Apatity, Murmansk, Russian Federation
Apatity, Russian Federation
Apatity, Russian Federation
Apatity, Russian Federation
In the interaction of cosmic rays (CRs) with Earth’s atmosphere, neutrons are formed in a wide range of energies: from thermal (E≈0.025 eV) to ultrarelativistic (E>1 GeV). To detect and study CRs, Polar Geophysical Institute (PGI) uses a complex monitoring system containing detectors of various configurations. The standard neutron monitor (NM) 18-NM-64 is sensitive to neutrons with energies E>50 MeV. The lead-free section of the neutron monitor (BSRM) detects neutrons with energies E≈(0.1÷1) MeV. Also, for sharing with standard detectors, the Apatity NM station has developed and installed a neutron spectrometer with three energy channels and a particle reception angle of 15 degrees. The configuration of the device makes it possible to study the degree of anisotropy of the particle flux from different directions. We have obtained characteristics of the detector (response function and particle reception angle), as well as geometric dimensions through numerical simulation using the GEANT4 toolkit [Agostinelli et al., 2003]. During operation of the device, we collected database of observations and received preliminary results.
cosmic rays, nuclear physics, Monte Carlo method, particle detection.
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи (КЛ) — потоки заряженных частиц различных энергий, на ~90 % состоящие из высокоэнергичных протонов. Источники галактических КЛ (ГКЛ) находятся в межзвездном пространстве и к Земле приходят приблизительно изотропно. Солнечные КЛ (СКЛ) также в основном состоят из протонов, но их источником является Солнце. Проникая в атмосферу Земли, КЛ взаимодействуют с ней различными способами в зависимости от энергии частиц и плотности окружающего их вещества. В верхних слоях вещество атмосферы разряжено и заряженные частицы теряют свою энергию преимущественно в процессе ионизации. Начиная с высоты 15–20 км над уровнем моря, возрастает вероятность ядерных реакций, в ходе которых появляются каскады вторичных частиц, состоящие из электромагнитной и адронной, в том числе нейтронной, компонент. Нейтроны, образовавшиеся в результате этих реакций, имеют широкий диапазон энергий (до десятков ГэВ) и распространяются вглубь атмосферы, достигая поверхности Земли. В процессе распространения они теряют энергию. Таким образом, у Земли существуют потоки нейтронов различных энергий, начиная с тепловых (0.025 эВ). При этом потоки нейтронов малых энергий, как правило, остаются без внимания. В то же время именно они участвуют в ядерных реакциях.
В ПГИ мониторинг потока нейтронов различных энергий производится на созданном регистрирующем комплексе [Maurchev, Balabin, 2016; Германенко и др., 2016]. В его состав входят стандартный НМ (счетчики СНМ-15, 18-NM-64; энергия >50 МэВ), бессвинцовая секция НМ (БСНМ, 4 СНМ-15, эффективная энергия регистрации от тепловых энергий до единиц МэВ). Для расширения возможностей системы сбора данных в дополнение к имеющемуся оборудованию был установлен узконаправленный нейтронный спектрометр (УНС). Особенностью данного устройства является, как следует из названия, довольно узкая диаграмма направленности (~15°), которая обеспечивается конфигурацией защиты вокруг счетчиков. УНС состоит из трех счетчиков, разделенных слоями замедлителя, — таким образом, задаются три диапазона по энергиям. Подробнее конструкция описана в разделе 1. Следует заметить, что предварительно она была рассчитана с помощью пакета GEANT4. Внешний вид модели показан на рис. 1.
1. Agostinelli S., Allison J., Amako K., Apostolakis J., Araujo H., Arce P., Asai M., Axen D., Banerjee S., Barrand G., Behner F., Bellagamba L., Boudreau J., Broglia L., Brunengo A., Burkhardt H., Chauvie S., Chuma J., Chytracek R., Cooperman G., Cosmo G., Degtyarenko P., Dell’Acqua A., Depaola G., Dietrich D., Enami R., Feliciello A., Ferguson C., Fesefeldt H., Folger G., Foppiano F., Forti A., Garelli S., Giani S., Giannitrapani R., Gibin D., Gomez Cadenas J.J., Gonzalez I., Gracia Abril G., Greeniaus G., Greiner W., Grichine V., Grossheim A., Gumplinger P., Hamatsu R., Hashimoto K., Hasui H., Heikkinen A., Howard A., Ivanchenko V., Johnson A., Jones F.W., Kallenbach J., Kanaya N., Kawabata M., Kawabata Y., Kawaguti M., Kelner S., Kent P., Kodama T., Kokoulin R., Kossov M., Kurashige H., Lamanna E., Lampen T., Lara V., Lefebure V., Lei F., Liendl M., Lockman W., Longo F., Magni S., Maire M., Medernach E., Minamimoto K., Mora de Freitas P., Morita Y., Murakami K., Nagamatu M., Nartallo R., Nieminen P., Nishimura T., Ohtsubo K., Okamura M., O’Neale S., Oohata Y., Paech K., Perl J., Pfeiffer A., Pia M.G., Ranjard F., Rybin A., Sadilov S., Salvo E Di, Santin G., Sasaki T., Savvas N., Sawada Y., Scherer S., Sei S., Sirotenko V., Smith D., Starkov N., Stoecker H., Sulkimo J., Takahata M., Tanaka S., Tcherniaev E., Safai Tehrani E., Tropeano M., Truscott P., Uno H., Urban L., Urban P., Verderi M., Walkden A., Wander W., Weber H., Wellisch J.P., Wenaus T., Williams D.C., Wright D., Yamada T., Yoshida H., Zschiesche D. Geant 4 - a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003, vol. 506, no. 3, p. 250. DOI:https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8.
2. Chadwick M.B., Herman M., Obložinský P., Dunn M.E., Danon Y., Kahler A.C., Smith D.L., Pritychenko B., Arbanas G., Arcilla R., Brewer R., Brown D.A., Capote R., Carlson A.D., Cho Y.S., Derrien H., Guber K., Hale G.M., Hoblit S., Holloway S., Johnson T.D., Kawano T., Kiedrowski B.C., Kim H., Kunieda S., Larson N.M., Leal L., Lestone J.P., Little R.C., McCutchan E.A., MacFarlane R.E., MacInnes M., Mattoon C.M., McKnight R.D., Mughabghab S.F., Nobre G.P.A., Palmiotti G., Palumbo A., Pigni M.T., Pronyaev V.G., Sayer R.O., Sonzogni A.A., Summers N.C., Talou P., Thompson I.J., Trkov A., Vogt R.L., van der Marck S.C., Wallner A., White M.C., Wiarda D., Young P.G. ENDF/B-VII.1 Nuclear data for science and technology: cross sections, covariances, fission product yields and decay data. Nuclear Data Sheets. 2011, vol. 112, iss. 12. pp. 2887-2996. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nds. 2011.11.002.
3. Germanenko A.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B., Shchur L.I. Nature of variations of gamma-radiation during precipitation. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2016, vol. 2, no. 1. pp. 56-63. (In Russian). DOI: 10.12737/ 19880.
4. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. RUSCOSMIC - the new software toolbox for detailed analysis of cosmic ray interactions with matter. Solar-Terr. Phys. 2016, vol. 2, no. 4. pp. 3-10. DOI:https://doi.org/10.12737/24269.
5. Pioch C., Mares V., Vashenyuk E.V., Balabin Yu., Rühm W. Measurement of cosmic ray neutrons with Bonner sphere spectrometer and neutron monitor at 79° N // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. 2011, vol. 626, pp. 51-57. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.10.030.
6. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Yadernaya fizika [Nuclear Physics]. 2nd Edition. Moscow, Nauka Publ., 1980. 728 p. (In Russian).
