Вариации естественного гамма-фона во время выпадения атмосферных осадков Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.521.64

ВАРИАЦИИ ЕСТЕСТВЕННОГО ГАММА-ФОНА ВО ВРЕМЯ ВЫПАДЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

Б.Б. Гвоздевский, Ю.В. Балабин, А.В. Германенко, Э.В. Вашенюк, Л.И. Щур

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Аннотация

Исследуются возрастания интенсивности гамма (рентгеновского) излучения в приземном слое атмосферы во время осадков в Апатитах и на Шпицбергене. Обнаружена явная связь между возрастаниями и дождевой (снеговой) облачностью. Получены энергетические спектры гамма-излучения в хорошую погоду и при выпадении осадков. В них отсутствуют спектральные линии, характерные для атмосферных радионуклидов. Проведенное исследование позволяет считать основной причиной возрастания гамма-излучения во время осадков тормозное рентгеновское излучение энергичных электронов, ускоренных электрическими полями внутри дождевых (снеговых) облаков. Детально рассмотрен возможный механизм генерации рентгеновских квантов во время осадков. Ключевые слова:

гамма-кванты, генерация, осадки, тормозное излучение, радиоактивность.

Введение

Существование избыточного

излучения, связанного с грозовой активностью является известным фактом [1-3]. Было показано, что основной причиной возникновения избыточного излучения во время гроз являются частицы, ускоренные сильными электрическими полями внутри грозового облака [2-3]. В организованном нами мониторинге низкоэнергичного гамма (рентгеновского) фона на уровне земли также регистрировались возрастания, как правило, связанные с атмосферными осадками. Следует отметить, что в субарктическом (Апатиты) и арктическом (арх. Шпицберген) регионах, где проводились наблюдения, грозы наблюдаются редко. Тем не менее, в качестве причины возрастаний, связанных с осадками, мы предполагаем электрическое поле облаков (пусть не такое сильное, как в грозовых облаках), которое ускоряет электроны и создает тормозное рентгеновское излучение, проникающее до уровня земли. В данной работе также показано, что наблюдаемые возрастания гамма-фона не связаны с какими-либо антропогенными либо природными радионуклидами, а являются следствием изменения условий взаимодействия космического излучения с атмосферой.

Описание установки

Для мониторинга гамма (рентгеновского) фона у поверхности земли нами использовался сцинтилляционный спектрометр на основе кристалла Nal(Tl), диаметром 6 см и толщиной 2 см (рис.1). Прибор ранее был разработан и применялся для измерений аврорального рентгеновского излучения на аэростатах в стратосфере [4]. Сигнал после ФЭУ и усилителя поступает на дискриминатор с пороговыми уровнями, соответствующими энергиям фотонов >20 и >100 кэВ. Выходы дискриминаторов через интерфейсный модуль поступают в компьютер через специальную программируемую плату расширения AD LINK 8554. Регистрация в интегральных каналах позволяет получать непрерывную оценку интегрального спектра гамма (рентгеновского ) излучения.

Питание ФЭУ и усилителя для него производится при помощи специальной схемы преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающей хорошую стабильность питающего высокого напряжения ФЭУ. Приняты меры к температурной стабилизации внутри приборного контейнера, который выполнен из алюминия и герметично закрыт.

Импульс с выхода ФЭУ поступает на усилитель. Параметры входной цепи усилителя были подобраны таким образом, чтобы на каждый 1 КэВ на ФЭУ приходилось 1 мВ на входе усилителя. Коэффициент усиления был выбран равным 10. Таким образом, фотон с энергией 100 КэВ вызывает на выходе усилителя импульс с амплитудой 1 В. Имеющиеся спектрометры, были проверены и откалиброваны с помощью источника гамма-излучения Am241, имеющего слабую линию 27 кэВ и

основную линию 59 кэВ. Вместе со спектрометрами в Апатитах был установлен осадкомер, который позволяет оценивать интенсивность осадков в виде дождя и снега в относительных единицах.

Наблюдение некоторых возрастаний сопровождалось записью спектров гамма-излучения при помощи амплитудного анализатора В4К-САЦП-^В, основанного на высокоскоростном спектрометрическом АЦП на 4096 каналов. Внешний вид детектора и блок-схема его включения представлены на рис. 1. Амплитудный анализатор предназначен для получения дифференциального спектра гамма-излучения. Амплитуда выходных импульсов пропорциональна энергии гамма-квантов, поэтому данные амплитудного анализатора однозначно связаны с энергетическим спектром. Анализатор включался в работу за несколько часов до предполагаемых осадков, регистрируя сначала фоновый спектр перед возрастанием, затем спектр во время возрастания.

б

фотокатод

Рис. 1. а) внешний вид сцинтилляционного гамма-спектрометра, предназначенного для регистрации у-излучения; б) блок-схема установки для регистрации гамма-излучения

Непрерывные наблюдения с помощью гамма спектрометров в г. Апатиты были начаты в летнеосенний период 2008 г. и продолжаются по настоящее время. Данные непрерывно поступают в системы сбора данных нейтронных мониторов на этих станциях с периодичностью 1 раз в минуту.

В г. Апатиты используются два идентичных детектора. Один поставлен на непрерывную регистрацию, второй применяется для различных контрольных экспериментов, о которых будет рассказано ниже. Детекторы установлены на чердаке здания "Пирамида". По бокам и снизу они обложены свинцовыми кирпичами толщиной 5 см, чтобы экранировать от фона здания и земли, и помещены в пенопластовый контейнер с толщиной стенок 8 см для термостабилизации. Непрерывно ведется запись температуры внутри контейнера. Крыша "Пирамиды" состоит из железных листов толщиной 1 мм и досок толщиной 25 мм.

Наблюдения

За время работы спектрометров нами были отмечены спорадические возрастания интенсивности рентгеновского излучения. Также было отмечено, что возрастания счета на спектрометре почти всегда сопровождается интенсивными осадками, и плотной (9-10 баллов), а также низкой (200-800 м) облачностью. Всего таких возрастаний счета с июня 2009 г. по апрель 2010 г. было зарегистрировано около сотни. Интенсивность счета возрастала от 5 до 45%; длительность возрастания варьируется от одного часа до двух суток. Большинство (97%) таких событий сопровождалось осадками различной длительности и интенсивности. Возрастания интенсивности счета спектрометров различны по амплитуде для разных времен года - в зимний период амплитуда возрастаний в среднем меньше, и не было зафиксировано ни одного возрастания выше 20%.

Кроме того, было отмечено влияние типа осадков на возрастания счета. Мелкий сухой снег с ветром (метель) или многочасовой мелкий дождь редко сопровождаются возрастаниями. Чаще всего возрастание просиходит во время ливневых осадков: дождь, мокрый или крупный снег без ветра.

На рис. 2 показаны характерные профили возрастания счета в канале >20 кэВ и осадков (дождя) для станции в Апатитах. Для удобства нулевой уровень осадков на графике сдвинут вниз на 20 единиц, данные осадкомера носят относительный характер, они не прокалиброваны в скорости выпадения осадков (мм/час). Профиль возрастания в канале >100 кэВ в пределах точности измерений повторяет профиль >20 кэВ по форме и амплитуде, поэтому здесь не приводится. Видна хорошая корреляция между усилениями дождя и возрастаниями счета спектрометра. Обычно пик осадков наблюдается за 10-40 мин до соответствующего ему пика возрастания в гамма-излучении. Обращаем особо внимание, что на рис.2а представлено возрастание 08.03.2010, когда в г. Апатиты лежал зимний глубокий снежный покров, а температура во время осадков была не выше -50С. Это полностью исключает возможные выделения радона из почвы.

10

и

5 X

6 н и сз а

го

О

в

• Рентген ■ Осадки (снег)

ЗО-,

20

____ 110; /V

\ |

"1 А ------------------4 "Ц^

....................... -20—.........

б

67.25

67.50

67.75

68.00

206.95

Дни года

207.20 Дни года

■ і ■ 1

207.45

1—1—і

207.70

Рис. 2. Типичные профили возрастаний рентгеновского излучения: а) 08.03.2010; б) 16.09.2009

Контрольные эксперименты

Хотя возрастания естественного гамма-фона во время гроз отмечены многими исследователями [1-3], необходимо было убедиться, что наблюдаемое возрастание не связано с выпадением вместе с осадками каких-либо радиоактивных веществ естественного (Ве7, радон) или антропогенного происхождения. Кроме того, необходимо было оценить энергию дополнительного излучения хотя бы качественно, т.к. >100 кэВ слишком широкий диапазон - это и 200 кэВ, и 200 МэВ. Для этого были проведены несколько экспериментов.

Отсутствие радона

Необходимо убедиться, что во время (и позже) выпадения осадков не происходит дополнительного выделения радона из земли. Для этого на определенное время (порядка месяца) второй детектор обкладывался свинцовыми кирпичами со всех сторон (сверху тоже). Поскольку радон газ, он свободно проникает в щели между кирпичами, и наблюдалось бы возрастание и в детекторе, накрытом свинцом. При усреднении 30 мин точность измерений составляет 1.5%, наблюдаемые возрастания имели длительность 3-5 часов.

В накрытом детекторе во время осадков не наблюдалось никакого возрастания. Отсутствие возрастания в накрытом свинцом детекторе также проясняет вопрос об энергии гамма-квантов, наблюдаемых в возрастаниях. Она не превышает единиц МэВ, иначе некоторая часть энергичных гамма-квантов прошла бы сквозь свинцовую защиту и вызвала заметное возрастание.

Кроме того, наблюдение возрастаний в зимний период, когда снежный покров не менее 1 м и грунт мерзлый, также говорит в пользу того, что радон не является причиной возрастаний.

Отсутствие радиоактивного загрязнения в дождевой воде

Во время сильного дождя, сопровождавшегося возрастанием гамма-фона более 20%, была собрана дождевая вода объемом 2 л. Затем сразу же (не более 10 мин) пластиковая емкость с этой водой помещена над детектором внутри обложенной свинцом полости. Если наблюдаемое возрастание связано с наличием в осадках радионуклидов, детектор внутри свинца, защищенный от внешнего излучения, в этом случае показал бы возрастание.

Накрытый свинцом детектор не отметил никакого возрастания радиации. Что однозначно указывает на отсутствие каких-либо радионуклидов любого происхождения (антропогенного или естественного) в собранной дождевой воде.

Отсутствие заряженной компоненты

Временно в контейнере был размещен детектор заряженной компоненты радиации, также подключенный к системе регистрации. Он представляет собой набор (8 шт) газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера СТС-6. Известно, что эффективность этих счетчиков к заряженной компоненте излучения на два порядка выше, чем к гамма-квантам. Следовательно, наблюдая радиационный фон с двумя разными детекторами, чувствительными к различным видам излучения, мы можем оценить его состав. Сцинтилляционный детектор чувствителен как к электромагнитной части излучения, так и к заряженной, СТС-6 - только к заряженной. На рис.За приведен пример совместной регистрации двумя этими детекторами. Возрастание приводится в процентах от среднего уровня.

Заряженая компонента (электроны и мюоны) в излучении, вызывающем возрастания, отсутствует

177.2 177.3 177.4 177.5 177.6 177.7

Дни года

Рис. 3. а) возрастание излучения 26.06.2010; верхний график - данные детектора на основе

гейгеровских счетчиков СТС-6, средний - сцинтилляционный детектор, нижний - данные осадкомера, б) спектры рентгеновского излучения: измеренный спектр в событии 08.03.2010 темная жирная лини, цветные линии- модельные спектры, рассчитанные по (8) для разной высоты нижнего

края облачности

Проведенные дополнительные эксперименты убедительно доказывают, что возрастание излучения, сопровождающееся выпадением осадков, не связано ни с выделениями радона из почвы, ни с радиоактивными загрязнениями самих осадков. Также в этом излучении, вызывающем повышение радиационного фона, отсутствует заряженная компонента: электроны и мюоны. Излучение представляет собой гамма-кванты с энергиями, возможно, до единиц МэВ.

Интерпретация экспериментальных данных

Мы предполагаем, что возрастания счета гамма-спектрометров вызывается тормозным рентгеновским излучением, производимым электронами, ускоренными в дождевом облаке. Вблизи земной поверхности напряженность электрического поля в спокойную погоду составляет около 100 В/м. В дождевых облаках напряженность поля значительно выше и может измеряться киловольтами и даже десятками кВ/м [5]. Этого достаточно для ускорения электронов до таких энергий, чтобы рожденные ими рентгеновские кванты могли достичь земной поверхности и вызвать заметные возрастания счета гамма-детекторов.

Интенсивность фотонов определяется генерацией энергичными электронами и позитронами в виде тормозного излучения и альтернативным процессом поглощения в среде [4, 6]. При прохождении через вещество, электрон теряет энергию вследствие ионизационных и радиационных потерь. В рассматриваемой нами области низких энергий электронов (Е < 1 МэВ) определяющий вклад в потери энергии дает процесс ионизации. Радиационные потери становятся существенными при значительно больших энергиях [2].

Энергетический спектр электронов в диапазоне энергий (Е < 1 МэВ) может быть аппроксимирован экспоненциальным законом [4].

dN (Е)

~5Е~

_ N • е

-Е/Е0

(1)

где Е0 - характеристическая энергия, изменяющаяся в пределах 10-100 кэВ.

Число фотонов с энергией Ьг в интервале d(hv), рожденное электроном с энергией Е при изменении ее на dE на расстоянии dx, равно

dN (Ну, Е) _ 5^11 d (Ну) • М^Е, d(hv) 5Е

(2)

dG(hУ, Е) фф ат

где ------------ дифференциальное сечение тормозного излучения; N - плотность атомов вещества.

d фу)

Полное число фотонов с энергией Ьг в интевале d(hv), рожденное электроном с начальной

0

энергией Е равно:

5М^у,Е°) _ с5о(Ну,Е)

М

5 (Ну)

Ну

5 (Ну)

5Е

5х

5Е, (Е > Ь)

(3)

Для всех энергий электронов 20 кэВ < Е < 1 МэВ величина (— dE|dx) в формуле (3) будет в основном определяться ионизационными потерями. Выражение для них [7]:

5Е

5х

ИОН

2пе 4 М Е

1п

Е 1 42 • і 2

Л

(4)

где I - потенциал ионизации; z - средний заряд ядра. Для воздуха I = 80.5 эВ, z = 7.22. Интегрируя выражение (3) по спектру электронов, имеем:

5М(Ну) _ р5М(Ну,Е°) 5Ме 5 (Ну) н 5 (Ну) 5Е0

5е ° _ Ї

5М„

Ну

5Е°

5Е0

° 5а(Ну, Е) М

/ 5 (Ну) (- 5Е/5х)

5Е

(5)

Для дифференциального сечения тормозного рентгеновского излучения взято выражение [8]:

Q(E,Ну) _

5о(Ну,Е) _ 8е2Н ViVf 1 - е

5 (Ну) 3ж2 т2 с

-2т

тс

zE

_ az.

1

тс

z(Е - Ну)

а _

Ну

137

1-е

~2т

• 1п

Пг +Пг

(6)

Подставляя в (5) выражения (1), (4), (6) и вычислив интеграл, получаем

5М (Ну)

спектр

5 (Ну)

фотонов для данного спектра электронов с показателем Е°.

Выражение (5) уже было проинтегрировано численно ранее [1] и взято в первом приближении к нашим данным. По результатам расчетов было найдено эмпирическое выражение для перехода от спектра фотонов к спектру электронов [4]:

_ а

• Р

Ґ \ - 3/

гНуЛ /2

Е

0 У

5Е ’

(7)

d (Ъу)

где а = 1.63, р = 3.48 -10 —4 .

Отметим, что проведенное выше рассмотрение не учитывало эффектов поглощения в воздухе как электронов, так и рожденных ими рентгеновских фотонов. Вследствие сильного поглощения электронов с энергией порядка десятков и сотен кэВ в воздухе следует ожидать, что уровня земли могут достигнуть только частицы, рожденные не выше 300-600 м. Это подтверждается также тем, что почти все зарегистрированные нами возрастания наблюдались при сплошной облачности с нижним краем облаков от 200 до 800 м. Выражение, которое описывает спектр рентгеновского излучения у поверхности земли после учета потерь на поглощение как электронов, так и рентгеновских квантов, которым при таких расстояниях в атмосфере пренебрегать нельзя:

Е

Е

0

5

hv V 0 у

j"Q(E,hv) ■ exp —E + (k x) dE dx,

1... En

где I - высота генерации ускоренных электронов; ц - линейный коэффициент ослабления гамма -излучения; Q(E,hv) - дифференциальное сечение тормозного излучения; k - потери электронов в воздухе (220 кэВ/м).

Численное определение двойного интеграла выполнялось при условии, что за "бесконечность" принято 2 МэВ. Высота области генерации электронов задавалась от 100 до 1000 м (шаг 50 м). На рис. 3б показаны результаты модельных расчетов по формуле (8) спектров тормозных фотонов у поверхности земли, рожденных ускоренными электронами в слое атмосферы толщиной L для различных значений этого параметра от 450 до 650 м. Значение характеристической энергии экспоненциального спектра взято из [4] Е0 = 100 кэВ. Увеличение Е0 свыше 200 кэВ приводит к тому, что доля гамма-квантов с энергией более 1 МэВ становится существенной, а этого не наблюдается в эксперименте.

Вычисление спектра возрастаний определялось следующим образом. Измерялся спектр фона за несколько часов до ожидаемого возрастания, время накопления одного спектра - 30 минут. Затем с таким же временем накопления измерялся спектр во время возрастания. Из усредненного спектра возрастания (возрастания длится 2-4 часа, хороших спектров получается не менее 5) вычитался средний спектра фона. Эта разность и есть собственно спектр возрастания. На рис.3б он дан толстой линией. Видно, что измеренный спектр наилучшим образом согласуется с модельным, полученным для высоты генерации 500 м, хотя и не полностью с ним совпадает. Мы не исключаем того, что предложенная модель учитывает не все эффекты.

Заключение

Непрерывные измерения (мониторинг) рентгеновским спектрометром в приземном слое атмосферы субарктического (г. Апатиты) и арктического (арх. Шпицберген) регионов обнаружил систематическую связь возрастаний низкоэнергичного гамма (рентгеновского) фона с атмосферными осадками в виде дождя и снега при низкой и плотной облачности.

В качестве причины возрастаний предполагается тормозное рентгеновское излучение, производимое электронами, ускоряющимися в электрических полях внутри дождевых облаков. Расчетные спектры рентгеновского излучения, полученные в модельных предположениях, удовлетворительно согласуются с данными измерений.

Авторы благодарны Н.А. Мельник, ИХТРЭМС за предоставленные радиоактивные источники, необходимые в калибровке спектрометра и полезные обсуждения.

1. de Mendonga R.R.S., Raulin J.-P., Makhmutov V., Stozhkov Y., Kvashnin A., Maksumov O., Mizin S. and Fernandez G. Long-term and transient time evolution of cosmic ray fluxes detected in Argentina in association with rain precipitation and atmospheric electricity time variations // Тр. 30 Всерос. конф. по космическим лучам, СПб., ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2-7 июля 2008 г. 2008, CD, ГЕО-19 С. 1-5. 2. Хаердинов Н.С. Исследование кратковременных вариаций вторичных космических лучей под действием электрического поля атмосферы во время гроз: астореф. дисс. ... канд. М.: ИЯИ РАН, 2006. 3. Лидванский А.С., Хаердинов Н.С. Динамика космических лучей в электростатическом поле атмосферы и генерация частиц грозовыми облаками // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71 № 7. С. 1060-1062. 4. Лазутин Л.Л. Рентгеновское излучение авроральных электронов и динамика магнитосферы. Л.: Наука, 1979. 201 с. 5. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 420 с. 6. Кузьмин И.А., Лазутин Л.Л., Агейкин В.А., Щур Л.И. Моделирование аврорального рентгеновского излучения // Морфология и физика полярной ионосферы. Л.: Наука, 1971. С. 181-199. 7. Бете Г., Ашкин Ю. Экспериментальная ядерная физика. Т. 1. М.: ИЛ, 955. С. 143-300. 8. Гайтлер. Квантовая теория излучения. М.: ИЛ. 1956, 492 с.

Сведения об авторах

Б.Б. Гвоздевский - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: [email protected]

Ю.В. Балабин - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: [email protected]

А.В. Германенко - аспирант, стажер-исследователь, e-mail: [email protected]

Э.В. Вашенюк - д.ф.-м.н., зав. лабораторией, e-mail: [email protected]

Л.И. Щур - ведущий инженер, e-mail: [email protected]

Работа поддержана грантом РФФИ 09-02-00076-а и Программой Президиума РАН №8 «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика».

ЛИТЕРАТУРА