Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Установка мюонный годоскоп 14
1.1. Характеристики 512-канальногогодоскопа 14
1.1.1. Базовый трехметровый сцинтилляционный счетчик 14
1.1.2. Сборка усилителей-формирователей сигналов ФЭУ. 18
1.1.3. Установка Мюонный годоскоп "ТЕМП". 20
1.2. Сбор и накопление данных в режиме on-line 26
1.2.1. Система регистрации при работе с микро-ЭВМ ДВК-ЗМ 26
1.2.2. Модернизированная система сбора на элементах ПЛИС. 31
1.2.3. Блок-схема модернизированной системы регистрации 35
1.3. Эффективность работы аппаратуры 37
1.3.1. Тестирование в непрерывном режиме 37
1.3.2. Характеристики работоспособности установки 39
1.3.3. Статистика экспериментальных данных 43
1.4. Краткие выводы 44
ГЛАВА 2. Методика обработки матричньгх данных мюонного годоскопа 45
2.1. Подготовка данных для физической обработки 45
2.1.1. Первичное представление данных 45
2.1.2. Учет тренда временных рядов 49
2.1.3. Выравнивание при наличии выбросов 54
2.2. Выделение скрытых периодичностей 55
2.2.1. Оконное преобразование Фурье 55
2.2.2. Анализ синхронных временных рядов 58
2.2.3. Особенности анализа временных рядов пространственной интенсивности КЛ 60
2.3. Краткие выводы 63
ГЛАВА 3. Вариации кл и динамические процессы на солнце и в ММП 64
3.1. Скл высокой энергии 64
3.1.1. Распространение релятивистских СКЛ в ММП 64
3.1.2. Регистрация СКЛ высокой энергии в интегральном потоке мюонов 68
3.1.3. Регистрация СПС "День Бастилии" по матричным данным 72
3.2. Диагностика возмущений ммп в потоке ГКЛ 74
3.2.1. Зондирование динамического состояния ММП 74
3.2.2. Зондирование структуры КВВ при их распространении в ММП 82
3.2.3. Идентификация петлевых структур ММП 90
3.3. Изучение динамики ГКЛ высокой энергии 100
3.3.1. Движение высокоэнергичных частиц ГКЛ в магнитосфере Земли. 100
3.3.2. Метод регистрации тениЛуны приумеренных энергиях ГКЛ. 103
3.3.3. Тень Луны по матричным данным годоскопа 106
3.4. Краткие выводы 108
ГЛАВА 4. Космические лучи и диагностика атмосферы земли 111
4.1. Высокоэнергичные мюоны в атмосфере 111
4.1.1. Решение кинетического уравнения длямюонов 111
4.1.2. Вариации потока мюонов в атмосфере 116
4.1.3. Метеоэффекты и метод мюонной диагностики 120
4.2. Диагностика температурного поля атмосферы 127
4.2.1. Оценка вариаций температуры по интегральному потоку мюонов 127
4.2.2. Методика определения поля температуры по угловому спектру мюонов 131
4.2.3. Динамика вертикального поля температуры по данным мюонного годоскопа 133
4.3. Диагностика волновых процессов в атмосфере 139
4.3.1. Изучение ВГВ от грозовой активности 139
4.3.2. Изучение ВГВ при активных воздействиях на атмосферу. 147
4.3.3. Предикторы высокоэнергетичных волновых процессов 150
4.4. Краткие выводы 156
Заключение 158
Благодарности 161
Приложение 163
Список литературы 170
- Сбор и накопление данных в режиме on-line
- Выделение скрытых периодичностей
- Диагностика возмущений ммп в потоке ГКЛ
- Диагностика температурного поля атмосферы
Введение к работе
Космические лучи галактического (ГКЛ) и солнечного (СКЛ) происхождения на протяжении десятков лет успешно используются в качестве зонда, который несет информацию как о физических явлениях в самих источниках излучения, так и о процессах в среде, через которую они проникают. Особая роль отводится высокоэнергичным заряженным протонам, составляющим основную долю КЛ, попадающих на Землю. При этом интенсивность протонов СКЛ связана с высокоэнергичной импульсной активностью Солнца, а короткопериодные вариации и анизотропия ГКЛ в основном указывают на динамическое состояние межпланетного магнитного поля. В целом, поток ГКЛ ( 10ГэВ), в условиях спокойного Солнца, практически изотропен по всей гелиосфере. Эта особенность ГКЛ, с учетом метеорологической зависимости интенсивности вторичных проникающих мюонов, образующихся в результате взаимодействий КЛ с атомами воздуха (на высотах 10-30 км), позволяет изучать поведение термодинамического поля нижней атмосферы Земли.
Вторичный поток мюонов обладает большей информативностью по сравнению с ядерноактивной нейтронной компонентой на поверхности Земли. При высокой энергии (Е 10 ГэВ) все три поколения частиц (протоны, пионы и мюоны: р -» л - ц) практически лежат на одной траектории, что позволяет восстанавливать пространственно-временные характеристики первичного потока КЛ. В этом смысле, регистрация мюонов для диагностических целей даже более предпочтительна. Таким образом, характеристики потока мюонов, регистрируемого на поверхности Земли, являются эффективным индикатором, данным самой природой, для дистанционного изучения динамики различных процессов в окружающей среде, включающей Солнце, гелиосферу, магнитосферу и атмосферу Земли.
На протяжении полувека, большой круг физических явлений изучается с помощью разветвленной сети автономных нейтронных мониторов. Исследован ряд важных закономерностей по физике Солнца, вариациям КЛ, связанным с крупномасштабными возмущениями в гелиосфере, различными эффектами в магнитосфере и атмосфере Земли [1, 2, 3]. В настоящее время мировая сеть нейтронных мониторов (НМ) состоит из более 40 установок, расположенных в разных точках земного шара [4]. Среди НМ преобладают детекторы типа NM-64, объединяющие пропорциональные крупногабаритные счетчики BF3, окруженные свинцовым поглотителем и полиэтиленовым замедлителем. НМ являются установками для измерения интегрального потока КЛ с относительно узкой угловой апертурой, которая "обрезается" сильным поглощением ядерноактивных частиц при увеличении зенитного угла по экспоненциальному закону. При угле около 60° интенсивность ядерной компоненты убывает в 10 раз, в то время как мюонная компонента уменьшается лишь в 2 раза. Данные нейтронных мониторов относятся в основном к потоку КЛ с невысокой средней энергией (1-30 ГэВ).
Число действующих мюонных телескопов (МТ) значительно меньше. Традиционно, МТ выполняются из крупногабаритных счетчиков. Это -газоразрядные счетчики, пропорциональные камеры, объединенные в большие секции, либо пластические сцинтилляторы с характерными размерами порядка 1 х 1 м [5, 6, 7]. Как правило, МТ собраны в два ряда счетчиков с мозаичной структурой, прослоенных свинцовым фильтром толщиной 5 - 10 см для поглощения мягкой компоненты КЛ, и работают в режиме двукратных совпадений разных комбинаций верхних и нижних счетчиков. Такая структура детекторов позволяет выделить в пространстве несколько направлений: от 4 до 19 с угловым разрешением 20-30 градусов [8, 9]. Характерные размеры МТ колеблются в пределах 4-36 м2. В настоящее время также работают детекторы-сэндвичи на основе компактного объединения двухрядного сцинтилляционного МТ (одновременно выполняющего роль замедлителя) с размещенным внутри НМ [10, 11]. Их характерные размеры невелики (1 -4 м ) при достаточно низком угловом разрешении. Действующие мюонные телескопы дают информацию, которая соответствует ГКЛ со средней энергией около 50 ГэВ для вертикального направления, и позволяют детальнее изучать их вариации. В последние годы запущено на регистрацию еще две модификации мюонных телескопов с достаточно высокой грануляцией: в Японии и Индии [12, 13]. Установка [12] выполнена из крупных пропорциональных газовых камер круглого сечения диаметром 10 см, сгруппированных в две координатные пары (х, у) - слоев площадью по (4 х 4) м с угловым разрешением ± 7°. Данные получаются в виде матриц размером (11x11) ячеек. Система детекторов [13], предназначенных изначально для изучения ШАЛ, состоит из 16 штук отдельных четырехрядных детекторов, площадью по 6x6м. Каждый детектор также представляет собой две пары (х,у) - плоскостей. Отдельные газовые счетчики имеют поперечный размер в виде квадрата размером 10x10 см2, что обеспечивает угловое разрешение ± 8°. Данные также формируются в виде последовательности матриц размером (15 х 15) ячеек. В этих установках круглые и квадратные пропорциональные камеры, сложенные в виде детектирующих плоскостей, имеют внутри апертуры много зон пониженной эффективности на границах вдоль каждого счетчика, обусловленных плохим собиранием электронов из отдаленных (от центральной нити) участков камер и щелевыми зазорами между счетчиками. Таким образом, даже улучшенные конструкции мюонных телескопов имеют угловое разрешение около 10 градусов.
Для анализа результатов по вариациям КЛ, особенно в проблеме мониторинга высокоэнергетичных солнечных возмущений, используются данные детекторов различного типа - как НМ, так и МТ. Обсуждаются проекты объединения всех детекторов в единую мировую сеть, в которой Земля будет представлять собой квазисферический распределенный детектор КЛ-"Космический корабль" среди неспокойного галактического "моря" космического излучения [14].
НМ и МТ до сих пор остаются наиболее распространенными наземными установками, которые продолжают постоянно модифицироваться и совершенствоваться. Однако они имеют принципиальный недостаток - низкое угловое разрешение, что ограничивает круг задач, связанных с исследованием структуры и динамики ряда процессов и явлений в окружающей среде. Эта трудность преодолевается применением установок нового типа -мюонных годоскопов, обладающих широкой апертурой и высоким угловым разрешением (1-2 градуса), способных в непрерывном режиме регистрировать пространственный поток КЛ в виде двумерных "снимков-матриц" одновременно из сотен и даже нескольких тысяч направлений.
Первой установкой такого типа является 512-канальный сцинтилляционный годоскоп "ТЕМП" (МИФИ), предложенный и созданный в 1995 г по инициативе автора работы [15, 16, 17]. Годоскоп представляет собой сборку из двух пар координатных плоскостей (х,у), площадью 3 x3 м на основе узких трехметровых сцинтилляционных счетчиков.
В последние два-три года в ряде стран запущено на регистрацию несколько годоскопов (с разрешением около одного градуса) разной светосилы в виде многорядных газовых счетчиков высокой грануляции, работающих в режиме ограниченного стримерного разряда [18, 19]. Примером одной из лучших установок такого типа служит восьмирядный годоскоп "Ураган" площадью 4 х 11 м2 с угловым разрешением 0,7°, созданный в России (Москва, МИФИ) для проведения мониторинга в области солнечно-земной физики [19,20].
Таким образом, за прошедшие 10 лет после запуска годоскопа "ТЕМП", он и в настоящее время входит в число самых высокоточных детекторов среди работающих наземных мюонных телескопов и годоскопов в области физики космических лучей. Кроме этого, "ТЕМП" обладает определенным преимуществом, поскольку собран на поворотной раме и может быть использован для эффективной регистрации частиц космических лучей с выбранного направления, например, от Солнца.
Целью данной диссертационной работы является: Обоснование и развитие нового направления в изучении различных высокоэнергетических процессов в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли и получение качественно новой информации об их пространственно-временной динамике на основе анализа временных рядов двумерных "снимков-матриц" интенсивности космического излучения с нескольких тысяч направлений, которое одновременно и непрерывно регистрируется с помощью широкоапертурного наземного мюонного годоскопа высокой грануляции. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Разработка и создание установки нового типа с высоким пространственно-временным разрешением.
2. Проведение серии продолжительных экспериментов по набору статистики с помощью созданного мюонного годоскопа.
3. Изучение связи пространственно-временных вариаций потока мюонов КЛ с высокоэнергетическими процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
1. Аппаратура и методика эксперимента:
• мюонный годоскоп высокой грануляции для исследования вариаций потока КЛ, связанных с высокоэнергетическими динамическими процессами в области солнечно-земной физики;
• банк данных интенсивности потока атмосферных мюонов (соответствующий ГКЛ со средней энергией около 60 ГэВ) в виде двумерных матриц из 4096 направлений небесной сферы с разрешением около 1-2 градуса за четырехгодичный период измерений с временным шагом в одну минуту;
• методы спектрального анализа двумерных временных рядов вариаций космического излучения для выявления скрытых периодичностей дифференциально по пространству.
2. Результаты исследований высокоэнергетических процессов на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере Земли по матричным данным вариаций космических лучей:
• идентификация распространения коронального выброса вещества (КВВ) в межпланетном магнитном поле (ММП) в направлении Земли; • результаты спектрально-временного анализа пространственных возмущений ММП, связанных с КВВ и форбуш-эффектами (ФЭ);
• характеристики высокоэнергичной части солнечной протонной вспышки 14.07.2000 г (день Бастилии);
• идентификация "тени" Луны в потоке ГКЛ умеренных энергий (больше 30 ГэВ).
3. Результаты исследований термодинамических характеристик атмосферы по потоку высокоэнергичных мюонов:
• временные вариации вертикального поля температуры атмосферы от поверхности Земли до стратосферных высот, дифференциально по высоте (с шагом 100 мб);
• идентификация внутренних гравитационных волн (ВГВ или волн плавучести) при развитии и приближении мощных атмосферных возмущений (типа гроз, ураганов) к месту расположения мюонного годоскопа.
Научная новизна результатов:
1. Впервые для регистрации вариаций космических лучей, связанных с высокоэнергетическими процессами солнечно-земной физики, использован широкоапертурный наземный поворотный мюонный годоскоп высокой грануляции с пространственно-временным разрешением (1-2 градуса, временной интервал - 1 мин). В 1996 г решением Минпромнауки "Мюонный годоскоп" был внесен в "Перечень уникальных научно-исследовательских и экспериментальных установок национальной значимости" (per. номер 06-11).
2. Впервые создан банк данных в виде последовательности одноминутных двумерных матриц (64 х 64 ячейки) интенсивности мюонов из 4096 различных пространственных направлений (апрель 1998 - декабрь 2001 гг). Данные относятся к средней энергии ГКЛ около 60 ГэВ. Суточное вращение Земли обеспечивает панорамность матричных данных в растворе зенитных углов около 120 градусов. 3. Разработана и апробирована методика отдаленной идентификации корональних выбросов вещества (КВВ), распространяющихся в ММП по приобретенной модуляции потока ГКЛ, проникающего через возмущенную область магнитного поля.
4. Впервые на космофизической установке (типа годоскоп) под большим зенитным углом (8 » 60°) зарегистрирован всплеск интенсивности мюонов (на уровне 4,6 среднеквадратичного отклонения) в узком растворе углов во время СПС 14.07.2000 г (день Бастилии, UT 10:30), длительностью 3 минуты.
5. Впервые по вариациям угловой интенсивности мюонов дифференциально измерены колебания температуры вертикального разреза атмосферы в широком диапазоне высот (на девяти уровнях - от 900 до 100 мб) в течение продолжительного отрезка времени.
6. Впервые по матричным данным интенсивности мюонов зарегистрирована "тень" Луны в эффекте экранирования потока ГКЛ диском Луны при умеренных энергиях ( 30 ГэВ), когда отклоняющим действием магнитосферы Земли нельзя пренебречь.
Практическая значимость работы:
1. Действующий 512-канальный поворотный мюонный годоскоп, состоящий из узких протяженных сцинтилляционных счетчиков, сгруппированных в координатные плоскости (х,у) вместе с регистрирующей препроцессорной электроникой на основе ПЛИС-технологии, показал себя надежным и стабильным в продолжительной эксплуатации и может быть рекомендован в качестве основы для типового прибора при создании мировой сети мюонных годоскопов нового поколения для проведения комплексных on-line исследований в области КЛ и солнечно-земной физики.
2. Предложенный и апробированный способ накопления и хранения данных о дифференциальном угловом распределении потока космических лучей в виде двумерных снимков-матриц может быть использован (и уже используется) в других мюонных годоскопах и установках, регистрирующих космические лучи.
3. Раннее обнаружение распространяющихся в ММП в направлении к Земле корональных выбросов вещества (КВВ) по изменению потока КЛ может стать основой для выработки заблаговременного предиктора в службе мониторинга возмущений "Солнечной погоды".
4. Заблаговременное обнаружение стратосферных ВГВ по потоку мюонов являются основой для разработки предиктора приближения атмосферных катаклизмов (типа мощных гроз и ураганов).
5. Непрерывные наблюдения за динамикой вертикального поля температуры над территорией порядка 1000 кв км имеют практическое значение для региональной метеослужбы и экологического мониторинга большого мегаполиса с мощной техногенной активностью.
Работы по теме диссертации выполнялись при поддержке РФФИ практически на всех этапах исследований (1993-2006 гг), начиная с создания аппаратуры нового поколения, в виде грантов: 93-02-3061, 96-02-18242, 97-05-15131, 00-02-17062, 03-02-17313, 06-02-17213, а также гранта Минобразования Т02-14.0-2369 (2003-2004 г).
С 1996 г работа установки Мюонный годоскоп финансировалась по программе поддержки уникальных научных установок и стендов Минпромнауки, а затем Минобразования и науки РФ
Личный вклад автора
Автору принадлежит идея создания мюонного годоскопа высокой грануляции для регистрации пространственно-временного потока космических лучей в виде "двумерных снимков-матриц" и ее реализация на всех этапах: от участия в проектировании, сборке и наладке аппаратуры до проведения четырехгодичного эксперимента, разработки алгоритмов и анализа физических явлений и процессов. Апробация работы и публикации Результаты, послужившие основой диссертации, докладывались на Международных конференциях:
- по космическим лучам (Рим, 1995; Дурбан, 1997; Цукуба, 2003; Пуне, 2005);
- "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, ИФА, 1999);
- "Методы дистанционного зондирования и ГИС - технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды" (Москва, МИГАиК, 1996, 1998,2000);
- Европейский симпозиум по космическим лучам (Москва, 2002); Всероссийских конференциях:
- по космическим лучам (Москва, 1994, 1996,1998,2000, 2002, 2004);
- "Риск - 2003" (Москва, МЧС 2003);
- "Физика солнечно-земных связей" (Иркутск, ИГУ 2001, 2004);
- "Физические проблемы экологии" (Москва, МГУ, 2001, 2004);
- "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (Москва, ИКИ, 2003, 2005);
- "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиофизической активности" (Троицк, ИЗМИРАН, 2005);
Российских семинарах - "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля вещества и окружающей среды" (Москва, МИФИ, 2001,2003,2006);
Ежегодных Научных сессиях МИФИ (1997-2006);
Первой Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (Нальчик, НГУ, 2000);
научных семинарах: в МИФИ, НИИЯФ МГУ, ФИАН, ИПГ, ЦАО, ИЗМИРАН.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, отражены и опубликованы (1987-2006 гг): в 14 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК для публикации материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, в 37 трудах перечисленных выше конференций, семинаров, научных сессий; в 12 тезисах Всероссийских и Международных конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткое резюме ее содержания. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Перечень основных работ по теме диссертации с участием соискателя указан в приложении. Объем диссертации: 184 стр., 61 рис., 13 табл., 178 наименований цитируемой литературы.
Сбор и накопление данных в режиме on-line
Система регистрации предназначена для непрерывного приема информации о прохождении каждого мюона через установку, запоминания позиционных кодов сработавших счетчиков, накопления данных в буферной памяти и периодической передачи в память микро-ЭВМ в режиме on-line с минимальным мертвым временем. Информация от всех счетчиков непрерывно поступает на вход системы регистрации в виде двух потоков с функционально различными целями: для опережающей выработки разрешающего сигнала (триггер - при прохождении мюона) и для последующего запоминания (по триггеру) индивидуальных номеров сработавших счетчиков. Триггер формируется поэтапно при наличии сработавших счетчиков во всех четырех (пяти) рядах. Для этого, на первом этапе со всех 8 плат усилителей-формирователей (УФ-16), обслуживающих счетчики каждого ряда (128 счетчиков), приходят восемь NIM-сигналов на блок логики 8-ИЛИ, в котором они объединяются в один выходной сигнал (рис.ба). Таким образом, при срабатывании хотя бы одного счетчика в отдельном ряду годоскопа, на выходе соответствующего блока логики появляется NIM-сигнал длительностью около 70 не. На втором этапе с выходов блоков 8-ИЛИ сигналы поступают на схему совпадений СС со всех четырех рядов годоскопа. На блок логики 2-ИЛИ приходят сигналы от двух плат УФ-16 с плоскости Z (всего 32 крупногабаритных счетчика), а с его выхода - на пятый вход схемы СС. При одновременном, в пределах 70 не, появлении сигналов от частицы во всех рядах годоскопа на выходе схемы СС вырабатывается импульс триггера.
Длительность этого импульса выравнивается до 70 не формирователем ФТ. Формирование триггера производится с помощью указанных выше модулей системы наносекунднои логической электроники, выполненной в стандарте В первой (1995 г) модификации 512-канального мюошюго годоскопа ТЕМП для кодировки и записи данных в PC использовались цифровые стандартные блоки системы СУММА, разработанные в 80-х годах в ИФВЭ (ГНЦ, Протвино) и выполненные в основном на дискретных элементах быстрой ЭСЛ-логики серии-К500 для возможной записи данных на отечественную микро-ЭВМ ДВК-3 [30,31]. Для точного совмещения по времени с задержанными информационными импульсами от формирователей УФ-16, сигнал триггера с выхода ФТ поступает на блок регулируемой задержки БРЗ. Синхронный сигнал с БРЗ подается далее на логический разветвитель РЗВ для усиления его по мощности. С восьми выходов разветвителя РЗВ сигнал триггера поступает на стробирующие входы восьми блоков регистров памяти Р34 [28]. На информационные входы этих же регистров (8 блоков по 64 канала в каждом) по скрученным парам многожильного телефонного кабеля подаются парафазные ЭСЛ-сигналы с выходов усилителей-формирователей УФ-16. Для удобства изложения далее под термином "событие" подразумевается факт выработки триггера по описанной выше схеме (одновременное срабатывание счетчиков во всех рядах годоскопа). В регистрах Р34 запоминается информация (в позиционном коде) обо всех координатах сработавших счетчиков годоскопа в каждом событии за время 70 не. Сигнал триггера также запускает цикл опроса (вход "пуск") дополнительного контроллера КД93 [32]. Этот блок необходим для уменьшения мертвого времени установки, связанного с чтением информации из регистров памяти.
Контроллер КД93 последовательно считывает информацию со всех сработавших регистров Р34 установки, перекодирует координаты сработавших счетчиков, отдельно для каждого события (из позиционного кода - в двоичный), и переписывает их по прямому доступу, используя магистраль крейта, в блок быстрой памяти П140 [33] с емкостью примерно на четыре тысячи событий. При кодировке, каждая координата счетчика занимает 16-битное слово, в котором 10 бит отводится непосредственно под координату, а 4 бита - под размер "кластера". Под термином "кластер" подразумевается число рядом сработавших (до 16 штук) счетчиков. Опрос и кодировка одного события, в котором сработали по одному счетчику в разных рядах установки, занимает у КД93 в среднем около 32 мкс. Аналогичный объем работы (вычитывание), программно выполняемый с помощью компьютера без блока КД93, занимал бы более 300 мкс, что могло существенно увеличить мертвое время установки. Из блока памяти Ш40 информация считывается, асинхронно через внешнюю дополнительную магистраль, в регистры дополнительного контроллера ДП141 [33], находящегося в крейте №2. Контроллер ДП141 был специально разработан для чтения быстрой памяти П140 и выполняет эту операцию одновременно с записью в блок П140 через магистраль крейта №1 по стековой схеме FIFO. Такая структура опроса быстрой памяти необходима для уменьшения мертвого времени приема событий от годоскопа, поскольку разгружает магистраль крейта №1, которая используется в это время блоком КД93 для опроса регистров Р34 и записи данных в блок П140.
Чтение координат и их запись в память микро-ЭВМ ДВК-ЗМ из ДП141 происходит через каркасный контроллер К62 [34] другого крейта №2 (рис.66) со свободной магистралью и интерфейс КСЗО [30]. В компьютере в режиме on-line производится проверка каждого события по размеру кластера (если он больше двух рядом сработавших счетчиков), а также по числу прошедших частиц в каждом ряду (если хотя бы в одном из них сработало больше двух не соседних счетчиков такое событие бракуется). Это связано с невозможностью восстановления направления трека частицы в установке при многочастичном событии. В случае, если сработали два соседних счетчика (размер кластера равен двум), то такое событие не отбраковывается, а координата зарегистрированной в нем частицы принимается равной среднему арифметическому координат сработавших счетчиков. В конечном итоге, для каждого события при on-line обработке - уже в компьютере - вычисляются четыре координаты сработавших счетчиков (XI, Y1, Х2, Y2), каждая из которых занимает байт информации. Индекс 1 относится к верхней паре плоскостей, а индекс 2 - к нижней паре. Обработанные события, в виде одноминутных матриц пространственной интенсивности, непрерывно архивируются в последовательность файлов на одном из двух попеременно, в течение суток, работающих магнитофонов ИЗОТ-53 00.01.
Выделение скрытых периодичностей
Короткопериодные вариации интенсивности КЛ могут нести информацию о динамических процессах из тех областей гелиосферы, магнитосферы и атмосферы Земли, которую они пересекают при своем распространении до попадания в детектор. Как правило, амплитуда таких вариаций мала и не превышает статистических ошибок измерения интенсивности в отдельных точках временного рада. Поэтому требуется применять специальные методы для выявления "скрытых периодичностей". После приведения временных рядов к стационарному виду возможно применение широко распространенного фурье-анализа. Классический метод периодограмм неприменим при изучении непродолжительных процессов, поскольку они происходят за конечный отрезок времени и их частотные характеристики могут изменяться за время наблюдения. В этом случае, даже с увеличением длины временного ряда, дисперсия фурье-характеристики не будет уменьшаться [49]. Методы Бартлетта, Уэлча и др. разработаны с целью снижения дисперсии периодограммы за счет усреднения обычных и модифицированных периодограмм [50]. Наиболее приемлемо использование метода Блэкмана-Тьюки [50, 51], который дает практически наименьшую дисперсию при высоком частотном разрешении. В этом методе периодограмма или функция спектральной плотности - S(J) получается в результате применения преобразования Фурье к корреляционной функции Rx(t), путем введения запаздывающего окна W{k), где О к М, где М- ширина временного окна. Достоинством фурье-анализа со сглаживающим окном является несмещенность оценки спектральной плотности, которая стремится к математическому ожиданию при увеличении длины ряда N, а ее дисперсия D уменьшается до нуля: где параметр Ъ 1 и зависит от типа окна W(k) [50]. Для стационарного нормированного временного ряда x(i) (в диапазоне 1 / N) вычисление спектральной плотности S(J) по методу Блэкмана-Тьюки сводится к следующим процедурам [51, 52]: 1.
Подсчитывается автоковариационная функция Rx{k): где 0 к М. Суммирование проводится в пределах временного окна. 2. Выполняется сглаживание функции Rx(k): во всем интервале окна (0 к М), где W(k) - одно из распространенных окон типа: Хэмминга, Хеннинга, Парзена и др. [50]. 3. Вычисляется спектральная плотность (или плотность спектра мощности ПСМ) для разных частот/фурье-преобразования: где T - интервал времени между соседними точками временного ряда x(i). Частоты/лежат в диапазоне 0 / 0,5т. Если принять х = 1, то максимальная частота /шах=0,5 - есть частота Найквиста, соответствующая минимальному измеримому периоду Гшш = 2т (в данном случае - Tmm = 2 минуты). Метод Блэкмана-Тьюки, с учетом процедуры сглаживания по частотам, обладает высоким частотным разрешением Д/"»\\М, которое слабо зависит от вида сглаживающего окна W. Для гауссовских временных рядов x(i) статистическое распределение функции спектральной плотности S(J) хорошо согласуется с %г распределением с числом степеней свободы равным 2xNJ{Mxa), где а коэффициент порядка единицы, значение которого связано с видом сглаживающего окна W. Для окна Хэмминга значение а - 0,8 [50]. Теоретическое значение спектральной плотности S(j) для нормированного гауссовского временного ряда является постоянной величиной равной 1/(2лг) = 0,16 на всех частотах (белый шум), со стандартным среднеквадратическим отклонением as равным [50]: В отсутствие возмущений временные ряды мюонов хорошо согласуются с гауссовским характером флуктуации, а распределение амплитуд спектральной плотности S{f) подчиняется х2-распределению [26]. Появление гармонического колебания во временном ряду х(ї) будет приводить к аномально большой амплитуде в спектральной плотности S(f0) на отдельной частоте f0 - мощности волны. Ее достоверность легко оценить как отклонение в х2 - распределении. Фурье-анализ при хорошем частотном разрешении, в отличие от вейвлет-преобразования [53], не обладает временной локализацией волнового процесса. При получении функции спектральной плотности S(f) проводится усреднение по всему отрезку времени заданной экспозиции. Частично, этот недостаток преодолевается применением дополнительного временного окна, составляющего часть рассматриваемого времени экспозиции. В этом окне времени выполняется фурье-анализ, затем проводится временной сдвиг (подобно вейвлет-анализу) и снова вычисляется спектральная плотность. Такая процедура - спектрального временного анализа (СВАН) - получила широкое распространение в различных областях физики [54] включая исследования в КЛ [55].
Спектральный анализ нескольких независимых одновременных временных рядов, связанных с одним физическим процессом, позволяет повысить достоверность выявления "скрытых периодичностей", когда их амплитуда меньше статистических ошибок измерений в отдельных рядах. В этом случае в функциях спектральной плотности S(J) для всех рядов должна присутствовать хотя бы небольшая амплитуда S(f0) над уровнем "шума". При суммировании значений спектральных плотностей, средняя амплитуда на частоте /о, будет только возрастать, а на других частотах произойдет взаимная компенсация шумовых (случайных) амплитуд. В результате, величина соотношения "сигнал/шум" в суммарной спектральной плотности на частоте /о только увеличится. Для количественной оценки этого эффекта проведено моделирование с использованием стационарных рядов интенсивности мюонов Nn(t), из матричных данных установки ТЕМП. К отдельным временным рядам N f), с близкими средними значениями счета Ш\ добавлялась гармоническая волна с периодом Го и амплитудой А = к ам, пропорциональной доле среднеквадратичного отклонения в темпе счета мюонов: ам = J( ) К получившимся рядам вида: применялась процедура оконного преобразования Фурье. Значения Г0 изменялись в пределах 3 -г 50 минут. На рис.19 приведен пример вычисления спектральной плотности для смоделированного тряц,ах((). В таблице 3 представлены величины амплитуд спектральной плотности (в масштабе среднеквадратичных отклонений S(fo)/as), полученные для различного числа временных рядов (1-9) разной продолжительности (1-5 часов) и нескольких значений амплитуд А в (масштабе а,) гармонического сигнала (0,3 к 1,0) в счете мюонов. Расчеты показывают, что с увеличением скрытой в шумах амплитуды сигнала к и числа рядов синхронного наблюдения, спектральная плотность (мощность сигнала) растет. S
Диагностика возмущений ммп в потоке ГКЛ
Известно, что наибольшие возмущения ММП связаны с эрупцией КВВ и их распространением в межпланетном пространстве. Первоначально считалось, что КВВ являются следствием взрывного (вспышечного) выделения энергии. Однако, в процессе наблюдения многих КВВ выяснилось, что эрупция части событий начинается раньше вспышки. Кроме того, есть КВВ вообще без сопровождения вспышек. Поэтому вспышки и КВВ проявляются как независимые, часто совместные процессы. Источником КВВ служит сложный комплекс физических явлений, связанных с динамикой крупномасштабных магнитных полей в магнитосфере Солнца. Как отмечается в [80-83], перспективным направлением краткосрочного прогноза КВВ может быть изучение предэруптивной эволюции крупных волокон, а также состояние корональных дыр и активных областей. Наличие динамических процессов (развитие волокон, всплывание новых магнитных потоков и др.) указывает на приближающуюся эрупцию КВВ. Также установлено, что вероятность эрупции КВВ повышается, если наблюдается крупномасштабный сигмоидальный источник (в мягком рентгене), отражающий сложную скрученную структуру магнитного поля [84]. Имеется еще ряд других признаков начала эрупции: наблюдение повышенной активности радио всплесков, усиление излучения, ультрафиолета и т.д.
Первопричина всех этих явлений может также влиять на вариации потока солнечного ветра. В работе [85] указывалось, что "... инициирование эруптивных процессов в большинстве случаев может быть понято лишь при учете "открытости" подлежащих анализу корональных структур... Предстоит еще понять многие аспекты нелокальных связей на Солнце и в гелиосфере, в особенности при высокой активности, с тем, чтобы адекватно отразить их в виде начальных и граничных условий при модельном описании". Линия ММП (спираль Архимеда) имеет выделенное направление, связанное с распространением равновесного потока плазмы солнечного ветра непосредственно с поверхности Солнца. На это неоднократно указывалось во многих работах. Автор не ставит своей задачей изучение причин, приводящих к эрупции КВВ. Важно, что возникающие активные явления на Солнце приводят к модуляционным процессам в вытекающей плазме и вызывают вариации направления и величины ММП относительно спирали Архимеда. Высокоэнергичные протоны потока ГКЛ, пересекая внутреннюю часть гелиосферы в направлении вдоль силовой трубки ММП, также могут приобретать модуляцию. В работах [86-88] с помощью мюонного годоскопа ТЕМП впервые была зарегистрирована непосредственная вариация потока ГКЛ с энергией несколько десятков ГэВ за несколько часов до прихода фронта ФЭ на орбиту Земли (рис.24). Продолжительность наблюдения составила около 5 часов. Возможность появления такого модуляционного эффекта использована нами в качестве дальнейшего развития работ по изучению заблаговременного зондирования возмущений ММП на ранней стадии развития мощной солнечной активности, связанной с КВВ. При этом ожидалось возникновение "скрытой периодичности" в потоке ГКЛ из направлений, связанных с возмущенным ММП, задолго до появления КВВ на орбите Земли. Аномальная модуляция солнечного ветра на ранней стадии возникновения активности (возможно даже до начала эрупции КВВ) может быть небольшой, но одновременное наблюдение сотен временных рядов в виде "снимков-матриц" и последующий фурье-анализ способны выявить эффект на подавляющем фоне "белого шума" от пуассоновских флуктуации высокоэнергичных ГКЛ.
Апробация такого метода регистрации вариаций ГКЛ, приходящих из внутренней области гелиосферы, выполнена для ФЭ на статистике 1997 - 2001 гг. В таблице 6 приведен список ФЭ (по данным ИЗМИРАН [89]), для которых имеются непрерывные данные МГ ТЕМП на протяжении нескольких суток. Отбирались события с достаточно большой амплитудой ФЭ ( А 2 %). Эти события использованы для вычисления полной мощности аномальной части волнового поля Р[ За) = Р к ,в которой амплитуды спектральной плотности S(f) в отдельных направлениях ik сильно отклоняются от средних значений (S) Для увеличения статистической точности матричные данные были взяты из центральной части (45x45 ячеек) и объединены с укрупнением ячеек (5х5). Последовательность матриц представляла собой совокупность большого количества (81 шт.) синхронных временных рядов.
Статистическая обработка проводилась оконным преобразованием Фурье на трехчасовых интервалах по отдельным суточным файлам с 15 минутным шагом сдвига во времени. Ниже, на рис.25 представлен пример поведения функции Р( 3ст) на временных интервалах, предшествующих появлению фронта ФЭ на орбите Земли. Данные относятся к ФЭ 08.11.1998 г, который имеет предповышение интенсивности перед фронтом. Уже за четыре дня, предшествующие ФЭ (04.11) видны аномально большие вариации параметра / ( 3сг) в период 10-15 часов, когда апертура МГ направлена на Солнце. На следующий день (05.11) начинается "структуризация" вариацией по времени: виден пик вдоль спирали Архимеда (08-10 час) и "колокол" в послеполуденное время (15-20 час). Дальше по времени (06.11) структуризация увеличивается: четко проявляются пики в районе спирали Архимеда (08 часов) и в аномальной части Р( 3ст) в интервале 15-20 часов. Этот вечерний "пик", проявляющийся на протяжении нескольких суток, можно интерпретировать, как усиленные вариации ГКЛ вдоль второй
Диагностика температурного поля атмосферы
Вариации мюонной компоненты КЛ позволяют дистанционно и практически непрерывно осуществлять мониторинг состояния среднемассовой температуры атмосферы АГ. Даже такой интегральный параметр потенциальной энергии (АГ) является важной метеорологической компонентой для прогнозирования погодных процессов. Временная зависимость ДГ(0 оценивается из поведения интегрального потока мюонов, исправленного на барометрический эффект (раздел 4.1.3). В работе [159] был использован переносной мюонный телескоп для последовательной оценки АГ на трех разных геопотенциальных уровнях (900, 800, 700 мб) под различными зенитными углами (от вертикали до 66,5). Результаты по АГ оказались линейно зависимыми от амплитуды вариаций потока мюонов: Восстановленные изменения AT совпадали с прямыми аэрологическими измерениями. Эти же авторы сопоставили вариации мюонов (при разных пороговых энергиях ДБ) различных установок (кубический телескоп, наземные счетчики медленных мюонов, подземный телескоп на глубине 30 и 50 м в. э.). Показано, что модельная плотность температурных коэффициентов WT{h) хорошо описывает поведение температуры на высотах от 1000 до 50 мб [159].
При вычислении была введена аддитивная поправка на давление (формула 17). Коэффициент корреляции во всем диапазоне высот оказался высоким, в среднем около 0,85. Это подтверждает правомочность линейных приближений при учете метеоэффектов. Авторы также предложили вводить напрямую поправки на температуру приземного слоя, как независимый источник информации, эквивалентный дополнительной установке, регистрирующей медленные мюоны. Непосредственные одновременные вычисления AT{h) на трех разных высотах (200, 300, 500 мб), в серии измерений продолжительностью около месяца, получены в работе [160] по вариациям КЛ на трех установках с различными порогами АБ (два мюонных телескопа и нейтронный монитор). При этом вся атмосфера Н (мб) условно разбивалась на три геопотенциальных уровня с флуктуациями температуры на фиксированных высотах АТуНЛ. Величины AT/ находились из системы уравнений вида: где Wn - априорные температурные коэффициенты для различных /-компонент KJI, относящихся к /-уровню слоя атмосферы #,. . В целом, полученные значения AT(h) качественно совпадали с прямыми аэрологическими данными. Этот метод имеет ряд недостатков, связанных с обработкой и одновременным использованием данных от разнотипных установок с различными порогами АБ. Кроме того величины Wn представляют собой усредненные коэффициенты по зенитным углам, что уменьшает чувствительность метода восстановления AT. Практически, такая методика не получила дальнейшего развития. В работе [161] рассмотрена возможность оценки дифференциального поведения температуры на разных высотах Н с привлечением данных вертикальных и наклонных измерений потока частиц с помощью нескольких установок. Предложена дополнительная коррекция на вариацию потока ГКЛ путем вычитания из интенсивности мюонов 30% - доли нейтронной компоненты [162].
В целом, совокупность рассмотренных и ряда других работ по вариациям среднемассовой температуры показала, что формула для раздельного учета барометрического и температурного эффектов хорошо согласуется с экспериментом. Интегральная интенсивность мюонов установки ТЕМП также использовалась для изучения зависимости поведения среднемассовой температуры на различных временных отрезках. Скорость счета мюонов составляет около 600 с-1, что обеспечивает статистическую точность данных по потоку на уровне 0,07% за 1 час экспозиции. Давление измеряется ежеминутно с точностью 0,025 мб. Точность двухчасовых данных по AT составляет около 0,3. На рис.45 (а, б) показано суточное поведение AT{t) в весенний период [151, 163] как для отдельного дня, так и для усредненных данных по недельной серии измерений. Видно, что среднемассовая температура AT{t) возрастает во второй половине дня. Такой сдвиг к вечернему времени объясняется естественной "инертностью" массы атмосферы. Разброс точек (рис.45 б) по АГ связан с большой дисперсией изменений температуры в отдельные дни марта 1997 г. На рис.46 приведено среднесуточное изменение массовой температуры атмосферы, усредненное по декадам, за трехмесячный период измерений. Сезонное поведение AT (март-май 1998 г) отражает перестройку структуры атмосферы в весенний период времени. Полученная величина перепада А7, 20 оказалась близкой к среднестатистическому изменению приземной температуры за тот же период времени для московского региона.
