Все науки. №9, 2024. Международный научный журнал

УДК: 51—71

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Методы и материалы исследования

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

Исследование

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

1. Облучение пучком электронов кристаллического кремния

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Облучение гамма-квантами

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

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

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

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

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

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

В качестве результата вычислений получено нулевое значение, то есть в силу наличия большой энергии у налетающих гамма-квантов, ни один из них не войдёт во взаимодействие и каждый из них будет проникать насквозь.

Обсуждение

В результате исследования подведены следующие общие выводы. Облучение пучком электронов кристаллического кремния-28, являющийся основным компонентом солнечных батарей и панелей, в том числе применяющиеся на орбите Земли, в зондах, спутниках, на международной космической станции, не дала существенных, сколь либо заметных результатов. А именно, было доказано, что бомбардировка максимально приближёнными к идеальным значениям энергий пучков электронов приводит к тому, что пучок не входит во взаимодействие с ядром, при этом наблюдается частичное рассеяние Резерфорда в 1% случаев, во всех остальных частицы проходят мишень насквозь.

Объяснением такого эффекта является явление квантового туннелирования, представляемое в проходе через определённый барьер, которые может быть равен или отчасти превышать собственное значение кинетической энергии пучка. В данном случае, фигурирует момент того, что в силу роста кинетической энергии электронного пучка он туннелирует через ядро-мишень, не входя во взаимодействие, в том числе в силу нахождения малого количества ядер на пути пучка.

В случае анализа облучения потоком гамма-квантов было установлено, что в силу большой энергии гамма-квантов космического излучения, где мало-энергетические гамма-кванты в отличие от случаев инфракрасного, ультрафиолетового и видимого излучения, практически не встречаются, также не входят во взаимодействие. Объяснением этого явления служит частичное объяснение посредством туннелирования, в силу того что гамма-кванты по теории корпускулярно-волнового дуализма могут быть представлены как фотоны и как волны. В силу этого, каждая из корпускул может туннелировать через ядро-мишень, вероятность чего с ростом энергии, как и в первом случае растёт по приближённо экспоненциальной форме.

Заключение

В качестве заключения, можно привести выводы об отсутствии взаимодействия на солнечные элементы кристаллического кремния электронов и гамма-квантов. Исходя из этого, единственным направлением прямого воздействия в отличие от прямого фотоэлектрического эффекта в диапазоне за пределами инфракрасного, видимого и ультрафиолетового спектра, является воздействие тяжёлыми частицами, корпускулярным излучением, вызывающие как неупругое и упругое взаимодействие.

Использованная литература

1. Cucinotta, FA; Durante, M (2006). «Cancer risk from exposure to galactic cosmic rays: implications for space exploration by human beings» (PDF). Lancet Oncol. 7 (5): 431—435. doi:10.1016/S1470—2045 (06) 70695—7. PMID 16648048.

2. Cucinotta, FA; Kim, MH; Willingham, V; George, KA (July 2008). «Physical and biological organ dosimetry analysis for international space station astronauts». Radiation Research. 170 (1): 127—38. Bibcode:2008RadR..170..127C. doi:10.1667/RR1330.1. PMID 18582161. S2CID 44808142.

3. Durante, M; Cucinotta, FA (June 2008). «Heavy ion carcinogenesis and human space exploration». Nature Reviews. Cancer. 8 (6): 465—72. doi:10.1038/nrc2391. hdl:2060/20080012531. PMID 18451812. S2CID 8394210. Archived from the original on 4 March 2016.

4. Cortés-Sánchez, José Luis; Callant, Jonas; Krüger, Marcus; Sahana, Jayashree; Kraus, Armin; Baselet, Bjorn; Infanger, Manfred; Baatout, Sarah; Grimm, Daniela (January 2022). «Cancer Studies under Space Conditions: Finding Answers Abroad». Biomedicines. 10 (1): 25. doi:10.3390/biomedicines10010025. ISSN 2227—9059. PMC 8773191. PMID 35052703.

5. Reynolds, R.J.; Bukhtiyarov, I.V.; Tikhonova, G.I. (4 July 2019). «Contrapositive logic suggests space radiation not having a strong impact on mortality of US astronauts and Soviet and Russian cosmonauts». Scientific Reports. 9 (8583): 8583. Bibcode:2019NatSR…9.8583R. doi:10.1038/s41598-019-44858-0. PMC 6609703. PMID 31273231. Retrieved 6 May 2021.

6. Hamm, P B; Billica, R D; Johnson, G S; Wear, M L; Pool, S L (February 1998). «Risk of cancer mortality among the Longitudinal Study of Astronaut Health (LSAH) participants». Aviat Space Environ Med. 69 (2): 142—4. PMID 9491253. Retrieved 8 May 2021.

7. Kerr, Richard (31 May 2013). «Radiation Will Make Astronauts’ Trip to Mars Even Riskier». Science. 340 (6136): 1031. Bibcode:2013Sci…340.1031K. doi:10.1126/science.340.6136.1031. PMID 23723213.

8. Zeitlin, C.; Hassler, D. M.; Cucinotta, F. A.; Ehresmann, B.; Wimmer-Schweingruber, R. F.; Brinza, D. E.; Kang, S.; Weigle, G.; et al. (31 May 2013). «Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory». Science. 340 (6136): 1080—1084. Bibcode:2013Sci…340.1080Z. doi:10.1126/science.1235989. PMID 23723233. S2CID 604569.

9. Gelling, Cristy (29 June 2013). «Mars trip would deliver big radiation dose; Curiosity instrument confirms expectation of major exposures». Science News. 183 (13): 8. doi:10.1002/scin.5591831304. Retrieved 8 July 2013.

10.Cucinotta, F.A.; Durante, M. «Risk of Radiation Carcinogenesis» (PDF). Human Health and Performance Risks of Space Exploration Missions Evidence reviewed by the NASA Human Research Program. NASA. pp. 127—131. Retrieved 12 June 2012.

11.Preston, DL; Shimizu, Y; Pierce, DA; Suyama, A; Mabuchi, K (October 2003). «Studies of mortality of atomic bomb survivors. Report 13: Solid cancer and noncancer disease mortality: 1950—1997» (PDF). Radiation Research. 160 (4): 381—407. Bibcode:2003RadR..160..381P. doi:10.1667/RR3049. PMID 12968934. S2CID 41215245. Archived from the original (PDF) on 28 October 2011.

12.Cucinotta, FA; Schimmerling, W; Wilson, JW; Peterson, LE; Badhwar, GD; Saganti, PB; Dicello, JF (November 2001). «Space radiation cancer risks and uncertainties for Mars missions». Radiation Research. 156 (5 Pt 2): 682—8. Bibcode:2001RadR..156..682C. doi:10.1667/0033-7587(2001)156[0682:SRCRAU]2.0.CO;2. JSTOR 3580473. PMID 11604093. S2CID 25236859.

13.Wilson, JW; Kim, M; Schimmerling, W; Badavi, FF; Thibeaullt, SA; Cucinotta, FA; Shinn, JL; Kiefer, R (1993). «Issues in space radiation protection» (PDF). Health Phys. 68 (1): 50—58. doi:10.1097/00004032-199501000-00006. PMID 7989194.

14.Bunger, BM; Cook, JR; Barrick, MK (April 1981). «Life table methodology for evaluating radiation risk: an application based on occupational exposures». Health Physics. 40 (4): 439—55. doi:10.1097/00004032-198104000-00002. PMID 7228696. S2CID 40538338.

15.Vaeth, M; Pierce, DA (1990). «Calculating excess lifetime risk in relative risk mdels». Environmental Health Perspectives. 81: 83—94. doi:10.1289/ehp.908783. JSTOR 3431010. PMC 1567825. PMID 2269245.

16.Nelson, Gregory (April 2016). «Space Radiation and Human Exposures, A Primer». Radiation Research. 185 (4): 349—358. Bibcode:2016RadR..185..349N. doi:10.1667/rr14311.1. PMID 27018778.

17.Matloff G.L.; Wilga M. (2011). «NEOs as stepping stones to Mars and main-belt asteroids». Acta Astronautica. 68 (5—6): 599—602. Bibcode:2011AcAau..68..599M. doi:10.1016/j.actaastro.2010.02.026.

18.Fornalski, Krzysztof W.; Adamowski, Łukasz; Bonczyk, Michał; Winkowska-Struzik, Magdalena (September 2020). «Ionizing radiation interaction with charged graphene: An experimental evaluation attempt». Radiation Physics and Chemistry. 174: 108901. Bibcode:2020RaPC..17408901F. doi:10.1016/j. radphyschem.2020.108901. S2CID 216229192.

19.Eugene N. Parker (March 2006). «Shielding Space Travelers». Scientific American. 294 (3): 40—7. Bibcode:2006SciAm.294c..40P. doi:10.1038/scientificamerican0306—40. PMID 16502610.

20.Fornalski, Krzysztof Wojciech (March 2018). «Theoretical considerations on charged graphene as active gamma radiation shields». The European Physical Journal Applied Physics. 81 (3): 30401. Bibcode:2018EPJAP..8130401F. doi:10.1051/epjap/2018170387.

21.Singleterry, R. C. (1 October 2013). «Radiation engineering analysis of shielding materials to assess their ability to protect astronauts in deep space from energetic particle radiation». Acta Astronautica. 91: 49—54. Bibcode:2013AcAau..91…49S. doi:10.1016/j.actaastro.2013.04.013. ISSN 0094—5765. S2CID 120839628.

22.Desai, Mihir; Giacalone, Joe (December 2016). «Large gradual solar energetic particle events». Living Reviews in Solar Physics. 13 (1): 3. Bibcode:2016LRSP…13…3D. doi:10.1007/s41116-016-0002-5. ISSN 2367—3648. PMC 7175685. PMID 32355890.

23.Naito, Masayuki; Kodaira, Satoshi; Ogawara, Ryo; Tobita, Kenji; Someya, Yoji; Kusumoto, Tamon; Kusano, Hiroki; Kitamura, Hisashi; Koike, Masamune; Uchihori, Yukio; Yamanaka, Masahiro; Mikoshiba, Ryo; Endo, Toshiaki; Kiyono, Naoki; Hagiwara, Yusuke; Kodama, Hiroaki; Matsuo, Shinobu; Takami, Yasuhiro; Sato, Toyoto; Orimo, Shin-Ichi (1 August 2020). «Investigation of shielding material properties for effective space radiation protection». Life Sciences in Space Research. 26: 69—76. Bibcode:2020LSSR…26…69N. doi:10.1016/j.lssr.2020.05.001. ISSN 2214—5524. PMID 32718689.