Все науки. №7, 2024
Международный научный журнал

Авторы: Алиев Ибратжон Хатамович, Абдурахмонов Султонали Мукарамович, Kholmatov Erkinjon, Juraev Nurmakhamad, Djalilov Mamatisa, Исломов D.D, Urishev Omadjon Musurmonqul o’g’li, Билолов Иномжон Уктамович, Баратов Миродилжон Хомуджонович, Хакимов Равшан Тулкунович, Акрамходжаев Тохтаходжаевич Бори, Akhatov Lutfillo Karamatilloyevich, Tangirov Irgash Xaqqulovich, Вавилова Екатерина Александровна, Назаров Насриддин Атакулович

Главний редактор Ибратжон Хатамович Алиев

Редактор Миродижон Хомуджонович Баратов

Иллюстратор Султонали Мукарамович Абдурахмонов

Иллюстратор Фарходжон Анваржонович Иброхимов

Дизайнер обложки Раънохон Мукарамовна Алиева

Дизайнер обложки Ибратжон Хатамович Алиев

И.О.Научного руководителя Султонали Мукарамович Абдурахмонов

Экономический руководитель Ботирали Рустамович Жалолов

Корректор Дилноза Орзикуловна Норбоева

Корректор Гулноза Мухтаровна Собирова

Модератор Фарходжон Анваржонович Иброхимов

© Ибратжон Хатамович Алиев, 2024

© Султонали Мукарамович Абдурахмонов, 2024

© Erkinjon Kholmatov, 2024

© Nurmakhamad Juraev, 2024

© Mamatisa Djalilov, 2024

© D.D Исломов, 2024

© Omadjon Musurmonqul o’g’li Urishev, 2024

© Иномжон Уктамович Билолов, 2024

© Миродилжон Хомуджонович Баратов, 2024

© Равшан Тулкунович Хакимов, 2024

© Тохтаходжаевич Бори Акрамходжаев, 2024

© Lutfillo Karamatilloyevich Akhatov, 2024

© Irgash Xaqqulovich Tangirov, 2024

© Екатерина Александровна Вавилова, 2024

© Насриддин Атакулович Назаров, 2024

© Султонали Мукарамович Абдурахмонов, иллюстрации, 2024

© Фарходжон Анваржонович Иброхимов, иллюстрации, 2024

© Раънохон Мукарамовна Алиева, дизайн обложки, 2024

© Ибратжон Хатамович Алиев, дизайн обложки, 2024

ISBN 978-5-0065-1876-6 (т. 7)

ISBN 978-5-0065-0531-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

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).

Таким образом создаётся единая функция КПД для комплексной системы наличия нескольких ядер (118).

Выведенная функция может быть представлена в виде графика (Рис. 1).

Рис. 1. График функции КПД комплексной солнечной пластины после осуществления реакции

Следующим этапом исследования является моделирование функций силы тока и напряжения для комплексного образованного материала, но для этого необходимо изначально определить энергию возбуждения ядер фосфора (119) с величинами длины волны и частоты (120), откуда выводиться утверждение о том, что возбудить такой тип ядер могут только кванты рентгеновского излучения, которые присутствуют в космическом излучении, создавая среднюю скорость для электронов (121), а следовательно и напряжение (122).

Аналогичный метод используется для атома серы, имеющая 14 электронов и 3 орбиты по модели Бора (123), также с волновыми характеристиками энергии возбуждения (124), вместе со значением средней скорости в том же диапазоне рентгеновского излучения (125) и соответствующим напряжением (126).

Исходя из полученного результата, при учёте наличия 5% от всего имеющегося излучения от приходящей мощности в том числе в составе солнечной постоянной, легко определить значение принимаемой мощности (127), поступление которого будет регулироваться согласно закону (128), исходя из выведенного процентного соотношения, с единичной величиной функции (129) и графиком (Рис. 2).

Рис. 2. График мощности

Закон силы тока определяется уместно, исходя из функций уменьшения и увеличения численности каждого из ядер по отношению к каждому из ядер, с соответствующими напряжениями (130), с единичным выражением (131) и графиком силы тока (Рис. 3).

Рис. 3. График силы тока

Единичное значение для напряжения в данном случае вычисляется из отношений мощности и силы тока (132), как и функция напряжения из отношения функций (133), с выводимым графиком (Рис. 4).

Рис. 4. График напряжения

Таким образом были сформированы все необходимые закономерности, графики, единичные значения, демонстрирующие результат исследования.

Заключение

В ходе исследования было доказано, что облучение космическим излучением и в частности, бомбардировка альфа-частицами сказывается отрицательно на действие всей пластины в целом. В данном случае, образуются ядра радиоактивного фосфора и серы, увеличивающие своё количество со временем, а также превращающие пластину в источник гамма-излучения в малом количестве. Однако, указанный процесс проходит на протяжении длительного времени, так для полного выхода из строя пластины необходимо 13 992 887 670 лет 22 дня 1 час 42 минуты 20,09399 секунды.

Использованная литература

1. Min Young Kim et al, Designing efficient spin Seebeck-based thermoelectric devices via simultaneous optimization of bulk and interface properties, Energy & Environmental Science (2021). DOI: 10.1039/D1EE00667C

2. Larissa Y. Kunz et al. A phytophotonic approach to enhanced photosynthesis, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/D0EE02960B

3. Juan Forero-Saboya et al. Understanding the nature of the passivation layer enabling reversible calcium plating, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/D0EE02347G

4. Mark Z. Jacobson, The Health and Climate Impacts of Carbon Capture and Direct Air Capture, Energy & Environmental Science (2019). DOI: 10.1039/C9EE02709B

5. Aliyev I. X., Abdurakhmonov S. M. The algorithm of complex analysis of resonant nuclear reactions. Материалы I Международной научной конференции «Современные проблемы науки, техники и производства». НИИ «ФРЯР». Electron Laboratory LLC. Ridero. С. 193—217 с.

6. Алиев И. Х. Алюминиевая резонансная ядерная реакция. Международный научный журнал «Все науки». Научная школа «Электрон», Ридеро. №3, 2022. 24—44 с.

7. Leah Morris et al, A manganese hydride molecular sieve for practical hydrogen storage under ambient conditions, Energy & Environmental Science (2018). DOI: 10.1039/C8EE02499E

8. Koffi P. C. Yao et al, Quantifying lithium concentration gradients in the graphite electrode of Li-ion cells using operando energy dispersive X-ray diffraction, Energy & Environmental Science (2019). DOI: 10.1039/C8EE02373E

9. Adam Wegelius et al. Generation of a functional, semisynthetic [FeFe] -hydrogenase in a photosynthetic microorganism, Energy & Environmental Science (2018). DOI: 10.1039/C8EE01975D

10. Guangzu Zhang et al. Flexible three-dimensional interconnected piezoelectric ceramic foam based composites for highly efficient concurrent mechanical and thermal energy harvesting, Energy & Environmental Science (2018). DOI: 10.1039/C8EE00595H

11. Xiaoliang Zhang et al. Extremely lightweight and ultra-flexible infrared light-converting quantum dot solar cells with high power-per-weight output using a solution-processed bending durable silver nanowire-based electrode, Energy & Environmental Science (2017). DOI: 10.1039/C7EE02772A

12. Michael, L., Miller., Klaus, Johannes, Reygers., Stephen, J., Sanders., P., Steinberg. (2007). Glauber Modeling in High Energy Nuclear Collisions. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 57 (1):205—243. doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.57.090506.123020

13. Eric, Adelberger., Blayne, Heckel., Ann, E., Nelson. (2003). Tests of the gravitational inverse-square law. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 53 (1):77—121.

doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.53.041002.110503

14. Paulo, F., Bedaque., Ubirajara, van, Kolck. (2002). Effective field theory for few-nucleon systems*. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 52 (1):339—396. doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.52.050102.090637

15. Steven, C., Pieper., Robert, B., Wiringa. (2003). Quantum Monte Carlo Calculations of Light Nuclei. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 51:53—90. doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.51.101701.132506

16. M., A., Lisa., Scott, Pratt., R., A., Soltz., Urs, Achim, Wiedemann. (2005). Femtoscopy in relativistic heavy ion collisions. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 55 (1):357—402.

doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.55.090704.151533

17. Peter, W., Graham., I., G., Irastorza., S., K., Lamoreaux., A., Lindner., Karl, van, Bibber. (2015). Experimental Searches for the Axion and Axion-Like Particles. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 65 (1):485—514. doi: 10.1146/ANNUREV-NUCL-102014-022120

18. Martin, Schmaltz., David, Tucker-Smith. (2005). Little higgs theories. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 55 (1):229—270. doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.55.090704.151502

19. Huaiyu, Duan., George, M., Fuller., Yong, Zhong, Qian. (2010). Collective Neutrino Oscillations. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 60 (1):569—594. doi: 10.1146/ANNUREV.NUCL.012809.104524

ON THE MODERN POSSIBILITIES OF TRANSMITTING A DISCRETE SIGNAL BETWEEN SYSTEMS USING THE TUNNELING EFFECT

UDK: 511.24

Ibratjon Aliyev¹, Sultonali Abdurakhmonov², Erkinjon Kholmatov², Nurmakhamad Juraev³, Mamatisa Djalilov³

¹SRI «PRNR», Electron Laboratory LLC, 151100, Republic of Uzbekistan, Ferghana region, Margilan
²Fergana Polytechnic Institute, 150100, Republic of Uzbekistan, Ferghana region, Ferghana

³Fergana branch of Tashkent University of Information Technologies named after Mukhammad al-Khwarizmi, 185, Mustaqillik street, Fergana, 150118, Uzbekistan

Abstract. The paper presents a study on modeling the quantum mechanical process of tunneling a beam of charged particles to transmit information over long distances. The Schrodinger equation is used for the analysis, boundary and initial conditions are formulated. The initial conditions are the values of the quantum mechanical probability function from the square of its modulus at the initial moment of time and at the final moment, depending on the distance. Experimental data were used as data for the calculation. The solution of the problems was carried out using the method of separation of Fourier variables. In conclusion, the parameters of the simulated system with its features and corresponding graphical representations are given. Based on the results obtained, conclusions are drawn on the effect of tunneling in the transmission of information.

Key words: Subsequent, spirit, Kuiper, equation, planet Earth, transmission technology

Introduction

The development of information technology in the modern industry leads to the need to improve data transmission systems at high speeds. The improvement of technologies for sending electromagnetic signals between different communication systems was initially organized on the principles of interaction through a direct conductor, which was observed in local installations where individual blocks of a particular design interacted with each other transmitting the necessary data [1]. In this case, the speed and volume of data transmission was limited by the network capabilities, in the case of speed, it was the speed depending on the difference in the created potentials or on the speed of charges in the conductor, the volume depended on the quantitative possibility of transferring charges over a certain distance.

Subsequent developments led to the discovery of oscillatory circuit technology, and even taking into account the development of the original technology with the search for combining materials, the method of transmitting information by direct transmission through an electromagnetic field at a speed scale became and remained a priority [2—4]. The boundary value in this case was the velocity of wave propagation, depending on the parameters of the medium, equal to the speed of light in a particular medium. Bandwidth also became the final indicator of volume, but unlike the first option, a significant obstacle appeared in this data transmission technology in the global and local sense – data loss. In this case, the opening of opportunities for third-party perception of information or decryption is not understood, but the direct loss of data due to a decrease in the amplitude and power of the directed electromagnetic signal towards the receiver.

With the development of the basics of technology and the improvement of both methods of information transmission, a third class of technologies was formed [2—3; 5—6] capable of sending signals over long distances with minimal losses and at a speed equal in magnitude to the speed of propagation of an electromagnetic field in a vacuum – fiber optic networks. At the same time, they had all the advantages of conductor technology regarding the possibility of increasing volumes at maximum speed, however, in this case, the speed, even taking into account its extreme indicators with the achievement of the maximum vacuum level, was insufficient with the growing needs of current technological networks. An increase in the volume of data transmission leads to an increase in the scale of installations, which does not meet the requirements of the current time, based on this, there is a need for research and development of technologies with more advanced capabilities.

With the development of quantum theory, the attention of researchers began to be attracted by the effect of quantum tunneling, now used in tunnel diodes, computer networks, tunnel microscope [4; 7], superconducting systems and many other technologies. The study theoretically did not consider new effects associated with the accelerated transfer of information between objects, therefore, the theoretical justification of the tunneling effect in the transmission of information is relevant.

Materials and methods of research

The research materials of the external probes, their parameters, and information about the studies carried out were used for the study. The methods used in the research were the method of analysis, classification, and theoretical modeling using partial differential equations.

Equations and mathematics

Initially, it is important to determine the class of tasks where the use of tunneling technology may be in demand. Due to the fact that the maximum transmission speed when using fiber—optic systems or oscillatory circuits with a transmitting electromagnetic field is the speed of light in the specified medium and in the maximum case, it is 299,792,458 m/s, capable of circumnavigating the planet Earth in 0.134 s – the maximum possible delay in the transmission system, it becomes obvious that the scope of application data transmission systems with high speeds are becoming cosmic in scale. Space probes are already being used by international organizations. The earliest probes are Pioneer 5, 6 (A), 7 (B), 8 (C) and others, the earliest are Helios A, Helios B, ISEE—3, Ulysses, Wind, SOHO, ACE and modern ones are the second exit of Ulysses, Genesis [3—7; 11—12; 14].

Also, among the probes there are Stereo A operating to date since 2006, DSCOVR since 2015, Parker Solar Probe until December 2025, ESA from 2020, ISRO from 2023 and others. Also, each of the probes is divided into different categories – Solar probes aimed at exploring the Sun and located at a comparative distance from Earth up to 1 astronomical unit, which also include Mercury probes – Mariner 10, MESSENGER, BeliKolombo and others and Venus probes – Venus 1, Mariner 1, Sputnik 19, Sputnik 2, Cosmos 27, Zone 1, Venus 8, Mariner 10, Pioneer Venus, Venus 12, Venus 11, Magellan, Galileo, Cassini and others [2—5; 7—14]. But there are also probes directed in the opposite direction, which include the Mars probes – Mars 1B No. 1, Mariner 3, Zone 2, Mars 1969A, Cosmos 419, PrOP-M, Mars 5, Mars 6, Mars 7, Phobos 1 and 2, the 2001 Martian Odyssey, Nozomi, Mars Express not counting a large number of rovers – Mars A «Spirit», Mars B «Opportunity», along with others – Rosetta, Phoenix, Dawn, Marco A «WALL—I», Marco B «Eve», Tianwen-1, Zhuron, Psyche, Hera, Europa Clipper and others [13—14; 15].

These include the probes of the Mars satellite, as well as other satellites and even asteroids – Dawn, Galileo, who visited asteroids 951 Gaspra, 243 Ida, Clementine, who visited 1620 Geographos, among others. Separately, there are probes of the largest planet – Jupiter in the person of Pioneer 10, Pioneer 11, Cassini, Ulysses, New Horizons, Galileo, Juno, SOC, and its satellites, in particular Ganymede. Also, Saturn – Voyager 1, Voyager 2, Cassini, and its moon Titan – Huygens [7—8; 14—15]. And even the most distant planets of the Solar System – Uranus, Neptune, which Voyager 1 was able to reach, and even the dwarf planet Pluto, which the New Horizons probe was able to reach, which continued its journey and was able to reach the Kuiper belt to the space object 486958 Arrokot, located at a distance of 43.4 astronomical units from the Sun [1—8; 9]!

Based on the particular list of space objects of artificial and research origin available in space, it becomes obvious that the most important scientific research data on a wide variety of objects in and outside the Solar System must be transmitted at the highest possible speeds. At the moment, taking into account the available technologies, at a distance of 43.4 astronomical units, taking into account the distance to Earth of 42.4 astronomical units from the farthest probe New Horizons, the signal reaches in 21,157.8 seconds or 5 hours 52 minutes and 37.8 seconds.

In order to be able to transmit a signal over a distance using tunneling technology, it is necessary to initially present the information in the form of a group of charges, a beam, to which additional energy is transmitted. It can be transmitted by means of an electric field in a small portable accelerator, where, upon reaching the required defect, the particle will tunnel at a speed several times higher than the speed of light, according to the nature of the phenomenon of quantum tunneling to Earth at a specified point with a certain error and degree of loss.

But for a better consideration of the issue, it is necessary to proceed to the formulation of the appropriate task.

Setting the task

Initially, it is known that the phenomenon is described by the Schrodinger equation in the dynamic representation (1)

The equation involves a potential barrier U (x, t), which is a variable function and depends on multiple parameters – objects that are located between the source and the receiver, which must be overcome by the guided particle. Most often, vacuum prevails in outer space, but there are also quite a few obstacles, for the initial idea, we define the value of the potential barrier as the amount of energy of the mass of all matter located on the communication channel, with an average density of matter in the Solar system. Thus, the communication channel is an imaginary cylinder with a radius equal to the radius of a beam of 10 microns, 42.4 astronomical units long, from which the corresponding volume and mass are calculated, taking into account the average density of matter in the solar system of 0.931*10—26 kg/m3 (2).

And also, based on the height of the potential barrier, it is possible to determine the boundary and initial conditions for the state function of the quantum mechanical system in (3).

The boundary conditions are formed from several statements. For use, such a system is necessary in which the probability of finding the beam after sending it in the radiator should be zero, at the specified target – on the Ground, should be equal to 100 percent. Despite the fact that with classical propagation at a time, taking into account such distance measurement, it is necessary that after 21,157,80283 seconds-meters, the probability of finding the beam on Earth was 100% and zero when reaching the Sun at 21,656,80762 seconds-meters. Based on the obtained indicators with respect to one dimension and time, equation (1) can be solved with the specified boundary conditions (3).

To do this, the Fourier variable separation method will be used, with respect to solving an equation of the form (4), the form of the function (5) will be adopted, where, after substitution, the form (6) is formed, from which 2 separate ordinary differential equations are derived.

The equation is solved in time to the state of the general form, according to (7), but due to the presence of initial conditions in (3), the present form can be solved by means of representation in the form of a system (8), taking into account the finding of the formula-dependence on the independent variables of the general form of the function (9), where after solving the formed equation after substituting the formula of the independent variable, the form of the introduced constant (10) in (6) is formed.

The value of the constant makes it possible to determine the value of the first and, accordingly, the opposite of the second independent constant (11), which, after substituting into the general form of the time function (7), gives its private emerging form (12) and (Fig. 1).

Fig. 1. Graph of the function

To continue the study, after establishing the actual form of the function in time, it is necessary to solve the formed ordinary differential equation with respect to the coordinate, which was obtained in the ratio (6). Since the value for the constant was also obtained in (10), after substitution, a final form of an ordinary differential equation in coordinate is formed, for which there is a constant from the characteristic of the form (13), and then the general form of the function (14).

When forming the problem, boundary conditions were also indicated, the substitution of which allows us to operate from the conclusions of the expression for the third and also opposite, as can be seen from the boundary conditions, independent constant, which in this case has a large-scale appearance, for which a replacement is introduced (15).

Substituting the resulting replacement allows you to ultimately form a simplified view of the function at the coordinate (16).

The result of the study is the assembled form of the function of the quantum mechanical state of the tunneling system. However, in this case, the desired function is initially a probability distribution function, for which only the square of its module has physical meaning. Based on this, it is possible to form the form of the square of the module of the function, as for the boundary conditions to be set, for the reason that initially the problem required complete preservation of information and in the case of data transition to an imaginary space, the boundary conditions were set to the original form of the function, for which the square of the module is represented in (17—18).

Thus, a full-fledged pattern was derived that predicts the probability distribution of finding a response signal for a given case at the maximum distance from the Earth for the probe.

Results

According to the results of the study, a function depending on 2 variables was obtained, which can be constructed and according to the initial projection, the first graph of the function is formed without an additional power factor. After applying the appropriate processing (18), the function remains the same, but its parameters describe the actual picture (Fig. 2).

Fig. 2. Graph of the probability distribution of finding a signal beam

So, from Figure 2 it is clearly seen that as time passes along the numerical axis in increments of 2.35022802 seconds-meters to 70.51 seconds-meters or along the ordinary axis in increments of the same amount of meters to 30.55296 meters of range, it is possible to state the probability of finding a beam at 11.27337%, which makes it possible to assert, based on The parameter of 70.51 seconds is meters or 21,137,419,062 meters in the usual metric coordinate system, which means that the beam is likely to be found near the Earth and the signal can be received accordingly.

Speaking of losses, it is enough to use the expression for the barrier passage coefficient (18) and its graph (Fig. 3) as the initial beam energy approaches the value of the potential barrier, determined relative to the case under study in (2), where it is also important to note that in all cases the information carrier or The information about matter was electrons, for protons, deuterons, tritons, other ions, quarks, mesons and other particles, such decompositions will have a different character.

Fig. 3. Percentage of information loss during tunneling

15. Witasse, O.; Altobelli, N.; Andres, R.; Atzei, A.; Boutonnet, A.; Budnik, F.; Dietz, A.; Erd, C.; Evill, R.; Lorente, R.; Munoz, C.; Pinzan, G.; Scharmberg, C.; Suarez, A.; Tanco, I.; Torelli, F.; Torn, B.; Vallat, C.; JUICE Science Working Team (July 2021). JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer): Plans for the cruise phase. Europlanet Science Congress (EPSC) 2021. doi:10.5194/epsc2021—358. Retrieved 28 August 2021.

Conclusion

As a result, a technology was obtained that allows transmitting data at an energy of 10.41579 TeV at a speed several times higher than the speed of light with a data transmission accuracy of 67% at a distance of 42.4 astronomical units, which corresponds to the range of the Kuiper belt. Pointing out also that it is problematic to achieve such high performance and capabilities on probes, however, the likelihood of further work of probe spaceports operating not only on the scale of planet Earth, but also on the scale of the Solar System, where a particle accelerator with a similar data transmission technology may be present, is not excluded.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.