Апатиты, Мурманская область, Россия
Апатиты, Россия
Апатиты, Россия
Апатиты, Россия
При взаимодействии космических лучей (КЛ) с атмосферой Земли образуются нейтроны в широком диапазоне энергий: от тепловых (Е≈0.025 эВ) до релятивистских (Е>1 ГэВ). Для регистрации и исследования КЛ в Полярном геофизическом институте (ПГИ) используется комплексная система мониторинга, содержащая детекторы различной конфигурации. Стандартный нейтронный монитор (НМ) 18-NM-64 чувствителен к нейтронам с энергиями Е>50 МэВ. Бессвинцовая секция нейтронного монитора (БСНМ) регистрирует нейтроны с энергиями Е≈(0.1÷1) МэВ. Для совместного использования со стандартными детекторами на станции НМ Апатиты был разработан и установлен нейтронный спектрометр с тремя каналами по энергиям и углом приема частиц, составляющим 15°. Такая конфигурация устройства позволяет изучать степень анизотропии потока частиц различных направлений. Характеристики детектора (функция отклика и угол приема частиц), а также геометрические размеры были получены численным моделированием при помощи пакета GEANT4 [Agostinelli et al., 2003]. В ходе работы устройства была создана база данных наблюдений и получены предварительные результаты.
космические лучи, ядерная физика, метод Монте-Карло, регистрация частиц
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи (КЛ) — потоки заряженных частиц различных энергий, на ~90 % состоящие из высокоэнергичных протонов. Источники галактических КЛ (ГКЛ) находятся в межзвездном пространстве и к Земле приходят приблизительно изотропно. Солнечные КЛ (СКЛ) также в основном состоят из протонов, но их источником является Солнце. Проникая в атмосферу Земли, КЛ взаимодействуют с ней различными способами в зависимости от энергии частиц и плотности окружающего их вещества. В верхних слоях вещество атмосферы разряжено и заряженные частицы теряют свою энергию преимущественно в процессе ионизации. Начиная с высоты 15–20 км над уровнем моря, возрастает вероятность ядерных реакций, в ходе которых появляются каскады вторичных частиц, состоящие из электромагнитной и адронной, в том числе нейтронной, компонент. Нейтроны, образовавшиеся в результате этих реакций, имеют широкий диапазон энергий (до десятков ГэВ) и распространяются вглубь атмосферы, достигая поверхности Земли. В процессе распространения они теряют энергию. Таким образом, у Земли существуют потоки нейтронов различных энергий, начиная с тепловых (0.025 эВ). При этом потоки нейтронов малых энергий, как правило, остаются без внимания. В то же время именно они участвуют в ядерных реакциях.
В ПГИ мониторинг потока нейтронов различных энергий производится на созданном регистрирующем комплексе [Maurchev, Balabin, 2016; Германенко и др., 2016]. В его состав входят стандартный НМ (счетчики СНМ-15, 18-NM-64; энергия >50 МэВ), бессвинцовая секция НМ (БСНМ, 4 СНМ-15, эффективная энергия регистрации от тепловых энергий до единиц МэВ). Для расширения возможностей системы сбора данных в дополнение к имеющемуся оборудованию был установлен узконаправленный нейтронный спектрометр (УНС). Особенностью данного устройства является, как следует из названия, довольно узкая диаграмма направленности (~15°), которая обеспечивается конфигурацией защиты вокруг счетчиков. УНС состоит из трех счетчиков, разделенных слоями замедлителя, — таким образом, задаются три диапазона по энергиям. Подробнее конструкция описана в разделе 1. Следует заметить, что предварительно она была рассчитана с помощью пакета GEANT4. Внешний вид модели показан на рис. 1.
1. Германенко А.В., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Щур Л.И. Природа вариаций гамма-излучения во время осадков // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 1. С. 56-63. DOI:https://doi.org/10.12737/19880.
2. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. 2-е изд. М.: Наука, 1980. 728 с.
3. Agostinelli S., Allison J., Amako K., et al. Geant 4 - a simulation toolkit // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003. V. 506, N 3. P. 250-303. DOI:https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8.
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. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. RUSCOSMIC - the new software toolbox for detailed analysis of cosmic ray interactions with matter // Solar-Terr. Phys. 2016. V. 2, N 4. P. 3-10. DOI:https://doi.org/10.12737/24269.
6. Pioch C., Mares V., Vashenyuk E.V., et al. Measurement of cosmic ray neutrons with Bonner sphere spectrometer and neutron monitor at 79° N // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. 2011. V. 626. P. 51-57. DOI:https://doi.org/10.1016/j. nima.2010.10.030.
