Исследование спектров, высотных широтных и угловых характеристик протон., нейтрон. и мюонной компонент вторич. космич. излуч. в атмосфере Земли в энергетич. диапазоне от 20 МэВ до 100 ГэВ на высотах выше уровня гор тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИК0-ТЕХ1ШЧЕС1СИЙ ИНСТИТУТ им. Л.Ф.ИОФФЕ

Но правах рукописи ВАСИЛЬЕВ Геннадий Иванович

УДК 537-591

исследование спектров. высот?ш.широтных и углошх

характеристик Ш-ОТО1ШОЙ. 1сейтр01пюй и мш11ной компонент вторичного космического излучения в атмосфере земли в энергети'шском диапазоне от 20 ыэв до 100 гов на высотах вше уровня гор

(Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

автореферат диссертации на соискание учоиой стопони кандидата фиоико-матоматичооких наук

Санкт-Иоторбург 1992

Работа ниполноио в Физико-техническом институто им.А.Ф.Иоффо РАН.

Иыучний руководитель - кяндидат физико-математических наук

Э. Л. 1!огомолов.

Офицяалышо онпононты: доктор фяиико-математических наук

В.Л.Доргачев, доктор Ф к; 1 и ком ;у г о м а т и ч о с к их наук В.В.Лмитренко .

Ведущий организация - Физический институт им. Г1.Н.Лебедева РАН

Защита состоится " 23" .уС., ц 1992 г. в /У часов

но аасодании специализиронанного совета Д 003.23.01 в Физико-техпическом институто им.А.Ф.Иоффо РАН по адресу: 194021, С.-Поторбург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека ФТИ им.А.Ф.Иоффо РАН.

Автореферат разослан ' 1992 г.

Ученый сокроторь специализированного совета Д 003-23-01 кандидат физико-математических наук

А.Л.Орбели

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследование протонной. нейтронной и мюонной компонент космических лучей, возникающих в результате взаимодействия нуклон-вой компонента первичпого космического излучения с ядрами атомов воздуха. является актуальной задачей. Помимо самостоятельного интереса, заключающегося в выявлении основных закономерностей спектров, высотных, широтных и угловых распределений вторичны* частиц в атмосфере, изучение цуклоиной и мюонной компонент стимулируется рядом научных и прикладных задач.

• При проседогаи экспериментов по регистрации первичного космического излучения ограничена возможность выведения тяжелой и дорогостоящей аппаратуры за пределы атмосферы, поэтому значительная часть исследований проводится в баллонных экспериментах, что требует учета фона вторичного космического излучения. Например, при магнитном апализе электрически заряженные частицы альбедо, двигающиеся снизу пверх, способны имитировать прохождение через прибор частиц с противоположным знаком заряда в противоположном направлении, искажая измерения зарядового состава. Потоки вторичных нейтронов, образованные галактическими космическими лучами в атмосфере, затрудняют исследование спектров нейтронов, возникающих в солпечной фотосфере во время солнечных вспышек, так как интенсивности потоков солнечных нейтронов вблизи Земли для большинства вспышек ниже обычного нейтронного фона.

Нейтроны и мюоны альбедо. распадаясь в пределах магнитосферы, являются одним из источников заряженных частиц в радиационных поясах Земли. Протоны альбедо, с иноргией ниже геомагнитного порога, захватываются магнитным похэм, формируя возвратное альбедо.

Оценка потоков нейтрино, позникамцик при образования и распаде мюонов, необходима при регистрации солнечных и галактических нейтрино.

Все поорастоющео внимании уделяется проблеме радиационной безопасности при полетах высотной апиации, Современные сверхзву-

'- А -

копив спмолиты поднимаются но высоту до 18-21 км. гилерзнуковыв - свыше '¿А км. Под!Ьвм на больший высоты ослабляет защитные свойства атмосферы от воздействия•пирничной и вторичной радиации IIп акипожи и писсажироы высотных самолотов. Полети в полярных широтах па больших высотах спязгшн с увеличением потоков космической радиации, обусловленным уменьшением защитного действия магнитного поля Земли. Доза, получаемая экипажами высотных самолетов, приближается к допустимой для работников атомной промышленности.

Поль работы Цель работы состояла:

1. В разработке модели роспрострапония п атмосфере Земли нук-лоштой и мкюнной компонент космических лучой.

2. I! нроводошш на ее основе расчетов спектров, высотных, широтных и угловых распределений протонов, нейтронов и мюонов космических лучей с энергиями вышо 20 МэВ во всем диапазопе жест-костей геомагнитного оброэания на нысотах выше уровня гор под любыми зёпитными углами.

3. В проиедонки измерений спектров протонов и мюонов космических лучей в атмосфере Земли с помощью аэростатных магнитпых спектрометров.

•4. В исследовании основных закономерностей спектров, высотных, широтных и угловых распределений протонов, нейтронов и мюонов космических лучой. .

Научная новизна

1. Разработана . отодика для получения спектров протонов, нейтронов и мюонов космических лучой с энергиями выше 20 МэВ под любыми зонитными углами в атмосфере Земли нише уровня гор в районах от полярных до экваториальных.

2. Проводе™ расчеты с помощью метода Монте-Карло спектров, широтных, высотных и угловых распределений протонов, нейтронов и мюонов космических лучей и атмосфера Земли в оиоргетичоской области иышо 20 МэВ в периоды минимума и максимума солнечной активности и во время солнечных вспышек.

3. Проподоны измерении спектров мюонои и протонов космических

лучой с помощью аэростатных магнитных спектрометров п районах с

вертикальными жосткостями геомагнитного обрезания 0.6 Г'В и

2

2.9 - 3-5 ГВ на глубинах остаточной атмосферы 9-20 г/см". Измерен висотвый ход потоков протонов и мюонои в районе с вертикальной жесткостью геомагнитного обрезания 3-5 ГВ для глубин

р

остаточной атмосферы 9-510 г/см".

4. Определены основные закономерности спектров, высотных, широтных и угловых распределений протонов, нейтронов и мюонои космических лучей с энергиями вышо 20 МэВ в атмосфоро Земли ДJ:я

р

глубин остаточной атмосферы 0-300 г/см".

Научная и практическая ¡значимость работ» Результаты проведенных исследований при использовании интерполяции могут быть применены для количественных оценок потоков

протонов, нейтронов и мюоиов космичоскх лучей с энергиями от

о

20 МэВ до 100 ГэВ на глубинах остаточной птмоферы 0-300 г/см во всем диапазоне вертикальных жссткостой геомагнитного обреза ния' под любым зенитным углом, что является необходимым при решения ряда научных и прикладных задач (оценка <!>опа при планировании экспериментов, проблемы радиационной безопасности, нойт-ргопше эксперименты и т.д.) <

Выполненные исследования могут бить развиты как в направлении совершенствования модели взаимодействия космических лучой с атмосферой, так и в направлении проведения болео совершенных экспериментов по измерению спектров космических лучей.

Оспооныо положения, выносимыо на защиту:

1. Методика и результаты расчетов спектров протонов, нейтронов и мюопоп космических лучой с анергиями выше 20 МэВ иод любыми зенитными углами в атмосфоро Зомли выше уровня гор в районах от поллрных до экваториальных.

2. Результаты измерения споктров мюонои и протонов космических лучей с помощью аэростатных магнитных спектрометров в районах с вертикальными жесткостями геомагнитного обрезания 0.6 и 2.93-5 ГВ на глубина остаточной атмосферы 9-20 г/см2. Результаты измерения высотного хода потоков протонов и мюонов в районе с вертикальной жесткостью геомагнитного обрезания 3.5 ГВ для глубин

• - б -р

остоточноИ атмосферы ')-ЬАО г/см .

А1гро0аилп работы и публикации Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всосоюаних конференциях по космическим лучам (1984. 1985! г.) и на Международном семинаре по баллонным исследованиям (Москва, 1991 г. ) По томе диссертации опубликовано Ю почетных работ.

Структура и об!дм диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 1^0 страниц, в том число 27 рисунков, 61 таблицу к список литературы, иключоющий ')Ь наименований.

содержание работы Во »видении обосновывается актуальность и цель исследования, формулируются основные положения, выносимые на защиту, приводится структура работы.

В лорвой главе дан анализ состояния исследований нуклопной и шюшшх комлононт космических лучой в атмосфере Земли. Показано, что существующие экспериментальные данные получены в сравнительно узких энергетических диапазопах и на охватывают весь диапазон жесткостой геомагнитного обрезания и высот. Практически не изучепы угловые распределения. Расчетные дашшэ в неполной степени дополняют результаты экспериментов. На основании анализа результатов существующих немногочисленных; экспериментальных и теоретических работ делается вывод о необходимости •■сследования наклонной и мюопной компонент космических лучей в атмосфере.

Вторая глава посвящена разработке модоли распространения протонной, нейтронной и мюонной компонент космических лучей в атмосфоре Зсглли.

В модели используются дашгыо о спектрах первичных космических лучой вблизи границы атмосферы и сечениях образования вторичных частиц при взаимодействиях космических лучей с ядрами атомов воздуха.

Для зависимости жесткости геомагнитного обрезапия от зенитных и азимутальных углов использовано дипольноо приближение. Пока, ¿но, что дипольноо приближение является достаточным для

проведения расчетов распродолопий вторичных частиц с точностью порядка нескольких процентов.

Атмосфора Земли представлялась в виде бесконечного плоского слоя. Зависимость плотности воздуха от высоты над уровнем моря определялась на основе стандартной модели атмосферы.

Основными процессами, формирующими спсктры протонов, нейтронов и мгоонов являются ноунругио взаимодействия протонов и альфа-частиц с ядрами атомов воздуха и электромагнитные взаимодействия, приводящие к энергетическим потерям заряжошшх частиц. В модели использовались полуэмпиричоские формулы для аппроксимаций двойных дифференциальных сечений вылета вторичных нуклонов и пионов в актах ядерного взаимодействия протонов и пойтронон с ядрами атомов воздуха. При опроделонии спектров вторичных частиц, возникающих во взаимодействиях ольфа-частиц с ядрами, предполагалось,что каждый нуклон, содержащийся в альфа-частице взаимодействует с ядром независимо от остальных нуклонов. Малая плотность воздуха, особенно в верхних слоях атмосферы, позволяет не учитывать генерацию нуклонной компоненты моэонной компонентой. При учето ионизационных потерь использовалась модифицированная формула Бото-Блоха и ее аппроксимации.

При моделировании движения частиц в атмосфере Зомли рассматривалось пересечение ими уровней с глубинами остаточной атмосферы О, 5. 10, 20, 50, 100, 200, 300 и 500 г/см2 о десяти диапазонах зенитного угла для периода минимума и максимума солнечной активности. В результате полу ч ли* значения числа частиц.

2

пересекающих горизонтальную площадку площадью 1 м за 1 с. в заданных интервалах зонитних углов и диапазонах энергий. Разби-епио па онорготическио диапазоны происходило исходя ИЗ формы споктров протопоп, нейтронов и мюонов с учотом ограничения, накладываемого лимитом машинного вромоги. Вычисления выполнены для ряда районов с жосткостями геомагнитного обрезания в диапазоне 0.44 - 14.9 РВ. Для полярных гаирст проподоны вычисления характеристик щхггонной и нейтронной компонент космических лу-чой образованных протонами солнечных вспышек.

В третьей главе приводится описание исследований споктров

протонов и мюонов, выполненных с помощью аэростатных магнитных с по кт роме т ров. Магнитные спектрометры, рззработатшо и построенные- в лаборатории космической спектрометрии. ФТИ им. А.Ф.Иоффз РАН, состоят из постоянного форра-топого маггтта. управляющего счетчикового 'голоскопа и сиотомы искровых камор с оптическим сЪемом информации, позволяющей определять траектории частиц, прошедших через прибор.

Основные параметры магнитных спектрометров: светосила 1 см'" ср, средний интеграл магнитного поля - 0.715 кГс м зазор магнита - 4-8 см, вое прибора - 420 кг, потребляемая мощность -50 Вт, об!>ем регистрируемой информации - 30000 событий. Точность определения импульса в области низких энергий определяется в основном, многократным кулоновегсим рассеянием в веществе прибора' и приближенно оценивается соотношением йр/р « 6р%, где р - импульс частицы в ГэВ/с.

Обработка информации, полученной с помощью аэростатных магнитных спектрометров, осуществлялась с помощью разработанпой при участии автора диссертации полуавтоматической системы обработки фильмовой информации на оспове микроЭВМ.

В 1934-1990 гг. выполнено семь полетов аэростатных магнитных

спектрометров в районах с жосткостями геомагнитного обрезания

р

0.6 и 2-9-3-5 ГВ на глубипах остаточной атмосферы 9-20 г/сы . Получены спектры протонов в знергетичоском диапазоне 0.1-5 ГэВ (рис.1) и спектры мюонов в энергетическом диапазон! 50-500 МэВ рис.2). В ходе двух полетов в райопо с жесткостью геомагнитного обрезапв: 3.5 ГВ на глубинах остаточной атмосферы о

9-540 г/см измерен высотный ход потоков протонов и мюопов.

Пример сравнения результатов расчетов и vлепериментальных данных для протонов, нейтронов и мюопов представлен на рис. 1-3 Спектры, кромо специально оговорошшх, относятся к периоду минимума солнечной активности.

В четвертой главе сравниваются дашшо, полученные в результате расчетов и экспериментов, с данными других авторов, апали-зируются основные закономерности спектров, высотных, широтных и угловых характеристик протонов, нейтронов и мюонов космических

СП

о

о о

а о

о ь

о

с; о 5

10

10ъ

I р

9 --ГГТТТГГГ

Е 0.60 _ 0.44 солн. максимум

- магнитный спектрометр 0.6 ГВ

10°

Е

ю-1

г

20 г/см' ^

10 г/см'

магнитный спектрометр 2.9 ГВ

- Ю г/см2

- 20 г/см2

к_ -О-

10"

л_1......1 I i i.n L

I I I I I 1 ш

1 111ПП

л

10х 10й т0° 10н Энергия, МэВ

Риз. I. Экспериментальные и расчетные спектры протонов при зенитном угле 0-37°: а) - глубина остаточной атмосферы 10'г/см2, пороговая жесткость 0.44-0.60 ГВ, ■ б) - глубина остаточной атмосферы 10-20 г/см2, пороговая жесткость 2.9-3. ГВ;

Энергия, МэВ

Рис. 2. Энергетические распределения всенаправленных потоков нейтронов на глубине остаточной атмосферы 200 г/см2.

Энергия, МэВ

Рис, 3. а) - расчетные и экспериментальное спзктры мюонов на глубинах остаточной атмосферы 10-100 г/см^, пороговая жесткость 3 ГВ, зенитнмй угол - 0-37°; б) - расчетные спектры мюонэв альбедо .фи пороговых жесткостях 0.8-14.9 ГВ, зенитный угол 143-180°, глубина остатечной атмосферы 5 г/см2.

лучей в атмосфере. Делаются выводы:

1.Спектры протопов, полученные в результате экспериментов и расчётов, выполненных автором диссертации, совпадают с точностью

10-30.

2.Результаты расчетов, выполненных автором диссертации,в целом согласуются с существующими немногочисленными экспериментальными и расчетными данными других авторов.

3. Полученные результаты расчетов могут служить для оценки лото-

ков протонов, нейтронов и мюояов с энергиями 0.02-100 ГэВ па

2

глубинах остаточной атмосферы 0-300 г/см под любым зенитным угоном для всего диапазона жесткостей геомагнитного обрезания.

В заключении приводится сводка основных результатов, полученных в диссертации:

1. На основе метода Монтэ-Карло разработана методика для расчетов спектров протонов, нейтронов и мюояов космических лучей с энергиями выше 20 ИэВ под любыми зенитными углами £ атмосфоре Зеигли выие уровня гор в районах от полярных до экваториальных.

2. На основе разработанной модели проведены расчеты спектров, широтных, высотных и угловых распределений протонов, нойтроыов и мюопов космических лучей в' атмосфере Земли в энергетической области выше 20 МэВ в периоды минимума и максимума солнечной активности и во время солнечных вспышек.

3. Проведены измерения спектров мюопов и. протонов космических

лучей с помощью аэростатных магнитных спектрометров в районах с

вертикальными хсесткостями геомагнитного обрезания 0.6 и

о

3.0 - 3-5 ГВ пэ глубинах остаточной атмосферы 9-20 г/см . Изморен высотный ход потоков протонов и мюопов в районе с вертикальной жесткостью геомагнитного обрезания 3.5 ГВ для глубин

2

остаточной атмосферы 9-540 г/см .

4. Определены основные закономерности спектров, высотных, широтных и угловых распределений протонов, нейтронов и мюонов космических лучей с энергиями выше 20 Мой в атмосфере Земли для глубин остаточной атмосферы 0 ЮО г/смг.

Основные маг'ериалы диссертации опубликовапы в следующих ра-

ботах:

1.Богомолов Э.А., Васильев Г.И., Гунько H.A. Расчет по методу Монте-Карло спектров и угловых характеристик нейтронов в атмосфере в энергетическом диапазоне от 50 МэВ до 1000 ГэВ. -Л.: Препринт ФТИ-735. 1981. -48 с.

г.Богомолов Э.Л.. Васильев Г.И.. Руггько H.A. Расчет по методу Монте-Карло спектров и угловых характеристик протонов в атмосфере в энергетическом диапазоне от 50 МэВ до 1000 ГэВ. -Л.: Препринт ФТИ-736. 1981. -60 с.

3.Богомолов Э.А., Васильев Г.И. Исследование спектров, угловых

и широтных распределений протонов с энергией от 50 МэВ до

—2

100 ГэВ в остаточной атмосфере на глубине 10-100 г см // Изв. АН СССР. Сер. физ. -^в'). -Т. 48 -С. 2087-2089.

4.Богомолов Э.А.. Васильев Г.И. Расчет по методу Ыоггте-Карло спектров и угловых характеристик нейтронов и атмосфере в энергетическом диапазоне от 10 МэВ до 10 ГэВ во время солнечных вспышек. -Л.: Препринт ФТИ-797, 1982. -60 с.

5.Богомолов Э.А., Васильев Г.И. Расчет по методу Монте-Карло спектров и угловых характеристик протонов в атмосфере в энергетическом диапазоне от 10 МэВ до 10 ГэВ во время солнечных вспышек. -Л.: Преприпт ФТИ-798, 1982. -56 с.

6.Васильев Г.И., Богомолов Э.А. Протоны и мюоны р. верхних слоях атмосферы // Изв. АН СССР. Сер. физ. -1988. -Т. 52 -С. 24482449.

7.Васильев Г.П., ®редерикс Д.Д. Спектры, угловые, высотные' и широтные распределения мюонов в атмосфере с энергиями выше 20 ЫэВ. -Л.: Преприпт ФТИ-1394. 1989. -36 с.

В.Васильев Г.И. Спектры протонов и нейтронов альбедо с энергиями выше 20 МэВ для широт от полярных до экваториальных. -Л.: Препринт ФТИ-1055, 1986. -26 с.

9.Васильев Г.И. Спектры вторичных протонов в атмосфере^ энергиями выше 20 Ыг ' для широт от полярных до экваториальных. -Л.: Препринт ФТИ-1114. 1987. -29 с.

Ю.Васильев Г.И. Спектры, угловые и широтные распределения протонов, пойтропов и мюонов с энергиями выше 20 ЫэВ на баллонных

высотах, -к.: Краткие сообщения по физике, сборник ФИАН, 1991. -8 с.

РТП ПИЯ$,эак. 146,тир. 100.,уч.-изд.л.0,7; 28/П-1992г. Бесплатно