СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ КВАНТОВОЙ НЕЛОКАЛЬНОСТИ ЧАСТИЦ, СОВЕРШАЮЩИХ ИНФИНИТНОЕ ДВИЖЕНИЕ Российский патент 2012 года по МПК G01H1/10 

Изобретение относится к способам измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное (неограниченное хотя бы в одном направлении) движение. Ранее этот вид энергии не был известен, однако использование этой энергии только в устройствах для поглощения тепла позволяет создать холодильные элементы с эффективностью до 60% [1]. В связи с этим является весьма актуальным измерение энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение.

Для измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение (это могут быть электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы и другие квантовые частицы), используются в каждом конкретном случае хорошо известные методы измерения энергии квантовых частиц, например масс-спектрометрия [2], калориметрия [3] и др. Эти методы измерений являются прототипами предлагаемого способа измерений.

Недостатками известных прототипов методов измерения энергии квантовых частиц, совершающих инфинитное движение, является то, что если методы, позволяют измерять одну и ту же же энергию с погрешностью, свойственной каждому методу (из них выбирается тот, который подходит), то и нет принципиальной необходимости измерять ее как минимум двумя различными методами. Такой подход неприемлем для измерения энергии инфинитного движения квантовых частиц, поскольку полная энергия частиц состоит из двух разных видов энергии: классического поступательного движения частиц с некоторым средним значением импульса и чисто квантовой энергии движения. Если бы такие измерения проведены были ранее, а именно была измерена энергия частиц, совершающих инфинитное движение в свободном пространстве, например методом калориметрии, и измерена энергия тех же частиц, например методом масс-спектрометрии, то разница этих энергий позволила бы ранее открыть и измерить энергию квантовой нелокальности движения. Полная энергия квантовых частиц, двигающихся в стационарном внешнем поле, является инвариантом движения и имеет вид [4, 5]:

где E_k - средняя кинетическая энергия частицы, U - потенциальная энергия внешнего поля, Δε- средняя энергия квантовой нелокальности частиц, - пространственные координаты. В свободном пространстве и величины E_k и Δε остаются постоянными.

Цель изобретения - измерение энергии квантовой нелокальности частиц Δε, совершающих инфинитное движение.

При измерениях Δε во внешнем поле нужно дополнительно знать его величину и пространственное распределение. В связи с этим такие измерения наиболее удобно проводить в свободном пространстве, когда потенциальная энергия равна нулю. Это достигается тем, что для каждого рода частиц измеряется их полная энергия путем полного торможения в среде с заданными свойствами и измерения калорического эффекта выделения тепла, например, с помощью микротермопар. Далее измеряется кинетическая энергия этих частиц. Если они несут заряд и известна их масса, то измерения проводятся методом масс-спектрометрии (в поперечном магнитном поле измеряется радиус кривизны траектории частиц), если частицы не заряжены, то измеряется импульс отдачи упругого рассеяния на мишени из соответствующего материала, расположенной на крутильных весах [6]. Во всех случаях должен быть счетчик потока числа частиц в единицу времени, подлежащих измерению. Если частицы заряжены, то измеряется величина их тока, если токи очень малы, то используют, например, гальванометр. Если у частиц отсутствует заряд, например у нейтронов, то поток частиц измеряется радиометрами.

Первый известный вариант рассмотрения способа на примере туннелирования электронов [4]

При туннелировании электронов из катода через треугольный барьер при автоэлектронной эмиссии электроны уносят из катода энергию Ферми - энергию квантовой нелокальности движения, добирают кинетическую энергию во внешнем поле между электродами и доставляют ее на анод. Если энергия Ферми электронов в катоде превышает энергию Ферми в аноде, то возможны дополнительное тепловыделение по сравнению с классическим в аноде и недогрев анода при обратном соотношении энергий Ферми [1]. Это аналог эффекта Пельтье, но только с одним принципиальным отличием: туннелирующие электроны уносят из катода энергию Ферми и переносят ее в пространстве между электродами. Ранее этот эффект не наблюдался в силу специфики прежних экспериментов, проводимых при больших значения межэлектродных напряжений, когда эффект исчезающее мал (см. ниже формулу (2)).

Относительное тепловыделение в аноде в зависимости от приложенного напряжения будет изменяться по закону:

где Q=IU, U - приложенное напряжение, I - ток в цепи, - энергии Ферми катода и анода. Из формулы (1) следует, что возможны перегрев или недогрев анода в зависимости от соотношения энергий Ферми электродов, и только в частном случае одинаковых электродов тепловыделение будет классическим. В общем случае в формуле (1) две неизвестных величины и для измерения одной из них нужен электрод сравнения, например анод. Если материалы электродов одинаковы, то по тепловому эффекту можно определить кинетическую энергию электронов, приходящих на анод, с учетом начальных тепловых скоростей [5]. Поскольку энергия Ферми электродов может быть измерена и другими методами [7], то рассматриваемый пример выполнения может толковаться как еще один способ измерения энергии Ферми. Для обозначения режима автоэлектронной эмиссии (треугольный барьер) приложенное напряжение U должно превышать наибольшую из работ выхода электрона катода и анода eU>mаx(еφ₁,еφ₂). Однако приложенное напряжение не должно быть слишком большим, иначе эффект будет исчезающее малым.

Второй вариант рассмотрения способа на примере альфа-распада

При альфа-распаде заряженные частицы помимо кинетической энергии должны уносить энергию квантовой нелокальности движения, которую можно измерить как разность между полной энергией частиц, термолизуемых в среде с заданными свойствами, и кинетической энергией налетающих частиц. Наличие заряда позволяет измерить величину тока и кинетическую энергию частиц в поперечном магнитном поле с помощью масс-спектрометрии. Таким образом, для альфа-источников, если известна кинетическая энергия вылетающих частиц и измерено тепловыделение в среде с заданными свойствами, то тепла должно выделяться несколько больше за счет дополнительной термолизации энергии квантовой нелокальности движения. Действительно, такой эффект имеет место [8], однако прямых измерений его не проведено. Кинетическая энергия альфа-частиц измеряется в масс-спектрометрах с высокой точностью и для доказательства их туннельного происхождения были проведены сравнения с теоретическими формулами туннелирования. Оказалось, что имеет место дефицит кинетической энергии на величину Δε для получения согласия с теорией. По существу для Δε была придумана эмпирическая формула [8]:

где Z - число зарядов дочернего ядра. Например, при α-распаде ²¹⁰Po (Z=84-2) с кинетической энергией частиц 5,3 МэВ эмпирическая поправка к Е_k для этого случая составляет 131,6 кэВ. Относительный «избыточный» нагрев мишени должен составлять 3,3%, что измеримо современными приборами. Естественная энергетическая ширина линии излучения альфа-частиц, измеряемая в масс-спектрометре, составляет несколько милливольт.

Калориметрический метод измерения является менее точным по сравнению с масс-спектрометрией.

Для того чтобы повысить точность измерения энергии квантовой нелокальности движения, предлагается дифференциальный метод измерения полной энергии частиц. На пути альфа-частиц на некотором протяжении включают электрическое постоянное поле с заданной разностью потенциалов, например тормозящей. Тогда выражение для полной энергии частицы в соответствии с формулой (1) будет:

где q - заряд частицы, V- разность потенциалов, которую проходит частица, Е_k - кинетическая энергия частицы. Далее проводят измерение энергии частиц калориметрическим методом. Изменяют знак электрического поля, тогда выражение для полной энергии частицы будет иметь вид:

и проводят далее измерение полной энергии частицы калориметрическим методом. Тогда разность двух измерений должна равняться:

При некотором уменьшении приложенного напряжения эта разность не будет различаться. Величина такого напряжения и будет характеризовать погрешность метода. Полусумма измеренных значений по формулам (5) и (6) будет давать величину полной энергии для определения в последующем энергии квантовой нелокальности движения частиц.

При конструировании и эксплуатации прецизионных альфа-источников тепла необходимо учитывать эффект, связанный с тем, что при альфа-распаде выделяется тепловой энергии несколько больше, чем можно ожидать, если исходить из экспериментально измеренной с помощью масс-спектрометров кинетической энергии частиц (как правило, с большой точностью).

Энергия квантовой нелокальности движения частиц, совершающих инфинитное движение, как упоминалось выше, может быть использована при создании устройств [1], изготовленных с применением нанотехнологий с эффективными холодильными элементами, экономящими электрическую энергию, которые востребованы в каждой квартире и не только.

Список использованных источников

1. Неволин В.К. Устройство для выделения или поглощения тепла. Заявка на патент РФ №2008126736 от 28.08.2008 г.

2. Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., 1963.

3. Кальве Э., Прат А. Микрокалориметрия. Пер. с франц. М., 1963.

4. Неволин В.К. Тепловой эффект на аноде при автоэлектронной эмиссии. Письма в ЖТФ. 2006. Т.32. В.23. С.66-72.

5. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. Изд. 2-е. М.: Техносфера. 2006. - 160 с.

6. Шокин П.Ф. Гравиметрия. М., 1960.

7. Каганов М.И., Филатов А.П. Поверхность Ферми. М., 1969.

8. Давыдов А.С. Теория атомного ядра. М.: ФМЛ. 1958. С.130.

Изобретение относится к способу измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение. Способ включает в себя как минимум два измерения энергии частиц разными методами - измеряют полную энергию частиц и кинетическую энергию частиц. Разница между полной энергией частиц и их кинетической энергией и есть энергия квантовой нелокальности движения, причем во всех случаях считают поток числа частиц в единицу времени, участвующих в измерениях. Полную энергию квантовых частиц измеряют методом калориметрии. Кинетическую энергию заряженных частиц измеряют методом масс-спектрометрии. Кинетическую энергию незаряженных частиц измеряют методом отдачи импульса от мишени, расположенной на крутильных весах. Использование энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение, только в устройствах для поглощения тепла позволяет создать холодильные элементы с высокой эффективностью. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение, отличающийся тем, что проводят как минимум два измерения энергии частиц разными методами - измеряют полную энергию частиц и кинетическую энергию частиц, при этом разница между полной энергией частиц и их кинетической энергией и есть энергия квантовой нелокальности движения, причем во всех случаях считают поток числа частиц в единицу времени, участвующих в измерениях.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для электронов, извлекаемых из проводящих тел методом автоэлектронной эмиссии, кинетическую энергию определяют по приложенному напряжению между катодом и анодом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полную энергию квантовых частиц измеряют методом калориметрии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что кинетическую энергию заряженных частиц измеряют методом масс-спектрометрии.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что кинетическую энергию незаряженных частиц измеряют методом отдачи импульса от мишени, расположенной на крутильных весах.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения точности измерений калориметрическим методом на пути движения заряженных частиц включают на некотором протяжении тормозящее, затем ускоряющее электрическое поле и последовательно проводят измерения полной энергии частиц.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при движении во внешних полях измеряют полную энергию частиц, кинетическую энергию частиц и энергию внешнего потенциального поля, которую проходят частицы.