Все науки. №2, 2022. Международный научный журнал

Алиев Ибратжон Хатамович

Студент 1 курса факультета математики и информатики Ферганского государственного университета

Ферганский государственный Университет, Узбекистан

Каримов Боходир Хошимович

(кандидат физико-математических наук, доцент)

Ферганский государственный университет, Узбекистан

Аннотация. 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.

Ключевые слова: ускоритель заряженных частиц, МэВ, трубка Крукса, циклотрон, линейный ускоритель.

Abstract: The history of accelerator technology dates back to the time of the very first research in the field of studying the structure of matter, and although the question of the structure of matter was raised in ancient times, its active development begins only a little earlier than the discovery of radioactivity by Henri Becquerel. The very first attempts in the field of increasing the energy of the generated particles were made back in the days of the first Crookes tubes, in which a high vacuum was provided, which made it possible to ensure the departure of a decent flow of electrons under the influence of thermoelectric emission.

Keywords: charged particle accelerator, MeV, Crookes tube, cyclotron, linear accelerator.

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.

Установка Кокрофта-Уолтона

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.

Библиографический список

1. М. П. Бронштейн. Атомы. Электроны. Ядра. Изд-во Онти. 1935

2. В. А. Буравин, В. А. Егоров. Биография электрона. Изд-во Знание. 1985

3. Н. Ш. Турдиев, Д. Турдиева. Физика. Справочник для школьников и абитуриентов. Изд-во NisoPoligraph. 2015.

4. М. П. Бронштейн. Атомы и электроны. Изд-во Наука. 1980.

5. М. И. Каганов. Электроны. Фононы. Магноны. Изд-во Наука. 1979.

6. В. И. Рыдник. Увидеть невидимое. Изд-во Атомиздат. 1981.

Каримов Боходир Хошимович

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

Ферганский государственный Университет, Узбекистан

E-mail: b_karimov@mail.ru

Алиев Ибратжон Хатамович

Студент 1 курса факультета математики и информатики Ферганского государственного университета

Ферганский государственный Университет, Узбекистан

E-mail: ibratjon25@mail.ru

Аннотация. Представлена часть исследования в области физики антиматерии, методов столкновения и дальнейшего выделения энергии столкновения. В частности, электронов и позитронов на малых энергиях порядка нескольких сотен кэВ. В расчётах применены и использованы уравнения Дирака, формулы из релятивистской физики. В результате, приведена конструкция ускорителя элементарных частиц, основанная на ускорении пучков электронов и позитронов, при этом ускорения осуществляется на нескольких направлениях. При этом ускоритель оснащен некоторыми дополнительными элементами, с целью получения энергии, в которую преобразовывается масса электронов и позитронов. Целью работы являлось разработка схемы конструкции, которая смогла бы позволить выводить энергию из массы элементарных частиц, без больших затрат, а также с последующим ростом иных показателей.

Ключевые слова: позитрон, антиматерия, электрон, столкновение, море Дирака, уравнение Дирака, волновод, ВЧ технология.

Abstract: Research was present in the field of antimatter physics, collision methods, and further extraction of the energy of the collision. In particular, electrons and positrons at low energies of the order of several hundred Kev. Dirac equations and formulas from relativistic physics used in the calculations. As a result, the design of an elementary particle accelerator based on the acceleration of electron and positron beams, while acceleration carried out in several directions. In this case, the accelerator is equipped with some additional elements, in order to obtain energy, which will turn the mass of electrons and positrons. The aim of the work was to develop a design scheme that could allow energy extracted from the mass of elementary particles, without high costs, as well as with a subsequent increase in the indicator.

Keywords: positron, antimatter, electron, collision, Dirac Sea, Dirac equation, waveguide, RF technology.

Введение

Альберт Эйнштейн был одним из величайших учёных, который задался вопросом превращения материи в энергию и энергии в материю. Данная идея появилась впервые в работе О. Хевисайда 1889 года. Именно тогда появилась формула E=mc2. Сегодня существует несколько практических доказательств данной формулы. В том числе термоядерные реакции, горение метана, реакция деления ядер урана. Но самая эффективная технология на сегодняшний день, доказывающая эту формулу – теория антивещества.

1. Формулы Дирака

Впервые теория антивещества появляется с решением уравнения для беспризорного классического поля электрона. И решение выглядело следующим образом:

Исследуя выводы из этой формулы, можно прийти к выводу, что она доказывает тот факт, что электрон обладает собственным спином, равным ħ/2. А также магнитным моментом (eħ/2mc). Одним из решений данной формулы было то, что эта формула подходит также и для такой же частицы, как и электрон, но с противоположным зарядом. Так впервые было сделано предположение о существовании частицы, которая в дальнейшем была названа позитроном.

Позитрон был открыт в 1932 году Карлом Андерсоном при наблюдении в камере Вильсона космических излучений. При этом было замечено, что одна из частиц отклоняется при прохождении через электрическое поле в другую сторону, в отличии от электрона.

Позже было открыто такое явление как аннигиляция. Было доказано, что при столкновении обычной частицы с античастицей, они изменяют своё состояние и превращаются в гамма-излучение с КПД в 100%. При этом энергия, выходящая при столкновении электрона и позитрона равна 2mec2, что в численном эквиваленте равняется 1,022 МэВ.

2. Общие теоретические выводы

В результате можно сказать, что теоретически факт того, что возможно получить большое количество энергии при столкновении элементарных частиц подтверждён при помощи точно представленных ныне расчётов. Теперь необходимо рассмотрение ускорительной характеристики.

То есть какая энергия и как именно должна быть приложена для дальнейшего достижения со стороны электронов необходимой скорости и энергий. Кроме того, стоит указать, что в данном случае все явления производятся в вакууме порядка 10-5-10-6 мм. рт. ст.

Именно благодаря этому для электрона обеспечивается полная свобода. Но для поддержание такого давления нет необходимости в постоянном использовании вакуумной установки, вполне достаточен процесс изначального удаления кислорода в максимальном размере и закрытие всевозможных щелей.

Подводя итоги к теоретической части, можно свободно быть уверенными в верности данной технологии.

Заключение

В заключение стоит отметить, что на сегодняшний день активно ведутся исследования, и работа над проектом «Электрон» продолжается. Планируется создание Электронной Электростанции (ЭЭС). Но стоит отметить, что было открыто новое явление, которое смогло найти своё применение, объяснение и принести пользу, не только в экономическом характере, но и расширив знания в данной области.