2
Оглавление
Оглавление
Оглавление.............................................................................2
Список сокращений.................................................................... 5
Введение............................................................................. 6
Актуальность работы.................................................................6
Содержание работы...................................................................7
Цель работы.........................................................................8
Задачи работы.....................................................................д.8
Научная значимость и новизна работы.................................................8
Практическая ценность работы........................................................8
Личный вклад автора.................................................................9
Основные положения, выносимые на защиту.............................................9
Апробация работы...................................................................10
Глава 1 Исследование потоков нейтронов на высотах ниже 450 километров................11
1.1 Свойства нейтронов.............................................................11
1.2 Источники нейтронов в околоземном космическом пространстве.....................12
1.3 Нейтроны альбедо............................................................. 13
1.4 Распределение нейтронов в атмосфере............................................14
1.5 Вариации нейтронов в атмосфере.................................................16
1.6 Спектр нейтронов в атмосфере...................................................17
1.7 Источники нейгронов вблизи поверхности Земли...................................20
1.8 Нейтроны, генерируемые во время грозы..........................................20
1.8.1 Эксперименты по обнаружению нейтронов от гроз..............................21
1.8.2 Теория образования нейтронов в стволе молнии...............................22
1.8.3 Теория образования нейтронов от убегающих электронов.......................23
1.8.4 Возникновение у-вспышек во время гроз......................................24
1.9 Регистрации нейтронов на низкоорбитальных космических аппаратах................27
1.9.1 Эксперимент на спутнике «ООО-б»............................................27
1.9.2 Эксперимент на станции «Салют-6»...........................................27
1.9.3 Эксперимент «Рябина-2».....................................................28
1.9.4 Эксперимент «Скорпион».....................................................29
1.9.5 Эксперимент «БТН-Нейтрон»..................................................30
1.9.6 Эксперимент «Колибри-2000».................................................30
3
Оглавление
1.10 Сложности анализа полученных экспериментальных данных..........................33
1.11 Постановка задачи..............................................................36
Глава 2 Методы расчета распространения нейтронов в атмосфере...........................38
2.1 Основные свойства атмосферы.....................................................38
2.2 Взаимодействие нейтронов с веществом............................................41
2.3 Захват нейтронов................................................................42
2.4 Замедление и диффузия нейтронов.................................................43
2.4.1 Замедление при различных энергиях............................................44
2.4.2 Пространственное распределение и диффузия....................................46
2.4.3 'Германизация и распространение нейтронов в атмосфере.......................Л48
2.4.4 Применимость диффузионного приближения при рассмотрении процесса распространения нейтронов в атмосфере.........................................51
2.5 Методы расчета..................................................................52
2.5.1 Аналитическое решение уравнения диффузионного распространения нейтронов в случае однородной среды.................................................:.....52
2.5.2 Численное решение диффузионного уравнения распространения нейтронов с помощью разностной схемы......................................................53
2.5.3 Расчет процесса распространения нейтронов в среде с номощыо метода клеточных автоматов.....................................................................54
2.5.4 Моделирование процесса диффузии методом Монте-Карло..........................58
2.5.5 Использование пакета Оеап14 для расчета распространения нейтронов............60
2.6 Результаты и выводы.............................................................62
I лава 3 Моделирование и анализ транспорта нейтронов в атмосфере.......................63
3.1 Применение клеточного автомата для расчета транспорта нейтронов.................63
3.1.1 Случай однородной среды......................................................65
3.1.2 Случай неоднородной среды...................................................*67
3.2 Применение метода Монте-Карло для расчета транспорта нейтронов..................72
3.2.1 Случай точечного источника...................................................72
3.2.2 Сравнение результатов........................................................73
3.3 Применение метода Монте-Карло для расчета транспорта нейтронов от гроз..........74
3.3.1 Моделирование источника нейтронов, образованного взаимодействием у-излучения с атмосферой........................................................75
3.3.2 Моделирование прохождения нейтронов в атмосфере, рожденных источником у-
•
излучения на разных высотах........................................................78
4
Оглавление
3.4 Применение метода Монте-Карло для расчета нейтронов альбедо......................85
3.5 Анализ результатов расчета.......................................................95
3.6 Результаты и выводы.............................................................104
Глава 4 Эксперимент по регистрации потоков нейтронов на малых орбитальных высотах.
............................................................................107
4.1 Описание и назначение эксперимента «Скафандр»...................................107
4.2 Исследование потоков нейтронов..................................................108
4.3 Технические характеристики аппаратуры «Разрез»..................................110
4.3.1 Испытания элементов комплекса ПА «Разрез»...................................113
4.3.2 Приемо-сдаточные испытания..................................................115
4.3.3 Конструкторско-доводочные испытания.........................................116
4.4 Получение высотного разреза распределения потоков нейтронов тепловых и малых
энергий.............................................................................117
4.5 Использование НА «Разрез» в космическом эксперименте без использования
скафандра...........................................................................118
4.6 Результаты и выводы.............................................................119
Заключение.............................................................................120
Выводы.................................................................................122
Благодарности.........................................................................1-23
Список литературы......................................................................124
5
Список сокращений
Список сокращений
ВАР - Восходящий атмосферный разряд
ДУ - Дифференциальное уравнение
КА - Клеточный автомат
КДИ — Конструкторско-доводочные испытания
КК — Космический корабль
КЛ - Космические лучи
ЛПЭ - Линейная передача энергии
ЛРУЭ - Лавина релятивистских убегающих электронов
МГУ - Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова
МКС - Международная Космическая Станция
МПД - Мощность поглощенной дозы
МСЦ РАН - Межведомственный Суперкомиыотерный Центр РАН НА - Научная аппаратура
НИВЦ МГУ - Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ
НИИЯФ МГУ - Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.
Скобельцына МГУ
ОДУ - Обыкновенное дифференциальное уравнение
ПСИ - Приемо-сдаточные испытания
РАН - Российская Академия Наук
РПЗ - Радиационные пояса Земли
УД - Уравнение диффузии
ФЭУ - Фотоэлектронный умножитель
ШАЛ — Широкий атмосферный ливень
ЮАА - Южно-атлантическая аномалия
с
6
Введение
Введение Актуальность работы
Диссертационная работ посвящена изучению потоков нейтронов на высотах низкоорбитальных (до 450 км) спутников и исследованию возможности их регистрации. '
Первое экспериментальное подтверждение генерации нейтронного излучения вследствие грозовой активности было получено в 1985 году [1]. Установка, расположенная вблизи области грозовой активности, регистрировала повышение счета нейтронов. Существуют современные экспериментальные наблюдения данного явления [2]. Тем не менее, вопрос о происхождении таких ней фонов остается открытым.
Одна из моделей генерации нейтронов вследствие грозовой активности предполагает наличие ядерного взаимодействия в стволе молнии [3]. Однако современным представлением является наличие сложного механизма взаимодействия тормозного излучения . релятивистских убегающих электронов образующихся во время грозы с атмосферой [4].
Экспериментальное наблюдение нейтронов проводилось не только на наземных установках, но и на орбитальных высотах. По результатам анализа экспериментальных данных по потокам нейтронов, полученных на борту орбитальной станции «МИР» и микроспутника «Колибри-2000» летавших на высоте -350 км, был сделан вывод о возможной корреляции наблюдаемого повышения нейтронного фона с грозовой активностью [5]. Однако наблюдение таких нейтронов связано с множеством трудностей.
Полный поток нейтронов на орбитальных высотах равен сумме потока нейтронов альбедо от атмосферы Земли, вторичных нейтронов, образованных в результате взаимодействия космических лучей и вещества космического аппарата и нейтронов от других источников. Одним из этих источников могут быть нейтроны от гроз. В случае малых аппаратов поток вторичных нейтронов достаточно мал. Поток нейтронов альбедо не зависит от аппарата. Зная характеристики и особенности потока нейтронов альбедо, можно выделить влияние других источников на величину полного потока. Тем не менее многие характеристики потоков нейтронов на высотах до 450 км остаются до сих пор недостаточно изученными.
7
£
Введение
Содержание работы
В первой главе данной работе проводится подробный анализ возможных источников нейтронов, которые могут быть зарегистрированы на борту спутника. Рассматриваются вопросы генерации нейтронов в атмосфере Земли от космического излучения и приведены механизмы генерации нейтронов вследствие грозовой активности. Дан обзор некоторых космических экспериментов, регистрировавших нейтроны. Проанализирован вопрос^ о трудности регистрации нейтронов от гроз на борту космических аппаратов в данных экспериментах.
Во второй главе рассматриваются теоретические вопросы, связанные с распространением нейтронов в атмосфере. Проведен анализ применимости диффузионного приближения при описании распространения нейтронов. Рассмотрен вопрос термолизации нейтронов. Дано подробное описание методов расчета транспорта нейтронов в атмосфере.
В третьей главе приведены расчеты распространения нейтронов. Разработана модель расчета распространения нейтронов методом клеточных автоматов. Рассмотрены вопросы принципиальной возможности наблюдения нейтронов от гроз на борту спутника. Приведены расчеты характеристик нейтронов альбедо Земли на орбитальных высотах. Приведены расчеты генерации нейтронов вследствие фотоядерных взаимодействий. Проведены расчеты характеристик нейтронов от гроз на орбитальных высотах. Обсуждаются условия наблюдения таких нейтронов.
В четвертой главе рассматривается вопрос о регистрации нейтронов на борту космического аппарата. Показана разработанная в НИИЯФ МГУ научная аппаратура «Разрез», предназначенная для регистрации нейтронов и других излучений, описаны испытания данной аппаратуры и се элементов. Исследуется возможность использования данной научной аппаратуры в космических экспериментах.
г
8
Введение
Цель работы
Целью данной работы является изучение потока нейтронов с энергией от тепловых значений до нескольких МэВ в околоземном пространстве на высотах до 450 км в области экваториальных широт и исследование возможности регистрации нейтронов от гроз на борту низкоорбитального спутника.
Задачи работы
с
1) Анализ основных источников нейтронов околоземного пространства.
2) Расчет характеристик нейтронов (спектр, пространственное и временное распределение на разных высотах), генерируемых во время грозы.
3) Моделирование процесса распространения нейтронов при различных параметрах их источников (высота, направленность, спектр) в атмосфере.
4) Сопоставление характеристик, полученных нейтронных потоков на высотах до 450 /ел/.
5) Анализ возможности регистрации нейтронов от гроз на боргу низкоорбитального спутника.
Научная значимость и новизна работы
Научная значимость и новизна работы определяются следующим:
1) Разработана оригинальная численная модель распространения тепловых нейтронов в неоднородной среде на основе метода клеточных автоматов, которая может быть использована для решения различных задач, требующих расчет транспорта нейтронов.
2) Рассчитаны характеристики источника нейтронов, генерируемых во время грозовой активности вследствие взаимодействия тормозного излучения релятивистских убегающих электронов с атмосферой, с учетом современных данных об источниках у-вспышек.
3) Рассчитаны характеристики потока нейтронов альбедо Земли на высотах до 450 /си.
4) Рассчитаны характеристики потока нейтронов от гроз на высотах до 450 км.
5) Путем сравнения результатов проведенных расчетов определены условия возможности наблюдения нейтронов от гроз на борту низкоорбитальных спутников.
Практическая ценность работы
Результаты моделирования могут быть использованы для получения потоков нейтронов на разных высотах, как во время грозовой активности, так и в се отсутствие. Полученные характеристики потоков нейтронов на высотах до 450 км могут быть учтены
9
Введение
при анализе данных космических экспериментов. Схемы и алгоритмы вычислений могут быть использованы в космической и авиационной отрасли для опенки радиационной обстановки.
Личный вклад автора
Автором проведен анализ проблем, возникающих при наблюдении нейтронов от гроз в реальных космических экспериментах. Проведен качественный теоретический анализ распространения нейтронов в атмосфере. На основе данного анализа автором разработана численная модель транспорта нейтронов, использующая метод клеточных автоматов. Автором разработана программа расчета распространения тепловых нейтронов в атмосфере Земли и программа расчета характеристик нейтронов альбедо Земли на высотах до 450 км. Совместно со студентом физического факультета МГУ Малышкиным Ю. М. (выполнявшим дублирующий расчет) разработаны программы расчета характеристик источника нейтронов от гроз и расчета характеристик таких нейтронов на высотах до 450 км. Автором проведен сравнительный анализ рассчитанных потоков нейтронов альбедо Земли и нейтронов от гроз на низкоорбитальных высотах. Автор участвовал в разработке конструкторской документации, создании и испытаниях научной аппаратуры «Разрез».
Основные положения, выносимые на защиту
В диссертационной работе защищаются результаты:
1) Результаты расчета распространения тепловых нейтронов до высот 450 км в атмосфере Земли,
2) Характеристики потоков нейтронов альбедо Земли на высотах до 450 км.
3) Характеристики нейтронов, генерируемых во время грозовой активности, в области генерации и на высотах до 450 км.
4) Результаты сравнительного анализа потоков нейтронов альбедо и ней тронов от гроз на высотах до 450 /си.
5) Возможность регистрации нейтронов от гроз в космических экспериментах.
г
10
Введение
Апробация работы
г
Материалы данной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1) Международная конференция AGU Chapman (Университет Пенн Стейт , США, 2009 г.)
2) Международная конференция «ТЕРА-2010» (Мор Амберд, Армения, 2010)
3) Международная конференция STP-12 (г. Берлин, Германия, 2010 г.)
4) Международная конференция NWP-08 (г. Нижний Новгород, Россия, 2008 г.)
5) Международная конференция WDS-2010 (г. Прага, Чехия, 2010 г.)
6) Международная научная конференция «Ломоносов-2009» (г. Москва, Россия, 2009 г.)
7) Международная конференция «Ломоносов-2010» (г. Москва, Россия, 2010)
8) Международная молодежная конференция «Космические исследования и образование» (г. Ульяновск, Россия, 2008 г.)
Материалы данной работы опубликованы в следующих рецензируемых журналах: Drozdov A., Amelushkin A., Bratolyubova-Tsulukidze L., Churilo I., Grigoriev A., Grigoryan O., Judin D., Mareev E., Nechaev O., Petrov V., Experiment based on spaccsuit «Orlan-М». Neuron fluxes from thunderstorm// J. Geophys. Res., Vol. 115, А00Е51,- 2010.
doi: 10.1029/2009JA014903 Grigoriev A.V., Grigoryan O.R., Drozdov A.Yu, Malyshkin Y.M., Popov Y.V., Mareev E.A., Judin D., Thunderstorm neutrons in near space: Analyses and numerical simulation// J. Geophys. Res., Vol. 115, A00E52, - 2010. - doi: 10.1029/2009JA014870.
Кроме этого, материалы опубликованы в 12 работах трудов и тезисов конференций. Две работы в рецензируемых трудах конференции находятся на стадии рецензирования.
11
Глава 1
ГЛАВА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ НА ВЫСОТАХ НИЖЕ 450 КИЛОМЕТРОВ 1.1 Свойства нейтронов
В 1930 году Боте и Беккер [6] обнаружили искусственную гамма-радиоактивность, подвергая облучению альфа частицами литий, бериллий, бор и др. Для бериллия Боте и Беккер предположили, что возбуждение ядра происходит в результате захвата альфа частиц. Впоследствии реакция Be 4- а была детально изучена Жолио- Кюри. Используя ионизационную камеру, он нашел, что кроме у-лучей имеется проникающая радиация, которая могла бы выбивать протоны с энергией около 5 МэВ из водородсодержащих веществ. В 1932 году Чадвик предположил, что, помимо у-излучения, испускается до того неизвестная нейтральная частица с малой массой, равной примерно массе прогона, и назвал эту частицу «нейтрон» (символ п). Согласно Чадвику, реакция взаимодействия бериллия с альфа частицей, в результате которой возникает нейтрон, выглядит так [7]:
Be9 4- а -> С12 4- п или #е9(сг,п)С12
Поскольку свободные нейтроны не были ранее обнаружены, естественно было предположить, что они, как свободные частицы, неустойчивы. Откры тие нейтрона позволило
л
в то время объяснить многие вопросы строения ядра. В 1932 году Гейзенберг предположил, что ядра состоят только из протонов и нейтронов, которые являются стабильными внутри ядра.
В 1935 году Чадвик и Гольдгабер показали, что точное определение массы нейтрона может быть произведено с учетом энергии связи дейтрона:
Ed
Щг ГПр "1“ £.2
Таким образом, масса нейтрона оказалась равной 1,67* 10'24 г или 1.008 а.е.м.
#
Масса нейтрона больше массы протона на 0,84*1 О*3 а.е.м. По этой причине нейтрон может распасться на протон и электрон с максимальной энергией 0,84-0,93 МэВ = 782 кэВ. Такой бстта распад наблюдался Снеллом в 1948 г.
п -> р 4- е 4- V
В 1958 году Спивак показал, что период полураспада равен 11,7 минуты. В соответствии с современными данными [8] время жизни нейтрона составляет 878,5 ± 1 с (-14,5 мин.).
- Київ+380960830922