Нейтронный монитор

Нейтронный монитор — это наземный детектор, предназначенный для измерения количества высокоэнергетических заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли из внешнего космоса . По историческим причинам входящие частицы называются « космическими лучами », но на самом деле это частицы, в основном 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 Солнце испускает космические лучи достаточной энергии и интенсивности, чтобы повысить уровень радиации на поверхности Земли до такой степени, что они легко обнаруживаются нейтронными мониторами. Их называют « усилениями на уровне земли » (GLE).

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

Как это работает

Атмосферные каскады

Когда высокоэнергетическая частица из внешнего 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. Более мелкие части называются «вторичными» космическими лучами, и они, в свою очередь, ударяются о другие молекулы воздуха, что приводит к появлению большего количества вторичных космических лучей. Процесс продолжается и называется «атмосферным каскадом». Если первичный космический луч, который начал каскад, имеет энергию более 500 МэВ, некоторые из его вторичных побочных продуктов (включая нейтроны ) достигнут уровня земли, где их можно будет обнаружить нейтронными мониторами.

Стратегия измерения

С тех пор, как они были изобретены профессором Симпсоном в 1948 году, существовало множество типов нейтронных мониторов. Наиболее заметными являются мониторы «IGY-type», развернутые по всему миру в течение Международного геофизического года (МГГ) 1957 года, и гораздо более крупные мониторы «NM64» (также известные как «супермониторы»). Однако все нейтронные мониторы используют одну и ту же стратегию измерения, которая использует существенную разницу в том, как нейтроны высокой и низкой энергии взаимодействуют с различными ядрами. (Между нейтронами и электронами практически нет взаимодействия .) Нейтроны высокой энергии взаимодействуют редко, но когда это происходит, они способны разрушать ядра, особенно тяжелые ядра, производя в этом процессе много нейтронов низкой энергии. Нейтроны низкой энергии имеют гораздо более высокую вероятность взаимодействия с ядрами, но эти взаимодействия обычно являются упругими (как столкновения бильярдных шаров ), которые передают энергию, но не изменяют структуру ядра. Исключениями из этого правила являются несколько определенных ядер (прежде всего 10 B и 3 He ), которые быстро поглощают нейтроны с чрезвычайно низкой энергией, а затем распадаются, высвобождая очень энергичные заряженные частицы. Имея в виду такое поведение нейтронных взаимодействий, профессор Симпсон изобретательно выбрал четыре основных компонента нейтронного монитора:

1. Отражатель. Внешняя оболочка из богатого протонами материала — парафина в ранних нейтронных мониторах, полиэтилена в более современных. Низкоэнергетические нейтроны не могут проникнуть через этот материал, но и не поглощаются им. Таким образом, нейтроны, вызванные некосмическими лучами, не попадают в монитор, а низкоэнергетические нейтроны, генерируемые в свинце, остаются внутри. Этот материал в значительной степени прозрачен для каскадных нейтронов, вызванных космическими лучами.
2. Производитель. Производитель — свинец , и по весу он является основным компонентом нейтронного монитора. Быстрые нейтроны, проходящие через отражатель, взаимодействуют со свинцом, производя в среднем около 10 нейтронов с гораздо меньшей энергией. Это одновременно усиливает космический сигнал и производит нейтроны, которые не могут легко покинуть отражатель.
3. Замедлитель. Замедлитель, также богатый протонами материал, как и отражатель, замедляет нейтроны, которые теперь заключены внутри отражателя, что повышает вероятность их обнаружения.
4. 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 распасться. Эта ядерная реакция производит энергичные заряженные частицы, которые ионизируют газ в пропорциональном счетчике, производя электрический сигнал. В ранних мониторах Симпсона активным компонентом в газе был ¹⁰ B, который производил сигнал через реакцию (n + ¹⁰ B → α + ⁷ Li). Современные пропорциональные счетчики используют реакцию (n + ³ He → ³ H + p), которая дает 764 кэВ.

Что он измеряет

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

Солнечные циклы

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

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

Долгосрочная стабильность

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

Изменчивость космических лучей, регистрируемая нейтронным монитором Оулу с 1964 года

Наиболее стабильными и долго работающими нейтронными мониторами являются: ^[3] Оулу, ^[4] Инувик, Московский, Кергеленский, Апатитский и Ньюаркский нейтронные мониторы.

Форбуш уменьшается

Время от времени Солнце выбрасывает огромное количество массы и энергии в « Корональном выбросе массы » (CME). Когда эта материя движется через Солнечную систему, она подавляет интенсивность галактических космических лучей. Подавление было впервые описано Скоттом Форбушем ^[5] и поэтому называется « Форбуш-понижением ».

Улучшения на уровне земли

Улучшение уровня земли — сентябрь 1989 г. ^[6]

Примерно 10-15 раз в 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, называемое «повышением уровня земли» (GLE), наблюдалось 23 февраля 1956 года. ^{[8] [9]} Самое последнее GLE (#72) произошло 10 сентября 2017 года в результате вспышки X-класса и было измерено на поверхности как Земли (с помощью нейтронных мониторов), так и Марса (с помощью детектора оценки радиации на марсоходе Curiosity Марсианской научной лаборатории ).

Массивы нейтронных мониторов

На заре нейтронного мониторинга открытия можно было делать с помощью монитора, расположенного в одном месте. Однако научная отдача нейтронных мониторов значительно увеличивается, когда данные с многочисленных мониторов анализируются совместно. ^[10] Современные приложения часто используют обширные массивы мониторов. По сути, наблюдательный прибор — это не какой-либо изолированный инструмент, а массив. NMDB ^{[11] [12]} (База данных нейтронных мониторов в реальном времени) предоставляет доступ к крупнейшей сети станций по всему миру (более 50 станций) через свой интерфейс NEST. ^[13] Сетевые нейтронные мониторы дают новую информацию в нескольких областях, среди которых:

1. Анизотропия: станции нейтронного мониторинга в разных точках земного шара смотрят в разные направления в пространстве. Объединяя данные с этих станций, можно определить анизотропию космических лучей.
2. Энергетический спектр: Магнитное поле Земли сильнее отталкивает космические лучи в экваториальных регионах, чем в полярных. Сравнивая данные со станций, расположенных на разных широтах, можно определить энергетический спектр.
3. Релятивистские солнечные нейтроны: Это очень редкие события, зарегистрированные станциями вблизи экватора Земли, обращенными к Солнцу. Предоставляемая ими информация уникальна, поскольку нейтрально заряженные частицы (например, нейтроны) перемещаются в пространстве, не подвергаясь влиянию магнитных полей в космосе. Событие релятивистских солнечных нейтронов впервые было зарегистрировано в 1982 году. ^[14]

Ссылки

1. Симпсон, JA (2000). «Нуклонный компонент космических лучей: изобретение и научное использование нейтронного монитора». Space Science Reviews . 93 (1/2): 11–32. Bibcode : 2000SSRv...93...11S. doi : 10.1023/A:1026567706183. S2CID  117949880.
2. "Экстремальные космические погодные явления". Национальный центр геофизических данных .
3. Усоскин, И. (2017). «Гелиосферная модуляция космических лучей в эпоху нейтронных мониторов: калибровка с использованием данных PAMELA за 2006-2010 гг.». J. Geophys. Res. Space Phys . 122 (4): 3875–3887. arXiv : 1705.07197 . Bibcode :2017JGRA..122.3875U. doi :10.1002/2016JA023819. S2CID  55768360.
4. "База данных Оулу, Нью-Мексико".
5. Форбуш, С. Э. (1937). «Об эффектах в интенсивности космических лучей, наблюдавшихся во время недавней магнитной бури». Physical Review . 51 (12): 1108–1109. Bibcode : 1937PhRv...51.1108F. doi : 10.1103/PhysRev.51.1108.3.
6. "Экстремальные космические погодные явления". Национальный центр геофизических данных .
7. «Международная база данных GLE».
8. Мейер, П.; Паркер, Э.Н.; Симпсон, Дж.А. (1956). «Солнечные космические лучи февраля 1956 года и их распространение через межпланетное пространство». Physical Review . 104 (3): 768–783. Bibcode :1956PhRv..104..768M. doi :10.1103/PhysRev.104.768.
9. «Редкий тип солнечной бури, обнаруженный спутником». Июнь 2012 г.
10. Moraal, H.; Belov, A.; Clem, JM (2000). «Проектирование и координация многостанционных международных сетей нейтронных мониторов». Space Science Reviews . 93 (1–2): 285–303. Bibcode : 2000SSRv...93..285M. doi : 10.1023/A:1026504814360.
11. Steigies, C. (2009). «NMDB: на пути к глобальной базе данных нейтронных мониторов». Американский геофизический союз, осеннее заседание . 2009 : SH51B–1280. Bibcode : 2009AGUFMSH51B1280S.
12. Кляйн, К. Л. (2010). «WWW.NMDB.EU: База данных нейтронного монитора в реальном времени». 38-я научная ассамблея КОСПАР . 38 : 3. Bibcode : 2010cosp...38.1685K.
13. Мавромихалаки, Х. (2010). «Создание и использование базы данных нейтронных мониторов в реальном времени (NMDB)». Серия конференций ASP . 424 : 75. Bibcode : 2010ASPC..424...75M.
14. Chupp, EL; et al. (1987). "Излучательная способность солнечных нейтронов во время большой вспышки 3 июня 1982 года". The Astrophysical Journal . 318 : 913–925. Bibcode : 1987ApJ...318..913C. doi : 10.1086/165423.