Нейтронный монитор
Нейтронный монитор — это наземный детектор, предназначенный для измерения количества заряженных частиц высокой энергии, поражающих атмосферу Земли из космоса . По историческим причинам прилетающие частицы называются « космическими лучами », но на самом деле это частицы, преимущественно протоны и гелия ядра . Большую часть времени нейтронный монитор регистрирует галактические космические лучи и их изменение в зависимости от 11-летнего цикла солнечных пятен и 22-летнего магнитного цикла . Время от времени Солнце испускает космические лучи достаточной энергии и интенсивности, чтобы поднять уровень радиации на поверхности Земли до такой степени, что они легко обнаруживаются нейтронными мониторами. Их называют « улучшениями уровня земли » (GLE).
Нейтронный монитор был изобретен Чикагского университета профессором Джоном А. Симпсоном в 1948 году. [1] «18-ламповый» монитор NM64, который сегодня является международным стандартом, представляет собой крупный прибор весом около 36 тонн.
Как это работает
[ редактировать ]Атмосферные каскады
[ редактировать ]Когда частица высокой энергии из космоса («первичный» космический луч) сталкивается с Землей, ее первое взаимодействие обычно происходит с молекулой воздуха на высоте около 30 км. Это столкновение заставляет молекулу воздуха разделяться на более мелкие части, каждая из которых имеет высокую энергию. Меньшие частицы называются «вторичными» космическими лучами, и они, в свою очередь, воздействуют на другие молекулы воздуха, что приводит к образованию большего количества вторичных космических лучей. Процесс продолжается и получил название «атмосферный каскад». Если первичные космические лучи, запустившие каскад, имеют энергию более 500 МэВ, некоторые из их вторичных побочных продуктов (включая нейтроны ) достигнут уровня земли, где их можно будет обнаружить нейтронными мониторами.
Стратегия измерения
[ редактировать ]С момента их изобретения профессором Симпсоном в 1948 году появились различные типы нейтронных мониторов. Примечательны мониторы типа «IGY», развернутые по всему миру во время Международного геофизического года (IGY) 1957 года, и гораздо более крупные мониторы «NM64» (также известные как «супермониторы»). Однако все нейтронные мониторы используют одну и ту же стратегию измерения, которая учитывает огромную разницу в способах взаимодействия нейтронов высокой и низкой энергии с разными ядрами. почти нет (Взаимодействия между нейтронами и электронами .) Нейтроны высоких энергий взаимодействуют редко, но когда они это делают, они способны разрушать ядра, особенно тяжелые ядра, производя при этом множество нейтронов низкой энергии. Нейтроны низкой энергии 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. Исключением являются несколько специфических ядер (в первую очередь 10 Группа 3 Он ), которые быстро поглощают нейтроны чрезвычайно низкой энергии, а затем распадаются, выделяя очень энергичные заряженные частицы. Учитывая такое поведение нейтронных взаимодействий, профессор Симпсон изобретательно выбрал четыре основных компонента нейтронного монитора:
- Рефлектор. Внешняя оболочка из богатого протонами материала — парафина в ранних нейтронных мониторах, полиэтилена в более современных. Нейтроны низкой энергии не могут проникнуть в этот материал, но и не поглощаются им. Таким образом, нейтроны окружающей среды, не индуцированные космическими лучами, не попадают в монитор, а нейтроны низкой энергии, генерируемые в свинце, остаются внутри. Этот материал в значительной степени прозрачен для каскадных нейтронов, индуцированных космическими лучами.
- Продюсер. Производитель – свинец , и по весу он является основным компонентом нейтронного монитора. Быстрые нейтроны, прошедшие через отражатель, взаимодействуют со свинцом, образуя в среднем около 10 нейтронов гораздо меньшей энергии. Это одновременно усиливает космический сигнал и производит нейтроны, которые не могут легко покинуть отражатель.
- Модератор. Замедлитель, также богатый протонами материал, как и отражатель, замедляет нейтроны, которые теперь удерживаются внутри отражателя, что повышает вероятность их обнаружения.
- Пропорциональный счетчик. Это сердце нейтронного монитора. После того как очень медленные нейтроны генерируются отражателем, производителем, замедлителем и т. д., они сталкиваются с ядром в пропорциональном счетчике и заставляют его распадаться. Эта ядерная реакция производит энергичные заряженные частицы, которые ионизируют газ в пропорциональном счетчике, создавая электрический сигнал. В первых мониторах Симпсона активный компонент газа был 10 B, который давал сигнал по реакции (n + 10 Б → а + 7 Ли). Последние пропорциональные счетчики используют реакцию (n + 3 Он → 3 H + p), что дает 764 кэВ.
Что он измеряет
[ редактировать ]Нейтронные мониторы косвенно измеряют интенсивность космических лучей, падающих на Землю, и ее изменение со временем. Эти изменения происходят в самых разных временных масштабах (и все еще являются предметом исследований). Три перечисленные ниже являются примерами:
Солнечные циклы
[ редактировать ]
В процессе, называемом «солнечной модуляцией», Солнце и солнечный ветер изменяют интенсивность и энергетический спектр галактических космических лучей, попадающих в Солнечную систему . Когда Солнце активно, меньше галактических космических лучей достигает Земли, чем в периоды, когда Солнце спокойно. По этой причине галактические космические лучи следуют 11-летнему циклу, подобно Солнцу, но в противоположном направлении: высокая солнечная активность соответствует низкой космической активности, и наоборот.
Долгосрочная стабильность
[ редактировать ]Основным преимуществом нейтронных мониторов является их долговременная стабильность, что делает их пригодными для изучения изменчивости космических лучей на протяжении десятилетий.
Наиболее стабильными и долговечными нейтронными мониторами являются: [3] Оулу, [4] Нейтронные мониторы Инувик, Москва, Кергелен, Апатиты и Ньюарк.
Форбуш уменьшается
[ редактировать ]Иногда Солнце выбрасывает огромное количество массы и энергии в результате « коронального выброса массы » (КВМ). Когда эта материя движется через Солнечную систему, она подавляет интенсивность галактических космических лучей. Впервые о подавлении сообщил Скотт Форбуш. [5] и поэтому называется « форбуш-понижением ».
Улучшения на уровне земли
[ редактировать ]
Примерно 10-15 раз за десятилетие Солнце испускает частицы достаточной энергии и интенсивности, чтобы повысить уровень радиации на поверхности Земли. Официальный список GLE хранится в Международной базе данных GLE. [7] Самое крупное из этих событий, получившее название «повышение уровня земли» (GLE), наблюдалось 23 февраля 1956 года. [8] [9] Самый последний GLE (#72) произошел 10 сентября 2017 года в результате вспышки X-класса и был измерен на поверхности как Земли (нейтронными мониторами), так и Марса (детектором радиационной оценки на научной лаборатории Марсианской Марсоход Curiosity ).
Массивы нейтронных мониторов
[ редактировать ]На заре нейтронного мониторинга открытия можно было делать с помощью монитора, расположенного в одном месте. Однако научная эффективность нейтронных мониторов значительно возрастает, если данные с нескольких мониторов анализируются совместно. [10] Современные приложения часто используют обширные массивы мониторов. По сути, наблюдательный инструмент — это не какой-то изолированный инструмент, а скорее массив. НМДБ [11] [12] (База данных нейтронного монитора в реальном времени) предоставляет доступ к крупнейшей сети станций по всему миру (более 50 станций) через свой интерфейс NEST . [13] Объединение в сеть нейтронных мониторов дает новую информацию в нескольких областях, среди них:
- Анизотропия: станции нейтронного мониторинга в разных точках земного шара смотрят в космосе в разных направлениях. Объединив данные этих станций, можно определить анизотропию космических лучей.
- Энергетический спектр: Магнитное поле Земли сильнее отталкивает космические лучи в экваториальных регионах, чем в полярных регионах. Сравнивая данные станций, расположенных на разных широтах, можно определить энергетический спектр.
- Релятивистские солнечные нейтроны: это очень редкие события, зарегистрированные станциями вблизи экватора Земли, обращенными к Солнцу. Информация, которую они предоставляют, уникальна, поскольку нейтрально заряженные частицы (например, нейтроны) путешествуют в пространстве, не подвергаясь воздействию магнитных полей в космосе. Впервые о событии релятивистских солнечных нейтронов было сообщено в 1982 году. [14]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Симпсон, Дж. А. (2000). «Нуклонный компонент космических лучей: изобретение и научное использование нейтронного монитора». Обзоры космической науки . 93 (1/2): 11–32. Бибкод : 2000ССРв...93...11С . дои : 10.1023/А:1026567706183 . S2CID 117949880 .
- ^ «Экстремальные космические погодные явления» . Национальный центр геофизических данных .
- ^ Усоскин И. (2017). «Гелиосферная модуляция космических лучей в эпоху нейтронных мониторов: калибровка по данным PAMELA за 2006-2010 годы». Дж. Геофиз. Рез. Космическая физика . 122 (4): 3875–3887. arXiv : 1705.07197 . Бибкод : 2017JGRA..122.3875U . дои : 10.1002/2016JA023819 . S2CID 55768360 .
- ^ «База данных Оулу НМ» .
- ^ Форбуш, ЮВ (1937). «О влиянии интенсивности космических лучей, наблюдавшихся во время недавней магнитной бури». Физический обзор . 51 (12): 1108–1109. Бибкод : 1937PhRv...51.1108F . дои : 10.1103/PhysRev.51.1108.3 .
- ^ «Экстремальные космические погодные явления» . Национальный центр геофизических данных .
- ^ «Международная база данных GLE» .
- ^ Мейер, П.; Паркер, EN; Симпсон, Дж. А. (1956). «Солнечные космические лучи февраля 1956 года и их распространение через межпланетное пространство». Физический обзор . 104 (3): 768–783. Бибкод : 1956PhRv..104..768M . дои : 10.1103/PhysRev.104.768 .
- ^ «Редкий тип солнечной бури, замеченный спутником» . Июнь 2012.
- ^ Мораал, Х.; Белов А.; Клем, Дж. М. (2000). «Проектирование и координация многостанционных международных сетей нейтронных мониторов». Обзоры космической науки . 93 (1–2): 285–303. Бибкод : 2000ССРв...93..285М . дои : 10.1023/A:1026504814360 .
- ^ Стейгис, К. (2009). «NMDB: к глобальной базе данных нейтронных мониторов». Американский геофизический союз, осеннее собрание . 2009 : Ш51Б – 1280. Бибкод : 2009AGUFMSH51B1280S .
- ^ Кляйн, КЛ (2010). «WWW.NMDB.EU: База данных нейтронного монитора в реальном времени». 38-я Научная ассамблея КОСПАР . 38 : 3. Бибкод : 2010cosp...38.1685K .
- ^ Мавромихалаки, Х. (2010). «Создание и использование базы данных нейтронного монитора в реальном времени (NMDB)». Серия конференций ASP . 424 : 75. Бибкод : 2010ASPC..424...75M .
- ^ Чупп, Эл.; и др. (1987). «Излучательная способность солнечных нейтронов во время большой вспышки 3 июня 1982 года». Астрофизический журнал . 318 : 913–925. Бибкод : 1987ApJ...318..913C . дои : 10.1086/165423 .