Нейтронный монитор - Neutron monitor

А нейтронный монитор наземный детектор предназначен для измерения количества заряженных высокоэнергетических частицы поражение Атмосфера Земли от космическое пространство. По историческим причинам входящие частицы называются "космические лучи ", но на самом деле это частицы, преимущественно протоны и Гелий ядра. В большинстве случаев нейтронный монитор регистрирует галактические космические лучи и их вариация с 11-летним цикл солнечных пятен и 22-летний магнитный цикл. Иногда солнце испускает 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 Чикагский университет Профессор Джон А. Симпсон в 1948 г.[1] Монитор NM64 с 18 трубками, который сегодня является международным стандартом, представляет собой большой инструмент весом около 36 тонн.

Как это устроено

Атмосферные каскады

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 разделяться 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, в результате чего образуется больше 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 ) достигнет уровня земли, где они будут обнаружены нейтронными мониторами.

Стратегия измерения

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 1957 г. Международный геофизический год (IGY) 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 нейтроны и электроны.) Нейтроны высоких энергий взаимодействуют редко, но когда они это делают, они способны разрушать ядра, особенно тяжелые, производя при этом много нейтронов низкой энергии. Нейтроны низкой энергии имеют гораздо более высокую вероятность взаимодействия с ядрами, но эти взаимодействия обычно эластичный (любить бильярдный шар столкновения), которые передают энергию, но не меняют структуру ядра. Исключениями являются несколько конкретных ядер (в первую очередь 10B и 3Он ), 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 - парафин в первых нейтронных мониторах, полиэтилен 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, индуцированных космическими лучами.
  2. Режиссер. Производитель вести, 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, которые теперь удерживаются внутри отражателя, что повышает вероятность их обнаружения.
  4. Пропорциональный счетчик. Это сердце нейтронного монитора. После генерации очень медленных нейтронов отражателем, генератором, замедлителем и т. Д. Они сталкиваются с ядром в пропорциональный счетчик и заставить его распасться. Эта ядерная реакция производит энергичные заряженные частицы, которые ионизируют газ в пропорциональном счетчике, производя электрический сигнал. В ранних мониторах Simpson активный компонент газа был 10B, который дал сигнал через реакцию (n + 10B → α + 7Ли). Последние пропорциональные счетчики используют реакцию (n + 3Он → 3H + p), что дает 764 кэВ.

Что он измеряет

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

Солнечные циклы

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

В процессе, называемом «солнечной модуляцией», Солнце и Солнечный ветер изменить интенсивность и энергетический спектр галактических космических лучей, которые входят в Солнечная система. Когда Солнце активно, до Земли 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

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

Переменность космических лучей регистрируется нейтронным монитором Оулу с 1964 года

.Самые стабильные длительные нейтронные мониторы: [3]: Оулу [4], Инувик, Москва, Кергелен, Апатиты и Ньюарк нейтронные мониторы.

Форбуш уменьшается

Иногда Солнце излучает огромное количество массы и энергии в "Выброс корональной массы "(CME). По мере того, как это вещество движется через солнечную систему, оно подавляет интенсивность галактических космических лучей. О подавлении впервые сообщил Скотт Форбуш[5] и поэтому называется "Форбуш-уменьшение ".

Улучшения на уровне земли

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, получившее название «повышение уровня земли» (GLE), наблюдалось 23 февраля 1956 года.[8][9] Самый последний GLE (№ 72) произошел 10 сентября 2017 г. в результате вспышки X-класса и был измерен как на поверхности Земли (с помощью нейтронных мониторов), так и на Марсе (с помощью Детектор радиационной оценки на Марсианская научная лаборатория с Кьюриосити Ровер ).

Массивы нейтронных мониторов

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) дает доступ к крупнейшей сети станций по всему миру (более 50 станций) через свой интерфейс. ГНЕЗДО[13]. Объединение нейтронных мониторов в сеть дает новую информацию в нескольких областях, среди которых:

  1. Анизотропия: станции нейтронного мониторинга в разных точках земного шара просматривают разные направления в космосе. 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) перемещаются в космосе, не подвергаясь воздействию магнитных полей в космосе. Релятивистское событие из солнечных нейтронов впервые было зарегистрировано для события 1982 года.[14]

использованная литература

  1. ^ Симпсон, Дж. А. (2000). «Нуклонная составляющая космических лучей: изобретение и научное использование нейтронного монитора». Обзоры космической науки. 93 (1/2): 11–32. Bibcode:2000ССРв ... 93 ... 11С. Дои:10.1023 / А: 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. Космическая физика. 122 (4): 3875–3887. arXiv:1705.07197. Bibcode:2017JGRA..122.3875U. Дои:10.1002 / 2016JA023819.
  4. ^ "База данных Оулу НМ".
  5. ^ Форбуш, С. Э. (1937). «Об эффектах интенсивности космических лучей, наблюдаемых во время недавней магнитной бури». Физический обзор. 51 (12): 1108–1109. Bibcode:1937ПхРв ... 51.1108Ф. Дои:10.1103 / PhysRev.51.1108.3.
  6. ^ «Экстремальные явления космической погоды». Национальный центр геофизических данных.
  7. ^ "Международная база данных GLE".
  8. ^ Meyer, P .; Паркер, Э. Н .; Симпсон, Дж. А. (1956). «Солнечные космические лучи февраля 1956 г. и их распространение в межпланетном пространстве». Физический обзор. 104 (3): 768–783. Bibcode:1956ПхРв..104..768М. Дои:10.1103 / PhysRev.104.768.
  9. ^ «Редкий тип солнечной бури, обнаруженный 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:2000ССРв ... 93..285М. Дои:10.1023 / А: 1026504814360.
  11. ^ Стейгис, К. (2009). «NMDB: к глобальной базе данных нейтронных мониторов». Американский геофизический союз, осеннее собрание. 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. ^ Мавромичалаки, Х. (2010). «Создание и использование базы данных нейтронных мониторов в реальном времени (NMDB)». Серия конференций ASP. 424: 75. Bibcode:2010ASPC..424 ... 75 млн.
  14. ^ Chupp, E. L .; и другие. (1987). "Эмиссионная способность солнечных нейтронов во время большой вспышки 3 июня 1982 г.". Астрофизический журнал. 318: 913–925. Bibcode:1987ApJ ... 318..913C. Дои:10.1086/165423.