CC BY
26
ФИЗИКА СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ
УДК 551.521.64
А. В. Германенко, Ю. В. Балабин
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОЖЕСТВЕННОСТИ С ПОМОЩЬЮ ВИРТУАЛЬНОГО НЕЙТРОННОГО МОНИТОРА
Аннотация
Представлены результаты исследования множественности на нейтронном мониторе (НМ) новым методом с использованием функции виртуального раздвижения. Эту функцию позволяет получить новая скоростная система регистрации. В процессе обработки реальных данных стандартного НМ предоставляется возможность создавать виртуальный НМ любой конфигурации. Организуя последовательность виртуальных НМ определенной конфигурации и исследуя события множественности на таких виртуальных приборах, можно получить пространственные характеристики событий множественности.
Ключевые слова:
космические лучи, нейтронный монитор, события множественности.
А. V. Germanenko, Yu. V. Balabin
STUDY OF MULTIPLICITY USING THE VIRTUAL NEUTRON MONITORS
Abstract
The results of the multiplicity study using neutron monitor with new method of virtual counters spacing has been presented. This feature can be obtained by using the new high-speed registration system developed in the PGI. During the processing of actual data of standard neutron monitor the ability to create a virtual neutron monitor with any configuration is provided. By organizing a sequence of virtual neutron monitors with specific configuration and exploring the multiplicity events on such virtual devices, we can get the multiplicity events spatial characteristics.
Keywords:
cosmic rays, neutron monitor, multiplicity events.
1. Введение
Несколько нейтронных мониторов (Баренцбург, Апатиты, Москва, Баксан) оснащены разработанной в III И скоростной системой регистрации, фиксирующей приход каждого импульса с точностью 1 мкс и номер канала (детектора), который этот импульс произвел. Это позволяет сохранять детальную информацию о временных и энергетических характеристиках потока космических лучей, падающего на НМ. Отметим, что при регистрации нейтрона в НМ происходит его поглощение [1], соответственно действует строгое правило: один электрический импульс — один зарегистрированный нейтрон. Непрерывную запись времени прихода импульсов можно уподобить бесконечной осциллограмме, где импульсы
располагаются вдоль линии развертки по мере появления. При обработке этих данных полностью восстанавливается временная последовательность появления в НМ всех частиц. Именно после оснащения НМ такой системой появилась возможность изучать явление множественности на НМ с высокой точностью и детальностью.
Множественность на НМ — это серия импульсов с интервалами между ними в 10-500 мкс, тогда как средний интервал между импульсами 10-20 мс [1, 2]. Номер множественности соответствует числу импульсов (нейтронов). М принимает значения М = 5-100. Благодаря новой современной скоростной системе регистрации были получены временные профили и спектр множественности, распределение импульсов в событиях М по каналам НМ. Алгоритм поиска множественностей описан в [2, 3]. Некоторые основные результаты показаны на рис. 1. Кратко их можно сформулировать так.
События множественности имеют структуру, т. е. импульсы внутри события М следуют в определенной последовательности. Что отражено во временном профиле (рис. 1, а). Этот профиль, а также распределение событий по каналам (детекторам) указывает на то, что примерно со значения М3 ~ 10-15 меняется механизм генерации множественности. При М меньше MS основной тип генерации множественности - это образование ядерных каскадов в свинце [1].
Рис. 1. Результаты исследования множественности на НМ: а) — временные профили различных множественностей на ст. Баксан (номер
множественности указан около соответствующего графика); б) — спектр множественностей на станциях Апатиты (салатная), Баренцбург (красная) и Баксан (синяя). Аппроксимирующая степенная функция показана черным цветом. Спектр нормирован на сутки; в) — средняя полная длительность событий множественности в зависимости от номера множественности. Красная линия -Баксан, синяя - Москва, салатная - аппроксимация логарифмической функцией; г) — вид на три секции НМ в Баренцбурге. Каждая секция состоит из модуля 6-НМ-64
При М больше М5 множественность образуется при регистрации адронного ливня в атмосфере над НМ. Основной аргумент «за» — равномерное распределение импульсов по всем каналам НМ. Несмотря на то, что пробег нейтрона много больше, чем пробег гамма-кванта или протона, вероятность распространения нейтронов внутри НМ от одного ядерного каскада по всему НМ очень мала. В этом плане важны данные НМ в Баренцбурге, где три секции НМ располагаются в отдельных домиках (см. рис. 1, г) [4]. Множественность, вклад в которую дали импульсы от 1 и 2 секций, может возникнуть только при одновременном приходе многих частиц на эти секции, т. е. ливня [5]. Однако такая модульная конструкция НМ имеется только в Баренцбурге. На других станциях НМ имеют простую планарную конструкцию, когда все 18 трубок располагаются в ряд и плотно друг к другу. Хотя физически конструкция НМ не меняется, новое программное обеспечение НМ позволяет создавать виртуальный НМ с разнесенными секциями, тем самым проводить исследование пространственных характеристик множественности аналогично тому, как это делалось на НМ с раздельными секциями в Баренцбурге.
2. Исследование событий множественности с помощью виртуального монитора
Используя уникальные возможности скоростной системы, проведено оригинальное исследование множественности на стандартном НМ. Поскольку появление на НМ каждого из многих миллионов импульсов записано с точностью 1 мкс и указан при этом номер трубки, при обработке данных по специальному алгоритму из всего массива можно отобрать импульсы только от заданных трубок, сделав остальные трубки неактивными. Затем уже эти новые данные использовать для поиска и выделения событий множественности. Выбранный массив, как и исходный, также содержит точное время появления каждого импульса, разница лишь в том, что в новом массиве присутствуют импульсы только от выбранных трубок, образующих определенную конфигурацию НМ. Причем при поиске событий множественности применялся в целом тот же самый алгоритм, что и раньше, но с дополнительным условием: любое событие должно быть составлено из импульсов от обеих трубок. На рис. 2 показана схема формирования виртуальных мониторов (ВНМ).
Рис. 2. Упрощенная схема нейтронного монитора 18-НМ-64 с 18 трубками. Зеленый цвет — окружающий полиэтилен, черный/серый — свинец, голубой — трубки-детекторы. Даны примеры выбора из них активных (показаны черным). Неактивные трубки серые. На а) и б) приведены только части НМ: а) — виртуальный НМ, состоящий из двух соседних трубок (ВНМ2-3); б) — виртуальный НМ, состоящий из двух трубок с одной неактивной между ними (ВНМ2-4); в) — виртуальный НМ, состоящий из двух трубок (ВНМ2-17)
ВНМ2-3 — это просто часть монитора. ВНМ2-4 имеет одну неактивную трубку (третью) между парой активных. Свинец вокруг неактивной трубки
осуществляет дополнительное поглощение, что затрудняет попадание нейтронов из области второй трубки к четвертой. Однако одна неактивная трубка не обеспечивает полной независимости, так что следует ожидать проявления свойств множественности, как у ВНМ2-3, хотя и ослабленных. Затем следует ВНМ2-5, между активными трубками уже размещается две неактивных и т. д. Чем дальше друг от друга находятся две активные трубки, тем меньше вероятность, что нейтроны, возникшие около первой, могут попасть во вторую. Размер свинцовых колец, окружающих трубки, составляет ~ 50 см, так что двух неактивных трубок достаточно для полной независимости. Поэтому для ВНМ с несколькими неактивными трубками будут отражаться именно пространственные характеристики событий множественности.
Для проверки того факта, что события множественности на разных ВНМ не отличаются от тех, что возникают на стандартном НМ, были измерены временные профили множественности на ВНМ. В пределах точности измерений эти профили и по форме, и по значениям не отличаются от тех, что показаны на рис. 1, а. Таким образом, можно считать, что множественности, наблюдаемые на ВНМ, не отличаются.
На рис. 3, а, представлена зависимость числа событий множественности фиксированного значения М от количества (раздвижки) неактивных трубок между активными. Для событий М = 8 и М = 15 наблюдается острый максимум при нулевом значении (т. е. активные трубки располагаются рядом). Одна неактивная трубка между ними снижает долю до 0.2, а при трех доля событий падает до пренебрежимо малой величины. Для событий М = 32 доля выше 0.5 сохраняется даже при трех неактивных трубках. А при М = 57 зависимость от числа неактивных трубок отсутствует. Это означает следующее. События М с умеренными значениями М происходят от одной частицы целиком в пределах одной трубки. Поэтому появление даже одной неактивной трубки между ними резко снижает число событий (до 0.2).
0.0-1-.-1-.-1-.-1-1-1-.-1-1-1-.-1 —.—I-.-.-.-1-.-.-.—.—I
О 2 4 6 8 10 12 14 10 100
I' :ггт и н'.1.1; I. I, п ! 1.П 11 ■ ■ м 1 и мтжЁСТпетмш. М
Рис. 3. Характеристики событий множественности на ВНМ: а) — относительное число событий множественности фиксированного значения М в зависимости от количества неактивных трубок между активными. Значения нормированы на максимальное значение. Значения М приведены около графиков; б) - спектр событий множественности на некоторых ВНМ. Тип ВНМ указан на графике
Относительное число событий от раздвижки для каждого значения М не позволяет представить его в зависимости от значения М. На рис. 3, б, показан спектр событий М для разных типов ВНМ. На нем хорошо заметен перегиб спектров при М ~ 20. Несмотря на разную конфигурацию ВНМ (разное число неактивных трубок), наклон спектра на интервале М = 8-20 примерно постоянный. При М > 20 наклон с увеличением числа неактивных трубок меняется.
Таким образом, с использованием ВНМ наглядно показано, что события умеренных значений М (до 15-20) формируются преимущественно (не менее 80 %) из импульсов одной трубки, т. е. это множественность, возникающая от ядерных каскадов в свинце. Возникающие в таком ядерном каскаде нейтроны способны достигнуть только ближайших трубок. В то же время для М > 20 зависимость от раздвижки становится малой, а при М ~ 40 и больше зависимости нет совсем. Это можно объяснить только тем, что такие большие множественности формируются от ливней частиц. Сначала (при М < 40) ливни небольшие, занимают 3-5 трубок, что соответствует 2-3 м (поперечный размер области детектирования каждой трубки 0.5 м). С ростом М размер растет, и при М > 40 размер ливня сравним с размером НМ (10 м) В этом случае импульсы образуются в каждой трубке, следовательно, не будет зависимости от числа неактивных трубок.
3. Заключение
Используя современную систему регистрации, которая сохраняет детальную информацию обо всех импульсах, и применяя методику формирования виртуальных НМ различной конфигурации, можно определить пространственные размеры событий М. Для этого вычислялась функция раздвижения и измерялся спектр для каждого ВНМ. Исходя из этого получено, что события М до 15-20 образуются от одиночных энергичных частиц, вызывающих ядерный каскад в свинце. Далее с ростом М наблюдается рост поперечного размера ливня, вплоть до того, что при М = 40 и больше размер ливня сравнивается с размером НМ.
Литература
1. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975. 402 с.
2. Balabin Yu. V. EAS hadronic component as registered by a neutron monitor / Yu. V. Balabin [d а1.] // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V. 7. P. 507-510.
3. Балабин Ю. В. Множественность на нейтронных мониторах: локальные адронные ливни и ШАЛ / Ю. В. Балабин [и др.] // Известия РАН. Серия физическая. 2011. T. 75, № 3. С. 393-395.
4. Балабин Ю. В. Оценка размеров атмосферных адронных ливней на нейтронном мониторе в Баренцбурге / Ю. В. Балабин [и др.] // Physics of Auroral phenomena: Proc. of the 35th annual seminar. Apatity, 2012. Р. 92-95.
5. Хаякава С. Физика космических лучей: в 2 ч. М.: Наука, 1974. 1042 с.
Сведения об авторах Германенко Алексей Владимирович
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: germanenko@pgia.ru
Балабин Юрий Васильевич
к. ф.-м. н., заведующий сектором, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: balabin@pgia.ru
