Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Многоканальный наблюдательный комплекс космических лучей (КЛ) 19
1.1. Вариации космических лучей 19
1.2. Детекторы локальной генерации нейтронов 26
1.3. Спектрограф вариаций интенсивности космических лучей на локальной генерации нейтронов 28
Реакция монитора на вторичное космическое излучение 28
Временное распределение генетически связанных нейтронов в мониторе космических лучей 31
Способ измерения вариаций интенсивности космических лучей на основе непрерывной регистрации множественности нейтронов локальной генерации 35
Устройства непрерывной регистрации множественности нейтронов в мониторе космических лучей 40
Энергетическая чувствительность спектрографа на локальной генерации нейтронов 46
Спектрограф вариаций интенсивности космических лучей с регулируемыми коэффициентами связи 52
1.4. Регистрация направленной интенсивности космических лучей 59
Существующие телескопы космических лучей 61
Способ синхронной регистрации вторичных компонент космических лучей 63
Основные характеристики больших газоразрядных счетчиков в пропорциональном режиме 64
Температурная зависимость пропорциональных счетчиков...68
Матричный способ регистрации направленной интенсивности космических лучей 78
Формирование стартовых сигналов при измерениях множественности нейтронов 81
Телескоп космических лучей на газоразрядных счетчиках .82
1.5. Информационно-измерительная система для регистрации космических лучей 91
Обеспечение надежности системы и достоверности получаемой информации 96
Выводы 100
Глава 2. Атмосферные эффекты космических лучей
2.1. Высотная зависимость интенсивности нуклонной
компоненты и множественности нейтронов
локальной генерации 104
2.2. Барометрический эффект множественности нейтронов, локальной генерации 108
Барометрический эффект множественности нейтронов локальной генерации в зависимости от широты и типа
монитора 110
Барометрический эффект множественности нейтронов локальной генерации в зависимости от высоты 113
Барометрический эффект множественности нейтронов локальной генерации в зависимости от релсима измерений. 116
2.3. Связь барометрического эффекта с параметрами энергетического спектра космических лучей 117
2.4. Барометрический эффект вторичных космических лучей 121
2.5. Эффект модуляции барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей 126
2.6. Атмосферные вариации нуклонной компоненты вторичных космических лучей 131
2.7. Атмосферные вариации общей ионизующей и
мюонной компонент космических лучей 137
Выводы 148
Глава 3. Геомагнитные эффекты космических лучей ... 151
3.1. Измерения широтной зависимости интенсивности космических лучей 151
3.2. Полевая станция космических лучей 153
3.3. Широтный эффект нуклонной компоненты космических лучей 156
3.4. Коэффициенты связи для общей интенсивности нуклонной компоненты космических лучей 163
3.5. Атмосферные кратности генерации нуклонной компоненты космических лучей 165
3.6. Коэффициенты связи для нуклонной компоненты в различных энергетических интервалах и нормированные атмосферные кратности генерации 171
3.7. Оценка энергетических диаграмм мюонных телескопов по данным непрерывной регистрации КЛ 176
Выводы 183
Глава 4. Анализ модуляционных эффектов космических лучей на базе данных многоканального наблюдательного комплекса 185
4.1. Составление и методы решения системы уравнений вариаций интенсивности космических лучей 185
4.2. Форбуш-эффект космических лучей в феврале 1978 г 193
4.3. Усредненный профиль Форбуш-понижения интенсивности КЛ по данным спектрографа на локальной генерации нейтронов 196
4.4. Июльские события 1982 года по данным многоканальной регистрации космических лучей в Новосибирске 198
4.5. Форбуш-понижение 20 апреля - 4 мая 1984 года 205
4.6. Вспышка космических лучей 29 сентября 1989 года и Форбуш-понижения в марте и октябре 1991 года 207
4.7. Метод определения изменений атмосферного давления по данным о вариациях космических лучей 213
4.8. Анализ возмущений в околоземном пространстве в период экстремального возрастания солнечной активности (ноябрь 2004 г.) на базе данных комплекса многоканальной регистрации 219
4.9. Долговременная модуляция интенсивности космических лучей в различных энергетических интервалах 226
4.10. Оценка ошибок искомых параметров методом численного моделирования 230
Выводы 235
Заключение 238
Литература
- Способ измерения вариаций интенсивности космических лучей на основе непрерывной регистрации множественности нейтронов локальной генерации
- Формирование стартовых сигналов при измерениях множественности нейтронов
- Барометрический эффект множественности нейтронов локальной генерации в зависимости от высоты
- Июльские события 1982 года по данным многоканальной регистрации космических лучей в Новосибирске
Введение к работе
Объектом исследования являются геофизические эффекты космических лучей (КЛ), возникающие в результате модуляции потока КЛ в околоземном космическом пространстве, в магнитосфере и атмосфере Земли, а также методы их экспериментальных исследований. Актуальность проблемы. Экспериментальное и теоретическое изучение механизмов взаимодействия солнечного ветра (СВ) с околоземным космическим пространством в период спорадических возрастаний солнечной активности является важнейшим направлением солнечно-земной физики и геофизики. Спорадическими процессами на Солнце, сопровождающимися выбросами в межпланетное пространство высокоскоростной плазмы СВ, электромагнитным излучением в широком диапазоне частот и генерацией частиц в широком диапазоне энергий, обусловлены возмущения в межпланетном пространстве, магнитосфере и атмосфере Земли. Изучение спорадических явлений необходимо для решения как фундаментальных задач, связанных с передачей энергии СВ в оболочки Земли, накоплением и освобождением энергии, так и для разработки методов мониторинга в обеспечении прогнозов явлений в атмосфере и околоземном Космосе (космическая погода). Большое значение в этом аспекте имеют исследования вариаций космических лучей (КЛ) галактического и солнечного происхождения, так как они реагируют на процессы в космическом пространстве, в магнитосфере и атмосфере Земли. Эта реакция обусловлена взаимодействием КЛ с магнитными полями и веществом, наполняющем пространство. Указанные процессы взаимодействия приводят к изменениям интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава и пространственного распределения КЛ.
Космические лучи, играя определяющую роль в ионизации воздуха на высотах менее 25км атмосферы, создают проводимость, обеспечивающую работу глобальной токовой электрической цепи. В связи с этим результаты наземного мониторинга КЛ в широком энергетическом диапазоне могут быть непосредственно привлечены при интерпретации данных электромагнитных зондирований Земли.
Геофизические эффекты КЛ представляют собой реакцию потока
КЛ на процессы в магнитосфере и атмосфере Земли. К сожалению, ряд
вопросов геофизического аспекта КЛ решен недостаточно полно.
Совершенно недостаточно изучены атмосферные эффекты КЛ в
различных энергетических интервалах вторичных компонент
КЛ. До сих пор не проверено экспериментально теоретически рассчитанное распределение температурных коэффициентов мюонной компоненты КЛ в атмосфере.
Одним из важных факторов, характеризующих связь первичных и вторичных КЛ, являются коэффициенты связи и интегральные атмосферные кратности генерации вторичных компонент КЛ. Однако они известны только для интегральной интенсивности вторичных компонент КЛ.
Результаты КЛ-мониторинга параметров магнитосферных токовых систем возмущений могут быть использованы при электромагнитном зондировании литосферы и мантии Земли.
При исследовании процессов, происходящих в межпланетном пространстве, магнитосфере и атмосфере Земли, с помощью КЛ кроме наземных методов используются также ракеты, спутники и космические аппараты. К сожалению, эти измерения эпизодичны и локализованы в пространстве. Поэтому наземные методы исследований модуляционных эффектов КЛ являются определяющими. Однако станции КЛ наземной сети не позволяют получать информацию о вариациях КЛ в различных областях энергий.
Для решения проблемы, связанной с диагностикой состояния внешних оболочек Земли, с помощью КЛ наряду с теоретическими исследованиями крайне необходимо широкое использование экспериментальных методов исследований и методов численного моделирования. При изучении модуляционных эффектов КЛ обязательна непрерывная регистрация интенсивности вторичных компонент КЛ с различных направлений, в различных областях энергий и применение специальных методов обработки данных.
Представленная работа посвящена решению перечисленных вопросов и, в силу их фундаментальной и практической значимости, является актуальной.
Цель исследований - повышение достоверности результатов и увеличение полноты извлечения информации из модуляции потока космических лучей путем создания многоканального наблюдательного комплекса, разработки механизмов связей потока КЛ с процессами в атмосфере и магнитосфере, количественной интерпретации данных наблюдений КЛ с широким использованием методов численного анализа модуляции потока КЛ. На основе геофизических эффектов КЛ, метода коэффициентов связи реализовать мониторинг параметров энергетического спектра вариаций первичных КЛ, изменений
жесткости геомагнитного обрезания, давления и температуры атмосферы по данным наземных наблюдений КЛ в одном пункте. Задачи исследований:
1. Создать многоканальный наблюдательный комплекс КЛ в
различных энергетических интервалах. Комплекс должен обеспечить
систему уравнений вариаций соответствующим числом независимых
каналов синхронной регистрации интенсивности КЛ.
-
Установить механизмы связей атмосферных вариаций интенсивности КЛ в различных интервалах энергий с параметрами первичного спектра КЛ, жесткостью геомагнитного обрезания, давлением и температурой атмосферы.
-
Найти атмосферные кратности генерации частиц и коэффициенты связи для различных интервалов энергий вторичных КЛ с помощью теоретических расчетов и экспериментально по результатам исследований геомагнитных эффектов (исходя из широтной зависимости интенсивности КЛ в различных энергетических интервалах).
4. Реализовать мониторинг параметров энергетического спектра
вариаций КЛ в межпланетном пространстве, изменений жесткости
геомагнитного обрезания (для определения параметров
магнитосферных токовых систем в период спорадических возмущений),
изменений давления и температуры атмосферы на базе данных
регистрации КЛ в одном пункте.
Фактический материал, методы исследований, аппаратура. Основой решения поставленной проблемы являются теория взаимодействия и теория модуляции КЛ, метод коэффициентов связи и спектрографический метод исследования вариаций КЛ. Разработка способов и аппаратуры выполнена с использованием математического моделирования, эксперимента, численных методов.
При проведении разработок, положенных в основу системы многоканальной регистрации КЛ, использованы в качестве исходных материалы, которые были получены экспериментально с помощью стационарных и полевых установок регистрации КЛ. Для изучения атмосферного и широтного эффекта КЛ автором выполнен мониторинг интенсивности КЛ в различных энергетических интервалах. При этом использовались монитор-телескоп кубической геометрии, нейтронный монитор МГГ, монитор NM-64, детектор со счетчиками ионизующей компоненты СГМ-14.
При проведении высотного мониторинга КЛ (и анализе
полученных данных) в районе Саянского высокогорного спектрографа КЛ ИСЗФ СО РАН автором использованы материалы наблюдений стационарных станций спектрографа, которые принимались за базовые, а при высотных измерениях в Заилийском Алатау - данные высокогорной (3400 м) станции КЛ Алма-Ата .
В эксперименте по широтному эффекту КЛ привлечены данные станций КЛ сети: Тикси, Якутск, М.Шмидта, Норильск, Иркутск, Новосибирск, Хабаровск, Алма-Ата, Ташкент.
Для исследования вариаций КЛ создана база данных, которая содержит результаты непрерывных наблюдений в Новосибирске за интенсивностью нейтронной компоненты КЛ с 1971 года и результаты многоканальной регистрации КЛ с 1984 года.
Использовалась совокупность экспериментальных методов:
в процессе высотных и широтных измерений осуществлялась сверка стационарных и передвижных станций КЛ;
между сверками (калибровками) контроль стабильности эффективности мобильной станции осуществлялся по отношениям показаний нескольких идентичных независимых счетчиков, входящих в детектор (датчик) станции;
с помощью регулирования продолжительности измерений в пунктах задавался уровень значимости и веса в точках измерений;
временные вариации КЛ в период высотных и широтных измерений учитывались по данным непрерывных наблюдений станций КЛ сети;
достоверность результатов при исследовании вариаций КЛ, прежде всего, обусловлена кондицией используемых данных станций КЛ сети;
- верификация результатов теоретических расчетов проводилась путем
их сопоставления с данными эксперимента;
- с целью повышения качества (статистической точности и надежности)
данных системы многоканальной регистрации КЛ предусмотрена
избыточность, информационная и функциональная, использованы
технические средства диагностики (в том числе тестирование и
применение имитаторов), а также специальные алгоритмы контроля
качества данных;
- комплекс регистрации КЛ организован в виде четырех разнесенных
идентичных секций с соблюдением условий их независимости, что
повысило точность регистрации КЛ и обеспечило непрерывный
контроль стабильности эффективности комплекса (в условиях
отсутствия возможности контроля с помощью эталонных источников
излучений), вычисления мгновенных значений эффективности и
факторов нормировки данных;
- анализ полученных данных непрерывных наблюдений выполнен спектрографическим методом с привлечением методов обработки экспериментальных данных: фильтрации, интерполяции данных, скользящего среднего, метода синхронного накопления, корреляционного, наименьших квадратов. Относительные ошибки искомых параметров также оценивались методом численного моделирования.
Защищаемые научные результаты:
1. Многоканальный наблюдательный комплекс КЛ в различных
энергетических интервалах широкой области энергий первичных КЛ,
включающий спектрограф КЛ на эффекте локальной генерации
нейтронов и матричный мюонный телескоп, созданный на базе
оригинальных методов измерений и позволяющий получать
информацию о модуляции потока КЛ в диапазоне энергий КЛ от 3 до
200 ГэВ (научное обоснование, разработка способов и аппаратуры,
оценка параметров системы).
2. Установленная с помощью численных методов анализа
экспериментальных данных и модельных расчетов связь атмосферных
вариаций КЛ с параметрами первичного спектра вариаций КЛ,
изменениями жесткости геомагнитного обрезания, давлением и
температурой атмосферы дает более полное представление об
атмосферных эффектах в широком интервале энергий КЛ.
3. Результаты исследований геомагнитных эффектов КЛ:
- широтная зависимость интенсивности нейтронной компоненты в
различных энергетических интервалах;
- коэффициенты связи и атмосферные кратности генерации
нейтронной компоненты КЛ в различных энергетических интервалах;
- коэффициенты связи общей ионизующей и мюонной компонент
КЛ для зенитных углов 0, 30, 40, 50, 60, 67 и 71.
4. Мониторинг параметров спектра первичных вариаций КЛ,
изменений жесткости геомагнитного обрезания, параметров атмосферы
в период спорадических возмущений в межпланетной среде и
магнитосфере Земли на базе данных наземных наблюдений КЛ в одном
пункте. На основании полученных результатов находятся изменения
давления и среднемассовой температуры атмосферы, осуществляется
диагностика температурного режима атмосферы, делается оценка
магнитосферных токовых систем в период спорадических возмущений.
Новизна работы. Личный вклад.
1. Впервые создан многоканальный наблюдательный комплекс
космических лучей, обеспечивающий получение информации о
вариациях интенсивности КЛ в различных энергетических интервалах
(мониторинг КЛ) одним прибором. Его создание базируется на
совокупности оригинальных решений:
- исходя из временного распределения генетически связанных
нейтронов в мониторе КЛ, полученного экспериментально,
разработаны адаптивный способ и устройство выделения информации о
множественности нейтронов локальной генерации; при этом
использован новый способ селекции сигналов по плотности их
следования;
на основании проведенных экспериментов и расчетов пороговых и средних энергий нуклонов в атмосфере, вызывающих образование различных множественностей (кратностей) нейтронов в мониторе КЛ, обоснован и построен спектрограф вариаций интенсивности КЛ, основанный на эффекте локальной генерации нейтронов;
разработан, экспериментально и теоретически обоснован способ управления коэффициентами связи спектрографа вариаций интенсивности КЛ на локальной генерации нейтронов с помощью одного параметра;
- на основании результатов проведенных экспериментальных
исследований и модельных расчетов больших газоразрядных счетчиков
частиц в пропорциональном режиме построен телескоп КЛ с большой
эффективной площадью сбора частиц;
- впервые предложен и реализован матричный способ организации
системы телескопов КЛ, обеспечивающий широкий набор
направлений регистрации мюонной компоненты КЛ, достижение
высокой статистической точности регистрации; сокращение просчетов
и случайных совпадений до величин, которые практически можно не
учитывать.
2. Установлена связь атмосферных вариаций интенсивности КЛ в
различных интервалах энергий с параметрами первичного спектра КЛ,
жесткостью геомагнитного обрезания, давлением и температурой
атмосферы:
- дано объяснение высотной зависимости барометрического
эффекта нейтронной компоненты;
-показано, что наблюдаемые 11-летние вариации барометрического коэффициента нейтронной компоненты обусловлены
изменениями показателя степенного спектра КЛ и жесткости геомагнитного обрезания;
- впервые экспериментально найдены плотности температурных
коэффициентов интенсивности мюонов в атмосфере под различными
углами к зениту;
показана и реализована возможность диагностики температурного режима атмосферы по данным КЛ.
3. Из экспериментальных данных по широтному эффекту:
получены широтные зависимости для нуклонной компоненты в различных энергетических интервалах;
рассчитаны коэффициенты связи и интегральные атмосферные кратности генерации нейтронной компоненты в различных энергетических интервалах;
Методом пробного детектора, в качестве которого использован нейтронный монитор с регистрацией множественности нейтронов локальной генерации, экспериментально найдены энергетические диаграммы мюонных телескопов.
4. Результатами анализа событий в КЛ (декабрь 1978г., июль 1982г., апрель-май 1984г., сентябрь 1989г., март-ноябрь 1991г., ноябрь 2004г.) и данных непрерывной регистрации (1985-2005гг.) доказана состоятельность спектрографического метода на основе многоканальной регистрации КЛ в одном пункте. Он позволил впервые по наблюдениям в одном пункте находить величины: первичной вариации КЛ, геомагнитной и атмосферной составляющих вариаций КЛ; проводить оценку изменений параметров первичного спектра КЛ, жесткости геомагнитного обрезания, параметров атмосферы..
Из результатов анализа вариаций КЛ впервые находятся изменения атмосферного давления, среднемассовой температуры атмосферы и температур на изобарах от 900 до 50мб.
По данным об изменении жесткости геомагнитного обрезания и данным о Dst-вариации сделаны оценки параметров токовых систем возмущений в рамках модели нитевидного кольцевого тока и тока распределенного на сфере.
Личный вклад автора является определяющим при постановке рассмотренных задач, разработке способов их решения, анализе данных и интерпретации полученных результатов. Под руководством и при непосредственном участии автора впервые в Новосибирске организованы в 1968 году непрерывные наблюдения за вариациями КЛ; разработана и сдана в работу в 1977 году полярная станция КЛ на
М.Шмидта; создан и пущен в эксплуатацию многоканальный наблюдательный комплекс КЛ; разработан полевой вариант станции КЛ, выполнены высотные и широтные измерения интенсивности КЛ в различных энергетических интервалах.
Научная и практическая значимость. Создан многоканальной наблюдательный комплекс КЛ, который обеспечил получение новой качественной информации. В комплексе автоматически решается вопрос контроля относительной эффективности каналов регистрации КЛ и полностью снимается проблема синхронизации наблюдений, так как получение информации о вариациях интенсивности КЛ в различных областях энергий обеспечивается не приборами, разнесенными по высоте или широте, либо разными типами приборов, как прежде, а одним прибором. При этом не требуется ни дополнительных рабочих площадей, ни массы дорогостоящего свинца, а станция КЛ превращается в спектрограф вариаций интенсивности КЛ, который позволяет получать информацию в разных энергетических интервалах широкой области энергий от единиц до 200 ГэВ.
Установленные связи атмосферных вариаций КЛ с параметрами энергетического спектра КЛ, жесткостью геомагнитного обрезания, давления и температуры атмосферы позволили не только корректно учитывать вклад атмосферной составляющей вариаций КЛ, но и по данным наблюдений КЛ определять параметры атмосферы.
По результатам исследований геомагнитных эффектов КЛ определены атмосферные кратности генерации и полярные коэффициенты связи для нуклонной компоненты в различных энергетических интервалах, которые дают возможность находить коэффициенты связи для любого пункта наблюдений КЛ, а при использовании метода пробного детектора для других приборов.
Проведен мониторинг параметров энергетического спектра вариаций первичных КЛ, изменений жесткости геомагнитного обрезания, изменений давления и температуры атмосферы по данным наземных наблюдений с помощью многоканального комплекса КЛ. Изменения жесткости геомагнитного обрезания позволили провести оценку параметров магнитосферных токовых систем в период спорадических возмущений.
Многоканальные наблюдения КЛ, основанные на множественной локальной генерации нейтронов и синхронной регистрации мюонов с различных азимутальных направлений под различными углами к зениту, расширяют возможности анализа временных вариаций КЛ.
Разрешающая способность метода, в основном, определяется характеристиками используемых каналов регистрации: с одной стороны, разносом коэффициентов связи и, с другой - статистической точностью регистрации интенсивности в каналах. Уменьшение темпа счета в каналах с увеличением энергии регистрируемого излучения обусловлено падающим степенным спектром КЛ. Многоканальные наблюдения позволяют при анализе событий проводить выбор оптимального соотношения между необходимым разносом коэффициентов связи и достаточной статистической точностью регистрации.
Апробация работы Основные результаты диссертации
докладывались: на 16-ой, 17-ой, 18-ой, 24-ой, 25-ой, 26-ой
Международных конференциях по космическим лучам (Киото, 1979;
Париж, 1981; Бангалор, 1983; Рим, 1995; Дурбан, 1997; Солт-Лэйк Сити,
1999); на 18-ой, 24-ой, 25-ой, 26-ой, 28-ой, 29-ой отечественных
конференциях по космическим лучам (Якутск, 1984; Москва, 1996,
1998; Дубна, 2000; Москва, 2004; Москва, 2006); на Всесоюзном
совещании «Долгосрочное прогнозирование гидрометеорологических
условий (Новосибирск, 1985); на Совещании рабочей группы по
солнечно-земным связям (Оттава, 1992); The Second Soltip Symposium
(Накаминато, 1994); на 8-ой Научной Ассамблеи IAGA, IACMA, STP
(Упсала, 1997); на YII Симпозиуме по солнечно-земной физике
(Троицк, 1998); на II Международном симпозиуме «Активный
геофизический мониторинг литосферы Земли» (Новосибирск, 2005); на
Симпозиуме «Гелиогеофизические факторы и здоровье человека»
(Новосибирск, 2005); на Всероссийской конференции
«Экспериментальные и теоретические исследования основ
прогнозирования гелиогеофизической активности» (Троицк, 2005); на
YIII Всероссийской конференции «Современные методы
математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Кемерово, 2005); на Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Павлодар, 2006); на Всероссийской конференции «Современные проблемы космической физики» (Якутск, 2007). По теме диссертации опубликовано 46 работ. Из них статей - 28, в том числе в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях и журналах - 19 (издательство Наука - 5; ж. «Известия РАН. Серия физическая» - 6; ж. «Геомагнетизм и аэрономия» - 4; ж. «Астрономический вестник» - 1; ж. «Solar-System Research» - 1;
авторских свидетельств - 2); материалов конференций - 15.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 244 наименований. Полный объем диссертации 267 страницы, включая 87 рисунков и 16 таблиц.
Благодарности. На продолжении многих лет автор постоянно ощущал поддержку коллег из Института геофизики СО РАН, Института солнечно-земной физики СО РАН, Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН и выражает им благодарность.
Автор считает своим долгом выразить особую благодарность Э.Э Фотиади, Н.Н. Пузыреву, В.Н. Гайскому (фактическим организаторам Комплексной геофизической обсерватории), СВ. Крылову, Н.Д. Жалковскому, К.А. Лебедеву за поддержку на этапе становления и дальнейшего расширения работ, связанных с исследованием модуляционных эффектов космических лучей в Институте геофизики СО РАН.
Автор признателен СВ. Гольдину, М.И. Эпову, B.C. Селезневу, А.Ф. Еманову за поддержку исследовательских работ и сохранение доброжелательной обстановки в геофизической обсерватории, способствующей творческому процессу.
Автор выражает благодарность своим коллегам Борисову В.Л., Красавину В.В. (ИГФ СО РАН), Чиркову Н.П., Стародубцеву A.M. (ИКФиА СО РАН), Янчуковскому А.Л., Тергоеву В.И. (ИСЗФ СО РАН) за помощь и участие в экспериментах, связанных с высотными и широтными измерениями КЛ.
Способ измерения вариаций интенсивности космических лучей на основе непрерывной регистрации множественности нейтронов локальной генерации
Космические лучи (КЛ) представляют собой поток элементарных частиц с достаточно высокой, в основном, релятивистской энергией (Жданов, 2001; Птускин, 2003). Состав первичного излучения очень сложен, хотя основная масса всех частиц - протоны. Затем идут а -частицы и более тяжелые ядра (Мурзин, 1988). Известно, что распределению частиц по энергиям свойственно резкое уменьшение интенсивности с ростом энергии (Апанасенко, 2001). Общий диапазон энергий перекрывает более 12 порядков (0,1 - 10пГэВ) (Хаякава, 1974). КЛ чувствительны к условиям в окрестностях источников (Зиракашвили, 2002), к характеристикам межпланетного пространства (Крымский, 2001; Белов, 2001) и атмосферы Солнца (Бережко, 2001), к изменениям в магнитосфере (Тясто, 2007) и атмосфере Земли (Стожков, 2001). Эта чувствительность обусловлена взаимодействием КЛ с веществом, наполняющем пространство (ионизационные и другие потери энергии, ядерные взаимодействия), и с магнитными полями (изменения направления движения и диффузия, захват в магнитных ловушках, потери энергии на магнитотормозное излучение, и другие виды излучения, электромагнитные механизмы ускорения) (Гинзбург, 1990). Указанные процессы взаимодействия приводят к изменениям интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава и пространственного распределения КЛ. Изучение этих процессов путем исследований модуляции потока КЛ (Крымский, 1969) и составляет основу геофизического и космофизического аспектов исследований КЛ, когда они выполняют функцию зонда межпланетного пространства, земной магнитосферы и атмосферы. В связи с этим необходима информация о функции распределения КЛ. В физике КЛ вместо зависимости от направленного импульса можно рассматривать отдельно - зависимость от скалярного импульса и от направления движения. Первая из них называется импульсным, или энергетическим (либо жесткостным), спектром, а вторая - характеризует анизотропию КЛ. Крупномасштабные процессы описываются изотропной составляющей модуляции КЛ, для которой необходимо знание энергетического (жесткостного) спектра модуляции (Крымский, 1969). Зависимость глубины модуляции интенсивности КЛ от их энергии называют энергетическим спектром модуляции КЛ. Для исследования процессов, происходящих в межпланетном пространстве, магнитосфере и атмосфере Земли, с помощью КЛ кроме наземных методов используются также ракеты, спутники и космические аппараты. Однако эти измерения эпизодичны и локализованы в пространстве. Поэтому наземные методы исследований модуляционных эффектов КЛ являются определяющими.
В результате ядерно-каскадного процесса в атмосфере образуются частицы, которых не было в первичном излучении. Известно (Мурзин, 1970), что первичные космические лучи в атмосфере проходят через большой слой воздуха, эквивалентный, в среднем, почти 15 ядерным пробегам. Взаимодействия первичных и вторичных ядерно-активных частиц от одной первичной могут происходить многократно. Общее число вторичных частиц от одной первичной растет лавинообразно. Это происходит до тех пор, пока энергия вторичных частиц не уменьшается до 10 эВ, когда возбуждение ядер и упругое рассеяние начинает преобладать над множественным рождением. Образовавшиеся заряженные пионы (я -мезоны) либо распадаются (со временем распада 2 10"8с) на заряженные мюоны (ц -мезоны) и нейтрино, либо производят ядерные расщепления. В свою очередь -мезоны распадаются на электроны, позитроны и нейтрино, однако время жизни мюонов довольно велико (2 10"бс. в покое), так что значительная доля их доходит до поверхности Земли без распада и составляют мезонную компоненту вторичных КЛ. Вместе с заряженными пионами рождаются нейтральные пионы (я-мезоны), распад которых со временем 10"15с на два у-кванта приводит к образованию электронно-фотонного ливня ( у-кванты выбивают электроны и порождают пары электрон-позитрон, радиационное торможение и аннигиляция которых вновь приводит к образованию у-квантов). Это -электронно-фотонная компонента, которая образуется также за счет распада мюонов и б-электронов, выбиваемых мюонами из атомов. При ядерном расщеплении рождаются также нейтроны, которые образуют нейтронную компоненту вторичных КЛ. Нейтронная компонента образуется первичными частицами значительно меньших энергий, чем мюоны, доходящие до поверхности Земли. Это обстоятельство делает нейтронную компоненту весьма удобной для регистрации временных вариаций потока первичных частиц в области малых энергий (несколько ГэВ). За счет сильного поглощения ядерно-активных частиц в атмосфере излучение на уровне моря состоит, в основном, из нейтронов и протонов (нейтронная компонента), мюонов (жесткая компонента), электронов и фотонов (мягкая компонента) и нейтрино (Мурзин, 1970). Обозначим через ід/?о) интенсивность частиц типа і (і— ая компонента), наблюдаемую атмосфере на уровне с давлением /?Q В пункте с с порогом жесткости геомагнитного обрезания (ЖГО)і?с. Пусть R - жесткость первичных частиц КЛ, a D[R) - дифференциальный спектр первичных КЛ по жесткостям. ml{R,ho) - интегральная кратность генерации вторичных частиц типа і на уровне /г0 в атмосфере первичной частицей с жесткостью R, пришедшей на границу атмосферы.
Формирование стартовых сигналов при измерениях множественности нейтронов
Образование нейтронов в мониторе КЛ обусловлено, в основном, ядерно-активными частицами, которые во вторичном излучении включают в себя ядра, протоны, нейтроны, к- и я-мезоны (Вильсон, 1956). Приводят к образованию нейтронов в мониторе и медленные ji -мезоны (Cocconi, 1951; Fieldhous, 1962). Так как к- и я-мезоны быстро распадаются, то их поток в атмосфере относительно небольшой. Время их жизни и средний распадный пробег зависит от энергии. Поэтому пионы и каоны будут давать вклад лишь при условии, что их распадный пробег больше, чем пробег взаимодействия 1 X . Критическая энергия, выше которой эти частицы успевают провзаимодействовать до распада для уровня моря Екр
200 ГэВ (Мурзин, 1970). Таким образом, каоны и пионы будут давать вклад в образование нейтронов в мониторе, если их энергия больше критической. Согласно экспериментальным данным (Cocconiongiorgi, 1952; Перфилов, 1956; Hughes, 1962; Meyer, 1964; Anderson, 1964) доля нейтронов, образованных в мониторе от всех тс-мезонов, составляет -0,05 % в области энергий порядка 1 ГэВ и 0,1 % - в области энергий до 100 ГэВ.
Для протонов также существует предел, ниже которого они перестают давать вклад в ядерные реакции. Для протонов в воздухе iw» составляет
400 МэВ, а для протонов в свинце 450 МэВ (Мурзин, 1970). Поэтому в области энергий до 400-450 МэВ основной вклад в ядерные взаимодействия в мониторе вносят нейтроны, при энергиях выше 500 МэВ вступают протоны, и с дальнейшим ростом энергии способность к ядерным взаимодействиям протонов и нейтронов сравнивается.
Известно (Мурзин, 1970, 1988), что при малых энергиях взаимодействия ( 109 эВ) наблюдаются, в основном, квазиупругие процессы; при этом налетающая частица передает часть импульса одному из нуклонов ядра (S- нуклону), который двигаясь распределяет полученную энергию между другими нуклонами ядра. После вылета 8-нуклона из ядра оно некоторое время находится в возбужденном состоянии, а затем происходит развал ядра с вылетом протонов, нейтронов, а- частиц и более крупных осколков ("испарительный процесс"). В области энергий 109эВ в мониторе образуются мезоны, в том числе тт-мезоны, которые в результате распада дают начало электронно-фотонному ливню. Часть энергии передается нуклонам ядра, в результате чего происходит "испарительный" процесс, аналогичный процессу при энергиях 109эВ (Мурзин, 1968, 1970). Таким образом, как в области энергии до 109эВ, так и в области выше 109эВ в результате взаимодействия совместно с нейтронами в мониторе образуются сильноионизующие частицы.
Нейтроны в мониторе могут образовываться также проникающими ионизующими частицами, останавливающимися в свинце. Когда и."-мезон (отрицательный мюон) останавливается в веществе, он быстро попадает на К-оболочку атома. Для мюоиов эта оболочка расположена очень близко к ядру или внутри его. При этом имеется значительная вероятность того, что ядро захватит отрицательный мюон прежде, чем он распадется. Эта вероятность сильно зависит от атомного номера элемента. Для свинца она составляет 96 % (Sard, 1948; Groetzinger, 1948; Горшков, 1966). Вклад \i-мезонов в полную скорость образования нейтронов на уровне моря невелик. Согласно (Fieldhous, 1962) вклад ц"-мезонов в счет нейтронного монитора составляет 7 %.
Вклад у-квантов в образование нейтронов незначителен. Так, в атмосфере за счет у-квантов образуется не более 0,1 нейтрона в секунду в колонке атмосферы с основанием в 1 см", т.е. не более 2 % полной скорости образования нейтронов (Власов, 1955; Росси, 1955).
В широких атмосферных ливнях (ШАЛ) имеются нейтроны и излучение, способное их производить. Вследствие низкой частоты событий ШАЛ на уровне моря их вклад в полную скорость образования нейтронов в мониторе составляет менее 1 % (Fieldhous, 1962).
Таким образом, вклад в суммарный счет монитора вносят: нейтроны -81,3 %, протоны -11,2 %, мюоны - 7,3 %, пионы - 0,1 %, ШАЛ - 0,05 %, у-кванты -0,05 %.
Образование нейтронов в мониторе протонами космических лучей в интервале энергий от 0,2 до 200 ГэВ исследовалось в (Hughes, 1962, 1964; Kent, 1968). Исследования с помощью 12-счетчикового нейтронного монитора МГГ, работающего с магнитным спектрографом (Hughes, 1962), показали, что множественность нейтронов в мониторе быстро растет с ростом энергии «падающих» протонов (примерно -Е ), достигая максимального значения 100 при энергии протонов в несколько десятков ГэВ, и затем несколько падает. Это понижение объясняется в (Hughes, 1962) увеличением средней энергии генерируемых нейтронов с ростом Ек протонов до величины, при которой эффективность пропорциональных нейтронных счетчиков падает.
Таким образом, результаты экспериментальных и теоретических исследований убедительно указывают о существовании зависимости средней множественности генерации нейтронов в мониторе от кинетической энергии падающих нуклонов.
Барометрический эффект множественности нейтронов локальной генерации в зависимости от высоты
Устройство 10 является преобразователем "напряжение-частота" (Гутников, 1988). Девиация частоты импульсов (относительно частоты задающего кварцевого генератора) в зависимости от изменения напряжения экспериментально определяется для каждого из устройств 10 и является характеристикой преобразования. Бародатчик 11 выполнен по принципу прямого преобразования "давление-частота" и представляет собой RC-генератор (на операционном усилителе) с управляемой емкостью конденсатора, в котором функцию подвижной пластины выполняет поверхность сильфона. Для этой цели был использован сильфон обычного ленточного барографа. В качестве опорного используется кварцевый генератор, частота которого выбирается равной частоте преобразователя, соответствующей минимальному значению давления в данном пункте. На выходе устройства 11 регистрируется девиация частоты импульсов как функция изменений давления. В термодатчике 12 используется непосредственное преобразование "температура-частота" (Гутников, 1988) также с помощью RC-генератора на операционном усилителе, но во времязадающеи цепи его помещен терморезистор. Бародатчик 13 - индукционного типа с двойным преобразованием: "давление-напряжение", а затем - "напряжение-частота" (ИЗМИРАН, 1998). 14-таймер, в основе которого используется кварцевый генератор, синхронизируется по сигналу точного времени.
Необходимость в надежных, точных и непрерывных измерениях атмосферного давления вызвана ощутимой зависимостью интенсивности (особенно для нуклонной компоненты КЛ) от изменений атмосферного давления (которая для нейтронов КЛ составляет 0,72 %/мб). Одной из отличительных особенностей комплекса является синхронная регистрация всех вторичных компонент КЛ одним датчиком. Поэтому в устройствах систем используются различные способы селекции сигналов (известные ранее и предложенные автором) и их комбинации: амплитудная, временная, амплитудно-временная, по плотности поступления, по амплитуде и плотности. Устройства сбора и первичной обработки данных 8 и 9 находятся в локальной сети станции КЛ.
Обеспечение надежности комплекса и достоверности получаемой информации При организации информационно-измерительного комплекса мы исходили из обеспечения достаточной надежности (Хетагуров, 1974), возможности контроля за стабильностью его эффективности (Белов, 1988) в течение длительного времени (десятки лет), необходимости оценки достоверности получаемой информации в условиях отсутствия возможности калибровки комплекса с помощью эталонных источников излучений. В связи с этим введена избыточность (Янчуковский, 1994): информационная и функциональная. С помощью первой предусмотрено получение дополнительной информации о возможных дестабилизирующих факторах с целью контроля условий работы систем и последующей коррекции получаемых данных. Введение второй предполагает повышение надежности работы за счет организации в рамках комплекса п независимых идентичных систем, выполняющих аналогичные функции, а именно: измерения аналогичных параметров излучения.
Точность измерения интенсивности излучения одним прибором в общем случае определяется числом п замеров за некоторое время t. В нашем случае задача состоит в измерении изменений (вариаций) интенсивности со временем, которая в п + \ измерении при t = tn + At отличается от интенсивности в п-м измерении при t — tn. При наличии п независимых идентичных систем с эффективностями F± «F2 F% Fn, входящих в комплекс, число п замеров осуществляется одновременно. В этом случае даже полный отказ одной системы не влечет за собой отказ комплекса в целом. Достоверность информации при этом оценивается, и последняя подлежит восстановлению исходя из относительной эффективности п систем
Поэтому для повышения достоверности получаемой информации число п желательно наибольшее. Однако это приведет к резкому увеличению оборудования, а значит и стоимости комплекса. Если вероятность отказа одной системы составляет некоторую величину Р, то вероятность одновременного отказа уже трех независимых систем, подчиняющаяся распределению Пуассона (Яноши, 1968), будет пренебрежимо (по отношению к Р) мала. В связи с этим станции КЛ в конце шестидесятых годов были оснащены в основном тремя секциями нейтронного монитора NM-64, что давало возможность в случае отказа или ухода эффективности одной секции монитора проводить оценку эффективности согласно (Шепли, 1969) по текущим данным, вычисление фактора нормировки и восстановление информации. Однако при п — 3 в случае отказа (или ухода эффективности) двух секций достоверность информации согласно (Шепли, 1968) оценить невозможно, и она не подлежит восстановлению. Из этих соображений оптимальное число п у нас равно 4. Тогда вероятность одновременного отказа трех идентичных независимых систем пренебрежимо мала, а при уходе эффективности или отказе двух систем одновременно достоверность информации оценивается, и последняя подлежит корректному восстановлению. Таким образом, независимая система (секция) в комплексе является вторым уровнем иерархии. Под независимостью систем в данном случае понимается развязка их по питанию и выходной информации, а также обособленность, обеспечиваемая конструкцией и размещением. Стабильность эффективности оценивается по отношениям интенсивности, измеренной в идентичных каналах четырех секций комплекса:
Июльские события 1982 года по данным многоканальной регистрации космических лучей в Новосибирске
Правая часть выражения (3.2) находится непосредственно из экспериментальных данных по геомагнитным эффектам КЛ, так как
Iі (Rc, /Z0) представляет собой широтную зависимость регистрируемой интенсивности г-ой компоненты вторичных КЛ в атмосфере на глубине /?0. Таким образом, коэффициенты связи для вторичных КЛ в области жесткостей первичных частиц до 30 ГВ могут быть найдены непосредственно из широтной зависимости регистрируемой интенсивности вторичных КЛ. При теоретических расчетах интегральной атмосферной кратности и коэффициентов связи сначала находятся ml\E,h) для различных вторичных компонент КЛ, а затем для различных приборов рассчитываются коэффициенты связи (Дорман, 1975). В этом отношении метод определения коэффициентов связи по геомагнитным эффектам, измеренным идентичным прибором, обладает большим преимуществом (перед теоретическим расчетом), так как дает возможность получать непосредственно коэффициенты связи для данной компоненты КЛ, соответствующие используемому прибору.
Широтные и высотные измерения нуклонной компоненты КЛ были выполнены нами нейтронным монитором кубической геометрии с центральной мишенью из свинца с использованием счетчиков нейтронов СНМ-8 (Янчуковский, 1971). Целью этого эксперимента являлось: определение величины геомагнитного эффекта для нуклонной компоненты в различных интервалах энергий с использованием непрерывной регистрации множественности нейтронов локальной генерации; оценка параметров распределения 1{п) для различных значений Rc; определение барометрических коэффициентов для каналов регистрации множественности нейтронов локальной генерации в зависимости от Rc и h. Выявлена зависимость множественности нейтронов локальной генерации от широты и высоты пункта наблюдений, сделан вывод о возможности использования информации, получаемой с помощью непрерывной регистрации множественности нейтронов локальной генерации, для исследования спектра вариаций первичных КЛ. Сравнение (Янчуковский, 1974) спектров множественности нейтронов для кубического монитора со спектрами, полученными для монитора NM-64, указывает на значительные различия характеристик этих датчиков. Это ограничивает использование коэффициентов связи для нуклонной компоненты КЛ, полученных по геомагнитным эффектам с помощью кубического монитора, при анализе данных наблюдений стационарных станций КЛ, оснащенных мониторами NM-64. В этой связи встала необходимость создания полевой станции КЛ, датчиком которой являлся бы стандартный прибор мировой сети станций КЛ -нейтронный монитор NM-64.
Полевая станция КЛ содержит датчик, измерительную и регистрирующую системы, систему автономного электроснабжения и метеостанцию. Комплекс оборудования был размещен на трех автомашинах: УРАЛ - 375, ЗИЛ - 131, ГАЗ - 66. Датчик полевой станции КЛ установлен на автомашине УРАЛ — 375; измерительная и регистрирующая части станции, метеорологические приборы, устройства предварительной обработки данных и контроля работы станции смонтированы на автомашине ЗИЛ-131; на машине ГАЗ - 66 расположены аккумуляторная станция и электробензоагрегат УД - 2, который запускался для подзарядки аккумуляторных батарей. Датчик станции представляет собой нейтронный монитор 3NM - 64 стандартной геометрии, выполненный в экспедиционном варианте (рис. 3.1). В датчик полевой станции КЛ конструктивно входят усилители - дискриминаторы, предназначенные для считывания сигналов с больших нейтронных счетчиков монитора СНМ - 15; помехоустойчивые нелинейные фильтры в цепи питания нейтронных счетчиков; термодатчик и детектор электромагнитных помех. Измерительная часть станции предназначена для измерения интенсивности нуклонной компоненты КЛ в различных энергетических интервалах (а также общей интенсивности) и осуществляет сбор сигналов со счетчиков датчика и детектора электромагнитных помех, их селекцию и пересчет. Регистрирующая часть полевой станции космических лучей представляет собой регистратор Р/СКЛ «Марс - 9», разработанный ИСЗФ СО РАН (Янчуковский А., 1975). В составе метеорологических приборов были использованы ленточные барограф, термограф и гидрограф, которые регулярно калибровались по абсолютным замерам. Для измерений атмосферного давления применен прецизионный барометр, обеспечивающий измерения с точностью 0,1 мбар.
