Наблюдение нейтронной компоненты в периоды грозовой активности на высокогорной станции космических лучей

При этом в работе [Бабич и др., 2013] отмечается, что усиление скорости счета детекторов нейтронов в грозовой атмосфере может быть вызвано любым проникающим излучением, генерируемым в атмосфере. В то же время существуют работы, в которых такие нейтроны не были обнаружены [Alekseenko et al., 2015; Махмутов и др., 2017; Чилингарян, 2017] .

В последнее время были проведены эксперименты по измерению интенсивности нейтронов в периоды грозовой активности. Такие исследования проводились в 2004–2005 гг. на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции космических лучей (высота над уровнем моря 3340 м) c помощью комплекса устройств «Гроза» [Антонова и др., 2008] . Нейтронная компонента регистрировалась с помощью стандартного нейтронного супермонитора 18NM64 (скорость счета порядка 5·10⁶ имп/ч).

В районе Якутска, в долине Туймаада, для изучения кратковременных всплесков нейтронов во время гроз [Стародубцев и др., 2012] использовался синхронизированный комплекс приборов с различным временным разрешением, основным из которых был нейтронный супермонитор 24NM64 (высота над уровнем моря 105 м). Использовались данные с минутным разрешением, исправленные на давление. Изучение зависимости скорости счета нейтронного супермонитора от напряженности приземного атмосферного электрического поля во время молниевых разрядов показало, что кратковременные всплески нейтронов регистрируются при превышении в среднем пороговой напряженности электрического поля значений –16 кВ·м–1, причем с ростом напряженности поля наблюдалось повышение амплитуды всплесков.

В результате эксперимента в долине Туймаада статистически значимые всплески нейтронов были замечены во время 9 мощных гроз из 39 событий.

Результаты, полученные в описанных экспериментах, авторы объясняют порождением дополнительного потока нейтронов молниевыми разрядами.

Авторами работ, которые описывают эксперименты на станциях космических лучей (КЛ), расположенных в зоне вечной мерзлоты и в высокогорье, не обсуждаются механизмы образования нейтронов в грозовых разрядах и их распространение в атмосфере. Вызывает сомнение постулат авторов о возможном многократном увеличении потоков нейтронов в грозовых разрядах и их распространении до точки наблюдения. К примеру, в эксперименте в долине Туймаада расстояние от точки удара молнии в вершину сопок до места регистрации космических лучей составляло около 7 км, т. е. 2–3 пробега нейтронов до взаимодействия. Следует учесть, что нейтронный супермонитор, с помощью которого регистрируется нейтронная компонента космических лучей, имеет очень узкую диаграмму направленности (~cos6(θ)). Поэтому мы думаем, что нейтроны, образовавшиеся в стороне от точки наблюдения, не могут дать заметного вклада в скорость счета нейтронного монитора.

Нами проведен эксперимент по регистрации интенсивности нейтронной компоненты космических лучей на высоте 3000 м во время грозовой активности.

В данной работе представлены результаты одновременных измерений скорости счета нейтронов нейтронным монитором, напряженности атмосферного электрического поля, а также электромагнитных помех во время грозовых разрядов на высокогорной станции КЛ «Иркутск-3000» (3000 м над уровнем моря).

ДАННЫЕ И АППАРАТУРА

Для анализа использовались одноминутные данные интенсивности космических лучей, исправленные на давление, которые получены с помощью установленного на высоте 3000 м нейтронного супермонитора 6NM64. Скорость счета 6NM64 порядка — 25·103 имп/мин, статистическая точность минутных данных — ~0.7 %, одного счетчика — ~1.4 %. Для регистрации интенсивности нейтронной компоненты используются регистраторы PCI-1780. Усилитель-дискриминатор состоит из двух узлов: линейного усилителя с токовым входом, работающего в режиме преобразования ток—напряжение, и порогового устройства с различными уровнями дискриминации

(на уровне 0.4–0.5 В). Вход усилителя-дискриминатора подключен к двухметровой нити счетчика. Эта нить играет роль антенны для приема электромагнитного излучения грозы в случае, если корпус счетчика, выполняющего роль экрана (для антенны), плохо заземлен (когда сопротивление заземления станции велико). На станции КЛ используется схема подключения с заземленным катодом (высокое напряжение подается на нить, корпус заземлен) и с передачей сигнала на усилитель через высоковольтный разделительный конденсатор.

В качестве приемника электромагнитных помех (ЭМП) используется счетчик СНМ-15, из которого удален газ и к которому подведено напряжение питания счетчика. Возможность регистрации электромагнитных помех с помощью «пустого» счетчика впервые была экспериментально опробована в 1980-х гг. на станции КЛ «Иркутск-3000» [Козлов, Янчуковский, 1987; Янчуковский, Козлов, 1988] . Причем сигналы ЭМП с разными уровнями дискриминации (порог дискриминации 1 установлен на уровне 0 В, порог дискриминации 2 — на уровне 0.2 В) подсчитываются в отдельных каналах регистратора. Пороги были выбраны исходя из дискриминационных характеристик счетчика нейтронов [Козлов, Янчуковский, 1987] .

Для измерения напряженности электрического поля атмосферы использовался электростатический флюксметр, разработанный и изготовленный в конструкторском бюро экспериментального цеха ИСЗФ СО РАН [Алешков, Молодых, 2012] и имеющий следующие характеристики:

• •    диапазон измерений от –30 000 В до +30 000 В;

• •    точность ±50 В;

• •    частота вращения экранирующей пластины 3000 об/мин.

Усилитель был включен в дифференциальном режиме измерений для исключения электромагнитных помех, фазовый детектор был выполнен на оптопаре для определения знака градиента потенциала. Обрабатывались секундные данные.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На рис. 1–4 представлены графики скоростей счета нейтронов ( а ) и электромагнитных помех ( б , в ), зарегистрированных при помощи усилителя с различными порогами дискриминации (0.2 В и 0 В), а также графики наблюдения напряженности электрического поля 14, 15, 22, 25 июня 2015 г. ( г ).

Показано, что уровень электромагнитных помех при их регистрации в моменты грозовых разрядов в значительной мере зависит от установленного уровня дискриминации сигнала. Так, число зарегистрированных электромагнитных помех при уровне дискриминации 0.2 В в 5–10 раз ниже, чем при уровне дискриминации 0 В, причем число зарегистрированных помех при уровне дискриминации 0.2 В во всех приведенных грозовых событиях не превышает статистическую ошибку в определении полезной информации.

При анализе данных скорости счета нейтронного монитора на станции КЛ «Иркутск-3000» при выбран-

Рис. 1 . Скорости счета нейтронов ( а ) и уровня электромагнитных помех, полученные при регистрации с различными порогами дискриминации усилителей 0.2 В ( б ) и 0 В ( в ) соответственно; напряженность электрического поля по данным флюксметра, установленного на станции КЛ «Иркутск-3000» ( г ) для 14 июня 2015 г.

Рис. 2 . То же, что на рис. 1, для 15 июня 2015 г.

Рис. 3. Скорости счета нейтронов ( а ) и уровня электромагнитных помех, полученные при регистрации с различными порогами дискриминации усилителей 0.2 В ( б ) и 0 В ( в ) соответственно; напряженность электрического поля по данным флюксметра, установленного на станции КЛ «Иркутск-3000» ( г ) для 22 июня 2015 г.

Рис. 4 . То же, что на рис. 3, для 25 июня 2015 г.

ном для постоянных измерений уровне дискриминации 0.4 В в пределах статистической точности увеличения скорости счета в моменты грозовых разрядов не выявлено.

Кратковременные увеличения числа зарегистрированных импульсов при грозовых разрядах [Shah et al., 1985; Антонова и др., 2008; Стародубцев и др., 2012] скорее всего обусловлены вкладом электромагнитных помех в скорость счета нейтронных супермониторов. Для гарантированной защиты от ЭМП требуется повышение помехозащищенности аппаратуры станций КЛ и соблюдение требований к заземлению. В нашем исследовании ЭМП, возникшие во время гроз, не оказали влияния на работу аппаратуры регистрации станции КЛ «Иркутск-3000». Мы отметили, что НМ сделан так, что он не может детектировать нейтроны, образовавшиеся далеко в стороне от места их регистрации, а также частицы, образовавшиеся в окружающих предметах. Кроме того, нам неизвестен механизм, с помощью которого в грозовых электрических полях можно ускорить нуклоны до релятивистских энергий так, чтобы они могли пройти 2–3 пробега до взаимодействия и дать нейтроны, способные дойти до точки их регистрации.

Работа выполнена в рамках базового финансирования программы Фундаментальных научных исследований II.16. Результаты получены на оборудовании Центра коллективного пользования «Ангара» [] и уникальной научной установки «Российская национальная наземная сеть станций космических лучей (Сеть СКЛ)».

Авторы благодарят в.н.с. ИСЗФ СО РАН Сдоб-нова В.Е. за полезные консультации и обсуждение.