Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание экспериментальной установки ДЯИЗА 14
Глава 2. Описание и временные характеристики потока нейтронов вблизи поверхности земли 21
1. Описание полного массива данных, полученных с установки ДЯИЗА 21
2. Сглаживание экспериментальных данных методом скользящего среднего 21
3. Возмущенные периоды и распределение их продолжительности в течение года 26
Глава 3. Сезонный ход потока нейтронов - спокойный и возмущенный периоды 29
1. Экспериментальные данные 29
2. Анализ экспериментальных данных - спокойный период 31
3. Анализ экспериментальных данных - возмущенный период 35
4. Выводы 44
Глава 4. Связь возмущенных периодов с новолуниями и полнолуниями . 45
1. Случаи возрастания потока тепловых нейтронов во время новолуний и полнолуний. 45
2. Изучение связи между возрастанием нейтронного потока и лунными фазами по методу эпох 46
3. Выводы 47
Глава 5. Распределение нейтронов и сезонный ход распределения - спокойный и возмущенный периоды 51
1. Изучение сезонного хода распределений вероятности регистрации нейтронов 51
2. Аппроксимация распределений вероятности регистрации нейтронов 64
Обсуждение 65
3. Исследование распределений вероятности потоков нейтронов в направлениях к Земле и от Земли во время длительных возмущенных периодов 74
4. Обсуждение 78
5. Выводы 81
Глава 6. Источники нейтронов вблизи поверхности земли 83
1. Радиоактивные ряды 83
2. Вклад радиоактивных газов в поток нейтронов вблизи поверхности Земли 85
3. Упругие соударения нейтронов 89
4. Образование нейтронов в почве 93
5. Активная роль Земли как источника нейтронов. 94
Эксперименты "Селигер" и "Памир" 95
Обсуждение 96
Выводы 100
6. Актуальность работы и возможные практические приложения результатов 101
Заключение 103
Литература 105
- Описание экспериментальной установки ДЯИЗА
- Сглаживание экспериментальных данных методом скользящего среднего
- Анализ экспериментальных данных - спокойный период
- Изучение связи между возрастанием нейтронного потока и лунными фазами по методу эпох
Введение к работе
Согласно современным представлениям, практически все нейтроны в атмосфере Земли возникают в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов воздуха. Вероятность попадания нейтронов в свободном состоянии из отдаленных областей космического пространства (за исключением высокоэнергичных нейтронов от солнечных вспьппек) очень мала вследствие того, что нейтрон является нестабильной частицей со средним временем жизни 14,78 минуты и распадается на протон, электрон и антинейтрино:
п -> р + е + V
Под действием космического излучения в атмосфере образуются нейтроны в широком спектре энергий. Экспериментально установлено наличие в атмосфере нейтронов с энергией от тепловой (порядка 0.025 эВ) до сотен мегаэлектронвольт.
Описание экспериментальной установки ДЯИЗА
Для исследования вариаций поля тепловых нейтронов бьша разработана установка ДЯИЗА (детектор ядерного излучения Земли и атмосферы). На экспериментальных данных, полученных с этой установки, основывается данная работа. Установка ДЯИЗА была создана в конце 1992 года. В нее входят стандартные нейтронные счетчики СИ-19Н, диаметром 3 см и длиной 22 см. Рабочая площадь счетчика 51 см . Счетчики наполнены газом Не при давлении 405.3 кПа. Эффективность регистрации нейтронов гелиевыми счетчиками растет с уменьшением энергии нейтронов [58], и для тепловых нейтронов составляет 0.8. Максимальный поток регистрируемых нейтронов равен 2x10 cm С . Регистрация нейтронов в счетчике проходит по реакции: 3Не + и - f + р + 160keV, сечение которой максимально (5300±200 бн) для тепловых нейтронов. Ранее такие счетчики использовались в космических экспериментах на станции «Мир» [59], где успешно проработали [60] в составе научной аппаратуры более 10 лет до ликвидации станции. Установка ДЯИЗА является логическим продолжением этих экспериментов в наземном исполнении. При создании аппаратуры «Рябина» для космического эксперимента нейтронные счетчики изучались на предмет их чувствительности к быстрым и медленным нейтронам [61, 62] и к заряженным частицам [63]. Эксперименты проводились совместно с ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева и ИЯИ АН УССР, и показали, что чувствительность счетчиков к релятивистским однократно заряженным частицам соответствует теоретическим оценкам и не превышает 4% [63]. По результатам проведенных экспериментов в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» получено «Свидетельство о государственной поверке № 956/87». Первоначально установка ДЯИЗА состояла из 80 нейтронных счетчиков, которые, в свою очередь, разбивались на десятки. Информация с каждой десятки счетчиков ежесекундно записывается на ЭВМ. Таким образом, у нас имелось восемь нейтронных каналов. Кроме того, в состав установки входят блоки для регистрации заряженной компоненты ядерного излучения в атмосфере, состоящие из счетчиков Гейгера, и для регистрации гамма-квантов (с энергией более 50 КэВ, более ЗООКэВ и более 2 МэВ), состоящие из кристаллов NaJ(Tl).
В дальнейшем (в апреле 1994 года) установка была несколько модифицирована для получения возможности регистрации анизотропных потоков нейтронов. Сорок счетчиков были покрыты кадмием толщиной 1 мм сверху, остальные - снизу. В случае наличия анизотропных потоков, наблюдалось бы резкое различие данных с этих двух групп. Информация с каждого из нейтронных каналов ежесекундно заносилась в память компьютера.
На Рис. 1.1 представлен пример данных, полученных с установки ДЯИЗА, по регистрации нейтронной и заряженной компонент. В этот день, 8 августа 1994 года, наблюдались довольно мощные и длительные возмущения в потоке нейтронов с различных направлений. В районе полудня произошло примерно десятикратное возрастание потока нейтронов из верхней полусферы, которое длилось около получаса, а в районе 16-17 часов - примерно такое же по интенсивности, но более продолжительное возрастание потока нейтронов из нижней полусферы. Такие события наглядно иллюстрируют наличие анизотропии для потока нейтронов вблизи поверхности Земли. Это подтверждает гипотезу о существовании, как минимум, двух независимых источников нейтронов вблизи земной коры. В то же время, поток заряженных частиц не испытал никаких возмущений, что говорит о наличие вариаций в потоке нейтронов, не связанных с заряженной компонентой.
Для определения стабильности работы установки проводилось сравнение средней скорости счета за отдельные периоды непрерывной регистрации и суммарной средней скорости счета за все спокойные периоды. (Определение спокойных и возмущенных периодов дано ниже, в Главе 2). В результате этого анализа выяснилось, что стабильность работы установки не хуже 95%.
Как режим, так и структура установки неоднократно изменялись для решения определенных физических задач. В частности, в течение примерно шести месяцев 1996 года (с января по май) в состав установки, помимо счетчиков, регистрировавших нейтроны отдельно в направлениях к Земле и от Земли, были введены дополнительные каналы (группы нейтронных счетчиков с единым выводом информации), которые регистрировали нейтроны одновременно со всех направлений. Два из них были открыты, а один закрыт со всех сторон кадмием толщиной 1 мм. Этой толщины кадмия достаточно для поглощения нейтронов с энергией Е 0.45 эВ. Таким образом, два канала регистрировали нейтроны в широком диапазоне энергий, а третий - только нейтроны с энергией более 0.45 эВ. Такая конфигурация установки позволила получить две точки в энергетическом распределении нейтронов вблизи земной коры, в частности, определить, какую часть от полного потока вблизи поверхности Земли составляют нейтроны с энергией менее 0.45 эВ. Средние скорости счета нейтронов всех энергий и нейтронов с энергией более 0.45 эВ составили, соответственно, 0.354 и 0.106 1/сек. Таким образом, нейтроны с энергией менее 0.45 эВ вблизи земной коры составляют 72% от полного потока нейтронов. В данное время установка работает круглосуточно и накоплен большой объем данных за период с сентября 1992 года.
Сглаживание экспериментальных данных методом скользящего среднего
Материал, изложенный в настоящей диссертации, основывается на данных, полученных на установке ДЯИЗА за период с 1993 по 1998 год, за исключением 1997 года. Такой обширный массив полученных данных позволил провести анализ различных параметров потока нейтронов вблизи поверхности Земли, в том числе, исследовать временные вариации потока, его анизотропию и распределения вероятности регистрации нейтронов, а также выявить физические зависимости между изменениями потока нейтронов и процессами, проходящими в земной коре и околоземном космическом пространстве.
В 1993 году установка ДЯИЗА работала в среднем по 8-10 часов в сутки. В целях выделения значимых возрастаний скорости счета был применено сглаживание временного ряда по методу скользящего среднего, при котором каждый элемент ряда заменялся на среднее значение N соседних элементов. Ввиду того, что непрерывные отрезки данных достаточно непродолжительны, то этот метод удобнее применять на массиве данных по минутному темпу счета установки. На Рис. 2.1, 2.2 и 2.3 представлены примеры сглаживания отдельных частей массива по 5, 10 и 60 элементам. Эти отрезки были специально отобраны так, чтобы представить различный временной ход возрастаний темпа счета установки, и, кроме того, чтобы временные интервалы относились к различным сезонным условиям. Рис. 2.4-2.7 иллюстрируют использование метода сглаживания по скользящему среднему за 1994 год, когда установка работала в разделенном виде, регистрируя отдельно потоки нейтронов из верхней и из нижней полусфер.
Естественно, что единичные всплески при таком подходе хорошо сглаживаются, а фоновое значение скорости счета установки имеет меньший разброс. Но для большинства всплесков амплитуда и длительность достаточно велики, так что и после применения подобной методики они не нивелируются. Хотя амплитуда самых мощных всплесков уменьшается в процессе такой обработки в несколько раз, тем не менее.
Примеры экспериментальных данных, приведенные на Рис. 2.1-2.7, наглядно демонстрируют наличие возрастаний минутной скорости счета нейтронов. Как показал анализ, подобные возрастания имеют различную амплитуду и продолжительность. Для более детального изучения потока тепловых и медленных нейтронов вблизи поверхности Земли и его вариаций весь массив данных был разделен на спокойные и возмущенные периоды. В качестве критерия возмущенного периода регистрации использовалось следующее определение: к возмущенным периодом относятся те, для которых скорость счета нейтронов в час превышает среднее значение за текущий месяц более чем на 10%. Такая величина порога выбрана в связи с тем, что всплески такой амплитуды определенно выходят за пределы статистической ошибки. Сезонная зависимость общей продолжительности возмущенных периодов подробно изучалась на массиве данных установки ДЯИЗА за 1996 год, в течение которого общее время работы составило около семи тысяч часов. На Рис. 2.8 представлено количество возмущенных периодов отдельно для каждого канала (т.е. для потоков нейтронов в направлении к Земле и от Земли) и для установки в целом. На нем наглядно демонстрируется увеличение количества возмущенных периодов в летние месяцы, особенно для канала, регистрирующего нейтроны в направлении от Земли. На Рис. 2.9 и 2.10 приведена сезонная зависимость общей продолжительности возмущенных периодов для 1993 и 1994 годов, соответственно. Общий ход кривых подтверждает возрастание доли возмущенных периодов в летнее время, как в случае разделенной, так и в случае неразделенной установки. Однако необходимо учесть, что в эти годы, как уже говорилось в начале Главы, установка работала в среднем не более 10 часов в сутки, причем только в дневное время. Естественно, это понижает статистическую достоверность приводимых данных.
Анализ экспериментальных данных - спокойный период
Для того чтобы проследить за изменением анизотропии в течение года, удобнее перейти к значениям скоростей счета нейтронов, усредненным по месяцам. Эти данные для двух каналов представлены на Рис. 3.2. При усреднении учитывались только спокойные периоды регистрации, то есть периоды, когда скорость счета за час превышала среднее значение для данного месяца не более чем на 10%. Для 1996 года в целом спокойные периоды составили около 80% наблюдаемых случаев, а для отдельных месяцев - от 65 до 97% случаев.
Для полученного таким образом массива данных подсчитьшалось отношение R скоростей счета нейтронов к Земле и от Земли и анизотропия К , соответственно, по формулам: К = N Ni an N0+Nx где No, Ni - скорости счета нейтронов в направлениях к Земле и от Земли, соответственно. Полученные результаты по анизотропии и отношению скоростей счета нейтронов в направлениях к Земле и от Земли представлены на Рис. 3.3. Мы видим, что в спокойные периоды анизотропия составила до 10%, но при этом существует смена знака анизотропии в зависимости от сезона. С учетом ошибок анизотропия явно положительна в периоды с января по март и с октября по декабрь. Это означает, что в данные промежутки времени преобладают потоки нейтронов к Земле. В летний период, точнее, с учетом ошибок в июне и июле, ситуация противоположная: анизотропия отрицательна, что означает преобладание потоков нейтронов от Земли. В оставшиеся периоды (апрель-май и август-сентябрь) анизотропия близка к нулю, и нельзя утверждать, что в это время преобладают потоки нейтронов с одного определенного направления.
Если исходить из существования одного источника нейтронов вблизи земной коры, а именно, источника космофизического происхождения, то анизотропия должна быть положительной в течение всего года. Экспериментально полученный годовой ход анизотропии явно указывает на существование второго источника. То есть для объяснения такой сезонной зависимости анизотропии надо учесть, что Земля как источник тепловых нейтронов выступает двояко [65].
Во-первых, она отражает происходящие в космическом пространстве явления. То есть, потоки энергичных частиц, доходя до Земли, могут порождать в ее коре нейтроны. Вариации потока космических лучей, таким образом, приведут к вариации потока нейтронов от почвы. В этом случае Земля выполняет роль пассивной мишени. Во-вторых, всплески нейтронного излучения порождаются альфа-частицами от распада естественных радиоактивных элементов в земной коре, в первую очередь от радиоактивных газов, изотопов радона, образующими нейтроны путем взаимодействия с ядрами элементов воздуха и земной коры. Этот процесс детально рассматривается в Главе 6. В этом случае земная кора выступает в роли самостоятельного, активного источника нейтронов.
Естественно, что в зимнее время года, когда поверхность Земли пропитана влагой и покрыта слоем снега, земная кора не может эффективно "работать" как источник тепловых нейтронов из-за того, что они будут поглощаться, не выходя за ее пределы. Следовательно, в это время должны преобладать потоки нейтронов в направлении к Земле, что мы и наблюдаем. Причем это относится как к спокойным периодам, так и к возмущенным. В теплое время года земная кора прогревается и начинает активно работать и как мишень для космических частиц, и как самостоятельный источник нейтронов. В переходные периоды (весной и осенью) мы не можем говорить о какой либо определенной анизотропии, поскольку в это время наблюдается примерное равновесие потоков в направлениях к Земле и от Земли.
Таким образом, можно утверждать, что обнаружена и установлена причина сезонной зависимости анизотропии тепловых нейтронов для спокойных периодов регистрации. Открытым остался вопрос о существовании и сезонной зависимости анизотропии потока тепловых нейтронов для возмущенных периодов.
Изучение вариаций потока нейтронов и анизотропии потока для возмущенных периодов регистрации также основывалось на данных того же 1996 года, общий массив данных за который представлен на Рис. 3.1. Для дальнейшего анализа были выделены всплески скорости счета нейтронов отдельно для каждого из каналов, а также те события, когда возрастания скорости счета нейтронов наблюдались на обоих каналах одновременно по тому же критерию, т.е. период считается возмущенным, если скорость счета нейтронов превышает среднюю за данный месяц более чем на 10%. В Главе 2 на Рис. 2.8 представлена зависимость общей продолжительности возмущенных периодов от месяца года для каждого из каналов, а также для тех событий, когда возмущение наблюдалось на обоих каналах одновременно. Из него следует, что для канала, регистрирующего нейтроны из верхней полусферы, наибольшее количество всплесков, что определяет длительность возмущенного периода, приходится на февраль и март, а для канала, регистрирующего потоки нейтронов в направлении от Земли, наибольшее количество всплесков приходится на июнь и июль.
Рассчитанный по аналогии со спокойными периодами коэффициент анизотропии, имеет очень широкий разброс значений, поскольку встречаются очень сильные (в десятки раз) возрастания скорости счета нейтронов. Если построить распределение продолжительности возмущенных периодов от величины коэффициента анизотропии (Рис. 3.5), то оказывается, что подавляющее большинство возрастаний скорости счета нейтронов как по нулевому, так и по первому каналу имеют абсолютное значение коэффициента анизотропии, не превышающее 20%. И лишь менее 7% всплесков скорости счета нейтронов имеют больший коэффициент анизотропии.
Однако из самой величины коэффициента анизотропии никак не следует, насколько длительно существовал значительный направленный поток нейтронов вблизи земной коры. Для ответа на этот вопрос проводилось исследование периодов больших значений анизотропии как положительного, так и отрицательного знака на предмет определения длительности существования направленных потоков нейтронов.
На Рис. 3.6 и 3.7 представлены отдельные случаи возрастания анизотропии часовых данных в положительном и отрицательном направлениях. Видно, что во время события 15.02.1996, представленного на Рис. 3.6, по часовым данным коэффициента анизотропии, который держался на уровне 20-30% в течение шести часов, можно было бы предположить, что источник направленных потоков нейтронов непрерывно работал в течение всего этого времени. Однако из минутных данных анизотропии и скорости счета обоих каналов следует, что в действительности в течение данного отрезка времени анизотропия испытывала колебания в широком диапазоне от -30% до +70%. Следовательно, направленные потоки нейтронов реально существовали в течение небольших отрезков времени продолжительностью несколько минут, то есть действие источника можно считать импульсным.
Событие 20-22.07.1996, представленное на Рис. 3.7, гораздо более длительное, и в течение этого времени часовые значения коэффициента анизотропии несколько раз изменялись от 0% до 95-97%, причем большие абсолютные значения коэффициента анизотропии сохранялись в течение 8-9 часов, как в часовых, так и в минутных данных. То есть в этом случае источник направленных потоков нейтронов существовал непрерывно в течение продолжительного промежутка времени.
Как уже можно видеть из Рис. 3.6 и 3.7 возрастания потока нейтронов сильно различаются по продолжительности, временному ходу и амплитуде, следовательно, нельзя усреднить их так же, как данные за спокойные периоды регистрации, и получить для них некие средние значения. Тем не менее, наиболее интенсивные возрастания скорости счета можно разделить на несколько групп, принимая во внимание их продолжительность, амплитуду, крутизну фронта и спада.
Изучение связи между возрастанием нейтронного потока и лунными фазами по методу эпох
Для более точного исследования связи между темпом счета тепловых и медленных нейтронов и лунными фазами использовалось наложение данных по методу эпох. Вначале для каждых суток подсчитывался средний темп счета тепловых нейтронов в минуту, а затем все данные суммировались по лунным месяцам, таким образом, что день новолуния приходился на седьмой день лунного месяца.
Данная работа была проведена для периода с 1993-го по 1996-й годы, а также для 1998-го года, когда установка ДЯИЗА работала в относительно неизменной конфигурации, позволяющей провести подобный анализ. На Рис. 4.2 представлены результаты применения метода эпох для отдельных лет, а на Рис. 4.3 - суммарные результаты для всего массива данных, использованных при анализе.
Поскольку на протяжении этого периода конфигурация установки изменялась (в частности, изменялось количество счетчиков, их взаимное расположение, вывод информации), то, как это видно на Рис. 4.2, величина фонового значения скорости счета установки и амплитуда возрастаний варьируется в довольно широких пределах. Тем не менее, у всех кривых имеются явно схожие черты, которые проявляются в суммарной кривой на Рис. 4.3. В частности, это всплески в районе дней новолуния и полнолуния (седьмого и двадцать первого дней лунного месяца, соответственно). От года к году дата и амплитуда этих всплесков изменяется, что вполне понятно, принимая во внимание уникальную совокупность условий для каждого конкретного периода. Несмотря на это на суммарной кривой, представленной на Рис. 4.3, явно вьщеляются два пика, соответствующие новолуниям и полнолуниям. Таким образом, на основе проведенного анализа можно сделать вывод, что явления новолуний и полнолуний сопровождаются возрастанием потока тепловых и медленных нейтронов вблизи земной коры [67, 68]. Это означает, что гравитационная приливная волна [69], воздействие которой на земную кору максимально именно в дни новолуний и полнолуний, несомненно, оказывает влияние и на потоки тепловых нейтронов, источником которых является земная кора. Изучение связи возмущений потока тепловых и медленных нейтронов с явлениями новолуний и полнолуний позволяют сделать следующие выводы: 1. В течение рассматриваемого периода (с 1993 по 1997 год) большинство (более половины) новолуний и полнолуний, во время которых работала установка ДЯИЗА, сопровождалось возрастаниями потока тепловых и медленных нейтронов различной амплитуды и длительности. 2. Результаты, полученные по методу эпох для данного периода, позволяют с уверенностью заключить, что в те дни, когда происходило новолуние или полнолуние, наблюдалось значительное возрастание потока тепловых и медленных нейтронов. 3. Таким образом, можно сделать вывод о том, что влияние гравитационной приливной волны на земную кору отражается и на потоках тепловых и медленных нейтронов, источником которых является земная кора. Благодаря тому, что запись регистрации нейтронов установкой велась ежесекундно, имеется возможность получить и проанализировать распределение регистрации определенного числа нейтронов в секунду. Для подробного анализа были выбраны 1993 и 1996 годы, как содержащие наиболее полную информацию. Напомню, что в 1993 году установка работала в неразделенном виде, то есть, одновременно регистрировались нейтроны со всех направлений, то в 1996 году установка уже была разделена на две части, регистрирующие отдельно нейтроны, приходящие из нижней и из верхней полусфер. Для каждого часа работы установки строилось распределение вероятности регистрации нейтронов. Для разделения данных на спокойные и возмущенные периоды использовался тот же критерий, что и при изучении сезонного хода потока нейтронов, то есть отклонение скорости счета за час от среднего значения за месяц более, чем на 10% [65, 66]. Из данных по сезонной зависимости количества возмущенных периодов, представленных на Рис. 2.8 - 2.10, видно, что большинство возмущенных периодов регистрации как в 1996 году, так и в 1993 и 1994 годах, приходится на летний период (июнь и июль). Различия, наблюдаемые между этими годами, могут быть объяснены различными как космофизическими и геофизическими, так и метеорологическими факторами.
После разделения всех данных на спокойные и возмущенные периоды для них строилось усредненное за месяц распределение. Таким образом, для 1993 года были получены два распределения - отдельно для спокойных и возмущенных периодов регистрации для всей установки целиком, а для 1996 года были получены 6 распределений - для спокойных и возмущенных периодов регистрации отдельно для каналов, регистрирующих потоки нейтронов сверху и снизу, и для всей установки целиком.
Для сравнения и анализа были выбраны части распределения вероятности регистрации от 0 до 10 нейтронов, поскольку даже в возмущенные периоды вероятность регистрации более 10 нейтронов составляет менее 0.001. На Рис. 5.1 представлены распределения вероятности регистрации нейтронов за спокойные периоды в январе, апреле, июле и октябре 1993 года, на Рис. 5.2 - информация за возмущенные периоды тех же месяцев 1993 года.
