Космические лучи (КЛ) несут информацию как о физических явлениях в самих источниках излучения, так и о процессах в среде, через которую они проникают. Временные вариации интенсивности космических лучей в месте наблюдения могут быть вызваны изменениями мощности источников, включая ускорительные процессы на Солнце и в Галактике, а также различными.
1 I модуляционными эффектами при распространении космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли.
За пределами гелиосферы первичные космические лучи высокой энергии характеризуются высокой степенью изотропии и в пределах ошибок измерений их интенсивность практически постоянна во времени. Но в гелиосфере и на поверхности Земли интенсивность космических лучей может сильно изменяться. По характеру изменения интенсивности наблюдаемые вариации можно разделить на регулярные (периодические) и нерегулярные (спорадические или стохастические). К периодическим вариациям относятся сезонные изменения интенсивности, связанные с вращением Земли (солнечно-суточные, звездно-суточные), вращением Солнца (27-дневные) и циклами солнечной активности (11 и 22-летние). К нерегулярным вариациям относятся изменения интенсивности космических лучей, обусловленные метеорологическими эффектами, а также вариации, вызванные солнечными вспышками и другими нестационарными явлениями на Солнце, например, выбросами коронального вещества в межпланетную среду. Как правило, большинство типов вариаций характеризуются небольшим изменением интенсивности, амплитуды которых могут изменяться от долей процента до нескольких процентов. В области небольших энергий потоки частиц от солнечных вспышек могут превышать средний уровень в несколько десятков и сотни раз [1].
Из-за малой амплитуды вариаций к аппаратуре, предназначенной для их изучения, предъявляются жесткие требования. Она должна обеспечивать непрерывность измерений, высокую стабильность, а также достаточную статистическую точность.
Средства мониторинга вариаций КЛ можно разделить на два класса: космические и наземные.
В настоящее время измерения потока частиц непосредственно в точке своего местонахождения проводят космические аппараты АСЕ, WIND, STEREO и GOES и др. Находящиеся на их борту детекторы позволяют в реальном времени измерять величину и направление магнитного поля, плотность, температуру и скорость плазмы солнечного ветра, потоки электронов с энергиями от нескольких эВ до десятков МэВ, протоновот нескольких кэВ до сотен МэВ, ионов (вплоть до железа) — до энергий 30 МэВ / нуклон и другие характеристики.
Детекторы на борту космических аппаратов проводят прямые измерения потока первичных частиц, но, к сожалению, их количество мало, а риск необратимого выхода аппаратуры из строя и их стоимость велики, кроме того, приемлемую статистическую точность измерений вариаций космических лучей на космических аппаратах изза ограниченности их размеров можно получить только в области малых энергий.
При наземных измерениях регистрируется вторичное излучение: мягкая, жесткая и ядерно-активная компоненты.
На протяжении полувека большой круг физических явлений, связанных с вариациями интенсивности КЛ, изучается с помощью разветвленной мировой сети нейтронных мониторов. Нейтронные мониторы регистрируют нейтроны, которые образуются в веществе установки адронами, достигшими уровня наблюдения. Поскольку нейтронные мониторы регистрируют вторичные частицы, возникающие в результате многократных актов взаимодействий в глубине атмосферы, их показания соответствуют интегральной интенсивности ядерно-активной компоненты космических лучей в атмосфере, которая слабо зависит от температурного профиля атмосферы. Поэтому нейтронные мониторы удобны для исследования вариаций внеатмосферного происхождения. Необходимо лишь учесть барометрический эффект. В настоящее время поверхность Земли покрыта сетью нейтронных мониторов, включающей более 50 станций [2].
Однако нейтронные мониторы чувствительны только к ядерно-активной компоненте космических лучей и не позволяют определять направления прихода частиц. Нейтронные мониторы являются приборами интегрального типа, их пространственное разрешение определяется лишь светосилой, а результаты относятся к потоку КЛ с невысокой средней энергией (2−10 ГэВ).
Вариации космических лучей исследуются также путем измерений интенсивности жесткой и мягкой компонент. Жесткая компонента космических лучей в атмосфере — поток мюонов, образующихся при распаде заряженных пионов, которые в свою очередь генерируются в процессах множественного рождения при взаимодействии космических нуклонов высоких энергий с ядрами атомов атмосферы. Поскольку энергичные мюоны характеризуются большой проникающей способностью, частицы, образованные в первых актах взаимодействий, дают существенный вклад в суммарный счет детекторов, находящихся на уровне моря или под землей. Эффективная глубина образования мюонов и, соответственно, доля мюонов, которые могут достичь наземных или подземных установок, зависят от состояния атмосферы. Интенсивность мягкойэлектронно-фотонной компоненты также подвержена сильному влиянию различных атмосферных возмущений. Для их измерений обычно используют стандартные телескопы, ориентированные определенным образом. Для наблюдения анизотропии космических лучей мюонные телескопы приспособлены значительно лучше, чем нейтронные мониторы. Это связано, в первую очередь, с их более узкой диаграммой направленности.
Первый многонаправленный мюонный телескоп для непрерывной регистрации потока мюонов был создан в Нагое в рамках программы Международного Года Активного Солнца (IASY) и работает с октября 1970 г. по настоящее время [3]. Телескоп смонтирован внутри термостатированной камеры (7.2×7.2×4.3 м3), установленной в кондиционируемом помещении (117 м2). Эффективная площадь телескопа составляет 36 м². Мюонный телескоп состоит из двух слоев по 36 детекторов в каждом. Слои разделены по высоте 1.73 м стальной фермой и свинцовыми блоками толщиной 5 см, расположенными под верхней плоскостью для подавления мягкой компоненты космических лучей. Каждый детектор состоит из пластикового сцинтиллятора толщиной 5 см и площадью 1 м², который устанавливается в корпус из 1.6 мм стали и просматривается 5″ фотоумножителем (Hamamatsu Photonics R877). Детекторы установлены по слоям в квадраты (6×6м2), ориентированные по сторонам света. Темп счета одного детектора составляет примерно 1.1×104 событий/мин в верхнем слое и 0.9×104 событий/мин в нижнем. Температурная зависимость эффективности срабатывания детектора составляет -0.035%/°С но, благодаря термостабилизации, колебания общей эффективности установки не превышают 0.01%. Импульсы от 72 детекторов верхнего и нижнего слоев поступают на 992 ячейки двойных совпадений, которые объединяются в группы, выделяющие события по 17 направлениям телескопа. Количество событий в 10 мин интервале с каждого направления вместе с меткой времени, показаниями давления и температуры непрерывно записывается, формируя ряд 10 мин кадров.
В настоящее время работают несколько наземных многонаправленных мюонных телескопов (таблица 1): в Нагое (Япония), Хобарте (Австралия), Сан Мартино (Бразилия), Кувейте, регистрирующих поток мюонов с различных направлений в реальном времени и в едином формате [4].
Таблица 1. Мюонные телескопы.
Станция Площадь, m2 Количество направлений Количество слоев.
Nagoya, Japan 36 17 2.
Hobart, Australia 9 13 2.
Sa~o Martinho, Brazilb 28 17 2.
Kuwait University 9 13 2.
Действующие мюонные телескопы дают информацию, которая соответствует К/1 со средней энергией около 50 ГэВ, и позволяют детально изучать их вариации. Телескопы с крупной мозаичной структурой регистрируют КЛ из небольшого числа (4 — 20) пространственных направлений с угловым разрешением 20−30 градусов.
Следующим этапом развития методов исследования вариаций потока мюонов на поверхности Земли стало создание мюонных телескопов с высокой степенью грануляции. Это дает возможность одновременной регистрации интенсивности мюонов сразу по многим направлениям. В последние годы было создано два счетчиковых многоканальных телескопа — на горе Норикура [5] и большой счетчиковый телескоп индийско-японского проекта в Ооти [6].
Многоканальный мюонный телескоп на вершине горы Норикура (Япония) У начал свою работу с мая 1998 года (географические координаты 36.1° северной широты и 136.6° восточной долготы на высоте 2770 м над уровнем моря). Телескоп состоит из четырех слоев пропорциональных счетчиков, по 44 счетчика в слое. Каждый счетчик представляет собой пятиметровый цилиндр с диаметром 10 см вдоль оси которого натянута 50 мкм вольфрамовая анодная нить. Для подавления мягкой компоненты космических лучей над верхним слоем размещен слой свинца толщиной 5 см. Оси счетчиков в верхнем и в третьем слоях ориентированы в направлении восток — запад, а во втором и в нижнем слоях — в направлении север — юг. Первый и второй слой составляют верхнюю координатную пару, а третий и четвертый — нижнюю. Пары разнесены друг от друга на высоту 80 см. Запись события прохождения мюона происходит по совпадению срабатывания счетчиков в четырех слоях. Направление мюона определяется по положению X-Y сработавших счетчиков. Структура установки приблизительно эквивалентна двум 44×44 квадратным сборкам 10×10 см детекторов, вертикально разделенных друг от друга на 80 см. Диапазон измерения углов составляет 360° по азимуту и от 0° до 55° по зенитному углу. Угловое разрешение — около 7°.
Эксперимент GRAPES-3 индийско-японского проекта в Ооти (11.4° северной широты 76.7° восточной долготы, 2200 м над уровнем моря) первоначально планировался для исследования космических лучей высоких энергий (выше 3×1013эВ). Установка включает в себя 380 сцинциляционных счетчиков ШАЛ, размещенных на площади более 20 000 м2, а также большой мюонный телескоп общей площадью 560 м². Базовым элементом телескопа является пропорциональный счетчик (PRC) размером 600×10×10 см, работающий на смеси 90% аргона и 10% метана. Сборка из 58 PRC, размещенных рядом в одной плоскости, представляют собой один слой детектора. Две пары ортогональных слоев счетчиков проложенных бетонным поглотителем и экранированных сверху бетонными плитами общей толщиной 2,4 м называются модулем (рис 1). Пороговая энергия установки определяется слоем поглотителя и составляет 1,1 ГэВ для вертикальных мюонов. Четыре модуля, установленных рядом в одном здании, называется мюонной станцией. Весь телескоп состоит из четырех таких станций.
45° !
Рис. 1. Модуль мюонного телескопа установки GRAPES 3. Триггерным условием срабатывания модуля является прохождение мюона через все четыре слоя PRC. Темп счета одного модуля составляет примерно 3200 8.
Гц. Угловое разрешение детектора составляет 9°. В 1998 году возникла идея использовать возможности гигантского мюонного телескопа для исследования вариаций солнечных космических лучей, обусловленных такими явлениями, как вспышки, выбросы коронального вещества, форбуш-понижения. Для решения этой задачи была разработана система быстрой записи мюонных событий, позволяющая записывать треки частиц из 225 направлений, и в 2001 г. вся установка была оснащена новой электроникой. Система записывает около 3×106 событий в минуту, что составляет 9 Гбайт данных в сутки. В 2003 г. этой системой сбора данных был оборудован мюонный телескоп в Акено.
Однако описанные выше многонаправленные мюонные телескопы обладают рядом существенных недостатков. В этих установках используются круглые и квадратные пропорциональные камеры, сложенные в виде детектирующих плоскостей. Внутри апертуры имеется много зон пониженной эффективности на границах вдоль каждого счетчика, обусловленных щелевыми зазорами между ними. Даже лучшие мюонные телескопы имеют угловое разрешение около 10 градусов.
Новым шагом в развитии методов наземного мониторинга процессов, модулирующих потоки космического излучения, является создание следующего поколения мюонных детекторов — мюонных годоскопов. Под годоскопическим режимом работы мюонного детектора понимается возможность измерения практически непрерывного пространственного распределения потока мюонов, т. е. когда дискретность установки не вносит искажений в отображение исследуемых физических процессов.
Первой в мире попыткой реализации широкоапертурного мюонного годоскопа для исследования вариаций КЛ на поверхности Земли является установка ТЕМП [7], созданная в МИФИ в 1995 г. Годоскоп представляет собой сборку из двух пар координатных плоскостей на основе узких трехметровых сцинтилляционных счетчиков-стрипов, имеет площадь 3×3 м2 и содержит 512 регистрирующих каналов.
Конструктивно, отдельный счетчик состоит из обернутой в светоотражающую майларовую пленку и светоизолированной снаружи сцинтилляционной полосы-стрипа (2,5 см х 1,0 см х 290 см), механически соединенной с дюралевым корпусом, где размещается ФЭУ-85 с делителем высокого напряжения. ФЭУ-85 регистрирует вспышки света, образующиеся в результате взаимодействия падающих заряженных релятивистских частиц с веществом сцинтиллятора.
Два слоя счетчиков по 128 штук образуют координатную плоскость. Чтобы не было щелей между счетчиками, соседние пластины в слое размещены с перекрытием 3 мм (рис. 2), что и позволило обеспечить годоско пи чески й режим работы этой установки. Сцинтилляционные стрипы одного слоя уложены перпендикулярно стрипам другого. Триггерным усповием срабатывания установки является прохождение мюона через все четыре слоя стрипов. Если мюон проходит через плоскость, то срабатывают два перпендикулярных стрипа (рис. 3). Их пересечение дает точку мюонного следа. Вторая точка находится во второй плоскости. Через эти точки проводится прямая в пространстве, которая дает положение трека мюона.
Установка снабжена поворотной рамой, позволяющей наклонять детектор до зенитного угла 45°.
Рис. 2. Размещение пластин сцинтилляторов в одной плоскости детектора.
Мюоны регистрируются практически с любого направления верхней полусферы. Темп счета детектора составляет около 600 событий в секунду, угловое разрешение — порядка 1−2 градусов. Трек мюона, проходящего через две пары взаимно пересекающихся стрипов, попадает в некоторую ячейку телесного угла.
Y1.
Х1.
Рис. 3. Схема определения направления движения мюона.
На мюонном годоскопе ТЕМП, был получен ряд новых физических результатов. В частности, был успешно апробирован новый способ наблюдения опережающих внутренних гравитационных волн, связанных с отдаленной грозовой активностью в атмосфере Земли [8]. Были получены данные по вариациям потока мюонов, предшествующим геомагнитным возмущениям, которые свидетельствуют о существовании корреляций между динамическими процессами в гелиосфере и изменениями интенсивности мюонов и могут быть использованы в качестве предикторов возмущений магнитосферы Земли [9].
К сожалению, реконструкция треков по двум точкам, конструктивно заложенная как во всех существующих мюонных телескопах, так и в установке ТЕМП, не может дать надежной идентификации направления пролета мюона. В результате прстранственные и угловые распределения искажаются из-за ложных реконструкций, связанных с дельта-электронами, группами мюонов, каскадными ливнями и случайными шумовыми срабатываниями.
Вместе с тем в настоящее время внимание исследователей приковано к изучению гелиои геофизических явлений, предшествующих и сопровождающих катастрофические явления [10, 11], в том числе магнитные бури и ураганы. Эти исследования имеют особое значение для своевременного обнаружения предвестников подобных катастроф. Поэтому создание новой высокочувствительной аппаратуры и развитие методов дистанционного мониторинга состояния гелиосферы, а также термодинамических процессов в атмосфере Земли, сопровождающих формирование и перемещение ураганов, является весьма актуальной задачей.
Цель работы.
Разработка и создание Установки для РАспознования Грозовых АНомалий (УРАГАН) — трекового мюонного годоскопа для исследования динамических процессов в атмосфере Земли и околоземном пространстве методом мюонной диагностики.
Научная новизна.
Созданная установка впервые позволяет получать с высокой достоверностью непрерывные распределения характеристик потока мюонов из верхней полусферы в широком диапазоне зенитных углов вплоть до 80°. Аппаратура представляет собой новый тип наземного модульного детектора космических лучей, предназначенного для исследования связей между пространственно-временными вариациями потока мюонов космических лучей и различными динамическими процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли.
Оригинальность разработанной системы быстрого считывания информации мюонного годоскопа подтверждена полученным патентом.
Практическая значимость.
Созданная установка позволяет вести непрерывный мониторинг состояния атмосферы и магнитосферы Земли и развивать методы мюонной диагностики для дистанционного и заблаговременного обнаружения опасных явлений (ураганы, магнитные бури и т. д.).
Универсальность отдельных элементов и всей системы триггирования и сбора данных позволяет использовать их в системах регистрации данных других многоканальных космофизических установок.
Личный вклад.
Автор участвовал во всех этапах разработки и создания мюонного годоскопа УРАГАН. Непосредственно автором была разработана, собрана и налажена аппаратура детектора, созданы алгоритмы и программы, обеспечивающие работу системы сбора данных и триггирования, а также специализированные стенды и методики для тестирования и наладки элементов детектора. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов и в получении методических и физических результатов.
Автор защищает.
1. Установку модульного типа УРАГАН, обеспечивающую годоскопический режим регистрации мюонов в полном объеме.
2. Общую структуру и основные элементы системы сбора данных и триггирования.
3. Алгоритмы и программы, обеспечивающие работу системы сбора данных и триггирования.
4. Стенды и методики для тестирования и наладки элементов детектора.
5. Полученные характеристики и оценки возможностей мюонного годоскопа УРАГАН.
Апробация.
Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2004), Международной конференции по космическим лучам (ICRC 2005), Всероссийской конференции по космическим лучам (BKKJ1 2006), Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (2006), научной сессии МИФИ (2007), опубликованы в их трудах, а также в четырех статьях в журналах «Приборы и техника эксперимента» и «Известия РАН. Серия физическая» .
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 120 страниц, 72 рисунка, 7 таблиц, 46 наименований цитируемой литературы.
Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.
1) Разработка аппаратуры.
• Разработана структура супермодуля УРАГАН на базе камер стримерных трубок, обеспечивающая регистрацию мюонов в диапазоне зенитных углов 0° - 84° с высоким пространственным 1 см) и угловым 0.8°) разрешением.
• Разработаны системы триггирования и сбора данных, как для одного супермодуля, так и для совокупности нескольких идентичных супермодулей с общей синхронизацией по календарному времени.
• Разработаны основные элементы измерительной системы супермодуляплата быстрого считывания и триггерный модуль, обеспечивающие сбор данных с мертвым временем около 10%, подсчет живого времени с дискретностью до 125 не, мониторинг шумов плоскостей и тестирование цепей считывания.
• Совместно со специалистами НПО ФОРМ разработана специализированная микросхема двухканального усилителя-дискриминатора-формирователя, предназначенная для преобразования сигналов со стрипов детектора в сигналы ТТЛ уровней заданной длительности.
2) Обеспечение годоскопического режима работы.
• Разработаны методики и созданы стенды для тестирования и наладки элементов детектора. Разработан многофункциональный контроллер, алгоритмы и программное обеспечение для тестирования плат быстрого считывания в автоматическом режиме.
• Проверено и налажено более 1000 плат быстрого считывания, обеспечено их функционирование в области плато эффективности с разбросом порогов срабатывания в узком интервале (3.8 ± 0.3 мВ).
• Последовательно в течение 2005 — 2007 гг. собраны, налажены и введены в эксплуатацию три супермодуля мюонного годоскопа УРАГАН.
• Разработано программное обеспечение для обслуживания установки УРАГАН: программы регистрации и управления супермодулями,.
114 обслуживания датчиков атмосферного давления и температуры, on-line контроля работы супермодулей.
• Разработан комплекс программ, обеспечивающий непрерывное накопление мюонных снимков-матриц и получение непрерывных пространственно-угловых распределений регистрируемого потока мюонов.
3) Исследование характеристик мюонного годоскопа.
• Проведено несколько методических серий по изучению характеристик супермодулей.
• Исследовано изменение отклика детектора при вариациях атмосферного давления, температуры, рабочего напряжения и состава газовой смеси. Полученные результаты позволили определить основные факторы, влияющие на стабильность работы супермодулей, получить зависимость эффективности плоскостей от различных параметров.
• Измерены барометрический (- 0,18%/мбар) и температурный (- 0,15%/°С) коэффициенты для различных супермодулей. Измерена восточно-западная асимметрия потока мюонов.
• Разработаны методика экспресс-анализа экспериментальных данных и паспорт супермодуля, которые позволяют формировать базы данных для физического анализа. S.
4) Исследовательский потенциал созданной установки.
• В 2005 — 2007 гг. обеспечено проведение длительных измерений пространственно-временных вариаций потока мюонов. Аппаратура работала стабильно с малым числом сбоев — отношение времени нештатной работы к суммарному времени не превышало 3%. Отношение частоты срабатываний двух супермодулей мюонного годоскопа близко к единице, среднее значение и разброс составили 1.002 ± 0.005.
• Продемонстрирована возможность обнаружения гелиосферных возмущений, вызывающих форбуш-понижения, за двое суток до их появления в околоземном пространстве.
• Продемонстрирована возможность наблюдения грозовых явлений в потоке мюонов и подтверждено существование волновых процессов в периоды возникновения и развития ураганов.
В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность моему научному руководителю, профессору А. А. Петрухину за постоянную поддержку в работе и многочисленные обсуждения возникающих проблем.
Автор благодарен всем сотрудникам ЭК НЕВОД, участвовавшимм в создании установки УРАГАН и в проведении долговременных серий измерений. Особенно я признателен Н. С. Барбашиной, В. В. Борогу, А. Н. Дмитриевой, В. В. Киндину, Р. П. Кокоулину, Д. А. Тимашкову, Д. В. Чернову, В. В. Шутенко, И. И. Яшину за помощь в процессе проведения данной работы, плодотворные обсуждения результатов и критические замечания.
Автор благодарит Ю. Н. Родина (СНИИП) за помощь в разработке многофункционального контроллера и С. А. Коршунова (НПО «ФОРМ») за участие в совместной разработке микросхемы Р4040, а также А. Н. Сытина (ИФВЭ) за оказанное содействие в изготовлении электронных плат.
Заключение
.
