CC BY
8
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.77-81 УДК 524.1
Е.А. Маурчев, Ю.В. Балабин
СРАВНЕНИЕ ДАННЫХ РЕГУЛЯРНОГО БАЛОННОГО МОНИТОРИНГА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С РЕЗУЛЬТАТАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ПРОТОНОВ ГКЛ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ В СЛУЧАЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКТРА ИЗ ЭКСПЕРИМЕНТА PAMELA
Аннотация
Рассматривается моделирование прохождения протонов галактических космических лучей при помощи программного комплекса RUSCOSMICS. Особенностью работы является использование в качестве входного параметра для генератора первичных частиц энергетического спектра, полученного в ходе проведения эксперимента PAMELA. Получен результат в виде высотного профиля потока частиц и произведено его сравнение с экспериментальными данными, полученными в ходе проведения запуска шаров-зондов с установленным на них счетчиком Гейгера.
Ключевые слова:
космические лучи, метод Монте-Карло, физика частиц, радиационная безопасность
E.A Maurchev, Yu.V. Balabin
COMPARISON THE COSMIC RAYS MONITORING DATA FROM THE REGULAR BALLON EXPERIMENT WITH THE MODELING RESULTS OF THE GCR PROTONS TRANSPORT THROUGH THE EARTH ATMOSPHERE IN THE CASE OF USING THE SPECTRUM FROM THE PAMELA EXPERIMENT
Abstract
The simulation of the transport of protons of galactic cosmic rays using the RUSCOSMICS software package is considered. A feature of the work is the use of the energy spectrum obtained during the PAMELA experiment as an input parameter for the generator of primary particles. The result is obtained in the form of a high-altitude profile of the particle flow and compared with experimental data obtained during the balloon experiments with a Geiger counter. Keywords:
cosmic rays, Monte Carlo method, particle physics, radiation safety Введение
Благодаря регулярному баллонному эксперименту, проводимому группой ученых из ФИАН [1] на сегодня существует огромная база данных, представляющая собой высотные профили скорости счета, полученные в результате запуска шаров-зондов с установленными на них счетчиками СТС-6. Одним из местоположений, где проводятся эксперименты с этим оборудованием - полигон, расположенный в г. Апатиты.
Наряду с этим, на станции нейтронного монитора Апатиты Полярного геофизического института ведется не только экспериментальное исследование космических лучей (КЛ), но и разрабатывается специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить моделирование прохождения КЛ через атмосферу Земли и рассчитывать характеристики вторичного излучения [2, 3].
Здесь сразу следует сказать, что на сегодняшний день сравнение полученных во время расчетов результатов с данными экспериментальных исследований, наилучшим из которых является упомянутый выше регулярный баллонный эксперимент, является единственным корректным методом верификации модели RUSCOSMICS. При всем этом такой подход позволяет расширить экспериментальную базу, дополняя ее подробной информацией о параметрах потоков вторичных космических лучей в атмосфере Земли не только для локальной точки, но и для всех значений широты и долготы.
К особенностям представленной работы можно отнести то, что в качестве входного параметра для задания свойств источника первичных частиц используется реальный энергетический спектр протонов, полученный при помощи аппарата PAMELA [4] (обычно берется некоторое усреднение по 11-и летнему циклу, которое предлагается ГОСТом, например [5, 6]). Также для периода, для которого был выбран спектр, были отобраны и данные, полученные в ходе запуска шара-зонда с установленным на нем счетчиком Гейгера, произведено их сравнение с модельными результатами, при этом получено очень хорошее согласие.
1. Методика
Как уже было сказано выше, для проведения моделирования использовался программный комплекс RUSCOSMICS, созданный на станции нейтронного монитора Апатиты при помощи пакета для разработки программ GEANT4 [7]. Такое решение было выбрано по большей мере из-за возможности наследования классов, написанных на объектно-ориентированном языке высокого уровня С++, что, в свою очередь, позволяет реализовывать геометрию, подключать необходимые модели взаимодействий, создавать генераторы первичных частиц с необходимыми энергетическими распределениями и т.д. Модель атмосферы Земли построена на базе NRLMSISE-00 [8] и представляет собой столб воздуха с физическими параметрами, распределенными по слоям, высота каждого из которых определялась, исходя из 5 % содержания массы воздуха от общей массы всего столба. Такое значение было выбрано опытным путем, при этом авторы руководствовались тем, чтобы получить оптимальное соотношение скорости вычислений и корректности получаемого результата.
Также одним из параметров, определяющих начальные условия, является спектр протонов, который задает функцию плотности распределения вероятности генератора первичных частиц в модели. В представленной работе расчет производился для протонов галактических КЛ (ГКЛ), энергетический спектр которых соответствовал минимуму солнечной активности, данные были получены при помощи аппарата PAMELA, график, полученный по дискретным значениям, представлен на рис. 1.
Экспериментальные измерения потока заряженных частиц проводятся при помощи специального шара-зонда, который способен достигать высоты около 30 км. К нему привязан счетчик Гейгера с барометром, электронной частью и батареями, внешний вид этого устройства представлен на рис. 2.
10-4 -..........■..........'-
102 103 104
Энергия, МэВ
Рис. 1. Усредненный за период 06.12.2009 г. - 01.01.2010 г. спектр протонов ГКЛ, полученный при помощи аппарата PAMELA
Fig. 1. The GCR proton spectrum averaged over the period December 6, 2009 -January 1, 2010, obtained using the PAMELA apparatus
Рис. 2. Внешний вид детектирующего оборудования, используемого во время проведения баллонного эксперимента. Цифрой 1 обозначен газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, 2 - электронная часть, 3 - барометр, 4
- отсек для батарей
Fig. 2. Appearance of the detecting equipment used during the balloon experiment. The number 1 indicates the Geiger-Muller counter, 2 - the electronic part, 3 - the barometer, 4 - the battery compartment
Во время работы вклад частиц в счет газонаполненного детектора, установленного на шар-зонд, можно выразить при помощи формулы:
J sum =Jp + Je + e- + /д+д- + 0,01 • JY,
где Jp - суммарный поток протонов, Je+e~ - суммарный поток электронов и позитронов, J^l+-суммарный поток мюонов, Jy - суммарный поток гамма-квантов.
Для того, чтобы полностью повторить процесс регистрации частиц во время реального эксперимента, в RUSCOSMICS на высотах от 0 до 80 км определяются чувствительные объемы, при этом расстояние между ними составляет 1 км. При пролете частицы, на которую запрограммированно срабатывание, к общему значению, сохраненному в ячейке массива для заданной высоте, прибавляется единица. Также следует заметить, что для гамма-квантов суммарные значения дополнительно умножаются на среднюю эффективность регистрации счетчика Гейгера, которая составляет 0,01. Важным моментом является то, что при регистрации частицы детектирующий слой не оказывает влияния на ее параметры (т.е., модель позволяет «проводить» невозмущающие измерения).
2. Результат
В результате моделирования прохождения протонов ГКЛ через атмосферу Земли с использованием энергетического спектра первичных частиц, полученного при помощи аппарата PAMELA во время минимума солнечной активности, была получена зависимость скорости счета от высоты как для различного типа частиц (электроны, позитроны, протоны, мюоны, гамма-кванты), так и для их суммарного вклада.
Рис. 3. Сравнение результата моделирования баллонного эксперимента с реальными данными, усредненными за месяц (январь 2010 г.)
Fig. 3. Comparison of the simulation results of the balloon experiment with real data averaged over the month (January 2010)
На рис. 3 представлено сравнение результата расчетов с усредненными реальными данными, полученными за январь 2010 г. в ходе проведения регулярного баллонного эксперимента.
Заключение
Как видно из представленных результатов, сравнение данных, полученных во время запуска шара-зонда с установленным на нем счетчиком Гейгера, и результатов моделирования прохождения протонов через атмосферу Земли для периода, в который проводился эксперимент, дает очень хорошее согласие. На сегодня остается открытым вопрос о возникновении в ряде случаев некоторого несоответствия в области максимума скорости счета, что может быть связано с множеством факторов (невозможность учета всех параметров реальной атмосферы, неполное соответствие характера углового распределения первичных частиц и т.д.). Его решение может быть найдено только при помощи большего количества расчетов (набор статистики), а также расширения числа географических позиций проведения баллонного эксперимента при сохранении существующей на сегодня регулярности.
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-02-00582.
Литература
1. Stozhkov Yu.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.
3. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. // Solar-Terrestrial Physics. 2016. V. 2. I. 4. P. 310.
4. Adriani O., Barbarino G. C., Bazilevskaya G. A. et. al. // The Astrophysical Journal. 2013. V. 765, N. 2, P. 1 - 8 (Web Publ.)
5. ГОСТ 25645.122-85. Протоны галактических космических лучей. Энергетические спектры.
6. ГОСТ 25645.150-90. Лучи космические галактические. Модель изменения потоков частиц.
7. Agostinelli S., et al. // Nucl.Instrum. Methods Phys. Res. 2003. V. 506. Sect. A. P. 250.
8. Picone J. M. et al. // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. A. 12. P. 1468.
Сведения об авторах
Маурчев Евгений Александрович
м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: maurchev1987@gmail.com
Балабин Юрий Васильевич
к. ф.-м. н., зав. сектором, Полярный геофизический институт, Апатиты; E-mail: balabin@pgia.ru
