ОГЛАВЛЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ. ГЛАВА 1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВАРИАЦИЯМ ИКЛ.
1.1. Характеристики основных типов вариаций ИКЛ с. 12
1.2.1. Вариации ИКЛ атмосферного происхождения с. 12
1.2.2. Вариации ИКЛ внеземного происхождения с. 13
1.3. Короткопериодические вариации ИКЛ с. 15
ГЛАВА 2. ОБЗОР ДЕЙСТВУЮЩИХ УСТАНОВОК ПО РЕГИСТРАЦИИ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУНЕЙ.
2.1. Современные требования к физическим установкам для изучения вариаций космических лучей с. 19
2.2. Нейтронный монитор. с.20
2.3. Мюонный телескоп в г. Нагойя (Япония) с.22
2.4. Сцинтилляционный телескоп ИЗМИРАН (г.Москва) с.24
2.5. Новые разработки детекторов для изучения вариаций с.24
2.6. Недостатки существующих установок. с.25
ГЛАВА 3: РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ГОДОСКОПА ПЛОЩАДЬЮ 3x3 м2
3.1. Определение основных характеристик детектора с.31
3.2. Расчет оптимальных вариантов построения детектора с.34
3.3. Конструкция и расположение установки с.38
3.4. Схема усилителей-формирователей сигналов ФЭУ с.42
3.5. Блок-схема электроники установки с.44
3.6. Программное обеспечение для on-line обработки данных с.51
3.7. Определение эффективности регистрации частиц годоскопом с.54
2
ГЛАВА 4: УГЛОВЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАННЫХ ГОДОСКОПА ТЕМП.
4.1. Расчет светосилы годоскопадля разных направлений.
4.2. Измерение углового распределения ИКЛ.
4.3. Определение зависимости ИКЛ от зенитного угла.
4.4. Определение зависимости асимптотических направлений прихода протонов от энергии и направления мюона.
4.5. Статистические характеристики срабатывания отдельных детекторов годоскопа.
4.6. Статистические характеристики данных интегральной интенсивности мюонов.
ГЛАВА 5: ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОЭФФЕКТОВ ИКЛ ПО ДАННЫМ ГОДОСКОПА ТЕМП.
5.1. Определение барометрического и температурного эффекта ИКЛ в зимний и летний сезоны.
5.2. Определение изменений температуры воздуха на различных высотах в атмосфере по данным дифференциальной интенсивности космических лучей.
ГЛАВА 6: ВЫЯВЛЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДАННЫХ ГОДОСКОПА ТЕМП.
6.1. Волновые процессы: математический аппарат.
6.2. Определение статистических характеристик функции плотности спектра мощности с помощью моделирования.
6.3. Алгоритмы программ для выявления скрытых период и чностей в данных мюонного годоскопа ТЕМП.
с.55 с.58 с.59
с.61
с.62
с.65
с.68
сЛЗ
с. 7 8 с.81 с.85
ГЛАВА 7: КОРОТКОПЕРИОДИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ ИКЛ АТМОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.
7.1. Основные причины и характеристики вариаций
космических лучей атмосферного происхождения. с.86
7.2. Вариации космических лучей, вызванные внутренними гравитационными волнами от конвективно-грозовых явлений, с.90
7.3. Вариации космических лучей, вызванные внутренними гравитационными волнами от атмосферных фронтов. с.98
7.4. Вариации космических лучей, вызванные акустическими
волнами в атмосфере перед ураганом 20 июня 1998года. с. 102
ГЛАВА 8: ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВО ВРЕМЯ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЯ 25 АВГУСТА 1998 ГОДА.
8.1. Вариации ИКЛ по данным нейтронного монитора ИЗМИРАН
и мюонного годоскопа ТЕМП 25-27августа 1998 года. с. 106
8.2. Корреляция флуктуаций ИКЛ и различных атмосферных параметров во время Форбуш-эффекта 25августа 1998года. с.109
8.3. Амплитудные и частотные характеристики вариаций ИКЛ
в ячейках годоскопа с различным угловым разрешением. с.112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. с.115
ЛИТЕРАТУРА с.117
4
ВВЕДЕНИЕ.
В начале 20 века в результате измерений ионизации воздуха было открыто проникающее космическое излучение. В 30-х годах было установлено, что интенсивность этого излучения меняется со временем, что послужило началом систематического изучения вариаций интенсивности космических лучей (ИКЛ). С помощью нейтронных мониторов и сцинтилляционных телескопов (интегральных детекторов) за период времени с середины 40-х г. до 80-х г. были обнаружены все известные к настоящему времени типы вариаций, как космического, так и атмосферного происхождения.
В результате многочисленных экспериментов в 80-х и 90-х годах выяснилось, что ионизация воздуха космическими лучами оказывает существенное воздействие на многие крупномасштабные процессы в земной атмосфере. К настоящему времени получены предварительные указания о наличии значимых корреляций между вариациями ИКЛ и содержанием озона в верхней атмосфере [1,2], циклонической активностью в атмосфере над океанами [3], интенсивностью выпадения осадков [4], изменением прозрачности и образованием облачности [5,6], 22-х летними периодами засух [7]. Изучение вариаций ИКЛ и их корреляций с различными физическими процессами на Земле приобретает в настоящее время важнейшее практическое значение. Вариации ИКЛ содержат ценную информацию о различных физических процессах, происходящих в межпланетной среде, магнитосфере и атмосфере Земли.
Для вариаций, возникающих в межпланетной среде, характерными являются времена 20 4- 400 минут. Их изучение имеет фундаментальное значение для определения механизмов возникновения вспышек на Солнце, генерирующих частицы высокой энергии, а также для решения проблемы
распространения галактических космических лучей в солнечной системе и их взаимодействия с солнечным ветром.
Для атмосферных вариаций наиболее характерны времена 2-20 минут. Их исследование имеет важное прикладное значение для мониторинга состояния земной атмосферы, в том числе для изучения характеристик акустических и внутренних гравитационных волн, а также их влияния на атмосферные процессы.
Вариации ИКЛ с характерными временами больше 6 часов в основном уже подробно изучены. При регистрации интегральными детекторами вариаций с периодом менее часа возникли значительные трудности. С уменьшением периода вариации ИКЛ, отклик таких детекторов снижается до уровня статистического шума, а достоверность вариации становится ниже 95%. Относительная амплитуда статистического шума, в принципе, может быть уменьшена за счет улучшения статистики измерений, т.е. при увеличении площади установок и (или) подъема их над уровнем земли. Однако, даже при использовании сцинтилляционных телескопов площадью 60м2, расположенных на высоте 5км над уровнем моря, амплитуда короткопериодических вариаций оказалась на уровне статистических ошибок.
Источником вариаций ИКЛ могут быть, например, вспышки на Солнце или волновые процессы в гелиосфере. Для выделения источников вариаций, повышения относительной амплитуды и достоверности их регистрации, необходимо использовать детекторы с высоким угловым и временным разрешением. Для вспышек такое утверждение очевидно и не требует дополнительных пояснений. Для колебательных процессов такие разъяснения необходимо сделать. С уменьшением периода колебаний их длина волны также уменьшается, поскольку фазовая скорость конечна. Когда апертура интегрального детектора станет больше видимого с
поверхности Земли углового размера длины волны колебательного процесса, то возникнет взаимная компенсация от вариаций тех частиц, которые прошли через среду с возмущениями разной полярности. В результате амплитуда отклика детектора на коротковолновые вариации уменьшится по сравнению с длинноволновыми колебаниями. Чем меньше период колебаний, тем большее число длин волн попадет в апертуру детектора и тем меньше амплитуда вариации в данных детектора. Следовательно, для изучения короткопериодических вариаций необходимо использовать детекторы с высоким угловым разрешением.
Изучение вариаций космических лучей на уровне земли проводится на мюонных телескопах и нейтронных мониторах площадью -10м2. Оба типа детекторов обладают угловым разрешением > 30° градусов, в то время как, для выявления анизотропных явлений в гелиосфере (вспышки, волны) требуются установки с угловым разрешением -1°. Мюонная компонента космических лучей отличается на порядок большим темпом счета на поверхности Земли, по сравнению с нейтронной, и возможностью более точного определения направления. На практике, мюоны регистрируются сцинтилляционными детекторами, для которых характерны высокая стабильность работы и низкие затраты на эксплуатацию.
Для восстановления направления частицы при минимальном числе каналов регистрации, установка нового поколения должна содержать две или три координатных плоскости, каждая из которых состоит из двух слоев ортогонально расположенных сцинтилляционных детекторов с длиной > Зм. При построении широкоапертурной (-2я) установки, расстояние между ее координатными плоскостями должно быть равно -1м. Для достижения углового разрешения -1е нужно выбрать ширину детекторов в слое равной -2см. Для повышения эффективности регистрации установки
(>99%), необходимо использовать детекторы с числом фотоэлектронов >10ф.э. и около тысячи каналов наносекундной электроники с порогом регистрации ~1ф.э.
Таким образом, сцинтилляционный детектор нового поколения установок, предназначенных для изучения короткопериодических вариаций ИКЛ, должен иметь следующие характеристики: длину >3м, ширину -2см, эффективность регистрации >99% .
Цель работы
Разработка и создание сцинтилляционного годоскопа с широкой апертурой и эффективностью регистрации > 99%, угловым разрешением 1 °, рабочей площадью 9м2 для изучения вариаций интенсивности космических лучей .
Научная новизна
1. Разработан, изготовлен и запущен в непрерывную эксплуатацию широкоапертурный мюонный сцинтилляционный годоскоп ТЕМП для изучения вариаций космических лучей. Установка имеет уникальную совокупность рабочих характеристик: пространственное разрешение 2.2 см, угловое разрешение 1°, эффективность регистрации релятивистских частиц более 99% при рабочей площади 9 м2.
2. На основании обработки данных годоскопа ТЕМП экспериментально доказано, что использование детекторов с высоким угловым разрешением повышает достоверность выявления колебательных процессов в межпланетной среде и в атмосфере Земли в десятки и сотни раз по сравнению с широко используемыми детекторами интегрального типа.
3. Впервые зарегистрированы акустические и внутренние гравитационные волны в атмосфере с помощью мюонного годоскопа с уровнем достоверности выше 99.99%.
4. Впервые показано, что отличия в относительных амплитудах мюонной и нейтронной компоненты космических лучей во время Форбуш-понижения могут быть объяснены изменениями в распределении плотности атмосферы по высоте.
5. Впервые, во время Форбуш-понижения, в интенсивности космических лучей на поверхности Земли выделен квазипериодический сигнал продолжительностью более 10 периодов с амплитудой, в несколько раз превышающей статистическую погрешность измерений.
Практическая значимость.
1. На основании проведенных расчетов - определены наиболее перспективные варианты построения крупногабаритных
сцинтилляционных годоскопов, сделаны оценки величины относительного световыхода при различных конфигурациях изготовления их отдельных детекторов.
2. Результаты непрерывного мониторинга изменений характеристик атмосферы (температуры, плотности воздуха) с помощью мюонного годоскопа могуч' быть использованы в практической метеорологии и научных исследованиях физики атмосферы.
3. Высокоэффективная регистрация гравитационных и акустических волн в атмосфере Земли позволяет выявить источники и механизмы их возбуждения, а также степень влияния таких волн на атмосферные процессы.
4. Регистрация вспышечных явлений па Солнце и процессов переноса намагниченной плазмы в околоземное пространство с помощью мюонного годоскопа с высоким угловым разрешением позволит изучить развитие этих физических явлений во времени и, в частности, изучить механизмы влияния активности Солнца на земную атмосферу.
9
Автор тщищает.
1. Резулыагы расчетов копсгрукции сцин гииляциоппых л с I с к j о ров большой площади и их реализацию при создании мюоиного годоскопа ТЕМП.
2. Результаты расчета светосилы установки ТЕМН, угловое распределение мюонов на уровне земли, экспериментальные данные эффективности регистрации годоскопа.
3. Программы приема и первичной обработки данных годоскопа в режиме on-line, программы спектрального анализа экспериментальных данных дифференциальной и интеграл!,ной интенсивности мюонов, а также результаты тестирования программ.
4. Результаты по определению амплитудных и временных параметров суточной вариации температуры на нескольких высотах атмосферы в летний период.
5. Результаты гю изучению характеристик акустических и внутренних гравитационных волн с помощью мюонного годоскопа в периоды грозовой активности в атмосфере.
6. Характеристики квазипериодических вариаций ИКЛ во время Форбуш-понижения 25 августа 1998 года по данным годоскопа ТЕМП.
Апробация работы.
Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались на следующих конференциях:
24-th International Cosmic Ray Conference, Rome, 1995 ,
25-th International Cosmic Ray Conference. Durban. 1997.
25 Всероссийская конференция по космическим лучам, 1996,
26 Всероссийская конференция по космическим лучам, 1998, Международная конференция "Физика атмосферного аэрозоля”. Москва.
- Київ+380960830922