Широкоапертурный мюонный годоскоп для изучения вариаций космических лучей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

1 7 !«лп 2003

Дронов Владимир Васильевич

Широкоапертурный мюонный годоскоп для изучения вариаций космических лучей.

01.04.01- Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени • кандидата физико-математических наук

Автор:

МОСКВА, 2000

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научные руководители'.

доктор физико-математических наук, профессор Петрухин А.А. кандидат физико-математических наук, доцент Борог В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, в.н.с., Куличков С.Н.

кандидат физико-математических наук, в.н.с., Свиржевский Н.С.

Ведущая организация:

Институт земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), г. Троицк

Защита состоится " " " июня 2000г. в на заседании

диссертационного совета К053.03.05 МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом.31, телефон 323-92-57

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан 2000г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь

диссертационного совета сИ^Х Гудков А.Н.

Общая характеристика работы

Работа посвящена проблеме создания нового поколения приборов для высокоэффективной регистрации и изучения вариаций интенсивности космических лучей (ИКЛ).

Актуальность работы

Вариации ИКЛ содержат ценную информацию о различных физических процессах, происходящих в межпланетной среде, магнитосфере и атмосфере Земли. Для выделения источников получаемых вариаций, повышения относительной амплитуды и достоверности их регистрации, необходимо использовать детекторы с высоким угловым и временным разрешением.

Для вариащш, возникающих в межпланетной среде, характерными являются времена 20 -г- 400 минут. Изучение таких вариаций 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. В результате многих экспериментов^по' ^изучению атмосферных вариаций выяснилось, что ионизация воздуха космическими лучами оказывает существенное воздействие на крупномасштабные процессы в земной атмосфере и может играть заметную роль в существующих солнечно-земных связях. К настоящему времени получены предварительные результаты о наличии значимых корреляций вариаций ИКЛ с: содержанием озона в верхней атмосфере, циклонической активностью над

океанами, образованием облачности и выпадением осадков, 22-х летними периодами засух на Земле и т.д.

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 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 минимизации числа каналов регистрации, установку необходимо собирать из нескольких слоев ортогонально расположенных узких сцинтилляционных детекторов длиной более Зм. При построении широкоапертурной (~2я) установки - расстояние между ее координатными плоскостями должно быть равно ~1м. Для достижения углового разрешения -1° 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.

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 сщпшшляционный

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 9м1.

2. На основании обработки данных годоскопа ТЕМП экспериментально доказано, что использование детекторов с высоким уптовым 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 могут 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 воли на атмосферные процессы.

4. Регистрация вспышечных явлений на 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.

Личный вклад

1. Проведены расчеты относительного световыхода различных элементов сцинтилляционных детекторов и выбран оптимальный вариант для конструкции мюонного годоскопа ТЕМП.

2. В процессе создания установки ТЕМП:

- Разработана, и настроена аналоговая и логическая электроника для усиления, формирования, отбора сигналов (триггера) сцинтилляционных детекторов;

- Настроена электроника для записи координат сработавших детекторов по триггеру установки и измерено временное распределение сигналов со всех слоев годоскопа;

- Собрана и налажена электроника для перекодирования данных из регистров и записи их в быструю память в стандарте ВЕКТОР.

3. Создано математическое обеспечение для регистрации частиц мюонным годоскопом, хранения и обработки данных:

- Создан пакет программ на языке ассемблер для быстрого приема координат частиц из годоскопа в микро-ЭВМ ДВК-ЗМ с накоплением в памяти углового распределения за минутный интервал измерения и записью данных на магнитную лету;

- Разработаны алгоритмы и написаны программы для чтения и предварительной обработки данных с магнитных лент, контроля

за работой детекторов установки, архивации экспериментальных данных на магниго-оптических дисках;

- Разработаны алгоритмы и написан пакет программ для выявления периодической составляющей в интегральной и дифференциальной интенсивности мюонов, а также в данных атмосферного давления.

Проведено численное моделирование статистических характеристик плотности спектра мощности временных рядов с различной длиной ряда и шириной спектрального окна.

- Проведена калибровка эффективности регистрации частиц детекторами в слоях по всей площади годоскола.

4. Разработана профамма и проведены расчеты светосилы мюонного годоскопа ТЕМП, вычислена зависимость интенсивности мюонов от зенитного угла.

5. Выполнены расчеты и сделан сравнительный анализ результатов выявления волновых процессов в атмосфере и в межпланетном пространстве по данным дифференциальной и интегральной интенсивности мюонов годоскопа ТЕМП.

6. Автор принимал участие во всех сериях непрерывных измерений углового распределения мюонов на установке ТЕМП общей длительностью более 20000 часов регистрации.

Автор защищает

1. Результаты расчетов конструкции сцинтилляционных детекторов большой площади и их реализацию при создании мюонного годоскопа ТЕМП.

2. Результаты расчета светосилы установки ТЕМП, угловое распределение мюонов на уровне земли, экспериментальные данные эффективности регистрации годоскопа.

3. Программы приема и первичной обработки данных с годоскопа в режиме on-line, программы спектрального анализа экспериментальных данных дифференциальной и интегральной 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 по 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.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, восьми глав, списка литературы из 56 наименований, содержит 119 страниц, в том числе 56 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы

]. Для непрерывной высокоэффективной регистрации вариаций ИКЛ на уровне земли, был разработан широкоапертурный мюонной годоскоп ТЕМП. Он расположен в МИФИ на первом этаже трехэтажного кирпичного здания с бетонными перекрытиями рядом со стеной с большим окном. Для определения направления частицы установка содержит две координатных плоскости: верхняя (Х1,У1) и нижняя (Х2,У2), разнесенных на расстояние один метр. В каждой плоскости установлена пара слоев ортогональных детекторов. В слое находится 128 сцинтилляторов толщиной 1 см, шириной 2.5 см и длиной 330 см. Стороны детекторов слоя ориентированы вдоль стен здания с северо-запада на юго-восток (ось У) и с северо-востока на юго-запад (ось X). Поглощение энергии частиц в стенах здания соответствует 2-5-3 м.в.э.

Уменьшение вклада в интенсивность мюонов от мягкой компоненты обеспечивает размещенный под установкой слой свинца толщиной 5 см, ниже которого расположен пятый слой сцгаггилляторов (¿). Вдоль боковых сторон годоскопа

установлены крейты с блоками питания, в которые помещены усилители-формирователи (УФ) сигналов с ФЭУ. В установке

верхние (Х2, 72 - нижние) слои сцинтилляторов (4 х 128 счетчиков размером 2.5 х I х 300см), 2 - дополнительный слой сцинтилляторов, РЪ - свинцовый поглотитель толщиной 5 см.

имеется датчик давления. Сигнал датчика (функция давления) Л3 линейно зависит от давления атмосферы Р: (ТР-А-ВР'). Коэффициент В«300отсч/мбар за минуту измерения. Остальная электроника находится в стойках КАМАК, расположенных в нескольких метрах от годоскопа. Температура в помещении круглый год поддерживается в диапазоне 23 ± 5 градуса.

Промышленное производство сцинтилляционных детекторов для крупногабаритных годоскопов не налажено, поэтому до начала проектирования нужно было определить оптимальный вариант построения, который удовлетворял бы следующим требованиям: детектор должен обеспечить статистическую точность -0.1 % в час при уровне случайных совпадений <0.1%, эффективность регистрации частиц £ 99% и нестабильность характеристик за год < 0.5%. Стабильная работа установки

возможна лишь при использовании детекторов с максимальным выходом фотоэлектронов на единицу пути частицы в сцинтиллягоре. Для этого нужно подобрать все элементы годоскопа (сцингиллятор - световод сместитель спектра -фотокатод ФЭУ) так, чтобы обеспечить максимальное перекрытие их спектральных характеристик. В таблице 1 представлены результаты расчета относительного выхода фотоэлектронов для нескольких вариантов построения сцингилляционных детекторов. Широко применяются ФЭУ с фотокатодами СзНа2К8Ь (мультищелочной -МФК) и КгСэБЬ (бщцелочной-БФК). Для первичной сцингалляционной добавки используют 2.5-дифснилоксазол (РРО) и п-терфенил (ПТ), а в качестве вторичных добавок применяются 1,4-ди-(2-(5-дифенилоксазолил))-бензол (РОРОР), 1,5-дифенил-З-стирил-пиразолин (ДФСП) и ПФ-1. В качестве основы сцинтиллятора используют полистирол или полиметилметакрилат (ПММА).

Таблица 1

Тип Добавка, Тип Относитель-

фото- определяющая спектросме- ный выход

катода спектр щающей фотоэлектро-

ФЭУ излучения добавки нов

сцинтиллятора

МФК РРО РОРОР 2.5

ДФСП 2.9

ПФ-1 1.7

РОРОР ДФСП 1.7

ПФ-1 2.2

БФК РРО РОРОР 2.5

ДФСП 1.6

ПФ-1 0.8

РОРОР ДФСП 0.9

ПФ-1 1.0

Для детекторов с размером менее Зм предпочтительным является полистирол, поскольку его световыход больше. Максимальное число фотоэлектронов имеет система РРО-ДФСП-МФК. Однако,

и

в связи с тем, что время высвечивания ДФСП составляет б нсек, а у РОРОР - 3 нсек, и поскольку уровень шума МФК больше, чем у БФК, то для снижения случайных совпадений - при построении годоскопа ТЕМП выбран вариант: полистирол-РРО-РОРОР-БФК. Экспериментально были получены следующие средние значения выхода фотоэлектронов для детекторов, используемых в установке ТЕМП на расстоянии от фотокатода: 0.5м~100ф.э.; Зм~12ф.э. Вероятность Ря выхода п фотоэлектронов при среднем ЛГ„ подчиняется закону Пуассона: Р(п) = (Ы,,) " ■ ехр (-М, )/(п!). Вероятность Ру не зарегистрировать сигнал в детекторе с порогом регистрации 1ф.э. (Р1 =*Ы,-ехр(-Ы^) со средним N«=10: Р ¡^0.045%. В триггере физических установок используются совпадения сигналов нескольких детекторов и вероятность просчета частицы при 4-х кратных совпадениях вырастет: Р^0.2%. Разработанный детектор теоретически позволяет достичь эффективности регистрации установки: (1-Р\) > 99.8%, а ее экспериментальное значение составило 99.1%. Для усиления анодных сигналов ФЭУ были разработаны и изготовлены УФ с коэффициентом усиления 100 и порогом срабатывания 15мв. Длительность парафазных сформированных сигналов с УФ равна 70 нсек. Температурная нестабильность канала усиления ФЭУ-усилитель не превышает 0.5% на градус. На печатной плате размещено 16 УФ, а также

Рнс.2.3шиснностъ эффективности

регистрации от задержки триггера. ПРОИСХОДИТ ЗаПИСЬ КООрДИНЭТ

сработавших детекторов в регистры памяти в стандарте СУММА. Чтобы совместить импульсы УФ и строб записи, триллер задерживается в блоке регулируемой задержки (рис.2). Временное разрешение триггера годоскопа равно 1 бнс.

схема быстрой выработки логического NIM сигнала 16ШШ. Выходные сигналы с 4-х слоев детекторов поступают на входы схемы 4-х кратных совпадений, а ее выходной сигнал формируется по длительности до 70нс и

является триггером, по которому

Дифференциальная (по углам) интенсивность мюонов 1(9,^1) определялась из измеренного углового распределения N(9,^) (рис.3) после расчета светосилы установки 8Г2(в,(р)\ 1(6,^) = N(9, <р,1)/%0(в, <р). Для этого написана программа на языке Фортран

-а6 0 0у 26

Рис. 3. Угловое распределение мюонов в центральной части матрицы, по осям отложены углы ЛХиЛ У

77, которая вычисляет светосилу установки при двух значениях ширины детекторов годоскопа: 4.5см (2°) и 2.25см (1°). В вертикальном направлении светосила равна: 168см2хстер(2°х2°) и 42см1хстер (1°х1°). После внесения поправок на светосилу была

Рис. 4 Зависимость интенсивности мюонов I от проекционного угла ОХ.

выделена зависимость интенсивности мюонов от проекционных углов БХ (ДХ, А У) (рис.4), которая аппроксимируется степенной функцией вида: 1(9) ~1в-соз" (¿^.Показатель степени при косинусе определен с помощью метода наименьших квадратов: п=2.23±0.01 (толстая линия рис.4, тонкие линии: п=2.13, 2.33).

При статистической обработке экспериментальных данных необходимо знать основные характеристики измеряемых величин: среднее, дисперсию и их стабильность. Дисперсия интенсивности срабатываний детектора определяется (закон Пуассона) ее средним значением. Она будет возрастать при наличии внешних шумов, наводок на аппаратуру, поэтому ее величина является показателем качества работы физической установки. Был выбран ряд (за сутки), когда слабо менялись метеоусловия ( температура : ±1°, а давление : ±1мбар ). Среднее значение интегральной интенсивности мюонов оставалось постоянным (33928) с точностью -0.1% за сутки (за четыре часа с точностью -0.05%).

Дисперсия интенсивности мюонов для этого ряда равна 184.814.9, при ожидаемой 184,2 (пуассоновское распределение со средним 33928). Из 1400 " точек ряда за пределы ±Зо вышли только 4 точки (при ожидаемых 5). Было построено распределение (рис.5) числа Рнс.5 Число срабатываний N годоскопа за отклонений от среднею за сутки с амплитудой Л (в станд. откл.) сугки в иНГвНСИВНОСТИ МЮОНОВ

от амплитуды отклонения (точки) и нормальное распределение (линия).

Из блоков регистрирующей электроники в крейтах ВЕКТОР координаты сработавших детекторов считываются в ЭВМ (макс, скорость ~3000соб/сек) с помощью разработанной программы, которая состоит из пяти подпрограмм: 1) контроля аппаратуры и опроса координат детекторов; 2) обработки и отбраковки событий; 3) вычисления проекционных углов и формирование

матрицы 4) считывание метео- и служебной информации, определение интервала следующего измерения; 5) упаковка данных и запись на ленту. По сигналу триггера ЭВМ вычисляет координаты (Х1,У1.Х2,У2) и углы ДХ и ДУ: ДХ= XI-Х2; АУ= У1-У2. Для сокращения объема информации - был выбран способ набора углового распределения в матричном виде. Для каждого интервала измерения в компьютере отводится буфер памяти под матрицу, где при регистращш события с углами АХ, А У по соответствующему адресу памяти происходит увеличение содержимого байта на единицу. Для экономии объема памяти и емкости магнитных носителей размер матрицы был выбран равным 128x128=16394 байт.

При матричном методе записи информация о координатах сработавших детекторов годоскопа теряется. Для контроля за

I 32 64 56 128

Рис. 6. Зависимость скорости срабатывания детекторов в слоях годоскопа от координаты

работой установки нужно знать частоту срабатываний всех детекторов во время измерения, поэтому срабатывания каждого из них (рис.6) суммируются, и каждый час полученное распределение пишется на ленту. Для рабочего режима был выбран минутный интервал измерения. Информация об угловом распределении мюонов за минуту накапливается в матрице памяти компьютера, упаковывается и пишется на лету. Результаты измерений счтываются с магнитных лент (режим

off-line) в компьютер IBM PC, где производится их первичный контроль. Проверенные данные архивируются и записываются на магнито-оптические диски.

Для спектрального анализа экспериментальных данных на языке Фортран 77 (ЮМ PC) была написана программа, которая выполняет: разархивацию данных, формирование временных рядов по направлениям и удаление из них тренда, вычисление плотности спектра мощности (ПСМ). Значения спектров мощности на каждой частоте суммируются вдоль всех направлений, в результате чего получается спектр с меньшей относительной ошибкой. При анализе результатов спектральной обработки экспериментальных данных важное значение имеют уровни достоверности отклонений ПСМ от его среднего значения. Для оценки формы распределения ПСМ проведено численное моделирование методом Монте-Карло 1024-х случайных рядов с длиной 1024 точек с вычислением в каждом из них ПСМ со сглаживанием его спектральным окном. Значения ПСМ (~ ^-распределение с 15 степенями свободы) были вычислены для нормально распределенного ряда (длина: Т=25б, ширина окна: L=40 точек). Распределение максимальных значений ПСМ в спектре отсутствует в литературе, поэтому оно было вычислено методом Монте-Карло для рядов с той же длиной

(рис.7). Это распределение с 10 степенями свободы. Уровень достоверности 99.9% соответствует пику со значением ПСМ больше среднего на 4станд. отклонения. Вид зависимости величины пика ПСМ Ар от амплитуды гармоники А, определялся

xikva i F=10

1 U, J =256

L=40

.'Uri , 1

0 10 20 30 А, 40

Рис.7 Распределение максимального а спектре значения от амплитуда ( в десятых долях станд. отклонения ПСМ)

Ар

4 А*

Рис.8 Зависимость А, (в ставд. откл. ПСМ) от А, (в десятых долях от станд. откл. ряда)

добавлением гармонической компоненты в ряды с нормально распределенным шумом (рис. 8). Зависимость квадратичная (Ар ~ А,2), а достоверность выявления колебаний с А, > 0.5а на фоне белого шума близка к 100%.

ИКЛ на поверхности земли зависит от давления и температуры воздуха атмосферы. По результатам экспериментов определен барометрический коэффициент: РЧ-0.2±0.03 зимой, 0.15Ю.02 летом) %/мбар. На рис.9 показан график зависимости от времени интегральной интенсивности мюонов в период быстрого падения давления на~30мбар. Температура воздуха менялась менее, чем на градус. Экспериментально определен температурный коэффициент интегральной интенсивности

мюонов: а - -0.12+0.03 %/град. Зависимость потока мюонов от температуры воздуха можно описать точнее, если отдельно учесть вклады в изменение интенсивности 8(9) по каждому направлению 9 от флуктуаций температуры ¿7} в нескольких слоях ] толщиной АИ на высотах Н} 0=1,ш). Разобьем диапазон углов на п интервалов и заменим угол 9 номером интервала г, которому он принадлежит: Обозначим - плотность

температурного коэффициента в слое ] для мюонов под углом г

35250 3511гб 34970 34830 34690 34550

мбар ^

/Г \ |А « ¡¡^Т +2

■ югг=0. 50

360 720 1080 вРем

34200

ГР 33600

33000

32400

31800

31200 (мин

Рис.9 Зависимость ннтегр. инт-тн нюонов (тонкая линия) н функции давления ГР (толстая линия) от времени зимой.

<5| /ЫI = -А)г. Решив систему уравнений -

АИ-6Т/Н^ = ; (Л^ - матрица, обратная И'}у)> можно

оценить изменения температуры в разных слоях атмосферы <57} по вариациям ¿¡. На Рис.10 приведены графики изменения температуры атмосферы от времени на высотах 10 и 16 км, характерные для летнего периода. На рисунке видна суточная волна температуры, амплитуда которой (день-ночь) может достигать 2°С. Из графика видно, что воздух на высоте 16

£

О 720 1440 2160 вРемя

-(вид.)

Рис.10 Зависимость изменения температуры атмосферы от времени, (толстая линяя - иа высоте 16км, тонкая линия - на высоте 10км.)

км остывает ночью линейно со временем - с 22 ч до 8ч (время декретное). Стрелками на графике отмечены моменты замеров температуры метеозондами. Видно, что двухразовые (12ч и 24ч) измерения не позволяют определить суточную волну температуры (штриховая линия - получаемый тренд) , поскольку в моменты максимального нагрева и остывания нет измерений.

В атмосфере постоянно происходят (часто одновременно) как медленные процессы, связанные с изменениями давления и температуры, так и импульсные и квазипериодические колебания плотности воздуха атмосферы: внутренние гравитационные волны (ВГВ) и акустические волны (АВ). Основными параметрами ВГВ являются амплитуда (А) и период колебаний (Т), длина волны (Ь), фазовая скорость (V) (табл.2). Фазовая скорость ВГВ <300 км/час, а для АВ она -1200 км/час.

а ¿и

Конвективно - грозовые явления (например, 15 мая 1997года) являются мощным источником возбуждения ВГВ и регистрируются по импульсному изменению давления (так называемому "грозовому носу"). Физический механизм, отвечающий за появление импульса давления, связан с конденсацией влаги в воздухе, выделением скрытого тепла, разогревом и быстрым подъемом воздуха на высоту 10+15 км, охлаждением и быстрым , падением его вниз к земле. Амплитуда импульса давления в момент прохождения грозовой ячейки вблизи точки наблюдения превышает 0.5 мбар, а длительность составляет десятки минут. Импульсная особенность в интенсивности мюонов со временем зарегистрирована при прохождении всех грозовых ячеек 15 мая

Рвс.11 Зависимость ннтегр. инт-тн мюонов (гонкая ливня) в функции давления КР (толстая линия) от времени во креня грош 15 мая 1997г

1997 года (рис.11).

Для обнаружения ВГВ в атмосфере перед приходом грозового очага к месту наблюдения были обработаны данные годоскопа до 15ч.20м. В этот интервал времени обнаружены колебания в данных, причем только в ячейках с угловым размером 2°, что соответствует длине волны Зкм на высоте 10км. С 11 часов появляется пик (рис.12) в ПСМ (амплитуда 14 станд. откл.) с периодом 4.3 мин. и продолжительностью более 4 часов. В течение часа перед приходом к месту наблюдения первого грозового очага (с 14.20 до 15.20) наблюдается заметный рост

270 110

150 •

90 30

Б., отел. s, ОЩД

1дел." 4с Г.ОТКЛ

1600 1200 800 400

200

400 f(l03*MHM1)

амгоиггуды волны. Характеристики всех ВГВ, обнаруженных 15.05.97г. приведены в табл. 2. В предгрозовые периоды характерна необычно большая когерентность колебаний (разрешение по частоте

Рис.12 Функция ПСМ диф. инт-тн мюонов (толстая линия) и ннтегр. инт-тн мюонов ¡ч (гонкая линия) до грозы

.пика с периодом 4.3 мин. составляет 3%). В ПСМ давления в это время наблюдается пик (разрешение по частоте более 10%), с периодом 3.8 минуты и амплитудой несколько Паскалей. В спектре мощности данных интегральной интенсивности мюонов в этот период времени статистически значимого пика нет.

Таблица 2.

Номер гр. Т А L V Время

ячейки (мин) ст.откл (фад.) (км.) (км/час) (прод-ть)

(1) 4 14 2 3 40 11.00 (4)

1 5 6 8 12 150 15.30 (2)

2 6 6 8 12 150 16.30(2)

3 10 12 14 21 120 17.40(3)

4 6 8 12 18 180 20.00(3)

(5) 25 8 10 15 40 20.30 (3)

(5) 5 8 2 3 40 20.30(3)

5 4 7 8 12 180 23.30 (2)

Пики в спектре мощности дифференциальной интенсивности мюонов до грозы имеют разрешение по частоте в 3 раза больше, чем пики в спектре мощности атмосферного давления. Длина волны колебаний перед приходом грозовой ячейки к месту регистрации не превышает 5 километров, а фазовая скорость » 40км в час. После прохождения грозовой ячейки в атмосфере возникают колебания с фазовой скоростью в 3-4 раза больше. 80% периодов, зарегистрированных в это время колебаний, нахо-

дится в диапазоне: 2-г-б минут. Эффективность регистрации волны с периодом менее б минут у мюонного годоскопа на порядок больше, чем у датчика давления.

ВГВ и акустические волны способны ускорять выделение скрытого тепла в атмосфере - за счет конденсации влаги в воздухе. Это приводит к росту давления, ураганному ветру с

_________________ливневым дождем,

как в Москве 20 июня 1998 года. Импульс давления амплитудой 4 мбар был зарегистрирован в 23.40ч. -после прихода

урагана к Москве. Обработка данных за 20 июня 1998г. показала, что в 14ч. в

1600 1200 800 400 0

в, отн.ед, ' с; 1 5«> отн.ед.

1дел.= 4 ст. о' кл.

1 А /1 Л 1 *

тМ т

200

400 ЙЮ3

100 ■ 75 50 25 0

мин'

Рнс.13 Функция ПСМ диф. инт-ти ыюонов (толстая лии. н интегр. инт-тн мюонов (тонкая лин.) перед ураганом

атмосфере на высотах 10+ 20км с северо-востока на юго-запад прошла ударная волна, которая вызвала мощное колебание уровней давления амплитудой ~150м на высоте ~15км длительностью 2ч. После затухания колебания появляется акустическая

волна периодом 2.5мин., длиной волны 50км, длительностью 4ч. и амплитудой 15 станд. отклонений (Рис. 13).

В околоземном пространстве ИКЛ зависит от солнечной активности. На Рис.14 приведен график зависимости интегральной интенсивности мюонов (годоскоп) в период Форбуш-понижения с 25 по 27 августа 1998 г. На графике видны несколько потоков с сильным магнитным полем, которые снижают интенсивность мюонов на уровне земли на -1+2%.

34700 34500 34300 34100 33900 33700

25.0з 98 1

(13.13 ¿П^

о юоо 2000 жРем»

(ннн)

Рас. 14 Зависимость ннтегр. инт-ти от воеыевп в период 25-27ав густа 1993года

По данным нейтронного монитора ИЗМИРАН (г.Троицк) амплитуда понижения составила 2+5%. Проведенный анализ данных метеорологических измерений показал, что изменения: давления, высоты барометрических уровней (-150250м), температуры (+~10°) атмосферы в этот период, уменьшили интенсивность мюонов примерно на 3%. Если учесть эти поправки, то амплитуды вариации мюонов и нейтронов будут примерно равны. Колебания плотности плазмы приводят к флуктуациям напряженности вмороженного ММП, что может вызвать вариации ИКЛ. В определенных направлениях в дифференциальной интенсивности мюонов амплитуда квазипериодических флуктуации ИКЛ достигает нескольких процентов. На Рис.15 приведены данные интенсивности в ячейках годоскопа размером 15° и 30° в северо-западном (зенитный угол 60°) направлении во время прохождения Земли через отстающий край главного потока плазмы. На графике отчетливо видны квазипериодические колебания с амплитудой в несколько раз, превышающей статистическую ошибку (а« 1.2) данных. При ухудшении углового разрешения детектора (с 15° до 30°) - относительная амплитуда вариации уменьшается (в несколько раз). Фурье-анализ ряда (15°) показал наличие в нем колебаний с периодом 47 минут с уровнем достоверности >99.9%. Размер неоднородностей может быть восстановлен по частотному

спектру вариаций космических лучей. Периоду 47 минут соответствует неоднородность ММП с размером Ь~3-1011см и с напряженностью магнитного поля: ~ ~20у.

Рис.15 Зависимость диф. явт-тв мюонов 1ц (толстая лилия ячейка 1}°) и Ьа (тонкая ливня, ячейка 30°) от времена.

Результаты работы.

1. Изготовлен, настроен и запущен в непрерывную эксплуатацию весной 1996 года мюонный годоскоп ТЕМП с площадью 9м2 и угловым разрешением 1 градус.

2. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для выявления волновых процессов по данным дифференциального углового распределения мюонов с определением периода вариации и уровня ее достоверности.

3. Измерено угловое распределение мюонов космических лучей на уровне земли с угловым разрешением 2 градуса, при интегральной статистике в спектре более Ю10 событий.

4. Экспериментально измерены временные ряды данных с угловым распределением мюонов на поверхности земли более чем за 20000 часов регистрации годоскопа ТЕМП.

5. Показано, что при использовании детекторов с высоким угловым разрешением увеличивается достоверность выявления колебательных процессов в десятки и в сотни раз по сравнению с широко используемыми в настоящее время интегральными детекторами, такими как нейтронные мониторы и сцинтилляционные телескопы.

6. Впервые зарегистрированы акустические и внутренние гравитационные волны в атмосфере с помощью мюонного годоскопа с уровнем достоверности выше 99.99%.

7. Измерена амплитуда и временная зависимость суточного изменения температуры атмосферы в летний период.

8. На основании анализа данных мюонного годоскопа ТЕМП (МИФИ) и нейтронного монитора (ИЗМИРАН) за период 25-27 августа 1998г. показано, что отличия в относительных амплитудах вариаций этих приборов могут быть объяснены изменениями плотности атмосферы по высоте.

9. Проведен анализ данных дифференциальной интенсивности мюонов на поверхности Земли за 26 августа 1998г. с различным угловым разрешением, в результате которого впервые выделен квазипериодический сигнал (в северо-западном направлении)

продолжительностью более 10 периодов с амплитудой, в несколько раз превышающей статистическую погрешность измерений.

Опубликованные работы по теме диссертации.

1. В.В. Борог, В.Г. Васильченко, В.В. Дронов и др. "Сцингилляционный годоскоп с рабочей площадью 50x50см1 на основе годоскопических фотоумножителей", ПТЭ,1987,т.З, с.46-50

2. V.V.Borog, A.Yu. Burinskij, V.V. Dronov, O.M. Chugunova "Large aperture muon hodoscope for research of solar-terrestrial physics (TEMP)", Moscow, MEPHI, preprint № 028-93, 1993.

3. V.V.Borog, A.Yu. Burinskij, A.V. Gvozdev, V.V.Dronov, A.A.Petrukhin "Large aperture muon hodoscope for studies in solar-terrestrial physics", Proc. 24th ICRC.1995, Rome, v.4, p.1291-1295

4. V.V.Borog, A.Yu. Burinskij, A.V. Gvozdev, V.V.Dronov "Angular and temporary cosmic ray muon flux characteristics measured with large aperture scintillator hodoscope", 25ICRC, Durban, South Afiica, 1997, v.2, p.449-452.

5. В.В. Борог, А.Ю. Буринский, В.В. Дронов и др. "Генерация, распространение и регистрация CKJI высоких энергий", Изв.РАН, 1997, сер.физ., т.61, №6, с. 1053-1056.

6. В.В. Борог, В.В. Дронов, А.В. Гвоздев "Изучение волновых процессов, возбуждаемых в атмосфере Земли конвективно-грозовыми явлениями, с помощью мюонного годоскопа". Изв. РАН, сер.ФАО, 1999, т.35, №1, с.24-33.

7. В.В. Борог, В.В. Дронов "Изучение динамических процессов в гелиосфере с помощью мюонного годоскопа", Астрономический вестник, 2000, №2, (в печати)

8. В.В. Борог, В.В. Дронов "Регистрация вариаций космических лучей мюошшм годоскопом ТЕМП во время Форбуш-понижения 25 августа 1998 г.", Научная сессия МИФИ, М., 2000, Сборник трудов, т.7, с.33-34

9. В.В. Борог, О.В. Белоносова, В.В. Дронов и др. "Галактическое космическое излучение как инструмент для изучения динамических процессов в озоносфере", Труды международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля", М., 1999, с.413-422

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВАРИАЦИЯМ ИКЛ.

1.1. Характеристики основных типов вариаций ИКЛ

1.2.1. Вариации Р1КЛ атмосферного происхождения

1.2.2. Вариации ИКЛ внеземного происхождения 13 1.3. Короткопериодические вариации ИКЛ

ГЛАВА 2. ОБЗОР ДЕЙСТВУЮЩИХ УСТАНОВОК ПО РЕГИСТРАЦИИ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ.

2.1. Современные требования к физическим установкам для изучения вариаций космических лучей

2.2. Нейтронный монитор.

2.3. Мюонный телескоп в г. Нагойя (Япония)

2.4. Сцинтилляционный телескоп ИЗМИР АН (г.Москва)

2.5. Новые разработки детекторов для изучения вариаций

2.6. Недостаткиществующих установок.

ГЛАВА 3: РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ГОДОСКОПА ПЛОЩАДЬЮ 3x3 м

3.1. Определение основных характеристик детектора

3.2. Расчет оптимальных вариантов построения детектора

3.3. Конструкция и расположение установки

3.4. Схема усилителей-формирователейгналов ФЭУ

3.5. Блок-схема электроники установки

3.6. Программное обеспечение для on-line обработки данных

3.7. Определение эффективности регистрации частиц годоскопом

ГЛАВА 4: УГЛОВЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАННЫХ ГОДОСКОПА ТЕМП.

4.1. Расчететосилы годоскопа для 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 характеристикиабатывания отдельных детекторов годоскопа.

4.6. Статистические характеристики данных интегральной интенсивности мюонов.

ГЛАВА 5: ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОЭФФЕКТОВ ИКЛ ПОДАННЫМ ГОДОСКОПА ТЕМП.

5.1. Определение барометрического и температурного эффекта ИКЛ в зимний и летнийзоны.

5.2. Определение изменений температуры воздуха на различных высотах в атмосфере по данным дифференциальной интенсивности космических лучей. сЛЗ

ГЛАВА 6: ВЫЯВЛЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДАННЫХ ГОДОСКОПА ТЕМП.

6.1. Волновые процессы: математический аппарат.

6.2. Определениеатистических характеристик функции плотностиектра мощностипомощью моделирования.

6.3. Алгоритмы программ для выявлениярытых периодичностей в данных мюонного годоскопа ТЕМП.

ГЛАВА 7: КОРОТКОПЕРИОДИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ ИКЛ АТМОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.

7.1. Основные причины и характеристики вариаций космических лучей атмосферного происхождения.

7.2. Вариации космических лучей, вызванные внутренними гравитационными волнами от конвективно-грозовых явлений,

7.3. Вариации космических лучей, вызванные внутренними гравитационными волнами от атмосферных фронтов.

7.4. Вариации космических лучей, вызванные акустическими волнами в атмосфере перед ураганом 20 июня 1998года.

ГЛАВА 8: ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВО ВРЕМЯ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЯ 25 АВГУСТА 1998 ГОДА.

8.1. Вариации ИКЛ по данным нейтронного монитора ИЗМИР АН и мюонного годоскопа ТЕМП 25-27августа 1998 года.

8.2. Корреляция флуктуаций ИКЛ и различных атмосферных параметров во время Форбуш-эффекта 25августа 1998года.

8.3. Амплитудные и частотные характеристики вариаций ИКЛ в ячейках годоскопаразличным угловым разрешением.

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 -ь 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 2-5-20 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 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 ~1° нужно выбрать ширину детекторов в слое равной ~2см. Для повыщения 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 А площадью 9м 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 могут 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 на 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.

Автор защищает.

1. Рсзулыаты расчетов конструкции сциитилляциопных детекторов большой площади и их реализацию при создании мюонного годоскопа ТЕМП.

2. Результаты расчета светосилы установки ТЕМП, 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 интегральной 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 по 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.

1999; Научные сессии МИФИ, Москва, (1998, 1999, 2000) и опубликованы в работах: [26,27,28, 31,40,44, 50, 51, 54].

Структура диссертации.

В первой главе рассмотрены характеристики вариаций ИКЛ, известные в настоящее время. Отдельно рассмотрены вариации атмосферного и космического происхождения. Приведен обзор по короткопериодическим вариациям космическим лучей.

Во второй главе сделан обзор физических установок, на которых были получены основные результаты по вариациям ИКЛ: нейтронных мониторов и сцинтилляционных телескопов. Проанализированы достоинства и недостатки, приведены характеристики детекторов нового поколения.

В третьей главе подробно рассмотрены различные варианты построения детекторов для сцинтилляционных годоскопов, из которых выбран оптимальный. Приведена конструкция мюонного годоскопа, описана блок-схема электроники установки, а также принципиальная схема усилителей-формирователей сигналов ФЭУ. Приводится описание on-line программ установки. Рассмотрены вопросы калибровки эффективности годоскопа.

В четвертой главе приведены результаты расчетов светосилы годоскопа для различных направлений, а также зависимость ИКЛ от зенитного угла. Определены статистические характеристики частоты срабатывания отдельных детекторов и всей установки.

В пятой главе определены барометрический и температурный коэффициенты интегральной интенсивности мюонов, а также вычислены

11 амплитуда и временная зависимость изменений температуры на трех высотах в атмосфере за несколько суток.

В шестой главе приводится математический аппарат, использованный для выявления скрытых периодичностей в рядах данных потока мюонов. Методом Монте-Карло рассчитаны статистические распределения функции плотности спектра мощности временных рядов. Приведены алгоритмы программ для выявления скрытых периодичностей в данных мюонного годоскопа.

В седьмой главе приведены характеристики вариаций ИКЛ атмосферного происхождения, вызванные прохождением атмосферных фронтов и грозовых ячеек над установкой. Отдельно рассмотрены характеристики акустических волн в атмосфере перед ураганом в Москве 20 июня 1998 года.

В восьмой главе приведены результаты исследования вариаций ИКЛ во время Форбуш-понижения 25 августа 1998 года. Рассмотрена зависимость амплитуды вариаций от величины углового разрешения детектора.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты данной работы:

1. Изготовлен, настроен и запущен в непрерывную эксплуатацию весной 1996 года мюонный годоскоп ТЕМП с площадью 9м2 и угловым разрешением 1 градус.

2. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для выявления волновых процессов по данным дифференциального углового распределения мюонов с определением периода вариации и уровня ее достоверности.

3. Измерено угловое распределение мюонов космических лучей на уровне земли с угловым разрешением 2 градуса, при интегральной статистике в спектре более 1010 событий.

4. Экспериментально измерены временные ряды данных с угловым распределением мюонов на поверхности земли более чем за 20000 часов регистрации годоскопа ТЕМП.

5. Показано, что при использовании детекторов с высоким угловым разрешением увеличивается достоверность выявления колебательных процессов в десятки и в сотни раз по сравнению с широко используемыми в настоящее время интегральными детекторами, такими как нейтронные мониторы и сцинтилляционные телескопы.

6. Впервые зарегистрированы акустические и внутренние гравитационные волны в атмосфере с помощью мюонного годоскопа с уровнем достоверности выше 99.99%.

7. Измерена амплитуда и временная зависимость суточного изменения температуры атмосферы в летний период.

8. На основании анализа данных мюонного годоскопа ТЕМП (МИФИ) и нейтронного монитора (ИЗМИРАН) за период 25-27 августа 1998г. показано, что отличия в относительных амплитудах вариаций этих приборов могут быть объяснены изменениями плотности атмосферы по высоте.

9. Проведен анализ данных дифференциальной интенсивности мюонов на поверхности Земли за 26 августа 1998г. с различным угловым разрешением, в результате которого впервые выделен квазипериодический сигнал (в северо-западном направлении) продолжительностью более 10 периодов с амплитудой, в несколько раз превышающей статистическую погрешность измерений.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научным руководителям: профессору, доктору физико-математических наук Петрухину Анатолию Афанасьевичу за внимание к работе, полезные советы и обсуждения; доценту, кандидату физико-математических наук Борогу Владимиру Викторовичу за огромный вклад в создание мюонного годоскопа, большую помощь в работе, плодотворные научные дискуссии при обсуждении полученных результатов.

Особо хочу поблагодарить Чугунову О.М. за помощь в разработке математического обеспечения и проведении расчетов, Буринского А.Ю. за помощь при настройке электронной аппаратуры установки, Гвоздева А.В. за помощь при проведении калибровки годоскопа и настройки электроники.

Выражаю признательность Кокоулину Р.П. за помощь, полезные обсуждения и советы.

Я благодарен всем сотрудникам подразделения №607 и бывшей Мюонной лаборатории за поддержку и доброжелательное отношение на протяжении многих лет работы над созданием этой установки.

1. Криволуцкий А.А., Куминов А.А., Репнев А.И. " Влияние космических лучей на озоносферу Земли " (обзор), Геомагнетизм и аэрономия , т.39, №3, 1999, с. 3-15.

2. Bui N.A., Martin 1.М., Vieiba С. A., et. al. "Possible assotiations of the ozone and cosmic rays intensity changes in the stratosphere",22ICRC, Dublin, vol.3, 1991, p. 668-670.

3. Уилкокс Дж. M., "Влияние магнитного поля Солнца на циркуляцию тропосферы", в кн. "Солнечно-земные связи, погода, климат", под ред.Мак-Кормака Б., и Селиги Т. М., Мир, 1982, стр. 175-186.

4. Stozhkov Yu.I., Pokrevsky Р.Е., et. al. "Cosmic rays fluxes in Atmosphere and Precipitation", 24ICRC, Rome, 1995, p. 1122-1125.

5. Веретенко С.В., Пудовкин М.И."Вариации общей облачности в ходе всплесков солнечных космических лучей.", Геомагнетизм и аэрономия,1996, т.36, №1, с. 153-156.

6. Ролдугин В.К., Вашенюк Э.В., "Изменение прозрачности атмосферы под действием солнечных космических лучей", Геомагнетизм иаэрономия, 1994, т.34, №12, с. 155-157.

7. Прасад Ш.С. "Некоторые аспекты реакции стратосферной химии на высыпание солнечных частиц: потенциальная роль N2 и химии ионов." в кн. "Солнечно-земные связи, погода, климат", под ред.Мак-Кормака Б., и Селиги Т. М., Мир, 1982, стр. 335-341.

8. Дорман Л.И., Метеорологические эффекты космических лучей. М., Наука, 1972.

9. Miyazaki Y., Wada М, Proc. 11th ICRC, Budapest 1969, v.2, p.592.

10. Kohno Т., Imai K., Inoue A., et. al. Proc. 17th ICRC, Paris, 1981, v.10, p.289-292.

11. БлохЯ.Л., Картышов В.Г., Клепач Е.Г., и др. К вопросу об исследовании температурных вариаций вертикального профиля по данным экспериментальных наблюдений интенсивности космических лучей. Изв. АН, сер. физ. 1984, с.2155-2157

12. Galper А.М., Kirillov-Ugryumov V.G, LeikovN.G., Luchkov В.I., Proc. 17th ICRC, Paris, 1981, v.10, p.293-296.

13. Kodama H. et. al., 14th ICRC, Munchen, 1975, v.3, p.1120.

14. Джордж E., в сб. статей под ред. Вильсона "Физика космических лучей", Иностранная литература, М., 1954, т.1, гл.7, с.349.

15. Элиот Г., в сб. статей под ред. Вильсона "Физика космических лучей", Иностранная литература, М., 1954, т.1. гл.8, с.380-388.

16. Sagisaka S., Mori S., Ovama Y., "Time variations of the cosmic ray muon flux in underground detectors", 22ICRC, Dublin, vol.3, 1991, p. 671-674.

17. Belov A.V., Goushchina R.T., Yanke V.G., "Long term cosmic ray variations: spectrum and relation with solar activity", 251CRC, Durban, vol. 2, 1997, p.31-35 .

18. Мурзин B.C., "Введение в физику космических лучей", М., Атомиздат, 1979, с. 185-200.

19. Miroshnichenko L.I., Rodrigues-Frias M.D., Vashenvuk E.V., et. al., "Absolute proton fluxes from the sun at rigidity above 1 GV by ground based data", 24ICRC, Rome, 1995, v.4, p.54-57

20. Karpov S.N., Miroshnichenko L.I., Vashenyuk E.V., "Extremely high energy solar protons by the data of Baksan underground scintillation telescope", 24ICRC, Rome, 1995, v.4, p.50-53

21. Dhanju M.S., Sarabhai V.A., Short period variations of cosmic ray intensity, Phys. Rev. Letters, 19, №5, 1967.

22. Козлов В.И., Крымский Г.Ф., Кузьмин А.И., и др. "Динамические характеристики короткопериодических вариаций космических лучей", Изв. АН СССР, сер. физ. 38, №9, 1974.

23. Дорман Л.И., Либин И.Я., "Корогкопериодические вариации интенсивности космических лучей", УФН, 1985, март, т. 145, вып.З с.403-440

24. Fuji Z., Sakakibara S., Fujimoto К., Ueno H. : Report of cosmic-ray research laboratory "Multi directional cosmic ray intensities, Nagoya, 1986-1988" Nagoya university, Nagoya, Japan, 1990.

25. Borog V.V., Burinskij A.Yu., Dronov V.V., Chugunova O.M. "Large aperture muon hodoscope for research of solar-terrestrial physics (TEMP)", Moscow, MEPHI,preprint №028-93, 1993.

26. БорогВ.В., Буринский А.Ю., Дронов В.В.

27. Мюонный годоскоп для исследования солнечно-земных связей". Изв. АН. сер. физ. 1995, т. 59, №4, с. 191-194

28. Borog V.V., Burinskij A.Yu., Gvozdev A.V., Dronov V.V., Petrukhin A.A. "Large aperture muon hodoscope for studies in solar-terrestrial physics", Proc. 24th ICRC,1995, Rome, v.4, p.1291-1295

29. Ohashi Y., Okada A., Aoki Т., Mitsui K. et. al. "New narrow angle muon telescope at Mt. Norikura", 25 ICRC, Durban, South Africa, 1997, v.l, p.441-444.

30. Рехин ELI., Чернов П.С., Басиладзе С.Г., "Метод совпадений", М., Атомиздат, 1979., стр.102

31. Борог В.В., Васильченко В.Г., Демехин А.В., Дронов В.В.,Рыкалин В.В. "Сцинтилляционный годоскоп с рабочей площадью 50x50см2 на основе годоскопическихфотоумножителей", ПТЭ, 1987, т.З, с.46-50

32. Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев А.Н., Резников И.В., "Одноэлектронные фотоприемники", М., Атомиздат, 1979.

33. Philips Data Handbook. Electron tubes. Holland, 1978, Part 9, c.33.

34. Красовицкий Б. M., Болотин Б. М., "Органические люминофоры", М.:Химия,1984, с.285

35. Гаврищук О. П., Семенов В. К. "Пленочные преобразователи ультрафиолетового излучения". Препринт ИФВЭ №84-66, г.Серпухов, 1984, 13с.

36. Алимова Т.В., Горин A.M., Ершова Т. А., Лапшин В.Г., и др. "Харатеристики сцинтилляционных полос, пластин и стержней для счетчиков частиц, изготовленных методом экструдирования", Препринт ИФВЭ №86-35, г.Серпухов, 1986, 18с.

37. Хаякава С., "Физика космических лучей", часть 1, М., Мир, 1973, с.473.

38. Дорман Л.И., " Вариации космических лучей" М„ Гостехиздат, 1957, с.492.

39. Дорман Л.И." Вариации галактических космических лучей ", М., изд. Московского университета, 1975, с.58-70.

40. Борог В. В., Дронов В. В. "Изучение динамических процессов в гелиосфере с помощью мюонного годоскопа", Астрономический вестник, 2000, №2, (в печати)41 .Марпл С.Л., "Цифровой спектральный анализ и его приложения", М., Мир, 1990.

41. Андерсон Т., Статистический анализ временных рядов, М., Мир, 1976.

42. Отнес Р., Эноксон Л., Прикладной анализ временных рядов., М., Мир, 1982.

43. Borog V.V., Burinskij A.Yu., Gvozdev A.V., Dronov V.V., " Angular and temporary cosmic ray muon flux characteristics measured with large aperture scintillator hodoscope", 25 ICRC, Durban, South Africa, 1997, v.2, p.449-452.

44. Худсон Д., Статистика для физиков, М., Мир, 1967.

45. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., "Фейнмановские лекции по физике"., М„ Мир, 1977, т.5, стр.181-188

46. Данилов С. Д., Свертилов А. И. "Внутренние гравитационные волны, генерируемые при прохождении гроз", Изв. АН. ФАО, 1991, т.27, №3, с.234-241

47. Грачев А.И., Данилов С. Д., Куличков С.Н., Свертилов А. И. "Основные характеристики внутренних гравитационных волн в нижней атмосфере от конвективных штормов". Изв. АН. ФАО, 1994, т.ЗО, №6, с. 759-767

48. Романова Н.Н., Якушкин Н.Г. "Внутренние гравитационные волны в нижней атмосфере и источники их генерации", (Обзор), Изв. АН. ФАО, 1995, т.31, №2, с. 163-186119

49. Борог В.В., Дронов В.В., Гвоздев А.В. "Изучение волновых процессов, возбуждаемых в атмосфере Земли конвективно-грозовыми явлениями, с помощью мюонного годоскопа". Изв.РАН, сер.ФАО, 1999, т.35, №1, с.24-33

50. Алексеенко В.В., Сборщиков В.Г., Чудаков А.Е., "Микровариации интенсивности космических лучей и электрическое поле атмосферы", Изв. АН. сер. физ. 1984, т. 48, №11, с. 2152-21545 3. http:\\helios. izmiran. rssi.ru

51. Борог В.В., Дронов В.В. "Регистрация вариаций космических лучей мюонным годоскопом ТЕМП во время Форбуш-понижения 25 августа 1998 года", Научная сессия МИФИ, М, 2000, т.7, с.33-34.

52. Стародубцев С.А., Филиппов А.Т. "Флуктуации интенсивности космических лучей во время солнечных протонных явлений и связанных с ними крупномасштабных нестационарных возмущений солнечного ветра". Изв. All сер. физ. 1984, т. 48, №11, с. 2225-2227

53. Пудовкин М.И., Морозова А.Л., "Вариации высотного профиля температуры в нижней атмосфере во время солнечных протонных событий". Геомагнетизм и аэрономия,!996, т.37, №1, с. 104-112.