Практически все нейтроны в атмосфере Земли возникают в

УДК 551.521.64; 524.1:550.385
МОНИТОРИНГ НЕЙТРОНОВ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ В АТМОСФЕРЕ
Валерий Леонидович Янчуковский
Геофизическая служба СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3,
доктор физико-математических наук, заведующий Обсерваторией солнечно-земной физики,
тел. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]
Сергей Александрович Сюняков
Геофизическая служба СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3,
аспирант, тел. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]
Василий Сергеевич Кузьменко
Геофизическая служба СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3,
младший научный сотрудник Обсерватории солнечно-земной физики, тел. (383)330-12-61,
e-mail: [email protected]
Для регистрации потока нейтронов в широком диапазоне энергий (от тепловых до релятивистских) представлен набор детекторов. Для каждого из детекторов комплекса приводятся зависимости эффективности регистрации нейтронов от их энергии. Определен относительный вклад нейтронов различных энергетических интервалов в общий счет каждого детектора. По результатам наблюдений сделана оценка барометрического эффекта для нейтронов в широком диапазоне энергий.
Ключевые слова: атмосфера, нейтронный поток, энергетический спектр, детектор.
MONITORING NEUTRONS IN A WIDE RANGE ENERGY IN THE ATMOSPHERE
Valeriy L. Yanchukovskiy
Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 pr. Akad. Koptyuga Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Observatory of Solar-Terrestrial Physics,
tel. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]
Sergey A. Syunyakov
Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3pr. Akad. Koptyuga, Ph. D., student,
tel. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]
Vasiliy S. Kuzmenko
Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 pr. Akad. Koptyuga Junior Researcher Observatory Solar-Terrestrial Physics, tel. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]
To register neutron flux over a wide energy range (from thermal to relativistic) provides a set
of detectors. For each of the detectors are based neutron detection efficiency of their energy. Determine the relative contribution of different neutron energy intervals in the total score of each detector. According to the results of observations made assessment barometric effect for neutrons in a
wide range of energies.
Key words: atmosphere, neutron flux, the energy spectrum, the detector.
Практически все нейтроны в атмосфере Земли возникают в результате
взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов воздуха.
В результате образуются нейтроны в широком диапазоне энергий: от тепловых
до энергий первичных космических частиц. Вблизи поверхности Земли дейст232
вуют, как минимум, два источника нейтронов. При взаимодействии энергичных
частиц КЛ с ядрами элементов, составляющих земную кору, генерируются нейтроны различных энергий. Можно говорить, что пассивным источником этих
нейтронов (альбедо) является земная кора. Но ее роль в данном случае – это
роль мишени. Радиоактивные газы земной коры радон, торон и актинон образуются в уран-радиевой, ториевой и уран-актиниевой сериях радиоактивного
распада, соответственно. В процессе дальнейшего распада они испускают
-частицы различной энергии. Взаимодействия высокоэнергичных -частиц,
приводящие к образованию нейтронов, возможны не только с ядрами азота
и кислорода, но и с ядрами других элементов, входящих в состав земной коры,
и особенно, с ядрами кремния.
Для регистрации потоков тепловых, медленных и быстрых нейтронов в детекторах использованы широко известные большие пропорциональные борные
счетчики нейтронов СНМ-15 [1]. Эти счетчики, в свое время, были специально
разработаны для нейтронных мониторов NM-64 [2] и создания мировой сети
станций космических лучей [3]. Счетчик представляет собой цилиндр диаметром 150 мм и длиной 2000 мм. Давление газа в счетчике 200 мм. рт. ст. Счетчики наполнены трехфтористым бором BF3 , обогащенным до 96% изотопом
B510
[4], взаимодействие которого с нейтронами приводит к реакции
B510  n10  Li37  He24 . Сечение захвата  в широком диапазоне энергии нейтронов обратно пропорционально их скорости и достигает максимального значения для тепловых нейтронов, где   550*10-24 см2, так что такой счетчик регистрирует в основном тепловые нейтроны. Эффективность счетчика максимальна для тепловых нейтронов и составляет 40% [5]. Счетчики нейтронов собираются по 3 в детекторные блоки (рис. 1).
Рис. 1. Детекторы нейтронов:
а, б – детектор нейтронов тепловых и надтепловых энергий; в - детектор промежуточных
и быстрых нейтронов; г – нейтронный монитор NM-64
233
Все детекторные блоки идентичны и автономны. Положение счетчиков
в блоке фиксируется направляющими из изоляционного материала (фторопласт). Корпус блока выполнен из алюминия. В корпусе каждого детекторного
блока имеются высоковольтный нелинейный фильтр и усилителидискриминаторы для считывания сигналов со счетчиков. Детектор тепловых
и медленных нейтронов включает один выносной детекторный блок (рис. 1а)
и два детекторных блока спаренных, расположенных один над другим, между
которыми помещен листовой кадмий в 1 мм. (рис. 1б). С боков эти детекторные
блоки также прикрыты листовым кадмием. Для регистрации быстрых нейтронов выполнен детектор (рис. 1в) на этих же счетчиках, окруженных слоем полиэтилена толщиной 7,5 см., выполняющего функцию термолизатора нейтронов. Для регистрации быстрых и релятивистских нейтронов используется нейтронный монитор NM-64 (рис. 1г), в котором имеется свинцовая мишень для
локальной генерации нейтронов [2].
Дифференциальный энергетический спектр нейтронов в атмосфере, экспериментально полученный Hess’ом [6], и эффективность различных детекторов
представлены на рис. 2.
Рис. 2. Энергетический спектр нейтронов в атмосфере для уровня моря (а) и зависимость эффективности различных детекторов от энергии нейтронов (б).
Цифрами у кривых обозначены по порядку приведенные детекторы нейтронов
На всем интервале энергий (10-2 – 1010 эВ) спектр имеет точность не хуже
25%. Эффективность регистрации нейтронов для каждого из приведенных детекторов представляет собой функцию энергии регистрируемых нейтронов.
Эффективности детекторов различных конструкций находились путем моделирования [7] отклика детектора на падающий поток нейтронов. Оценим относительный вклад регистрируемых нейтронов различных энергетических диапазонов в каждый из детекторов. Если n - некоторый энергетический интервал
E n  E n 1 спектра нейтронов на уровне моря J E  , то интенсивность нейтронов
234


E n 1
En
в этом интервале равна N n   J E dE   J E dE . Средняя энергия нейтронов
En
En
E n 1
E n 1
для интервала n находится как E n   J E EdE
тивность
регистрации
En
En
E n 1
E n 1
 n    E EdE
нейтронов
 J E dE , а средняя эффек-
интервала
n
для
детектора
 EdE
Долевой вклад интервала n в общий счет детектора
Nn   n
k En 
. Полученные результаты приведены на рис. 3.
 Nn   n
найдем
как
 
n
Рис. 3. Относительный вклад нейтронов различных энергетических интервалов
в общий счет каждого из детекторов
Непрерывные наблюдения за интенсивностью потока нейтронов в широком энергетическом диапазоне проводится с помощью приведенного комплекса
детекторов с сентября 2013 года по настоящее время. Наблюдаемые вариации
интенсивности нейтронов в глубине атмосферы, обычно, представляют собой
суперпозицию эффектов различной природы. Первичные вариации обусловлены изменениями энергетического спектра первичных космических лучей. Геомагнитные вариации происходят за счет изменений жесткости геомагнитного
обрезания. Вариации атмосферного происхождения вызваны изменениями параметров атмосферы, самые ощутимые из которых – за счет вариаций атмосферного давления. Барометрическим эффектом нейтронного потока называют
235
изменения интенсивности нейтронов, связанные с изменениями атмосферного
давления. Он складывается из абсорбционного эффекта, понижающего интенсивность нейтронов, и эффекта генерации нейтронов, приводящего к повышению интенсивности. То есть изменение плотности нейтронов во времени обусловлено увеличением этой плотности вследствие образования нейтронов
и уменьшением их ввиду утечки и поглощения. Оценка барометрического эффекта плотности потока нейтронов в различных областях энергий производилась по данным непрерывных наблюдений. Для измерения интенсивности нейтронов различных энергий использовался представленный набор детекторов:
открытые детекторные блоки с пропорциональными счетчиками тепловых нейтронов СНМ-15, блоки с кадмиевым фильтром, блоки, окруженные слоем полиэтилена и нейтронный монитор NM-64 со спектрографом на эффекте локальной
генерации нейтронов [8]. Используя результаты непрерывных наблюдений,
сделана с помощью регрессионного анализа оценка барометрических коэффициентов  интенсивности нейтронов различных энергий в атмосфере у поверхности Земли. Полученные результаты представлены на рис. 4.
Рис. 4. Барометрические коэффициенты интенсивности нейтронов различных
энергий в атмосфере у поверхности Земли
Наблюдаемая зависимость барометрических коэффициентов интенсивности нейтронного потока от энергии можно объяснить следующим образом. При
вхождении первичных протонов космических лучей в атмосферу наблюдается в
основном два процесса, приводящие к образованию быстрых нейтронов. Первый из них – это прямое взаимодействие первичных протонов с ядрами воздуха, в результате чего образуются нейтроны с энергией вплоть до энергий первичных частиц космических лучей [9]. Второй процесс – это ядерные расщепления (звезды), которые сопровождаются образованием нейтронов умеренных
энергий. При прохождении через атмосферу происходит замедление нейтронов
236
в результате неупругих и упругих взаимодействий с ядрами воздуха [9]. При
достижении энергии нейтронов низкого возбужденного уровня для кислорода и
азота, неупругие взаимодействия нейтронов прекратятся. Дальнейшее замедление нейтронов будет за счет только упругих взаимодействий. Низший уровень
возбуждения для кислорода составляет 6 МэВ, а для азота – 2,3 МэВ.
Таким образом, приведенный комплекс детекторов позволяет вести непрерывные наблюдения за вариациями интенсивности нейтронов в широком энергетическом интервале.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Блох Я.Л., Дорман Л.И., Коява В.К. Большие нейтронные счетчики для супермониторов. // Космические лучи. М.: Наука, 1969. № 10. - С. 25 – 29.
2. Hatton C.J. and Carmichael H. Experimental investigation of the nm-64 Newtron Monitor.
//Can. J. of Phys., 1964. V. 42. - P. 2443 – 2472.
3. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космически
лучей. М.: Наука, 1975. 462 с.
4. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука, 1966.
407 с.
5. Асатиани П.Я., Блох Я.Л., Гагуа Т.А. Крупногабаритные нейтронные счетчики типа
СНМ-15. // Труды Всесоюзной конференции по космическим лучам. (Ташкент, 1968). М.:
Ротапринт ФИ АН СССР, 1969. Ч. 2. Вып. 3. - С. 101-104.
6. W.N. Hess, E.H., Canfield and R.E. Lingenfelter Cosmic-Ray Demography // J. Geophysical Research, 1961. V. 66. - P. 665-677.
7. Плетнев Е., Янке В. Эффективность регистрации нейтронных детекторов различной
геометрии.// 31-я Всероссийская конференция по космическим лучам. Москва, МГУ, июль
2010. Гео 41.
8. Янчуковский В.Л., Янчуковский А.Л. Спектрограф космических лучей, основанный
на эффекте локальной генерации нейтронов. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии
и физике Солнца. М.: Наука, 1980. Вып. 52. - С. 52-56.
9. Янчуковский В.Л., Филимонов Г.Я. Барометрический эффект вторичных космических лучей. // Известия РАН. Серия физическая, 1997. Т.61. № 6. - С. 1159 – 1161.
© В. Л. Янчуковский, С. А. Сюняков, В. С. Кузьменко, 2015
237