Бесплатный фрагмент - Новые параметры по ядерным реакциям для осуществления на ускорителе заряженных частиц типа ЛЦУ-ЭПД-300. Проект «Электрон»

Посвящается моей дорогой маме Алиевой Умидахон Тулкиновне.

Предисловие

Наш современный образ жизни создан не политиками. До 1700 года люди были бедны как церковные мыши. Жизнь их была короткой и жестокой. И дело не в том, что тогда не было хороших политиков — они встречались. Но тогда люди начали активно изобретать: электричество, паровые двигатели, микропроцессоры, понимание генетики, медицины и так далее. Да, стабильность и образование очень важны, я не буду с этим спорить, но настоящий двигатель прогресса — это инновации!

Билл Гейтс

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.

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-300, вытекает из параметров, что в нём пучками являются протонные и дейтериевые пучки проекта «Электрон» с энергией до 300 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-300, 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 Исследовательского 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-300» (линейно-циклотронный ускоритель протон-дейтериевого циклотрона для проекта «Электрон» с энергией до 300 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-300 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 300 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-300 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-300;

· Вычислены все необходимые данные ЛЦУ-ЭПД-300;

· Получена вся физика и методы работы для нового ЛЦУ-ЭПД-300;

· Разработана технология создания ускорителя ЛЦУ-ЭПД-300;

· Выражены отличительные черты резонансных ускорителей;

· Разработан проект научно-исследовательской лаборатории при новом проекте «Электрон» с использованием ЛЦУ-ЭПД-300;

· Разработана концепция научно-исследовательской лаборатории при проекте «Электрон» с использованием ЛЦУ-ЭПД-300;

· 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-300;

· 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 проведённые 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.

Но конечно же, такую объёмную работу просто было бы невозможно описать в одном общем научном труде, это бы привело к тому, что он обладал бы титаническими размерами. Поэтому общий текст разделён на несколько отдельных работ, среди которых уже имеются в наличие 2. Говоря же об этих монографиях стоит начать из уже на сегодняшний день опубликованных:

1. Алиев И. Х., Шарофутдинов Ф. М. Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проекта «Электрон» — является первой монографией опубликованной в этом классе и описывала метод расчёта и анализа резонансных ядерных реакций, при этом применялись большие токи и мощности, приводился лишь поверхностный расчёт системы потребления, и в конце приведены первые механизмы расчёта, но даже не смотря на то, что исследование было в основном теоретическое, именно эта работа задаёт весь необходимый и используемых в механизме математический аппарат системы;

2. Алиев И. Х. Программное моделирование явлений ядерных реакций на основе технологии создания множества данных с использованием системы алгоритмов на языке С++. Проект «Ядро-ЭВМ» — вторая монография, уже описывающая простейшую модель системы расчёта с резонансными ядерными реакциями, но уже с использованием языков программирования С++, что создаёт возможность для работы на простейшем уровне, а затем уже и переход на более сложную степень работы, вместе с этим показывая математический аппарат резонансных ядерных реакций, но уже на языке настоящего компьютерного математического моделирования.

Теперь же предстоит публикация новых монографий, но уже с подробным описанием данной системы, в число которых входит и этот труд. Перечисляя последующие можно создать следующий список:

1. Новые параметры по ядерным реакциям для осуществления на ускорителе заряженных частиц типа ЛЦУ-ЭПД-300. Проекта «Электрон» — монография направлена на выведение необходимых данных по резонансным ядерным реакциям, где целочисленные данные максимально сближены с реальными, большое внимание заслуживает понижение тока и приближение к действительным значениям, что привело к тому, что в монографии по общей схеме, описывается станция, генерирующая мощность порядка 12,68 ГВт*ч электрической энергии;

2. Внешние данные для ускорителя типа ЛЦУ-ЭПД-300 — работа направлена для описания внешних и первостепенных данных, а именно проекта его здания, при котором описывая полная технология его построения, а далее расчёт механизма инжектора. Инжектор при этом является максимально мощным, благодаря тому, что токи вводящего пучка на несколько порядков больше, чем имеются на нынешних установках. Кроме того, это описание крайне важно, поскольку оно относится к одному из устройств, которое будет конструироваться первым, а также описание вакуумной системы, которая также создаётся одной из первых, наряду со всеми необходимыми теоретическими выкладками по данному описываемому механизму;

3. Физическое описание системы ускорения ускорителя типа ЛЦУ-ЭПД-300 — пожалуй самый основной из этапов-монографий, который и решает всю основную систему, точнее вводит описание системы ускорения, со всеми подробными описаниями механизма первостепенного ускорения на циклотроне, с прилегающим специальным математическим аппаратом, а также операциями уже на втором этапе — линейном этапе ускорения, который и будет корректирующим, и выдающим высокоточные значения для энергии выводимых пучков из ускорителя. Вместе с этим выводится описание операции по замене пластин-мишеней, являющимися источниками энергии и играющие роль крайне эффективного топлива;

4. Система управления ускорителем ЛЦУ-ЭПД-300 — монография, описывающая все компьютерные системы, а также электрические схемы, применяемые для анализа и контроля. Поскольку важно наблюдать за всеми происходящими явлениями, процессами как в рамках лабораторного исследования, обязательно проводимого в качестве второго этапа общего проекта, так и на моменте реализации, то этот этап несёт не малую важность. Также наряду с этим затрагивается вопрос радиоактивной безопасности, при использовании самого устройства, в лабораторном, так и промышленном масштабе;

5. Энергетический механизм для ускорителя типа ЛЦУ-ЭПД-300 — завершающий этап работы, благодаря тому, что описывает уже этап энергетических расчётов, а именно момента с питанием и выводом энергии. Также подробно описывается технология и вариации генерации электрической энергии из самого пучка, питание всевозможных систем и их охлаждения, при этом не включая энергосистему здания, а далее уже описывая и трансформаторные системы, позволяющие транспортировать электрическую энергию в сами энергетические центры для дальнейшего деления.

Таким образом второй этап, который является одним из самых важных, олицетворяет своего рода первые шаги вступления в более реалистичные физические модели. А после проведения всего проекта «Электрон» можно достичь осуществления грандиозной работы, которая открывает новые возможности, делает целое государство полностью энергетически независимым, потому что этих 12,68 ГВт*ч электрической энергии более чем достаточно для обеспечения всей Республики Узбекистан на 125,98%, 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!

Ибратжон Хатамович Алиев

Раздел 1. Теоретические выкладки

Глава 1. Общая история ускорительной техники

История ускорительной техники берёт своё начало ещё во времена самых первых исследований в области изучения строения вещества, и хотя вопрос о строении материи был поставлен ещё в глубокой древности, его активное развитие начинается лишь чуть ранее открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Самые первые попытки в области увеличения энергии генерируемых частиц были приложены ещё во времена первых трубок Крукса, в которых обеспечивался высокий вакуум, что позволяло обеспечить вылет приличного потока электронов под действием термоэлектронной эмиссии.

Но если исходить из самого начала, то в истории ускорителей можно найти немало выдающихся изобретений, новых и ярких физических идей, в некоторых случаях, имеющих характер научного открытия. Однако развитие методов ускорения заряженных частиц и стремление ко всё большим энергиям никогда не были самоцелью и обязательно подчинялись в основном, логике развития ядерной физики и возникшей из неё физики высоких энергий.

Ранее проводимые исследования и постройки в области ускорительной физики можно изобразить при помощи диаграммы, таким образом в существовании объективных закономерностей развития ускорительной техники просто и наглядно убеждает такая зависимость от времени максимальной энергии, достигнутой в лабораторных условиях. В логарифмическом масштабе эта зависимость отражается прямой линией на которую с некоторыми оговорками попадают и существующие установки, и проектируемые машины. То есть, энергия искусственно ускоренных элементарных частиц экспоненциально возрастает на порядок каждые семь-восемь лет, что отражает объективную закономерность развития науки и физики высоких энергий. При всей важности новых идей в физике ускорителей нельзя отметить, что заметных изломов на этой прямо их появление не вызвало и не привело к подобному случае, наличия каких-либо явных отклонений.

Вероятно, первые соображения о получении искусственно ускоренных частиц появились вместе с зарождением экспериментальной ядерной физики после исторических опытов Э. Резерфорда в 1919 г., хотя к этому времени уже существовали высоковольтные рентгеновские трубки и установки для получения «канальных лучей», в определённой степени, заслуживающие названия ускорителей. Возможности высоковольтной техники того времени, и энергия альфа-частиц естественных радиоактивных изотопов, с которыми ускорители были призваны конкурировать, определяли и ближайшую цель — получение частиц с энергией порядка нескольких МэВ. Впрочем, были, конечно, ясны и принципиальные преимущества ускорителей — возможность ускорения протонов, иных элементарных частиц, а также направленность и большая интенсивность пучка, эквивалентная десяткам и сотням килограмм естественных радиоактивных препаратов. Интересно, что в 20-е годы было высказано довольно много идей ускорения до большой энергии, опередивших своё время и воплощённых в конкретных установках лишь по прошествии многих лет.

Тем не менее, первая искусственная ядерная реакция — расщепление ядра лития протонами с энергией 700 кэВ — была осуществлена сотрудниками Резерфорда Дж. Кокрофтом и Э. Уотсоном в 1931 году и сразу же повторена в нескольких лабораториях. Эту дату и можно считать началом истории ускорителей.

Установка Кокрофта-Уолтона состояла из двух основных элементов — генератора высокого напряжения и ускорительной трубки. Оба они в техническом отношении претерпели в дальнейшем существенные модификации. Одним из основных этапов в развитии электростатических ускорителей было изобретение в 1929 году Р. Ван-де-Граафом из Пристонского университета в США генератора высокого напряжения с механическим переносом заряда. Повышение энергии в этих машинах сдерживалось в основном электрической прочностью опорных изоляторов и ускорительной трубки, по применение принудительного распределения потенциала позволило вскоре получить энергию 2,5 МэВ. В СССР в 1938 году в Харькове был запущен электростатических ускоритель на 3,6 МэВ. Важно также отметить, что к концу 50-х годов ускорительная трубка серийного электростатического ускорителя выдерживала 16 МВ.

Тем не менее, ограниченные возможности метода электростатического ускорения были очевидны, а развитие физики ядра настоятельно требовало перехода к энергиям порядка десятка МэВ, сравнимой со средней энергией связи нуклона в ядре. Поэтому качественно новым этапов в развитии ускорителей следует считать появление резонансных методов, не требующих высоких напряжений. Первые идеи такого рода были высказаны, как показывают исследования, шведским учёным Изингом в 1924 году, но не привели к созданию работоспособной модели. Линейным вариантом резонансного ускорителя занимался также шведский физик Р. Видерое, внёсший вклад и для разработки бетатрона. В их схемах не было никаких принципиальных недостатков, но увы, лишь отсутствие в конце 20-х годов мощных коротковолновых генераторов не позволило осуществить их на практике. Выше уже упоминалось об обилии появившихся в то время идей, не нашедших технического воплощения. В этой связи следует упомянуть и имя американского инженера Дж. Слепяна, в патентах которого можно найти прообразы некоторых будущих ускорителей, в том числе бетатрона и линейного резонансного ускорителя.

На реальную основу резонансное ускорение было поставлено в работах Э. Лоуренса, проводившихся в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли. Практически одновременно в 1930—1932 гг. в этой лаборатории появились работающие модели циклотрона — первого циклического ускорителя, в создании которого важную роль сыграл М. Ливингстон, и линейного резонансного ускорителя с трубками дрейфа (Д. Слоан). Однако линейные системы вскоре отошли на второй план из-за недостаточного развития техники СВЧ по сравнению с циклотроном, который уже начал поистине своё большое триумфальное шествие.

Уже в 1935 году была получена энергия альфа-частиц, равная 11 МэВ и впервые превысившая максимальную энергию естественных радиоактивных изотопов, а в 1938 году был запущен циклотрон с диаметром полюсов 1,52 м, на котором были получены альфа-частицы с энергией 32 МэВ. Перед началом второй мировой войны было начато сооружение циклотрона для дейтронов на энергию 100 МэВ. Первый циклотрон в Европе был запущен в Ленинграду в 1936 году в Радиевом институте на энергию 6 МэВ.

Роль циклотрона в развитии ядерной физики трудно переоценить. Особенно важным этапом стало ускорение в циклотроне дейтронов, сначала из-за того интереса, который представляет дейтрон как простейшая ядерная система, а затем из-за открывшихся возможностей генерации интенсивных потоков нейтронов с помощью легко идущих реакций типа (d-n), то есть дейтрон-нейтронных реакций. Значение последнего указанного обстоятельства не требует комментариев, поскольку благодаря ему были впоследствии получены точные количественные сведения о сечениях реакции захвата и деления, ибо реакции с нейтронами привлекли в дальнейшем большое внимание за счёт урановой технологии.

Проблема ускорения электронов стояла несколько особняком и не могла быть решена на пути развития циклотрона, принципиально не пригодного для ускорения релятивистских частиц. Линейные же ускорители пережили своё настоящее второе рождение лишь после второй мировой воны в связи с бурным развитием техники генерации СВЧ-колебаний для целей радиолокации. Однако в 1940 году Д. Керстом в США был запущен циклический индукционный, то есть не резонансный ускоритель — бетатрон на 2,3 МэВ, основная идея которого содержалась в патентах Слепяна. Близк к созданию бетатрона подошёл Видерое, впервые сформулировавший так называемое бетатронное условие, позволяющее сохранить при ускорении радиус орбиты почти постоянным, что оказалось важным с практической точки зрения. Кроме того, в начале 40-х годов были чётко выяснены условия устойчивости движения электронов в бетатроне, что имело принципиальное значение. Дело в том, что ускоряющее электрическое поле в бетатроне в практических условиях оказывается очень малым и для достижения одной и той же энергии частица вместо сотен метров, как в циклотроне, должна пройти полный путь в тысячи километров, на котором, естественно, сильно сказываются даже малые возмущения движения.

Работа Керста была повторена, хотя и не сразу, в нескольких лабораториях, в том числе и в СССР, и бетатрон вскоре стал надёжным и простым источником тормозного излучения, используемым в физики фотоядерных реакций и в технике. Однако его главный достаток — небольшое ускоряющее поле, почти неизбежно следующий из нерезонансного характера ускорения, определял максимальную энергию на уровне 100 МэВ, когда же крупнейший бетатрон Иллинойского университета в США давал энергию 300 МэВ. Принципиальный характер этого ограничения связан с магнитотормозным или точнее синхротронным излучением частиц, двигающихся по окружности.

Теория синхротронного излучения, развитая в начале 40-х годов и хорошо подтверждённая экспериментально, указывала на неизбежное возрастание с энергией радиационных потерь, которые не могли быть восполнены относительно малым ускоряющим полем бетатрона.

Таким образом, в начале 40-х годов сложилась внешне тупиковая ситуация: казалось, что резонансные методы достигли своего потолка, связанного с релятивистскими эффектами, а нерезонансные сталкивались с непреодолимыми техническими трудностями. В то же время переход в диапазон энергий порядка сотен МэВ был необходим в связи с появлением новой отрасли науки — физики элементарных частиц и требованиями генерации недавно открытых мезонов, когда же энергия покоя μ-мезона составляет 106 МэВ, а π-мезона 140 МэВ.

Новый качественный этап в истории ускорителей связан с именем В. И. Векслера, работавшего тогда в ФИАН имени П. Н. Лебедева. В 1944 году В. И. Векслер сформулировал свой знаменитый принцип автофазировки, согласно которому резонансное ускорение может быть продлено до сколь угодно больших энергий при весьма умеренных требованиях к параметрам ускоряющего поля. Этот принцип независимо был открыт в США Э. Мак-Милланом в 1945 году.

Глава 2. Линейные и циклические ускорители

Интересно отметить, что принцип автофазировки использует те самые эффекты зависимости частоты обращения от энергии, которые казались препятствием для повышения энергии частиц в циклотроне. Кроме того, применение основной идеи В. И. Векслера оказалось необходимым для более глубокого понимания работы и линейного резонансного ускорителя, а впоследствии и ряда других физических приборов, где существенно взаимодействие между электромагнитной волной и заряжёнными частицами.

Исходя из основной физической идеи автофазировки, В. И. Векслер предложил несколько конкретных ускорительных схем. В первую очередь, к ним относится синхротрон — ускоритель с переменным магнитным полем и постоянной частотой ускоряющего поля и фазотрон — модифицированный циклотрон с постоянным полем и переменной частотой. В синхротроне для тяжёлых частиц, к примеру протонов, чтобы сохранить радиус орбиты постоянным, надо менять и магнитное поле, и частоту, что дало основание назвать его синхрофазотроном. Кроме того, В. И. Векслером был предложен микротрон — своеобразный циклотрон для ускорения лёгких частиц, примером которых являются электроны.

Выдвинутые идеи быстро начали претворяться в жизнь, и уже к началу 1947 году в Великобритании, СССР и в США были запущены первые небольшие синхротроны. В 1949 году в Москве под руководством В. И. Векслера и П. А. Черенкова в ФИАН имени П. Н. Лебедева был запущен электронный синхротрон на энергию 280 МэВ, позволивший начать планомерные исследования по фото-рождению мезонов. К 1960 году в мире существовало несколько электронных синхротронов этого поколения на энергию порядка 1 ГэВ.

Для оценки развития ускорителей техники в те годы важно иметь в виду два обстоятельства. Во-первых, создание ускорителей перестало быть делом одной лаборатории. Быстро возрастающие вес и мощность питания магнитов, потребность в специализированных защищённых помещениях, новые требования к вакуумным и высокочастотным системам, наконец, большая стоимость и трудоёмкость ускорительных установок привели, по существу, к появлению специализированной промышленности. В СССР значительную роль сыграл Радиотехнический институт, возглавляемый А. Л. Минцем, НИИ электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова в Ленинграде, работавший под руководством Е. Г. Комара и другие. Нельзя не отметить также выдающуюся роль людей, координировавших эту деятельность — Д. В. Ефремова, А. М. Петросьянца, К. Н. Мещерякова и многих других.

Во-вторых, этот этап развития ускорительной техники и исторически, и по существу совпадал с развитием работ по прикладной ядерной физике. Это обусловило известную ограниченность информации о конкретных технических проектах и решениях и в значительной мере самостоятельный характер развития ускорительной техники в СССР.

В 1949 году в хорошо известном ныне городе Дубна был запущен крупнейший в мире ускоритель — фазотрон или же синхроциклотрон на энергию 680 МэВ. Сравнимой по масштабу установкой был в то время также синхроциклотрон Калифорнийского университета в Беркли. Даже к 80-м годам эти установки сохраняют лидирующее, хотя уже и не рекордное, положение в своём классе машин. Крупнейшим синхроциклотроном на момент 80-х годов является машина Института ядерной физики имени Б. П. Константинова в Гатчине под Ленинградом. Диаметр магнитных полюсов этой установки, рассчитанной на энергию 1 ГэВ, составляет около 7,5 м.

Первыми крупными протонными синхротронами были космотрон на 3 ГэВ в Брукхейвенской лаборатории под Нью-Йорком, созданный в 1952 году, синхротрон Бирмингамского университета в Англии на 1 ГэВ, построенный уже в 1953 году и беватрон в Беркли 1954 года. Последняя машина заслуживает особого упоминания, так как максимальная энергия протонов в ней составляющая 6,3 ГэВ, была специально рассчитана на возможность генерации пар протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон. Искусственное создание тяжёлых античастиц, впервые осуществлённое Э. Сегре в сотрудничестве, стало триумфом ускорительной физики.

Несколько позже в Дубне завершилось строительство крупнейшего в мире ускорителя — синхрофазотрона на энергию 10 ГэВ. Некоторые цифры, связанные с этой установкой, впечатляли даже в 80-х годах — по прошествии более 20 лет. Кольцевой магнит ускорителя радиусом 28 м по орбите и шириной 7,5 м весит 36 000 тонн, собран из шихтованной тщательно отсортированной стали и установлен с очень высокой точностью. Система питания магнита имеет реактивную мощность порядка 140 МВ*А, а поперечное сечение вакуумной камеры составляет 200*40 см.

К этим цифрам мы ещё вернёмся в связи со следующим этапом в развитии ускорителей. Говоря же о синхрофазотроне в Дубне, принадлежащий Объединённому институту ядерных исследований (ОИЯИ), он был запущен в 1956 году.

Параллельно циклическим ускорителям в послевоенные годы начали развиваться и линейные ускорители, сразу же разбившиеся на два подкласса, — электронные и ионные машины. Для первых характерной особенностью было постоянство скорости ускоряемых частиц, практически равной скорости света. Наиболее эффективной ускоряющей системой для них оказался диафрагмированный волновод с бегущей электромагнитной волной, возбуждаемой от магнетрона, а позднее от клистронного усилителя мощности, как правило, 10-сантиметрового диапазона. Без принципиальных изменений физического характера эти системы применяются и теперь. Первый ускоритель на бегущей волне был запущен в 1948 году У. Уолкиншоу с сотрудничеством в Англии, однако максимальная энергия, полученная на таких машинах, долгое время оставалась небольшой, и только в конце 50-х начале 60-х годов в США, СССР и во Франции были построены электронные ускорители на несколько сот МэВ. Крупнейший в СССР линейный ускоритель электронов на энергию 1,8 ГэВ находится в Харьковском Физико-техническом институте (ФТИ). Для развития физики линейного ускорения электронов много сделали Е. Гинцтон, Л. Смит, В. Пановский, Р. Нил, а в СССР — А. И. Ахиезер, В. В. Владимирский, Я. Б. Фейнберг, И. А. Гришаев, О. А. Вальднер, Н. А. Хижняк, Р. М. Воронков и другие.

На развитие линейных ускорителей протонов и иных тяжёлых частиц решающее влияние оказала работа Л. Альвареца — сотрудника Э. Лоуренса, использовавшего в 1947 года для ускорения протонов до 32 МэВ многозазорный резонатор, или систему трубок дрейфа, расположенных в общем баке. Система эта оказалась настолько удачной, что с малосущественными изменениями применяется и теперь для ускорения до средних энергий, меньших 200 МэВ. Однако при ускорении протонов до энергий свыше 100—200 МэВ система Альвареца оказывается малоэффективной, а система типа диафрагмированного волновода, работающая при скоростях порядка скорости света, ещё не может быть применена. Именно из-за этого долгое время энергия в линейных протонных ускорителях не превышала 100 МэВ, а сами они служили, главным образом, как инжекторы для больших протонных синхрофазотронов.

Одновременно с созданием крупных ускорительных установок резко увеличился интерес к теории ускорителей. Это вполне объяснимо, так как без чёткого понимания всех особенностей движения частиц проектирование и сооружение дорогостоящих уникальных машин было бы просто невозможным.

Повышение энергии ускорителей пока что неизбежно связано с увеличением размера установки. Если допустить, что размеры циклического ускорителя линейно растут с максимальной энергией, а это не так уж далеко от реальности, то, скажем, масса магнита должна расти как куб энергии. Возвращаясь к характеристикам синхрофазотрона ОИЯИ, нетрудно видеть, что даже столь прозаические трудности перерастают в принципиально непреодолимые, если на тех же основах проектировать магнить хотя бы на 30—50 ГэВ. Для того чтобы уменьшить поперечное сечение магнита, нужно, прежде всего, уменьшить сечение пучка, т.е. резко улучшить фокусировку частиц около расчётной траектории. Сделать это за счёт известных механизмов оказывалось невозможным. Поэтому очередным качественным этапом в истории ускорителей следует считать появление сильной, или жёсткой, фокусировки, принцип которой был сформулирован Р. Курантом, М. Ливингстоном, и Г. Снайдером в 1952 году. Уменьшение размеров пучка достигалась при этом за счёт серьёзного усложнения магнитной системы, да и сам принцип нельзя считать очень наглядным с физической точки зрения. Последнее обстоятельство оказалось совсем немаловажным: ещё за два года до этого сильная фокусировка была предложена тогда неизвестным греческим инженером Н. Кристофилосом, но его работа в рукописи не привлекла никакого внимание и осталась неопубликованной. Тем не менее работоспособность и реализуемость принципа сильной фокусировки никаких сомнений не вызывали, поскольку базировался он хорошо известных положениях теории устойчивости дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами. Правда, первоначальные оценки параметров сильнофокусирующего ускорителя оказались слишком оптимистическими, что показал более тщательный анализ требуемой точности изготовления и установки магнита. Тем не менее даже в более скромном варианте принцип сильной фокусировки обещал экономию веса и мощности питания магнита больше, чем на порядок.

Экспериментально принцип сильной фокусировки был быстро проверен Р. Вильсоном с сотрудничеством на реконструированном электронном синхротроне Корнеллького университета. Однако преимуществ его могли полностью сказаться лишь в больших машинах. К этому новому поколению относились три проекта синхротронов: на 28 ГэВ в ЦЕРНе — Европейском центре по физике высоких энергий в Женеве, на 30 ГэВ в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве. Последняя машина рассматривалась как промежуточный этап для создания ускорителя на 50—60 ГэВ.

Электронным сильнофокусирующим машинам сначала уделялось относительно меньше внимания из-за больших трудностей, связанных с компенсацией радиационных потерь при высоких энергиях. Однако некоторые преимущества электронных синхротронов, из которых не последнюю роль играет простота интерпретации экспериментов по электромагнитному взаимодействию элементарных частиц, привели к появлению ряда проектов на энергию в несколько ГэВ, первым из которых оказался новых синхротрон Корнелльского университета, построенных под руководством Р. Вильсона. Впоследствии энергия на этой установке превысила 10 ГэВ. Надо отметить, что специфика, создаваемая наличием синхротронного излучения, отнюдь не сводится только к компенсации потерь энергии, и разработка электронных ускорителей на большую энергию потребовала последовательного учёта многих радиационных эффектов.

Глава 3. Отдельные системы и обобщения

Принцип сильной фокусировки был быстро обобщён и на другие типы ускорителей. В частности, применение его к циклотрону возродило на новой основе предложение Л. Томаса, сделанное ещё в 1938 году, и привело к появлению проектов машин нового класса — изохронных циклотронов, обладающих потенциально очень высокой средней интенсивностью пучка. Первые машины такого типа на небольшую энергию были построены в конце 50-х годов в США, Голландии и в СССР в ОИЯИ под руководством В. П. Джелепова и вВ. П. Дмитриевского. Ещё раньше, в 1953 году А. А. Коломенским, В. А. Путёховым и М. С. Рабиновичем был предложен вариант сильнофокусирующего кольцевого ускорителя с постоянным полем, названного кольцевым фазотроном.

В истории ускорителей во многом примечательным оказался 1956 год — дата первой международной конференции по ускорителям, состоявшейся в ЦЕРНе. Во-первых, она ознаменовала собой начало более широкого обмена информацией и идеями, личного контакта между специалистами различных стран. Во-вторых, на ней впервые были доложены принципиально новые идеи, некоторые из них уже осуществлены, а другие создают далёкую перспективу на будущее.

К числу таких идей следует отнести предложение Д. Керста об осуществлении ядерных реакций н встречных пучках ускоренных частиц, что резко увеличивает эффективную энергию их взаимодействия. Собственно говоря, сам этот чисто кинематический эффект был известен ранее. Заслуга Д. Керста состояла в доказательстве того, что вполне реально накопить такой ток релятивистских пучков, циркулирующих в постоянном магнитном поле, при котором скорость отсчёта полезных событий станет вполне доступной для наблюдения, несмотря на крайнюю разрежённость той «мишени», которую представляет собой встречный пучок. Идея была немедленно принята к практической реализации Дж. О’Нейлом, использовавшим пучок от ускорителя Станфордского университета, и Г. И. Будкером, возглавившим новый Институт ядерной физики (ИЯФ) в Новосибирске. На первых этапах речь шла о встречных пучках электронов, что позволило провести только один тип эксперимента — ее-рассеяние. Следующий решающий шаг состоял в осуществлении электро-позитронных частиц позволили резко расширить класс экспериментов, включить в них образование вторичных частиц, в том числе короткоживущих ρ- и φ-мезонов.

Ещё более неожиданной была группа работ советских авторов, относящихся к так называемым коллективным методам ускорения. Суть их заключается в том, что для управления движением частиц и их ускорения используются поля пространственного зряда и тока других, медленных частиц, что позволяет снять некоторые принципиальные ограничения, свойственные обычным ускорителям. Так, Я. Б. Фейнбергом было предложено использовать для линейного ускорения ионов медленные волны в плазме, максимальная напряжённость поля в которых намного превышает напряжённость в обычных высокочастотных системах. Г. И. Будкер опубликовал свои работы по так называемому стабилизированному пучку — двухкомпонентной электрон-ионной системе с большим током, в которой развиваются очень большие собственные магнитные поля. Особо следует отметить публикацию серии работ В. И. Векслера в сотрудничестве, начатом в начале 50-х годов и посвящённых ускорению ионов потоками и сгустками электронов, имеющих сравнительно небольшую энергию. Хотя в во всех этих случаях речь шла только о теоретических работах, появление нового круга идей вызвало огромный интерес и инициировало начало экспериментов во многих лабораториях. К сожалению, экспериментальные трудности оказались слишком велики, и методы коллективного ускорения до сих пор можно отнести, скорее, к перспективным, чем к освоенным.

В 1959 году под руководством Дж. Адамса был выпущен протонный синхротрон ЦЕРНа на 28 ГэВ — первая большая машина нового поколения, использующая сильную фокусировку. Сразу же за этим последовал запуск Брукхейвенского ускорителя на 30 ГэВ под руководством Г. Грина, а затем появилась серия электронных синхротронов на энергию в несколько ГэВ — уже упоминавшийся Корнелльский синхротрон, Кембриджский синхротрон в США, установка DESY в Гамбурге (ФРГ), английский синхротрон NINA. В Советском Союзе в 1967 году под руководством А. И. Алиханяна был запущен синхротрон Ереванского физического института на 6 ГэВ. На этих машинах был получен важный экспериментальный материал, относящийся к физике тяжёлых мезонов, гиперонов, нейтрино и т. д.

В эти годы был сделан качественно новый шаг и в технике линейного ускорения: в 1967 году был торжественно открыт гигантский линейный ускоритель электронов длиной около 3 км в Стэнфордском ускорительном центре, руководимом В. Пановским. По достигнутой энергии (23 ГэВ) этот ускоритель на момент 80-х годов не имел даже близких конкурентов.

В 60-х годах произошло также некоторое изменение в подходе к основным параметрам ускорителей. Ранее считалось более или менее естественны, что с увеличением энергии у данного класса ускорителей, как правило, падает интенсивность пучка, хотя бы из-за уменьшающейся частоты повторения циклов, относительно меньшей апертуры камеры и т. д. Это было отмечено на одной из конференций, где рядом с уже упоминавшийся экспоненциальной кривой роста энергии была приведен примерно линейно спадающая интенсивность вводимых в строй машин с рекордной энергией. Линейная экстраполяция приводила к довольно мрачному выводу о том, что в середине 70-х годов может появиться «идеальный» ускоритель с большой энергией и нулевой интенсивностью.

Эти опасения, конечно, не оправдались; больше того, проектная интенсивность стала быстро повышаться, а уже работающие машины подверглись реконструкции для увеличения числа ускоренных частиц. Причина этого проста — дополнительные средства, затраченные на повышение интенсивности уникальных дорогостоящих установок, стали с лихвой окупаться повышением эффективности их использования, сокращением времени эксперимента и увеличением его прецизионной, возможностью проведения качественно новых экспериментов с относительно малым числом полезных событий и т. д. Одновременно возросло также внимание к качеству ускоренных пучков — их энергетическому и угловому разбросу, поляризации, сепарации вторичных частиц и т. д. Первостепенное значение приобрели также вопросы разводки пучков с нескольких мишеней и одновременная постановка на пучке нескольких экспериментальных работ.

С точки зрения физики ускорения задач повышения интенсивности означала необходимость учёта и использования этого пучка, которые оказались весьма многообразными. В частности, было обнаружено и исследовано много эффектов неустойчивости когерентных колебаний частиц пучка, сближающих его поведение с поведением плазмы во внешних полях и ограничивающих допустимое число частиц в ускорителях.

Особенно серьёзными эти явления оказались в накопительных установках, предназначенных для экспериментов со встречными пучками. Важную и пионерскую роль здесь сыграли работы Института ядерной физики в Новосибирске, который стал признанным центром в этом направлении. За работы по встречным пучкам и, в частности, за постановку экспериментов по электрон-позитронным соударениям при энергии порядка 600 МэВ Г. И. Будкер, А Н. Скринский, А. А. Наумов, В. А. Сидоров, В. С. Панасюк были удостоены различных премий. Позднее во Франции, Италии, США и ФРГ появились электрон-позитронные кольца на большую энергию. Крупнейшими из них являются установки PEP на 18 ГэВ при Станфордском линейном ускорителе и PETRA при ускорителе DESY, рассчитанная на энергию до 19 ГэВ в каждом пучке.

Труднее развивались работы по встречным пучкам тяжёлых частиц, поскольку для достижения заметного эффекта в этом методе требуются существенно релятивистские энергии, а даже для протонов это приводит к очень большим размерам накопителя. Только в 1971 году кольца в ЦЕРНе на энергию 25 ГэВ — единственная в мире на момент 80-х годов. Что же касается крайне заманчивого эксперимента по протон-антипротонным соударениям, то до сих пор он находится в стадии проектов из-за крайне малой яркости источников антипротонов.

На начальном этапе развития установок со встречными пучками высказывалось немало разноречивых мнений об их конкурентоспособности с обычными ускорителями с неподвижной мишенью. Острота этих способ постепенно сгладилась, и сейчас общепринято, что эти два типа ускорительных установок не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Во всяком случае эксперименты на встречных пучках не только не остановили, но даже стимулировали дальнейшее развитие традиционных ускорителей.

Крупнейший шаг в этом направлении был сделан в 1967 году, когда к 50-летнему юбилею нашей страны был введён в строй протонный синхротрон на 76 ГэВ вблизи города Серпухова в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ). Инжектором для него служил также крупнейший в то время протонный линейный ускоритель на энергию 100 МэВ. Кольцевая вакуумная камера ускорителя радиусом около 200 метров имеет сечение 195*115 мм, а полный вес магнита составляет 20 000 тонн, причём блоки магнита установлены с точностью до 100 мкм. В создании машины, сооружённой за шесть лет, принимали участие многочисленные институты и специализированные организации Советского Союза. Ускоритель бесперебойно работает вот уже свыше 10-ти лет, подвергаясь почти непрерывным усовершенствованиям и модификациям как с точки зрения самой машины, так и в смысле модернизации экспериментального оборудования, по объёму и стоимости вполне сравнимого с самим ускорителем. В экспериментальных работах в Серпухове активно участвуют учёные разных стран.

Несколько нарушаю хронологию, что неизбежно при описании работ, которые проводятся в течение нескольких лет, остановимся ещё на некоторых направлениях ускорительной техники 60-70-х годов. Выше уже упоминалось об изохронных циклотронах — машинах, способных довести энергию протонов до значений порядка 1 ГэВ и одновременно обладающих основным преимуществом циклотрона — высокой средней интенсивностью. Этими же возможностями обладают также в принципе и линейные ускорители протонов. Оба эти типа машин можно использовать в качестве генераторов мезонов, которые непосредственно не могут быть ускорены из-за малого времени жизни. В связи с этим направлением появился даже специальный термин — «мезонные фабрики».

Несмотря на трудности, связанные со сложностью магнитной системы изохронного циклотрона и необходимостью разработки новых ускоряющих систем для линейного ускорения протонов до релятивистских энергий, эта задача была успешно решена. Также успешно работал швейцарский циклотрон SIN, канадская машина TRIUMF и изохронный циклотрон в Киеве. В 1972 году под руководством Л. Розена был запущен, хотя и не на полную расчётную интенсивность (1 мА), линейный ускоритель протонов на 800 МэВ в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в США. В СССР в 80-х сооружался линейный ускоритель протонов на большую энергию при участии Института ядерных исследований АН СССР, Московского радиотехнического института и НИИ электрофизической аппаратура имени Д. В. Ефремова.

Раздел 2. Новейшие реакции

Глава 1. Ближе к новейшей истории развития

Не сказали своё последнее слово и циклотроны. Помимо традиционного использования для ядерной физики средних энергий, перед ними открылась широкая область ускорения тяжёлых ионов с достижением энергий порядка нескольких МэВ на каждый нуклон, сравнимой со средней энергией связи нуклона в ядре. Передовые позиции в этом направлении принадлежат лаборатории Г. Н. Флерова в Дубне, успешно синтезировавшей с помощью такой техники ряд трансурановых элементов. Недавно в этой лаборатории был запущен циклотрон с диаметром полюсных наконечников 4 метра изохронного типа, в котором ионы ускоряются в широком диапазоне массовых чисел (свыше 140) до энергии порядка 10 МэВ/нуклон. Вступают в строй и новые специализированные линейные ускорители тяжёлых ионов (Унилак, ФРГ).

В 1967 году на очередной международной конференции по ускорителям было доложено о советских работах по коллективным методам ускорения, проводившихся в Дубне под руководством В. И. Векслера, а после его смерти в 1967 году — В. П. Саранцева. На этот раз речь шла не об общей идее, а о конкретизации одного из методов В. И. Векслера — так называемого ускорения электронных колец, в которые захватываются ускоряемые ионы. Будучи ускоренными до сравнительно небольшой энергии, электронные сгустки должны увлекать с собой протоны, получающие при той же скорости гораздо большую энергию. Это сообщение вновь активизировало экспериментальные работы по коллективным методам. В США, например, под руководством Э. Сесслера, Д. Кифа и других начал интенсивно разрабатываться проект под символическим названием ERA. Аналогичные работы были несколько позднее развёрнуты в ФРГ. Эти исследования много дали для понимания физики коллективного ускорения и связанных с ним трудностей, но к заметному успеху все же не привели. Наибольших успехов пока добились В. П. Саранцев и его сотрудники, ими были получены эффективные ускоряющие поля порядка 10 МВ/м, используемые для ускорения тяжёлых ионов.

На новом уровне возродились и некоторые старые идеи, приведшие к появлению новых типов ускорителей. Так, для создания электронных сгустков с большим числом частиц, требующихся для коллективных методов ускорения, наиболее подходящим инструментов оказался линейный индукционный ускоритель, предложенный А. Буверсом ещё в 1929 году. В современном техническом исполнении эта машина сейчас довольно широко используется для получения сильноточных (102—103 А) импульсов электронов с небольшой энергией порядка нескольких МэВ. Весьма удобной и надёжной машиной на малые энергии оказался также микротрон, для модернизации которого много было сделано лабораторией С. П. Капицы в Институте физических проблем.

Некоторые прикладные задачи, требующие получения очень мощных импульсов коротковолнового рентгеновского излучения, привели в середине 60-х годов к появлению сверх сильноточных электронных машин с токами до МА в импульсе при энергии от 1 до нескольких МэВ. Первые работы в этом направлении были, по-видимому, проведены Дж. Мартином в Олдермастонской лаборатории в Англии. Впоследствии эа техника была распространена и на ионные пучки. Являясь сейчас одним из наиболее мощных энергоносителей, которые осуществимы в лабораторных условиях, сильноточные электронные и ионные пучки используются в некоторых исследованиях, включая проблему управляемого термоядерного синтеза.

Однако в развитии ускорителей доминантными всегда оставались требования физики высоких энергий, под влиянием которых были осуществлены два протонных машин в диапазоне 0,1—1 ТэВ. Первым из них был запущенный в 1972 году синхротрон в Национальной лаборатории имени Ферми в Батейвии, недалеко от Чикаго, руководимой тогда Р. Вильсоном. Радиус орбиты этой машины, постепенно наращивавший свою энергию от 200 до 500 ГэВ, составляет 1 километр. Вслед за ним в конце 1976 года вступил в строй аналогичный ускоритель в ЦЕРНе на энергию 400 ГэВ. Этой работой руководил Дж. Адамс.

Также отмечая и крупнейший БАК, созданный уже в XXI веке в том же ЦЕРН.

Необходимо обратить внимание на некоторые новые важные тенденции в современной ускорительной технике. Прежде всего, работа современного крупного ускорителя невозможна без высокой степени его автоматизации, под которой следует понимать не только автоматизацию проведения эксперимента и обработки накапливаемого «сырого» материала очень большого объёма, но и автоматическое управление режимом самого ускорителя. Мощным средством в этом направлении является непрерывное получение информации о динамике циркулирующего пучка, оперативная её переработка с помощью быстродействующей ЭВМ и автоматическое введение корректирующего воздействия на те или иные подсистемы установки.

Короче говоря, разработка систем автоматизации стала сейчас самостоятельной отраслью, не менее важной, чем, скажем, конструирование магнита или высокочастотной системы.

Вторым необходимым требованием к современному большому ускорителю является его универсальность, под которой понимается возможность использования не только первичного пучка, но и разнообразных вторичных частиц. Особенно широкие возможности предоставляет здесь метод накопления вторичных частиц и установки со встречными пучками, комбинируемые с основным ускорителем. Фактически большая машина является сейчас центром целого ускорительного комплекса, состоящего из нескольких ускорительных и накопительных установок с возможностью постановки самых разнообразных экспериментов, идущих одновременно.

Наконец, надо отметить, что создание больших ускорителей сейчас оказывается под силу лишь крупным государствам, развитым в промышленном отношении, но и для них сопутствующие материальные и трудовые затраты весьма ощутимы. Поэтому для уникальных машин, исчисляемых единицами, всё больше значение приобретают вопросы интернациональной кооперации.

Первыми примерами такого рода были ЦЕРН — организация двенадцати стран Западной Европы и ОИЯИ в Дубне.

В подготовке и проведении экспериментов на ускорителе ИФВЭ в Серпухове активное участие принимают учёные во Франции, ЦЕРНа и США. Примером активного сотрудничества учёных разных политических систем может служить участие советских специалистов в экспериментах на ускорителях ЦЕРН и в Батейвии. Можно надеяться, что в дальнейшем эти традиции будут укрепляться и развиваться.

Ближайшие перспективы развития ускорителей пока не предвещают качественного изменения основных тенденций. Серьёзные надежды возлагаются на использование сверхпроводящих магнитных систем с большим магнитным полем, позволяющим уменьшить радиус кольца и существенно сократить потребляемую мощность. Сейчас, например, интенсивно идёт сооружение сверхпроводящего магнита в БАтейвии, который должен быть расположен в том же туннеле и при поле порядка 4 Тл позволит удвоить максимальную энергию, доведя её до 1 ТэВ. Особенно перспективно использование сверхпроводящих систем в накопительных системах, предусматриваемое, например, для протонного накопителя ISABELLE с энергией по 400 ГэВ в каждом пучке, инжектором для которого должен служить Брукхейвенский синхротрон. Имеется также несколько интересных проектов протонных и протон-антипротонных накопительных систем в Новосибирске и ЦЕРНе. Существенно подняты энергии для электрон-позитронных пучков с вводом в строй накопителей RETRA в Гамбурге (до 19 ГэВ) и PEP в Станфордском центре (18—24 ГэВ).

Крупнейшим из осуществляемых проектов, отражающим развитие ускорительной физики на ближайшее десятилетие, является советский проект ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Серпухове. В основе его лежит протонный сверхпроводящий синхротрон на 3 ТэВ (радиус около 3 км). В том же туннеле должен быть размещён предварительный ускоритель — бустер с электромагнитом обычного типа, инжектором для которого будет существующих в Серпуховский синхротрон. Предусматривается возможность создания без специального накопительного кольца встречных pp-пучков с энергией 1,5 ТэВ в системе центра инерции. Кроме того, бустер можно использовать для накопления электронов и ep-столкновений. Изучается также возможность осуществления в УНК протон-антипротонных соударений, а также сооружения дополнительного кольца с постоянным полем, равным 5 Тл, что позволит получить встречные протонные пучки с энергией 2—3 ТэВ.

Кажущийся естественным вопрос, какая же энергия нужна физикам-экспериментаторам, вообще лишён физического смысла. Ответ на него всегда один — нужна энергия в 5 раз больше, чем уже достигнутая. Причина этого проста: эксперимент на ново качественном уровне (в данном случае энергии) всегда ставит больше вопросов, чем даёт ответов. Поэтому сомневаться в дальнейшем росте энергии ускоренных частиц нет никаких оснований.

Данный короткий обзор призван дать лишь представление об общей логике развития ускорителей и ни в коей мере не претендует на полному. Мы не могли даже перечислить все установки с рекордными параметрами или с интересными физическими и техническими особенностями.

И делая некоторое примечание, важно указать, что в некоторых случаях указываемые данные ссылались на момент 80-х годов и по прошествии не малого количества времени важно отметить возможность создания нового типа ускорителей — системы из циклотрона и линейного ускорителя — ускорителя типа ЛЦУ, в котором пучок вылетающий из самого циклотрона контролировался бы добавлением необходимой порции энергий уже на линейном ускорителе, подробное описание такой системы будет приведено в последующих научных работах, а на данный момент рассматривается момент с подсчётом параметров реакций.

Говоря же о времени реакций, то это время равно времени ускорения, благодаря большому значению по сравнению со временем самой реакции, по этой причине рассчитывается время исходя из математического аппарата представленного в первой монографии для времени.

Глава 2. Данные для реакции Б-блока и условия проведения

Первая ядерная реакция представляется следующим образом (2.1).

Протон с энергией в 2,312691131 МэВ и массой в 1,00728 а. е. м., налетает на бор-11 с атомной массой в 11,00930517 а. е. м., с выделением трёх альфа-частицы массы, которых составляют 4,001506179 а. е. м.

Изначально, необходимо определить, какое количество энергии затратит протон, приближаясь к ядру бора-11, а именно высоту кулоновского барьера (2.3), определив радиус ядра бора-11 в (2.2).

Следовательно, нынешняя энергия протона, после затраты на кулоновский барьер, составляет 0,23 эВ. Важно заметить, что сама кинетическая энергия частицы подобрана так, чтобы после её прохода энергия оставалась минимальной, что привело бы к увеличению вероятности взаимодействия в самой ядерной реакции. Теперь, необходимо вычислить энергетический выход данной ядерной реакции, с указанными массами в (2.4).

Поскольку эта реакция экзо-энергетическая, то нет смысла вычислять для неё порог реакции, остаётся лишь записать пару энергетических уравнений (2.5—2.6) и затем вычислить энергии, приобретаемые альфа-частицами.

Из этих энергетических уравнений стало ясно, что кроме выхода реакции, добавляется и оставшаяся кинетическая энергия, благодаря чему общая энергия, распределяемая между частицами, составляет 11,24006887 МэВ из равенства (2.7). Теперь, для распределения этих энергий достаточно воспользоваться (2.8), в этом случае, хоть и рассматривается выход уже 3 частиц, они имеют один тип, по этой причине, энергия для них распределяется равномерно, как и импульс.

И наконец, остаётся определить сечение ядерной реакции и число взаимодействий. Изначально, необходимо вычислить длину волны налетающих протонов, для этого достаточно определить их импульс через (2.10), перед этим вычислив скорость в (2.9), а затем уже длину волны в (2.11).

Переходя уже к исчислению сечений, достаточно воспользоваться (2.12), но также необходимо использование коэффициента, о котором говорилось ранее, по этой причине применяется и (2.13), и только после вычисляется истинное сечение (2.14), для некоторых подсчётов, этот коэффициент становится равным единице, поэтому просто не указывается, но в данном случае, если подсчитать таким же образом.

Максимально возможное сечение составляет 20 кбн, в данном же случае меньшее сечение благодаря подобранной энергии в циклотроне. Теперь, когда сечение известно, для этой реакции, остаётся ввести число взаимодействий (2.18), перед этим вычислим число атомов на кубометр (2.15) и указав толщину пластины в 13 мкм, поскольку пробег протона (максимальное расстояние на котором может пройти при определённой энергии) с энергией 1 МэВ составляет это значение.

А также необходимо определить в (2.16) начальное число бомбардирующих протонов, указав, что их общая сила тока 100 А, а время одного акта, который вытекает уже из параметров циклотрона, описываемый в предыдущих главах составляет 164,065 нс, что гораздо больше времени даже самой долгой реакции, откуда можно вычислить заряд, а из него уже и число протонов (2.17).

Это число всех частиц, прошедших сквозь пластину и не вошедших в реакцию, а для того, чтобы вычислить те, которые вошли в реакцию, достаточно определить разность в (2.19), а затем уже вычислить из них заряд, с учётом того, что выходит именно 3 альфа-частицы, следовательно, выходящий заряд в 3 раза превышает один выходящий заряд, вместе с этим учитывая, что каждая альфа-частицы несёт в себе по 2 элементарных заряда, то заряд увеличивается ещё в 2 раза (2.20) и силу тока (2.21).

Говоря же о силе тока, выводимой в данном соотношении, важно отметить, что здесь учитывается именно циклотронное время, без участия времени линейного ускорителя или инжектора, из-за чего может наблюдаться изменение или погрешности при реальном детектировании силы тока, но поскольку конечная энергия вычисляется не из силы тока, а из выходящего заряда, то в вычислениях энергий, никаких погрешностей не наблюдается и данное указание действует как для этой, так и для всех в последующем описанных шести ядерных реакциях.

И наконец, для полноты картины остаётся лишь определить выходящее кулоновское отталкивание, определив радиус альфа-частиц, поскольку они будут отталкиваться друг от друга, в (2.22), а уже в (2.23) и сам барьер.

Следовательно, вылетающая альфа-частица также приобретёт дополнительную энергию, и конечная энергия будет составлять 6.338789969 МэВ.

Перед тем как продолжить анализ, необходимо подвести небольшие итоги и представить вычисляемые параметры в (Табл. 2.1), где представлены все необходимые данные, расчёт которых был представлен выше.

Но также, существует небольшой перечень реакций, которые возможно будут происходить наряду с основной ядерной реакцией. Каждую из реакций важно исследовать и рассмотреть их, и они представляются в (2.24).

Для начала необходимо определить все открытые каналы реакции, для этого необходимо определить выход реакции, а за ним уже и порог реакции. И важно отметить, что первая реакция, записанная в (2.24) предполагала наличие рассеяния, но этого не произойдёт, поскольку происходит какое-либо из взаимодействий. Следующая реакция является основной и уже была проанализирована, остаётся проанализировать третью. Для этой реакции, где при бомбардировки протоном бора-11 вылетает нейтрон с образованием углерода-11, выход определяется в (2.25), а порог в (2.26).

Как можно увидеть, порог данной реакции намного больше кинетической энергии протона, после прохождения кулоновского барьера, с энергией в 0,23 эВ, следовательно, данный канал закрыт и дальнейший его анализ бессмыслен. Следующая же реакция, с выделением электрона и образованием азота-12, имеет выход реакции в (2.27) и порог через формулу (2.28).

И этот канал реакции оказался закрытым из-за большого порога реакции и можно перейти к определению выхода (2.29) и порога (2.30) следующего канала реакции, с образованием дейтрона и бора-10.

К сожалению, и этот канал закрыт, поскольку порог также намного большой и все описываемые каналы пока являются эндо-энергетическими. В следующем канале выделяется тритон и бор-9 с определяемым выходом (2.31) и порогом (2.32) реакции.

Этот канал реакции остаётся закрытым, как видно в предыдущей формуле (2.32). И наконец, остаётся последний канал реакции, который возможно будет экзо-энергетическим, поскольку в нём образуется лишь одно стабильное ядро углерода-12 с определённым выходом (2.33).

Следовательно, имеется только один открытый канал, с образованием стабильного углерода-12, без выделения каких-либо других частиц, следовательно, само ядро будет обладать энергией в 15,44908608 МэВ, с кинетической энергией налетающего протона равной 0,23 эВ.

При этом радиус образующегося ядра углерода-12 определяется через (2.34).

Данная реакция вполне может быть подвергнута анализу. Выход реакции и энергия продуктов реакции уже была определена, следовательно, остаётся разобраться с сечениями реакции. Для определения сечения данной реакции, можно идти из обратного, если же для проведения основной реакции будут задействованы 96,0679273% протонов, то, следовательно, остальная их часть будет направлена именно на проведения этого канала реакции. А если бы открытых каналов было несколько, то оставшийся процент мог бы распределяться пропорционально их энергетическому выходу, поскольку если вычислить сечение основной реакции, но для протонов с энергиями равными энергии выхода, затем эту же операцию провести с этой реакцией и сравнить получиться тот оставшийся процент. Это же действие подходит и для остальных реакции, то есть сечение напрямую зависит и от выхода реакции, поскольку это один из основных параметров всей ядерной реакции, напряду с остальными.

Итак, если для генерации протонов затрачивается 3,9320727% протонов, то можно определить сечение и из этого значения, выведя для него формулу (2.35) и вычисляется численно уже в (2.36). Протоны являются частицами одного типа и при этом обладают одинаковой энергией, налетая на одни и те же атомы, чем же обусловлено то, что в результате они распределяются именно таким образом? Всё дело в самих реакциях, результирующие частицы также влияют на результат, а само сечение родственно с понятием случайности. То есть всё сводится к тому, что все эти процессы имеют случайный характер, и в большинстве случаев, выигрывают именно основные реакции (это также было показано, при многочисленных экспериментах на малых токах с этими реакциями), а вероятности остальных реакций распределяются уже из процентов, как это и вычисляется в данном случае.

Таким образом, при бомбардировке протонами бора вместе с альфа-частицами образуется и углерод с сечением в 240,99653592 бн и в количестве, определяемом изначально через число протонов с общим зарядом в 16,4065 мкКл, а уже исходя из процента (2.37) и наконец, определяется общая образуемая масса углерода на акт (2.38) и за секунду (2.39), таким образом бор-11 превращается в углерод-12, поскольку остальные альфа-частицы вылетают.

Важно также отметить такой вопрос, как изменение температуры, важно указать, что энергия образующихся атомов углерода распределяется между всеми атомами и конечно, даже при учёте того, что масса всей пластины будет составлять 2,7378 грамма, при этом пластина будет иметь форму квадрата со сторонами в 30 см, число атомов в ней уже будет составлять 149 807 556 695 581 628 586 923 атома и если энергия на 1 атом углерода равняется 15,44908608 МэВ, то энергия на все 4 031 971 922 034 ядра составит 62 290 281 295 646,31468672 МэВ, но если распределить эту энергию на всю пластину, то на каждый атом приходится 4,15801997373364*10—4 эВ, а температуру можно определить и вычислить через формулу для кинетической энергии атомов (2.40).

Данная температура далека от температуры плавления углерода в 3550 градусов или 3 823,15 К. Благодаря чему, можно утверждать, что углерод будет получаться с несколькими изменениями в температуре и не более, в ином случае он будет выделять эту энергию в качестве фотонов и не более.

Также важно отметить тот факт, что в случае нахождения углерода ближе к концу пластины, ведь точное местоположение этих атомов по слою кристаллической решётки невозможно определить и если выход из кристаллической решётки осуществим, получается, что и рост температур не будет наблюдаться и лишь в исключительных случаях кинетической энергии углерода будет не хватать для вылета, и он будет оставаться внутри пластины, растратив свою энергию на другие ядра. По этой причине можно утверждать, что часть ядер, вылетевших из пластины будут лишь оседать на пластинах генератора при отклонении частиц магнитном поле.

В результате анализа каналов первой ядерной реакции был сделан вывод, что действителен лишь канал с образованием ядер стабильного углерода-12 и этот канал имеет результирующие данные в (Табл. 2.2).

Итак, можно подвести итог, что в первом энергоблоке будут образовываться протоны с энергией 2,312691131 МэВ и током 100 А, в ионизаторе и циклотроне за 164,065 нс, а затем они будут бомбардировать тонкую пластину бора-11, откуда будут вылетать альфа-частицы с током 576,4075638 А и энергиями 3,746689623 МэВ, а после выходящего кулоновского барьера с энергиями в 6,338789969 МэВ, также будут образовываться атомы углерода-12, благодаря которым температура пластины будет изменяться на 3,214 К.

Вылетевшие альфа-частицы будут направляться в генератор, который устроен либо по принципу МГД-генератора, либо он будет создавать магнитное поле, где альфа-частицы будут двигаться по винтовому пути, образуя некоторую индукцию, благодаря тому, что они имеют заряд.

А изменяя число витков можно изменять поток вектора магнитной индукции, образующуюся в этом движении, в результате этого изменения потока, его можно преобразовать в электричество, получая ЭДС индукции на внешней катушке.

В обоих случаях результат не изменится и выполняемая в данном случае работа за акт составит 599,4486355 Дж, а за секунду уже 3,653726484*109 Дж, а если перевести это значение в Вт*ч, то это получается 1 014 924,023 Вт*ч, что является довольно приличным указанием, момент с потребление для циклотрона определяется как 55,56389 кВт*ч, но более точные показатели рассчитываются в последующих монографиях.

Глава 3. Данные для реакции Б1-блока и условия проведения

Вторая ядерная реакция представляется следующим образом (3.1).

Протон с энергией в 1.978143029 МэВ и массой в 1,00728 а. е. м., налетает на бериллий-9 с атомной массой в 9,01218224 а. е. м., с выделением изотопа лития-6 с массой 6,015122795 а. е. м., а также альфа-частицы с массой 4,001506179 а. е. м.

Изначально, необходимо определить, какое количество энергии затратит протон, приближаясь к ядру бериллия, а именно высоту кулоновского барьера (3.3), определив радиус ядра бериллия-9 в (3.2).

Следовательно, нынешняя энергия протона, после затраты на кулоновский барьер, составляет 0,24 эВ. Теперь, необходимо вычислить энергетический выход данной ядерной реакции, с указанными массами в (3.4), указанные коэффициенты не имеют отношение к коэффициентам из прошлых глав.

Поскольку эта реакция экзо-энергетическая, то нет смысла вычислять для неё порог реакции, остаётся лишь записать пару энергетических уравнений (3.5—3.6) и затем вычислить энергии, приобретаемые литием-6, который вполне будет полезен как для получения трития, так и для ряда других ядерных реакций, а также энергии альфа-частицы.

Из этих энергетических уравнений стало ясно, что кроме выхода реакции, добавляется и оставшаяся кинетическая энергия, благодаря чему общая энергия, распределяемая между частицами, составляет 2,639187519 МэВ из равенства (3.7). Теперь, для распределения этих энергий достаточно воспользоваться (3.8) и (3.9).

И наконец, остаётся определить сечение ядерной реакции и число взаимодействий. Изначально, необходимо вычислить длину волны налетающих протонов, для этого достаточно определить их импульс через (3.11), перед этим вычислив скорость в (3.10), а затем уже длину волны в (3.12).

Переходя уже к исчислению сечений, достаточно воспользоваться (3.13), но также необходимо использование коэффициента, о котором говорилось ранее, по этой причине применяется и (3.14), и только после вычисляется истинное сечение (3.15), для некоторых подсчётов, этот коэффициент становится равным единице, поэтому просто не указывается, но в данном случае, если подсчитать таким же образом.

Теперь, когда сечение известно, для этой реакции, остаётся ввести число взаимодействий (3.19), перед этим вычислим число атомов на кубометр (3.16) и указав толщину пластины в 13 мкм, поскольку пробег протона (максимальное расстояние на котором может пройти при определённой энергии) с энергией 1 МэВ составляет это значение.

А также необходимо определить в (3.18) начальное число бомбардирующих протонов, указав, что их общая сила тока 25 А, а время одного акта, который вытекает уже из параметров циклотрона, описываемый в предыдущих главах составляет 82,0325 нс, что гораздо больше времени даже самой долгой реакции, откуда можно вычислить заряд (3.17), а из него уже и число протонов (3.18).

Это число всех частиц, прошедших сквозь пластину и не вошедших в реакцию, а для того, чтобы вычислить те, которые вошли в реакцию, достаточно определить разность в (3.20), а затем уже вычислить из них заряд (3.21), также важно учесть и факт того, что альфа-частицы несут с собой 2 элементарных заряда и силу тока (3.22).

И наконец, для полноты картины остаётся лишь определить выходящее кулоновское отталкивание, определив радиус ядра лития-6 (3.23), а уже в (3.24) и сам барьер.

Следовательно, вылетающая альфа-частица также приобретёт дополнительную энергию, и конечная энергия будет составлять 4.981480564 МэВ.

Перед тем как продолжить анализ, необходимо подвести небольшие итоги и представить вычисляемые параметры в (Табл. 3.1), где представлены все необходимые данные, расчёт которых был представлен выше.

Но также, существует небольшой перечень реакций, которые возможно будут происходить наряду с основной ядерной реакцией. Каждую из реакций важно исследовать и рассмотреть их, и они представляются в (3.25).

Для начала необходимо определить все открытые каналы реакции, для этого необходимо определить выход реакции, а за ним уже и порог реакции. И важно отметить, что первая реакция, записанная в (3.25) предполагала наличие рассеяния, но этого не произойдёт, поскольку происходит какое-либо из взаимодействий. Следующая реакция является основной и уже была проанализирована, остаётся проанализировать третью. Для этой реакции, где при бомбардировки протоном бериллия-9 вылетает нейтрон с образованием бора-9, выход определяется в (3.26), а порог в (3.27).

Как можно увидеть, порог данной реакции намного больше кинетической энергии протона, после прохождения кулоновского барьера, с энергией в 0,24 эВ, следовательно, данный канал закрыт и дальнейший его анализ бессмыслен. Следующая же реакция, с выделением электрона и образованием углерода-10, имеет выход реакции в (3.28).

Этот канал оказался экзо-энергетическим и анализ этой реакции будет проведён после определения всех открытых каналов. Следовательно, можно перейти к определению выхода (3.29) следующего канала реакции, с образованием дейтрона и бериллия-8.

И этот канал оказался открытым, и его анализ также будет проведён. В следующем канале выделяется тритон и бериллий-7 с определяемым выходом (3.30) и порогом (3.31) реакции.

Этот канал реакции остаётся закрытым, как видно в предыдущей формуле. И наконец, остаётся последний канал реакции, который возможно будет экзо-энергетическим, поскольку в нём образуется лишь одно стабильное ядро бора-10 с определённым выходом, вычисляемый в (3.32).

Таким образом, открытыми каналами считаются каналы в (3.33), кроме основного канала и канала рассеяния.

Но перед тем как начать анализ первого канала, важно рассчитать их проценты благодаря соотношению их выходов реакций, при помощи решения уравнения (3.34), рассчитываемое в (3.35—3.36) и проценты для первого канала составит (3.37), для второго открытого (3.38), для третьего (3.39).

И теперь можно начинать анализ каждого из открытых каналов данной ядерной реакции. Первый открытый канал второй ядерной реакция представляется следующим образом (3.40).

Протон с энергией в 1,978143029 МэВ и массой в 1,00728 а. е. м., налетает на бериллий-9 с атомной массой в 9,01218224 а. е. м., с выделением изотопа углерода-10 с массой 10,01685324 а. е. м., а также электрон с массой 0,00055 а. е. м.

Нынешняя энергия протона, после затраты на кулоновский барьер, составляет 0,24 эВ. В данном анализе, необходимо вычислить энергетический выход данной ядерной реакции, с указанными массами в (3.41), указанные коэффициенты не имеют отношение к коэффициентам из прошлых глав.

Поскольку эта реакция экзо-энергетическая, то нет смысла вычислять для неё порог реакции, остаётся лишь записать пару энергетических уравнений (3.42—3.44) и затем вычислить энергии, приобретаемые радиоактивным углеродом-10, анализ распада которого будет описан позже, а также энергии электрона.

Из этих энергетических уравнений стало ясно, что кроме выхода реакции, добавляется и оставшаяся кинетическая энергия, благодаря чему общая энергия, распределяемая между частицами, составляет 1,91795874 МэВ из равенства (3.44). Теперь, для распределения этих энергий достаточно воспользоваться (3.45) и (3.46).

И наконец, остаётся определить сечение ядерной реакции и число взаимодействий. Определение сечения для таких каналов же производится также как было описано в предыдущем анализе, то есть вычисляется оставшийся процент частиц, откуда легко получить сечение реакции, а затем и входящий с выходящим зарядом частиц. Для этой реакции, как и было определено процент составляет 1,19786303354%, из этого, можно определить сечение через (3.47), затем из него уже число взаимодействующих частиц (3.48), затем и заряд (3.49), и соответственно ток (3.50) вылетающих электронов.

Следовательно, вылетающий электрон из этого канала реакции будет вылетать с кинетической энергией в 1,9178534355 МэВ и иметь ток в 0,29946539332679 А. За счёт того, что вылетает электрон, кулоновского дополнительного барьера не будет, поскольку этот принцип действителен только для одноимённых зарядов.

Перед тем как продолжить анализ, необходимо подвести небольшие итоги и представить вычисляемые параметры в (Табл. 3.2), где представлены все необходимые данные, расчёт которых был представлен выше.

Перед тем, как перейти к анализу следующего канала реакции важно исследовать и распад углерода-10, с выделением позитрона, который может аннигилировать и вызвать выделение гамма-квантов (3.51).

Выход данной ядерной реакции составляет (3.52), а распределяется между продуктами распада по (3.53) и (3.54).

Таким образом позитрон получает кинетическую энергию равную 3,13571417 МэВ, а получаемое стабильное ядро бора-10 получает энергию в 172,241452971 эВ. Период полураспада углерода-10 составляет 19,29012 секунды, то есть за один период реакции совершаемое число распадов можно определить через закон радиоактивного распада (3.55), таким образом определив число выделяемых позитронов.

То есть это приведёт к аннигиляции такого же количества электронов, благодаря чему число образующихся гамма-квантов составит 22 628 гамма-кванта с энергиями, равными сумме энергий позитрона и электрона, то есть при энергии электрона равным 1,9178534355 МэВ, а для позитрона 3,13571417 МэВ, энергия гамма-кванта составит 5,0535676055 МэВ. Но это также приведёт к тому, что заряд вылетающих электронов уменьшиться и составит уже не от 153 536 842 988, а от 153 536 831 674 частиц, заряд 24,565893 нКл, а ток равный 0,299465371259 А.

В результате анализа данного канала, можно сделать вывод, что данный канал действителен и в его результате выделяются электроны с энергиями 1,9178534355 МэВ, с общим зарядом 24,565893 нКл и током 0,299465371259 А, не считая аннигилировавшие электроны, из-за которых выделяется 22 628 гамма-кванта с энергиями 5,0535676055 МэВ. С конечным образованием бора-10, в который превращается частично, изначальный бериллий-9. Таким образом, можно заключить на этом канале и перейти к анализу следующего открытого канала.

Второй открытый канал второй ядерной реакция представляется следующим образом (3.56).