CC BY
13
УДК 53.082
СОСТАВ И НЕКОТОРЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННОЙ И НЕЙТРАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
А. Н. Квашнин, М.В. Филиппов, В. С. Махмутов
Для наземных измерений заряженной компоненты, нейтронов и спектров y-квантов на Долгопрудненской научной станции ФИАН (Лаборатория физики Солнца и космических лучей) был создан комплекс научной аппаратуры, который лег в основу международной сети детекторов космических лучей. В настоящее время аппаратура установлена в четырех научных центрах: ДНС ФИАН (Московская область, г. Долгопрудный), международном астрономическом комплексе CASLEO (Complejo Astronomico el Leoncito; Аргентина, высота 2550 м над уровнем моря), Евразийском национальном университете (ЕНУ, г. Нур-Султан, Республика Казахстан) и Национальном научном центре KACST (Саудовская Аравия, г. Эр-Рияд). В статье приводится краткое описание научной аппаратуры и рассматриваются некоторые методические вопросы ее настройки и обработки экспериментального материала.
Ключевые слова: научная аппаратура, методика, настройка, обработка.
Введение. В работе описаны принципы работы новой наземной научной аппаратуры, предназначенной для изучения вариаций потоков космических лучей (к.л.). Были разработаны 3 типа установок: детектор заряженной компоненты к.л. -"CARPET/КОВЕР", детектор нейтронной компоненты к.л. - "Нейтронный детектор" и "Гамма-спектрометр". При разработке данной аппаратуры была применена концепция модульности: в зависимости от поставленных задач количество однотипных модулей
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: mfilippov@frtk.ru, kvashnin37@list.ru.
установки может изменяться, что повышает ее надежность и статистическое качество экспериментальных данных.
В 2015-2017 г.г. создана новая международная сеть научной аппаратуры, в основе которой используются модули вышеуказанных установок. На сегодняшний день данная сеть функционирует в непрерывном режиме на базе 4-х научных центров: ДНС ФИАН (Долгопрудненская научная станция; Московская область, Долгопрудный, N55.56°, E37.3°; жесткость геомагнитного обрезания: Rc = 2.12 ГВ), международный астрономический комплекс CASLEO (Complejo Astronomico el Leoncito; Аргентина, S31.47°, W69.17°, высота 2550 м над уровнем моря, Rc = 9.8 ГВ), ЕНУ (Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева; г. Нур-Султан, Республика Казахстан, N51.10°, E71.26°; Rc = 2.9 ГВ) и Национальный научный центр KACST (King Abdulaziz City for Science and Technology; Саудовская Аравия, г. Эр-Рияд, N24.39°, E46.42°; Rc = 14.4 ГВ).
На данный момент (2021 г.) на территории ДНС ФИАН установлены: 1 модуль "CARPET" и 2 модуля "Нейтронный детектор". В CASLEO: 1 модуль "CARPET", 3 модуля "Нейтронный детектор" и 4 модуля "Гамма-спектрометра". В ЕНУ установлены:
Рис. 1: Научная аппаратура в CASLEO: CARPET (c 2006 г.), 3 модуля НД (с 2015 г.), 4 модуля "Гамма-спектрометра" (с 2015 г.).
2 модуля "CARPET" и 1 модуль "Нейтронный детектор". В KACST функционируют 2 модуля "CARPET".
Детектор заряженных частиц "CARPET/КОВЕР". Установка "CARPET" (или "КОВЕР"), предназначенная для измерения потоков заряженных частиц, введена в эксплуатацию в 2006 г. в CASLEO [1]. "CARPET" (рис. 1) включает в себя 24 блока детекторов, каждый из которых представляет собой конструкцию из 5 верхних и 5 нижних газоразрядных счетчиков СТС-6, разделенных алюминиевым поглотителем, толщиной 7 мм. Итого, 240 счетчиков.
Результатами измерений установки "CARPET" являются скорости счета (данные) по трем каналам: все верхние счетчики установки (канал "UP"), все нижние счетчики (канал "LOW") и совпадения (одновременная регистрация частицы в любом верхнем и любом нижнем счетчике - канал "TEL"). Данные передаются на компьютер и записываются с временным разрешением 500 мс. Каналы "UP" и "LOW" установки "CARPET" чувствительны к электронам и позитронам с энергией E > 200 кэВ, протонам с E > 5 МэВ, мюонам с E > 1.5 МэВ, фотонам с E > 20 кэВ (эффективность регистрации < 1%). В канале совпадений "TEL" регистрируются более энергичные частицы: электроны с энергиями E > 5 МэВ, протоны с E > 30 МэВ и мюоны с E > 15.5 МэВ.
Для данной установки был определен барометрический коэффициент, а также, несколькими способами, температурный коэффициент. Полученные значения коэффициентов и методики их расчета приведены в работе [2].
Другая установка данного типа, "CARPET - GCR", используется с 2009 года в международном эксперименте "CLOUD" в CERN [3]. "CARPET - GCR" аналогична установке "CARPET", установленной в CASLEO, однако, с целью уменьшения размеров, общее число счетчиков в ней было сокращено до 120 (по 60 верхних и нижних), объединенных в 12 детектирующих модулях.
В конце 2014 года была создана новая установка "CARPET", также содержащая 120 счетчиков, но электроника и программное обеспечение установки [4] разработаны заново благодаря чему удалось сократить время интегрирования исходных данных с 500 мс до 1 мс. К функционалу установки также был добавлен дополнительный канал служебной информации "Телеметрия", который содержит информацию об атмосферном давлении, температуре внутри кожуха установки и питающих напряжениях счетчиков и электронных плат [4].
Первые два модуля данной установки были запущены в 2015 году в KACST [5]. В 2015 и 2016 г.г. в ЕНУ запущены третий и четвертый модули установки: "CARPET-
ASTANA 1" и "CARPET-ASTANA 2" [6, 7]. С 2017 года на территории ДНС запущен пятый модуль: "CARPET-МОСКВА" [4].
Методика определения барометрического коэффициента для данных установок приведена в работе [4]. Температурный коэффициент для установки "CARPET-МОСКВА" был определен с использованием данных атмосферного зондирования Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) [8, 9], также расположенной в г. Долгопрудном.
Таким образом, на сегодняшний день существует сеть научных установок данного типа, состоящая из 6 модулей "CARPET" (1 в CASLEO, 2 в KACST, 2 в ЕНУ и 1 в ДНС), расположенных на различных широтах.
"Нейтронный детектор". Основу установки "Нейтронный детектор" (НД) составляют гелиевые счётчики СНМ-18, чувствительные к тепловым нейтронам (n+3He +p + 0.764 МэВ). Они помещены внутрь замедлителя нейтронов - прямоугольного полиэтиленового блока из пяти пластин со сторонами 420 и 300 мм и толщиной 20 мм каждая.
В 2015 году 3 модуля ("НД СASLEO" 0, 1 и 2) данной установки (рис. 1) запущены в непрерывную работу в CASLEO [10]. В 2017 году в ЕНУ запущен 1 модуль установки "НД ASTANA". В 2019 году на ДНС ФИАН запущены 2 модуля установки "НД МОСКВА" 0-1 [11].
Таким образом, на сегодняшний день существует сеть научных установок данного типа, состоящая из 6 модулей НД (3 в CASLEO, 1 в ЕНУ и 2 на ДНС).
Темп счета установок передается и сохраняется на компьютере со скважностью 1 мс. Также, аналогично установкам "CARPET", в каждом модуле "НД" реализован канал "Телеметрия", который содержит информацию об атмосферном давлении, температуре внутри кожуха установки и питающих напряжениях счетчиков (1500 В) и электронных плат (12 В и 5 В).
В установках "НД" нейтронные счетчики функционируют в коронном режиме. Поэтому для каждого счетчика было определено значение высокого напряжения (в диапазоне 1500-1700 В), соответствующее началу коронного режима. После чего был снят спектр импульсов при облучении их Po-Be источником с энергиями нейтронов примерно от 100 кэВ до 10 МэВ [12]. На рис. 2 приведен типичный спектр, полученный для одиночного счетчика за 10 мин измерений от Po-Be источника. По полученным спектрам для каждого счетчика был определен порог срабатывания компаратора, устанавливаемый для того, чтобы отстроиться от шумовых импульсов в канале каждого счётчика.
Рис. 2: Типичный спектр импульсов, снятый с анода счётчика СНМ-18 (без предварительного усиления). Треугольником отмечен выбранный порог (~10 мВ).
В статье [11] приводится методика и результат определения барометрического коэффициента для установок "НД".
Сцинтилляционный детектор Гамма-спектрометр". В 2014 г. на ДНС ФИАН разработана научная аппаратура "Гамма-спектрометр", предназначенная для регистрации 7-излучения. В 2015 г. в обсерватории САБЬЕО были установлены четыре модуля данной установки (рис. 1).
В состав каждого модуля установки входят: цилиндрический кристалл Ыа1(Т1) размером 76x76 мм2 в комплекте с ФЭУ Иашаша1зи И1307, высоковольтный источник питания и усилитель [13]. С выхода усилителя импульсы подаются на один из 8 дифференциальных входов 128-канального АЦП "иББЗООО". С АЦП полученная информация через интерфейс иББ-2.0 передаётся на компьютер и сохраняется в файлы данных в виде числа импульсов в каждом канале. При текущих настройках программного обеспечения файлы записываются каждые 10 минут.
Для определения энергетической шкалы спектра необходимо было предварительно прокалибровать каждый детектирующий модуль установки. Для калибровки использованы радиоактивные источники 7-квантов. Были получены спектры импульсов при облучении кристаллов радиоактивными 7-источниками 137Сз (£7 = 661 кэВ) и 60Со (£7 = 1173 кэВ и 1331 кэВ).
я
5 О
с 2
ев Н 0) 3" о
С
е2
1000000 900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 о
м 60 п
II \ 137С§ 60Со
> 1 гоД
"СэЛ <1
1 АЛ \
0 10 20 30 40
Номер канала
50
60
70
Рис. 3: Калибровочные спектры 4-х модулей аппаратуры ".Гамма-спектрометр": кружки - модуль 0, треугольники - модуль 1, ромбы - модуль 2, квадрат,ы - модуль 3.
Во время калибровки напряжения питания ФЭУ (порядка -1500 В) в спектрометрах были подобраны так, чтобы пики, соответствующие 137 Ся попарно, совпали для детектирующих модулей 0-1 и 2-3 установки. Полученные калибровочные спектры (зависимость темпа счета от номера выходного канала амплитудного анализатора) для всех четырех модулей приведены на рис. 3.
Максимальный счёт от источника 7-квантов с данной энергией располагается в определённом выходном канале амплитудного анализатора (табл. 1).
Таблица 1
Расположение энергетических пиков по каналам "Гамма-спектрометра" для разных источников 7-квантов
Модуль 0 Модуль 1 Модуль 2 Модуль 3
Е, кэВ № кан. № кан. № кан. № кан.
0 0 0 0 0
661 24.3 24.3 16.45 16.5
1173 40.7 42.35 27.85 28.8
1331 45.5 47.85 31.1 32.6
180
160
140
ей 120
I § 100
Он « 80
О а 60
40
20
у —бЕ-07х2 + .Л 0.037.x
-- -6Е-01Х1 + 0.254Л:
8 + 0.0396л:
...............• >• = -4/.-Об.
.............. V = -2Е-06х- + 0.026.x
....."
ж.-
-
1000 2000 3000 4000
Е, кэВ
5000
6000
7000
Рис. 4: Результаты калибровки 4-х модулей аппаратуры Гамма-спектрометр": кружки - модуль 0, треугольники - модуль 1, ромбы - модуль 2, квадрат,ы - модуль 3.
Рис. 5: Спектры 7-квантов по данным за 2 часа: треугольники - модуль 0, квадрат,ы модуль 1, ромбы - модуль 2, кружки - модуль 3.
По результатам калибровки (считаем, что 7-квант от 137Сз с энергией 661 кэВ полностью поглощается в кристалле) определено, что максимальная энергия регистрируемых 7-квантов для модулей 0 и 1 составляет примерно 3.5 МэВ, а для модулей 2 и 3 - примерно 5.2 МэВ, что справедливо для кристаллов достаточно большой величины. Для кристалла в данном спектрометре необходимо вводить поправку в энергетическую шкалу спектра, так как уже примерно при 1 МэВ начинается неполное энерговыделение.
Это хорошо видно на рис. 4, где приведены кривые, полученные по результатам калибровки всех 4-х модулей. Здесь же показаны уравнения, описывающие форму каждой экспериментальной кривой калибровки (точки при энергии 5 МэВ найдены из полученных уравнений). По этим уравнениям и линейным уравнениям прямой для каждого спектрометра, проведенным через точки 0 и 661 кэВ, определена поправка для получения реальной энергии регистрируемого 7-кванта в каждом канале.
В процессе калибровки "Гамма-спектрометра" были измерены также спектры фона к.л. на уровне Земли в г. Долгопрудном (рис. 5). На спектрах 7-квантов имеются выбросы. Это, по-видимому, излучение от естественной радиоактивности земли и приземной атмосферы. Мы попытались найти соответствующие каждому пику изотопы. Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Соответствия изотопов пикам 7-квантов на спектре фона на уровне земли
Энерг. эксп. пика, кэВ Возможный изотоп Энерг. 7-кванта изотопа, кэВ Период полураспада
610 214В1 609 19.7 мин
908 208 т} 908 3.1 мин
1110 214В1 1120 19.7 мин
1457 40к 1460 1.3 ■ 109 лет
1755 214В1 1760 19.7 мин
2593 208 т} 2615 3.1 мин
Полученные нами результаты достаточно хорошо совпадают с результатами работ
[14] и [15].
На рис. 5 приведены спектры 7-квантов всех четырех модулей спектрометра, построенные по измерениям фона в г. Долгопрудном в течение двух часов одновременно (измерения проводились сразу после градуировки модулей 10.07.2014 г.). На рис. 6 приведены такие же спектры, полученные из измерений фона на уровне гор (САБЬЕО, высота 2550 м) 20 июня 2017 г. Спектры определены с использованием результатов градуировки.
Из рис. 5 видно, что пики на спектрах для различных модулей хорошо совпадают. Небольшое расхождение в положении пиков на спектрах для различных модулей на рис. 6 связано, по-видимому, с разной реакцией модулей на изменение температуры.
Рис. 6: Спектры 7-квантов по данным за 10 мин: треугольники - модуль 0, квадраты модуль 1, ромбы - модуль 2, кружки - модуль 3.
Рис. 7: Смещение пика 40К по шкале амплитудного анализатора с изменением температуры в течение суток, номер канала - кружки, температура - треугольники.
При обработке данных фона было обнаружено, что пики на спектре 7-квантов со временем сдвигаются по шкале амплитудного анализатора. В результате поиска причины этого сдвига мы обнаружили, что этот сдвиг хорошо коррелирует с изменением
температуры. Это можно видеть на рис. 7, где приведено изменение температуры в течение суток и смещение при этом пика 40 К по шкале амплитудного анализатора.
Изменение имеет линейную зависимость и для приборов количественно даёт следующие значения: для модуля 0 поправка 0.28 ± 0.02 кан./град., для модуля 1 - 0.21 ± 0.02 кан./град., для модуля 2 - 0.15±0.02 кан./град., для модуля 3 - 0.15±0.02 кан./град.
65 60
55
<й
1 50 *
о-
I 45
о
40 35 30
Номера сезонов с сентября 2015 г. по февраль 2018 г.
/ \
__0
0 2 4 6 8 10 1
Рис. 8: Смещение пика 40К в зависимости от времени года: треугольники - модуль 0, квадраты - модуль 1, ромбы - модуль 2, кружки - модуль 3.
Влияние температуры на "Гамма-спектрометр" отчетливо видно также из измерений в САБЬЕО при сравнении величины сдвига пика 40К с сезонным изменением температуры в течение года. На рис. 8 представлены данные о номерах каналов, соответствующих наблюдению пика 40К, полученные с сентября 2015 года по февраль 2018 года. Каждая точка является средней величиной измеренного номера канала по данным за последовательные 3 месяца (осенний, зимний, весенний и летний сезоны). Наибольшие значения номеров канала для пика 40К отмечается в самое холодное время года (4-й и 8-й сезоны, соответствующие зимним условиям в южном полушарии). Для компенсации данного эффекта разработана методика калибровки "Гамма-спектрометра" по естественным источникам 7-излучения, приведенным в табл. 2. Эта методика описана в работе [13].
зЗаключение. В данной работе приведено описание и текущее состояние новой международной сети детекторов космических лучей, развернутой в 4-х научных центрах, в
основу которой положено 3 типа научных установок: "CARPET", "Нейтронный детектор" и "Гамма-спектрометр".
Для установок типа "CARPET" определен температурный и барометрический эффекты. Для установок типа "Нейтронный детектор" был определен барометрический эффект. Для "Гамма-спектрометра" был установлен температурный эффект.
Приведены результаты калибровки спектрометра по источникам 7-излучения: 137Cs и 60Co, позволяющие получить из экспериментальных данных спектр 7-квантов, падающих на кристалл. Также разработана методика калибровки установки "Гамма-спектрометр" по естественным источникам 7-излучения.
В настоящее время проводится анализ экспериментальных данных, накопленных за последние годы. В работе [7] на примере данных из ЕНУ показана чувствительность установок "CARPET" к вариациям первичных к.л., таких как Форбуш-понижения, являющиеся следствием проявления солнечной активности и возмущения межпланетного магнитного поля. В этой же работе приводятся результаты сравнительного анализа данных установок "CARPET-ASTANA" и данных сети нейтронных мониторов [16] на примере нескольких событий, произошедших в 2017 г.
В работах [17, 18] приводятся предварительные результаты анализа данных вариаций потоков к.л. во время грозовой и сейсмической активности.
ЛИТЕРАТУРА
[1] С. В. Мизин, В. С. Махмутов, О. С. Максумов, А. Н. Квашнин, Краткие сообщения
по физике ФИАН 38(2), 8 (2011). DOI: 10.3103/S1068335611020023.
[2] R. R. S. De Mendonca, J.-P. Raulin, E. Echer, et al., J. Geophys. Res.: Space Phys.
118(4), 1403 (2013). DOI: 10.1029/2012JA018026.
[3] J. Kirkby et al., Nature 476, 429 (2011). DOI: 10.1038/nature10343.
[4] М. В. Филиппов, В. С. Махмутов, Ю. И. Стожков, О. С. Максумов, Приборы и
техника эксперимента, № 3, 109 (2020). DOI: 10.31857/S0032816220030039.
[5] A. Maghrabi, V. S. Makhmutov, M. Almutairi, et al., Journal of Atmospheric and
Solar-Terrestrial Physics 200, 105194 (2020). DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105194.
[6] M. V. Philippov, V. S. Makhmutov, Yu. I. Stozhkov, et al., Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and
Associated Equipment. 959, 16356 (2020). DOI: 10.1016/j.nima.2020.163567.
[7] Е. А. Тулеков, В. С. Махмутов, Г. А. Базилевская и др., Геомагнетизм и аэрономия
60(6), 704 (2020). DOI: 10.31857/S0016794020060139.
[8] M. Philippov, V. Makhmutov, G. Bazilevskaya, et al., Geosci. Instrum. Method. Data
Syst. 10, 219 (2021). DOI: gi-10-219-2021.
[9] A. V. Kochin, F. A. Zagumennov, V. L. Fomenko, J. Atmos. Ocean. Tech. 39(9), 1491
(2021). DOI: 10.1175/JTECH-D-20-0158.1.
[10] М. В. Филиппов, Ю. И. Стожков, В. С. Махмутов и др., Изв. РАН, сер. физ. 79(5),
753 (2015). DOI: 10.7868/S036767651505021X.
[11] М. В. Филиппов, В. С. Махмутов, Ю. И. Стожков и др., Приборы и техника эксперимента, № 5, 96 (2020). DOI: 10.31857/S0032816220050298.
[12] Справочник по ядерной физике (М., Государственное издательство физико-
математической литературы, 1963), перевод с: The nuclear handbook, consulting editor O.R.Frisch, O.B.E., F.R.S. with 22 specialist contributors. London GEORGE
NEWNES LIMITID 1958 под редакцией акад. Л.А. Арцимовича.
[13] М. В. Филиппов, В. С. Махмутов, А. Н. Квашнин и др., Приборы и техника эксперимента, № 4, 74 (2021). DOI: 10.31857/S0032816221040030.
[14] K. Ford, J. R. Harris, R. Shives, et al., Geoscience Canada 35(3-4), 109 (2008).
[15] R. L. Grasty, Gamma-ray spectrometric methods in uranium exploration-theory and
operational procedures; in Geophysics and Geochemistry in the Search for Metallic Ores; Peter J. Hood, editor; Geological Survey of Canada, // Economic Geology Report 31, 147 (1979).
[16] База данных сети нейтронных мониторов: http://www01.nmdb.eu/
[17] В. С. Махмутов, Ю. И. Стожков, Ж.-П. Ролан и др., Изв. РАН, сер. физ. 81(2),
262 (2017). DOI: 10.7868/S0367676517020260.
[18] А. А. Орлов, В. С. Махмутов, М. В. Филиппов и др., Изв. РАН, сер. физ. 85(11),
1666 (2021). DOI: 10.31857/S0367676521110272.
Поступила в редакцию 8 ноября 2021 г. После доработки 23 ноября 2021 г. Принята к публикации 24 ноября 2021 г.
