Об одном гипотетическом способе ускорения частиц

on 08 May 2008.

      Есть некоторые эффекты в физике, анализ которых представляет большой интерес. Понимание процессов в микромире, быть может, позволит и в макромире создать условия для реализации парадоксальных явлений.

По мнению автора, вопрос о том, как происходит поглощение или излучение энергии заряженной частицей, относится к интереснейшим темам.  Возможно ли создать новые схемы ускорителей - можно и так сформулировать предлагаемую тему.

 

 

При излучении или поглощении энергии, как известно, электрон в атоме перескакивает на другой энергетический уровень.

Излучающий атом должен получить импульс в сторону, противоположную улетающему кванту, испытать отдачу. В этот момент неизбежно произойдет поляризация атома, то есть такая деформация его оболочек, при которой произойдет некоторое пространственное разделение зарядов (ядро - оболочка). Переход электрона на другую орбиту, сопровождающийся излучением или поглощением кванта, деформирует оболочку атома, создаст электрический диполь. Количество переходов с верхних орбит на нижние и наоборот в системе с большим числом атомов должно быть приблизительно одинаковым. Кроме того,  все направления равноправны, поэтому суммарный эффект в излучающем беспорядочно веществе будет нулевым.

Зарегистрировать эффект удастся только в таких системах, в которых создано направленное излучение. Проще всего в лазерах. Проявление подобного эффекта, очевидно, будет в возникновении электрического потенциала на торцах кристалла лазера.

 Множество таких диполей в веществе в момент излучения лазера выстроятся в одном и том же направлении и породят общее электрическое поле. Это поле  может быть зарегистрировано на посеребренных торцах-зеркалах кристалла. Если замкнуть цепь вне кристалла, то в момент импульса излучения потечет ток, после импульса, очевидно, ток должен пойти в обратном направлении.

Однако, луч пробегает несколько раз между зеркалами, усиливаясь за счет индуцированного излучения. Поэтому следует ожидать, что напряжение несколько раз поменяет знак, но последний проход луча вызовет наиболее мощный импульс. Лазер, таким образом, может быть использован и как генератор электрических напряжений с частотой, пропорциональной скорости света в кристалле и обратно пропорциональной длине кристалла.

Принудительная поляризация кристалла или рабочего вещества лазера перед излучением переменным напряжением, с периодом, равным удвоенному времени прохождения света между торцами кристалла, должна повысить кпд лазера.

Возможно использовать принудительную поляризацию постоянным напряжением. Тогда возбужденные атомы или молекулы будут заранее сориентированы так, что будет организована несимметрия излучения.

И будет еще один эффект, накладывающийся на поляризацию. В момент импульса за счет фотоэффекта из полупрозрачного зеркала могут быть вырваны электроны, следовательно, зеркало зарядится положительно.

Известно, что, пропуская луч электронов через какой либо газ, по мере увеличения энергии луча можно зафиксировать периодическое уменьшение тока. (Опыты, например, Франка и Герца). Происходит это потому, что электроны при некоторых энергиях испытывают с атомами газа неупругие столкновения, отдают им какую-то (строго определенную для данного газа) энергию. При этом они, естественно, теряют и свою скорость. Для паров ртути, например, пороговая энергия, при которой происходит первое неупругое столкновение, составляет 4,9 эВ.

Но возможен и прямо противоположный процесс!

Пролетая мимо возбужденного атома, электрон может получить  дополнительный импульс, снять энергию с атома.

Так же, как и в лазере, когда пролетающий мимо возбужденного атома квант вынуждает его излучить аналогичный квант. Поэтому может происходить ускорение электрона, увеличение его энергии. Условие этого: среда, содержащая возбужденные атомы. Это значит, что изменится и величина и направление импульса  электрона (возрастет!).

Среда, очевидно, должна быть и поляризована и неравновесна, тогда электрон будет получать импульс, снимая возбуждение с атома, только в одну сторону. Создать среду, находящуюся достаточно долго в возбужденном состоянии возможно - опыт лазерных установок позволяет это сделать. Как утверждает автор,  такая среда будет и поляризована в момент излучения (или отдачи энергии).

Остается сделать несколько штрихов.

Пропускать луч электронов через какую-либо среду и терять при возможных столкновениях драгоценную энергию представляется некачественным решением. Электроны должны лететь в вакууме. Но в вакууме нет возбужденных атомов!

Но вот тут важный вопрос. Каково должно быть расстояние до возбужденного атома, чтобы электрон уверенно снял с него энергию? Неужели лишь при прямом столкновении с электронной оболочкой? По мнению автора, отнюдь нет. Электрон создает свое поле, распространяющееся на достаточно большие расстояния. И это поле провзаимодействует с возбужденным атомом, поэтому можно ожидать, что зона обмена энергией многократно превышает размер атома (в тысячи раз!).

Можно теперь набросать схему ускорителя заряженных частиц.

В кристалле лазера, например, рубина, просверливается (создается, прожигается) отверстие минимально возможного диаметра. Кристалл с лампами накачки помещается в электронную пушку, луч электронов точно фокусируется в отверстие с помощью магнитных или электрических линз. Итак, луч электронов проходит сквозь кристалл.

Что же произойдет в момент вспышки ламп накачки?

Как известно, кпд лазера очень низок - очень большая часть энергии уходит не через торцы, а во все стороны случайным образом.

Скорость света в кристалле может быть намного меньшей, чем скорость движения электронов в вакууме. А это значит, что не фотоны будут основными инициаторами излучения, а электроны. Они могут иметь скорость, значительно превосходящую скорость света в веществе лазера.

В момент вспышки ламп накачки электроны уже находились в кристалле. Следовательно, луч по всей длине кристалла одновременно произведет инициацию излучения (отдачи энергии).

Кто знаком с эффектом Черенкова, помнят схемы, объясняющие излучение релятивистских частиц в веществе. Атомы или молекулы поляризуются при пролете около них заряженной частицы, но поляризация их несимметрична за счет большой скорости частиц, поэтому несимметрично и излучение - оно распространяется вперед по ходу частиц в конусе, угол раскрытия которого определяется отношением скорости света в веществе и скорости частицы. Кроме того, это излучение генерируется самими электронами (или другими заряженными релятивистскими частицами), за счет их энергии.

Следовательно, в возбужденном кристалле можно ожидать такого процесса. В кристалле за счет движения релятивистского луча частиц происходит одновременно по всей длине кристалла сброс энергии возбужденными атомами. При пролете луча в невозбужденном кристалле происходила поляризация атомов вещества с последующим излучением, и это было тормозящим фактором. При сбросе энергии возбужденных атомов, индуцированным прохождением луча, атомы тоже поляризуются, но в обратном направлении, и это будет ускоряющим фактором для пролетающих заряженных частиц. Поэтому следует ожидать, что энергия луча электронов не только не упадет, но и возрастет!

Остаточное, не снятое излучение лазера выйдет не в виде тонкого луча, а в виде конуса, что было бы плохо, если бы мы использовали кристалл в качестве источника излучения. Но в данной схеме он используется как ускоритель заряженных частиц. Поэтому потери не представляются существенными. Необходимо добиться того, чтобы большая часть энергии возбужденных атомов была отдана ускоряемым частицам, а не ушла в виде излучения.

Работа подобного ускорителя на кристаллах может происходить (предположительно) только в импульсном режиме: режим накачки - режим снятия энергии возбужденных атомов.

Очень интересным представляется анализ такого вопроса: как будет влиять  величина скорости света в кристалле  лазера на передачу энергии лучу частиц? И что предпочтительней: луч или короткий импульс частиц, попадающий в возбужденный кристалл?

По мнению автора, импульс предпочтительней. Пролетая по всей длине возбужденного кристалла, импульс будет последовательно снимать энергию с атомов, причем лидеры луча будут делать это в первую очередь, следовательно, они не будут тормозить "эшелон", а наоборот, будут способствовать ускорению "арьергарда". В отношении скорости света в кристалле следует, очевидно, ожидать, что чем меньше она будет, тем более эффективно будет происходить снятие энергии, тем больше будет вероятность этого события.

Энергия возбуждения может иметь очень малую величину (порядка 1 эВ) и, казалось бы, не имеет смысла с помощью таких величин пытаться добиваться рекордных энергий частиц. При диаметре атома порядка 10-8 см на длине кристалла 10 см поместится 109, а с учетом расстояния между атомами и того, что возбужденные атомы могут представлять лишь примеси к основному веществу- 108 атомов. При диаметре отверстия 0,1 см на окружности поместится порядка 106 (опять-таки с учетом расстояния между атомами и примесного характера излучателей). Следовательно, по всему каналу одноатомный слой составит порядка 1014 атомов. Если предположить, что все атомы только в этом слое, прилегающем к лучу частиц, отдадут свою энергию, то получим 1014 эВ. Учитывая, что пучок частиц состоит из большого числа частиц, скажем, 108, то эффект на частицу составит 106 эВ.

Несколько замечаний к полученным оценкам.

Во-первых, как уже отмечал автор, не может быть, чтобы возбуждение снималось только в одноатомном слое. Это означало бы, что одноатомный слой полностью экранирует действие пролетающего заряда. Этого не наблюдается, поле частиц проникает на значительную глубину. Следовательно, можно утверждать, что слой активного энергообмена в тысячи раз превышает размер атома, в идеале, это поперечный размер кристалла. Это на много порядков увеличивает снимаемую энергию. С другой стороны, логично предположить, что длина волны излучения будет определять реагирующий слой, а это несколько тысяч ангстрем. Поэтому и вполне оправданы ожидания, что реальное число участвующих в реакции атомов будет, по крайней мере, на 6-7 порядков превосходить их число в моноатомном слое (число их будет возрастать как квадрат радиуса слоя). Тогда ожидаемая энергия будет составлять 1012…1013эВ, что вполне прилично.

Во-вторых, можно увеличить длину канала в лазере.

В-третьих, снимаемая энергия может быть и порядка 10 эВ  с атома в зависимости от рабочего вещества лазера.

В-четвертых, для подобной конструкции, простота которой делает ее самым дешевым  существующим ускорителем (таких энергий), и это неплохо.

В лазерах с непрерывным излучением (газовых, например) для ускорения частиц необходимо организовать вакуумированный канал для прохождения частиц по всей длине излучающей зоны. Канал, очевидно, должен быть из очень тонкого диэлектрика (стекла, например), чтобы частицы могли взаимодействовать с возбужденными атомами посредством своих полей.

Известны волноводные линейные ускорители заряженных частиц, они были изобретены Д. Фраем в 1947 г. Упрощенно, они представляют из себя проводящую трубу, внутри которой распространяется электромагнитная волна. При некоторых условиях фронт этой волны распространяется в волноводе со скоростью меньшей, чем скорость света в вакууме. На гребне этой волны и происходит ускорение частиц.

Что предлагает автор? Тот же самый волновод-излучатель, внутри которого ускоряются частицы. Частота электромагнитных колебаний, следовательно, и квант снимаемой энергии в предлагаемой схеме на несколько порядков больше, чем у Фрая. Всех-то отличий! Конечно, если бы тогда были лазеры, то они непременно применились бы им в аналогичных схемах. Но раз их не было, то это предстоит сделать нам.

Основной вопрос промышленности развитых стран - это вопрос об энергии. Между тем практически все энергоносители дорожают год от года. Основными источниками энергии на сегодня остаются уголь, нефть, газ.

Атомная энергетика отодвигает кошмар энергетического голода, но не избавляет от всех его проявлений. Термоядерная энергетика, похоже, находится в начале пути, а не на завершающем этапе. Ожидать от нее сколь-нибудь существенной помощи в ближайшее время не приходится.

Но именно поэтому стоит уделять внимание удешевлению конструкций ускорителей, упрощению некоторых технологических решений, разработке новых гипотез и предложений в этом направлении. Где-то там находится выход, где-то там скрыто решение, за которым последует энергетическое благоденствие. И выход надо найти, потому что и сегодня и завтра решение проблем другим путем означает кризисы, войны, насилие.