CC BY
18
УДК 539.1.08
НЕЙТРОННАЯ АКТИВНОСТЬ ГРОЗОВОГО ШТОРМА
В. А. Басков, В. В. Полянский
Представлены результаты измерения диффузного потока нейтронов от грозового шторма, прошедшего в Москве в ночь с 13 на 14 июля 2016 года на расстоянии ~30 км от детекторов. Обнаружено превышение частоты срабатывания совпадений 4-х каналов двух сцинтил-ляционных детекторов на ~10% от величин совпадений при отсутствии грозы. Оценка выхода нейтронов в единичном грозовом разряде составила ~1010 и/сек.
Ключевые слова: гроза, нейтронная активность, диффузия, сцинтилляционные детекторы.
Гипотезу о возможности ускорения заряженных частиц до высоких энергий полями грозовых облаков впервые высказал Вильсон в 1924 году, первое экспериментальное указание на генерацию нейтронов во время молниевых разрядов было представлено индийскими физиками в 1985 году [1]. В наши дни это явление продолжают регистрировать наземными установками как в горах, так и на уровне моря [2-7]. Несмотря на значительную историю наблюдений и значительное число теоретических работ по механизму генерации нейтронов во время грозовой активности, появившихся в последнее время, вопрос о происхождении таких нейтронов остаётся открытым.
Действительно, в период мощных атмосферных явлений, таких, например, как тайфуны и грозы, во время разрядов молний выделяется гигантская энергия. Одним из каналов выделения этой энергии может быть генерация нейтронов [2, 3]. Одним из возможных механизмов является образование нейтронов в стволе молнии вследствие дейтрон-дейтронного взаимодействия. В атмосфере присутствуют молекулы тяжелой воды со связанным дейтерием. При протекании сильных электрических токов в молниях может происходить ускорение ядер до энергий, достаточных для осуществления реакции дейтрон-дейтронного взаимодействия:
& + В ^ Не3 + п(2.45МэВ).
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail:baskov@x4u.lebedev.ru.
Механизм полагает образование 107 — 1010 нейтронов на высоте до ~10 км за один мощный разряд [1].
То, что данная реакция осуществляется с заметной эффективностью, показано в лабораторных экспериментах [5-7].
Родившись в атмосфере, нейтроны с энергией несколько МэВ, после нескольких соударений с ядрами среды, на расстояниях до десятка километров в нижних слоях атмосферы за время порядка нескольких секунд сначала эффективно замедляются, затем быстро термализуются, продолжая терять энергию, и, диффундируя окончательно, движутся с тепловой энергией, подчиняясь только законам диффузии [2, 3].
Надо отметить, что экспериментальных результатов по исследованию генерации нейтронов и их диффузии немного, поэтому получение новых данных очень важно.
В данной работе представлены экспериментальные результаты измерения потока нейтронов, зарегистрированные от грозового шторма, прошедшего через северозападную часть Москвы в ночь с 13 на 14 июля 2016 года [9]. Экспериментальная установка располагалась в г. Троицке во втором экспериментальном зале Отдела физики высоких энергий (ОФВЭ) Физического института им. П. Н. Лебедева и состояла из двух счетчиков Б1 и Б2, расположенных друг от друга на расстоянии 2.5 м (рис. 1). Грозовой шторм проходил от ОФВЭ на расстоянии ~30 км.
Рис. 1: Положение грозового шторма относительно Троицка и детекторов 51 и 52.
Схема эксперимента представлена на рис. 2. Б1 представлял собой "сэндвич" из 6-ти сцинтилляционных (полистирол) и свинцовых (РЬ) пластин размером 10 х 10 см2 и толщиной 10 и 0.5 мм, соответственно. Сцинтилляционный свет регистрировался 2-мя ФЭУ-85, которые были расположены на одной из боковых сторон счетчика. Б2 являлся сцинтилляционной (полистирол) пластиной размером 50 х 50 х 5 см3, просматривался 2-мя ФЭУ-143-Б, которые располагались на противоположных концах диагонали счетчика.
stop2
stop3_
С
Рис. 2: Структурная схема экспериментальной установки (ПС - персональный компьютер; ВЦП - время-цифровой преобразователь; Ф - формирователь со следящим порогом (ФСП); З - блок задержки).
Нейтронный поток от грозового разряда должен сопровождаться жестким гамма-излучением. Для увеличения эффективности регистрации гамма-излучения и был выбран тип счетчика Б1 ("сэндвич"). Предполагалось также, что наряду с гамма-излучением данный счетчик будет эффективно регистрировать и быстрые нейтроны с энергиями более 0.1 МэВ.
Структурная схема электроники, обеспечивающая работу установки, показана на рис. 2. Импульс запуска вырабатывался каналом В счетчика Б1. Порог формирователя
канала В со следящим порогом (ФСП) и напряжение на делителе ФЭУ подбирались таким образом, чтобы шумы ФЭУ стартового канала были минимальными (напряжение порога ФСП составляло 10 мВ, напряжение на делителе ФЭУ канала В счетчика Б1 составляло 800 В). При обработке результатов событием считалось совпадение по времени обоих каналов в счетчиках Б1 и Б2 и совпадение по времени сигналов обоих счетчиков, то есть триггер определялся как Т = (А ■ В) ■ (С ■ О).
На рис. 3 представлена частота совпадений сигналов счетчиков Б1 и Б2 за период с 12 по 15 июля 2016 года, то есть до грозы, во время грозы и после грозы. Сплошной горизонтальной линией на рисунке показана аппроксимация, являющаяся средней величиной частоты совпадений по периоду измерений. 12 и 13 июля средняя величина частоты составляла 20-21 событий/30 минут. Во время грозы в ночь с 13 на 14 июля частота в пике составила 22-23 событий/30 минут, после грозы 15 июля частота уменьшилась и снова составила 21-22 событий/30 минут. Превышение частоты совпадений Б1 и Б2 во время грозы относительно спокойного состояния составила ~10%, однако детекторы зарегистрировали это превышение. Частота совпадений начала увеличиваться примерно с 18-20 часов 13 июля и достигла максимума к 24 часам.
Рис. 3: Временная развертка частоты совпадений счетчиков 51 и 52 за период с 12 по 15 июля 2016 года (описание экспериментальных данных: 1, 3 - линейные зависимости; 2 - параболическая зависимость).
Можно оценить число нейтронов в эпицентре грозового шторма 14 июля 2016 года и в молниевом разряде. Если предположить, что Б1 регистрирует гамма-всплеск, то превышение числа совпадений счетчика Б2 во время грозы над спокойным состоянием составило около 1-го события за 30 минут или 1/30 ■ 60 ~ 0.0005 события/сек. Если считать, что превышение счета совпадений счетчиков Б1 и Б2 во вре-
мя грозы относительно спокойного состояния определялось регистрацией нейтронов, то АМа = 0.0005 п/сек. Таким образом, в грозовой области изменение числа нейтронов с учетом квадрата расстояния ~30 км при нормировке на площадь детекторов составило АМ ~ 0.0005 • (3 • 106)2 ~ 5 • 109 п/сек. Так как во время грозы регистрировалось ~30 молний/мин или ~0.5 молний/сек, то число нейтронов в молнии составило АМт ~ 5 • 1010/0.5 = 1010 п/сек. Данное значение совпадает с оценками величин нейтронов, образующихся на высоте до ~10 км за один мощный молниевый разряд [2, 9].
При анализе результатов эксперимента были проверены гипотезы описания экспериментальных данных соответствующими зависимостями и для каждой определен х2 [10]. Результаты проверок гипотез для х2, нормированных на число степеней свободы, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Значения х2 для разных гипотез описания экспериментальных данных, полученных при исследовании нейтронной активности до и после грозового шторма в Москве (12 и 15 июля 2016 года), а также во время грозового шторма (13-14 июля) (а, Ь, с - постоянные величины)
Тип зависимости х2
12 июля 13-14 июля 15 июля
Линейная (у = ах + Ь) 0.325 0.925 1.2
Параболическая (у = ах2 + Ьх + с) 0.425 0.7 3.15
Из таблицы видно, что данные предгрозового (12 июля) и послегрозового (15 июля) состояния лучше описываются линейной зависимостью (первая и третья столбцы таблицы), чем параболической. Данные грозового состояния лучше описываются параболической зависимостью относительно линейной (второй столбец таблицы).
Таким образом, можно сделать вывод, что экспериментальные данные являются достоверными и был зарегистрирован диффузный поток нейтронов от грозового шторма, прошедшего в Москве в ночь с 13 на 14 июля 2016 года на расстоянии ~30 км от детекторов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] G. N. Shan, Nature 313(N6005), 773 (1985).
[2] А. Ю. Дроздов, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, МГУ, Москва, 2010.
[3] T. Enoto, Yu. Wada, Y. Furuta, et al., Nature 551, 481 (2017) DOI: 10.1038/nature24630.
[4] A. Sheam and T. C. Kaushik, J. Geophys. Res. 104(A4), 6867 (1999).
[5] Б. М. Кужевский, О. Ю. Нечаев, П. И. Шаврин и др., Препринт НИИЯФ МГУ 96-7/414 (М., МГУ, 1996).
[6] A. V. Agafonov, A. V. Bagulya, O. D. Dalkarov, et al., Phys. Rev. Lett. 111, 115003 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.115003.
[7] A. V. Gurevich, V. P. Antonova, A. P. Chubenko, et al., Atmospheric Research, 164— 165, 339 (2015). http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosres.2015.06.004.
[8] https://www.gismeteo.ru/news/klimat/19977-detali-razgula-konvektivnoy-stihii-v-moskve/
[9] Б. М. Кужевский, Е. А. Сигаева, Потоки нейтронов вблизи земной поверхности http://www.kosmofizika.ru/model/kuzhevsky-3.11a.doc.
[10] В. Н. Лавренчик, Постановка физического эксперимента и статистическая обработка его результатов (М., Энергоиздат, 1986).
Поступила в редакцию 17 декабря 2017 г.
