Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Нейтронный монитор представляет собой наземный детектор , предназначенный для измерения количества высокой энергии заряженных частиц , попадающих на земную атмосферу из космического пространства . По историческим причинам падающие частицы называются « космическими лучами », но на самом деле это частицы, преимущественно протоны и ядра гелия . Большую часть времени нейтронный монитор регистрирует галактические космические лучи и их изменение с 11-летним циклом солнечных пятен и 22-летним магнитным циклом . Иногда Солнцеиспускает космические лучи достаточной энергии и интенсивности, чтобы поднять уровень радиации на поверхности Земли до такой степени, что они могут быть легко обнаружены нейтронными мониторами. Их называют «улучшения на уровне земли» (GLE).

Нейтронный монитор был изобретен профессором Чикагского университета Джоном А. Симпсоном в 1948 году. [1] Монитор NM64 с 18 трубками, который сегодня является международным стандартом, представляет собой большой прибор весом около 36 тонн.

Как это работает [ править ]

Атмосферные каскады [ править ]

Когда высокоэнергетическая частица из космоса («первичный» космический луч) встречает Землю, ее первое взаимодействие обычно происходит с молекулой воздуха на высоте около 30 км. Это столкновение заставляет молекулу воздуха расщепляться на более мелкие части, каждая из которых имеет высокую энергию. Более мелкие частицы называются «вторичными» космическими лучами, и они, в свою очередь, поражают другие молекулы воздуха, что приводит к появлению большего количества вторичных космических лучей. Процесс продолжается и называется «атмосферным каскадом». Если первичный космический луч, запустивший каскад, имеет энергию более 500 МэВ, некоторые из его вторичных побочных продуктов (включая нейтроны ) достигнут уровня земли, где они могут быть обнаружены нейтронными мониторами.

Стратегия измерения [ править ]

С тех пор, как они были изобретены профессором Симпсоном в 1948 году, существовали различные типы нейтронных мониторов. Примечательны мониторы «типа IGY», развернутые по всему миру в течение Международного геофизического года (МГГ) в 1957 году, и более крупные мониторы «NM64» (также известные как «супермониторы»). Однако все нейтронные мониторы используют одну и ту же стратегию измерения, которая использует резкую разницу в способах взаимодействия нейтронов высокой и низкой энергии с разными ядрами. (Между нейтронами и электронами практически нет взаимодействия.) Нейтроны высоких энергий взаимодействуют редко, но когда они это делают, они способны разрушить ядра, особенно тяжелые, производя при этом много нейтронов низкой энергии. Нейтроны с низкой энергией имеют гораздо более высокую вероятность взаимодействия с ядрами, но эти взаимодействия обычно являются упругими (например, столкновения бильярдных шаров ), которые передают энергию, но не меняют структуру ядра. Исключение составляют несколько конкретных ядер (в первую очередь 10 B и 3 He.), которые быстро поглощают нейтроны чрезвычайно низкой энергии, а затем распадаются, высвобождая очень энергичные заряженные частицы. Помня об этом поведении нейтронных взаимодействий, профессор Симпсон гениально выбрал четыре основных компонента нейтронного монитора:

  1. Отражатель. Внешняя оболочка из богатого протонами материала - парафина в ранних нейтронных мониторах, полиэтилена в более современных. Нейтроны низкой энергии не могут проникнуть через этот материал, но не поглощаются им. Таким образом, нейтроны окружающей среды, не связанные с космическими лучами, не попадают в монитор, а нейтроны низкой энергии, генерируемые в свинце, остаются внутри. Этот материал в значительной степени прозрачен для каскадных нейтронов, вызванных космическими лучами.
  2. Режиссер. Изготовитель - свинец , а по весу он является основным компонентом нейтронного монитора. Быстрые нейтроны, которые проходят через отражатель, взаимодействуют со свинцом, образуя в среднем около 10 нейтронов с гораздо меньшей энергией. Это одновременно усиливает космический сигнал и производит нейтроны, которые не могут легко покинуть отражатель.
  3. Модератор. Замедлитель, также богатый протонами материал, такой как отражатель, замедляет нейтроны, теперь удерживаемые внутри отражателя, что повышает вероятность их обнаружения.
  4. Пропорциональный счетчик. Это сердце нейтронного монитора. После того, как очень медленные нейтроны генерируются отражателем, генератором, замедлителем и т. Д., Они сталкиваются с ядром в пропорциональном счетчике и вызывают его распад. Эта ядерная реакция производит энергичные заряженные частицы, которые ионизируют газ в пропорциональном счетчике, производя электрический сигнал. В ранних мониторах Симпсона активный компонент в газе составлял 10 Б, что давало сигнал через реакцию (n + 10 B → α + 7 Li). Последние пропорциональные счетчики используют реакцию (n + 3 He → 3 H + p), которая дает 764 кэВ.

Что он измеряет [ править ]

Нейтронные мониторы косвенно измеряют интенсивность космических лучей, падающих на Землю, и ее изменение во времени. Эти вариации происходят во многих различных временных масштабах (и все еще являются предметом исследований). Три перечисленных ниже являются примерами:

Солнечные циклы [ править ]

Обзор космической среды показывает взаимосвязь между циклом солнечных пятен и галактическими космическими лучами. [2]

В процессе, называемом «солнечная модуляция», Солнце и солнечный ветер изменяют интенсивность и энергетический спектр галактических космических лучей, которые входят в солнечную систему . Когда Солнце активно, на Землю достигает меньше галактических космических лучей, чем в периоды, когда Солнце спокоено. По этой причине галактические космические лучи следуют 11-летнему циклу, как Солнце, но в противоположном направлении: высокая солнечная активность соответствует низкой активности космических лучей, и наоборот.

Долгосрочная стабильность [ править ]

Основным преимуществом нейтронного монитора является его долговременная стабильность, что делает его пригодным для изучения изменчивости космических лучей на протяжении десятилетий.

Переменность космических лучей, регистрируемая нейтронным монитором Оулу с 1964 г.

. Наиболее стабильными долгосрочными нейтронными мониторами являются: [3] Оулу, [4] Инувик, Москва, Кергелен, Апатиты и Ньюаркские нейтронные мониторы.

Форбуш уменьшается [ править ]

Иногда Солнце излучает огромное количество массы и энергии в " корональном выбросе массы " (CME). Когда это вещество движется через солнечную систему, оно подавляет интенсивность галактических космических лучей. Впервые о подавлении сообщил Скотт Форбуш [5], и поэтому он называется « Форбуш-понижение ».

Улучшения на уровне земли [ править ]

Улучшение уровня земли - сентябрь 1989 г. [6]

Примерно 10-15 раз за десятилетие Солнце испускает частицы достаточной энергии и интенсивности, чтобы поднять уровень радиации на поверхности Земли. Официальный список GLE хранится в базе данных International GLE. [7] Самое крупное из этих событий, названное «повышением уровня земли» (GLE), наблюдалось 23 февраля 1956 г. [8] [9] Самый последний GLE (№ 72) произошел 10 сентября 2017 г. результат X-класс вспышки и измеряли на поверхность как Земель (нейтронные мониторы) и Марс (по Detector радиационной оценки на Science Laboratory Mars «s Curiosity Rover ).

Массивы нейтронных мониторов [ править ]

На заре нейтронного мониторинга открытия можно было делать с помощью монитора в одном месте. Однако научная эффективность нейтронных мониторов значительно возрастает, если данные с многочисленных мониторов анализируются согласованно. [10] Современные приложения часто используют обширные массивы мониторов. По сути, инструмент наблюдения - это не какой-то изолированный инструмент, а скорее массив. NMDB [11] [12] ( база данных нейтронного монитора в реальном времени) предоставляет доступ к крупнейшей сети станций по всему миру (более 50 станций) через интерфейс NEST . [13] Сетевые нейтронные мониторы дают новую информацию в нескольких областях, среди которых:

  1. Анизотропия: станции нейтронного мониторинга в разных точках земного шара просматривают космос в разных направлениях. Объединив данные с этих станций, можно определить анизотропию космических лучей.
  2. Энергетический спектр: магнитное поле Земли более сильно отталкивает космические лучи в экваториальных областях, чем в полярных регионах. Сравнивая данные со станций, расположенных на разных широтах, можно определить энергетический спектр.
  3. Релятивистские солнечные нейтроны: это очень редкие события, регистрируемые станциями около экватора Земли, обращенными к Солнцу. Информация, которую они предоставляют, уникальна, потому что нейтрально заряженные частицы (например, нейтроны) путешествуют в космосе, не подвергаясь воздействию магнитных полей в космосе. Релятивистское событие с солнечными нейтронами впервые было зарегистрировано для события 1982 года. [14]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Simpson, JA (2000). «Нуклонная составляющая космических лучей: изобретение и научное использование нейтронного монитора». Обзоры космической науки . 93 (1/2): 11–32. Bibcode : 2000SSRv ... 93 ... 11S . DOI : 10,1023 / A: 1026567706183 .
  2. ^ «Экстремальные явления космической погоды» . Национальный центр геофизических данных .
  3. ^ Усоскин, И. (2017). «Гелиосферная модуляция космических лучей в эпоху нейтронных мониторов: калибровка с использованием данных PAMELA за 2006-2010 годы». J. Geophys. Res. Space Phys . 122 (4): 3875–3887. arXiv : 1705.07197 . Bibcode : 2017JGRA..122.3875U . DOI : 10.1002 / 2016JA023819 .
  4. ^ "База данных Оулу NM" .
  5. ^ Форбуш, SE (1937). «Об эффектах интенсивности космических лучей, наблюдаемых во время недавней магнитной бури». Физический обзор . 51 (12): 1108–1109. Полномочный код : 1937PhRv ... 51.1108F . DOI : 10.1103 / PhysRev.51.1108.3 .
  6. ^ «Экстремальные явления космической погоды» . Национальный центр геофизических данных .
  7. ^ "Международная база данных GLE" .
  8. ^ Meyer, P .; Паркер, EN; Симпсон, Дж. А. (1956). «Солнечные космические лучи февраля 1956 г. и их распространение в межпланетном пространстве». Физический обзор . 104 (3): 768–783. Bibcode : 1956PhRv..104..768M . DOI : 10.1103 / PhysRev.104.768 .
  9. ^ "Редкий тип солнечной бури, обнаруженной спутником" . Июнь 2012 г.
  10. ^ Moraal, H .; Белов А .; Клем, Дж. М. (2000). «Проектирование и координация многостанционных международных сетей нейтронных мониторов». Обзоры космической науки . 93 (1–2): 285–303. Bibcode : 2000SSRv ... 93..285M . DOI : 10,1023 / A: 1026504814360 .
  11. ^ Steigies, C. (2009). «NMDB: к глобальной базе данных нейтронных мониторов». Американский геофизический союз, осеннее собрание . 2009 : SH51B – 1280. Bibcode : 2009AGUFMSH51B1280S .
  12. Перейти ↑ Klein, KL (2010). "WWW.NMDB.EU: База данных нейтронного монитора в реальном времени". 38-я научная ассамблея КОСПАР . 38 : 3. Bibcode : 2010cosp ... 38.1685K .
  13. Перейти ↑ Mavromichalaki, H. (2010). «Создание и использование базы данных нейтронных мониторов в реальном времени (NMDB)». Серия конференций ASP . 424 : 75. Bibcode : 2010ASPC..424 ... 75M .
  14. ^ Чупп, EL; и другие. (1987). "Излучательная способность солнечных нейтронов во время большой вспышки 3 июня 1982 г.". Астрофизический журнал . 318 : 913–925. Bibcode : 1987ApJ ... 318..913C . DOI : 10.1086 / 165423 .