Ա.Ի. Ալիխանյանի անվան ԱԶԳԱՅԻՆ ԳԻՏԱԿԱՆ ԼԱԲՈՐԱՏՈՐԻԱ (Երևանի Ֆիզիկայի Ինստիտուտ) Վանյան Լևոն Ալֆունսի
реклама
Ա.Ի. Ալիխանյանի անվան ԱԶԳԱՅԻՆ ԳԻՏԱԿԱՆ ԼԱԲՈՐԱՏՈՐԻԱ (Երևանի Ֆիզիկայի Ինստիտուտ) Վանյան Լևոն Ալֆունսի Ամպրոպային Վերգետնյա Աճերի Մոդելը. ամպրոպային ամպերից եկող էկելկտրոնների, գամմա ճառագայթների և նեյտրոնների հոսքերի հաշվարկները Ա.04.16-“Միջուկի, տարրական մասնիկների և տիեզերական ճառագայթների ֆիզիկա” մասնագիտությամբ Ֆիզիկամաթեմատիկական գիտությունների թեկնածուի գիտական աստիճանի հայցման ատենախոսության ՍԵՂՄԱԳԻՐ ԵՐԵՎԱՆ 2012 НАЦИОНАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ им. А.И.Алиханяна (Ереванский физический институт) Ванян Левон Альфунсович Модель Грозовых Наземных Превышений: расчеты потоков электронов, гамма квантов и нейтронов от грозовых облаков АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.16 “Физика ядра, элементарных частиц и космических лучей” ЕРЕВАН – 2012 Ատենախոսության թեման հաստատվել է Ա.Ի. Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիայի գիտական խորհրդում: Գիտական ղեկավար` Ֆիզ.-մաթ. գիտ. դոկտոր Ա.Ա. Չիլինգարյան (ԱԱԳԼ) Պաշտոնական ընդդիմախոսներ` Ֆիզ.-մաթ. գիտ. դոկտոր Ֆիզ.-մաթ. գիտ. դոկտոր Մ. Ի. Պանասյուկ (ՄՊՀ, ՄՖԳԻ) Ն.Ա.Դեմյոխինա (ԱԱԳԼ) Առաջատար կազմակերպություն` Երևանի Պետական Համալսարան Պաշտպանությունը կայանալու է 2012 թ. նոյեմբերի 29-ին Ժ. 1400-ին Ա.Ի. Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիայում գործող ԲՈՀ-ի «Միջուկի և տարրական մասնիկների ֆիզիկա» 024 մասնագիտական խորհրդի նիստում: Հասցեն` 0036, Երևան, Ալիխանյան եղբայրների 2: Ատենախոսությանը կարելի է ծանոթանալ Ա.Ի. Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիայի գրադարանում: Սեղմագիրն առաքված է 2012 թ. հոկտեմբերի 25-ին: Մասնագիտական խորհրդի գիտական քարտուղար, Ֆիզ.-մաթ. գիտ. դոկտոր` Է.Դ. Գազազյան Тема диссертации утверждена ученым советом Национальной научной лаборатории им. А.И. Алиханяна Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук А.А. Чилингарян (ННЛ) Официальные опоненты: доктор физ.-мат. наук Н. З. М.И.Панасюк (МГУ) доктор физ.-мат. наук Н.А.Демехина (ННЛ) Ведущая организация: Ереванский Государственный Университет Защита диссертации состоится 29 ноября 2012 г. в 1400 часов на заседании специализированого совета ВАК 024 ”Физика ядра и элементарных частиц” Национальной научной лаборатории. Адрес: Ереван, 0036, ул. Братьев Алиханян 2. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННЛ. Автореферат разослан 25 октября 2012 г. Ученый секретарь специализированного совета 024, д.ф.м.н. 2 Э.Д. Газазян ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В начале прошлого века С.Р.Т. Вильсон обнаружил, что быстрые электроны могут получать больше энергии от атмосферных электрических полей чем терять на ионизацию. Когда энергия, переданная электрическим полем электронам превышает потери на ионизацию в воздухе, энергия электрона возрастает и электрон “убегает” непрерывно набирая энергию. В 1992 году А. Гуревич с коллегами предложил теоретическую модель Пробоя на Убегающих Электронах (ПУЭ), в которой вторичные электроны космических лучей с энергией 0.1 – 1 МэВ играли роль затравочных частиц в развитии электронно-фотонного каскада. Убегающие электроны в столкновениях с молекулами воздуха выбивают дополнительные электроны и развивают каскадный процесс с рождением гаммаквантов, когда напряжение электрического поля в атмосфере превышает пороговое значение Et = 2,18 kV/cm * n, где n плотность воздуха. Значение порогового поля для процесса ПУЭ: Еt соответствует минимуму ионизационных потерь электрона. Модель была предложена с целью объяснить инициирование молний в грозовой атмосфере, где напряженность электрических полей на порядок меньше, чем напряженность необходимая для газового пробоя. Поля с критической напряженностью 20-30 kV/cm, необходимые для обычного пробоя не наблюдаются в атмосфере. Согласно модели Гуревича процесс ПУЭ сопровождается лавинным умножением электронов, поскольку убегающие электроны ионизируют атомы воздуха вдоль своей траектории, электроны последующих поколений - результат ионизации воздуха, также ускоряются полем генерируя лавины электронов и гамма квантов. Ливни убегающих электронов создают проводящий канал и, в конце концов приводят к пробою воздуха. Таким образом предлагалось решение вековой проблемы атмосферного электричества – возникновения молниевого разряда. В результате дальнейшего моделирования процессов ПУЭ и рассмотрения упругого рассеяния электронов в воздухе значение Et было увеличено до Et=2.84кВ/см. Такие поля регистрировались в грозовых атмосферах и, таким образом, можно было объяснить молниевый разряд. Однако, до сих пор отсутствуют прямые доказательства развития молниевого разряда из лавины инициированной убегающими электронами. Поэтому, чтобы разделить процессы молниевого разряда и лавины убегающих электронов в настоящее время принято использовать термин «лавины релятивистских убегающих электронов» (ЛРУЭ). Процесс ЛРУЭ поддерживается положительной релятивистской обратной связью с участием квантов тормозного излучения и позитронов, порождаемых самими лавинами. Таким образом процесс развития электронно-фотонных лавин в атмосфере методологически разделялся от исследования молниевого разряда, что облегчает интерпретацию экспериментов. Ранние попытки зарегистрировать ЛРУЭ в основном заключались в регистрации «вспышек» высокоэнергичных фотонов в экспериментах на воздушных шарах и на горных высотах. Как ни странно, возрастание интереса к процессам ЛРУЭ связано не с надземными, а с орбитальными измерениями. В 1994 орбитальной гаммаобсервоторией имени Комптона (CGRO) были зарегистрированы вспышки гаммалучей, коррелировнные с грозами с максимальная энергий фотонов 20 МэВ. Последующие эксперименты на спутниках выявили наличие гамма-квантов с 3 энергией до 40 МэВ даже до 100 МэВ. Наблюдение фотонов до 100 МэВ требует наличия электронов по крайней мере таких же энергий. Объсянение столь высокоэнергетичных частиц невозможно в рамках существующих теорий ПУЭ и ЛРУЭ. С 2008 года на Арагацком Центре Космических Погоды (АЦКП) регистрируются превышения потоков вторичных космических лучей, связанных с грозовой активностью, так называемых Грозовых Наземных Превышений (ГНП). В течении 4-х лет были наблюдены около 300 событий грозовой активности, которые сопровождались возрастаниями потоков гамма квантов, электронов и нейтронов. Уникальность эксперимента состоит в том, что с помощью комплекса установок разных типов и разных энергетических порогов, одновременно измеряются и идентифицируются разные типы элементарных частиц. Измеряются так же энергетические спектры гамма квантов и электронов. В 2009 г. впервые были зарегистрированы индивидуальные лавины на убегающих электронах, в 2010 получены энергетические спектры электронов и фотонов ЛРУЭ. Энергетические спектры фотонов простираются до 100 МэВ. Нейтронные потоки, регистрируемые одновременно с потоками фотонов также не могли быть объяснены предложенными теориями ядерного синтеза в молниевых разрядах. Требовалось найти непротиворечивое объяснение регистрируемых установками Арагаца потоков частиц, связанных с грозовой активностью в рамках единой модели. Диссертационная работа посвящена моделированию процессов образования и ускорения частиц в грозовых облаках с целью объяснения экспериментальных данных полученных на Арагаце и создания физической модели ГНП , в том числе: Моделирование атмосферных электрических полей, возникающих в облаках и инициирующих грозовые надземные превышения. Моделирование развития электронно-фотонных каскадов в атмосфере. Моделирование изменения спектров вторичных космических лучей в электрических полях грозовых облаков. Моделирование фоторождения нейтронов в атмосфере и в свинцовом поглотителе нейтронного монитора. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Построение модели грозовых наземных превышений. Практическая значимость полученных результатов. Предложенная и проверенная на Арагацких данных модель ГНП может быть применена для объяснения Наземных Гамма Вспышек (НГВ), регистрируемых орбитальными гамма обсерваториями: в частности вопрос о регистрации 100 МэВных фотонов найдет свое объяснение в рамках разработанной модели. Полученные энергетические спектры электронов и гамма квантов на выходе из грозовых облаков позволят оценить структуру распределения зарядов в грозовых облаках. Расчёты интенсивности нейтронных потоков позволят рассчитать дозы, которые могут получить пассажиры и экипаж самолетов находящихся вблизи грозовых облаков. 4 Научная новизна. Предложенная двухкомпонентная модель потоков частиц от грозовых облаков, состоящая из модели Лавин Релятивистских Убегающих Электронов и МОдификации энергетических Спектров (МОС) заряженных космических лучей объясняет высокие максимальные энергии фотонов, зарегистрированные в наземных и орбитальных экспериментах, Разработаны методы определения высоты грозовых облаков над детекторами элементарных частиц путем сравнения интенсивности потоков электронов и фотонов. Рассматривается зависимость отношения количества электронов к количеству гамма квантов от величины напряженности электрического поля на выходе облаков, а также от длины дальнейшего пробега до точки наблюдения , что дает возможность оценить высоту грозовых облаков. Рассчитаны спектры нейтронов рождающихся в результате взаимодействия гамма квантов с атомами воздуха. Рассчитаны отклики нейтронного монитора на экспериментальные спектры гамма квантов и нейтронов, объяснены «нейтронные» события зарегистрированные Тибетским и Арагацким нейтронными мониторами. Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Двухкомпонентная модель инициировании ГНП, которая учитывает не только ЛРУЭ, но и ранее не рассматриваемый процесс модификации энергетических спектров заряженных космических лучей в атмосферных электрических полях. Расчётные энергетические спектры электронов и гамма квантов, коэффициенты лавинного умножения электронов, полученные в результате моделирования процессов ЛРУЭ. Фотоядерное происхождение нейтронных потоков от грозовых облаков. Проведены расчёты, как фотоядерного процесса в атмосфере, так и в свинцовом размножителе нейтронного монитора. Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 6-и работах: в 4-х статьях и в 2-х тезисах докладов (см. список в конце автореферата). Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции “TEPA-2010” (Нор Амберд, Армения, 2010) , на 32-ой международной конференции по космическим лучам (ICRC 2011, Пекин, Китай, 2011), на 2-м Международном симпозиуме по космическим лучам “Арагац 2011”(Нор Амберд, Армения, 2011), на “Европейском симпозиуме по космическим лучам”, и на международной конференции “TEPA-2012”(Москва, Россия, 2012). Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 6-и работах- 4-х статьях и 2-х тезисах докладов (см. список в конце автореферата). Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертационная 5 работа изложена на 102 стр. и содержит 4 таблиц, 50 рисунков и 80 наименований библиографических ссылок. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении представлен краткий обзор современного состояния науки об атмосферном электричестве, описание моделей ПУЭ и ЛРУЭ. Приведены основные результаты, полученные путем вычислительных и теоретических исследований. Представлена цель работы, научная новизна. В первой главе представлен обзор, зарегистрированных ранее ГНП в потоках электронов и фотонов. Также представлены последние результаты орбитальных измерений. Приведена гистограмма амплитуд ГНП, зарегистрированных Арагацкими детекторами, см. рис. 1. Среди этих событий особенно важны два крупнейших события - 29.09.2009 и 10.04.2010 (нижний правый угол рисунка), в которых зарегистрированы наибольшие потоки, и для которых были восстановлены энергетические спектры электронов и фотонов ГНП. Амплитуда большинства событий ГНП составляет меньше 10% и восстановление энергетических спектров сильно затруднено ввиду больших флуктуаций в спектрах энерговыделений. Модель грозового облака и распределение зарядов в нем, приведенные на рисунке 1 будут обсуждены во второй главе[3]. Как видно из рисунка 2, ионизационные потери электрона имеют минимум в районе энергии ~1 МеВ для высот 3400, 4000 и 4500 м. Соответствующее электрическое поле компенсирующее эти потери на высоте 3400 м равно согласно теории А.Гуревича, Еt =1.35 кВ/см. В последующих работах Бабича и Дуаера значение порогового электрического поля было уточнено: при учете упругих столкновений электрона с атомами воздуха значение пороговой энергии возрастает до Еt = 1.7 кВ/см. Радиационные потери электрона не играют существенной роли при энергиях до 10-20 МэВ. В результате взаимодействия электронов с атомами воздуха генерируются новые электроны, часть которых также обладает энергиями в районе 1 МэВ. Таким образом, электроны второго поколения не поглощаются в воздухе, а также «убегают» и наблюдается возрастание электронного потока, с последующем превращением его в электронно-фотонную лавину. 6 Рис.1 Гистограмма амплитуд детекторами АЦКИ 2008 – 2011 гг. ГНП событий, зарегистрированных 0.01 1.8kV/cm -dE/dX(Ionization(3400)) -dE/dx[MeV/cm] -dE/dX(Ionization(4000)) 0.001 0.01 -dE/dX(Ionization(4500)) 0.1 1 10 100 Kinetic Energy[MeV] Рис.2. Удельные ионизационные потери электрона на высотах 3400м, 4000м и 4500м сравненные с энергией, полученной электроном от однородного электрического поля с напряженностью 1.7 кВ/см. 7 Визуализация такой лавины, полученной с помощью вычислительного кода GEANT4, приведена в рисунке 3. Электрон с начальной энергией 1 МэВ входит в электрическое поля на высоте 5000м. В результате ионизации атомов воздуха рождаются новые электроны, которые в свою очередь генерируют гамма кванты. Траектории электронов отмечены красными линиями, траектории гамма квантов – зелеными. . Рис.3. Иллюстрация Лавины Релятивистских Убегающих Электронов, полученные с помощью вычислительного кода GEANT4. Красными линиями отмечены траектории электронов, зелеными – гамма квантов. Далее обсуждаются нейтронные возрастания, связанные с грозовой активностью. Первое упоминание о превышении нейтронов, связанных с грозовой активностью, относиться к 1985 году. В Гулмарге, Индия, на высоте 2730 метров нейтронный монитор зафиксировал нейтронное превышение во время молнии. В течении трех последующих лет проведения эксперимента были зафиксированы несколько подобных событий. Хотя временное разрешение прибора было намного больше длительности молнии, авторы заключили, что нейтроны рождаются в результате синтеза дейтерия в молниевой плазме – H2+H2 -> He3 + n(2.45МэВ). В большинстве остальных экспериментов превышения нейтронов связывались с ударами молний и с рождением нейтронов в плазме. В 2007 году в работе Л. Бабича и Р. Дюпрэ было теоретически показано, что в плазме молнии температура как минимум на порядок меньше, чем необходимо для рождения нейтронов путем синтеза. Менее экзотический источник генерации нейтронов является фотоядерная реакция γ + 14N > 13N + n. Именно этот механизм рождения нейтронов в грозовой атмосфере рассматривается в диссертации как основной. В конце главы представлены детекторы АЦКП и описаны принципы функционирования некоторых из них, применяющихся при изучениях ГНП. Сцинтилляционный детектор АСНТ (Арагацкий Солнечный Нейтронный Телескоп) состоит из 8-сцинтиллиаторов – 4-х верхних, с размерами 100 х 100 х 5см, и 4-х нижних, с размерами 100 х 100 х 60см. Расстояние между верхними и нижними 8 слоями составляет 1.2 м. С каждого из 8 сцинтилляторов регистрируются секундные временные ряды счета. Тонкие сцинтилляторы чувствительны к заряженным частицам, нижние, толстые, кроме того – и к нейтральным. Поэтому, применяя схемы совпадения любых комбинаций срабатываний 8 счетчиков можно выделять события различного типа: прохождения нейтральных частиц, заряженных, горизонтальных мюонов, широких атмосферных ливней и т.п. Соответствующие 1-минутные гистограммы энерговыделений позволяют восстановить энергетические спектры фотонов начиная с энергий 7 МеВ. Детектор Куб сконструирован специально для того, чтобы регистрировать потоки гамма квантов ГНП. Детектор состоит из 2 сцинтилляторов размерами 50 х 50 х 20см, которые расположены друг над другом и полностью, с шести сторон окружены сцинтилляторами толщиной 1см, включенных в схему антисовпадений с внутренными толстыми детекторами. Система антисовпадений подавляет заряженный поток на уровне не менее 95%, с довольно высокой эффективностью регистрации фотонов, ~30%. Таким образом, идентифицируются гамма кванты и восстанавливается их энергитический спектр с 3 МэВ. Детектор Станд состоит из трех сцинтилляторов с размерами 100 х 100 х 1 см, которые расположены друг над другом, и одного отдельно расположенного сцинтиллятора толщиной 3см. Так как над каждым сцинтиллятором находится разное количество вещества, то у каждого сцинтиллятора разный энергетический порог, что позволяет восстановить интегральный энергетический спектр электронов. Детектор Станд 3см состоит из стопки четырех 3 см. сцинтилляторов, что значительно увеличивает диапазон восстанавливаемого энергетического спектра электронов. Сеть кристаллов иодата натрия (NаI) состоит из 5 кристаллов размерами 12.5 х 12.5 х 30см. Кристаллические сцинтилляторы поставлены в алюминиевый чехол толщиной 1мм (кристаллы гигроскопичны). Кристаллы NaI имеют высокую эффективность регистрации гамма квантов и могут непосредственно измерять энергетические спектры фотонов. Вторая глава посвящена моделированию развития ЛРУЭ в атмосферных электрических полях и вычислению энергетических спектров электронов и гамма квантов при выходе из грозового облака и на уровне наблюдения. В главе представлена динамика событий ГНП в грозовом облаке. Несмотря на имеющиеся различия, широко распространено следующее представление о структуре грозовых облаков: с земли до нижнего края облака электрическое поле имеет достаточно малую напряженность (негативную или позитивную). В самом низу облака находится относительно маленькая, позитивно заряженная область (составляет ~ 20% негативно заряженного слоя вверху, см. рис. 1), которая создает положительное (направленное вверх) поле в нижней части облака. Отрицательный заряд находится на высоте 1-2км относительно нижнего края облака и вместе с положительным зарядом внизу составляют нижний диполь, ускоряющий электроны по направлению к земле. Основной положительный заряд находится вверху облака на расстоянии 1-3 км от основного отрицательного и вместе с ним составляет положительный диполь, ускоряющий электроны вверх. Потоки электронов будут возрастать в случае если электрическое поле больше критического. Как видно из рисунка 1, большинство ГНП имеют малые амплитуды: очень редко (раз в год), в условиях, которые до сих пор не 9 вполне изучены, наземные детекторы регистрируют большие ГНП, которые превосходят фоновые потоки вторичных космических лучей в несколько раз[2,3]. Далее описывается моделирование лавинных процессов в грозовых облаках. Моделирование производилось ЦЕРНовским пакетом GEANT4. Сначала приводятся физические условия, которые рассмотрены в расчетах и записаны в программный код. В упрощенной модели ЛРУЭ использованы следующие условия. Рассмотрены четыре атмосферные электрические поля, которые однородны и положительны, у всех напряжения превышают пороговое значение Еп, Е = 1.7, 1.8, 1.9, 2 кВ/см, и протяженность поля равна 1600м. В качестве затравочных частиц, инициирующих ЛРУЭ, используются электроны вторичных космических лучей. Энергетический спектр электронов моделируется с помощью программы EXPACS, которая генерирует спектры разных компонент вторичных космических лучей на разных географических координатах и высотах. Дифференциальный энергетический спектр электронов достаточно хорошо аппроксимируется степенной функцией – dN/dE ~ E-1.1389, максимальная энергия электронов ограничивалась значением 100 МэВ[1]. Зависимость плотности воздуха от высоты учитывается согласно зависимости ρ=ρ0*exp(-0.000122h), где ρ0 = 1.225 кг/м3, плотность воздуха на уровне моря, hвысота над уровнем моря. При транспорте электронов в атмосфере учтены ионизационные и радиационные потери, многократное рассеяние. Для гамма квантов – Комптоновское рассеяние, фотоэффект и рождение пар. В результате вычислительных экспериментов с приведенными выше условиями были получены энергетические спектры электронов на высоте 3350м, см рис. 4. Рис.4.Дифференциальные энергетические спектры электронов на высоте 3350м инжектированные в однородные электрические поля с напряженностями 1,72кВ/см на высоте 5000 м. 10 Из рисунка 4 видно, что все четыре спектра описываются экспоненциальными функциями близкими друг к другу по значениям индексов. У всех четырех спектров наблюдаются «хвосты» в районе высоких энергий, которые не объясняются моделью ЛРУЭ. Структура энергетических спектров гамма квантов имеет определенные особенности. На выходе из электрических полей с напряженностями 1.9 и 2кВ/см спектры описываются экспоненциальными функциями dN/dE ~ e-0.3E . В случаях же относительно слабых полей 1.7 и 1.8 кВ/см спектры гамма квантов при малых энергиях описываются экспоненциальными, а при больших энергиях степенными функциями: из рисунка 5 видно что в случае напряженности поля Е = 1,7 кВ/см энергетический спектр гамма квантов до 10 МэВ описывается функцией dN/dE ~ e-0,3E, а в области более высоких энергий - с 10 до 60 МэВ, спектр переходит в степенную функцию – dN/dE ~ E-0,31 . В случае же поля с напряжением 1.8 кВ/см спектр гамма квантов описывается экспоненциальной функцией - dN/dE ~e-0,32 до 20 МэВ, и снова, как в предыдущем случае, переходит в степенную в интервале с 20 до 60 МэВ – dN/dE ~ E-0,32 . Рис.5. Соответствующие условиям, приведенным на рис. 5 дифференциальные энергетические спектры гамма квантов на высоте 3350м. Одним из важнейших параметров ЛРУЭ является ливневое умножение числа электронов MR(Multiplication Rate) в электрическом поле, которое определяется следующим образом: MR(ξ,E) = I3350(ξ,E)/I5000(ξ); E = 1.7-2kV/cm 11 Где ξ энергия электрона, Е напряженность электрического поля, а величины Ih(ξ, E) представляют число электронов с энергиями выше ξ на высоте h. В рисунке 6 представлены зависимости коэффициентов умножения от энергии электронов в случаях четырех рассмотренных полей. Если в случае поля 1.7 кВ/см число 1 МэВных электронов увеличивается в ~5 раз, то в случае поля 2кВ/см мы имеем колоссальное увеличение числа электронов в 2620 раза. Существенные возрастания в потоках электронов были наблюдены только в двух ГНП 19.09.2009 и 04.10.2010 на уровне 3200 м. Как видно из рисунка 6, существуют ''критические'' энергии, выше которых не происходит умножение электронов. 1.7 kV / cm 1.8 kV / cm 1.9 kV / cm 2 kV / cm MR12 MR21 MR31 MR43 MeV MeV MeV MeV 1 . Рис.6. Коэффициенты ливневого умножения электронов, вычисленные для полей с разными напряжённостями. Однако в рисунках 4 и 5 представлены энергетические спектры электронов и гамма квантов, которые простираются дальше этих энергий. Сравнение энергетических спектров частиц с зависимостью коэффициента умножения электронов в каждом из четырех случаев наглядно показывает, что частицы с энергиями выше 50 МэВ не являются продуктами ЛРУЭ. Электроны высоких энергий дошедшие до 3400 м представляют собой остатки ядерно-электронных каскадов в атмосфере, инициированных протоном или ядром первичного космического излучения. Число электронов на уровне наблюдения определяется балансом реакций поглощения и рождения и, естественно, наличие сильных электрических полей нарушает этот баланс. Гамма кванты высоких энергий генерируются в результате тормозного 12 излучения электронов вторичных космических лучей, у которых длина пробега удлиняется в ускоряющем электрическом поле. Таким образом, происходит процесс модификации энергетических спектров вторичных космических лучей. Именно МОС процесс и объясняет наличие высокоэнергичных гамма квантов и электронов в избыточных потоках грозовых частиц. И если для развития ЛРУЭ существует пороговое значение напряженности электрического поля, то для модификации спектров такого порога не существует, этим и объясняется преобладания малых амплитуд ГНП, отчетливо проявляющихся в левом нижнем углу гистограммы на рис. 1. Нет и другого ограничения – на энергию электронов, как раз электроны высоких энергий (вплоть до 300 МэВ) и ответственны за фотоны высоких энергий. На рисунке 7 показаны результаты моделирования ''чистого'' МОС процесса. В моделировании применено электрическое поле с напряженностью 1,5кВ/см, которое ниже Еп; остальные условия те же, что и в предыдущем моделировании ЛРУЭ. На выходе из электрического поля добавочных (ливневых) электронов нет. А спектр тормозных гамма квантов простирается до 90 МэВ и составляет при максимальных энергиях 12% от фона, что является достаточным для регистрации детекторами Арагаца. Для того, чтобы выявить влияние процесса МОС на спектры грозовых частиц было повторено моделирование ЛРУЭ процесса (см рис. 4 и 5), с максимальной энергией не 100, а 300 МэВ[1,3]. Рис.7. Сравнение дифференциальных энергетических спектров фоновых и избыточных гамма квантов на 3200. Избыточные гамма кванты продукты МОС процесса в электрическом поле с напряженностью 1.5кВ/см. Полученные спектры электронов и гамма квантов приведены на рис. 8. На рисунке четко разделяются ЛРУЭ и МОС режимы. Спектр ЛРУЭ электронов простирается до 30-40 МэВ, а фотонов – до 20-30 МэВ. Далее вклад МОС процесса становится 13 отчетливым. Кроме того, несмотря на то, что число электронов превышает число гамма квантов в области ЛРУЭ, в области высоких энергией гамма кванты преобладают над электронами, что еще раз наглядно показывает отсутствие ЛРУЭ в области высоких энергий. Рассмотрение же «чистого» ЛРУЭ процесса дает результаты, приведенные на рисунке 9. Начальные электроны в этом моделировании имеют фиксированную энергию 1 МэВ. Как видно из рисунка, максимальные энергии грозовых частиц ограничены для электронов 30МэВом, а для гамма квантов- 25МэВом. Следовательно, вся остальная часть спектра в области высоких энергий ГНП генерируется за счет МОС. Число затравочных электронов в обоих моделированиях было одинаковым(N e = 27000, что соответствует интенсивности электронов на 5000м). Так как в рисунках 8 и 9 приведены абсолютные дифференциальные спектры, то мы можем сравнить не только экспоненциальные индексы, но и сами спектры электронов и гамма квантов с аналогами в обоих случаев. Мы видим, что вклад затравочных электронов высоких энергий существенен не только в районе тех же высоких энергий, но и в потоках частиц начиная с 1МэВ. Так как и ионизационные, и радиационные потери электрона возрастают с ростом энергии, то число электронов и гамма квантов больше в том случае, когда рассматривались затравочные электроны с 1 до 300МэВ. Рис.8 Дифференциальные спектры грозовых электронов и гамма квантов. Начальные электроны с энергиями от 1-300 МэВ. Электрическое поле 1.8кВ/см длиною 1600м. 14 Рис.9 Дифференциальные спектры электронов и гамма квантов на высоте 3350м, на выходе из электрического поля напряженностью 1.8кВ/см, длиною 1600м. Начальные электроны имеют энергию 1 Мэв. При изучении потоков электронов и гамма квантов ГНП важным параметром является так же отношение числа электронов Ne к числу фотонов, которое, как показано в рисунке 10, сильно зависит от напряжения электрического поля. Интересно, что с возрастанием напряжения поля растет не только число, но и пропорция электронов в суммарном потоке. После выхода из электрического поля картина радикально меняется. Рис.10. Соотношение Nе/Nγ на высоте 3400м. Зависимость от напряжения электрического поля. Частицы с энергиями > 7МэВ 15 На рисунке 11 показана зависимость соотношения Ne/Nγ от свободного пробега частиц после выхода из электрического поля. Уже после 30-40 м свободного пробега число электронов становится равным числу гамма квантов, а после 150м свободного пробега пропорция электронов относительно фотонов весьма незначительна. Поэтому отношение потока грозовых электронов к потоку фотонов и его зависимость от свободного пробега после выхода из поля может непосредственно сравниваться с экспериментом и позволит оценить высоту грозового облака[2,3]. На рисунке 12 представлены интегральные спектры гамма квантов и электронов ГНП от 04.10.2010. При энергии 7МэВ соотношение Ie/Iγ = 0,0135. Из рисунка 11 получается, что частицам нужно пройти ~130м атмосферы, чтобы наблюдалась такое соотношение. Аналогичным методом мы заключили, что во время ГНП 19.09.2009 высота грозовых облаков была равна ~ 50м. Рис. 11. Зависимость соотношения чисел электронов и гамма квантов Ne/Nγ от длины свободного пробега, после выхода с атмосферного электрического поля с напряженностью 1.8кВ/см. Рассмотрены частицы с энергиями >7МэВ. В конце главы приводится дискуссия полученных результатов. Отмечается, что результаты моделирования достаточно хорошо объясняют экспериментальные данные. Спектры гамма квантов обоих ГНП описываются экспоненциальными функциями до ~20Мэв, а в районе более высоких энергий переходят в степенные функции. Такое поведение гамма спектра хорошо совпадает с поведением того же спектра полученного из моделирования при напряженности поля 1,8кВ/см. Приведены оценки общего числа электронов, которые выходят из грозовых облаков в течение одной минуты. Число электронов достигает значения 10 13 во время ГНП 19.09.2009 . В заключение приводится формулировка двухкомпонентной модели ГНП, по которой в области энергий до 30Мэв преобладает ЛРУЭ, а в области более высоких энергий – МОС. Процесс ЛРУЭ весьма интенсивен и может умножать 16 потоки частиц в десятки раз; процесс МОС обеспечивает превышение над фоном в несколько процентов, но для больших энергий[3]. Рис. 12. Интегральные спектры превышений гамма квантов и электронов ГНП 04.10.2010. Третья глава посвящена событиям регистрации нейтронов, связанных с ГНП. Приводятся «нейтронные» события, зарегистрированные детекторами Арагацкой станции с 2009 по 2011гг., сопровождающиеся существенными возрастаниями счета Арагацкого Нейтронного Монитора (АНМ). Всего обсуждается 12 нейтронных событий. Во всех событиях возрастания нейтронов сопровождается возрастаниями в потоках гамма квантов, и логично искать связь между превышениями этих двух типов частиц. В таблице приведены числа дополнительных гамма квантов, зарегистрированных детектором АСНТ и число дополнительных нейтронов зарегистрированных АНМ в минуту максимального счета. Энергетический спектр фотонов в двух наибольших ГНП был восстановлен; спектр нейтронов был найден с помощью моделирования фотоядерных реакций в атмосфере[4]. Источник фотонов со спектром, совпадающим с восстановленным спектром гамма квантов, помещен на высоте 5000 м. Далее прослеживался транспорт фотонов и рожденных в фотоядерных реакциях нейтронов до уровня наблюдения. На рисунке 13 показан энергетический спектр фотоядерных нейтронов, которые достигли высоты 3200м. Методом сопоставления спектра, приведенного на рисунке 13 с эффективностью АНМ, была оценена средняя эффективность регистрации фотоядерных нейтронов нейтронным монитором и восстановлено число нейтронов над установкой. Полученное значение Nn ≈ 5000 сравнивается с числом фотонов Nγ ≈ 150000; соотношения Nn/Nγ получается равным 3.3%. Для ГНП 19.09.2009 аналогичными расчетами было получено Nn/Nγ = 2.5%. 17 Рис.13 Дифференциальный энергетический спектр нейтронов, рождавшихся в фотоядерной реакции и достигших до 3200м высоты. Источник гамма квантов находится на 5000м Чтобы избежать искажений из-за точечной инжекции гамма квантов и провести реалистичное моделирование рождения нейтронов была произведена инжекция электронов (а не гамма квантов) из области конечного размера высоко над детектором. Источник электронов радиусом 100м располагался на высоте 5000 м. Электрическое поле с напряженностью 1,8 кВ/см простиралось с 5000 до 3350м. Запоминались числа фотонов и нейтронов на разных расстояниях от проекции центра области инжекции электронов. На рисунке 14 представлены результаты этого моделирования[4]. Тибетская группа обратила внимание на малую но существующую вероятность непосредственной регистрации фотонов нейтронным монитором. В свинцовом умножителе нейтронного монитора рождаются нейтроны в тех же фотоядерных реакциях с тем же порогом в 10 МэВ. Для проверки «свинцовой» гипотезы Тибетской группы были рассчитаны отклики детекторов АСНТ и АНМ на превышения гамма квантов со степенными дифференциальными спектрами энергии. Для ГНП 04.10.2010 поток гамма квантов с энергиями выше 10 МэВ над установкой равен ~ 130000/м2/мин. Учитывая энергетическую зависимость эффективности регистрации гамма квантов АНМ, мы нашли, что 0.1% потока гамма квантов с энергетическим спектром ~E-3 должен регистрироваться нейтронным монитором. Таким образом, гамма кванты дадут 120 сигналов в нейтронном мониторе, что соответствует измерениям; расчёт ожидаемого числа отсчетов АНМ для ГНП от 19.09.2009 также дает близкие к измеренным значения. Отсюда вывод, что в ГНП 04.10.2010 и 19.09.2009 превышения скорости счета АНМ были в основном результатом фотоядерных реакций в свинце АНМ, согласно расчётам Тибетской группы. 18 Рис.14 Зависимость соотношения Nn/Nγ от радиального расстояния точки наблюдения от проекции центра области инжекции электронов. Остальные 10 нейтронных событий с малым содержанием гамма квантов не могут быть объяснены фотоядерными реакциями в свинце. Но, они вполне могут объясниться фотоядерной реакцией в воздухе, если полагать, что детектор расположен далеко от проекции центра излучающей области и достаточно высоко над поверхностью. Об этом говорит малое число дошедших фотонов. В конце главы проводится анализ результатов Тянь Шаньской группы. Тянь Шаньская группа сообщила об экстремально интенсивных потоках тепловых нейтронов, генерированных в течение гроз, предполагая, что рождение нейтронов связано с молниями. Измерения осуществляются нейтронным монитором и тремя счетчиками тепловых нейтронов, первый из которых находится на открытом воздухе, а две остальные в здании. Счетчики тепловых нейтронов в отсутствии покрова могут зарегистрировать только нейтроны с энергиями (0.1-1эВ). Путем моделирования откликов нейтронного монитора и счетчиков тепловых нейтронов мы показали противоречивость данных о регистрации нейтронов. И, следовательно, преждевременность заключения о рождении тепловых нейтронов во время грозовых разрядов. Фотоядерное рождение нейтронов подтверждается результатами Арагацкой и Тибетской групп. 19 В заключении приведены основные результаты работы. 1. 2. 3. 4. Произведено моделирование ГНП. Полученные спектры электронов и гамма квантов сравнены с экспериментальными данными[1,3]. Имея достаточное количество экспериментальных данных возможно было оценить важные физические параметры грозовых облаков и электрических полей, действующих в них [2,3]. Наличие высокоэнергичных гамма квантов и электронов в потоках ГНП было объяснено двухкомпонентной моделью, которая включает в себя не только процесс ЛРУЭ, но и МОС[3]. Происхождение нейтронов во время ГНП объясняется фотоядерной реакцией как между тормозными гамма квантами и молекулами атмосферы, так и между гамма квантами и свинцом – частью нейтронного монитора[4]. Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях: 1. 2. 3. 4. L. Vanyan, Simulations of Runaway Relativistic Electron Avalanches resulting in Thunderstorm Ground Enhancements(TGE’s), Proceedings of the 2nd Internationаl Workshop “Aragats 2011”, Nor-Amberd, Armenia, pp. 127131, 20011. A. Chilingarian, A. Daryan, L. Vanyan, et al., Ground-based observations of thunderstorm-correlated fluxes of high-energy electrons, gamma rays, and neutrons, Physical Review D 82, 043009, 2010. A. Chilingaryan, B.Mailyan and L.Vanyan, Recovering of energy spectra of electrons and gamma rays from thunderclouds, Atmospheric Research Pages 114-115, 1-16, 2012. A. Chilingaryan, N.Bostanjyan and L.Vanyan, Neutron Bursts Assiocated with thunderstorms, Physical Review D 85, 085017, 2012. 20 Ամփոփագիր Ատենախոսությունը նվիրված է ամպրոպային ակտիվությունների ընթացքում Արագած Գիտահետազոտական Կայանի(ASEC) դետեկտորների կողմից գրանցվող մասնիկների հոսքերի աճերի` Ամպրոպային Վերգետնյա Աճերի վերլուծությանը: Դեռևս նախորդ դարի սկզբին Ս.Ռ.Թ Ուիլսոնը եզրակացրել է, որ ուժեղ էլեկտրական դաշտերում արագ էլեկտրոնները կարող են ստանալ ավելի մեծ էներգիա, քան կորցնում են օդի իոնիզացիայի հետևանքով: 1992թ. Գուրևիչը առաջարկեց փախչող էլեկտրոնների վրա պարպման մոդելը (ՓԷՊ): արագ էլեկտրոնները (0.1-1 ՄէՎ էներգիաներով), որոնք ունեն բավականին մեծ վազքի երկարություն և հետևաբար` արագանալու բավականին մեծ հնարավորություն, արագանալով էլեկտրական դաշտի կողմից և բախվելով օդի մոլեկուլների հետ, ազատում են նոր ռելյատիվիստական էլեկտրոններ: Այս նոր սերնդի էլեկտրոնները նույնպես արագանում են և հաջորդ բախման հետևանքով առաջացնում նոր էլեկտրոններ. պրոցեսն ուղեկցվում է գամմա քվանտների արգելակային ճառագայթմամբ: Արդյունքում ստացվում է էլեկտրոնների և գամմա քվանտների հեղեղ, որի արգասիքները գրանցվում են ոչ միայն վերգետնյա, այլև ուղեծրային դետեկտորների կողմից: Չնայած մոդելը ստեղծվել է բնության մեկ այլ երևույթ` կայծակը բացատրելու համար, այն մասնակիորեն բացատրում է մասնիկային դետեկտորների կողմից գրանցվող էլեկտրոնների և գամմա քվանտների քանակական աճերը: Իսկ պրոցեսի` կայծակի համար պատասխանատու լինելու հարցի վերաբերյալ ցայժմ տեղի են ունենում բուռն գիտական քննարկումներ. Տեսական հաշվարկների և հաշվողական էքսպերիմենտների միջոցով ցույց է տրված, որ ռելյատիվիստիկ փախչող էլեկտրոնների հեղեղների արդյունքում օդը ձեռք չի բերում պարպման համար բավարար հաղորդականություն: Սկսած 2008թ. Արագած Գիտահետազոտական Կենտրոնում ուսւմնասիրվում են երկրորդային տիեզերական ճառագայթների հոսքերի` ամպրոպային ակտիվության հետ կապված աճերը` Ամպրոպային Վերգետնյա Աճերը: 4 տարվա ընթացքում գրանցվել է էլեկտրոնների, գամմա քվանտների, նեյտրոնների հոսքերի վերգետնյա աճերով ուղեկցվող ամպրոպային ակտիվության մոտավորապես 300 դեպք: Փորձը յուրահատուկ է նրանով, որ տաբեր տեսակի և տարբեր էներգիական շեմերով սարքավորումների համալիրի միջոցով գրանցվում և բավարար ճշտությամբ նույնականացվում են տարատեսակ մասնիկներ. չափումների արդյունքում որոշվում են նաև էլեկտրոնների և գամմա քվանտների հոսքերի էներգիական բաշխվածությունները: 2009թ. առաջին անգամ գրանցվեց ամպրոպային ակտիվության հետ կապված էլեկտրոնների հոսք, որը հասել էր Երկրի մակերևույթ: 2010թ. գրանցված ամպրոպային վերգետնյա աճում Գամմա քվանտների էներգիական բաշխվածությունը տարածվում էր մինչև 21 100ՄէՎ էներգիան. հավելյալ հոսքերում այսպիսի մեծ էներգիայով գամմա քվանտների առկայությունը չի բացատրվում ռելատիվիստական փախչող էլեկտրոնների հեղեղներով: Գրանցվում են նաև այնպիսի ամպրոպային վերգետնյա աճեր, որոնք ուղեկցվում են նեյտրոնային հոսքերի աճերով: Անհրաժեշտ է նաև տալ այսպիսի դեպքերի բացատրությունը: Ատենախոսության 1-ին գլխում քննարկվում են Ամպրոպային Վերգետնյա Աճերի գրանցման դեպքերը. ինչպես Արագածի, այնպես և այլ գիտական խմբերի կողմից ստացված փորձարարական արդյունքները: Բերվում են փախչող էլեկտրոնների վրա պարպման մոդելի հիմնական դրույթները և այն ֆիզիկական պայմանները, որոնք անհրաժեշտ են ռելատիվիստական փախչող էլեկտրոնների հեղեղների կայացման համար: Ներկայացված են Արագածի Գիտահեզոտական Կենտրոնի այն դետեկտորների աշխատանքի սկզբունքները, որոնց միջոցով գրանցվում են Ամպրոպային Վերգետնյա Աճերը և որոնց տվյալների օգտագործմամբ կատարվում են հետագա ֆիզիկական վերլուծությունները: 2-րդ գլուխը նվիրված է Ամպրոպային վերգետնյա աճերի մոդելին: Նկարագրված է մոդելը: Բերված են GEANT4 մոդելավորման փաթեթի միջոցով կատարված հաշվողական էքսպերիմենտի արդյունքները` հավելյալ էլեկտրոնների և գամմա քվանտների էներգիական բաշխվածությունները, որոնք բավարար ճշտությամբ համընկնում են փորձարարական արդյունքների հետ: Մոդելավորման արդյունքների հիման վրա բացատրվում է ամպրոպային վերգետնյա աճերի հոսքերում բարձր էներգիաների գամմա քվանտների առկայությունը, գնահատվում է ամպրոպային ամպերի բարձրությունը Արագածի սարքավորումների կողմից գրանցված 2 խոշորագույն դեպքերի ժամանակ: 3-րդ գլխում ներկայացվում է այն դեպքերի վերլուծությունը, որոնցում առկա են նեյտրոնային հոսքերի աճեր: Քանի որ «նեյտրոնային» դեպքերը որպես կանոն ուղեկցվում են գամմա ճառագայթների հոսքերի աճերով, ապա տրամաբանական է փնտրել ֆիզիկական կապ գամմա քվանտների և նեյտրոնների ավելցուկների միջև: GEANT4 մոդելավորման փաթեթի միջոցով կատարվում է ևվս մեկ հաշվողական էքսպերիմենտ. որպես ավելցուկային նեյտրոնների ծնման համար պատասխանատու փոխազդեցություն քննարկվում է ֆոտոմիջուկային ռեակցիան` արգելակային գամմա քվանտների և մթնոլորտի ատոմների միջև. քննարկվում է արդյունարար ավելցուկային հոսքի բաղադրությունը, համեմատվում են նեյտրոնների և գամմա քվանտների անկյունային բաշխվածությունները, ստացված է դետեկտորների տեղակայման բարձրությանը հասած ֆոտոմիջուկային նեյտրոնների էներգիական սպեկտրը: Հաշվարկվում է նաև նեյտրոնային մոնիթորի արձագանքը գամմա քվանտների տարբեր` փորձում գրանցված էներգիական բաշխվածությունների նկատմամբ: Արդյունքում «նեյտրոնային» աճերը դասակարգվում են 2 խմբի. 1)մթնոլորտում ծնված նեյտրոնների, և 2)նեյտրոնային մոնիթորի բաղկացուցիչ մաս հանդիսացող արճիճում ծնված նեյտրոնների հետևանքով տեղի ունեցող դեպքեր: 22 Abstract Thesis is devoted to the analysis of the enhancements of particle fluxes correlated with thunderstorm activities – TGE’s, (Thunderstorm Ground Enhancements) registered by detectors of Aragats Space Environmental Center (ASEC). C.R.T. Wilson, in the beginning of the last century, proposed that the large electrical fields in the thunderstorm atmosphere accelerate electrons to high energies. In 1992 Gurevich et al. put forward the theory of Runaway Breakdown (RB). The authors intended to explain the lightning initiation in the electric fields. Fast electrons (with energies ~ MeV) have a mean free path up to 100 times longer than slow electrons. Having long enough free paths, an electrical field can accelerate these electrons to energies far higher then that of initially electrons. If they strike air molecules, more relativistic electrons will be released, creating an avalanche multiplication of “runaway” electrons – Relativistic Runaway Electron Avalanche (RREA). Process is accompanied by emitting of bremsstrahlung gamma rays by electrons. Despite the initiation of lightning discharge by the RREA is under debates (theoretical calculations and simulations show, that the air obtains no sufficient conductivity due to RREA for lightning initiation), the RREA is a process, which undoubtedly occurs in the atmosphere. Starting from 2008, the researches of TGE’s are performed. The experiment is Based on the detection of TGEs on Aragats and detailed simulations of the RB/RREA process beneath the ASEC detectors we suggest the 2-component model of the TGE. For the first time we present simultaneously measured electron and gamma ray energy spectra and explain them with our model. In this work, simulations considering RREA electrons and gamma rays and originated from them neutrons yield are presented. The simulation results are compared with experimental data. The experiments are also unique, since the increases of electrons, gamma rays, and neutrons simultaneously were measured (for electrons and gamma rays energy distributions are also measured). In the 1-st chapter of dissertation the events of TGE detection are considered: there are presented experimental data not only by ASEC, but also by other scientific groups. The main theses of Runaway Breakdown (RB) model are cited. The principle of operation of several ASEC detectors, which play important role in TGE research, is presented. The 2-nd chapter devoted to TGE electron and gamma rays spectra. The 2-component model of TGE is declared. The simulations of TGE are performed with GEANT4 simulation package. The energy spectra of gamma rays and electrons obtained from simulations are quoted and compared with the experimental data: Rather good agreement of simulation with the experimental was observed. The thundercloud height estimation for two largest TGE events was performed. The analysis of the TGE's accompanied by neutron generation is presented in the 3-rd chapter. Since the neutron events are accompanied by gamma ray enhancements, it is logical to search a correlation between gamma ray and neutron enhancements. Тhe simulations of neutron generation in air by photonuclear reaction are performed with GEANT4 programming package. The energy spectrum of photonuclear neutrons, which reach to the ground level, was obtained. The angular distributions of bremsstrahlung gamma rays and neutrons are compared. The response of the neutron monitor to the experimental obtained gamma ray energetic spectra is also calculated. Consequently, the neutron enhancements are classified into to groups, which are obtained as a result of neutron generation in atmosphere or as a result of neutron generation in the lead, which is the part of neutron monitor. 23
