Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 18963 10.12737/szf-41201808 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований New narrow-beam neutron spectrometer in complex monitoring system Новый узконаправленный нейтронный спектрометр в комплексной системе мониторинга Михалко Евгения Александровна Mikhalko Evgeniya Aleksandrovna mikhalko@pgia.ru Балабин Юрий Васильевич Balabin Yuriy Vasilyevich balabin@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Маурчев Евгений Александрович Maurchev Evgeniy Aleksandrovich maurchev@pgia.ru Германенко Алексей Владимирович Germanenko Aleksey Vladimirovich alex.germanenko@gmail.com

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Полярный геофизический институт Россия Полярный геофизический институт Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation 4 1 85 88 https://naukaru.ru/en/nauka/article/18963/view

При взаимодействии космических лучей (КЛ) с атмосферой Земли образуются нейтроны в широком диапазоне энергий: от тепловых (Е≈0.025 эВ) до релятивистских (Е>1 ГэВ). Для регистрации и исследования КЛ в Полярном геофизическом институте (ПГИ) используется комплексная система мониторинга, содержащая детекторы различной конфигурации. Стандартный нейтронный монитор (НМ) 18-NM-64 чувствителен к нейтронам с энергиями Е>50 МэВ. Бессвинцовая секция нейтронного монитора (БСНМ) регистрирует нейтроны с энергиями Е≈(0.1÷1) МэВ. Для совместного использования со стандартными детекторами на станции НМ Апатиты был разработан и установлен нейтронный спектрометр с тремя каналами по энергиям и углом приема частиц, составляющим 15°. Такая конфигурация устройства позволяет изучать степень анизотропии потока частиц различных направлений. Характеристики детектора (функция отклика и угол приема частиц), а также геометрические размеры были получены численным моделированием при помощи пакета GEANT4 [Agostinelli et al., 2003]. В ходе работы устройства была создана база данных наблюдений и получены предварительные результаты.

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.

 космические лучи ядерная физика метод Монте-Карло регистрация частиц cosmic rays nuclear physics Monte Carlo method particle detection.

ВВЕДЕНИЕКосмические 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.

Германенко А.В., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Щур Л.И. Природа вариаций гамма-излучения во время осадков // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 1. С. 56-63. DOI: 10.12737/19880. 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: 10.1016/S0168-9002(03)01368-8. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. 2-е изд. М.: Наука, 1980. 728 с. 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: 10.1016/j.nds. 2011.11.002. Agostinelli S., Allison J., Amako K., et al. Geant 4 - a simulation toolkit // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003. V. 506, N 3. P. 250-303. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01368-8. 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. Chadwick M.B., Herman M., Obložinský P., et al. ENDF/B-VII.1 Nuclear data for science and technology: cross sections, covariances, fission product yields and decay data // Nuclear Data Sheets. 2011. V. 112, iss. 12. P. 2887-2996. DOI: 10.1016/j.nds.2011.11.002. 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: 10.12737/24269. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. RUSCOSMIC - the new software toolbox for detailed analysis of cosmic ray interactions with matter // Solar-Terr. Phys. 2016. V. 2, N 4. P. 3-10. DOI: 10.12737/24269. 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: 10.1016/j.nima.2010.10.030. Pioch C., Mares V., Vashenyuk E.V., et al. 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. V. 626. P. 51-57. DOI: 10.1016/j. nima.2010.10.030. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Yadernaya fizika [Nuclear Physics]. 2nd Edition. Moscow, Nauka Publ., 1980. 728 p. (In Russian).