Содержание
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ 5 РАБОТЫ
1. Актуальность темы................................ 5
2. Цель работы...................................... 6
3. Научная новизна.................................. 6
4. Результаты, выносимые на защиту.................. 7
5. Практическая ценность работы..................... 7
6. Апробация работы................................. 8
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ 9 ИССЛЕДОВАНИЙ ПОТОКОВ ЛЕГКИХ ЯДЕР В РАДИАЦИОННОМ ПОЯСЕ ЗЕМЛИ
1.1 Результаты экспериментальных измерений потоков легких ядер 2Н, 3Н, 3Нс и 4Не в радиационном поясе Земли. 9
1.2 Механизмы генерации захваченных легких ядер во
внутреннем радиационном поясе............................ 12
Заключение к главе 1..................................... 19
ГЛАВА 2. ТЕЛЕСКОПЫ - СПЕКТРОМЕТРЫ НИНА И НИНА-2 20
2.1 Описание полупроводникового телескопа-спектрометра 20
2.2 Входная и считывающая электроника.................... 22
2.3 Триггерная логика.................................... 24
2.4 Система обработки и сбора информации................. 25
2.5 Структура информации, принимаемой с приборов НИНА и
НИНА-2................................................... 30
Заключение к главе 2.................................. 31
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ 32
ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ
3.1 Метод остаточного пробега............................ 33
3.2 Метод аппроксимации кривой Бете-Блоха................ 35
3.3 Восстановление начальной энергии частиц.............. 38
Заключение к главе 3...................................... 38
2
ГЛЛВЛ 4. КАЛИБРОВКА ПРИБОРОВ НИНА, НИНА-2 И 40
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
4.1 Алгоритм идентификации событий........................... 40
4.1.1 Предварительный отбор треков.................. 40
4.1.2 Оптирование треков............................ 43
4.1.3 Определение заряда, массы и энергии
зарегистрированных ядер............................. 45
4.2 Калибровка телескопов-спектрометров НИНА и НИНА-2 46
4.2.1 Энергетическая градуировка...................... 47
4.2.2 Определение энергетического разрешения.......... 50
4.2.3 Массовое изотопное разрешение приборов НИНА и НИНА-2.............................................. 52
4.3 Вычисление светосилы и функции отклика прибора........... 56
Заключение к главе 4......................................... 66
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 68 ИССЛЕДОВАНИЙ ПОТОКОВ ЛЕГКИХ ЯДЕР ВО ВНУТРЕННЕМ РАДИАЦИОННОМ ПОЯСЕ ЗЕМЛИ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА БОРТУ КА РЕСУРС-01 №4 И МИТА
5.1 Условия проведения измерений на орбите................... 69
5.1.1 Определение радиационных условий................... 69
5.1.2 Формирование банка экспериментальных данных и расчет времени экспозиции................................ 74
5.1.3 Надежность полученных экспериментальных данных.... 77
5.2 Результаты экспериментального изучения захваченных геомагнитным полем Земли потоков легких ядер................. 78
5.2.1 Питч-угловос и массовое распределения
зарегистрированных во внутреннем радиационном поясе легких ядер, оценка фона................................. 78
5.2.2 Энергетические спектры захваченных ядер изотопов водорода 2Н, 3Н и гелия 3Не, 4Не......................... 82
5.2.3 Относительная распространенность изотопов легких
ядер во внутреннем радиационном поясе.................... 86
Заключение к главе 5......................................... 87
3
ГЛАВА 6. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ПОТОКОВ ЛЕГКИХ ЯДЕР ВО 89 ВНУТРЕННЕМ РАДИАЦИОННОМ ПОЯСЕ ЗЕМЛИ
6.1 Описание методики расчета.......................... 89
6.1.1 Определение величины направленных потоков протонов в радиационном поясе....................... 93
6.1.2 Решение уравнения движения заряженной частицы в геомагнитном поле................................... 96
6.1.3 Модели магнитного ноля и атмосферы Земли...... 97
6.1.3.1 Модель магнитного поля Земли.......... 98
6.1.3.1 Модель атмосферы Земли................ 100
6.1.4 Сечения ядерных взаимодействии протонов с кислородной и гелиевой мишенями....................... 103
6.1.5 Ионизационные потери захваченных легких ядер в атмосфере........................................... 107
6.2 Сравнение результатов проведенного численного расчета с экспериментальными данными и с результатами вычислений,
сделанных в других работах............................. 109
Заключение к главе 6................................... 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123
4
Введение. Общая характеристика диссертационной работы.
1. Актуальность темы.
Одним из важнейших открытий середины XX века является обнаружение пояса захваченной магнитным полем Земли радиации, интенсивность которой в миллионы раз превышает интенсивность космических лучей за пределами магнитосферы. Как известно в настоящее время, основными составляющими радиационного пояса Земли являются электроны и протоны. Внутренний радиационный пояс состоит преимущественно из протонов. Высокоэнергичные протоны образуются при распаде альбедных нейтронов, которые, в свою очередь, рождаются в результате взаимодействия космических лучей с ядрами атмосферных атомов. Протоны внутреннего радиационного пояса, взаимодействуя с остаточной атмосферой, могут являться источником вторичных захваченных частиц. Для генерации вторичных захваченных протонов этот процесс менее эффективен, чем распад альбедных нейтронов, однако, для образования тяжелых изотопов водорода и изотопов гелия он является существенным. Захваченные протоны дают в образование изотопов легких
2 2 2 и
ядер ( Н, Н, Не, Не) во внутреннем радиационном поясе по крайней мере на порядок больший вклад, чем может дать ядерное взаимодействие галактических космических лучей (ГКЛ) с атмосферой. Другим возможным источником захваченных легких ядер могут быть солнечные космические лучи (СКЛ), образующиеся при ускорении частиц во время вспышек на солнце, и аномальная компонента космических лучей (АКЛ).
В последнее время интерес к изучению ядерной компоненты радиационного пояса возрос в связи с возможностью проведения детальных исследований ее изотопного состава, энергетических, временных и пространственных распределений с использованием прецизионных спектрометров на основе полупроводниковых детекторов, которые стали широко использоваться в космических исследованиях с начала 90-ых годов. Наряду с фундаментальным вопросом об источнике изотопов легких ядер во внутреннем радиационном поясе такие экспериментальные исследования помогут решить некоторые прикладные задачи. Например, учет изотопного состава захваченной радиации имеет большое значение при подготовке экспериментов в околоземном пространстве и при анализе экспериментальной информации. Поэтому, настоящая диссертационная работа, посвященная экспериментальному изучению захваченных потоков легких ядер во внутреннем радиационном поясе Земли, а также теоретическому исследованию механизмов их образования с использованием
5
разработанной численной модели, которая рассматривает в качестве основного источника легких ядер ядерное взаимодействие протонов радиационного пояса с остаточной атмосферой и учитывает образование вторичных частиц вдоль всей траектории захваченных протонов, является актуальной.
2. Цель работы.
1. Определение физических характеристик телескопов-спектрометров НИНА и НИНА-2 по данным калибровки приборов на ускорителе и при помощи моделирования.
2. Исследование потоков изотопов легких ядер во внутреннем радиационном поясе на основе обработки и анализа данных, полученных в эксперименте НИНА в период с ноября 1998г. но март 1999г. и в эксперименте НИНА-2 в периоде октября 2000г. по август 2001г.
3. Разработка численной модели генерации изотопов легких ядер во внутреннем радиационном поясе.
3. Научная новизна.
1. Во внутреннем радиационном поясе Земли впервые зарегистрирован поток захваченных ядер трития, и измерен энергетический спектр трития в диапазоне энергий от 5 до 20 МэВ/нукл.
2. В энергетических диапазонах от 5 до 30 МэВ/нукл. и от 10 до 50 МэВ/нукл. получены новые экспериментальные данные по потокам захваченных магнитным полем Земли ядер дейтерия и изотопов гелия, соответственно.
3. Получена энергетическая зависимость отношения потоков захваченных ядер тяжелых изотопов водорода 3Н/2Н. В диапазоне энергий 5-г20 МэВ/нукл. отношение
Я л)
Н/ И равно ~0.1 и уменьшается с ростом энергии.
4. Разработана методика расчета потоков легких ядер, которые рождаются при взаимодействии захваченных протонов с остаточной атмосферой во внутреннем радиационном поясе Земли. Эта методика учитывает образование вторичных ядер вдоль всей траектории захваченных магнитным нолем Земли протонов, а также угловую зависимость сечения образования легких ядер на кислородной мишени.
5. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показывает, что взаимодействие геомагнитно-захваченных протонов с остаточной атмосферой
6
является достаточным источником изотопов легких ядер во внутреннем радиационном поясе.
4. Результаты, выносимые на защиту.
1) Первое измерение энергетического спектра захваченных на геомагнитных оболочках 1.1 </.<1.3 ядер трития. Показатель спектра захваченных ядер 3Н в диапазоне энергий от 5 до 20 МэВ/нукл. равен 3.3±0.7.
2) Новые экспериментальные измерения потоков ядер дейтерия и изотопов гелия во внутреннем радиационном поясе в энергетическом диапазоне от 5 до 50 МэВ/нукл. в период 1998-2001 гг. Показатель энергетического спектра ядер дейтерия равен 1.7±0.1; показатели спектров ядер изотопов гелия Не и Не равны 2.5±0.4 и 3.9±0.6, соответственно.
3) Результаты измерения отношений 3Не/4Не и 3Н/2Н во внутреннем радиационном поясе в экспериментах НИНА и НИНА-2. Величина отношения 3Не/4Не равна 1.9+0.2 при энергии около 13 МэВ/нукл. и возрастает с ростом энергии. Отношение 3Н/2Н равно ~ 0.1 при энерг ии около 8 МэВ/нукл. и уменьшается с ростом энергии.
4) Методика численного расчета потоков захваченных ядер изотопов водорода и гелия на геомагнитных оболочках, меньших 1.3. Эта методика учитывает образование вторичных ядер при взаимодействии захваченных протонов с остаточной атмосферой вдоль всей траектории протонов, а также угловую зависимость сечения образования легких ядер на кислородной мишени. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показывает, что взаимодействие геомагнитно-захваченных протонов с остаточной атмосферой является достаточным источником легких ядер изотопов водорода Н, Н и гелия Не, Не во внутреннем радиационном поясе.
5. Практическая ценность работы.
Результаты расчетов, сделанных по разработанной численной модели, согласуются с хорошей точностью с экспериментальными потоками, зарегистрированными в экспериментах НИНА, НИИА-2, 8АМРЕХ и С1ШЕ8 в различные периоды солнечной активности, что дает основание использовать эту модель для расчетов ожидаемых потоков легких ядер во внутреннем радиационном поясе. Полученные новые экспериментальные результаты позволяют ответить на вопрос об источнике изотопов
7
легких ядер во внутреннем радиационном поясе Земли, а также могут быть использованы для уточнения существующих и вновь создаваемых расчетных моделей.
6. Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на:
1. 26-ой Всероссийской конференции по космическим лучам, Дубна, 2000г.
2. Научной сессии МИФИ, Москва 2001г.
3. 27th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany, 2001.
4. Sixth School on Non-Accelerator Astroparticlc Physics, Trieste, Italy, 2001
5. Научной сессии МИФИ, Москва 2002г.
6. 18th European Cosmic Ray Session, Moscow, 2002.
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных научных работ.
8
Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических исследований потоков легких ядер в радиационном поясе Земли.
1.1 Результаты экспериментальных измерений потоков ядер 2Н, 3Н, 3Нс, и 4Нс в радиационном попсе Земли.
Первое сообщение о наблюдении захваченного трития появилось еще в 1960 году [1]. В энергетическом диапазоне 126-^200 Мэв при помощи стоики ядерных эмульсий было зарегистрировано пять захваченных ядер трития и одно ядро дейтерия. В качестве источника этих ядер рассматривалось взаимодействие захваченных протонов с остаточной атмосферой. В то же время не наблюдалось захваченных ядер гелия, что объяснялось различным временем жизни ядер гелия и трития в атмосфере, а также разным сечением образования вторичных ядер изотопов водорода и гелия [1]. Более надежные экспериментальные данные об изотопном составе захваченного водорода были получены лишь в начале 90-ых при помощи прибора РЕТ на борту спутника SAMPEX. Результаты этого эксперимента показывают, что в радиационном поясе в диапазоне энергий 18 -ь 58 МэВ/нукл. распространенность дейтерия составляет около 1% от распространенности протонов той же энергии [2]. В работе [3] содержится указание на присутствие захваченных ядер трития в энергетическом диапазоне 14^-35 МэВ/нукл. на геомагнитных оболочках, меньших 1.2. По приведенным в этой работе оценкам ноток трития составлял 1/8 от потока дейтерия в радиационном поясе.
Несколько лет спустя после экспериментального открытия радиационного пояса Земли и определения его основных составляющих (электронов и протонов) Б.А. Тверским было теоретически предсказано и обосновано существование пояса быстрых а-частиц [4]. Вскоре ядра гелия в радиационном поясе Земли действительно были обнаружены в эксперименте на спутнике Injun 4 в 1964 г. [5]. Дальнейшее изучение захваченного гелия проводилось в ходе целого ряда экспериментов, например [6-18], в которых ядра гелия в радиационном поясе регистрировались с энергиями до 18 МэВ/нукл. Характерной особенностью зарегистрированных захваченных ядер являлось их распределение по локальным питч - углам. Это распределение имеет пик при углах ~ 90°, так как частицы с меньшими питч - углами опускаются на более низкие высоты и теряют там значительно больше энергии при взаимодействии с атмосферой. Также результаты первых экспериментов показали, что пик распределения зарегистрированных захваченных ядер по геомагнитным оболочкам смещается в
9
сторону меньших Ь -оболочек при возрастании энергии этих ядер, что находится в согласии с существующими теоретическими представлениями [4, 19, 20]. Так поток захваченного гелия с энергией 4ч-6 МэВ/нукл. достигал наибольшего значения при 1 = 2.35 [12], в то время как пик распределения гелия с энергией 7ч-15 МэВ/нукл. находился при 1 = 1.85 [21]. Результаты первых измерений энергетического спектра захваченных ядер гелия представлены в таблице 1.1, в которой приведены значения степенного показателя энергетического спектра частиц, зарегистрированных в разных энергетических диапазонах и на различных геомагнитных оболочках.
Таблица 1.1. Результаты экспериментального исследования энергетического спектра захваченного гелия.
Энергия, МэВ/нукл. <2.5 0.25+2.5 0.25+2.5 <1 <1 4+18
L -оболочка 1.58+2.13 2.3+2.4 3.3+3.4 2.5+2.75 3.5+3.75 1.85+2.65
Показатель спектра 0(плоский спектр), [9] 2.4, [И] 4.9,[11] 3.7, [14] 7.1,[14] 5.511.3, [12]
Представленные в таблице данные показывают, что с увеличением энергии спектр захваченного гелия становится более крутым. Очевидно также значительное смягчение спектра с ростом геомагнитной оболочки.
Энергетический спектр захваченных ядер гелия при более высоких энергиях (~40ч-100 МэВ/нукл.) был измерен при помощи прибора ONR-604, установленного на борту спутника CRRES, в 1990 И 991 гг. Спутник находился на высокоэллиптической орбите с наклонением 18.2° (перигей 350 км, апогей 33580 км). В диапазоне геомагнитных оболочек 1.9-S-2.3 показатель спектра составлял величину 10.7±0.7, а в диапазоне 1.15ч-1.3 - величину 6.811.0 [22]. В этом же эксперименте были получены первые экспериментальные данные об изотопном составе захваченного гелия [23]. Изотопный состав ядер гелия в радиационном поясе в энергетическом диапазоне 5ч-15 МэВ/нукл. измерялся при помощи прибора MAST, установленного на борту спутника SAMPEX [24], который был выведен на полярную орбиту с наклонением 82°. В этих экспериментах было обнаружено, что во внутреннем радиационном поясе распространенность изотопа 3Нс выше, чем изотопа 4Не, по крайней мерс на геомагнитных оболочках, меньших 1.5.
При помощи прибора ONR-604 было получено, что отношение потоков ядер изотопов гелия 3Не/4Не в интервале энергий 51-86 МэВ/нукл. составляло величину 7.412.6 на геомагнитных оболочках 1.15 ч-1.3 и 2.210.6 на геомагнитных оболочках
10
1.8-г2.15 [25]. Это отношение уменьшалось с ростом энергии в первом диапазоне £- оболочек и увеличивалось во втором [23]. Также в этом эксперименте были определены значения степенных показателей энергетических спектров захваченных ядер изотопов гелия. На геомагнитных оболочках 1.15 ч-1.3 экспериментальные энергетические спектры ядер 3Не и 4Не имеют степенные индексы 7.8 ±1.0 и 4.0 ±2.1, соответственно. На оболочках 1.8 ч-2.15 эти спектры характеризуются индексами
12.1 ± 0.9 и 14.5 ± 0.6 (рис. 1.1). В качестве основного источника ядер изотопов гелия во внутреннем радиационном поясе в работах [23, 25] рассматривалось взаимодействие захваченных прогонов с атмосферой. Для объяснения существенного различия между отношением 3Не/4Не на геомагнитных оболочках £«1.2 и £«1.9 предполагалось, что область взаимодействия захваченных протонов находится на меньшей высоте при £=1.2, чем при £=1.9. Тогда образование вторичных легких ядер будет происходить при взаимодействии протонов не только с атмосферным гелием, но и с кислородом, распространенность которого на низких высотах выше. А сечение образования высокоэнергичных ядер 3Нс при взаимодействии протонов с кислородом больше, чем ядер 4Не с гой же энергией на нуклон [23, 25].
Кинетическая энергия, (МэВ/нукл.)
Рис. 1.1 Энергетические спектры зарегистрированных в эксперименте СКРЕБ захваченных ядер изотопов гелия [25]
11
- Київ+380960830922