Диссертация (1149454), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Калибровочные кривые используемых флюксметров даны вприложении.2.3 Комплекс приборов Якутского спектрографа космических лучейИсследования вариаций вторичной компоненты космических лучей в грозовой атмосферепроизводились на базе Якутского спектрографа космических лучей им. А.И. Кузьмина (61°59'N, 129°41' E). Спектрограф расположен в пригороде Якутска и предназначен для измерениякосмических лучей в диапазоне энергий от 2 до 300 Гэв.
В состав оборудования спектрографавходят: нейтронный монитор 24-NM-64, ионизационная камера АСК-1, мюонные телескопы,установленные на уровне земли и в шахте на глубине 7, 20, 40 метров водного эквивалента.Приборы Якутского спектрографа космических лучей показаны на рисунке 2.9, заимствованномиз диссертационной работы [338]. Все данные регистрации в режиме реального временипередаются на сервер базы данных ИКФИА СО РАН, где они доступны для пользователей поадресу: http://www.ysn.ru/ipm. Якутский нейтронный монитор входит в международную сетьнейтронных мониторов http://www.nmdb.eu .
Также на здании спектрографа был установленэлектростатический флюксметр для измерения атмосферного электрического поля, описанныйв разделе 2.2 главы 2.2.3.1. Нейтронный монитор 24-NM-64Нейтронныемониторыужемноголетостаютсясовременнымстандартныминструментом для регистрации нейтронов, рожденных в атмосфере Земли при еевзаимодействии с космическими лучами, и играют ключевую роль в исследованиях в областикосмической физики, солнечно-земных связей и космической погоды.
Они чувствительны ккосмическим лучам, проникающим в атмосферу Земли, с энергией около 0,5-20 ГэВ, которыене могут быть измерены детекторами в космосе таким же простым, недорогим, и статистическиточным способом. Конструкция нейтронного монитора типа NM-64 и принцип его работыописаны в работах [51, 88, 260].Для выделения из сложного комплекса временных изменений интенсивности нейтроннойкомпоненты космических лучей отдельных типов вариаций, связанных с грозовой активностью,и их тщательного исследования, необходима регистрация космических лучей приборами с56большойэффективнойповерхностьюдетектирования,обеспечивающимивысокуюстатистическую точность.
Таким требованиям в полной мере удовлетворяет нейтронныймонитор 24-NM-64, входящий в комплекс спектрографа. Общая эффективная площадьуказанного монитора составляет 24,84 м2. Нейтронный монитор на газоразрядных счетчикахСНМ-15 функционирует в новом здании спектрографа с 2004 года. Описание приборовспектрографа сделано по информации приводимой на сайте ИКФИА СО РАН (www.ikfia.ysn.ru).В нейтронном мониторе используются двухметровые пропорциональные счетчики СНМ15 диаметром 14,8 см, наполненные газом BF3, обогащенным изотопом10В. Стандартныймонитор 24-NM-64 состоит из четырех секций по 6 счетчиков.
Каждая секция имеет размеры315×222×52 см. В качестве генератора нейтронов используется свинец (эффективная площадь6,21 м2), в качестве замедлителя и рефлектора – полиэтилен (конструкция одной секциинейтронного монитора представлена на рисунке 2.10 [338]).Рисунок 2.9. Приборы Якутского спектрографа космических лучей им. А.И. Кузьмина ИКФИАСО РАН [338]Регистрируемые адроны (протоны и нейтроны) вызывают ядерные реакции в свинце ирождение множества нейтронов низких энергий. Эти нейтроны с энергиями порядка МэВзамедляются до тепловых энергий и регистрируются пропорциональными счетчиками.Пропорциональный счетчик в нейтронном мониторе регистрирует тепловые нейтроны,кинетическая энергия которых около 0,025 эВ.
Счетчик заполнен гасящим газом - трифторидомбора (BF3), обогащенным до 96% изотопом бора10B при давлении в 0,27 бара. Регистрациятепловых нейтронов в счетной трубке происходит при их взаимодействии с ядром10B в57экзотермической реакции захвата:10B5 + n → 7Li3 + 4He2 . В результате этой реакцииосвобождается примерно 2,5 МэВ энергии, при этом на долю ядра лития приходится около 0,9МэВ, а альфа-частицы — 1,6 МэВ.
Обе частицы разлетаются в противоположныхнаправлениях, вызывая разряд в счетчиках, который и регистрируется. Используемые внейтронном мониторе счетчикиРисунок 2.10. Конструкция одной секции нейтронного монитора 24 -NM-64 [338]. На рисункецифрами обозначены: 1 – отражатель (полиэтилен); 2 – генератор (свинец); 3 – замедлитель(полиэтилен); 4 – счетчик СНМ – 15.СНМ-15 имеют эффективность (отношение числа регистрируемых счетчиком частиц к числупадающих на него) всего 27% [112].Исследования, выполненные различными авторами [260], показали, что доля нейтронов,образовавшихся в мониторе от нейтронов, родившихся в атмосфере, составляет величину около80%, а от протонов - ~10%.
При этом, так как в образовании нейтронов участвуют главнымобразом стабильные частицы, то интенсивность зарегистрированных счетчиками тепловыхнейтронов будет определяться лишь массой вещества над ними. Численные расчеты [88],подтвержденные калибровкой счетчиков на ускорителе [187] показали, что эффективностьрегистрации нейтронного монитора падает с уменьшением энергии частиц. При этом пороговаяэнергия нейтронов, падающих на монитор типа NM-64, установленный на уровне моря, икоторые, в основном, после замедления до тепловых энергий, регистрируются счетчиками,составляет величину от 10 до 30 МэВ [187, 225], а их средняя энергия оценивается равной 89МэВ [73].
Частицы более низких энергий в основном поглощаются в теле нейтронного58монитора. Для падающих на монитор нейтронов с энергией 3 МэВ эффективность регистрациисоставляет величину 10%, 0.5 Мэв - 2%, а для тепловых - 0.5% [82].В комплексном эксперименте по регистрации нейтронов, проводимом во время гроз наустановке в Тянь-Шане, зарегистрированы всплески тепловых нейтронов с энергией 0.01 – 1 эВи величиной потока (3 ÷ 5)·10-2 см-2·с-1 [82]. Оценка для событий всплесков нейтронов во времямолниевых разрядов, зарегистрированных в г. Якутске, дают меньшую величину ≈ 4 ·10-3 с-2·с-1[337]. С учетом разницы толщины атмосферы ~350 г·см-2 между нейтронными мониторами,установленными на Тянь-Шане и в Якутске, эти оценки удовлетворительно согласуются междусобой.В целях повышения вероятности ядерной реакции нейтроны должны быть замедлены.Функция замедлителя заключается в уменьшении энергии нейтронов до значений как можноближе к тепловой энергии (1/40 эВ).
Это осуществляется путем сталкивания нейтронов сдругими ядрами. Обмен кинетической энергией происходит тем лучше, чем ближе массы ядра кмассе самого нейтрона. Материалы с низкой атомной массой, которые, как правило, содержатводород, например полиэтилен, используются в NM-64 в качестве замедлителя, которыйокружен свинцовым умножителем. Свинец выполняет две функции в нейтронном мониторе:- нейтроны низких энергий образуются в ядерных реакциях адронов со свинцом,- среднее число вылетевших нейтронов на каждый падающий нуклон ~ 15 и, такимобразом, свинец приводит к увеличению общей вероятности регистрации.Свинец имеет сравнительно малое сечение поглощения для тепловых нейтронов.Отражатель также экранирует и поглощает нейтроны низкой энергии, которые производятся вокружающем веществе за пределами нейтронного монитора.
Технические характеристикинейтронного монитора приведены в таблице 2.12.3.2 Мюонный телескопМюонырегистрировалисьстандартнымигазоразряднымисчетчикамиСГМ-15объединенными в мюонные телескопы. Мюонные телескопы установлены на поверхностиземли (0 м.в.э.) и в шахте на уровнях 7, 20, 40 м в.э. Каждый мюонный телескоп состоит из 52счетчиков типа СГМ-14, которые установлены в 3 слоя по схеме: 18 счетчиков в верхнем инижнем рядах и 16 – в среднем. Каждый ряд счетчиков, расположен в горизонтальнойплоскости друг под другом.
Расстояние между верхним и нижним рядами равно 52 см. Каждаяпара счетчиков объединена в лотки. Отбор направления прихода частиц осуществляется спомощью электронной схемы, основанной на тройных совпадениях. Всего регистрируется пять59направлений прихода мюонов на телескоп: вертикаль (V), север (N) и юг (S) под углами 30° и60° относительно зенита, соответственно.Таблица 2.1. Технические характеристики Якутского нейтронного монитора 24-NM-64СтанцияЯкутскШирота61o59'Долгота129o41'Высота над уровнем моря, м95Порог геомагнитного обрезания, ГВ1,65Коэффициент пересчета8Среднее давление, мб1003Барометрический коэффициент, %/мб0,723 (в 2009)Счетчик СНМ-15Количество, (шт)24Активная длина (см)191Диаметр (см)14,8Давление (бар)0,27Рабочий газBF3ЗамедлительМатериалполиэтиленСредняя толщина (см)2,0Генератор нейтроновМатериалсвинецСредняя глубина (г см2)156ОтражательМатериалполиэтиленСредняя толщина (см)7,5Таблица 2.2..
Характеристики мюонного телескопа Якутского спектрографа КЛ.СтанцияЯкутскШиротаN 6202`ДолготаE 12972`60Высота над уровнем моря, м95Порог геомагнитного обрезания, ГВ1.65256 для вертикалиКоэффициент масштабирования128 для N30, S3016 для N30, S30Опорное давление, мб1003-0,193 для вертикалиБарометрический коэффициент, %/мб (в -0,190 для N302009)-0,193 для S30-0,172 для N60-0,180 для S60Эффективность регистрации, %93-98Рабочее напряжение, В1700 (при силе тока 0.1 мА)Протяженность рабочего платоНе менее 100 ВНаклон платоНе более 3%/100 ВПотребляемая мощность, Вт300Толщина перекрытия, г/см210Питание электронных схем+5 В и ±12 ВТемпература эксплуатацииОт -3 до +25ºСВлажность, %80Диапазон чувствительности к первичным > 2 ГэВэнергиям КЛЭффективная энергия регистрируемых КЛ> 35 ГэВОбщий вес, т1,0Таблица 2.3.
Технические характеристики счетчиков СГМ-14.Счетчик СГМ-14Количество, шт.52Количество рядов3Размер2.70 м ´ 1.33 м ´ 0.58 мДиаметр, мм150±261Расстояние между счетчиками, см26.6Эффективная рабочая длина, см111Электрическая емкость, пФ20Давление, мб40Рабочий газПары циклогексана 6CH2АнодВольфрамовая нитьТолщина, мм0,06Время сбора заряда, мкс3-5Таблица 2.4.. Медианные значения энергии (ГэВ) для мюонных телескопов для различныхглубин и направлений прихода мюонов.ТелескопВертикаль30º N, S60º N, SМТ 0606382МТ 7778298МТ 20110115130МТ 40146156168Конструкция счетчика СГМ-14 и используемые для него материалы, за исключениемнаполняющего его газа, аналогичны нейтронному счетчику СНМ-15. Эффективность счетчикаСГМ-14 - более 90% при рабочей длине 111 см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
