CC BY
58
О. А. Каликулов, Н. О. Садуев, В. В. Оскомов
УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ФОТОННОЙ КОМПОНЕНТЫ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫСОТЕ 850 м НАД УРОВНЕМ МОРЯ
Прохождение космических лучей через атмосферу Земли. Космические лучи - это потоки атомных ядер высоких энергий, приходящих на Землю из просторов Вселенной. Кроме того, к космическим лучам принято относить и вторичное излучение, возникшее в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов атмосферы Земли.
Наша задача дать, в основном, качественную картину частного случая порождения электрон-фотонной компоненты при прохождении первичных космических лучей через земную атмосферу и одного из методов их регистрации на высоте 850 м над уровнем моря.
Итак, на верхнюю границу атмосферы Земли после длительного путешествия поступают частицы первичного космического излучения. Им предстоит преодолеть до уровня моря (по вертикали) почти 1030 г/см2 вещества, в то время как в космосе весь их путь прошёл через 5 г/см2. Атмосфера Земли состоит в основном из азота (N2 ~ 75,5% масс.) и кислорода (02 ~ 23% масс.) и углекислого газа. Плотность атмосферы на уровне моря - 0,0012 г/см3.
На высотах порядка нескольких десятков километров (~ 106 см) от поверхности Земли первичные космические лучи взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. В этих взаимодействиях рождаются различного рода частицы: пионы - п, каоны - К, нуклон-антинуклонные пары, гипероны. Как правило, одна из вторичных частиц того же типа, что и первичная, получает в среднем около 50 % начальной энергии (так называемый эффект «лидирования»). Поэтому такая частица в состоянии ещё несколько раз взаимодействовать в атмосфере. Первичный нуклон с энергией > 1012 эВ может испытать до десятка последовательных столкновений с ядрами атомов воздуха. Генерированные в этих взаимодействиях заряженные пионы - п^ затем или распадаются, или могут сами взаимодействовать с ядрами.
Нейтральные же пионы - п0 из-за малого времени их жизни (~ 10- 16 с) практически сразу распадаются на два гамма-кванта, давая тем самым начало электронно-фотонной компоненте (п0 ^ 2у).
Действительно, энергия, которую получает эта пара квантов, много больше массы покоя нейтрального пиона п0 (~ 135 МэВ), и, следовательно, для таких у-квантов наиболее вероятным процессом взаимодействия со средой будет образование электрон-позитронных пар (е+ е-).
Электроны, в свою очередь, за счёт тормозного излучения на ядрах атомов воздуха дают опять высокоэнергичные у-кванты, т. е. опять е+ е- пару, и т. д. Таким образом, в воздухе появляется электронно-фотонный каскад.
Итак, мы видим, что в атмосфере развивается, во-первых, каскад из ядерно-активных частиц (пионы, каоны, нуклоны и т. п.) и, во-вторых, электронно-фотонный каскад за счёт процессов тормозного излучения и образования пар.
Однако размножение частиц в этих каскадах ограничивается процессами диссипации энергии. Для ядерных каскадов на пионах и каонах такими диссипационными
© О. А. Каликулов, Н. О. Садуев, В. В. Оскомов, 2010
процессами будут распады частиц, в результате которых вместо ядерно-активных частиц рождаются ядерно-пассивные (мюоны и нейтрино) или, как в случае распада нейтрального пиона, энергия перейдет в электронно-фотонную компоненту.
В случае электронно-фотонных каскадов диссипация энергии идёт за счёт ионизационных потерь электронов и комптон-эффектов, фотоэффектов и образования пар для фотонов. Развитие электронно-фотонных каскадов продолжается до тех пор, пока ионизационные потери электрона на одной радиационной длине не станут равными энергии Екр. самой частицы. В воздухе значение критической энергии равно 81 МэВ.
Наряду с распадом нейтрального пиона п0 в атмосфере присутствует и процесс распада заряженных пионов, как это уже упоминалось выше. В результате распада заряженных пионов появляются мюоны. Мюон - частица нестабильная: его время жизни т ~ 2 • 10~6 с, и распадается он на электрон, нейтрино и антинейтрино:
[1+ = е+ + лу + \е, |1~ = е~ + ^ + уе.
На ионизацию в атмосфере мюоны теряют в среднем около 2 МэВ-г-1 • см2. В 30 % случаев электрону передаётся столь большая энергия, что он сам превращается в быструю частицу. Такие электроны называются 5-электронами, обладая энергией в 103 - 104 эВ, они могут сами испытывать ионизационные потери.
Поток высокоэнергичных мюонов в атмосфере слабо поглощается, а ядерно-активные частицы, наоборот, быстро. Поэтому на уровне моря вторичное космическое излучение состоит в основном из мюонов (жёсткая компонента), электронов и фотонов (мягкая компонента).
Таким образом, наличие у Земли довольно толстого слоя атмосферы позволяет первичным космическим лучам испытать многократные взаимодействия и развиться каскадным процессам, в частности, электронно-фотонной компоненте.
Основными источниками электронно-фотонной компоненты космического излучения в атмосфере являются: распад нейтральных пионов с последующим образованием электронно-фотонного каскада, распад мюонов и образование 5-электронов мюонами.
При сверхвысоких энергиях первичной частицы (Ео > 105 ГэВ) в атмосфере Земли число её вторичных потомков в ядерных и электронно-фотонных каскадах достигает 106—109 частиц. Образованные вторичные частицы космических лучей регистрируются с помощью многочисленных и разнообразных детекторов. Мы опишем экспериментальную установку, предназначенную для регистрации электронно-фотонной компоненты космических лучей. Измерение числа частиц разной природы в космических лучах, их энергетических и пространственных характеристик позволяет получить информацию о характеристиках первичных частиц и их взаимодействиях.
Экспериментальная установка. Для получения временных распределений интенсивности электронно-фотонной компоненты космического излучения использовалось устройство на базе модернизированных годоскопических модулей для измерения плотности потока заряженных частиц. Далее это устройство для краткости будет именоваться «годоскопом».
Устройство состоит из 6 модулей, содержащих по 20 ионизационных счётчиков типа СИ5Г. Размер чувствительной зоны счётчика составляет 60 х 560 мм.
Годоскопические модули были установлены на нейтронный монитор типа 6NM—64 автоматизированного комплекса «КАМАК». В качестве фильтров использовался свинец. Таким образом, мы модифицировали нейтронный монитор. С учётом модернизации была смонтирована годоскопическая установка на 120 каналов регистрации электронно-фотонной компонент вторичного космического излучения.
N
850000
17.05.2009 22.05.2009
15.05.2009 19.05.2009 24.05.2009
25.05.2009
Рис. 1. Временные ряды данных электронно-фотонной компоненты над установкой за 15.05.2009-26.05.2009
15.05.2009
19.05.2009
24.05.2009
Рис. 2. Временные ряды данных электронно-фотонной компоненты под установкой за 15.05.2009-26.05.2009
Четыре модуля покрывают монитор сверху, а два снизу расположены перпендикулярно относительно друг друга для определения направления пришедшего вторичного космического излучения. Установка работает в непрерывном режиме.
Процесс регистрации электронно-фотонной компоненты идёт в комплексе с регистрацией нейтронной компоненты, с занесением в единую базу данных. Результаты регистрации фиксируются автоматизированным комплексом «КАМАК», аналоговой и цифровой электроникой микро- и наносекундного диапазона с помощью оригинального программного обеспечения обработки сигналов со счётчика, позволяющего различать факты генерации в широком диапазоне частот от 0,001 Гц до 1000 Гц. Полученные данные помещаются в базу данных, где производится первичная обработка и вывод графиков.
Для удобства контроля работоспособности отдельных счётчиков СИ5Г, с учётом их большого количества, каждый модуль дополнен блоком индикации. Блок содержит 20 светодиодов, при помощи которых можно визуально контролировать работу каждого счётчика.
На данный момент все этапы по модернизации нейтронного монитора годоскопическими модулями завершены. Процесс регистрации электронно-фотонной компоненты ведётся в круглосуточном режиме. На рис. 1 и 2 представлены полученные с помощью годоскопических модулей данные.
1. Ракобольская И. В., Калмыков Н. Н., Свертилов С. И. Введение в физику космический лучей: конспект лекций, часть I. М., 2003.
2. Ракобольская И. В., Калмыков Н. Н. Введение в физику космический лучей: конспект лекций, часть III. М., 2004.
3. Калмыков Н. Н. Космические лучи сверхвысоких энергий: цикл лекций по проблемам физики космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. М., 2001.
4. Мурзин В. С. Введение в физику космических лучей. М., 1988.
5. Росси Б. Космические лучи. М., 1966.
6. Григоров Н. Л. Состав и свойства космического излучения на уровне моря // Сб. Космические лучи: практикум по ядерной физике. М., 1962. С. 5-13.
7. Стаменов Й. Н. Исследование мюонной компоненты широких атмосферных ливней на уровне гор: дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 1970.
8. Фюнферт Э., Нейерт Г. Счётчики излучений. М., 1961.
9. Векслер В., Грошев Л., Исаев Б. Ионизационные методы исследования излучений. М.-Л., 1949.
10. Вавилов Ю. Н., Довженко О. И., Нестерова Н. М. и др. // Тр. ФИАН. 1964. Т. 26. С. 17.
Статья поступила в редакцию 11 февраля 2010 г.
