Экспериментальные методы для проведения валидации результатов моделирования взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.76-81 УДК 537.591.5

Е. А. Маурчев, Е. А. Михалко, А. В. Германенко, Ю.В. Балабин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВАЛИДАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С АТМОСФЕРОЙ ЗЕМЛИ

Аннотация

Рассматриваются основные экспериментальные методы, используемые в валидации результатов моделирования прохождения космических лучей (КЛ) через атмосферу Земли и их взаимодействия с окружающим веществом при помощи программного комплекса RUSCOSMICS. Представлены полученные ряды данных, а также пример сравнения высотных профилей. В данной работе рассматриваются модели NaI (Tl) спектрометра, а также детекторы заряженных частиц. Для расчета взаимодействия частиц используется численный метод Монте-Карло и соответствующие классы, интегрированные в пакет GEANT4.

Ключевые слова:

численное моделирование, метод Монте-Карло, космические лучи, GLE, детекторы излучения

E. A. Maurchev, E. A. Mikhalko, A. V. Germanenko, Yu. V. Balabin

THE EXPERIMENTAL METHODS FOR VALIDATING THE RESULTS OF MODELING THECOSMIC RAYS INTERACTION WITH THE EARTH ATMOSPHERE

Annotation

The main experimental methods used in validating the results of simulating the passage of a cosmic rays(CR) through the Earth's atmosphere and their interaction with the surrounding matter using the RUSCOSMICS software package are considered. The obtained data series are presented, as well as an example of the comparison of height profiles. In this paper, we consider models of the NaI (Tl) spectrometer, as well as detectors of charged particles. To calculate the interaction of particles, the Monte Carlo numerical method and the corresponding classes integrated into the GEANT4 package are used.

Keywords:

numerical simulation, Monte Carlo method, Cosmic rays, GLE, radiation detectors. Введение

Одной из самых важных задач при проведении моделирования является последующая валидация полученных результатов. К наиболее эффективному методу здесь можно отнести сравнение модельных расчетов с соответствующими рядами экспериментальных данных. Так для наблюдения заряженной компоненты в атмосфере Земли проводятся целые серии запусков шаров -зондов с установленным на них оборудованием [1]. Полученные результаты отлично подходят для оценки корректности работы численных моделей [2, 3]. При расчете детектирующего оборудования, такого как сцинтилляционные детекторы, можно производить сравнение с получаемым в реальности спектром частиц, например 241Am.

Также для целей валидации подходят и долгопериодные наблюдения. К таким экспериментам можно отнести измерения при помощи наземных детекторов, таких как наборы счетчиков Гейгера или нейтронные мониторы. В представленной работе приводятся некоторые из методик на основе полученных рядов данных, а также показаны типовые результаты.

1. Валидация модели Nal (Tl) детектора

Сцинтилляционные детекторы — это оборудование, используемое для регистрации частиц при помощи их активного вещества (кристалла), которое, при попадании в него ионизирующего излучения (электроны, мюоны, позитроны, протоны, гамма-кванты), генерирует пучки фотонов с интенсивностью, прямо пропорциональной энергии первичной частицы. Для формирования электрических импульсов в устройство включен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), а также система сбора данных, необходимая для сбора и хранения конечной информации.

Чувствительная область помещена в алюминиевый корпус, в верхней части находится поглотитель Р-излучения. Во время расчетов учитываются все особенности и конструируется геометрия, наиболее максимально приближенная к реальности. На рис. 1, А представлена визуализация GEANT4 [4] модели сцинтилляционного детектора (размеры не приводятся), где синий цвет соответствует области алюминиевого корпуса, желтый - активному веществу кристалла NaI(Tl), а красный отображает детектирующий объем, в реальности это окно ФЭУ. Зеленые линии, проходящие через объемы — это трекинг частиц (гамма-квантов), на котором хорошо видны их взаимодействия с веществом. Сцинтилляционные процессы в данном случае отключены для исключения с картинки фотонов. Также приводится валидация посредством набора данных, полученного во время облучения реального кристалла NaI(Tl) изотопом 241Am, рис. 1, Б.

А

Энергия. кэВ

Рис. 1. Трекинг частиц, проходящих через геометрию кристалла (А) и взаимодействующих с его веществом. Зелеными линиями обозначены траектории движения гамма-квантов от точечного источника, процессы сцинтилляции не учитываются. Спектр, полученный в результате моделирования облучения сцинтилляционного детектора с кристаллом №1(Г1) размером 2x6,3 см точечным

источником гамма-квантов с заданной спектральной характеристикой, соответствующей источнику 241Ат. Также приводится сравнение с реальными данными, показано хорошее соответствие (Б).

2. Изучение частиц вторичных КЛ в нижней атмосфере Земли

Хорошо известно, что в результате взаимодействия протонов первичных КЛ с веществом атмосферы Земли (прежде всего, с азотом и кислородом), рождаются каскады вторичных частиц [5]. Начиная с высоты примерно 80 км и до ~ 15-20 км над уровнем моря протоны ГКЛ теряют свою энергию в основном через процесс ионизации. Начиная с плотных слоев атмосферы, протоны с энергиями Е~1 ГэВ способны участвовать в неупругих соударениях, передавая до половины своей энергии вторичным частицам. Этот процесс может продолжаться от нескольких до десятков раз, в зависимости от энергии первичного протона. Таким образом, используя детекторы заряженной компоненты или нейтронные мониторы различных конфигураций, возможно фиксировать вторичные частицы, частично или полностью восстанавливая информацию о протонах первичных КЛ [6]. В то же время, вычислять параметры потоков вторичных КЛ с помощью детекторов весьма сложно, поскольку это требует большой статистики, что, в свою очередь, приводит к необходимости проводить ряд дорогостоящих экспериментов. Помимо дороговизны, не всегда есть возможность провести эксперимент в нужном месте и в нужное время. Поэтому для исследования и оценки параметров КЛ в атмосфере Земли гораздо эффективнее использовать комбинированную методику, включающую в себя данные, полученные путем как реальных, так и модельных экспериментов.

При моделировании прохождения КЛ через атмосферу Земли был использован программный пакет, описанный в статье [7]. Генератор первичных частиц, расположенный на верхней границе (80 км) столба атмосферы Земли, задавался в виде точечного источника, что является оптимальной конфигурацией. В ходе экспериментов было выявлено, что различия в его параметризации (к примеру, задание пространственного распределения) влияет только на скорость вычисления (при равномерном распределении статистика набирается чуть медленнее) и в целом не сказывается на исходном результате. Поэтому для всех последующих расчетов использовалась наиболее оптимальная конфигурация, рис. 2.

ВИГ кьш 1

Рис. 2. Иллюстрация моделирования прохождения протона с энергией Е=100 ГэВ через 80 км атмосферы, а также рождение каскада вторичных частиц. Геометрия в виде слоев изображена синим цветом, треки частиц также разделены по цветам: красный цвет отображает положительный заряд частицы, синий - отрицательный, белым цветом показаны нейтроны, зеленым - гамма-

кванты.

Существует огромная база данных, представляющая собой высотные профили скорости счета, полученные в результате запуска шаров-зондов с установленными на них счетчиками СТС-6[8]. Одно из местоположений, где регулярно проводятся эксперименты с этим оборудования, находится в г. Апатиты. Поэтому, сравнивая экспериментальные данные с данными моделирования для соответствующих географических координат, можно производить валидацию модели. Оборудование, размещенное на шаре-зонде, включает в себя один или два счетчика СТС-6, работающих на совпадение, барограф и радиопередатчик. Общий вид такого устройства представлен на рис. 3, А. Соответственно, регистрируемый профиль будет состоять из вклада заряженных частиц и ~1 % гамма-квантов, который выражается через простую формулу:

3

общий

= 3 Р + 3

р е

+ 3 + _ + 0.01- 3

(1)

Данная формула выражает сложение суммарного потокапротонов, электронов и позитронов, мюонов и гамма-квантов, представленные на рис. 3, Б с учетом среднестатистической ошибки вычисления при помощи ширины линии. На рис. 4 приводится сравнение экспериментальных данных, полученных в ходе запуска шаров-зондов 04.09.2009 и 21.12.2009 в г. Апатиты Мурманской области с результатами моделирования прохождения протонов ГКЛ через атмосферу Земли с энергетическими спектрами, соответствующими этим периодам.

фотош.1

суммарный поток

11[>0[Ш1М

электроны+позитроны

Глубина, г см"

Рис. 3. Устройство, состоящее из детектирующего объема (один счетчик СТС-6), радиопередатчика и барографа, используемое для полета на шарах-зондах в стратосферу и записи высотного профиля заряженной компоненты вторичных КЛ (А). Высотные профили для различных сортов частиц, представленные с указанием интервала ошибки вычисления, полученные в результате моделирования прохождения протонов ГКЛ через атмосферу Земли (Б). Ширина линии показывает суммарное отклонение от среднего.

Б

Глубина (высота), им- Глубина (высота), г'см'

Рис. 4. Сравнение экспериментальных данных (04.09.2009 (А) и 21.12.2009 (Б)) и

данных, полученных в результате расчета прохождения протонов ГКЛ через атмосферу Земли. Суммарные потоки, имитирующие реальный счет, получены как результат сложения потоков протонов, электронов, позитронов, мюонов и

одной сотой гамма-квантов.

Также дополнительным инструментом для валидации данных моделирования может служить наземный детектор заряженной компоненты вторичных КЛ. Он выполнен на базе счетчиков Гейгера СТС-6, имеет современный блок сбора и обработки данных под управлением микроконтроллера Atmega, а также высокоэффективный источник высоковольтного питания. Работать устройство может как от стандартной сети, так и в автономном режиме от аккумуляторов. Типовые результаты, полученные в ходе измерений, представлены на рис. 5.

Рис. 5. Типовые графики, полученные при помощи наземного детектора, состоящего из линейки 7 счетчиков марки СТС-6. На рис. А представлены данные для определенной даты, на рис. Б представлены результаты измерений в

течение месяца.

Заключение

Как видно из представленной работы, в решении современных задач физики КЛ целесообразно использовать как результаты экспериментальных методов, так и модельные данные. Такой подход позволяет в значительной мере расширить возможности интерпретации рассматриваемых явлений. Хорошим примером служит изучение частиц вторичных КЛ в нижней атмосфере Земли в том случае, когда необходимо получать результат не для локализованной области, а в глобальном

масштабе, для разных значений жесткости геомагнитного обрезания. Тогда, имея ряды данных уже имеющихся высотных профилей, их можно использовать как метод валидации модели. Это снижает ошибку вычислений и позволяет, в случае необходимости, корректировать значения для параметризации.

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00626.

Литература

1. StozhkovYu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya, G.A., et al. // Adv. in Space Res. 2009. V. 44. I. 10. P. 1124-1137.

2. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б. и др. // Известия РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 5. С. 711; Maurchev E. A., Balabin Yu. V., Gvozdevskii B. B., et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. I. 5. P. 657-659.

3. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2. № 4. С. 3-8; Maurchev E.A., BalabinYu.V. // Solar-Terrestrial Physics. 2016. V. 2. I. 4. P. 3-10.

4. Agostinelli S., et al. // Nucl.Instrum. Methods Phys. Res. 2003. V. 506. Sect. A. P. 250.

5. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. («Наука». Москва, 1975).

6. Vashenyuk E.V., BalabinYu.V., Gvozdevsky B.B. // Astrophysics and Space Sciences Transactions. 2011. V. 7. I. 4. P. 459-463.

7. Maurchev E.A., BalabinYu.V.// Solar-Terrestrial Physics. 2016. Т. 2. № 4. С. 3-10.

8. Stozhkov, Yu I., Svirzhevsky, N. S., Bazilevskaya, G. A., Kvashnin, A. N., Makhmutov, V. S. // Adv. in Space Res. 2009. V. 44. I. 10. P. 1124-1137.

Сведения об авторах

Маурчев Евгений Александрович

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: maurchev1987@gmail.com

Евгения Александровна Михалко

инженер, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: mikhalko@pgia.ru

Германенко Алексей Владимирович

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: germanenko@pgia.ru

Балабин Юрий Васильевич

к. ф.-м. н., зав. сектором, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: balabin@pgia.ru