Бесплатный фрагмент - Все науки. №7, 2024

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОТОКОМ АЛЬФА-ЧАСТИЦ НА СОЛНЕЧНЫЕ ПАНЕЛИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

UDK: 511.11

Алиев Ибратжон Хатамович1, Абдурахмонов Султонали Мукарамович2

1ElectronLaboratoryLLC, НИИ «ФРЯР», 151100, Республика Узбекистан, Ферганская обл., г. Маргилан

2Ферганский политехнический институт, 151100, Республика Узбекистан, Ферганская обл., г. Фергана

Аннотация. В работе осуществлён анализ бомбардировки пластины кристаллического кремния, используемого в качестве солнечных элементов для генерации электрической энергии посредством фотоэлектрического эффекта, пучком альфа-частиц космического излучения. Использованный пучок имеет низкий уровень монохромотичности, средний ток в 10 мкА и энергию близкую к резонансной, с крупной площадью бомбардировки. В ходе исследование констатировано действие облучения на действие солнечной батареи, изменение её эффективности, с вычислением выражений для последующей генерации электрической энергии.

Ключевые слова: модели анализа ядерной реакции, картеж ядерной реакции, солнечная панель, кристаллический кремний.

Введение. Современные технологии солнечных панелей получили широкое применение в различных областях современной промышленности, среди которых выделяется космическая индустрия, горно-исследовательская, авиационная и прочие. Каждый из указанных отраслей осуществляет свою деятельность на больших высотах, в высоких слоях атмосферы и за её пределами, благодаря чему наблюдается в указанных областях высокий уровень радиационной активности. Рассматривая каждый из областей уместно отметить, что в космическом пространстве источником излучения служат звёзды и их разновидности, квазары, блазары, пульсары, каждый из который является источником излучения в диапазоне от радиоволн, инфракрасного и видимого спектра до ультрафиолетового, рентгеновского излучения наряду с гамма-квантами.

В состав космического излучения наряду с указанными типами потоков относятся ионизирующие составляющие в лице тяжёлых быстрых частиц, в том числе электронов, позитронов, гамма-квантов с высокими энергиями, образующиеся в результате аннигиляции, протоны, дейтроны, тритоны и альфа-частицы [1—2; 4]. Каждый из указанных частиц бомбардируют пластины, находящиеся в безвоздушном космическом пространстве, но вместе с этим, отдельную опасность они представляют даже после контакта с атмосферой, поскольку благодаря наличию магнитного поля у планеты, они накапливаются, поддержанные электромагнитными векторами планеты, направляясь к полюсам, в зависимости от заряда, откуда в магнитной воронке действуют отдельный эффект, выводящий пучки частиц и космического излучения вновь в космическое пространство [3].

Описываемый эффект создаёт ионосферу и радиоактивную оболочку вокруг планеты, по мере приближения, к которому степень величины подверженности к описываемому явлению увеличивается. Аналогичные результаты наблюдаются для работ у полюсов планеты, где настоящий фактор становиться ещё более активным во время наличия полярного сияния — прихода потока солнечного и космического излучения с сильной ионизацией атмосферы, с образованием результирующего излучения. Исходя из всего представленного, можно сделать заключение о том, что рассматриваемый в том числе в масштабе бомбардировки альфа-частицами одной из самых часто применяемых разновидностей солнечных элементов является и делает настоящее исследование актуальным.

Исследование. Исследование осуществляется с учётом рассмотрения ситуации взаимодействия с атомами кристаллического кремния альфа-частиц, имеющиеся в составе космического излучения, как это показывает экспериментальное наблюдение [1]. В ходе исследования, использована модель анализа резонансных ядерных реакций Алиева [5—6]. Благодаря этому уместно указание направления излучения со степенью монохромотичности в 1 кэВ для малых энергий, током порядка 10 мкА, направляемые на всю площадь солнечной пластины. После направления описанного пучка альфа-частиц наступает стадия упругого взаимодействия, а после неупругого взаимодействия. В целом такое явление может быть описано картежом (1).

Согласно представленной модели, можно наглядно рассмотреть все возможности осуществляемого взаимодействия [5—9; 11]. Первая строка картежа представляет собой случай упругого взаимодействия, когда взаимодействия как такового не происходит и следующей возможной линией картежа является реакция с вылетом протона и образованием фосфора-31, затем электрона с хлором-32, затем позитрона с фосфором-32, после нейтрона с серой-31, затем дейтрона с фосфором-30, тритона с фосфором-29 и образованием единого ядра серы-32 посредством объединения.

В данном случае принимали бы участия ядра кремния-28 с массой 27,9769265350555 а. е. м., фосфора-31 с 30,9737619986777 а. е. м., хлора-32 с 31,9856846666 а. е. м., фосфора-32 с 31,97390764444 а. е. м., серы-31 с 30,979557012525 а. е. м., фосфора-30 с 29,97831349777 а. е. м., фосфора-29 с 28,981800444 а. е. м., серы-32 с 31,97207117441414 а. е. м. [9—11; 13—14]

1. Рассеяние Резерфорда

Начало анализа рассеяния Резерфорда осуществляется посредством определения радиуса ядра-мишени (2), с образующимся входящим кулоновским барьером (3).

Исходя из определённых значений выходящего кулоновского барьера вычисляется значение для критической скорости (4), необходимая для преодоления налетающей альфа-частей для перехода в стадию неупругого рассеяния [12; 15—17], все частицы в пучке с энергией меньшей этой являются подверженными анализу посредством модели рассеяния Резерфорда — упругого рассеяния.

Модель Резерфорда предполагает действия на определённое процентное соотношение частиц в пучке. А также соответствующим образом представляется в качестве дифференциального сечения рассеяния (5) [16—17; 19] с учётом в 0,9 стерадиан эффективность детектирующего рассеяние датчика в камере бомбардировки при экспериментальном моделировании и с дальнейшим переходом в полный масштаб [18].

Перед преобразование полученного значения в процентное соотношение частиц по рассеянию Резерфорда, необходимо констатировать факт степени приближения альфа-частицы к ядру. Для этого вычисляется расстояние приближения (7), коего предварительно вычисляется константа приближения (6) в системе СГС.

Результат наглядным образом демонстрирует достаточно большую по сравнению с радиусом действия ядерных сил 10—15 м величину, благодаря чему наглядно демонстрируется момент действия рассеяния Резерфорда. Возвращаясь к задаче о переводе значения дифференциального сечения рассеяния в процентное соотношение, для этого определяется материал мишени — кристаллический кремний с известной плотностью, массой ядра, а следовательно, и плотностью ядер (8), толщиной (9) и процентным соотношением (10).

В результате, было определено, что из всего направленного пучка 0,345% будут подвержены упругому рассеянию. После констатации этого факта необходим переход к рассмотрению вариаций неупругого взаимодействия — прямого проведения каналов ядерной реакции.

1. Ядерная реакция

Каждый из каналов ядерной реакции имеет собственный выход и порог, обусловленные в первом случае разностью масс образовывающихся частиц, во втором — критической энергией, достигаемая в данном случае и необходимая для достижения. Так, выход первого канала вычислен в (11), второго в (13), третьего в (15), четвёртого в (17), пятого в (19), шестого в (21), седьмого в (22), порог первого канала вычислен в (12), второго в (14), третьего в (16), четвёртого в (18), пятого в (20), шестого в (22) и седьмого в (24).

Таким образом, на основе вычисленных значений выхода и порога ядерной реакции получается выражение промежуточного картежа (25).

В действительности, кроме рассеяния Резерфорда произойдёт только третий и седьмой канал в масштабе неупругих каналов. Однако, образовывающиеся ядра в данном случае, непосредственно фосфор-32, радиоактивен (26) и подвержен раёспаду

Природа распада фосфора-32 определяется непосредственно через картеж распада (27).

В настоящем картеже принимают участие ядра фосфора-32 с массой в 31,9739076444 а. е. м., кремния-31 с 30,9753631955 а. е. м., серы-32 с 31,97207117441414 а. е. м., кремния-32 с 31,974151533 а. е. м., фосфора-31 с 30,973761998677 а. е. м., кремния-30 с 29,9737701372323 а. е. м., кремния-29 с 28,9764946653666 а. е. м., алюминия-28 с 27,98191009888 а. е. м.

Исходя из картежа (27) для определения соответствующего канала реакции используются выражения для выхода каждого канала (28—34)

Исходя из единственно положительного значения выхода второго канала картежа распада формируется бета-минус линия распада фосфора-32 с образованием серы-32 (35).

Таким образом, наглядно видно образование при бомбардировке кремния-28 альфа-частицей образование в одном случае фосфора-32 и позитрона, во втором — серы-32, с дальнейшим распадом фосфора-32 в ту же самую серу-32 и электрона, который может аннигилировать с позитроном, образуя гамма-кванты. То есть пластина становиться источником гамма-излучения после бомбардировки. В целом этот процесс выражается следующим 2-степенным картежом (36).

Для перехода картежа в энергетическую форму необходимо вычисление кинетической энергии альфа-частиц. Монохромотичность пучка известна, наряду с кулоновским барьером, откуда легко вычисляется кинетическая энергия пучка (37).

Исходя из закона обратно пропорционального распределения энергии относительно масс формируется значение для энергии фосфора-32 (38), позитрона (39), серы-32 первого типа (40), серы-32 второго типа (41), электрона (42).

Таким образом, установленный картеж преобразуется в энергетическую форму (43).

По итогу формирования энергетического картежа, уместна генерация картежа по процентному соотношению распределения пучка альфа-частиц. Для этого необходимо формирование первоначальной процентной картины, создаваемая из отношения выходов каналов к сумме выходов каналов (44—45), организующие результирующий градиент (46).

В результате полученной модели создаётся ситуация, когда подобное процентное разложение было бы действительным в случае, когда пучок налетающих альфа-частиц был бы благоприятен для каждого выбранного случая. Однако, поскольку такого не происходит, уместно является определение процентного соотношения минимального канала непосредственно в случае минимального канала. Для этого вычисляется скорость налетающих альфа-частиц (47), исходя из энергии, с последующим вычислением импульса (48), длины волны де Бройля (49), затем ядерного эффективного сечения (50), для исследуемого случая, а после искомого процентного соотношения (51).

Таким образом констатация указанного факта может быть представлена в качестве (50—51) для обоих каналов реакции, что организует картеж с процентными соотношениями (52).

Для заключительного формирования представленного картежа необходимо переформирование в целочисленный вид. Для этого необходимо первоначально определить число налетающих частиц (55) из их тока (53), площади пластины — единичного элемента, куда приходиться облучение (54).

Таким образом картеж вида (52) переформируется в форму (56).

После того как были получены результирующие значения относительно картежа реакции необходимо переформирование его в значения ядер и частиц — их энергий, температурных показателей и масс. После того как были получены результирующие значения относительно картежа реакции необходимо переформирование его в значения ядер и частиц — их энергий, температурных показателей и масс. Для этого первоначально вычисляются показатели мощностей для фосфора-32 (57) и серы-32 первого типа (58), исходя из чего вычисляется энергия для первой стадии картежа (59), наряду с массовыми показателями фосфора-32 (60), серы-32 (61) первого типа и оставшегося кремния-28 (62), подставленный под бомбардировку.

Для дальнейшего вычисления температуры образованного сплава из результирующих элементов, необходимо определения малого множества значений удельной теплоёмкости элементов (63) и самого значения температуры (64).

Вторая стадия анализа масс осуществляется аналогичным образом относительно энергий с вычислением серы-32 второго типа (65), а затем вычисляя суммарную вторую стадию указанных энергий (66).

Масса образованной серы-32 второго типа для второй стадии картежа вычисляется аналогичным образом (67), как и температура (68).

На этой стадии анализ температурных показателей и параметров ядер заключаются, переходя к анализу частиц. Общая работа, которую они выполняют могут быть вычислены для позитрона (69) и электрона (70), с соответствующими токами, предварительно вычислив скорость позитрона (69) и после его ток (70), также для скорости электрона (71) и его тока (72).

В результате проведённой работы заключается анализ ядерной реакции с внутренними параметрами.

1. Выходящий кулоновский барьер

После осуществления ядерной реакции в первом канале позитрон и фосфор-32 имеют положительные заряды, что приводит к ситуации использования выходящего кулоновского барьера. Для вычисления его значения изначально определяется радиус фосфора-32 (75), за ним само значение (76) и картеж, его первая стадия преобразуется в форму (77).

Для создания второй стадии картежа создаётся необходимость вычисления энергии серы-32 для второй стадии из изменённых параметров фосфора-32 первой стадии (78) и электрона (79), организуя полный вид картежа после кулоновского барьера (80).

Анализ ядер образованного картежа позволяет определить работу фосфора-32 (81) и серы-32 (82) первой стадии после кулоновского барьера, вместе с суммарными мощностями (83), а соответственно и суммарной температурой для первой стадии картежа (84).

Величина температуры второй стадии картежа после кулоновского барьера вычисляется аналогичным вычислением работы серы-32 второго типа (85) и суммарной мощности второй стадии (86), со следующим затем вычислением величины температуры (87).

Для частиц осуществляется аналогичная работа с вычислением совершаемых работ для электрона (88) и позитрона (89) после кулоновского барьера, вместе со следующими скоростями и током электрона (90—91) и позитрона (92—93).

Таким образом заключается анализ ядерной реакции.

1. Влияние на фотоэффект

В последующем необходимо рассмотреть следствие осуществлённого взаимодействия на фотоэлектрический эффект, описываемый согласно (94) и где важно отметить, что ключевым изменением в данном случае будет изменение состава сплава с созданием новых ядер.

Указанный случай является действительным для момента с чистым кремнием-28 с работой выхода, частотой и волной де Бройля для идеально подходящего входящего излучения (95), а следовательно, с образованием результирующих электронов в диапазоне ультрафиолетового излучения (96) с образуемым в данном случае напряжением (97).

Исходя из представленных результатов, необходим переход в сторону определения воздействия на чистый кремний-28 со стороны силы тока, для чего определяется интенсивность излучения (98), радиус принимающего излучение ядра (99), а также ядерной эффективное сечение фотоэффекта на ядрах кремния-28 с указанными энергиями (100), что позволяет вычислить процентное соотношение (101).

Поскольку в данном случае состав материала мишени изменился, также должен проводиться анализ относительно каждого из ядер. Таким образом вычисляется радиус и сечение фотоэффекта для фосфора-32 (102—103), с его плотностью ядер (104) и процентным соотношением (105).

Также осуществляется анализ для атомов серы-32 (106), сечения фотоэффекта для серы-32 (107), плотности ядер этого типа атомов (108) и процентного соотношение (109), организуя множество приёмов процентов от всего направленного излучения (110).

В ходе создаваемой модели указывается на то, что средней частотой прихода актов облучений принимается значение в (111). Исходя из этого, можно определить функцию для количества атомов кремния в материале, при изначальном числе ядер в (112), организуется функция для кремния-28 (113), а для случая ядер фосфора-32 функция была выведена изначально (114).

Ядра фосфора-32 распадаются, не будет ли наблюдаться моментов, когда их не будет в материале вовсе? Для проверки этого фактора используется закон радиоактивного распада, в хоте чего можно доказать (115), что число пребывающих ядер больше убывающих, что создаёт возможность для утверждения, что фосфор-32 будет присутствовать всегда, а закон для него позволяет вычислить ежесекундное прибавление (116) и функцию (117).