Регистрация энергичных нейтронов и гамма-квантов в околоземном космическом пространстве при помощи спектрометра на основе кристалла Csl(Ti) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ЮСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

^-ч — .->

> I о

На правах рукописи УДК 537.591.8

Мягкова Ирина Николаевна

РЕГИСТРАЦИЯ ЭНЕРГИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ПОМОЩИ СПЕКТРОМЕТРА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА Сэ1(Т1)

01.04.08 - физика и химия плазмы. 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц,

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1995 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерноС физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственногс университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических I

Сергей Николаевич Кузнецов, кандидат физико-математически Сергей Павлович Рюмин.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических I профессор Горчаков Е.В. кандидат физико-математичес^ Квашнин А. Н.

Московский инженерно-физичес институт

Защита состоится 2/ декабря 1995 года в /ГчасДОмин. н заседании диссертационного совета К053.05.24 в Московско! государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу Москва, Воробьевы горы, МГУ, НИИЯФ, 19 корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан /^/^¿Хй^?^ 1995 года. Ученый секретарь

диссертационного совета

д.ф.-м.н. У Ф омирЖЗ.А.

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Регистрация энергичных нейтронов (Еп>10 МэВ) и у-квзкгоз в околоземном космическом пространстве (ОКП) важна для решения проблем физики околоземного пространства, физики Солнца и ряда прикладных задач. Энергичные нейтроны и у-кванты, как правило, регистрируются одними и теми же детекторами, поэтому использование раздельной регистрации нейтронов и у-квантов позволяет исследовать поля нейтронного и y-излучений в ОКП, а также более эффективно изучать нейтральное излучение солнечных вспышек. Данные о стационарных потоках нейтронов и у-квантов на спутниковых высотах в ОКП, как альбедных, так и локальных, то есть образовавшихся непосредственно в веществе космических аппаратов и самих детекторов под действием космических лучей, необходимы для определения фоновых условий при регистрации солнечных нейтронов и у-квантов, для анализа радиационной безопасности космических полетов и оценки надежности работы электронных схем в космическом пространстве.

На сегодняшний день существует лишь небольшое число данных как по измерениям потоков и спектров энергичных нейтронов альбедо Земли на различных геомагнитных широтах, так и по прямой регистрации солнечных нейтронов, что связано со значительными экспериментальными трудностями. Использовавшиеся для регистрации энергичных нейтронов в ОКП приборы тяжелы и громоздки, что затрудняет их использование в космических экспериментах, к тому же эти приборы весьма дороги, что в настоящее время также достаточно существенно. Пять из семи случаев прямой регистрации солнечных нейтронов осуществлены прибором GRS, в котором эти частицы и у-кванты не разделялись, что значительно снижало его чувствительность к вспышечным нейтронам.

Таким образом, измерения энергичного нейтрального излучения под радиационными поясами Земли (РПЗ), а также создание новых, по возможности более легких, компактных и недорогих приборов, обладающих высокой чувствительностью к нейтронам с энергиями >10 МэВ, являются актуальной задачей.

Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию методики идентификации энергичных нейтронов на фоне у-квантов, основанной на зависимости формы импульса в Csl(TI) от средней ионизации регистрируемых частиц, разработке метода получения функций отклика приборов, в которых эта зависимость используется, на моноэнергетические потоки нейтронов и использования данных функций для восстановления спектров регистрируемых частиц, а также изучениЮфоновых потоков и спектров нейтронов и у-квантов под РПЗ.

Новизна работы.

1. Впервые прямыми измерениягли обоснована возможность идентификации нейтронов на интенсивном фоне у-квантов по форме светового импульса в Csl(TI).

2. Впервые определена зависимость формы импульса в СйЦТЦ от средней ионизации регистрируемых частиц в диапазоне значений ионизации 234 МэВсм2/г.

3. Впервые исследована зависимость эффективности разделения электронов и протонов по форме импульса в Сз1(Т1) от энергии в интервале 12150 МэВ.

4. Разработана методика получения функций отклика детекторов Сэ1(Т1) на моноэнергетические потоки нейтронов при помощи математического моделирования процессов взаимодействия нейтронов с детектором. Достоверность результатов моделирования подтверждена путем сравнения рассчитанных функций отклика с функциями отклика, полученными по данным эксперимента на ускорителе.

5. Получены широтные зависимости потоков и спектров нейтронов с энергиями 10-400 МэВ и у-квантов с энергиями 1.5-100 МэВ, регистрировавшихся на тяжелом орбитальном комплексе (ОК "САЛЮТ-7"- "КОСМОС-1686"),.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты проведенных исследований были использованы при разработке прибора СОНГ, предназначенного для изучения временных и спектральных характеристик потоков нейтронов с энергиями >10 МэВ и у-излучения в диапазоне 0.12-100 МэВ для эксперимента на ИСЗ "КОРОНАС-И" и при последующей модернизации этого прибора для проекта "КОРОНАС-Ф". Вычисленные автором функции отклика позволяют получить информацию о потоках и спектрах энергичных нейтронов по данным экспериментов на ОК "Салют-7"-"Космос-1686" и ИСЗ серии "КОРОНАС".

Результаты настоящей работы по определению фоновых потоков и спектров нейтронов и у-квантов в ОКП важны при наблюдениях нейтронов и у-квантов солнечных вспышек, при исследованиях космических источников у-излучения, а также для контроля за радиационной безопасностью экипажей пилотируемых космических аппаратов и оценки надежности работы электронных схем в космическом пространстве.

В процессе исследования и разработки методик, использовавшихся при создании данного прибора, получен ряд результатов, имеющих самостоятельное значение.

При исследовании методики идентификации нейтронов на фоне у-квантов по форме импульса в Сз1(Т1) была впервые определена зависимость формы импульса от средней ионизации регистрируемых частиц в области значений средней ионизации 2-34 МэВ см^/г, а также получена зависимость эффективности разделения электронов и протонов по форме импульса в СэЦИ) в диапазоне энергий 12-150 МэВ. Эти результаты имеют существенное значение при разработке новых приборов на основе сцинтилляционного кристалла Сэ1{Т1).

При получении функций отклика детекторов на оснозе Csl(TI) на моноэнергетические потоки нейтронов была создана программа, позволяющая получать аналогичные функции отклика для детекторов такого же типа, имеющих различную конфигурацию и размеры.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальное обоснование возможности идентификации энергичных нейтронов на интенсивном фоне у-квантов, основанной на зависимости формы светового импульса в Csl(TI) от средней ионизации регистрируемых частиц.

2. Зависимость формы светового импульса в Csl(TI) от средней ионизации регистрируемых частиц в диапазоне значений ионизации 2-34 МэВ см^/г.

3. Методика получения необходимых для воссановления спектров регистрируемых нейтронов функций отклика сцинтилляционных детекторов на основе Csl(TI) на моноэнергетические потоки этих частиц.

4. Широтные зависимости потоков и спектров нейтронов с энергиями 10400 МэВ и у-квантов с энергиями 1.5-100 МэВ по данным прибора "НЕГА" в эксперименте на ОК "САЛЮТ-7"- "КОСМОС-1686", характеризующие фоновое энергичное нейтральное излучение, регистрируемое на тяжелом орбитальном комплексе.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции по космическим лучам (Самарканд, 1992), на совещании группы Солнечных Протонных Событий научного совета по проблеме "Физика солнечно-земных связей" РАН (Баксан, 1993), на 23 Международной конференции по космическим лучам (Калгари, 1993), на Международной конференции по космическим лучам (Москва, 1994), на научном семинаре Отдела физики космического пространства Института экспериментальной физики Словацкой Академии Наук, а также на научных семинарах ОКФИ и ОЯКИ НИИЯФ МГУ.

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в (з печатных работах и двух препринтах НИИЯФ МГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список литературы, занимает объем 150 страниц, включая 34 рисунка, 2 таблицы и 141 библиографическую ссыпку.

Содержание диссертации.

Во введении к диссертации обосновываются актуальность и научная новизна работы, указываются ее цели, рассматриваются научная и практическая ценность работы и формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе диссертации дается обзор литературных данных, касающихся энергичного нейтрального излучения в ОКП. Так как основной задачей дисертации являлась разработка методики регистрации энергичных

нейтронов в ОКП и исследование их потоков и спектров, основная часть первой главы посвящена нейтронам.

Нейтроны высоких энергий, существующие в ОКП, по своему происхождению делятся на две группы в соответствии с их происхождением 1) нейтроны альбедо, образующиеся во взаимодействиях галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ) с земной атмосферой и 2) нейтроны, рождающиеся во вспышках на Солнце. Кроме того, при осуществлении экспериментов на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) под действием космических лучей (КЛ) возникает так называемое локальное нейтронное излучение, влияние которого на радиационную обстановку на тяжелых космических аппаратах весьма велико.

Нейтроны альбедо представляют собой продукты ядерных реакций высокоэнергичных частиц ГКЛ и СКЛ с ядрами атмосферы Земли. Впервые потоки нейтронов в атмосфере экспериментально были зарегистрированы в середине тридцатых годов, вскоре после этого были сделаны первые теоретические оценки потоков нейтронов альбедо, вызванных ГКЛ, а детальные расчеты их потоков и спектров на различных геомагнитных широтах были выполнены Р. Лингельфельтером с соавторами значительно позднее.

Основной научной проблемой, требующей новых экспериментальных данных о потоках и спектрах нейтронов альбедо высоких энергий, является вопрос об уточнении роли нейтронов с энергиями >10 МэВ как источника протонов во внутреннем радиационном поясе Земли (РПЗ). Хотя определяющая роль нейтронного механизма в формировании протонного пояса при энергиях >10 МэВ на сегодняшний день считается доказанной, хорошее согласие экспериментально измеренных величин потоков протонов внутреннего пояса со значениями, рассчитанными в соответствии с имевшимися до настоящего времени экспериментальными данными о потоках нейтронов в ОКП, наблюдается лишь вблизи экватора при энергиях <100 МэВ.

На сегодняшний день имеется значительное количество экспериментальных данных о потоках и спектрах нейтронов альбедо на разных геомагнитных широтах, но большинство из них относится к области энергий <10 МэВ. Основная же часть измерений в области более высоких энергий производилась на геомагнитной широте 42° при помощи баллонных экспериментов. При этом сведения о потоках и спектрах нейтронов с энергиями >100 МэВ, полученные в различных экспериментах и теоретических расчетах разных авторов различаются более, чем на порядок. Широтный ход потоков и спектров нейтронов с энергиями >10 МэВ ранее был измерен всего в двух экспериметах - на ИСЗ "ИНТЕРКОСМОС-17" органическим сцинтилляционным детектором, и на американской космической обсерватории CGRO комптоноеским телескопом COMPTEL при работе в режиме регистрации нейтронов.

Существование нейтронов, образующихся на Солнце; во время вспышек и являющихся продуктами взаимодействий ускоренных до высоких энергий вспышечных протонов и ионов с различными ядрами солнечной атмосферы, теоретически было предсказано более четырех десятилетий назад. Экспериментальное подтверждение было получено только в начале 80-х годов, благодаря измерениям, выполненным прибором GRS, который был создан научной группой под руководством Е.Л. Чаппа и установлен на спутнике SMM (США). Несмотря на то, что на сегодняшней день имеется сравнительно небольшое число случаев прямой регистрации солнечных нейтронов в космическом (всего семь случаев прямой регистрации на ИСЗ, пять из которых были осуществлены прибором GRS, а два оставшихся - упоминавшимся выше прибором COMPTEL), уже сейчас видна перспективность таких экспериментов для изучения процессов ускорения протонов и ионов в солнечных вспышках до энергий в несколько десятков ГэВ. Интерес к регистрации солнечных нейтронов объясняется тем, что прямая регистрация нейтронов позволяет получить такие сведения об ускорительном процессе, как темпы ускорения протонов и ионов, анизотропия ускоренных во вспышке частиц, максимальная энергия, до которой они могут ускоряться, угловое распределение частиц в области ускорения, а также дают возможность оценить полное число ускоренных во вспышке протонов и форму спектра ускоренных ионов.

Недостаточное число экспериментов по регистрации как нейтронов альбедо Земли с энергиями >10 МэВ, так и нейтронов солнечных вспышек, в значительной степени объясняются тем, что традиционно использовавшиеся для регистрации энергичных нейтронов в экспериментах на баллонах время-пролетные детекторы при всех их достоинствах обладают большими размерами и массой, в значительной степени затрудняющими их применение в экспериментах на ИСЗ.

Таким образом, для успешного иследования в ОКП энергичных нейтронов необходимы новые приборы, способные эффективно отделять нейтроны от y-излучения, потоки которого существенно превышают потоки нейтронов, особенно во время вспышек, а также от аппаратурного фона, который также в значительной мере обусловлен у-квантами, и измерять спектр регистрируемых нейтронов.

Во второй главе диссертации дано описание методики идентификации заряженных частиц благодаря зависимости формы светового импульса в Csl(TI) от средней ионизации регистрируемых частиц и приведены результаты ее использования для выделения нейтронов на интенсивном фоне у-квантов.

Возможность идентификации заряженных частиц по форме импульса при регистрации их сцинтилляционным кристаллом Csl(TI) впервые была обнаружена P.C. Сторей с соавторами, которые установили, что сцинтилляционная вспышка в Csl(TI) состоит из двух основных компонент -

быстрой с постоянной высвечивания ig * 0.5 - 0.7 мкс и медленной с = 7 мкс, а отношение интенсивностей медленной и быстрой компонент Ом/'б) зависит от средней ионизации регистрируемой частицы. Хотя в дальнейшем зависимость формы импульса в Csl(TI) от ионизации изучалась многими авторами, до настоящего времени использовалась зависимость величины l^/lß от средней ионизации регистрируемых частиц, которая в диапазоне изменения dE/dx более двух порядков величины (от 1.1 до 365 МэВ«см2/г) была построена всего лишь по четырем точкам, полученным P.C. Старей. В интервале 1.5-30 МэВ«см2/г величина отношения l^/lß сих п°Р не определялась. С другой стороны, хотя принципиальная возможность разделения нейтронов и у-квантов по форме импульса в Csl(TI), учитывая большую разницу в удельной ионизации продуктов взаимодействия этих частиц с веществом сцинтиллятора, представляется очевидной, эффективность такого разделения до настоящего времени не исследовалась.

Приведенные в диссертации результаты исследования методики идентификации нейтронов на фоне у-квантов по форме светового импульса в Csl(Tl) были получены по данным экспериментов на синхрофазотроне У-70 Института физики высоких энергий (ИФВЭ), г. Протвино. Регистрация нейтронов и у-квантов осуществлялась при помощи кристалла Csl(TI), диаметр и высота которого составляли 8 см. В первом эксперименте детектор устанавливался за пределами пучка и регистрировал вторичное нейтральное излучение, образованное во взаимодействиях протонов с энергиями =2 ГэВ со свинцовой мишенью. Заряженные частицы отделялись расположенным перед детектором сцинтилляционным счетчиком. Во втором эксперименте детектор был помещен в пучок протонов с энергиями 20-400 МэВ, помимо которых в пучке присутствовали я- и ц-мезоны с энергиями =800 МэВ.

При обработке событий использовался идентификатор нейтронов, схема которого была аналогична схемам, применявшимся в приборах "НЕГА" и "СОНГ" (эксперименты на OK "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686" и ИСЗ "КОРОНАС-И", соответственно). При обработке событий с помощью такой схемы производилось раздельное интегрирование интенсивностей быстрой и медленной компонент сигнала с последнего динода ФЭУ, амплитуды полученных сигналов измерялись при помощи АЦП, причем под амплитудой быстрой компоненты (Ag) понимался результат интегрирования импульса в течение от 0 до 3 мкс, под амплитудой медленной компоненты (А^) - результат интегрирования от 3 до 10 мкс), и затем записывались в память ЭВМ. Для уменьшения фона интегрирование начиналось только в случае прихода мастерного импульса, который поступал на схему управления ключами. При измерениях в космическом пространстве условием формирования управляющего импульса являлось отсутствие сигнала в пластиковой антисовпадательной защите от заряженных частиц, а в экспериментах на

ускорителе использовалась комбинация сигналов со счетчиков. служивших для выделения пучка. Кроме Ag и А^ для каждого события записывалась амплитуда сигнала, формируемого время-амплитудным преобразователем, в котором сигналом "старт" служил сигнал с первого счетчика, использовавшегося для выделения пучка, а сигналом "стоп" - в первом эксперпименте сигнал с анода исследуемого детектора, и во втором - со счетчика, расположенного непосредественно перед детектором CsI(TI), которые находились на расстоянии около 10 м друг от друга, что позволяло измерять время пролета каждой зарегистрированной частицы.

Возможности разделения нейтронов и v-квантов при помощи рассмотренной выше схемы демонстрирует представленная на рис.1, двумерная диаграмма "Ag-A^". На ней по оси X отложены значения амплитуды быстрой компоненты (Ag) в номерах канала АЦП, по оси Y - значения амплитуды медленной компоненты (Ац^), на дополнительных осях приведены соответствующие данным каналам значения энергии, полученные в процессе калибровок по релятивистским частицам. Наиболее интенсивная полоса на диаграмме (см. рис.1.), проходящая через весь рабочий диапазон АЦП - от порога (~7 МэВ no Ag ) и вплоть до максимальных значений, регистрируемых АЦП (80 МэВ и по Ag, и по А^), обусловлена релятивистскими электронами, образующимися во взаимодействиях у-квантов с Csl(TI). Вторая по интенсивности полоса, четкая в 150 - 600 каналах по Ag, и заметная с существенно меньшей интенсивностью, в 800 - 1200 каналах, а также еще две, значительно менее интенсивных полосы просматривающиеся в 350 - 700 и 200 - 500 каналах no Ag, вызваны заряженными частицами, образованными во взаимодействиях нейтронов с ядрами Cs и I - вторичным протонам, дейтронам и а-частицам, соответственно. Вертикальные полосы в 160-180 и 680-800 каналах по Ag вызваны наложением импульсов, возникающим из-за прихода частиц во время интегрирования А|\д, и соответствуют малоэнергичным у-квантам и релятивистским частицам, фон которых на ускорителях наиболее интенсивен. Справедливость такой интерпретации природы различных групп событий подтверждается время-пролетными спектрами, первый из которых построен для всего массива данных, т.е. для нейтронов и у-квантов вместе, второй - только для событий, лежащих на диаграмме "Ag-A^" ниже границы разделения верхней полосы от нижней, то есть для событий, вызванных нейтронами. У первого спектра при минимальных значениях времени пролета наблюдается интенсивный пик, вызванный релятивистскими частицами, а второго спектра такой пик отсутствует. Данные спектры служат доказательством того, что события на центральной полосе двумерной диаграммы вызваны, в основном, у-квантами, а события с меньшими Ap^/Ag - нейтронами, и подтверждают возможность разделения нейтронов и у-квантов данным методом во всем исследовавшемся интервале энергий нейтронов.

Рис. 1. Двумерная диаграмма "Аб -Ам", полученная в первом эксперименте..

Рис. 2. Зависимость отношения интенсивностей быстрой и медленной компонент в СэКТ!) от средней ионизации регистрируемых частиц.

При помощи приведенной на рис.1, диаграммы "Ag-Ам" была получена зависимость величины порогового значения амплитуды медленной компоненты от энерговыделения вторичных заряженных частиц, которая имела вид A^(nopor)=0.a5-Ag-3.5 (МэВ) и с учетом коэффициентов усиления компонент использовалась при настройке прибора "СОНГ". События, имеющие при заданной величине Ag амплитуду медленной компоненты ниже порогового значения, идентифицируются как нейтроны.

Идентификация нейтронов на интенсивном фоне у-квангов производилась в относительно узком диапазоне энергий вторичных частиц - 780 МэВ, а со значимой статистикой - только для 7-45 МэВ. Поэтому для определения верхней границы энергетического диапазона, в котором настоящая методика применима, возникла необходимость во втором эксперименте, в котором исследовалась зависимость величины амплитуды медленной компоненты от величины амплитуды быстрой компоненты - Ам (Ag) - для протонов с энергиями от 20 до 400 МэВ. Протоны, останавливающиеся в детекторе (энергии от 20 до 150 МэВ), отделялись при помощи данной методики от протонов, пролетающих детектор насквозь (энергии от 170 до 400 МэВ), от т.- и ц-мезонов, а также от фонового у-излучения практически во всем диапазоне энерговыделений в кристалле - от 20 до 150 МэВ. Измерение Ag и Ам производилось также, как и в первом эксперименте.

Было получено, что во всем исследовавшемся диапазоне энерговыделений, даже при Ag=140 МэВ, то есть в случае, когда разница между энергиями частиц, останавливающихся а кристалле и проходящих сквозь него (140 МэВ и 170 МэВ соответственно), составляет всего 30 МэВ, наблюдается удовлетворительное разделение частиц.

Полученные в описанных экспериментах значения А|у| /Ag для р, d и а-частиц были использованы для уточнения зависимости величины отношения 'm/'б от средней ионизации регистрируемых частиц. Для повышения точности определялись не абсолютные величины А^ /Ag , а отношения этих величин к измеренным в том же самом эксперименте величинам A^/Ag для релятивистских частиц, считая что (AM/Ag)pen близко к единице. В первом эксперименте релятивистскими частицами считались образовавшиеся во взаимодействиях у-квантов с веществом детектора электроны, которые присутствовали во всем диапазоне изменения Ag, во втором эксперименте -присутствовавшие в пучке ц-мезоны, энерговыделение которых в кристалле Csl(TI) составляло в среднем 50 МэВ. Для того, чтобы перейти от значений АмМб к 'м/'б измеренные значения отношения амплитуд медленной и быстрой компонент были нормированы методом наименьних квадратов ко всей совокупности данных P.C. Сторей. Полученная таким образом зависимость 'м/'Б от dE/dx имеет следующий вид

у=-(0.11±0.01) • 1п(х)+(0.96Ю.03),

где х - средняя ионизация регистрируемых частиц в МэВ • см2 /г, а у -отношение интенсивности медленной компоненты к интенсивности быстрой компоненты (1м/1б)- Полученные по данным обоих экспериментах величины 'м/'Б' а также аппроксимирующая эти данные зависимость представлены на рис. 2. Помимо данных двух описанных выше экспериментов на рисунке приведены данные работы P.C. Старей и др., а также значения /Ig, измеренные ранее на ускорителе НИИЯФ МГУ.

Эффективность разделения различных типов частиц по форме импульса в Csl(TI) определяется тем, насколько сильно отличаются величины 1м/1б для этих частиц, а также энергетическим разрешением детектора. При изучении разделения нейтронов и у-квантов, регистрирующихся по заряженным продуктам их взаимодействия с Csl(TI), наиболее существенной представляется эффективность разделения вторичных протонов и электронов, поскольку они не только составляют основную часть вторичных заряженных частиц, но и наиболее близки по удельной ионизации. Для количественной оценки эффективности разделения протонов и электронов мы использовали некоторый параметр разделения S, имеющий при заданном значении Ag следующий вид

S=(AeM - АРМ )/ 0 ,

где Аем и АР|у| - амплитуды сигналов медленной компоненты для максимумов в спектрах электронов и протонов, соответственно, а а - их среднеквадратичное отклонение. Данный параметр по своей сути аналогичен параметру разделения, использовавшемуся в работах других авторов. Поскольку энергетические спектры описываются распределением Гаусса, то зная параметр S и используя эта распределение можно определить, каковы эффективность регистрации протонов и присчет электронов при заданном пороговом значении амплитуды медленной компоненты Ац^Т В первом эксперименте значения Аем и АР^ измерялись непосредственно, во втором эксперименте в качестве Аем использовались значения величин А^ для пролетающих кристалл насквозь протонов с энергией 170-400 МэВ и релятивистских л- и ц-мезонов. Зависимость с от энергии была определена по измеренным в обоих экспериментах значениям энергетического разрешения детектора по медленной компоненте. Полученные по данным двух экспериментов значения S находятся во вполне удовлетворительном согласии друг с другом и не противоречат расчитанным исходя из литературных данных величинам S при эннергиях <10 МэВ,.

Хотя во всем исследовавшемся диапазоне энергий (1-140 МэВ, включая область значений, полученную из литературных данных) разделение протонов и электронов, даже с учетом реально существовавшего разрешения прибора, достаточно хорошее, при выяснении диапазона применимости данной методики в спутниковых экспериментах необходимо учесть тот факт, что в экспериментах на ИСЗ, где объем передаваемой на Землю информации

существенно ограничен, из-за чего идентификацию нейтронов желательно проводить автоматически, измеряя отношение Ам /А5. В простейшем варианте, как это и было сделано в экспериментах на ОК "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686" и ИСЗ "КОРОНАС-И", измерялось отношение Ajvi /Ag, выбиралось некоторое пороговое значение A^/Ag и считалось, что если A^/Ag выше этого значения, то зарегистрирован у-квант, если ниже - нейтрон. Однако необходимо учитывать, что при изменении температуры в тех границах, в которых она может варьироваться на борту ИСЗ "КОРОНАС", порог схемы идентификации может изменяться в пределах 95-105% от номинального. С учетом этого, а также измеренного а эксперименте на ОК "САЛЮТ-7"-"KOCMQC-1686" детектором на основе кристалла Csl(TI) соотношения фоновых скоростей счета у-квантов и нейтронов, было найдено, что максимальная энергия регистрируемых вторичных протонов в приборе "СОНГ" не должна превышать = 100 МэВ. В наземных же экспериментах, где колебания порога схемы идентификации из-за изменения температуры могут быть учтены, удовлетворительное разделение нейтронов и у-квантов при помощи данной методики достигается при энергиях вторичных протонов <150 МзВ. При этом эффективность регистрации нейтронов с энергиями 100, 200, 300, 500, 800 и 1000 МэВ, провзаимодействовавших в Csl(TI) с образованием вторичных заряженных частиц, будет составлять, соответственно, не менее 99%, 79%, 63%, 38%, 14% и 11 % в первом случае и 99%, 88%, 71%, 43%, 17% и 12% во втором.

Третья глава диссертации посвящена решению проблемы восстановления спектра нейтронов, регистрируемых однокристальным сцингапляционным детектором на основе Csl(TI) при помощи функций отклика данного детектора на моноэнергетические потоки нейтронов, полученных путем математического моделирования процессов взаимодействия нейтронов с детектором. Так как методика регистрации нейтронов детектором на основе Csl(TI) по заряженным продуктам их взаимодействия с детектором не позволяет измерять энергию каждого нейтрона, поскольку часть его энергии может уноситься вторичными нейтральными частицами, которые из-за относительно небольшого размера детектора могут выйти из него, не провзаимодействоваа. необходимы функции отклика используемого детектора на моноэнергетические потоки нейтронов, позволяющие восстановить спектр регистрируемых нейтронов.

Функционально процесс расчета функций отклика делился на моделирование движения в детекторе первичных нейтронов и вторичных заряженных частиц, моделирование процессов взаимодействия первичных нейтронов с веществом детектора и получение характеристик образовавшихся в результате взаимодействия вторичных частиц. Моделирование осуществлялось методом Монте-Карло, разыгрывалось 10^ попаданий нейтронов каждой из заданных энергий на детектор, который разбивался

ы

плоскостями, параллельными основаниям кристалла, на 150 слоев. При расчете функций отклика сцингилляционного детектора на нейтроны проводилось моделирование процессов упругого и неупругого взаимодействия нейтронов с кристаллом Csl(TI), а также взаимодействия вторичных заряженных частиц с веществом детектора. В качестве основы моделирования процессов взаимодействия нейтронов с детектором использовались результаты расчетов сечений взаимодействий нейтронов с энергиями 10-1000 МэВ с ядрами Cs и I, а также множественностей и спектров вторичных заряженных частиц, образовывающихся в этих взаимодействиях, выполненных К. Г удимой. Энергия и угловые распределения падающих на детектор нейтронов, а также геометрия приборов задавались как начальные условия. Кроме того при расчетах учитывались 1) угловые распределения вторичных частиц в упругих и неупркгих взаимодействиях; 2) вероятность последовательного вылета нескольких (до четырех ) частиц 8 одном акте взаимодействия; 3) величины световыхода в Csl(TI) для протонов и ос-частиц относительно световыхода для электронов; 4) возможность самовыключения прибора при попадании вторичных заряженных частиц в активную антисовпадательную защиту. Созданная программа моделирования позволяет получать функции отклика на нейтроны детекторов на основе Csl(TI) различной конфигурации.

Рассчитанные таким образом функции отклика сравнивались с функциями отклика, полученными по данным описанного выше эксперимента на ускорителе У-70 по регистрации нейтронов детектором на основе Csl(TI). Для этого был выполнен специальный расчет функций отклика, соответствовавший условиям эксперимента на ускорителе в ИФВЭ. Было получено, что в пределах полученных ошибок рассчитанные значения находятся в хорошем согласии с экспериментальными, что можно рассматривать как доказательство достоверности результатов моделирования.

В результате выполненного моделирования функций отклика прибора "СОНГ" на моноэнергетические потоки нейтронов была получена зависимость эффективной площади прибора "СОНГ" от энергии регистрируемых им нейтронов. Согласно этой зависимости, максимальная эффективность регистрации достигается прибором "СОНГ" при энергии нейтронов 100-150 МэВ, далее эффективность подает частично за счет роста числа самовыключений прибора, а в основном за счет того, что с ростом энергии нейтронов все более значительная часть образовывающихся вторичных заряженных частиц лежит за пределами того энергетического интервала, в котором прибор "СОНГ" регистрирует вторичные заряженные частицы. Сравнение полученной зависимости эффективной площади от энергии регистрируемых нейтронов прибора "СОНГ" с аналогичной зависимостью для упоминавшегося выше прибора GRS показало, что данные зависимости носят сходный характер. Это еще раз подтверждает правильность выполненных нами

расчетов. Хотя эффективная площадь прибора "СОНГ" почти в два раза меньше эффективной площади прибора GRS (для прибора "СОНГ" данная величина составляет 35 см^, дл GRS - 60 см2), способность прибора "СОНГ" идентифицировать нейтроны на фоне y-кватов. обеспечивающая низкий относительно прибора GRS аппаратурный фон, приводит к тому что чувствительность прибора "СОНГ" к нейтронам на экваторе в 2.5 раза и на средних широтах 1.7 раза выше, чем в приборе GRS.

Полученные в результате моделирования функции отклика прибора "НЕГА" на изотропный поток нейтронов использовались для восстановления спектров нейтронов, регистрировавшихся данным прибором в эксперименте на OK "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686". Восстановление спектров нейтронов было выполнено при помощи метода итерационной подгонки гистограмм, ранее применявшейся другими авторами при анализе результатов спектрометрических измерений для восстановления энергетических спектров различных излучений, модифицированного с учетом того, что в данном случае данный метод использовался для восстановления спектров нейтронов.

Четвертая глава диссертации посвящена описанию результатов регистрации энергичного нейтрального излучения приборами "НЕГА" в эксперименте на OK "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686" и "СОНГ" в эксперименте на ИСЗ "КОРОНАС-И".

При помощи прибора "НЕГА" измерялись потоки и спектры у-квантов с энергиями >1.5 МэВ и (диапазон энеговыделений 1.5-63 МэВ) и нейтронов с энергиями >10 МэВ (диапазон энерговыделений 4.6-65 МэВ), кроме того регистрировались суммарный поток нейтронов (>10 МэВ), у-квантов (>1.5 МэВ), протонов (>25 МэВ) и электронов (>2.2 МэВ). Детектор представлял собой неорганический сцинтилляционный кристалл Csl(TI) диаметром и высотой 7.5 см, со всех сторон окруженный активной антисовпадательной защитой из пластического сцинтиллятора толщиной 2 см. Вся система просматривалась одним ФЭУ-110. В приборе "НЕГА" использовалось три энергетических интервала энерговыделений по нейтронам- 4.6-13 МэВ, 13-26 МэВ и 26-65 МэВ, и четыре интервала энерговыделений по у-квантам - 1.5-4.4, 4.4-10, 10-29, 29-63 МэВ.

По данным эксперимента с прибором "НЕГА" на борту OK "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686", полученным в апреле 1987 года, когда OK находился на близкой к круговой орбите с высотой «500 км и углом наклонения плоскости орбиты к плоскости экватора =52°' были восстановлены широтные зависимости потоков нейтронов под радиационными поясами Земли. Зависимости потоков нейтронов в диапазоне изменения широты "экватор-средние широты" были определены в шести энергетических интервалах - 1020, 20-40, 40-60, 60-100, 100-200 и 200-400 МэВ. Полученные ошибки величин потоков нейтронов связаны как с экспериментальными ошибками определения

скоростей счета нейтронов, так и с ошибками вычисление! функций отклика, которые определялись, главным образом, расчетными ошибками в имевшихся в нашем распоряжении сечений образования и спектрах вторичных заряженных частиц. Их величина не позволяет уверенно говорить об изменении широтных зависимостей с ростом энергии нейтронов, но из полученных зависимостей следует, что с ростом энергии широтный ход имеет тенденцию к уменьшению: для средних значений потоков 10-20 МэВ он составляет 20, нейтронов с энергиями 20-40, 40-60 и 60-100 МэВ - 8 .нейтронов с энергиями 100-200 - уже 4, а при энергиях 200-400 МэВ - не более 2.5. Такое изменение широтного хода может быть объяснено тем, что чем больше энергия регистрируемых нейтронов, тем больше должна быть энергия первичных протонов, в результате взаимодействия которых эти нейтроны образуются, а зависимость интегральных потоков ГКЛ от пороговой магнитной жесткости места измерения уменьшается с ростом энергии.

Результаты сравнения восстановленого по данным прибора "НЕГА" спектра нейтронов для широты 42°> со спектрами нейтронов, измеренными на границе атмосферы на этой же широте в более ранних экспериментах, где имеется максимальное количество таких данных, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Сравнение результатов измерений потоков нейтронов на широте 42° вблизи границы атмосферы по данным эксперимента с прибором "НЕГА" на ОК "САЛЮТ-7" —" КОСМОС-16В6" с данными других экспериментов.

Из рисунка видно, что полученная нами форма спектра хорошо совпадает с другими данными, но абсолютные значения потоков, регистрировавшихся прибором "НЕГА", значительно (в 6-7 раз) превышают потоки нейтронов альбедо Земли, полученных в экспериментах в верхней стратосфере. Этот эффект можно объяснить тем, что значительную долю нейтронов, регистрировавшихся прибором "НЕГА", составляли локальные нейтроны, спектр которых совпадает со спектром нейтронов альбедо, а их суммарный поток, в общем случае зависящий от количества вещества, которое проходят ГКЛ в космическом аппарате, в данном эксперементе значительно превышал поток нейтронов альбедо Земли.

Справедливость данного предположения подтвердилась при сравнении спектра нейтронов, полученного по данным прибора "НЕГА"спектра нейтронов с результатами расчетов спектра вторичных нейтронов под экраном из алюминия различной толщины,образующихся в данном экране под действием ГКЛ, выполненных Ныммиком P.A. с соавторами. Было получено, что восстановленный спектр в пределах ошибок измерения совпадает с результатами расчета для экрана от 10 до 31 г/см2 алюминия. Это удовлетворительно согласуется с количеством вещества, экранировавшим детектор в полете, полученным в предположении о равномерном распределении масс внутри OK,

На основании сравнения наших данных с совокупностью данных других экспериментов, приведенных на рис. 3, было получено, что на средних широтах не менее 90% зарегистрированного прибором "НЕГА" потока нейтронов вызвано локальными нейтронами и только около 5-10% - нейтронами альбедо Земли. Считая, что размеры и общая масса орбитального комплекса, а также относительное расположения в нем прибора "НЕГА" примерно известны, на основании имевшихся скоростей счета нейтронов прибором "НЕГА" при двух различных ориентациях были сделаны грубые оценки вклада альбедных и локальных нейтронов в регистрируемое излучение, показывающие, что в среднем поток локальных нейтронов на средних широтах составляет -92% от регистрировавшегося потока. Хотя данная оценка и является очень грубой, так как имеет ошибку порядка самой величины (более точные оценки невозможны из-за отсутствия данных о распределении масс внутри OK), полученное в результате среднее значение потока альбедных нейтронов от общего изеренного потока, приводит к согласию наших данных с результатами других экспериментов. На экваторе вклад локальных нейтронов несколько ниже -среднее значение ~60%. Аналогичный эффект уменьшения относительного вклада локальных нейтронов с уменьшением широты наблюдался и в эксперименте на ИСЗ "Интеркосмос-17". Значительная величина вклада локальных нейтронов по сравнению с нейтронами альбедо обьясняется большим (несколько десятков тонн) весом ОК. а также тем, что из-за

взаимного расположения прибора "НЕГА", ОК и Земли локальные нейтроны регистрировались в телесном угле до 2.5 стер.

В эксперименте на ОК "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686" прибором "НЕГА" помимо нейтронов регистрировались еще и у-кванты с энергиями 1.5-100 МэВ. Спектры регистрировавшихся прибором у-квантов восстанавливались при помощи процедуры, полностью аналогичной первому этапу процедуры восстановления спектров нейтронов. В качестве функций отклика использовались данные расчета энерговыделений в приборе "НЕГА", вызванных моноэнергетическими потоками у-квантов, выполненные к.ф.-м.н. Нагорных Ю.Й.

Широтные зависимости показателя степенного спектра и потока у-квантов под РПЗ в интервале энергий 1.5-100 МэВ восстанавливались по данным прибора "НЕГА" в эксперименте на ОК "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1686" в апреле 1987 года. Было получено, что форма спектра у-квантов описывается степенной зависимостью с показателем степени =1.5+0.05 независимо от широты. Величина потока у-квантов с энергиями 1.5-100 МэВ изменяется в диапазоне от 0.8±0.04 до 2.3±0.1 частиц/см2<сек ("экватор- средние широты", соответственно), ее зависимость от пороговой магнитной жесткости места измерения аппроксимируется степенной зависимостью с показателем 0.8±0.12, что не противоречит данным других экспериментов. Сравнение спектра у квантов на широте 42°, полученного по данный прибора "НЕГА" с данными других экспериментов показало, что форма восстановленного нами спектра согласуется с существующими данными, а потоки, измеренные прибором "НЕГА" превышают величины, полученные в большинстве других экспериментов. Это подтверждает предположение о локальной природе значительной части у-квантов, регистрировавшихся в данном эксперименте.

Спектрометр энергичного нейтрального излучения "СОНГ", собранный на основе неорганического сцинтиллятора Сэ1(Т1) и состоявший из детекторного блока "СОНГ-Д" и блока электроники "СОНГ-Э", предназначался для регистрации нейтронов с энергиями >10 МэВ и у-квантов с энергиями 0.1-100 МэВ в экспериментетна ИСЗ "КОРОНАС-И". Регистрация частиц осуществляется неорганическим сцинтилляционным кристаллом Сэ1(Т1) 0200 мм х 100 мм, просматриваемый тремя ФЭУ-110. Для защиты от заряженных частиц Сб1(Т1) со всех сторон окружен активной антисовпадательной защитой из пластического сцинтиллятора толщиной 20 мм. Орбита ИСЗ "КОРОНАС-И" близка к круговой, имеет высоту 500 км и угол наклонения плоскости орбиты к плоскости экватора ¡=83° . Детекторный блок прибора "СОНГ" ("СОНГ-Д") вместе с другими приборами находился на выносной платформе, расположенной на торце спутника и отстоящей от него на расстоянии 1 м.

Из-за того, что при малых энерговыделениях основной вклад в скорости счета вносит наведенная радиоактивность, восстановление спектра у-излучения, регистрировавшегося прибором "СОНГ" в районе геомагнитного

экватора в эксперименте на ИСЗ "КОРОНАС-И" проводилось для скоростей счета в интервалах энерговыделений, лежащих выше 3 МэВ. Восстановленный спектр у-квантов в диапазоне энергий от 3 до 116 МэВ описывается степенной функцией, которая имеет вид dNT/dE=(2.5±0.2)'10"2^E_1-25i0.05 Сравнение

данного спектра со спектрами y-излучения атмосферы Земли, измеренными в районе геомагнитного экватора в других экспериментах, показало, что наблюдается удовлетворительное согласие наших данных с данными других экспериментов. Это дает основания говорить о том, что прибором "СОНГ" в эксперименте на ИСЗ "КОРОНАС-И" регистрировалось, главным образом, атмосферное у-излучение.

Таким образом, в данном эксперименте впервые при помощи одного прибора был измерен спектр атмосферного y-излучения в районе геомагнитного экватора в диапазоне энергий 3-116 МэВ. В осуществлявшихся ранее эксперементах по исследованию атмосферного у-излучения восстановление спектра проводилось в значительно более узких интервалах энергий, а по данным прибора GRS, для которых принципиально имелась возможность получить спектр фонового y-излучения в диапазоне энергий 10100 МэВ, восстановление спектра не проводилось.

Основные результаты.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые прямыми измерениями обоснована возможность идентификации энергичных нейтронов на интенсивном фоне у-квантов, основанная на зависимости формы светового импульса в Csl(TI) от средней ионизации регистрируемых частиц.

2. Впервые определены характеристики эффекта зависимости формы светового импульса в Csl(TI) от ионизации регистрируемых частиц, необходимые для идентификации нейтронов на фоне у-квантов при помощи данного эффекта:

а) зависимость отношения интенсивности медленной компоненты к интенсивности быстрой коммпоненты светового импульса в Csl(TI) от средней ионизации регистрируемых частиц в диапазоне значений ионизации 2-34 МэВсм2/г;

б) зависимость эффективности разделения электронов и протонов по форме импульса в Csl(TI) от энергии в интервале 12-150 МэВ.

в) верхняя граница применимости методики идентификации нейтронов по форме импульса в Csl(TI).

3. Разработана программа, позволяющая получать функции отклика сцинтилляционных детекторов на основе Csl(TI) на монохроматические потоки

2(1

нейтронов методом математического моделирования процессов взаимодействия нейтронов с детектором. Достоверность результатов моделирования подтверждена путем сравнения рассчитанных функций отклика прибора "НЕГА" с функциями отклика, полученными по данным эксперимента с макетом этого прибора на ускорителе У-70.

4. Благодаря полученным результатам для прибора "СОНГ" определены:

а) диапазон энерговыделений вторичных частиц при регистрации нейтронов;

б) энергетическая зависимость эффективной площади при регистрации нейтронов;

в) зависимость величины порога срабатывания идентификатора нейтронов от энерговыделения вторичных заряженных частиц в Csl(TI);

5. Созданы программы восстановления спектров нейтронов с энергиями >10 МэВ и у-квантов с энергиями 1.5-100 МэБ, регистрируемых детекторами на основе Csl(TI), при помощи функций отклика детектора на данные частицы.

6. По данным эксперимента на OK "САЛЮТ-7"-"КОСМОС-1б86" получены широтные зависимости потоков и спектров нейтронов с энергиями 10-400 МэВ, регистрирующихся на орбитальных комплексах большой массы, представляющие интерес как фоновые условия при регистрации нейтронов солнечных вспышек, и с точки зрения анализа радиационной безопасности пилотируемых космических полетов

7. Получены широтные зависимости потоков и спектров у-квантов с энергиями 1.5-100 МэВ, регистрировавшихся прибором "НЕГА" на OK "САЛЮТ-7" - "КОСМОС-1686", характеризующие у-фон на тяжелых ИСЗ.

8. Измерен спектр атмосферного у-излучения, регистрировавшегося прибором "СОНГ" в эксперименте на ИСЗ "КОРОНАС-И" а районе геомагнитного экватора.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Антипов A.B., Белогорлов Е.А., Богомолов А.В, Бритвич Г.В, Купцов C.B., Лупенко Г.В., Мягкова И.Н., Рюмин С.П., Чумаков A.A. "Регистрация нейтронов с энергиями 40-2000 МэВ на интенсивном фоне гамма-квантов с помощью Csl(TI) в эксперименте на синхрофазатроне У-70" // Препринт НИИЯФ МГУ, N92-7/256. М. 1992.

2. Антипов A.B., Белогорлов Е.А., Богомолов A.B., Богомолов В.В.Бритвич Г.В, Купцов C.B., Лупенко Г.В., Мягкова И.Н., Рюмин С.П., Чумаков A.A. "Измерение зависимости формы импульса в кристалле Csl(Tl) от энергии протонов в диапазоне 20-400 МэВ" //Препринт НИИЯФ МГУ, N93-12/304. М. 1993.

3. Дмитриев A.B., Кудела К., Кузнецов С.Н., Мягкова И.Н., Ройко Й, Рюмин С.П. "Прибор СОНГ для исследования нейтронного и у-излучений солнечных вспышек в эксперименте КОРОНАС" - Изв. АН, Сер.физ. 1993. Т. 57. С. 27-30.

4. Dmitriev A.V.,Kovalevskaya M.A., Kusnetsov S.N., Myagkova I.N.. Ryumin S.P., Nagornikh Yu.l.,Kudela !<.,Royko J. "Registration of Solar Flare High Energy Emission by SONG-Device in the Project CORONAS" // Proc. 23rd ICRC. 1993. Calgary. Canada. V.3. P. 175-178.

5. Balaz J., Dmitriev A.V., Kovalevskaya M.A., Kudela K..Kusnetsov S.N., Myagkova I.N..Nagornikh Yu.l., Royko J., Ryumin S.P."Solar flare energrtic neutral emission measurements in the Project "CORONAS-I" // Proc. IAU Colloq. "Solar Coronal Structures" 1994 (eds V.Rusin., P. Heinzel J.-C. Via!) VEDA Publishing Compani, Bratislava. P. 635-639.

6. Богомолов A.B., Гудима K.K., Мягкова И.Н. Рюмин С.П. "Восстановление спектров нейтронов no данным, полученным при помощи сцинтилляционных детекторов на основе Csl(TI) Ц Вестник МГУ, сер. физ, астрон. 1994. Т.35, N3, С. 81-83

7. Богомолов A.B..Кузнецов С.Н..Мягкова И.Н..Рюмин С.П. "Измерение потоков и спектров нейтронов с энергиями 20-400 МэВ в эксперименте на орбитальном комплексе "Салют-7"- "Космос-1686" // Космические исследования, 1995, Т. 33, N3, с 248-253.

8. Кузнецов С.Н., Богомолов A.B., Гордеев Ю.П., Гоцелюк Ю.В., Денисов Ю.И., Дмитриев A.B., Ковалевская М.А., Лупенко Г.В., Мягкова И.Н., Панасюк М.И., Подорольский А.Н., Рюмин С.П., Яковлев Б.М., Ораевский В.Н., Клепиков В.Ю., Копаев И.М., Степанов А.И., Кудела К., Ройко Й., Фишер С., Полашек Ц., Сильвестер Я., Кордылевски 3. "Предварительные результаты эксперимента, проводимого с помощью комплекса аппараткры СКЛ на ИСЗ " КОРОНАС-И". // Изв. РАН. Сер.физ. 1995. Т. 59. С.2.-9