширения площади окна водной поверхности резко увеличивается объем испарения воды, в результате чего происходит потребление невозвратной воды из реки. Гидрологическая система реки меняется.

Климатические условия. Изменение расхода воды и воздуха, появление переувлажненных почв, мелководных участков, хорошо прогреваемых солнцем на глубине 1—1,5 м водоемов, создают специфические климатические условия.

Влияние водоемов на фауну (животный мир). Все животные в зоне затопления мигрируют на территорию, отмеченную высоким уровнем. При этом их видовой состав и численность сокращаются в соответствии с правилом. В ряде случаев водоемы являются причиной обогащения фауны новыми видами птиц, плавающих в воде, рыбой и флорой (флора), адаптированной к влажным условиям.

Воздействие на рыбную ферму. Необходимо отметить следующее, а именно:

Строительство плотины ГЭС препятствует перемещению рыбы в естественные места спаривания, в некоторых случаях рыбоводные устройства не всегда работают удовлетворительно;

требования, которые рыболовство предъявляет к системе водотока, оказываются полностью противоположными задачам координации потоков, то есть цели создания водохранилища — во время весеннего половодья мелководные участки бассейна осушаются при более раннем сбросе воды, что негативно сказывается на спаривании рыб в верхней части водохранилища ежедневно

С целью создания оптимальных условий для спаривания рыб переброска воды в нижнюю часть бассейна осуществляется при условии строгого соблюдения требований рыболовства. В тех случаях, когда есть возможности предотвратить ущерб, предполагается строительство компенсационных (прикрывающих) объектов рыбоводного хозяйства (рыбоводные заводы, фермы по выращиванию нерестилищ).

Было бы неправильно считать, что все воздействия водохранилищ на окружающую среду (на самом деле, в гораздо большем количестве, чем те, которые рассматриваются в Buer) будут только негативными. Обычно каждый из них будет обладать комплексом положительных свойств, как отрицательных, так и не очень.

Таким образом, также неверно думать, что все формы обнажения водохранилищ являются неизбежными и естественными пороками гидротехнического строительства. Многие из этих эффектов проявляются в практике создания и использования резервуаров и оказываются последствиями неправильного проектирования объектов или нарушения правил использования гироскопов в целом. Например, вредное воздействие водохранилищ на рыболовство может быть устранено на значительном уровне путем правильного проектирования водохранилищ и соблюдения соответствующего уровня их использования.

Меры по охране природы. При проектировании гидроэнергетических объектов необходимо обеспечить, чтобы ущерб природе был на минимально возможном уровне. В целях контроля и своевременного предотвращения загрязнения окружающей среды на ГЭС были установлены следующие наблюдения, а именно:

· за счет слива и отвода технологических масел;

· с качеством воды, подлежащей утилизации после использования;

· с выступами элегаза лужи в сложных распределительных устройствах.

Кроме того, принимая во внимание характеристики крупных резервуаров со сложной и энергетической целью, в них проводятся следующие наблюдения:

* Метеорологические;

* гидрохимический;

· гидробиологические, включая ихтиологические наблюдения.

По результатам наблюдений, смотрители получают информацию о необходимых природоохранных мерах.

При создании водохранилищ предполагается их водоохранная зона, на той же территории планируются защитные лесные насаждения и лесовосстановительные мероприятия. Загрязнение водоохранной зоны потоками воды в водохранилище предотвращает попадание веществ.

Основываясь на специально проведенных научных исследованиях, проекты GES включали следующий обширный комплекс мер по защите флоры и фауны, включая:

· восстановление лесов вместо затопленных лесных массивов, перемещение редких, реликтовых и занесенных в Красную книгу растений из затопленных районов;

* выращивание ценных сортов в севообороте; внедрение системы специальных разрешений, которые не позволяют бассейну застраивать свою нижнюю часть;

* перемещение для отлова ценных видов животных из затопленных районов;

* создание животноводческих ферм и животноводческих ферм по разведению животных; Организация защитных и резервных зон; строительство рыбопромысловых, рыбоводных и компенсационных сооружений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Орго В. М. Основы конструирования и расчета на прочность гидротурбин. Л.: Машиностроение, 1978. 224 с.

2. Барлит В. В. Гидравлические турбины. Киев: Вища школа, 1977. 360 с.

3. Завьялов Ю. С., Квасов Б. И., Мирошниченко В. А. Методы сплайн-функций. М.: Наука, 1980. 352 с.

4. Завьялов Ю. С., Леус В. А., Скороспелов В. А. Сплайны в инженерной геометрии. М.: Машиностроение, 1985. 221 с.

5. Залгаллер В. А. Теория огибающих. М.: Наука, 1975. 104 с. References.

6. Salomov U., Yusupov S., Odilov O., Moydinov D. Theoretical Substantiation of the Advisability of Using Adhesives When Sealing the Core of Car Radiators and Diagnosing Radiators with a Thermal Load. nternational Journal of Engineering Trends and Technology. Volume 70 Issue 1, 81—92, January, 2022 ISSN: 2231 — 5381 /doi:10.14445/22315381/IJETT-V70I1P210.

7. Абрамов А. И., Иванов-Смоленский А. В. Проект тирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. М.: Высшая школа, 1978.

8. Авакян А. Б., Шарапов В. А. Водохранилища гидроэлектростанций РФ. М.: Энергия, 1977.

9. Аршеневский Η. Н. Обратимые гидромашины гидроаккумулирующих электростанций. М: Энергия, 1977.

10. Аршеневский Η. Н., Поспелов Б. Б. Переходные процессы крупных насосных станций. М.: Энергия, 1980.

11. Асарин А. Е., Бестужева К. Н. Водноэнергетические расчеты. М.: Энергоатомиздат, 1986.

12. Бабурин Б. Л., Файн И. И. Экономическое обоснование гидроэнергостроительства.. М.: Энергия, 1975.

ПРОСТРАНСТВЕННО ОСЦИЛЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В ОПТИЧЕСКИ АКТИВНОМ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ SbSI

Каримов Шерзод Боходирович

Соискатель физико-технического факультета Ферганского государственного университета

Алиев Ибратжон Хатамович

Студент 2 курса факультета математики-информатики Ферганского государственного университета

Каримов Боходир Хошимович

Кандидат физико-математических наук, физико-технического факультета Ферганского государственного университета

Ферганский государственный университет, Фергана, Узбекистан

Аннотация. В настоящей работе обнаружен и исследованы пространственно-осциллирующей фотовольтаический ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегнетоэлектрике SbSJ при освещении поляризованным светом в направлении [010] и образованию от оптической зависимости в [001] направлении структуры пространственного осциллирующего фотовольтаического тока J_x. Обсуждены некоторые экспериментальные и физические основы пространственно осциллирующего фотовольтаического тока.

Ключевые слова: сегнетоэлектрик, поляризация, оптически-активный кристалл, пространственно-осциллирующий фотовольтаический ток, тензор 3-ранга.

Annotation. In this paper, the spatially oscillating photovoltaic current (POFT) in the direction [100] in the SbSJ ferroelectric is detected and investigated when illuminated with polarized light in the direction [010] and the formation of the structure of the spatial oscillating photovoltaic current Jx from the optical dependence in the direction [001]. Some experimental and physical bases of spatially oscillating photovoltaic current are discussed.

Keywords: ferroelectric, polarization, optically active crystal, spatially oscillating photovoltaic current, rank 3 tensor.

В последние годы стало ясно, что в термодинамических неравновесных условиях возможны токи иной природы, обусловленные отсутствием среды центра симметрии. Важнейшим этого класса эффекта является аномальный фотовольтаический эффект (АФ эффект).

АФ эффект заключается в том, что при равномерном освещении короткозамкнутого сегнетоэлектрика через него протекает стационарный ток, который в [1,2] был назван фотовольтаическим. Было показано, что именно фотовольтаический ток приводит к аномальному фотовольтаическому эффекту (АФ эффект) в сегнетоэлектрике.

Аномальный фотовольтаический эффект, обнаруженный для сегнетоэлектриков впервые в [1,2] является частным случаем более общего АФ эффекта, описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга α_ijk [3].

Согласно (1), при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето или пъезо-электрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток J_i, знак и величина которого зависят от ориентации вектора поляризации света с проекциями E_j, E_k^*.

Компоненты тензора α_ijk отличны от нуля для 20 ацентричных групп симметрии. Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток J_i генерирует фотонапряжения

где σ_t и σ_f соответственно темновая и фотопроводимость, lрасстояние между электродами. Генерируемое фотонапряжения порядка 10³—10⁵ В, превышающее, таким образом, величину ширины запрещенной зоны E_g на два — четыре порядка.

В соответствии с (1) и симметрией точечной группы кристалла можно написать выражения для фотовольтаического тока J_i. Сравнение экспериментальной угловой зависимости J_i (β) с (1) позволяет определить фотовольтаический тензор a_ijk или фотовольтаический коэффициент

a* — коэффициент поглощения света.

Как показал Белиничер [4], в зависимости от формы оптической индикатрисы и направления распространения плоско поляризованного света в кристалле могут существовать направления, для которых фотовольтаический ток (1) является пространственно осциллирующим. В этом случае:

где n_e, n₀ — показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, E_e и E₀^* — проекции вектора поляризации света на оптические оси кристалла,

В этом случае фотовольтаический ток (2) осциллирует в кристалле с периодом

Как указывалось в [4] и как видно из (2) пространственно осциллирующий фотовольтаический ток (ПОФТ) может экспериментально наблюдаться в условиях сильного поглощения света.

где α^* — коэффициент поглощения.

1. ПРОСТРАНСТВЕННО ОСЦИЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ SbSi

В настоящей работе обнаружен и исследован пространственно-осциллирующей фотовольтаический ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегнетоэлектрике SbSI при освещении поляризованным светом в направлении [010].

Сульфоиодид сурьмы (SbSI) принадлежит к классу халькогенидов металлов пятой группы A^VB^VIC^II, где A-Sb; Bi; B-S, Se, Te; C-CL, Br, I. Кристаллы SbSI и SbSI_xBr_1-x — двуосные, обладают большим двойным преломлением, ниже температуры. Кюри Т_с=22⁰С кристаллы SbSI принадлежат к классу mm2 и обладают ромбической симметрией. При фазовом превращении происходит исчезновение центра симметрии, следовательно, ниже точки перехода кристаллы SbSI становятся сегнетоэлектриками.

Фазовый переход при 22⁰С был зарегистрирован впервые Фатуццо [5] при изменении температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Кристаллы обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, их фотоэлектрические свойства хорошо изучены [1].

Измерения проводились для монокристаллов SbSI в сегнетоэлектрической фазе при температуре Т=133 К. Кристалл освещался плоско поляризованным светом с помощью ксеноновой лампы и монохроматора ЗМР. Измерялся стационарный фотовольтаический ток J по ранее описанному [1] методу. В соответствии с симметрией SbSI (точечная группа mm²) при измерении J_z (z — направление спонтанной поляризации) и освещении кристалла в x и y направлениях ПОФТ не возникает. Выражение для фотовольтаического тока J_z при освещении в x и y направлениях, соответственно, имеет вид:

где I—интенсивность света, β—угол между плоскостью поляризация света и осью z. На рис.1 кривая 1 представляет экспериментальную угловую зависимость J_z (β) для λ=600 нм при освещении вдоль [100]. Из сравнения экспериментальных угловых зависимостей J_z (β) с (4) и (5) были оценены численные значения α_ιjκ или фотовольтаические коэффициенты

С учетом плеохроизма и анизотропии отражения света в SbSI [6] были получены следующие значения:

К₃₁4∙10^—8; К₃₂3∙10^—8; K₃₃ (2—3) ∙10^—8А∙см∙ (Вт) ^{— 1}. Таким образом, в SbSI фотовольтаические коэффициенты K₃₁, K₃₂, K₃₃ более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в LiNbO₃: Fe.

Рис.1. Зависимость фотовольтаического тока J_z (1) при l = 600 нм и J_x (2) при l = 460 от ориентации плоскости поляризации света в SbSI.

Согласно (2), для SbSI компоненты фотовольтаического тока и являются пространственно-осциллирующими. Однако при освещении кристалла в области сильного поглощения в направлении осей x или y и при выполнении условия (3) вдоль поверхностей (100) и (010), соответственно, текут токи.

где β — угол между плоскостью поляризации света и осью z. Согласно [1,7] для SbSI условие сильного поглощения (3), должно выполняться уже при λ470 нм. Для наблюдения ПОФТ в условиях сильного поглощения на грань цинакоида (010) напылялись серебряные электроды в форме полос, параллельных оси спонтанной поляризации z. С помощью этих электродов при освещении кристалла в направлении [010] поляризованным светом с λ=460 нм измерялся ток J_x кривая 2 и длинноволновой области (λ=600нм, кривая 1) измерялся ток J_z. Угловая зависимость измеряемого тока удовлетворяет (5), в том время как ток J_х в этой области вообще не может наблюдаться из-за нарушения условия (3) и пространственной осцилляции. На рис. 2 представлены спектральные J_z (кривая 1), J_x (кривая 2), отнесённые к единице падающий энергии, а также спектральная зависимость

построенная с учётом дисперсии n₀, n_е и коэффициента поглощения α^* в [010] направления.

Угловую зависимость J_x (β) в форме кривой 2, которая хорошо согласуется с (7) при К₁₅= (2—4) ·10^—9А·см· (Вт) ^{— 1} (λ=460нм).

Рис. 2. Спектральная зависимость J_z (1), J_x (2) и L=l₀α^* (3).

В то время, как измерявшаяся ранее в спектральная зависимость J_zявляется монотонной, спектральная зависимость J_x обнаруживает резкий максимум вблизи L1. Таким образом, спад J_x в длинноволновой области, где L <<1, обуcловлен ПОФТ. Интересен спад J_x в коротко волновой области, где L> 1.Так как АФ эффект не связан с временем жизни неравновесных носителей, то, возможно, это коротковолновой спад J_x обусловлен уменьшением K₁₅ и, следовательно, подвижности в направлении [100].

2. ПРОСТРАНСТВЕННО ОСЦИЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ α-HgS

В работе рассмотрен фотовольтаические эффекты в оптически активных кристаллах α-HgS. Обсуждены некоторые экспериментальные и физические основы фотовольтаического эффекта в активных кристаллах.

Сернистая ртуть HgS существует в двух модификациях: черная модификация — метациннабарит (β-HgS) — кристаллизуется в кубической системе (точечная группа 3m), красная модификация—циннабарит или киноварь (α-HqS) — кристаллизуется в тригональной системе (точечная группа 32).

В работе исследовались красные кристаллы киновари, обладающие особенно большим удельным вращением вдоль оптической оси для пропускаемых ими красных лучей r=235⁰/мм. Исследовались кристаллы α — HgS, выращенными гидротермальным методом в лаборатория гидротер-мального синтез Институте кристаллографии Российской Академии наук. Исходными веществами для изготовления циннабарита были чистая ртуть в сера. Электрические, электрооптические свойства кристаллов α-HgS и фотоэлектрические свойства кристаллов исследовались в [5,6].

Показано, что оптическая активность кристалла α-HgS сильнее влияет на угловой распределение фотовольтаического тока, измеренного в линейно поляризованном свете.

Рис. 3. показывает ориентационную зависимость фотовольтаического тока J_x (β) в α-HgS. В соответствии с (1) и симметрией точечной группы 32, выражение для J_x (β) при освещении в направлении оси y имеет вид

где — угол между плоскостью поляризации света и осью x.

Сравнение экспериментальной угловой зависимости J_x (β) с (2) дает

К₁₁= (1—2) ∙10^—9А∙см∙ (Вт) ^{— 1} (Т=133Κ, λ=500нм). Совпадение экспериментальной угловой зависимости J_x (β) с (2) показывает, что в области сильного поглощения (λ=500нм, α*>> 100см^-1) влияние оптической активности в направлении оси y на угловое распределение J_x (β) является незначительным. Влияние оптической активности в z — направлении было обнаружено при исследовании угловой зависимости J_x (β) в различных спектральных областях (рис.1).

В соответствии с (1) угловая зависимость J_x (β) приосвещение в z — направлении (ось z совпадает с осью симметрии третьего порядка) имеет вид.

где β — угол между плоскостью поляризации света и осью y.

Рис.2 указывает на хорошее соответствие между экспериментальной зависимостью J_x (β) и (3) в области сильного поглощения света (λ= 400нм). Переход из коротковолновой области в длинноволновую, соответствующий уменьшению α*, изменяет характер угловой зависимости J_x (β) и ее амплитуду.

Рис.3. Ориентационная зависимость фотовольтаического тока J_x (β) в a-HgS (T=133⁰K).

На рис.4 представлена спектрально-угловая диаграмма фотовольтаического тока J_x. Очевидно, что ее форма определяется оптического активностью в z — направлении, ее спектральной дисперсией, а также спектральным распределением фотовольтаического эффекта в α-HgS.

Оптическая зависимость в z — направлении приводит, таким образом, к образованию структуры пространственного осциллирующего фотовольтаического тока J_x. Фотовольтаический ток осциллирует в z — направлении с периодом

Где χ — коэффициент оптической активности.

Угловая зависимость J_x (β) совпадает с (3) только при условии сильного поглощения света

где α* — коэффициент поглощения света.

Рис. 4. Спектрально — угловая диаграмма фотовольтаического тока в a-HgS (T=1330K). Направление распространения света указано в верхней части рисунка.

Примечание: Коллегия авторов приносит благодарности В. А. Кузнецову за предоставление кристаллов и В. М. Фридкину за обсуждение.

Литература

1. Glass A.M.Voh der Linbe D. Nerren T.J. High — voltage Bulk Photovoltaik ettect and the Photorefractive process in LiNbo. //J. Appl. Phys. Lett. 1974. N4 (25) p.233—236.

2.Фридкин В.М, Фотосегнетоэлектрики. М., «Наука», 1979, с.186—216.

3.Белиничер В. И. Исследования фотогальванических эффектов в кристаллах. Дисс. на соискание. докт. физ-мат. наук. Новосибирск. 1982. 350 С.

4.Стурман Б. И., Фридкин В. М. Фотогальванические эффекты в средах без центра инверсии. — М., Наука.1992. — с-208.

5.Ефремова Е. П., Кузнецов В. А., Котельников А. Р. Кристаллизация киновари в гидросульфидных растворах. // ж. Кристаллография. 1976. т.21. в.3. С.583—586.

6. Донецких В. И., Соболев В. В. Спекторы отражения тригонального HgS. // ж. Оптика и спектроскопия. 1977. т.42. в.2. С.401—403.

7.Фридкин В. М. Объемный фотовольтаический эффект в кристаллах без центра симметрии. // Кристаллография. 2001. Т. 46, N 4. С. 722—726.

РОЛЬ РЕЗОНАНСНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ. THE ROLE OF RESONANT NUCLEAR REACTIONS IN MODERN ENERGY

Жалолов Ботирали Рустамович

Генеральный директор «Clipper Energy» LLC и «Clipper Associates» Corp

«Clipper Energy» LLC, «Clipper Associates» Corp., Malaysia

Каримов Боходир Хошимович

Кандидат физико-математических наук, доцент физико-технического факультета Ферганского государственного университета

Алиев Ибратжон Хатамович

Студент 2-курса факультета математики-информатики Ферганского государственного университета

Ферганский государственный университет, Фергана, Республика Узбекистан

Zhalolov Botirali Rustamovich

General Director of «Clipper Energy» LLC and «Clipper Associates» Corp

«Clipper Energy» LLC, «Clipper Associates» Corp., Malaysia

Karimov Bahodir Khoshimov

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Faculty of Physics and Technology of Fergana State University

Aliev Ibratjon Khatamovich

2nd year student of the Faculty of Mathematics and Computer Science of Fergana State University

Ferghana State University, Ferghana, Republic of Uzbekistan

Аннотация. Современную энергетику просто невозможно представить без составляющей в лице атомных электростанций, в основе которых лежат явления распада урана-238 и урана-235, в том числе с использованием саморазмножающихся методов деления. Но как известно источники не вечны, по этой причине важно нахождение нового способа по выделению максимально большого количества электрической энергии и, если верить результатам современных исследований, явным кандидатом на подобный титул могут стать резонансные ядерные реакции, которые изучаются на основе совершенно новой науки — физики резонансных ядерных реакций (ФРЯР).

Ключевые слова: физика резонансных ядерных реакций, энергетическая составляющая, кулоновский барьер, ядерные реакций, физика атомного ядра и элементарных частиц, ядерное эффективное сечение, длина волны.

Annotation. It is simply impossible to imagine modern energy without a component in the face of nuclear power plants, which are based on the decay phenomena of uranium-238 and uranium-235, including using self-multiplying fission methods. But as you know, the sources are not eternal, for this reason it is important to find a new way to release as much electrical energy as possible and, if you believe the results of modern research, resonant nuclear reactions, which are studied on the basis of a completely new science — physics of resonant nuclear reactions (PRNR), can become a clear candidate for such a title.

Keywords: physics of resonant nuclear reactions, energy component, Coulomb barrier, nuclear reactions, physics of atomic nucleus and elementary particles, nuclear effective cross section, wavelength.

А. Русская версия

1. Общие понятия ядерных реакций

Сама по себе ядерная реакция, это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, которая может сопровождаться изменением структуры, строения, состава ядра, образованием новых ядер или элементарных частиц и введением дальнейших изменений. Также последствием ядерной реакции может стать его деление, спускание как элементарных частиц, так и безмассовых протонов. Вместе с этим, из-за действия несколько иных законов, при которых масса активно может превращаться в энергию и обратно, кинетическая энергия результирующих частиц вполне, может быть, не равна сумме изначальных.

Подобные ядерные реакции являются экзо-энергетическими или выделяющими энергию. Первая ядерная реакция была проведена Эрнестом Резерфордом в 1917 году, при бомбардировке альфа-частицами ядра атомов азота. Она была полностью зафиксирована благодаря появлению вторичных ионизирующих частиц, пробег коих в газе был больший чем пробег альфа-частиц, после чего и были идентифицированы как протоны. Процесс же позже был сфотографирован.

К слову, об этом, важно сказать, что для фотографирования ядерных реакций используется камера Вильсона. Говоря же о механизмах взаимодействия, то можно выделить два вида такого взаимодействия, а именно:

1. Реакция с образованием составного ядра, этот процесс состоит из двух стадий, при этом налетающая частица соединяется с самим бомбардируемым ядром, составляя общее ядро, которое позже распадается. Такая ядерная реакция протекает на небольших энергиях, до 10 МэВ;

2. Прямые ядерные реакции, проходящие уже сразу, за ядерное время, которое составляет мельчайшие доли секунды и рассчитываются исходя из иных факторов, одним из которых является время пересечения ядра частицей. Главным образом такой вид реакции выражается лишь на очень больших энергиях бомбардирующих частиц.

В случае сохранения первоначальных ядер после самой ядерной реакции, также не рождаются новые частицы, то реакция считается упругим рассеянием в поле ядерных сил, без какого-либо внутреннего взаимодействия. Такая реакция сопровождается лишь передачей кинетической энергии и импульса одной налетающей частицы ядру-мишени, называясь потенциальным рассеянием и полноценно подчиняясь законам сохранения импульса в этом случае.

Ранее были упомянуты механизмы реакции, но стоит несколько подробнее на них остановиться. Первая реакция, а именно механизм составного ядра был впервые разработан и предложен Нильсом Бором в 1936 году совместно с знаменитой теорией капельной модели. Данная теория даже сегодня лежит в основе больших представлений о всех ядерных реакциях.

Если следовать данной теории, то как и было описано, ядерная реакция следует в два этапа, при этом весь процесс от столкновения, образования составного ядра и его распада занимает в рамках 10^-23-10^-21 с. И важно отметить, что какое бы не было составное ядро, оно всегда является возбуждённым из-за избыточной энергии, которая вносится частицей в лице энергии связи нуклонов в составном ядре и части кинетической энергии составного ядра, которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с определённым большим массовым числом и налетающей частицы в системе так называемого центра инерции.

Здесь важно определить такое понятие как энергия возбуждения составного ядра, которое образовалось при поглощении свободного нуклона. Она составляет сумме энергии связи нуклонов ядра-мишени и части его кинетической энергии (1).

Часть кинетической энергии из-за большой разницы в массах ядра и нуклона в таких случаях становится равной кинетической энергии бомбардирующего нуклона. В среднем же энергия связи равна 8 МэВ и может изменяться только при отличительных особенностях образуемого в этом процессе составного ядра, но для точно указанного ядра-мишени и нуклона, это значение — константа. Кинетическая же энергия частицы может быть какой угодно, к примеру, в ядерных реакциях, где налетает нейтрон, за счёт того, что отсутствует отталкивающая сила ядра — кулоновский барьер, их энергия может быть крайне близка к нулю.

Таким образом, кинетическая энергия является минимальной энергией возбуждения составного ядра.

И именно из утверждения наличия составного ядра и существованию каналов распада ядер, можно сделать вывод о существовании каналов реакций. Сами по себе каналы реакции — это способы перехода из возбуждённого в невозбуждённое состояние. Типа и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал ядерной реакции, после завершения же реакции совокупность образовавшихся частиц, то есть продуктов реакции и их квантовое состояние определяется результирующий выходной канал реакции. Полная характеристика ядерной реакции осуществляется входными и выходными каналами.

Составное ядро само по себе живёт довольно долгое время, благодаря чему сам выбор канала реакции вовсе не зависит от способа образования составного ядра, благодаря чему оно «забывает», как было образовано. Это становится причиной для утверждения независимости процессов организации составного ядра и его распада. Ярким примером может быть ситуация образования возбуждённого ядра алюминия-27 следующими способами (2).

Но распадается это яро одинаково во всех случаях, при условии одинаковой энергии возбуждения. Но при этом имеется и возможно распада обратным любой из этих реакций, с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения самого возбуждённого ядра. Если же говорить о вероятности таких событий, то зависимость становится между сортом ядра-мишени и энергий.

Как и было ранее указано, ядерные реакции могут также протекать и по прямому каналу взаимодействия при больших энергиях, поскольку нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. Отличие от предыдущей модели составного ядра от модели прямых реакции состоит изначально в распределении векторов импульсов частиц-продуктов ядерной реакции, относительно импульса бомбардирующих частиц. Если же в составной модели действует сферическая симметрия, то в данном случае геометрия более проста и преимущество в выборе направлений результирующими частицами состоит в направлении входящих частиц.

Ранее упоминалось понятие вероятности ядерной реакции, которая представляется величиной, которая называется эффективным сечением ядерной реакции. В лабораторной системе отчёта принимается ситуация покоя ядра-мишени, вероятность взаимодействия определяется произведением сечения на поток падающих частиц, при этом сечение выражается в единицах площади, а поток в количестве частиц, пересекающих единицу площади в единицу времени. Само сечение ядерной реакции исчисляется в крайне малых единицах площади — барнах, равных 10^—24 см².

Отношение случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц, называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется экспериментально при количественных измерений, что связано с сечением реакций, а измерение этого выхода в самой сути — измерения сечения реакции.

Законы физики, в том числе и законы сохранения конечно же действуют и в ядерных реакциях. Эти законы накладывают определённых ограничения на возможность самого осуществления ядерной реакции. Также существуют и некоторые более специфичные законы сохранения, свойственные для микромира, примером таких могут стать закон сохранения барионного или лептонного числа. Они выполняются на всех известных реакциях, но некоторые другие законы сохранения чётности, изоспина, странности, лишь действуют в фундаментальных взаимодействиях. Следствие из них — это правила отбора, определяющие настоящие и невозможные ядерные реакции, которые можно осуществить.

Закон сохранения энергии в ядерных реакциях действуют предсказуемо, но очень специфически для представителей макромира. При этом выполняется равенство сумм полных энергий (3).

Если же расписать (3), то можно получить (4), из которого следует энергия реакции (5), которая удовлетворяет (6).

Таким образом (5), можно переписать и как (7).

Если же выход реакции больше нуля, то это реакция экзо-энергетическая и сопровождается выделением энергии в кинетическую энергию продуктов реакции, в обратном случае — поглощением и называется эндо-энергетической. Регулировка подобного процесс становится понятным и по разности масс до и после реакции и при положительной разности можно сказать, что она превращается в кинетическую энергию и реакция генерирует энергию, в обратном случае, то есть при отрицательной разности, процесс её поглощает.

Также действует и закон сохранения импульса, что очень хорошо заметно при прямых реакциях (8).

Вместе с этим существует и закон сохранения момента импульса и целых ряд иных законов, но самыми основными действующими в реакции, являются эти два закона сохранения.

Но теперь важно остановиться на видах ядерных реакций, а существует их несколько: ядерная реакция деления, синтеза, термоядерная реакция и фотоядерная реакция. Первый вид — ядерная реакция деления, это процесс расщепления атомного ядра на два, а реже на три ядра с близкими ядерными массами, которые называются осколками деления. Также могут возникать и иные продукты реакций, в том числе лёгкие ядра — альфа-частицы, дейтроны, а также нейтроны и гамма-кванты. Деление само по себе спонтанно и самопроизвольно, либо же вынужденное, из-за взаимодействия с другими частицами, к примеру нейтронами. Деление тяжёлых ядер — это в большинстве случаев экзо-энергетический процесс, что позволяет из этого процесса получать энергию из излучения и кинетической энергии продуктов.

Ядерная реакция синтеза — второй ядерный процесс, которые состоит в слиянии двух ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра. Такой процесс часто сопутствуется излучением гамма-квантов или других элементарных частиц. Слияние ядер чаще всего эндо-энергетический процесс, из-за чего чаще всего требуется введение энергии через кинетические энергии частиц, чтобы преодолеть кулоновский барьер — электростатическое отталкивание ядер. Слияние двух ядер и придание им энергии может осуществиться, как не сложно догадаться в ускорителях заряженных частиц, либо же эти частицы изначально обладали этой энергией, к примеру частицы космического излучения, но есть ещё один способ — это нагрев вещества до крайне высоких температур в специальном термоядерном реакторе, где кинетическая энергия частиц и температуры крайне огромны.

Таким образом можно подойти и к термоядерным реакциям. В таких реакциях, слияние лёгких ядер приводит к превращению излишней массы первоначальных ядер в энергию, поскольку суммарная масса слившихся ядер больше массы результирующего ядра-продукта реакции.

Из этого можно сделать вывод, что ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, ибо они испытывают довольно мощное электростатическое отталкивание при прохождении с их стороны кулоновского барьера. Их кинетическую энергию, по молекулярно-кинетической теории можно представлять в виде температуры всего вещества, следовательно нагрев приведёт к увеличению кинетической энергии составных частиц и их слиянию. Именно так и развивается нуклонный синтез в недрах звёзд с образованием новых ядер под огромной температурой.

В частности, в большом количестве происходит реакция слияния протонов, ядер гелия, а также как побочный результат, образуются и иные изотопы веществ, в том числе дейтерий и тритий, как изотопы водорода. И наконец, последний вид ядерной реакции — фотоядерная реакция, в этом случае происходит поглощение гамма-кванта с достаточной энергией, чтобы возбудить нуклонный состав, то есть ядро, благодаря чему оно становится составным, то есть его можно считать таковым, а также высвобождает из себя иную структуру, либо распадается.

Данный процесс и называется фотоядерной реакцией или ядерным фотоэффектом. И в заключение стоит отметить, что ядерные реакции могут быть записаны как в виде уравнения, как это демонстрировалось ранее, или, к примеру в (9), также имеет место несколько иная запись (10).

По итогу можно сделать о большой важности наличия знаний о самих ядерных реакциях у любого исследователя, контактирующего с данной областью, в том числе и с физикой резонансных ядерных реакций.

И если заметить, то как и было отмечено, ядерная физика развивалась на протяжении многого времени, не говоря о времени, которое потратило человечество, для изучения структуры всей материи и вещества в целом. Но активные исследования привели к совершенно недавнему открытию нового направления в этой области, а именно к физике резонансных ядерных реакций. Впервые подобная терминология была использована и практически продемонстрирована в монографии 2021 года Алиева И. Х. и Шарофутдинова Ф. М. «Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект „Электрон“», которая в дальнейшем получила своё продолжение.

2. Физика резонансных ядерных реакций

Создателем физики резонансных ядерных реакций, является Алиев И. Х., но на чём же основана эта дисциплина? Она изучает и определяет максимально благоприятные условия для возникновения своего рода скачков мощностей продуктов ядерных реакций, которые и носят название резонансов. Если говорить проще, то, когда проходит ядерная реакция, у неё образуются продукты реакции, о которых говорилось в одной из предыдущих лекций и все обстоятельства, которые приводят к тому, что реакция будет более эффективной и их энергии будут большими и является тем, что изучает физика резонансных ядерных реакций.

Рассмотрим на примере. Пусть на ядро некоторого элемента направляются заряженные частицы, это могут протоны, ионы, электроны, всё что угодно. И при приближении к ядру, возникает явление кулоновского отталкивания, он действует только на одноимённые заряды, а именно на ядра, но не действует на нейтральные частицы, к примеру на нейтроны, хотя сами нейтроны тоже имеют минимальный заряд. Частица тратит какую-то энергию на преодоление кулоновского барьера и остаётся с некоторой её частью, которую она тратит на преодоление самого ядра и дальнейшего прохождения ядерной реакции.

В реакции выделяется соответствующая энергия, если это эндо-энергетическая, за счёт неравности масс, то есть какая-то часть массы превращается в энергию и её уже получают продукты самой реакции — вылетающие частицы, а также они получают ту оставшуюся часть энергии от бомбардировавшей частицы. И общая энергия этих продуктов реакции определяется по соответствующему математическому аппарату, но нам необходим скачок именно мощности.

Мощность — это произведение тока пучка на его энергию, то есть напряжение. Энергия действительно для благоприятных реакций большая и измеряется в МэВ, но ток крайне мал. Нужно каким-то образом его увеличить. Чтобы это сделать, необходимо понять явление вероятности прохождения ядерной реакции. Пучок сам по себе он и волна, и корпускула, то есть частица, согласно корпускулярно-волновому дуализму, о котором можно подробнее узнать из курса квантовой физики, поэтому она имеет свою длину волны де Бройля (1).

И когда частица приближается к ядру, даже если она в неё не попала и не дотронулась до него, если она находится на расстоянии своей длины волны, то взаимодействие будет. Да, действительно, даже не касаясь частица может «удариться» и войти во взаимодействие, таковы законы микромира. Значит, нужно увеличить эту длину волны, а для этого нужно уменьшить импульс, но, чтобы уменьшить импульс, нужно уменьшить скорость.

Но уменьшать скорость нужно так, чтобы частица прошла кулоновский барьер, из этого и можно сделать вывод, что энергия частицы максимально должна быть близкой к кулоновскому барьеру. И здесь, величина кулоновского барьера — это и есть резонансная энергия этой ядерной реакции.

Теперь, как же определить выходящую мощность? Для этого нужно вычислить энергию, что уже просто сделать, но как же определить резонансных ток? Чтобы его определить представим следующее. Пластина-мишень состоит из расположенных атомов и пусть внутрь входит определённое число заряженных частиц. Если расположить на начале мишени систему отсчёта, то можно использовать следующее положение о том, что частицы пройдут некоторую часть мишени, которая начинается на определённой координате и завершается на координате суммы этой координаты и толщины самой части, а толщина равна разности этих координат.

Встаёт вопрос к этому условию: сколько входящих заряженных частиц войдут во взаимодействие? Для этого укажем, что на первой координате имеется N (x) частиц, а на конечной точке N (x) — dN, соответственно, где dN — число взаимодействовавших заряженных частиц.

Определим количество ядер в этом отрезке двух координат — x и x+dx, если толщина между ними dx. Для этого введём значение плотности ядер, которое определяет количество ядер вещества в единице объёма, она определяется как отношение плотности вещества на его атомную массу в кг и изменяется в ядро/м³ (2).

Чтобы определить сколько ядер в указанной точке, достаточно эту величину (2) умножить на объём в этой части пластины, для этого её площадь умножается на толщину и на (2), что указано в (3).

Но чему равна площадь, попав в которую ядро попадёт во взаимодействие? Для одного ядра введём понятие ядерного эффективного сечения, той самой области, а поскольку действия происходят в круге относительно ядра атома, то эта величина определяется по (4).

Таким образом, площадь доступная для взаимодействия составляет (5).

Но отношение этой площади ко всей площади плиты ведь равняется отношению количества всех оставшихся без взаимодействия частиц на общее количество частиц, то есть верно (6).

Теперь, введём численное определение для (6), а для этого проинтегрируем обе части (7) отдельно в (8) и (9), а затем получим общий результат (10).

Отсюда можно получить значение про-взаимодействовавших частиц (11).

А выходящую мощность можно вычислить и благодаря (12).

Откуда и получается скачок в мощности, то есть резонанс при приближении к энергии кулоновского взаимодействия в ядерной реакции. Именно этот процесс и является основной в этом направлении, которая позволяет при калибровке энергии получать резкие скачки в мощностях, а чтобы их осуществить необходимо создание и разработка специальных моноэнергетических ускорителей заряженных частиц с первым линейным ускорением, далее циклотронным.

Сегодня ведётся разработка единственного во всём мире моноэнергетического ускорителя ООО «Electron Laboratory» совместно с Объединённым Институтом Ядерных Исследований и Федеральным Государственным Унитарным Предприятием «Научно-исследовательский Институт Электрофизической Аппаратуры имени Дмитрия Васильевича Ефремова» и других организаций.

Для описания самого ускорителя достаточно привести небольшое цитирование из монографии Алиева И. Х. «Новые параметры по ядерным реакциям для осуществления на ускорителе заряженных частиц ЛЦУ-ЭПД-300»:

«Когда же актуальность проблемы энергетического голода в планетарном масштабе не раз была доказана и продемонстрирована проблема необходимости создания устройства и метода генерации электрической энергии с высокой эффективностью в крайне больших масштабах, что позволяло бы разрешить эту проблему и открыть путь для целого спектра многочисленных проектов и научных работ, нуждающиеся в подобном источнике электрической энергии, становится следующим этапом на пути развития этого большого проекта.

И поскольку проводились необходимые исследования в области поиска подобного источника и метода генерации энергии, то наконец решением были признаны ядерные реакции, которые бы увеличивали собственное сечение, следовательно, как вероятность прохождения самой реакции, так и количество действовавших реакций, что конечно же напрямую связано с общей эффективностью всей ядерной реакции. Что вытекает при учёте, что энергия вылетающих частиц из ядерной реакции, во всём картеже частиц, это общее напряжение, а количество вылетающих частиц, благодаря их заряду создаёт параметр силы тока системы.

Благодаря тому, что энергии подбираются с таким расчётом, что после прохождения кулоновского барьера, частица обладает энергией равной энергии её теплового аналога и уже этот факт увеличивает эффективное сечение всей ядерной реакции, в которое вступает частица, то такие ядерные реакции можно назвать резонансными, благодаря тому, что они вызывают резонанс в системе и только этим увеличивают общую эффективность всего осуществляемого процесса.

Резонансные ядерные реакции, впервые были открыты в сентябре 2021 года, после чего проводились активные исследования, которые привели к ряду публикаций, самым значительным среди которых было произведено в декабре 2021 года, коим является монография Алиева И. Х. и Шарофутдинова Ф. М. «Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект „Электрон“», к которой привело исследование в области поиска данного метода на протяжении 12 лет, при том учёте, что поиск в области физики атомного ядра и элементарных частиц, а также квантовой физике проходило на протяжении значительных 5 лет. Наименование резонансных ядерных реакций было придано данным системам в январе 2022 года со стороны Каримова Боходира Хошимовича и впервые фигурирует в данном исследований.

Благодаря тому, что актуальность резонансных ядерных реакций быстро вытекает из вышесказанного, то остаётся доказать актуальность того факта, что для осуществления указываемых ядерных реакций необходим ускоритель заряженных частиц, специального типа ЛЦУ (Линейно-циклотронный ускоритель), его класс ЭПД-20, вытекает из параметров, что в нём пучками являются протонные и дейтериевые пучки проекта «Электрон» с энергией до 20 МэВ. Благодаря тому, что энергия должна быть подобрана, к примеру, для обычной ядерной реакции бомбардировки лития-6 с выделением двух альфа-частиц необходимо наличие у протона с энергией 1,613245483 МэВ, и только при этом случае будет допускаться, что конечная энергия протона, после прохождения кулоновского барьера на ядерном радиусе составит 0,25 эВ, благодаря чему протон становится, что называется «тепловым» и эффективное сечение этой ядерной реакции измеряется уже в огромные единицах — кБн.

Но на сегодняшний день на всей планете нет ускорителя класса ЛЦУ, не говоря уже о подробном типа, имея общую кодировку ЛЦУ-ЭПД-20, который смог бы придать энергию протону равную 2,312691131 МэВ для первой, 1,978142789 МэВ для второй, 1,613245483 МэВ для третьей и 4,457595117 МэВ для четвёртой реакции, не потому, что эта энергия не достижима, отнюдь, эта энергия является мизерной в физике ускорителей, поскольку современные ускорители частиц фигурируют с энергиями в ГэВ и ТэВ. Причиной трудно достижимости таких результатов является именно точность, ускорители могут придать энергию в 1 МэВ, 1,5 МэВ или 2 МэВ, то есть конкретные значения, точность которых не превышает 1 или 2 порядков (под порядком имеется ввиду порядок дроби или точнее отрицательная степень основания показательной функции, то есть 10, представленной в модуле), а как видно, для данного эксперимента нужна куда более большая точность.

Важность исследований резонансных ядерных реакций была не раз констатирована в ряде научных статей и проводимых исследованиях, а также для этого была посвящена специальная монография «Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект „Электрон“», в которой подробно описывались 6 ядерных реакций, в 4 из которых происходил процесс бомбардировки мишени из бериллия, бора, алюминия и лития протонами, а в 2 из них, происходила бомбардировка мишени из лития-6 и лития-7 дейтронами, за счёт чего выделались на ряду с основным продуктом реакции — альфа-частицами, ещё и целый комплекс иных частиц, которые после отклонений в МГД-генераторе представлялись как электрический ток.

Говоря об описанном научном труде, важно отметить, что это была в первую очередь теоретическая работа, в которой имели места расчёты крайне высоких значений в связи с током, когда заряды пучков крайне большие, как и токи, доходя до нескольких кА. И лишь в завершении учитывались более приближённые данные. В данном же случае ведётся расчёт также и в моменте, когда токи малы и более приближены к реальным. Для сравнения, токи в недавно созданном циклотроне ДЦ-280 не доходили до значения в 1 А, а измерялись лишь в мА.

Такие же параметры можно привести и для электростатического ускорителя «ЭГ-2 СОКОЛ», ныне принадлежащий Научно-исследовательскому Институту полупроводников и микроэлектроники при Национальном Университете Республики Узбекистан.

Следовательно, для осуществления подобного рода ядерных реакций, когда необходимые особые условия, их необходимо в очередной раз указать и уточнить, максимально приблизив к реальным значениям. Кроме того, если подробно остановится на механизме реакций, получается картина с того, что как указывалось, важно наличие специального устройства — ускорителя заряженных частиц, который мог бы придавать большую энергию в размере нескольких МэВ, для заряженной частицы. После чего данная частица наталкивалась бы на мишень определённого вещества, благодаря чему и проходила определённая ядерная реакция. При этом происходит целый ряд процессов, одним из которых является преодоление кулоновского барьера, то есть даже если ядерная реакция происходит с выходом энергии, частица для осуществления этого действия всё равно должна затратить некоторую энергию, но если подобрать общую комбинацию следующим образом, чтобы затрачивалось такое количество энергии, благодаря чему в конечном итоге оставалось малое количество энергии, превращая налетающую частицу в медленную, то вероятность прохода этой реакции резко увеличивается до не малых значений, уже после кулоновского барьера, когда кулоновские силы уже не учитываются и процесс проходит на ядерном радиусе, как и было указано.

Таким образом актуально создание ЛЦУ, который придавал бы энергии заряженным частицам с 9—10 порядком, что значительно увеличивает эффективность всей исследуемой системы и приводит к более точному определению кулоновского и иных барьеров любой реакции. При этом данный ЛЦУ, имеет целый ряд преимуществ наряду со всеми имеющимися ускорителями, поскольку для начала, является комбинацией двух классов ускорителей: циклических и линейных.

Говоря же об ускорителях, важно отметить, что ускорители сами по себе просты, в них частицы ускоряются под действием электрического поля, на этом основан весь принцип. Также нельзя и усомниться в том, что наконец пришло время для реакции первых резонансных ядерных реакций на первом ЛЦУ. Ведь если прибегать к истории, то, к примеру, самый первый ускоритель был построен в 1930 году Лоуренсом Беркли. Первыми ускорителями считаются ускорители 1931 годов, когда был создан 23 см кольцевой циклотрон в Калифорнийском университете на ускорение водородных ионов с энергией в 1 МэВ. Также был разработан в 1932 году 28 см кольцевой протонный циклотрон на энергию в 1,2 МэВ в Беркли. Там же в Калифорнийском университете, Беркли разработаны действующий с 1932 по 1936 гг. 68 см кольцевой дейтериевый циклотрон на энергию 4,8 МэВ; действующий с 1937 по 1938 гг. 94 см кольцевой дейтериевый циклотрон на 8 МэВ; с 1939 г. по нынешнее время действующий 152 см кольцевой тритиевый циклотрон на 16 МэВ; с 1942 г. по нынешнее время действующий 467 см кольцевой циклотрон для различных заряженных частиц на энергию более 100 МэВ. Вместе с этим в 1932 году в Кавендишской лаборатории был сконструирован протонный электростатический протонный ускоритель на энергию 0,7 МэВ Кокрофта-Уолтона, действующий благодаря умножителю напряжения Эрнеста Томаса Синтона Уолтона и сэра Джона Дугласа Кокрофта (лауреатов 1951 г.), уже более известный также как умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона.

Также известны ускорители Гарварда (1949—2002), Национальной лаборатории Оук-Ридж (1943-н.в.) для протонов и ядер урана с энергиями от 160 МэВ. Также создавались синхротроны известные как космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории, 1953—1968 гг. 72 метра для протонов в 3,3 ГэВ, также Бирменгемский сихротрон, беватро, ускоритель «Сатурн», Российский синхрофазотрон в Дубне, Протонный циклотрон в ЦЕРН. Перечисление ускорителей может быть довольно долгим процессом, не говоря уже об описании каждого, благодаря разности их видов, характеристик и физики. Поэтому нет места для сомнений в прохождении достаточно пути в данной сфере со стороны мировой науки, чтобы начались исследования и работы в конструировании новейшего циклотрона резонансного типа.

Целью данной научно-исследовательской работы является полная разработка ускорителя заряженный частиц «ЛЦУ-ЭПД-20» (линейно-циклотронный ускоритель протон-дейтериевого циклотрона для проекта «Электрон» с энергией до 20 МэВ, с высоким порядком), для подробного исследования резонансных ядерных реакций.

Задачами данного исследования являются:

· Изучение общей системы работы, физики и истории ускорителей;

· Разработка электрической системы ускорения (ВЧ-система);

· Вычисление параметров и алгоритма создания магнитной системы;

· Изучение вакуумной системы и разработка метода достижения необходимого уровня вакуума;

· Разработка системы контроля действия ускорителя и придачи необходимого уровня энергии;

· Разработка механизма и физики детектирования получаемых результатов;

· Создание технологии математического моделирования системы ускорителя заряженных частиц;

· Описание вариаций работы на ускорителе на примерах резонансных ядерных реакций.

Объектом данного исследования является ускоритель заряженных частиц ЛЦУ-ЭПД-20 резонансного типа.

Предметом исследования является изучение процесса создания ускорителя заряженных частиц резонансного типа, и технология проведения на данном ускорителе экспериментов.

Для данного исследования были применён инструментальный, эмпирический и теоретический метод исследования (с некоторыми оговорками), что выдало необходимые важные результаты.

Научная новизна данной исследовательской работы заключается в следующем:

· Первое слияние двух классов ускорителей: циклотронного и линейного, в итоге чего образуется система ЛЦУ;

· Впервые разрабатывается система, действующая в масштабе 9—10 порядков;

· Открыта возможность к проведению экспериментов с значениями энергий в 3 единиц 11—12 порядок, благодаря варьированию значения до 20 МэВ;

· Первое применение возможности проведения ядерных реакций на протонах и дейтронах с оперированием кулоновскими барьерами на любых ядрах;

· Единственное устройство на планете за всю историю человечество с такой критической точностью эксперимента;

· Указание в качестве первого исследования в области физики резонансных ядерных реакций;

· Первое представление ускорителя заряженных частиц в качестве источника электрической энергии;

· Единственные исследования в качестве ускорителя без перехода к методу генерации электрической энергии с переходом в котлованный механизм;

· Огромный объём генерируемой электрической энергии;

· Возможность перехода на высшие ядра (с 119 ядра).

Говоря о новизне данного исследования, наряду с множеством пунктом, которые в данном случае приводятся лишь частично, важно уточнить тот факт, что особенностью ускорителя, создаваемого для научно-исследовательской лаборатории при проекте «Электрон» ЛЦУ-ЭПД-20 является точность. Именно возможность придавать дуантам определённое напряжение, что при проходе через щели электрического поля, где и осуществляется ускорение пучка, ускоряется только на некоторое число, которая является лишь частью конечной энергии.

Как можно указать в самом названии реакции, необходимо вызвать резонанс, но не из-за частного «совпадения», а именно из-за энергетического подхода, как это описывалось ранее, но будет ещё более подробно описываться в последующих главах, где изначально приводится история ускорительной техники, затем разрабатывается основной физический и математический аппарат, позволяющий уже оперировать с образующимися системами ускорения пучка.

Практические результаты заключатся в следующем:

· Разработана целая программа по реализации ЛЦУ-ЭПД-20;

· Вычислены все необходимые данные ЛЦУ-ЭПД-20;

· Получена вся физика и методы работы для нового ЛЦУ-ЭПД-20;

· Разработана технология создания ускорителя ЛЦУ-ЭПД-20;

· Выражены отличительные черты резонансных ускорителей;

· Разработан проект научно-исследовательской лаборатории при новом проекте «Электрон» с использованием ЛЦУ-ЭПД-20;

· Разработана концепция научно-исследовательской лаборатории при проекте «Электрон» с использованием ЛЦУ-ЭПД-20;

· Опубликована монография «Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект „Электрон“» с описанием 1 этапа исследования проекта «Электрон»;

· Планируется публикация целого списка монографий для подробного описания проекта ускорителя ЛЦУ-ЭПД-20;

· Разработана «Дорожная карта» проекта «Электрон».

Достоверность результатов основана на том, что будут использованы общепринятые математические, физические и иные операции. А также будут использованы экспериментальные данные, полученные в различных лабораториях и научно-исследовательских центрах, а также из практики учёных, по созданию такого рода ускорителей.

Данное исследование было не раз обсуждено на собрании докторов и кандидатов физико-математических наук Ферганского Государственного Университета, рецензентов монографии по 1 этапу проекта «Электрон», учёных Ферганского Политехнического Института, а также при контакте-обсуждении с доктором технических наук, доцентом научно-исследовательского института физики полупроводников и микроэлектроники Национального Университета Узбекистана.

Результаты проводимого исследования опубликованы в научных статьях в международных журналах «Точная Наука», «Молодой учёный» и некоторых других, в данной монографии и в монографии Алиева И. Х. и Шарофутдинова Ф. М. «Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект «Электрон»», опубликованная ещё в 2021 году, рецензентами для которой стали доктор физико-математических наук, профессор физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Отажонов Салим Мадрахимович, доктор технических наук, доцент научно-исследовательского института физики полупроводников и микроэлектроники Национального Университета Узбекистана Кулдашев Оббос Хакимович, кандидат физико-математических наук, доцент физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Каримов Боходир Хошимович, кандидат физико-математических наук, доцент физико-математического факультета Ферганского Политехнического Института Абдурахмонов Султонали Мадрахимович, доктор философии по физико-математическим наукам, старший преподаватель физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Зайнолобидинова Сапура Маликовна, старший преподаватель физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета Юлдошалиев Дилшод Кулдошалиевич».

Именно так на данный момент выглядит проект первого в мире ускорителя резонансного типа ЛЦУ-ЭПД-20. А после проведения всего проекта «Электрон» можно достичь осуществления грандиозной работы, которая открывает новые возможности, делает целое государство полностью энергетически независимым, потому что этих 17,56 ГВт*ч электрической энергии более чем достаточно для обеспечения всей Республики Узбекистан на 174,4%, благодаря чему может появиться новая отрасль инфраструктуры являющаяся направлением энергетического экспорта со стороны государства, что также приведёт к улучшению и развитию государственной экономики и не только в промышленном смысле, но также и в самом настоящем научном!

В. English version

1. General concepts of nuclear reactions

By itself, a nuclear reaction is the process of interaction of an atomic nucleus with another nucleus or elementary particle, which may be accompanied by a change in the structure, structure, composition of the nucleus, the formation of new nuclei or elementary particles and the introduction of further changes. Also, the consequence of a nuclear reaction can be its fission, the descent of both elementary particles and massless protons. At the same time, due to the action of several other laws, under which mass can actively be converted into energy and vice versa, the kinetic energy of the resulting particles may well not be equal to the sum of the original ones.

Such nuclear reactions are exo-energetic or energy-releasing. The first nuclear reaction was carried out by Ernest Rutherford in 1917, when alpha particles bombarded the nuclei of nitrogen atoms. It was completely fixed due to the appearance of secondary ionizing particles, whose mileage in the gas was greater than the mileage of alpha particles, after which they were identified as protons. The process was later photographed.

By the way, about this, it is important to say that a Wilson camera is used to photograph nuclear reactions. Speaking about the mechanisms of interaction, we can distinguish two types of such interaction, namely:

1. Reaction with the formation of a composite nucleus, this process consists of two stages, while the incoming particle combines with the bombarded nucleus itself, forming a common core, which later decays. Such a nuclear reaction proceeds at low energies, up to 10 MeV;

2. Direct nuclear reactions that take place immediately, in nuclear time, which is the smallest fractions of a second and are calculated based on other factors, one of which is the time of crossing the nucleus by a particle. Basically, this type of reaction is expressed only at very high energies of the bombarding particles.

If the original nuclei are preserved after the nuclear reaction itself, no new particles are also born, then the reaction is considered elastic scattering in the field of nuclear forces, without any internal interaction. Such a reaction is accompanied only by the transfer of kinetic energy and momentum of one incoming particle to the target nucleus, being called potential scattering and fully obeying the laws of conservation of momentum in this case.

The reaction mechanisms were mentioned earlier, but it is worth dwelling on them in more detail. The first reaction, namely the mechanism of the composite nucleus, was first developed and proposed by Niels Bohr in 1936 together with the famous theory of the droplet model. This theory even today underlies the great ideas about all nuclear reactions.

If we follow this theory, then, as described, the nuclear reaction follows in two stages, while the entire process from collision, formation of a composite nucleus and its decay takes within 10-23-10-21 seconds. And it is important to note that whatever the composite nucleus is, it is always excited due to the excess energy that is introduced by the particle in the face of the binding energy of nucleons in the composite nucleus and part of the kinetic energy of the composite nucleus, which is equal to the sum of the kinetic energy of the target nucleus with a certain large mass number and the incident particle in the system of the so-called the center of inertia.

Here it is important to define such a concept as the excitation energy of a composite nucleus, which was formed during the absorption of a free nucleon. It is the sum of the binding energy of the nucleons of the target nucleus and part of its kinetic energy (1).

Part of the kinetic energy due to the large difference in the masses of the nucleus and the nucleon in such cases becomes equal to the kinetic energy of the bombarding nucleon. On average, the binding energy is equal to 8 MeV and can change only with the distinctive features of the composite nucleus formed in this process, but for the precisely specified target nucleus and nucleon, this value is a constant. The kinetic energy of a particle can be anything, for example, in nuclear reactions where a neutron strikes, due to the fact that there is no repulsive force of the nucleus — the Coulomb barrier, their energy can be extremely close to zero.

Thus, the kinetic energy is the minimum excitation energy of the composite nucleus.

And it is from the statement of the presence of a composite nucleus and the existence of nuclear decay channels that we can conclude about the existence of reaction channels. The reaction channels themselves are the ways of transition from an excited to an unexcited state. The type and quantum state of the incoming particles and nuclei before the start of the reaction determine the input channel of the nuclear reaction, after the completion of the reaction, the totality of the formed particles, that is, the reaction products and their quantum state is determined by the resulting output channel of the reaction. The complete characterization of the nuclear reaction is carried out by input and output channels.

The composite nucleus itself lives for quite a long time, due to which the choice of the reaction channel itself does not depend at all on the method of formation of the composite nucleus, due to which it «forgets» how it was formed. This becomes the reason for the assertion of the independence of the processes of the organization of the composite core and its disintegration. A striking example can be the situation of the formation of an excited aluminum-27 nucleus in the following ways (2).

But it decays violently in the same way in all cases, provided that the excitation energy is the same. But at the same time, there is also a possibility of reverse decay of any of these reactions, with a certain probability that does not depend on the history of the origin of the excited nucleus itself. If we talk about the probability of such events, then the dependence becomes between the grade of the target nucleus and the energies.

As previously indicated, nuclear reactions can also proceed through a direct channel of interaction at high energies, since the nucleons of the nucleus can be considered as free. The difference from the previous composite core model from the direct reaction model initially consists in the distribution of the momentum vectors of the particles-products of the nuclear reaction, relative to the momentum of the bombarding particles. If spherical symmetry operates in the composite model, then in this case the geometry is simpler and the advantage in choosing the directions of the resulting particles is in the direction of the incoming particles.

Earlier, the concept of the probability of a nuclear reaction was mentioned, which is represented by a quantity called the effective cross section of a nuclear reaction. In the laboratory system of the report, the resting situation of the target nucleus is taken, the probability of interaction is determined by the product of the cross section by the flow of incident particles, while the cross section is expressed in units of area, and the flow in the number of particles crossing the unit area per unit time. The cross section of the nuclear reaction itself is calculated in extremely small units of area — barns equal to 10—24 cm².

The ratio of reaction cases attributed to the number of particles bombarding the target is called the yield of a nuclear reaction. This value is determined experimentally by quantitative measurements, which is associated with the cross—section of reactions, and the measurement of this output is in essence the measurement of the reaction cross-section.

The laws of physics, including conservation laws, of course also apply in nuclear reactions. These laws impose certain restrictions on the possibility of carrying out a nuclear reaction itself. There are also some more specific conservation laws peculiar to the microcosm, an example of such can be the law of conservation of the baryon or lepton number. They are performed on all known reactions, but some other laws of parity conservation, isospin, strangeness, only act in fundamental interactions. The consequence of them is the selection rules that determine the real and impossible nuclear reactions that can be carried out.

The law of conservation of energy in nuclear reactions acts predictably, but very specifically for representatives of the macrocosm. In this case, the equality of the sums of the total energies (3) is fulfilled.

If we paint (3), then we can get (4), from which follows the reaction energy (5), which satisfies (6).

Thus (5) can also be rewritten as (7).

If the reaction yield is greater than zero, then this reaction is exo-energetic and is accompanied by the release of energy into the kinetic energy of the reaction products, in the opposite case — absorption and is called endo-energetic. The adjustment of such a process becomes clear both by the mass difference before and after the reaction, and with a positive difference, we can say that it turns into kinetic energy and the reaction generates energy, in the opposite case, that is, with a negative difference, the process absorbs it.

The law of conservation of momentum also applies, which is very noticeable in direct reactions (8).

At the same time, there is a law of conservation of momentum and a number of other laws, but the most basic ones acting in the reaction are these two conservation laws.

But now it is important to focus on the types of nuclear reactions, and there are several of them: nuclear fission reaction, fusion, thermonuclear reaction and photonuclear reaction. The first type is a nuclear fission reaction, this is the process of splitting an atomic nucleus into two, and less often into three nuclei with close nuclear masses, which are called fission fragments. Other reaction products may also occur, including light nuclei — alpha particles, deuterons, as well as neutrons and gamma quanta. Fission itself is spontaneous and spontaneous, or forced, due to interaction with other particles, for example neutrons. The fission of heavy nuclei is in most cases an exo—energetic process, which makes it possible to obtain energy from radiation and kinetic energy of products from this process.

The nuclear fusion reaction is the second nuclear process, which consists in the fusion of two nuclei to form a new, heavier nucleus. This process is often accompanied by the emission of gamma rays or other elementary particles. Fusion of nuclei is most often an endo-energetic process, which most often requires the introduction of energy through the kinetic energies of particles in order to overcome the Coulomb barrier — the electrostatic repulsion of nuclei. The fusion of two nuclei and giving them energy can be realized, as it is not difficult to guess in charged particle accelerators, or these particles originally possessed this energy, for example, cosmic radiation particles, but there is another way — it is heating matter to extremely high temperatures in a special thermonuclear reactor, where the kinetic energy of particles and temperatures are extremely huge.

In this way, it is possible to approach thermonuclear reactions. In such reactions, the fusion of light nuclei leads to the conversion of the excess mass of the original nuclei into energy, since the total mass of the merged nuclei is greater than the mass of the resulting nucleus-the reaction product.

From this it can be concluded that the nuclear fusion reaction of the initial nuclei must have a relatively large kinetic energy, because they experience a rather powerful electrostatic repulsion when passing from their side of the Coulomb barrier. According to the molecular kinetic theory, their kinetic energy can be represented as the temperature of the entire substance, therefore heating will lead to an increase in the kinetic energy of the composite particles and their fusion. This is how nucleon synthesis develops in the bowels of stars with the formation of new nuclei under enormous temperatures.

In particular, the fusion reaction of protons and helium nuclei occurs in large quantities, and as a side result, other isotopes of substances are formed, including deuterium and tritium, as isotopes of hydrogen. And finally, the last type of nuclear reaction is a photonuclear reaction, in which case a gamma quantum is absorbed with sufficient energy to excite the nucleon composition, that is, the nucleus, so that it becomes composite, that is, it can be considered as such, and also releases a different structure from itself, or decays.

This process is called a photonuclear reaction or a nuclear photoelectric effect. And in conclusion, it is worth noting that nuclear reactions can be written as in the form of an equation, as demonstrated earlier, or, for example, in (9), there is also a slightly different notation (10).

As a result, it can be concluded that it is very important for any researcher in contact with this field, including the physics of resonant nuclear reactions, to have knowledge about the nuclear reactions themselves.

And if you notice, then as it was noted, nuclear physics has been developing for a long time, not to mention the time that humanity has spent to study the structure of all matter and matter as a whole. But active research has led to the very recent discovery of a new direction in this field, namely, the physics of resonant nuclear reactions. For the first time such terminology was used and practically demonstrated in the monograph of 2021 by Aliyev I. H. and Sharofutdinova F. M. «The use of accelerators and the phenomena of collisions of elementary particles with high-order energy to generate electrical energy. The Electron Project», which later received its continuation.

2. Physics of resonant nuclear reactions

The creator of the physics of resonant nuclear reactions is I. H. Aliyev, but what is the basis of this discipline? It studies and determines the most favorable conditions for the occurrence of a kind of power surges of the products of nuclear reactions, which are called resonances. To put it simply, when a nuclear reaction takes place, it forms reaction products, which were discussed in one of the previous lectures, and all the circumstances that lead to the reaction being more efficient and their energies being greater are what the physics of resonant nuclear reactions studies.

Let’s take an example. Let charged particles be directed to the nucleus of some element, it can be protons, ions, electrons, anything. And when approaching the nucleus, the phenomenon of Coulomb repulsion occurs, it acts only on charges of the same name, namely on nuclei, but does not act on neutral particles, for example, neutrons, although the neutrons themselves also have a minimal charge. The particle spends some energy on overcoming the Coulomb barrier and remains with some of its part, which it spends on overcoming the nucleus itself and further passing the nuclear reaction.

The corresponding energy is released in the reaction, if it is endo-energetic, due to the inequality of the masses, that is, some part of the mass is converted into energy and it is already received by the products of the reaction itself — the flying particles, and they also receive the remaining part of the energy from the bombarded particle. And the total energy of these reaction products is determined by the appropriate mathematical apparatus, but we need a power jump.

Power is the product of the beam current by its energy, that is, voltage. The energy is really large for favorable reactions and is measured in MeV, but the current is extremely small. We need to somehow increase it. To do this, it is necessary to understand the phenomenon of the probability of a nuclear reaction. The beam itself is both a wave and a corpuscle, that is, a particle, according to the particle-wave dualism, which you can learn more about from the course of quantum physics, so it has its own de Broglie wavelength (1).

And when a particle approaches the nucleus, even if it did not hit it and did not touch it, if it is at a distance of its wavelength, then there will be an interaction. Yes, indeed, even without touching a particle, it can «hit» and enter into interaction, these are the laws of the microcosm. So, you need to increase this wavelength, and for this you need to reduce the pulse, but to reduce the pulse, you need to reduce the speed.

But it is necessary to reduce the velocity so that the particle passes the Coulomb barrier, from this we can conclude that the energy of the particle should be as close as possible to the Coulomb barrier. And here, the value of the Coulomb barrier is the resonant energy of this nuclear reaction.

Now, how to determine the output power? To do this, you need to calculate the energy, which is already easy to do, but how to determine the resonant current? To define it, imagine the following. The target plate consists of arranged atoms and let a certain number of charged particles enter inside. If we place a reference frame at the beginning of the target, then we can use the following statement that the particles will pass through some part of the target, which begins at a certain coordinate and ends at the coordinate of the sum of this coordinate and the thickness of the part itself, and the thickness is equal to the difference of these coordinates.

The question arises to this condition: how many incoming charged particles will enter into the interaction? To do this, we indicate that there are N (x) particles at the first coordinate, and dN at the end point N (x), respectively, where dN is the number of interacting charged particles.

Let’s determine the number of cores in this segment of two coordinates — x and x+dx, if the thickness between them is dx. To do this, we introduce the value of the density of nuclei, which determines the number of nuclei of a substance per unit volume, it is defined as the ratio of the density of a substance to its atomic mass in kg and changes into a nucleus / m3 (2).

To determine how many cores there are at a specified point, it is enough to multiply this value (2) by the volume in this part of the plate, for this its area is multiplied by the thickness and by (2), which is indicated in (3).

But what is the area, once in which the core will get into the interaction? For one nucleus, we introduce the concept of the nuclear effective cross section, the same region, and since the actions take place in a circle relative to the nucleus of an atom, this value is determined by (4).

Thus, the area available for interaction is (5).

But the ratio of this area to the entire area of the plate is equal to the ratio of the number of all particles remaining without interaction to the total number of particles, that is, it is true (6).

Now, we introduce a numerical definition for (6), and for this we integrate both parts (7) separately into (8) and (9), and then we get the overall result (10).

From here we can get the value of the interacting particles (11).

And the output power can also be calculated thanks to (12).

Hence, a jump in power is obtained, that is, a resonance when approaching the energy of the Coulomb interaction in a nuclear reaction. It is this process that is the main one in this direction, which allows for the calibration of energy to receive sharp jumps in power, and in order to implement them, it is necessary to create and develop special monoenergetic accelerators of charged particles with the first linear acceleration, then cyclotron.

Today, the only monoenergetic accelerator in the world is being developed by Electron Laboratory LLC together with the Joint Institute for Nuclear Research and the Federal State Unitary Enterprise Dmitry Vasilyevich Efremov Research Institute of Electrophysical Equipment and other organizations.

To describe the accelerator itself, it is enough to cite a small quotation from the monograph of Aliyev I. H. «New parameters for nuclear reactions for the implementation of charged particle accelerator LCU-EPD-300»:

«When the urgency of the problem of energy starvation on a planetary scale has been proven and demonstrated more than once, the problem of the need to create a device and method for generating electric energy with high efficiency on an extremely large scale, which would allow solving this problem and opening the way for a whole range of numerous projects and scientific works in need of such a source of electric energy, becomes the following a stage in the development of this large project.

And since the necessary research was carried out in the field of searching for such a source and method of energy generation, nuclear reactions were finally recognized as a solution that would increase their own cross-section, therefore, both the probability of passing the reaction itself and the number of active reactions, which of course is directly related to the overall efficiency of the entire nuclear reaction. What follows when taking into account that the energy of the flying particles from the nuclear reaction, in the entire particle picture, is the total voltage, and the number of flying particles, due to their charge, creates a parameter of the current strength of the system.

Due to the fact that the energies are selected in such a way that after passing the Coulomb barrier, the particle has an energy equal to the energy of its thermal counterpart and this fact alone increases the effective cross-section of the entire nuclear reaction into which the particle enters, then such nuclear reactions can be called resonant, due to the fact that they cause resonance in the system and only this they increase the overall efficiency of the entire process.

Resonant nuclear reactions were first discovered in September 2021, after which active research was carried out, which led to a number of publications, the most significant of which was made in December 2021, which is the monograph of Aliyev I. H. and Sharofutdinova F. M. «The use of accelerators and the phenomena of collisions of elementary particles with high-order energy to generate electric energy. The Electron Project», which led to research in the field of searching for this method for 12 years, taking into account that the search in the field of atomic nucleus and elementary particle physics, as well as quantum physics, took place for a significant 5 years. The name of resonant nuclear reactions was given to these systems in January 2022 by Karimov Bokhodir Khoshimovich and appears for the first time in this research.

Due to the fact that the relevance of resonant nuclear reactions quickly follows from the above, it remains to prove the relevance of the fact that a charged particle accelerator, a special type of LCU (Linear Cyclotron Accelerator), its class EPD-20, is necessary for the implementation of these nuclear reactions, it follows from the parameters that proton and deuterium beams are beams in it the Electron project with an energy of up to 20 MeV. Due to the fact that the energy must be selected, for example, for a conventional nuclear lithium-6 bombardment reaction with the release of two alpha particles, it is necessary to have a proton with an energy of 1.613245483 MeV, and only in this case it will be assumed that the final energy of the proton, after passing the Coulomb barrier at the nuclear radius, will be 0.25 eV, due to what does a proton become, what is called «thermal» and the effective cross-section of this nuclear reaction is already measured in huge units — kBn.

But today there is no LCC class accelerator on the whole planet, not to mention a detailed type, having a common LCC-EPD-20 encoding, which could give a proton energy equal to 2,312691131 MeV for the first, 1,978142789 MeV for the second, 1,613245483 MeV for the third and 4,457595117 MeV for the fourth reaction, not because this energy is not achievable, by no means, this energy is scanty in accelerator physics, since modern particle accelerators appear with energies in GeV and TeV. The reason for the difficulty of achieving such results is precisely the accuracy, accelerators can give energy in 1 MeV, 1.5 MeV or 2 MeV, that is, specific values whose accuracy does not exceed 1 or 2 orders of magnitude (by order we mean the order of the fraction or more precisely the negative degree of the base of the exponential function, that is, 10, presented in the module), and as you can see, much greater accuracy is needed for this experiment.

The importance of research on resonant nuclear reactions has been repeatedly stated in a number of scientific articles and ongoing research, and a special monograph «The use of accelerators and the phenomena of collisions of elementary particles with high-order energy for generating electrical energy» was devoted to this. The Electron Project», in which 6 nuclear reactions were described in detail, in 4 of which the process of bombarding a target made of beryllium, boron, aluminum and lithium with protons took place, and in 2 of them, the target was bombarded with lithium-6 and lithium-7 deuterons, due to which they stood out along with the main product reactions were carried out by alpha particles, and also a whole complex of other particles, which, after deviations in the MHD generator, were represented as an electric current.

Speaking about the described scientific work, it is important to note that it was primarily a theoretical work in which calculations of extremely high values took place in connection with the current, when the charges of the beams are extremely large, as are the currents, reaching several kA. And only at the end more approximate data were taken into account. In this case, the calculation is also carried out at the moment when the currents are small and more close to the real ones. For comparison, the currents in the newly created DC-280 cyclotron did not reach a value of 1 A, but were measured only in mA.

The same parameters can be given for the EG-2 SOKOL electrostatic accelerator, now owned by the Research Institute of Semiconductors and Microelectronics at the National University of the Republic of Uzbekistan.

Therefore, in order to carry out this kind of nuclear reactions, when special conditions are necessary, they must once again be specified and clarified, as close as possible to the real values. In addition, if we dwell in detail on the mechanism of reactions, we get a picture from the fact that, as indicated, it is important to have a special device — an accelerator of charged particles, which could impart more energy in the amount of several MeV, for a charged particle. After that, this particle would come across a target of a certain substance, thanks to which a certain nuclear reaction took place. At the same time, a number of processes occur, one of which is overcoming the Coulomb barrier, that is, even if a nuclear reaction occurs with an energy output, the particle must still expend some energy to carry out this action, but if you choose a general combination as follows, so that such an amount of energy is expended, so that eventually a small amount remains by turning the incoming particle into a slow one, the probability of this reaction passing sharply increases to not small values, already after the Coulomb barrier, when Coulomb forces are no longer taken into account and the process takes place at a nuclear radius, as indicated.

Thus, it is important to create an LCU that would give energy to charged particles with a 9—10 order, which significantly increases the efficiency of the entire system under study and leads to a more accurate determination of the Coulomb and other barriers of any reaction. At the same time, this LCC has a number of advantages along with all available accelerators, since, to begin with, it is a combination of two classes of accelerators: cyclic and linear.

Speaking of accelerators, it is important to note that accelerators themselves are simple, in which particles are accelerated by an electric field, the whole principle is based on this. It is also impossible to doubt that the time has finally come for the reaction of the first resonant nuclear reactions at the first LCC. After all, if we resort to history, then, for example, the very first accelerator was built in 1930 by Lawrence Berkeley. The first accelerators are considered to be the accelerators of 1931, when a 23 cm ring cyclotron was created at the University of California to accelerate hydrogen ions with an energy of 1 MeV. A 28 cm ring proton cyclotron with an energy of 1.2 MeV was also developed in Berkeley in 1932. There, at the University of California, Berkeley, a 68 cm ring deuterium cyclotron with an energy of 4.8 MeV was developed from 1932 to 1936; a 94 cm ring deuterium cyclotron with an energy of 8 MeV was developed from 1937 to 1938; a 152 cm ring tritium cyclotron with an energy of 16 MeV was developed from 1939 to the present time; from 1942 to the present The operating time is 467 cm ring cyclotron for various charged particles with an energy of more than 100 MeV. At the same time, in 1932, a proton electrostatic proton accelerator with an energy of 0.7 MeV Cockcroft-Walton was constructed at the Cavendish Laboratory, acting thanks to the voltage multiplier of Ernest Thomas Sinton Walton and Sir John Douglas Cockcroft (winners of 1951), already better known as the Cockcroft-Walton voltage multiplier.

Also known are Harvard accelerators (1949—2002), Oak Ridge National Laboratory (1943-present) for protons and uranium nuclei with energies from 160 MeV. Synchrotrons were also created, known as the cosmotron at Brookhaven National Laboratory, 1953—1968. 72 meters for protons at 3.3 GeV, also the Birmingham sychrotron, Bevatro, the Saturn accelerator, the Russian synchrophasotron in Dubna, the Proton cyclotron at CERN. Listing accelerators can be quite a long process, not to mention describing each one, due to the difference in their types, characteristics and physics. Therefore, there is no room for doubts about the passage of a sufficient path in this area on the part of world science to begin research and work in the design of the newest resonant-type cyclotron.

The purpose of this research work is the complete development of the charged particle accelerator «LCU-EPD-20» (linear cyclotron accelerator proton-deuterium cyclotron for the Electron project with an energy of up to 20 MeV, with a high order), for a detailed study of resonant nuclear reactions.

The objectives of this study are:

• Study of the general system of operation, physics and history of accelerators;

• Development of an electric acceleration system (RF system);

• Calculation of parameters and algorithm for creating a magnetic system;

• Study of the vacuum system and development of a method to achieve the required vacuum level;

• Development of a system for monitoring the action of the accelerator and giving the necessary level of energy;

• Development of the mechanism and physics of detecting the results obtained;

• Creation of technology for mathematical modeling of the charged particle accelerator system;

• Description of variations of accelerator operation using examples of resonant nuclear reactions.

The object of this study is a resonance type charged particle accelerator LCU-EPD-20.

The subject of the study is the study of the process of creating a resonance-type charged particle accelerator, and the technology of conducting experiments on this accelerator.

For this study, an instrumental, empirical and theoretical research method was applied (with some reservations), which gave the necessary important results.

The scientific novelty of this research work is as follows:

• The first merger of two classes of accelerators: cyclotron and linear, resulting in the formation of the LCU system;

• For the first time, a system operating on a scale of 9—10 orders of magnitude is being developed;

• It is possible to conduct experiments with energy values of 3 units of 11—12 orders of magnitude, due to the variation of the value up to 20 MeV;

• The first application of the possibility of conducting nuclear reactions on protons and deuterons with Coulomb barriers on any nuclei;

• The only device on the planet in the entire history of mankind with such critical experimental accuracy;

• Indicated as the first research in the field of physics of resonant nuclear reactions;

• The first presentation of a charged particle accelerator as a source of electrical energy;

• The only studies as an accelerator without switching to the method of generating electric energy with the transition to a pit mechanism;

• Huge amount of generated electrical energy;

• The possibility of switching to higher cores (from 119 cores).

Speaking about the novelty of this study, along with a lot of points, which in this case are only partially given, it is important to clarify the fact that the feature of the accelerator being created for the research laboratory under the Electron project LCU-EPD-20 is accuracy. It is the ability to give duants a certain voltage, that when passing through the slits of the electric field, where the beam is accelerated, it is accelerated only by a certain number, which is only a part of the final energy.

As can be indicated in the very name of the reaction, it is necessary to cause resonance, but not because of a particular «coincidence», namely because of the energy approach, as described earlier, but will be described in even more detail in subsequent chapters, where the history of accelerator technology is initially given, then the basic physical and mathematical apparatus is developed, allowing to already operate with the resulting beam acceleration systems.

The practical results will be as follows:

• A whole program has been developed for the implementation of LCU-EPD-20;

• All the necessary data of LCU-EPD-20 have been calculated;

• All physics and working methods for the new LCU-EPD-20 have been obtained;

• The technology of creating the LCC-EPD-20 accelerator has been developed;

• Distinctive features of resonant accelerators are expressed;

• The project of the research laboratory under the new project «Electron» with the use of LCU-EPD-20 has been developed;

• The concept of a research laboratory under the Electron project using LCU-EPD-20 has been developed;

• The monograph «The use of accelerators and the phenomena of collisions of elementary particles with high-order energy for the generation of electrical energy. The Electron Project» with a description of the 1st stage of the Electron project research;

• It is planned to publish a whole list of monographs for a detailed description of the LCC-EPD-20 accelerator project;

• The «Road map» of the Electron project has been developed.

The reliability of the results is based on the fact that generally accepted mathematical, physical and other operations will be used. Experimental data obtained in various laboratories and research centers, as well as from the practice of scientists, on the creation of such accelerators will also be used.

This research was discussed more than once at a meeting of doctors and candidates of physical and mathematical Sciences of Fergana State University, reviewers of the monograph on the 1st stage of the Electron project, scientists of the Fergana Polytechnic Institute, as well as during a discussion with a doctor of Technical Sciences, associate professor of the Research Institute of Semiconductor Physics and Microelectronics of the National University of Uzbekistan.

The results of the research are published in scientific articles in the international journals «Exact Science», «Young Scientist» and some others, in this monograph and in the monograph of Aliyev I. H. and Sharofutdinova F. M. «The use of accelerators and phenomena of collisions of elementary particles with high-order energy for generating electrical energy. The Electron Project», published back in 2021, the reviewers for which were Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the Faculty of Physics and Technology of Fergana State University Otazhonov Salim Madrahimovich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of the Research Institute of Semiconductor Physics and Microelectronics of the National University of Uzbekistan Kuldashev Obbos Khakimovich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Faculty of Physics and Technology of Fergana State University Karimov Bokhodir Khoshimovich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Physics-Abdurakhmonov Sultonali Madrahimovich, PhD in Physics and Mathematics, Senior Lecturer of the Faculty of Physics and Technology of Fergana State University Zainolobidinova Sapura Malikovna, Senior Lecturer of the Faculty of Physics and Technology of Fergana State University Yuldoshaliev Dilshod Kuldoshalievich».

This is exactly what the project of the world’s first resonant type accelerator LCC-EPD-20 looks like at the moment. And after carrying out the entire Electron project, it is possible to achieve the implementation of a grandiose work that opens up new opportunities, makes the whole state completely energy independent, because these 17.56 GWh of electric energy is more than enough to provide the entire Republic of Uzbekistan by 174.4%, thanks to which a new branch of infrastructure may appear, which is the direction of energy exports from the state, which will also lead to the improvement and development of the state economy, not only in the industrial sense, but also in the real scientific sense!

Конец ознакомительного фрагмента.