Апатиты, Россия
Апатиты, Россия
В настоящее время существует значительное разнообразие методик для исследования характеристик потоков как первичных, так и вторичных космических лучей (КЛ). Основными являются экспериментальные методы, с использованием разных детекторов, однако, благодаря современным компьютерным технологиям, экспериментальные методы все чаще совмещаются с численными. Данный шаг позволяет получить наибольшее количество информации о интересующем процессе (явлении) и сделать, соответственно, наиболее точные выводы. В работе представлена концепция нового программного комплекса RUSCOSMIC, основанного на пакете GEANT4 и представляющего собой набор различных численных моделей для исследования прохождения КЛ через вещество различных систем (детекторы излучения, атмосфера Земли). Получены и приведены функции откликов основных детекторов излучения, а также некоторые типовые характеристики потоков вторичных КЛ. Также представлены результаты, демонстрирующие работу модуля верификации вычислений экспериментальными данными.
космические лучи, техника эксперимента, численное моделирование, метод Монте-Карло, детекторы излучения, взаимодействие частиц с веществом
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время исследования космических лучей (КЛ) проводятся разными способами. Первоначально это были в основном экспериментальные методы, широко использующиеся до сих пор. Традиционно запускаются шары-зонды с установленными на них детекторами [Bazilevskaya et al., 2008], а международная сеть нейтронных мониторов является одной из самых современных и надежных наземных систем регистрации космических лучей. По данным этой сети определяются характеристики релятивистских солнечных протонов, зарегистрированных во время событий солнечных космических лучей (СКЛ), посредством моделирования возрастаний приземного фона вторичных космических лучей (события GLE [Vashenyuk et al., 2009; Shea, Smart, 1982]).
С начала компьютеризации активно развивается методика изучения распространения КЛ в веществе с помощью численного метода Монте-Карло. Нами был разработан программный комплекс RUSCOSMIC, включающий в себя модели детекторов разных типов, а также модель прохождения первичных КЛ через атмосферу Земли для получения информации о каскадах вторичных КЛ. Основой является пакет GEANT4 [Agostinelli et al., 2003], из которого наследуются классы, отвечающие за отображение процесса взаимодействия частиц с веществом, построение геометрии, задание начальных параметров, сбор информации о ходе моделирования, состоянии частиц и др.
Первым этапом данной работы являлось детальное изучение свойств детектирующего оборудования на станции космических лучей в г. Апатиты. С этой целью были созданы программные модули, представляющие собой модели нейтронного монитора (НМ), счетчиков Гейгера, сцинтилляционных детекторов с геометрией и свойствами материалов, максимально приближенным к реальным.
При моделировании прохождения потока нейтронов через нейтронный монитор была получена функция отклика, а также детально изучены свойства замедлителя и свинцового генератора. Сравнение наших результатов с результатами работ, проводившихся ранее и ведущихся в настоящее время, показало хорошее согласие. Современные сечения взаимодействий, используемые при моделировании, позволили более детально изучить функцию отклика нейтронного монитора в диапазоне энергий от 10 МэВ до эпитермальных. Проведенное параллельно моделирование множественности в нейтронном мониторе подтвердило предположение, что феномен вызывается не единственной частицей, попадающей в свинцовый генератор НМ, а целым облаком частиц.
Моделирование сцинтилляционных детекторов гамма-квантов стало необходимым, поскольку на станции КЛ уже в течение нескольких лет функционирует система мониторинга рентгеновского излучения, благодаря которой были выявлены его возрастания во время осадков. С помощью GEANT4 вычислены функции отклика NaI-детекторов различной геометрии. Подобные работы, разумеется, проводились и ранее, однако наше исследование отличают современный подход и совершенно новая концепция, позволяющая учесть больше факторов при расчете прохождения частиц через вещество.
Вторым этапом было создание собственного программного модуля для расчета прохождения частиц различных энергий через атмосферу Земли. Это позволило не только использовать для моделирования постоянно обновляющиеся данные, но и расширить границы применения, поскольку без труда можно менять состояние самой модели (изменять физические свойства вещества, добавлять различные поля и т. д.). Далее проводились расчеты прохождения галактических космических лучей (ГКЛ) через атмосферу Земли и развития каскадов частиц во время некоторых событий GLE. В результате создана база данных энергетических спектров вторичного космического излучения для различных высот. Данные расчеты могут применяться как для оценки скорости ионизации при вычислении эквивалентной дозы, так и для детального исследования развития каскадов во время GLE и поиска их новых особенностей. Результаты моделирования сверялись с результатами подобных исследований, проводившихся с использованием пакета PLANETOCOSMICS [Maurchev et al., 2011], а также с полученными с помощью шаров-зондов экспериментальными данными, с которыми наблюдается хорошее согласие.
1. Agostinelli S., Allison J., Amako K., et al. Geant4 - a simulation toolkit // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003. V. 506, N 3. P. 250. DOI:https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8.
2. Basilevskaya G.A., et al. Cosmic ray induced ion production in the atmosphere // Space Sci. Rev. 2008. V. 137. P. 149-173.
3. Bertini H.W. Intranuclear-cascade calculations of the secondary nucleon spectra from nucleon-nucleus interactions in the energy range 340 to 2900 MeV and comparison with experiment // Phys. Rev. 1969. V. 188. P. 1711-1730.
4. Chadwick M.B., Herman M., Obložinský P., et al. ENDF/B-VII.1 Nuclear Data for science and technology: Cross sections, covariances, fission product yields and decay data // Nuclear Data Sheets. 2011. V. 112, iss. 12. P. 2887-2996. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nds.2011.11.002.
5. Clem J.M., Dorman L.I. Neutron monitor response function // Space Sci. Rev. 2000. V. 93. P. 335-359.
6. Heikkinen A., Stepanov N., Wellisch J.P. Bertini intra-nuclear cascade implementation in Geant4 // Computing in High Energy and Nuclear Physics. 24-28 March 2003, La Jolla, California. MOMT008.PDF.
7. Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V., Makhmutov V.S. Simulation of the transport of solar protons through the atmosphere in the 13 December 2006 GLE // Physics of Auroral Phenomena: Proc. XXXIV Annual Seminar. Apatity, 2011. P. 110-113.
8. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1468. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009430.
9. Shea M.A., Smart D.F. Possible evidence for a rigidity dependent release of relativistic protons from the solar corona // Space Sci. Rev. 1982. V. 32. P. 251-271.
10. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Relativistic solar cosmic ray dynamics in large ground level events // Proc. 21st ECRS, Kosice, Slovakia, 9-12 September 2008. Inst. of Exp. Phys Slovak Academy of Sci., 2009. P. 264-268.
11. Vashenyuk E.V. Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V. 7. P. 459-463.
