Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Регистрация интенсивности различных компонент космических лучей на советской станций и состояние исследования барометрического эффекта 17
1.1. Советская сеть станций космических лучей . 17
1.1.1.Якутский комплекс космических лучей . 18
1.1.2.Саянский спектрографический комплекс регистрации космических лучей 19
1.2. Тбилисский экспериментальный космофизический комплекс космических лучей 20
1.3. Общее состояние исследования барометрического эффекта нейтронной компоненты космических лучей 27
Выводы по первой главе диссертации 33
ГЛАВА II. Промежуточное запоминающее устройство (ПЗУ) на линии эвм для сбора, хранения и первичной обработки данных наблюдений комплекса космических лучей в Тбилиси 34
2.1. Обоснование необходимости создания промежуточного запоминающего устройства на линии ЭВМ 34
2.2. Конструкция ПЗУ, основные физико-технические характеристики и режим работы 37
2.3. Устройство ПЗУ и принцип работы 39
2.4. Отбор данных наблюдений различных компонент космических лучей от идентичных каналов регистрации 46
Выводы по второй главе диссертации 52
ГЛАВА III. Исследование изменения барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей и определение реальных точностей данных наблюдений 54
3.1. Определение реальных ошибок данных наблюдений полученных с помощью нейтронного супер-монитора I8HM-64 и скрещенных мюонных телескопов MT-I2 и T-I6 54
3.2. Исследование барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от изменения уровня атмосферного давления по данным станции Тбилиси 61
3.3. Исследование изменения барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от уровня атмосферного давления по данным мировой сети станции нейтронных мониторов 69
3.4. Первичная обработка данных интенсивности нейтронной компоненты космических лучей с учетом зависимости барометрического коэффициента от изменения атмосферного давления 86
Выводы по третьей главе диссертации 96
Заключение 98
Литература 101
- Общее состояние исследования барометрического эффекта нейтронной компоненты космических лучей
- Обоснование необходимости создания промежуточного запоминающего устройства на линии ЭВМ
- Отбор данных наблюдений различных компонент космических лучей от идентичных каналов регистрации
- Исследование барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от изменения уровня атмосферного давления по данным станции Тбилиси
Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию зависимости барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления; определению реальных точностей экспериментальных данных наблюдений интенсивности нейтронной и жесткой мюонной компонент космических лучей, полученных с помощью нейтронного супер-монитора и направленных счетчиковых телескопов; разработке и созданию электронного промежуточного запоминающего устройства, математического обеспечения и автоматизированной системы в режиме на линии ЭВМ для сбора, хранения и предварительной обработки данных наблюдений в реальном масштабе времени экспериментального космофизичес-кого комплекса космических лучей в Тбилиси.
Возможности использования космических лучей как зонда для исследования электромагнитных условий межпланетного пространстве, процессов на Солнце, в магнитосфере и атмосфере земли широко известны. Результаты исследования в этом направлении физики космических лучей общепризнаны и приведены в многочисленных работах /1-9/. Они сыграли важную роль в развитии исследования космических лучей в космофизическом направлении. В дальнейшем при исследовании учитывались более современные представления о физических процессах, происходящих на Солнце, в околоземном и межпланетном пространстве и были выявлены не только новые особенности вариаций космических лучей, но и решены обратные геофизические и астрофизические задачи. С помощью космических лучей были определены параметры, характеризующие электромагнитные условия межпланетной среды, магнитосферы и атмосферы Земли /10-18/.
Космические лучи являются заряженными частицами и хорошо
запоминают физические условия среды, которую они проходят при движении к Земле. Наблюдения над изменениями(вариации) интенсивности космических лучей ведется в межпланетном пространстве и в окрестностях Земли с помощью межпланетных станций и искусственных спутников, в верхних слоях атмосферы - с помощью воздушных баллонов и специально оборудованных самолетов, а на уровне моря и гор, а также под землей - с помощью стационарных установок. Все эти наблюдения в широком диапазоне энергии космических лучей значительно дополняют друг друга и среди них особая роль принадлежит наземным и подземным данным, поскольку именно на земле создавались крупные и высокоточные стационарные установки для регистрации различных вторичных компонент космических лучей.
В настоящее время надежно определены коэффициенты связи между первичными и вторичными вариациями для нейтронной и м -мезонной компоненты /1-4, 12, 19-20/ и, поэтому, с помощью вторичных компонент интенсивности космических лучей можно определять вариации, происходящие в атмосфере и магнитосфере Земли, а также в межпланетном пространстве.
Исследование физических условий межпланетного пространства с помощью космических лучей, где доминируют динамические процессы, связанные с деятельностью Солнца, является сложной задачей. Движение частиц космических лучей в анизотропной среде межпланетного пространства описывается дифференциальным уравнением в частных производных с учетом трехмерного регулярного магнитного поля /5-8, 17-18, 22-28/. Поскольку трудно учесть всевозможные изменения в межпланетном пространстве при теоретических исследованиях и моделировании процессов, вызывающие те или иные вариации в интенсивности космических лучей, то выбор адекватной модели модуляции космических лучей часто проводится с помощью сравнения полученных теоретических результатов с экспериментальными данны-
- б -
ми наблюдений /15-16,18/. Поэтому, исходя из вышесказанного,при экспериментальном и теоретическом исследовании вариации интенсивности космических лучей большое внимание следует уделять точностям используемых данных, особенно в таких случаях, когда изменения интересующего нас эффекта в интенсивности космических лучей составляют порядка величины точности экспериментальных денных наблюдений /5,14,28-30,25-27/.
При использовании космических лучей для исследования электромагнитных условий околоземного и межпланетного космического пространства, процессов на Солнце и в геомагнитосфере необходимо освободиться от влияния изменений температуры, давления и других параметров атмосферы Земли. Для нейтронной компоненты основным атмосферным эффектом является вариация интенсивности космических лучей при изменении атмосферного давления, т.е. барометрический эффект нейтронной компоненты космических лучей /1,4,8,10/. Барометрический эффект космических лучей (эффект поглощений нейтронов в атмосфере Земли) изменяется в зависимости от порога жесткости обрезания /31-35/, от 11-летнего цикла солнечной активности /36-42/, от спектра вариации /42-44/ и других факторов. В /41-42,45-46/ было предположено, что барометрический коэффициент нейтронной компоненты космических лучей может меняться и в зависимости от изменения атмосферного давления. В /45,47-50/ было показано, что по экспериментальным данным выявляется зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления.
До настоящего времени не была надежно установлена зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от атмосферного давления и поэтому не производится учет этого изменения при исправлении данных на барометрический эффект. В связи с этим изучение этого вопроса представляет сз-
мостоятельный научный интерес. Количественное определение зависимости барометрического коэффициента от изменения атмосферного давления позволяет тщательно учесть барометрический эффект в изменениях интенсивности нейтронной компоненты космических лучей. С другой стороны, на основе исследования автора настоящей диссертации /48,51/ по данным станции Тбилиси и мировой сети, среднее относительное изменение барометрического коэффициента составляет 0,05 - 0,2% и целесообразность его учета в интенсивности космических лучей определяется статистической точностью данных наблюдений и величиной отклонения атмосферного давления
Ah ОТ Среднего урОВНЯ.
Данные нейтронной компоненты космических лучей,полученных с помощью супер-мониторов на станциях мировой сети, имеют статистические точности --~ 0,07 -і 0,15%. Однако, как показано в /14, 52-54/ они не соответствуют реальности. Из-за многих причин физического и технического характера /29,49-52,54/ реальные точности данных супер-мониторов в 1,5-2 раза меньше, чем статистические, и поэтому, очевидно ставится вопрос, какова реальная точность экспериментальных данных интенсивности нейтронной компоненты и на станции Тбилиси. Последнее приобретает большое значение и в связи с тем, что по этим данным определяется зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления.
Определение реальных точностей данных наблюдений полученных с помощью нейтронного супер-монитора /I8HM-64/ и скрещенных наземных и подземных мюонных телесколов (МТ-12,Т-1б) представляет и самостоятельный научный интерес /51,55-56/. Дело в том, что знание реальных точностей данных наблюдений совершенно необходимо при проведении исследования широкого класса вариации космических лучей,с одной сторонній является основой при отборе и
обработке данных от идентичных канэлов интенсивности космических лучей, с другой.
После создания первой очереди экспериментального комплекса космических лучей в Тбилиси обработка данных ручным методом из-за большого количества каналов информации - 40; стала невозможной, (из них - 9 идентичных каналов - от нейтронного супер-монитора (I8HM-64), по 8,4- и 2 идентичных каналов-от скрещенных наземных и подземных телескопов MT-I2 и T-I6). Поэтому автоматизировать сбор, хранение, отбор от идентичных каналов с учетом реальных точностей наблюдений и предварительную обработку данных с целью их дальнейшего использования стала очевидной необходимостью.
Автором настоящей диссертации развита методика, разработана и создана установка, являющаяся промежуточным звеном между регистратором космических лучей и ЭВМ для сбора, хранения и предварительной обработки данных наблюдений. Созданная установка - промежуточное запоминающее устройство, позволяет собирэть, хранить и переводить на оперативную память ЭВМ данные наблюдений, которые обрабатываются с помощью специальных алгоритмов /55-61/.
Диссертация состоит из введения,3х глав и заключения. Во введении рассмотрены актуальность темы и постановка задачи решаемой в диссертационной работе.
В первой главе диссертации приводятся основные физико-технические характеристики установок и систем регистрации данных космических лучей Н8 советской сети станций. Определенное место уделено наземному и подземному комплексу, созданному в Якутске; спектрографическим установкам, созданным в Иркутске и Нальчике. Приведены физико-технические характеристики тбилисского космо-физического комплекса космических лучей, состоящих из 9 канального нейтронного супер-монитора отечественного производства, скре-
щенных супер-телескопов оригинальной геометрии для проведения наблюдений интенсивности мюонной компоненты на земле и под землей в широком диапазоне энергий космических лучей и автоматического датчика давления.
Приведен краткий обзор работы по исследованию барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от изменения атмосферного давления и других факторов-от П-летнего цикла солнечной активности, порога жесткости геомагнитного обрезания, от радиоактивного загрязнения нейтронных счетчиков и образования нейтронов протонами и мягкими уи -мезонами.
Во второй главе диссертации приведены результаты по разработке и созданию специального промежуточного запоминающего устройства (ПЗУ) для сбора, хранения и предварительной обработки данных наблюдений нейтронной и жесткой компонент космических лучей первой очереди Тбилисского экспериментального космофизи-ческого комплекса. Обоснована необходимосіь создания автоматизированной системы для обработки данных в реальном масштабе времени с помощью ПЗУ на линии ЭВМ.
Подробно описаны устройства, физико-технические характеристики и режим работы ПЗУ в системе на линии ЭВМ. ПЗУ позволяет накапливать информацию в промежутке времени, длительность которого определяется количеством регистрируемых каналов и особенностями используемых алгоритмов для отбора и предварительной обработки данных наблюдений.
ПЗУ имеет оперативную память на ферритовых сердечниках с емкостью 4096 слов и принимает информацию с выходного устройства многоканального регистратора станции космических лучей (РСКЛ). Поступившая информация накапливается в блоке памяти ПЗУ и по мере необходимости переписывается в оперативную память
ЭВМ для дальнейшей обработки. При регистрации часовых данных максимальное время накопления дэнных Тбилисского космофизическо-го экспериментального комплекса космических лучей (~40 каналов) составляет ~ 100 часов. Указанный интервал времени с большим запасом достаточен для устранения технических неполадок ЭВМ и регистрирующих установок в случав их возникновения. Практически же, опрос ПЗУ и предварительная обработка дэивых вэ линии ЭВМ проводится один-два раза за 24 часа, что позволяет эффективно использовать ЭВМ для решения других задач.
Для учета метеорологических эффектов космических лучей,необходим отбор данных от идентичных каналов. Минимальное количество идентичных каналов составляет 2, а максимальное - 9 для Тбилисского экспериментального космофизического комплекса космических лучей. Исходя из этого и были реализованы алгоритмы для отбора данных с помощью ПЗУ и ЭВМ. На ЭВМ реализованы алгоритмы отбора данных на основе:
а) отношения одновременных показателей разных каналов I и j-
Nb,K/ Nj,k = Gbi,K ;
б) разностей одновременных показателей разных каналов і и j
в) разностей двух последовательных показателей отдельных каналов
Nl,K+4 ~ Nu,k - Ob,к
где К= 1,2,3... - номер последовательных интервалов вре-
мени, ъ,# - номера идентичных каналов.
Средние значения коэффициентов а і,*, к и $ь>,к устанавливаются по наблюдениям за определенный промежуток времени. В качестве примера в этой же главе диссертации приведены алгоритмы
- II -
отборе данных в случае 3-х и 8 идентичных каналов.
,2
В третьей главе диссертации методом $ исследуется частотное распределение разностей часовых значений идентичных каналов регистрации и определены реальные точности данных наблюдений интенсивности космических лучей с помощью нейтронного супер-мониторэ (18 НМ-64) и вертикального и наклонных скрещенных супер-телескопов на поверхности Земли (MI-I2) и на уровне 7 м.в.э под землей (-16).
Для составления экспериментального частотного распределения разностей часовых данных идентичных каналов наземных и подземных скрещенных телескопов MT-I2 и T-I6 были исследованы более чем 6000-7000 реализаций (значений). Предполагая, что эти разности являются случайными величинами, методом наименьших квадратов была произведена аппроксимация наблюдаемых значений нормальным (гауссовскиы) распределением:
где A Jo - разность показаний двух идентичных каналов -го часового интервала наблюдения, R - плотность вероятности, соответствующая ДЗо , А - коэффициент нормировки и - реальная ошибка часовых данных наблюдений. Проверка согласованности экспериментальной и теоретической плотностей распределения осуществлялось с использованием критерия согласия Jjr . С по-
мощью вычислений распределения типе % = \ ' , где Рь -
п наблюдаемая, a jl - ожидаемая плотность Ь-го отклонения)
показано, что для всех случаев при 95% доверительном интервале
гауссовскоа распределение полностью описывает экспериментальное
частотное распределение.-
Найденные реальные ошибки составляют 0,21% для нейтронного
супер-монитора, 0,15% - для вертикальных направлений мюонных телескопов MT-I2 и I-I6 и 0,25% - для наклонных под 45 к зениту телескопов.
В этой же главе диссертации приведены результаты по исследованию зависимости барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления и других факторов. Представим результирующее значение барометрического коэффициента р для уровня атмосферного давления следующим образом
л = PnNn + PpNp+frN^M^ (1)
J Nn + Np + NyM+N^
где Ып - доля зарегистрированных от падающих на детектор нейтронов космических лучей, образованных в атмосфере Земли, Np и Н}* - доля зарегистрированных нейтронов, образованных в детекторе от протонов и /\ -мезонов, Ыу - же вклад местного радиоактивного загрязнения счетчиков и окружающей среды» Рп » Рр » Р/* и Ру - их барометрические коэффициенты, соответственно. Очевидно, Р^= и, если ввести обозначения
Nn =dn, Np sdf> U^ .
Nn+Np+N^+fy Nn+Np + N/^Ny Nn+Np+N^+%
тогда формула (I) примет вид
P = dnP„ + dpft + c^ (2)
при отклонении атмосферного давления от среднего уровня К0 , т.е. для значения К (2) формулу можно переписать
- ІЗ -
Р(К)=І) [<*»&)&+*№&+<*№$] (3)
с((Ц) =o(n(h) + dfPM + Л/, (к) + ,
dln(H)=d(nexp(-Pn(b-he)); o(pW = d(pexp(-Pp(h-M)
d^tWr^expC-P^Ch-ho))
Изучение зависимости барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от атмосферного давления было проведене следующими двумя методами.
По данным станции Тбилиси вблизи эпохи минимума солнечной активности (1975г) были отобраны отдельные участки, когда наблюдались сильные размахи изменения атмосферного давления. При этом, в исправленный на барометрический эффект интевсивности нейтронной компоненты космических лучей не отмечались изменения больше, чем 1-1,5$. Барометрические коэффициенты вычислялись для участков максимального и минимального значений атмосферного давления. Для всех участков, отобранных на основе указанного критерия было найдено, что с уменьшением атмосферного давления барометрический коэффициент нейтронной компоненты космических лучей увеличивается, а при увеличении - уменьшается, как это ожидается из выражения (2).
Были отобраны монотонные участки изменения интенсивности нейтронной компоненты космических лучей и атмосферного давления за длительный период наблюдений по данным мировой сети станции космических лучей:Москва (1976-1980гг, 138 участков), 'Тбилиси (І975-І98ІГГ, 109 участков), Киль (1964-1974гг, 246 участков),
Черчилль (І965-І973гг, 226 участков) и Санэе (1964-1974гг, 1976г, 1978г, 234 участка). Для каждого монотонного участка были вычислены барометрический коэффициент нейтронной компоненты космических лучей и среднее значение атмосферного давления. При сопоставлении вычисленных значений барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей и средних значений атмосферного давления была обнаружена однозначная зависимость. В частности, при увеличении атмосферного давления барометрический коэффициент уменьшается^ при уменьшении атмосферного давления-увеличивэется.
Таким образом установлена зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления по многолетним данным мировой сети станции космических лучей и она в среднем составляет - 8.10""^" %/ы<г. Среднее относительное изменение барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей составляет около (0,05-0,2 %/иб.
В этой же главе приводятся алгоритмы для предварительной обработки данных с учетом зависимости барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления. Показано, что эффект искажения барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей является заметным при отклонении атмосферного давления на величину больше 10 мб. от среднего значения. В этом случав поправка в интенсивности нейтронной компоненты космических лучей, становится сравнимой с реальной ошибкой данных наблюдений.
В третьей главе (3.4.0 приведены алгоритмы обработки данных с учетом зависимости барометрического коэффициента от изменения атмосферного давления и непосредственные расчеты по данным нейтронной компоненты станции Тбилиси.
В заключении диссертации вынесены основные результаты, полученные автором,
В диссертации использованы непрерывные чвсовые данные интенсивности нейтронной компоненты космических лучей и атмосферного давления мировой сети станции за большой период наблюдений (более 10 лет). При анализе данных широко используются различные математические методы обработки экспериментальных данных наблюдений и ЭВМ.
Новизной диссертационной работы является: I. Создание промежуточного электронного запоминающего устройства и автоматизированной системы на линии ЭВМ для сбора, хранения и обработки данных наблюдений различных компонент космических лучей в реальном масштабе времени в Тбилиси; 2. Математическое обеспечение функционирования автоматизированной системы на линии ЭВМ. 3.Определение реальных точностей данных нейтронной и жесткой /л -мезонной компонент космических лучей, полученных с помощью нейтронного супер-монитора и наземных и подземных скрещенных ыюон-ных супер-телескопов в Тбилиси. 4. Выявление зависимости барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления К по данным мировой сети станций нейтронных супер-мониторов.
Автором на защиту выносятся следующие положения: I. Выявленная, впервые по данным мировой сети станций нейтронных супер-мониторов, зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления. Поправки барометрического коэффициента за счет изменения атмосферного давления на I Мбар составляют для станции Москва 4.10~^%/Мбэр2, Тбилиси - 13.10~^/Мбар2, Киль - 7.10~4%/Мбар2, Черчилль - 7.10~^%/Мбзр2 и Санае -6.10"4%/Мбар2.
Определенные реальные точности данных наблюдений нейтронной и жесткой /* -мезонной компонент интенсивности космических лучей,полученные с помощью нейтронного супер-монитора и скрещенных мюонных наземных и подземных супер-телескопов экспериментального космофизического комплекса в Тбилиси. Установленные реальные точности используются для отбора данных от идентичных каналов нейтронного супер-монитора и мюонных телескопов и являются мерой оценки надежности полученных научных результатов для различных классов вариации, особенно анизотропии космических лучей.
Созданные промежуточное электронное запоминающее устройство и автоматизированная система на линии ЭВМ, а также математическое обеспечение для сбора, хранения и предварительной обработки данных наблюдений нейтронной и жесткой мюонной компоненты космических лучей на станции Тбилиси (Институт геофизики АН ГССР) в реальном масштабе времени.
Общее состояние исследования барометрического эффекта нейтронной компоненты космических лучей
При использовании космических лучей для исследования электромагнитных условий околоземного и межпланетного космического пространства, процессов на Солнце и в геомагнитосфере необходимо освободиться от влияния изменений температуры, давления и других параметров атмосферы Земли. Для нейтронной компоненты основным атмосферным эффектом является вариация интенсивности космических лучей при изменении атмосферного давления, т.е. барометрический эффект нейтронной компоненты космических лучей /1,4,8,10/. Барометрический эффект космических лучей (эффект поглощений нейтронов в атмосфере Земли) изменяется в зависимости от порога жесткости обрезания /31-35/, от 11-летнего цикла солнечной активности /36-42/, от спектра вариации /42-44/ и других факторов. В /41-42,45-46/ было предположено, что барометрический коэффициент нейтронной компоненты космических лучей может меняться и в зависимости от изменения атмосферного давления. В /45,47-50/ было показано, что по экспериментальным данным выявляется зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления.
До настоящего времени не была надежно установлена зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от атмосферного давления и поэтому не производится учет этого изменения при исправлении данных на барометрический эффект. В связи с этим изучение этого вопроса представляет мостоятельный научный интерес. Количественное определение зависимости барометрического коэффициента от изменения атмосферного давления позволяет тщательно учесть барометрический эффект в изменениях интенсивности нейтронной компоненты космических лучей. С другой стороны, на основе исследования автора настоящей диссертации /48,51/ по данным станции Тбилиси и мировой сети, среднее относительное изменение барометрического коэффициента составляет 0,05 - 0,2% и целесообразность его учета в интенсивности космических лучей определяется статистической точностью данных наблюдений и величиной отклонения атмосферного давления.
Данные нейтронной компоненты космических лучей,полученных с помощью супер-мониторов на станциях мировой сети, имеют статистические точности -- 0,07 -І 0,15%. Однако, как показано в /14, 52-54/ они не соответствуют реальности. Из-за многих причин физического и технического характера /29,49-52,54/ реальные точности данных супер-мониторов в 1,5-2 раза меньше, чем статистические, и поэтому, очевидно ставится вопрос, какова реальная точность экспериментальных данных интенсивности нейтронной компоненты и на станции Тбилиси. Последнее приобретает большое значение и в связи с тем, что по этим данным определяется зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления.
Определение реальных точностей данных наблюдений полученных с помощью нейтронного супер-монитора /I8HM-64/ и скрещенных наземных и подземных мюонных телесколов (МТ-12,Т-1б) представляет и самостоятельный научный интерес /51,55-56/. Дело в том, что знание реальных точностей данных наблюдений совершенно необходимо при проведении исследования широкого класса вариации космических лучей,с одной сторонній является основой при отборе и обработке данных от идентичных канэлов интенсивности космических лучей, с другой.
После создания первой очереди экспериментального комплекса космических лучей в Тбилиси обработка данных ручным методом из-за большого количества каналов информации - 40; стала невозможной, (из них - 9 идентичных каналов - от нейтронного супер-монитора (I8HM-64), по 8,4- и 2 идентичных каналов-от скрещенных наземных и подземных телескопов MT-I2 и T-I6). Поэтому автоматизировать сбор, хранение, отбор от идентичных каналов с учетом реальных точностей наблюдений и предварительную обработку данных с целью их дальнейшего использования стала очевидной необходимостью.
Автором настоящей диссертации развита методика, разработана и создана установка, являющаяся промежуточным звеном между регистратором космических лучей и ЭВМ для сбора, хранения и предварительной обработки данных наблюдений. Созданная установка - промежуточное запоминающее устройство, позволяет собирэть, хранить и переводить на оперативную память ЭВМ данные наблюдений, которые обрабатываются с помощью специальных алгоритмов /55-61/.
Диссертация состоит из введения,3х глав и заключения. Во введении рассмотрены актуальность темы и постановка задачи решаемой в диссертационной работе.
В первой главе диссертации приводятся основные физико-технические характеристики установок и систем регистрации данных космических лучей Н8 советской сети станций. Определенное место уделено наземному и подземному комплексу, созданному в Якутске; спектрографическим установкам, созданным в Иркутске и Нальчике. Приведены физико-технические характеристики тбилисского космо-физического комплекса космических лучей, состоящих из 9 канального нейтронного супер-монитора отечественного производства, скрещенных супер-телескопов оригинальной геометрии для проведения наблюдений интенсивности мюонной компоненты на земле и под землей в широком диапазоне энергий космических лучей и автоматического датчика давления.
Приведен краткий обзор работы по исследованию барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от изменения атмосферного давления и других факторов-от П-летнего цикла солнечной активности, порога жесткости геомагнитного обрезания, от радиоактивного загрязнения нейтронных счетчиков и образования нейтронов протонами и мягкими уи -мезонами.
Во второй главе диссертации приведены результаты по разработке и созданию специального промежуточного запоминающего устройства (ПЗУ) для сбора, хранения и предварительной обработки данных наблюдений нейтронной и жесткой компонент космических лучей первой очереди Тбилисского экспериментального космофизи-ческого комплекса. Обоснована необходимосіь создания автоматизированной системы для обработки данных в реальном масштабе времени с помощью ПЗУ на линии ЭВМ.
Подробно описаны устройства, физико-технические характеристики и режим работы ПЗУ в системе на линии ЭВМ. ПЗУ позволяет накапливать информацию в промежутке времени, длительность которого определяется количеством регистрируемых каналов и особенностями используемых алгоритмов для отбора и предварительной обработки данных наблюдений.
Обоснование необходимости создания промежуточного запоминающего устройства на линии ЭВМ
Большие работы по автоматизации обработки данных наблюдения проводятся на станциях Москва и Аппатиты. Однако, автоматизированная система типа „ON LINE" (на линии ЭВМ), позволяющая собирать и обрабатывать данные в реальном масштабе времени /60,87/, создана в Институте геофизики АН ГССР с помощью специального электронного промежуточного запоминающего устройства.
Для проведения исследований вариации космических лучей в широком диапазоне энергии в Тбилиси в Институте геофизики АН ГССР создана первая очередь экспериментального комплекса космических лучей /14/. Непрерывно ведется регистрация интенсивности нейтронной и мюонной компоненты космических лучей на поверхности земли и под землей. В первую очередь экспериментального комплекса космических лучей Тбилиси входят: супер нейтронный монитор /67/ надземные и подземные скрещенные счетчиковые мюонные телескопы /76-80/.
Нейтронный супер-монитор отечественного производства /67/ из трех секций на непрерывную регистрацию был запущен в 1971г. В 1977г нейтронный супер-монитор был переделан и была начата регистрация с помощью 9 каналов. Указанное изменение было проведено с целью увеличения точности и автоматизации отбора и обработки данных от идентичных каналов. В настоящее время средняя реальная точность нейтронного супер-монитора станции Тбилиси составляет 0,21% за час и функционирует нормально и непрерывно.
Скрещенный супер-телескоп T-I6 создан в отделе космических лучей Института геофизики АН ГССР /77-79/ на базе телескопа Т-9 /81/. Счетчиковый скрещенный телескоп T-I6 состоит (рис.1) из четырех рядов счетчиков СГМ-І4 (А,В,С,Д), каждый из которых содержит по четыре лотка (элемента) детекторов. Бсего в телескопе 16 независимых элементов. В каждом элементе 8 счетчиков СГМ-І4 Площадь каждого ряда детекторов А,В,С,Д составляет бы2, а каждого лотка 1,5м2 /78/.
Геометрия скрещенного телескопа T-I6 такова /77/, что она позволяет получить трехкратное совпадение для каждого канала полезной информации в определенном направлении пространства. Такая возможность отбора совпадений осуществляется за счет детекторов В и С, которые находятся в непосредственной близости друг от друга и рассматриваются как один ряд детекторов для различных совпадений в системе телескопа T-I6.
Супер-телескоп T-I6 имеет следующие независимые каналы трехкратного совпадения: 1. Вертикальный / V / - 8 каналов 2. Наклонный под углом 45 к северу / N / - 4 канала 3. Наклонный под углом 45 к югу / S / - 4 канала 4. Наклонный под углом 45 к востоку / Ё / - 4 канала 5. Наклонный под углом 45 к западу /W/ - 4 канала 6. Наклонный под углом 30 к северу /N / - 2 канвла 7. Наклонный под углом 30 к югу / S / - 2 канала 8. Наклонный под углом 30 к востоку / Ё / - 2 канала 9. Наклонный под углом 30 к западу /W/ - 2 канала Всего в телескопе 32 канала полезной информации. Отбор данных от идентичных каналов и первичная обработка осуществляется с помощью созданного промежуточного запоминающе- го устройства и автоматизированной системы да линии ЭВМ. Алгоритмами для отбора данных Ыъ от идентичных каналов (где ь номера идентичных каналов) являются отношения Nh/Na » N2/N3 b и Ъ + 1 индексы обозначают номера двух последовательных значений наблюдения от одного канала. Существенным при установке скрещенного телескопа T-I6 являлся вопрос о свинцовом экране для разделения мягкой и жесткой компонент космических лучей. На поверхности Земли такой экран обязателен, а под землей необходимо было определить соотношение интенсивности мягкой и жесткой компонент / -мезонов для выяснения возможности создания телескопа без свинцового экрана. Для определения соотношения интенсивности мягкой и жесткой м-мезонной компонент космических лучей с глубиной был проведен эксперимент /49,78,82/ с помощью специального телескопа двойного совпадения. Результаты эксперимента показали, что можно создать скрещенный телескоп типа T-I6 /78/ без свинцового экрана на глубине 7 и 15 м.в.э. под землей. Супер-телескоп T-I6 на глубине 7 м.в.э, был запущен на непрерывную работу в.1975г. Для непрерывной регистрации направленной /л-мезонной интенсивности космических лучей на поверхности Земли под различными углами к зениту была создана комбинированная установка (монитор-телескоп MT-I2) на базе одной секции нейтронного супермонитора. Монитор-телескоп MT-I2 состоит из трех рядов счетчиков СГМ-І4 и одного ряда счетчиков CHM-I5. Геометрия MT-I2 совпадает с геометрией телескопа T-I6, приведенного на рис.1. Каждый ряд телескопа содержит 4 лотка по 8 счетчиков с общей площадью 6м2. Ряд CHM-I5 содержит б счетчиков. Для выделения жесткой У -мезонной компоненты служит экран из свинца толщиной в 10см от нейтронного супер-монитора. С помощью мониюр-тэ лэ скопа MT-I2
Отбор данных наблюдений различных компонент космических лучей от идентичных каналов регистрации
После этого определялись средние барометрические коэффициенты нейтронной компоненты космических лучей для различных интервалов атмосферного давления и результаты приводятся на рис.5 за период 1971г. Из этого рисунка видна явная зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления. Авторам удалось показать реальность существования зависимости барометрического коэффициента от изменения уровня атмосферного давления по данным нейтронного супер-монитора. По этим исследованиям поправка барометрического коэффициента за счет изменения атмосферного давления составляет 3.10 %/шйи. Однако, в работе /45/ не приводятся причины изменения барометрического коэффициента р в зависимости от уровня атмосферного давления V\o . Для учета эффекта зависимости барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления в интенсивности космических лучей, авторы работы /47/ рекомендуют представления (3 в виде полинома. Однако, как это показано в /49,51/ и в настоящей диссертации,линейное представление изменения барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от давления при эффекте (Ю" -10" )%/мб является весьма приемлемым.
Из приведенного выше краткого обозрения следует, что уточнение значения барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей, в зависимости от уровня атмосферного давления и других факторов является актуальным вопросом, ибо получение высокоточных данных интенсивности нейтронной компоненты космических лучей невозможно без корректного учета барометрического эффекта.
На советской сети станций космических лучей ведутся большие работы по автоматизированной обработке данных наблюдений интенсивности космических лучей, особенно в Якутске, Иркутске,Москве и Аппэтитах, Однако, автоматизированная система на линии ЭВМ ( ON ьїме) для сбора, хранения и предварительной обработки данных различных компонент интенсивности космических лучей в реальном масштабе времени создана в Тбилиси, в лаборатории космических лучей Института геофизики АН ГССР.
Барометрический коэффициент нейтронной компоненты космических лучей всесторонне изучен разными исследователями и выявлены его зависимости от порога жесткости геомагнитного обрезания, 11-летнего изменения активности Солнца и других факторов. Однако, зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей от изменения атмосферного давления по данным нейтронных супер-мониторов мировой сети станций космических лучей не исследована. Поэтому, до настоящего времени зависимость барометрического коэффициента нейтронной компоненты от изменения атмосферного давления количественно не установлена и при исправлении данных интенсивности нейтронной компоненты космических лучей на барометрический эффект не учитывается.
Для проведения наблюдений над интенсивностью нейтронной и жесткой компонент космических лучей в широком диапазоне энергий в Тбилиси в Институте геофизики АН ГССР создана первая очередь экспериментального космофизического комплекса /14,18,48-49,55-58,76-80/. Экспериментальный комплекс космических лучей состоит из различных многоканальных установок- нейтронного супер-монитора /67/, подземных и наземных скрещенных счетчиковых телескопов на уровне 7 и 15 М.В.Э. /76-80/ и метеорологического датчика давления и температуры /84/.
В ближайшем будущем запланировано увеличение числа каналов по мере освоения подземной шахты и усовершенствования наземных установок. Однако, уже имеющееся в наличии большое количество каналов информации (больше 50) делает практически невозможным вручную обрабатывать данные наблюдения в реальном масштабе времени, что необходимо при отборе и суммировании данных идентичных каналов для их дальнейшего использования. С другой стороны, отбор данных от идентичных каналов и предварительная обработка в реальном масштабе времени, необходимы и для своевременного определения неполадок в регистраторах космических лучей и их устранения.
Поэтому автоматизирование сбора, хранения, отбора от идентичных каналов и предварительной обработки данных стало очевидной необходимостью. Для решения поставленной задачи было необходимо создание установки, имеющей оперативную память, достаточную для сбора данных наблюдений в определенном промежутке времени минуя ЭВМ и позволяющей по мере необходимости, переписывать хранимую информацию в оперативную память ЭВМ для дальнейшей обработки по специально созданным алгоритмам. К тому же установка должна быть промежуточным звеном между регистраторами космических лучей и ЭВМ, т.е. следовало создать замкнутую систему сбора и обработки данных на линии ЭВМ ( ON ЫЫЕ ), рис.6.
На основе анализа работы регистраторов станции космических лучей (РСКЛ) и ЭВМ было решено создать промежуточное запоминающее устройство (ПЗУ) с оперативной памятью 4096 слов для обеспечения записи и запоминания данных наблюдений в интервале времени не менее 3-4 суток.
Исследование барометрического коэффициента нейтронной компоненты космических лучей в зависимости от изменения уровня атмосферного давления по данным станции Тбилиси
Появлением сигнала "конец" заканчивается запись информации. Этот сигнал через контакт 4IUI2-A поступает на У 6-Ю и с выхода У29, УЗО образуется команда блокировки "+I" РГА. С выхода У6-І2 сигнал проходит УІ0, УІ6, У? и задерживается в ЛЗ, последующим образованием сигналов ГИ, установка "О", РрЧ РрА ——РГЧ, (выдача коде в регистр числа), установка "О" РГА и Ш.
С помощью этих сигналов содержимое регистра адреса переписывается в нулевую ячейку блока памяти и ПЗУ готово для приема очередной информации накопленного в РСКЛ в следующем интервале времени.
Блок памяти. Блок памяти ПЗУ построен на базе оперативного запоминающего устройства ЭВМ "Наири" и состоит из электронной части управления иферритового накопителя /87/.
Электронная часть управления содержит блок ячеек формирователей тока чтения и записи ФТ-І, ячейки дешифратора ДШ-І, блок ячеек токового ключа ПК, блок ячеек токового ключа запрета ТКЗ, блок ячеек формирователя тока запрета ФТЗ, ячейки местного управления МУ, ячейки кабельных усилителей КБУ, блок ячеек координатных трансформаторов КТ, блок ячеек усилителей воспроизведения УС. Она предназначена для записи и чтения информации в памяти ПЗУ.
Ферритовый накопитель предназначен для хранения информации и принцип его построения является матричным. Количество сердечников (слов) в разрядной матрице - 1024. Накопитель емкостью 4096 слов состоит из 4-х накопителей, в каждом 20 разрядных 1024 слова. Каждый из 4-х накопителей имеет свой формирователь тока чтения и записи. Формирователь тока запрета является общим для накопителя на 4096 слов.
Регистры числа (РГЧ) и адреса (РГА). Регистр числа предназначен для приема и выдачи кода числа в блок памяти и является 20 разрядным. Регистр числа имеет два входа с пульта управления и с ферритового накопителя. При приеме кода числа с пульта управления с местного устройства поступают сигналы установка "О" регистра числа и разрешение приема числа. При регенерации считанные сигналы через кабельный элемент поступают в регистр числа.
Регистр числа имеет связи Рг Ч — БП (выдача кода в блок памяти), БП —»— РгЧ (прием кода из блока памяти), РгЧ — РгА (выдача кода в регистр адреса), РтА—-РгЧ (прием кода из регистра адреса), РгЧ-«-ПУ (выдача кода на пульт управления) ДУ—РгЧ (прием кода с пульта управления).
Двенадцатый разрядный регистр адреса служит для приема кода адреса с пульта и для хранения и дешифрации адреса блока памяти. Регистр адреса работает в режиме счетчика. Предусмотрена возможность блокировки переноса "I" с десятого разряда на одиннадцатый разряд с целью проверки накопителя блока памяти каждого 1024 адреса. Регистр адреса с местного устройства управления принимает сигналы в регистровом режиме "установка нуля регистра адреса", "разрешение приема адреса", а в режиме счетчика - +1 (перепись). Регистр адреса имеет связи: РгА- -РгЧ (выдача кода в регистр числа), РгЧ-—РгА (прием кода из регистра числа) ПУ-— РгА (прием кода с пульта управления) РгА—ПУ (выдача кода на пульт у правде ния).
Пульт управления. Пульт управления ПЗУ предназначен для пуска и остановки устройства, выбора режима работы и световой индикации. На пульте управления имеются переключатели для выбора режимов работы устройства и схемы ивдиквции, положения контрольного триггера (пуск) и сбоя работы блока памяти (стоп). На пульте имеется возможность контролировать режимы записи и чтения.
Частота следования импульсов от генератора регулируется плавно при помощи потенциометра в диапазонах (1-5)гц (Ю0-20)кгц (300 500) кгц.
На пульте управления имеются клавишные микропереключатели (МПІ-МГІ20). Каждый переключатель подает на кодовую шину числа соответствующего разряда блока памяти нижнего или верхнего уровня в зависимости от информации, записывающей в данном разряде. Одновременно переключатели замыкают единичные выходы всех рэзря- дов с диодной сборкой, тем самым осуществляя контроль при положении тумблера "контроль числа". Группа микропереключателей(МП1-ШІ20) используется при записи и чтении с контролем произвольного числа, а также при контроле работы любого разряда блока памяти. Клавиш запись и чтение "Зп/чт" обеспечивает режим записи или чтения, подаваемого разрешающего или запрещающего уровня на триггера Зп/чт. При записи триггер устанавливается в "О" положение, а при чтении - в "I". Клавиш "разрешение регенерации" обеспечивает режим восстановления записываемой информации. Клавиш "разрешение приема числа" обеспечивает запись "I" и запись произвольного числа, выдавая сигнал "разрешение приема числа" в каждом такте. Клавиши "стоп" и "ввод" дают возможность ручной остановки устройства и ввода информации в ЭВМ посредством подачи сигналов запрещающего и разрешающего уровня.
