авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

( ) . ,

-- [ Страница 1 ] --

..

( )

. ,

.04.16-“, ”

2012

НАЦИОНАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ им. А.И.Алиханяна

(Ереванский физический институт)

Ванян Левон Альфунсович

Модель Грозовых Наземных Превышений: расчеты потоков электронов, гамма квантов и нейтронов от грозовых облаков

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук по специальности 01.04.16 “Физика ядра,

элементарных частиц и космических лучей”

ЕРЕВАН – 2012

.. :

`

.-. . .. ()

`

.-. . . . (, )

.-. . .. ()

`

2012 . 29- . 1400- .. - « » 024 :

` 0036, , 2:

.. :

2012 . 25-:

,

.-. . ` ..

Тема диссертации утверждена ученым советом Национальной научной лаборатории

им. А.И. Алиханяна

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук А.А. Чилингарян (ННЛ)

Официальные опоненты:

доктор физ.-мат. наук Н. З. М.И.Панасюк (МГУ)

доктор физ.-мат. наук Н.А.Демехина (ННЛ)

Ведущая организация: Ереванский Государственный Университет

Защита диссертации состоится 29 ноября 2012 г. в 1400 часов на заседании специализированого совета ВАК 024 ”Физика ядра и элементарных частиц” Национальной научной лаборатории.

Адрес: Ереван, 0036, ул. Братьев Алиханян 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННЛ.

Автореферат разослан 25 октября 2012 г.

Ученый секретарь специализированного совета 024, д.ф.м.н. Э.Д. Газазян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В начале прошлого века С.Р.Т. Вильсон обнаружил, что быстрые электроны могут получать больше энергии от атмосферных электрических полей чем терять на ионизацию. Когда энергия, переданная электрическим полем электронам превышает потери на ионизацию в воздухе, энергия электрона возрастает и электрон “убегает” непрерывно набирая энергию. В 1992 году А. Гуревич с коллегами предложил теоретическую модель Пробоя на Убегающих Электронах (ПУЭ), в которой вторичные электроны космических лучей с энергией 0.1 – 1 МэВ играли роль затравочных частиц в развитии электронно-фотонного каскада. Убегающие электроны в столкновениях с молекулами воздуха выбивают дополнительные электроны и развивают каскадный процесс с рождением гамма-квантов, когда напряжение электрического поля в атмосфере превышает пороговое значение Et = 2,18 kV/cm * n, где n плотность воздуха. Значение порогового поля для процесса ПУЭ: Еt соответствует минимуму ионизационных потерь электрона. Модель была предложена с целью объяснить инициирование молний в грозовой атмосфере, где напряженность электрических полей на порядок меньше, чем напряженность необходимая для газового пробоя. Поля с критической напряженностью 20-30 kV/cm, необходимые для обычного пробоя не наблюдаются в атмосфере. Согласно модели Гуревича процесс ПУЭ сопровождается лавинным умножением электронов, поскольку убегающие электроны ионизируют атомы воздуха вдоль своей траектории, электроны последующих поколений - результат ионизации воздуха, также ускоряются полем генерируя лавины электронов и гамма квантов. Ливни убегающих электронов создают проводящий канал и, в конце концов приводят к пробою воздуха. Таким образом предлагалось решение вековой проблемы атмосферного электричества – возникновения молниевого разряда. В результате дальнейшего моделирования процессов ПУЭ и рассмотрения упругого рассеяния электронов в воздухе значение Et было увеличено до Et=2.84кВ/см. Такие поля регистрировались в грозовых атмосферах и, таким образом, можно было объяснить молниевый разряд. Однако, до сих пор отсутствуют прямые доказательства развития молниевого разряда из лавины инициированной убегающими электронами. Поэтому, чтобы разделить процессы молниевого разряда и лавины убегающих электронов в настоящее время принято использовать термин «лавины релятивистских убегающих электронов» (ЛРУЭ). Процесс ЛРУЭ поддерживается положительной релятивистской обратной связью с участием квантов тормозного излучения и позитронов, порождаемых самими лавинами. Таким образом процесс развития электронно-фотонных лавин в атмосфере методологически разделялся от исследования молниевого разряда, что облегчает интерпретацию экспериментов.

Ранние попытки зарегистрировать ЛРУЭ в основном заключались в регистрации «вспышек» высокоэнергичных фотонов в экспериментах на воздушных шарах и на горных высотах. Как ни странно, возрастание интереса к процессам ЛРУЭ связано не с надземными, а с орбитальными измерениями. В 1994 орбитальной гамма- обсервоторией имени Комптона (CGRO) были зарегистрированы вспышки гамма-лучей, коррелировнные с грозами с максимальная энергий фотонов 20 МэВ. Последующие эксперименты на спутниках выявили наличие гамма-квантов с энергией до 40 МэВ даже до 100 МэВ. Наблюдение фотонов до 100 МэВ требует наличия электронов по крайней мере таких же энергий. Объсянение столь высокоэнергетичных частиц невозможно в рамках существующих теорий ПУЭ и ЛРУЭ.

С 2008 года на Арагацком Центре Космических Погоды (АЦКП) регистрируются превышения потоков вторичных космических лучей, связанных с грозовой активностью, так называемых Грозовых Наземных Превышений (ГНП). В течении 4-х лет были наблюдены около 300 событий грозовой активности, которые сопровождались возрастаниями потоков гамма квантов, электронов и нейтронов. Уникальность эксперимента состоит в том, что с помощью комплекса установок разных типов и разных энергетических порогов, одновременно измеряются и идентифицируются разные типы элементарных частиц. Измеряются так же энергетические спектры гамма квантов и электронов. В 2009 г. впервые были зарегистрированы индивидуальные лавины на убегающих электронах, в 2010 получены энергетические спектры электронов и фотонов ЛРУЭ. Энергетические спектры фотонов простираются до 100 МэВ. Нейтронные потоки, регистрируемые одновременно с потоками фотонов также не могли быть объяснены предложенными теориями ядерного синтеза в молниевых разрядах. Требовалось найти непротиворечивое объяснение регистрируемых установками Арагаца потоков частиц, связанных с грозовой активностью в рамках единой модели. Диссертационная работа посвящена моделированию процессов образования и ускорения частиц в грозовых облаках с целью объяснения экспериментальных данных полученных на Арагаце и создания физической модели ГНП, в том числе:

  • Моделирование атмосферных электрических полей, возникающих в облаках и инициирующих грозовые надземные превышения.
  • Моделирование развития электронно-фотонных каскадов в атмосфере.
  • Моделирование изменения спектров вторичных космических лучей в электрических полях грозовых облаков.
  • Моделирование фоторождения нейтронов в атмосфере и в свинцовом поглотителе нейтронного монитора.
  • Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Построение модели грозовых наземных превышений.

Практическая значимость полученных результатов.

Предложенная и проверенная на Арагацких данных модель ГНП может быть применена для объяснения Наземных Гамма Вспышек (НГВ), регистрируемых орбитальными гамма обсерваториями: в частности вопрос о регистрации 100 МэВных фотонов найдет свое объяснение в рамках разработанной модели.

Полученные энергетические спектры электронов и гамма квантов на выходе из грозовых облаков позволят оценить структуру распределения зарядов в грозовых облаках.

Расчёты интенсивности нейтронных потоков позволят рассчитать дозы, которые могут получить пассажиры и экипаж самолетов находящихся вблизи грозовых облаков.

Научная новизна.

  • Предложенная двухкомпонентная модель потоков частиц от грозовых облаков, состоящая из модели Лавин Релятивистских Убегающих Электронов и МОдификации энергетических Спектров (МОС) заряженных космических лучей объясняет высокие максимальные энергии фотонов, зарегистрированные в наземных и орбитальных экспериментах,
  • Разработаны методы определения высоты грозовых облаков над детекторами элементарных частиц путем сравнения интенсивности потоков электронов и фотонов. Рассматривается зависимость отношения количества электронов к количеству гамма квантов от величины напряженности электрического поля на выходе облаков, а также от длины дальнейшего пробега до точки наблюдения, что дает возможность оценить высоту грозовых облаков.
  • Рассчитаны спектры нейтронов рождающихся в результате взаимодействия гамма квантов с атомами воздуха. Рассчитаны отклики нейтронного монитора на экспериментальные спектры гамма квантов и нейтронов, объяснены «нейтронные» события зарегистрированные Тибетским и Арагацким нейтронными мониторами.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

  • Двухкомпонентная модель инициировании ГНП, которая учитывает не только ЛРУЭ, но и ранее не рассматриваемый процесс модификации энергетических спектров заряженных космических лучей в атмосферных электрических полях.
  • Расчётные энергетические спектры электронов и гамма квантов, коэффициенты лавинного умножения электронов, полученные в результате моделирования процессов ЛРУЭ.
  • Фотоядерное происхождение нейтронных потоков от грозовых облаков. Проведены расчёты, как фотоядерного процесса в атмосфере, так и в свинцовом размножителе нейтронного монитора.

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 6-и работах: в 4-х статьях и в 2-х тезисах докладов (см. список в конце автореферата).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции “TEPA-2010” (Нор Амберд, Армения, 2010), на 32-ой международной конференции по космическим лучам (ICRC 2011, Пекин, Китай, 2011), на 2-м Международном симпозиуме по космическим лучам “Арагац 2011”(Нор Амберд, Армения, 2011), на “Европейском симпозиуме по космическим лучам”, и на международной конференции “TEPA-2012”(Москва, Россия, 2012).

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 6-и работах- 4-х статьях и 2-х тезисах докладов (см. список в конце автореферата).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертационная работа изложена на 102 стр. и содержит 4 таблиц, 50 рисунков и 80 наименований библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлен краткий обзор современного состояния науки об атмосферном электричестве, описание моделей ПУЭ и ЛРУЭ. Приведены основные результаты, полученные путем вычислительных и теоретических исследований. Представлена цель работы, научная новизна.

В первой главе представлен обзор, зарегистрированных ранее ГНП в потоках электронов и фотонов. Также представлены последние результаты орбитальных измерений. Приведена гистограмма амплитуд ГНП, зарегистрированных Арагацкими детекторами, см. рис. 1. Среди этих событий особенно важны два крупнейших события - 29.09.2009 и 10.04.2010 (нижний правый угол рисунка), в которых зарегистрированы наибольшие потоки, и для которых были восстановлены энергетические спектры электронов и фотонов ГНП. Амплитуда большинства событий ГНП составляет меньше 10% и восстановление энергетических спектров сильно затруднено ввиду больших флуктуаций в спектрах энерговыделений. Модель грозового облака и распределение зарядов в нем, приведенные на рисунке 1 будут обсуждены во второй главе[3].





Как видно из рисунка 2, ионизационные потери электрона имеют минимум в районе энергии ~1 МеВ для высот 3400, 4000 и 4500 м. Соответствующее электрическое поле компенсирующее эти потери на высоте 3400 м равно согласно теории А.Гуревича, Еt =1.35 кВ/см. В последующих работах Бабича и Дуаера значение порогового электрического поля было уточнено: при учете упругих столкновений электрона с атомами воздуха значение пороговой энергии возрастает до Еt = 1.7 кВ/см. Радиационные потери электрона не играют существенной роли при энергиях до 10-20 МэВ. В результате взаимодействия электронов с атомами воздуха генерируются новые электроны, часть которых также обладает энергиями в районе 1 МэВ. Таким образом, электроны второго поколения не поглощаются в воздухе, а также «убегают» и наблюдается возрастание электронного потока, с последующем превращением его в электронно-фотонную лавину.

Рис.1 Гистограмма амплитуд ГНП событий, зарегистрированных детекторами АЦКИ 2008 2011 гг.

 Удельные ионизационные потери-1

Рис.2. Удельные ионизационные потери электрона на высотах 3400м, 4000м и 4500м сравненные с энергией, полученной электроном от однородного электрического поля с напряженностью 1.7 кВ/см.

Визуализация такой лавины, полученной с помощью вычислительного кода GEANT4, приведена в рисунке 3. Электрон с начальной энергией 1 МэВ входит в электрическое поля на высоте 5000м. В результате ионизации атомов воздуха рождаются новые электроны, которые в свою очередь генерируют гамма кванты. Траектории электронов отмечены красными линиями, траектории гамма квантов – зелеными.

.

Рис.3. Иллюстрация Лавины Релятивистских Убегающих Электронов, полученные с помощью вычислительного кода GEANT4. Красными линиями отмечены траектории электронов, зелеными гамма квантов.

Далее обсуждаются нейтронные возрастания, связанные с грозовой активностью. Первое упоминание о превышении нейтронов, связанных с грозовой активностью, относиться к 1985 году. В Гулмарге, Индия, на высоте 2730 метров нейтронный монитор зафиксировал нейтронное превышение во время молнии. В течении трех последующих лет проведения эксперимента были зафиксированы несколько подобных событий. Хотя временное разрешение прибора было намного больше длительности молнии, авторы заключили, что нейтроны рождаются в результате синтеза дейтерия в молниевой плазме – H2+H2 -> He3 + n(2.45МэВ). В большинстве остальных экспериментов превышения нейтронов связывались с ударами молний и с рождением нейтронов в плазме. В 2007 году в работе Л. Бабича и Р. Дюпрэ было теоретически показано, что в плазме молнии температура как минимум на порядок меньше, чем необходимо для рождения нейтронов путем синтеза. Менее экзотический источник генерации нейтронов является фотоядерная реакция + 14N -> 13N + n. Именно этот механизм рождения нейтронов в грозовой атмосфере рассматривается в диссертации как основной.

В конце главы представлены детекторы АЦКП и описаны принципы функционирования некоторых из них, применяющихся при изучениях ГНП. Сцинтилляционный детектор АСНТ (Арагацкий Солнечный Нейтронный Телескоп) состоит из 8-сцинтиллиаторов – 4-х верхних, с размерами 100 х 100 х 5см, и 4-х нижних, с размерами 100 х 100 х 60см. Расстояние между верхними и нижними слоями составляет 1.2 м. С каждого из 8 сцинтилляторов регистрируются секундные временные ряды счета. Тонкие сцинтилляторы чувствительны к заряженным частицам, нижние, толстые, кроме того – и к нейтральным. Поэтому, применяя схемы совпадения любых комбинаций срабатываний 8 счетчиков можно выделять события различного типа: прохождения нейтральных частиц, заряженных, горизонтальных мюонов, широких атмосферных ливней и т.п. Соответствующие 1-минутные гистограммы энерговыделений позволяют восстановить энергетические спектры фотонов начиная с энергий 7 МеВ. Детектор Куб сконструирован специально для того, чтобы регистрировать потоки гамма квантов ГНП. Детектор состоит из 2 сцинтилляторов размерами 50 х 50 х 20см, которые расположены друг над другом и полностью, с шести сторон окружены сцинтилляторами толщиной 1см, включенных в схему антисовпадений с внутренными толстыми детекторами. Система антисовпадений подавляет заряженный поток на уровне не менее 95%, с довольно высокой эффективностью регистрации фотонов, ~30%. Таким образом, идентифицируются гамма кванты и восстанавливается их энергитический спектр с 3 МэВ. Детектор Станд состоит из трех сцинтилляторов с размерами 100 х 100 х 1 см, которые расположены друг над другом, и одного отдельно расположенного сцинтиллятора толщиной 3см. Так как над каждым сцинтиллятором находится разное количество вещества, то у каждого сцинтиллятора разный энергетический порог, что позволяет восстановить интегральный энергетический спектр электронов. Детектор Станд 3см состоит из стопки четырех 3 см. сцинтилляторов, что значительно увеличивает диапазон восстанавливаемого энергетического спектра электронов. Сеть кристаллов иодата натрия (NаI) состоит из 5 кристаллов размерами 12.5 х 12.5 х 30см. Кристаллические сцинтилляторы поставлены в алюминиевый чехол толщиной 1мм (кристаллы гигроскопичны). Кристаллы NaI имеют высокую эффективность регистрации гамма квантов и могут непосредственно измерять энергетические спектры фотонов.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.