книги из ГПНТБ / Христиансен, Г. Б

Для регистрации радиоизлучения [64, 65] использовалась узко­ направленная антенна (система синфазных полуволновых вибра­

графическую развертку. Управление разверткой длительностью 15 мк сек проводилось с помощью системы счетчиков. Длитель­ ность импульсов на развертке определялась полосой пропускания

усилителя т——. Если просуммировать амплитуды всех наблю-

даемых импульсов в каждом месте развертки по большому числу разверток, то распределение суммарных амплитуд по длине раз­

ля Земли и отклонения в нем электронов и позитронов в проти­ воположном направлении. Возникающий таким образом диполь движется в атмосфере со скоростью, определяемой скоростью дви­ жения частиц высоких энергий, несущих основной поток энергии ш. а. л. А эта скорость больше с/п. Диполь будет создавать коге­

i

в магнитном поле на расстоянии г от оси ливня, Ui+ (Г) — то же для позитронов. Суммирование проводится по всем частицам, па­ дающим на единичную площадку на расстоянии г от оси и попав­ шим туда в силу кулоновского рассеяния и отклонения в магнит­ ном поле. Указанная сумма есть плотность тока, создаваемая маг­ нитным полем за счет существования в ливне электронов и позитронов. Этот ток переносится в пространстве со скоростью >с/п. Перпендикулярная направлению оси ливня составляющая этого тока в результате также дает черенковское излучение в радиодиапазоне.

3 0 То, что этот максимум приходится на t = 6 мк сек, связано с задержками в регистрирующем устройстве.

60

В следующих работах {67, 68] было обращено внимание на то, что в процессе формирования электрического дипольного мо­ мента происходит ускорение электронов и позитронов за счет силы

Лоренца F ——с [vH]. Поэтому возможно классическое излучение

зарядов, при этом электрическое поле ~eF~e2. И электроны, и позитроны создают поле в одинаковой фазе, и излучение опреде­ ляется полным числом частиц. В радиодиапазоне оно будет коге­ рентным.

не равной нулю второй производной дипольного момента по вре­ мени.

Рассмотренные модели в общем случае будут отличаться час­ тотным спектром и пространственным распределением радиоизлу­ чения. Однако общей чертой рассмотренных моделей является определяющая роль силы Лоренца в формировании поля излуче­ ния. Очевидно, что электрическое поле излучаемых волн должно иметь направление, совпадающее с направлением силы Лоренца

E\\[vH], где и — направление потока частиц ш. а. л., приближенно соответствующее направлению оси ливня.

Предлагаемые модели когерентного радиоизлучения ш. а. л. можно разбить условно на две категории: 1) модели, в которых существенно черенковское излучение ливневых частиц, т. е. излу­

Различные методы исследования радиоизлучения ш. а. л.

Основной задачей экспериментальных исследований радиоизлуче­ ния является получение детальной и точной информации о радио­ излучении по возможности в каждом индивидуальном ливне с использованием методики, не чувствительной к предположениям той или иной модели. Количественное исследование радиоизлуче­ ния началось после включения детекторов радиоизлучения корре­ лированно с большими комплексными установками для исследо­ вания ш. а. л. [71, 72] (С. Н. Вернов и др., Аллан и др.).

Важные предварительные данные о существенной роли геомаг­ нитных механизмов радиоизлучения были получены с использова­ нием статистических методов регистрации соответствующих ш. а. л. В работе [73] использовалась система из узконаправленных антенн на частоте 20 Мгц, ориентированных таким образом, что направ-

61

ления приема этих антенн v составляли различные углы с направ­ лением магнитного поля Земли Я. При этом направления приема были выбраны так, что все они лежали в вертикальной плоскости,

проходящей через направление Я, и набор их был симметричен относительно вертикали. В этом случае при управлении локальной установкой ш. а. л. можно сравнивать суммарные амплитуды импульсов, зарегистрированных парой антенн, с одинаковым углом

Но это не означает количественного решения вопроса о вкладе моделей, учитывающих магнитное поле Земли.

Еще менее определенные количественные данные получаются при изучении частотного спектра радиоизлучения статистическим методом. В работе [74] исследовалось радиоизлучение в диапазоне частот от десятков до 400 Мгц при управлении локальной уста­ новкой ш. а. л. Из-за изменения формы пространственного распре­ деления радиоизлучения при изменении частот в этих эксперимен­

чения с этими параметрами. Так оказалось, что положение им­ пульса радиоизлучения на осциллографической развертке соответ­ ствует ожидаемому при условии, что фронт потока радиоизлучения совпадает с фронтом ливневого диска. Было обнаружено, что импульсы радиоизлучения наблюдаются толькое в ливнях с боль­

общего числа зарегистрированных ш. а. л. составляла не более нескольких процентов.

Однако количественное изучение пространственного распреде­ ления радиоизлучения, его частотного спектра, его поляризации и его связи с первичной энергией £э и другими параметрами ливня возможно только при использовании большого числа антенн, рабо­ тающих коррелированно с комплексными установками.

Для того чтобы понять необходимость такого подхода, рас­ смотрим более подробно регистрацию радиоизлучения ш. а. л. с помощью простейшей антенны — полуволнового вибратора. Имен­ но полуволновый вибратор (или система вибраторов) нашел ши­

62

годаря возможности его точного расчета, а также отсутствию рез­ кой угловой направленности, что важно при исследовании априори неизвестных механизмов радиоизлучения.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора. Одной из основных характеристик полуволнового вибратора является его диаграмма направленности, т. е.

зависимость электрического поля волны от направления. Необхо­ димо различать диаграммы на­ правленности излучения и прие­ ма. В случае полуволнового виб­ ратора (рис. 18) излучение

тору k, а абсолютное значение электрического поля — пропорцио-

—*

нально косинусу угла между k и осью вибратора. Это связано с тем, что колебание зарядов в вибраторе происходит вдоль его оси и вдоль оси возникает электрическое поле излучения, проекции которого по разным направлениям и определяют картину диаграм­ мы направленности.

Для вибратора, расположенного достаточно близко к земле, на расстояниях п^Х, существенно учитывать влияние самой земли на диаграмму направленности. Определяющую роль здесь играет ди­ электрическая постоянная и проводимость почвы. Эти величины значительно меняются в зависимости от погоды. Поэтому для ста­ билизации диаграммы направленности применяется [78] проводя­ щий экран, практически — металлическая сетка, которая покры­

относительно плоскости земли источника излучения — также полу­ волнового вибратора.

Таким образом, диаграмма направленности полуволнового виб­

63

чаться от диаграммы направленности излучения, если принимае­

Для механизма черенковского излучения избыточного заряда поляризация иная: в первом приближении она соответствует поля­ ризации обычного черенковского излучения, т. е. вектор Е перпен­ дикулярен образующей черенковского конуса, или, поскольку че-

64

получается не линейной, а радиальной, зависящей от положения антенны относительно оси ш. а. л. в плоскости, перпендикуляр­ ной оси.

Очевидно, что случай геомагнитной и черепковской поляриза­ ции отличаются тем, что в первом случае для всех антенн, реги­ стрирующих радиоизлучение индивидуального ливня, значения cosg будут одинаковыми (конечно, при условии одинаковой ориентации осей вибраторов), во втором случае — изменяться от одной антен­ ны к другой.

Методы и результаты количественного исследования характери­ стик радиоизлучения. Можно показать (см. [79]), что напряжен­ ность электрического поля Ev, соответствующая фурье-компоненте радиоимпульса, дается выражением

где Av — полоса пропускания, Я — длина волны, соответствующая

ня при использовании одного детектора радиоизлучения для зара­ нее неизвестной модели поляризации превращается в неразреши­ мую задачу.

Но даже если известна поляризация, возникают дополнитель­ ные осложнения при желании получить хотя бы усредненные дан­

детекторов радиоизлучения3 4 позволяет в принципе снять отмечен­ ные трудности и получить результаты для индивидуальных ливней.

Если часть полуволновых вибраторов разместить парами так, чтобы в паре оси вибраторов были под некоторым углом друг к другу (например, один вибратор с осью в направлении Восток — Запад, другой — Север — Юг), то с помощью такой пары можно проверять справедливость той или иной модели поляризации для данного ливня на данном расстоянии г от его оси. Действительно, если оба вибратора находятся в одном месте, то два значения Ev, получаемые по показаниям различных вибраторов, должны быть

Например, в установке МГУ используется десять полуволновых вибраторов на частоте 30 Мгц и восемь на частоте 58 Мгц.

одинаковы при правильном выборе механизма поляризации, т. е, должно выполняться соотношение

В установке желательно иметь несколько пар вибраторов на раз­ ных расстояниях от оси.

С другой стороны, безотносительно к тому, удалось ли устано­ вить поляризацию или нет, большое число антенн позволяет по-

J53

ляризации радиоизлучения (например, для геомагнитных и гео­ электрических моделей). Если на одинаковом расстоянии г от оси ливня оказываются вибраторы, настроенные на разные v, то мож­

Наконец, можно исследовать зависимость этих общих характе­ ристик от Nn и от других параметров, например возраста ливня (5 или N»/Ne).

На рис. 20, 21 схематически показаны экспериментальные функ­ ции Его (г) и E5s/E30(r), полученные на установке МГУ [80] при

66

в среднем остается постоянным вплоть до г ^150+200 м и далее падает.

На рис. 22 приведены данные [81] о поляризации излучения. По оси ординат отложено число событий, для которых отношение

амплитуд импульсов в антеннах «С—Ю» и «3—В» согласуются с тем или иным теоретическим механизмом в пределах одной, двух и т. д. среднеквадратичных ошибок. По оси абсцисс отложена величина ошибки. Гистограмма-/ — для геомагнитного механизма; гистограмма-^? — для механизма отрицательного зарядового из­ бытка. Приблизительно в 10% случаев наблюдаются события, в которых поляризация не соответствует ни одному из рассмотрен­ ных выше механизмов.

Впечатляющим экспериментальным фактом является явное пре­ обладание среди ш. а. л., дающих радиоизлучение, таких, оси ко­ торых ориентированы под большими углами к вектору магнитного

Однако сам по себе этот факт не решает вопроса об относительной роли различных механизмов поляризации.

Из других экспериментальных данных по радиоизлучению ш. а. л., полученных с помощью комплексных установок, отметим

фаз излучения из различных точек траектории частицы близка к нулю, действительно, лишь вблизи направления fly. В этом случае по другим направлениям, например, при f} = 0 (рис. 24), запаздыва­

«Комплексной» — в смысле строгого учета возможного вклада различных механизмов в создание радиоизлучения.

68

ше Я для оптического диапазона, и условие когерентности в на­ правлении f} = 0 не выполняется.

Иначе обстоит дело в случае радиоизлучения ш. а. л. Рассмот­

ровом диапазоне, и в направлении Ф = 0 может возникать когерент­ ное декаметровое излучение. Очевидно, что это излучение может возникать и в других направлениях как при тКтЭу, так и при Таким образом, радиоизлучение ш. а. л. есть, по-видимому, специфический случай черенковского излучения с относительно малой величиной отношения пути формирования h и длины излу­

чаемых волн К.

К сожалению, теории черенковского излучения для этого слу­ чая не существует, хотя имеются некоторые приближенные оцен­ ки. В так называемом оптическом приближении (85], когда рас­ стояние наблюдателя от источника значительно больше пути фор­

Впервом случае поляризация среды происходит вдоль направ-

—>

ления v, во втором — перпендикулярно этому направлению. Мно­

Околичественной модели радиоизлучения.

Впринципе построить количественную модель черенковского радиоизлучения ш. а. л. возможно. Однако для этого необходим целый ряд таких характеристик ш. а. л., которые до сих пор не рассчитаны теоретически и не изучены экспериментально.

69