Ядерно-физические приборы (7 сем) / КручининПА_Лаб2_отчет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Институт Космофизики НИЯУ МИФИ

Кафедра «Экспериментальной ядерной физики и космофизики»

Отчет по лабораторной работе на тему:

«Исследование химического состава, энергетических и пространственных распределений космических лучей по данным эксперимента PAMELA»

Выполнил

Студент группы Б19-104

Кручинин Павел Алексеевич

Проверил преподаватель

Роденко Светлана Александровна

Москва - 2022 г.

Цель работы: изучить состав космических лучей различного происхождения в околоземном космическом пространстве с использованием данных, полученных с помощью магнитного спектрометра PAMELA.

Введение

В общем виде магнитосфера Земли представлена на рис.1:

Рис.1 Магнитосфера Земли

Геомагнитное поле можно разделить на три части: главное магнитное поле, аномальное магнитное поле, внешнее магнитное поле. Главное поле, а также его вековые вариации (так называются медленные изменения магнитного поля во времени) имеют внутренний источник в ядре Земли. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли. Внешнее поле связано с внешними источниками – токовыми системами в околоземном пространстве.

На малых расстояниях от Земли дипольная конфигурация поля искажается под влиянием земных магнитных аномалий, например, Бразильской, Канадской, Сибирской или Курской.

На расстояниях более ~ 5 радиусов Земли дипольная конфигурация магнитного поля планеты тоже искажается, но уже под действием «набегающего» солнечного ветра и переносимого им межпланетного магнитного поля. Солнечный ветер обтекает околоземное пространство по внешней границе ударной волны, создавая круговой ток. Магнитное поле тока сдерживает проникновение солнечного ветра внутрь магнитосферы и стабилизирует ее размеры. Переходная область между фронтом ударной волны и магнитосферой заполнена турбулентной солнечной плазмой. Это объясняет форму магнитосферы Земли – она сильно сплюснута с освещаемой Солнцем стороны и сильно вытянута с ночной стороны.

Вариации интенсивности солнечного ветра приводят к изменениям формы и размеров магнитосферы, что влияет на характер взаимодействия космического излучения с магнитосферой и изменяет потоки космических лучей у Земли.

Выполнение работы

Для получения данных использовались критерии отбора, полученные в первой лабораторной работе.

Рассматривались три области околоземного пространства с соответствующими геомагнитными координатами:

1) L > 6 – галактические космические лучи (ГКЛ)

2) B < 0.23 – частицы радиационного пояса (РП)

3) B > 0.25 и L < 2 – частицы альбедо

Для каждой из областей были построены распределения зарегистрированных событий в географических координатах (рис.2 – 4), а также зависимости средних ионизационных потерь в трековой системе от измеренной жёсткости (рис. 5 – 7).

Рис.2 Распределение зарегистрированных событий в географических координатах для ГКЛ

Рис.3 Распределение зарегистрированных событий в географических координатах для РП

Рис.4 Распределение зарегистрированных событий в географических координатах для альбедо

Рис.5 Зависимость средних ионизационных потерь в трековой системе от измеренной жёсткости для ГКЛ

Рис.6 Зависимость средних ионизационных потерь в трековой системе от измеренной жёсткости для РП

Рис.7 Зависимость средних ионизационных потерь в трековой системе от измеренной жёсткости для альбедо

Анализируя географические карты (рис. 2 – 4), можно сказать, что частицы ГКЛ могут достигать околоземного пространства через полюса. Частицы радиационного пояса регистрируют в области Бразильской магнитной аномалии. Частицы альбедо регистрируются приблизительно в полосе от 40 градусов южной широты до 50 градусов северной широты и не наблюдаются в области Бразильской магнитной аномалии.

Из зависимостей средних ионизационных потерь в трековой системе от жёсткости (рис. 5 – 7) можно определить химический состав ГКЛ, РП, альбедо. На каждом из рисунков можно выделить пять областей:

1) Протоны (во всех трех случаях их число преобладает)

2) Позитроны

3) Мезоны, которые образовались в веществе прибора

4) Ядра гелия He⁴

5) Изотопы ядер водорода (в основном дейтроны)

Также для ГКЛ рядом с областью 4 можно выделить нечеткие границы, соответствующие изотопу He³.

На рис.6 и 7 вертикальной линией показана жёсткость геомагнитного обрезания (ЖГО), равная соответственно 2 ГВ и 3 ГВ.

Далее для каждой области околоземного пространства были построены энергетические спектры протонов (рис.8). Синий цвет соответствуют протонам в области L > 6, красный – B < 0.23, зеленый – B > 0.25 и L < 2. Жесткость геомагнитного обрезания можно определить по резкому скачку интенсивности. Для L > 6 такого скачка не наблюдается, т.к. частицы регистрируются в области полюсов, где ЖГО имеет крайне малое значение (порядка нескольких МВ).

Рис. 8 Энергетические спектры протонов

Далее построены энергетические спектры для протонов во время солнечной вспышки 14 – 16 декабря 2006 года, где синий цвет соответствует протонам ГКЛ. Красный (1) – 14.12.2006; зеленый – 15.12.2006; красный(2) – 16.12.2006

Рис.9 Энергетические спектры для протонов во время солнечной вспышки 14 – 16 декабря 2006 года

Построены спектры для протонов в разные периоды проведения эксперимента (рис. 10). Наблюдается изменение зависимости потока галактических космических лучей под влиянием солнечной активности, т.е. солнечная модуляция. Однако ожидалось увидеть изменение только, в области низких значений жёсткости. Изменение также наблюдается и при высоких значениях. Это связано с временем работы прибора. Разница между временем измерения синего и зеленого спектра составляет 4 года. За этот период точность измерения прибора снизилась.

Рис.10 Энергетические спектры для протонов в разные периоды времени. Синий – 2006 г. Красный – 2008 г. Зеленый – 2010 г.

Заключение

В лабораторной работе был изучен состав космических лучей различного происхождения в околоземном космическом пространстве с использованием данных, полученных с помощью магнитного спектрометра PAMELA.

С помощью критериев отбора, полученных в лабораторной работе 1, были рассмотрены различные области околоземного пространства. Построены распределения зарегистрированных событий от географических координат, которые показывают механизмы прохождения космического излучения в околоземное пространство. Построены зависимости средних ионизационных потерь в трековой системе от измеренной жёсткости, с помощью которых можно определить химический состав каждой из рассматриваемых компонент космического излучения.

Далее построены спектры для протонов. Спектры позволяют определить значение жесткости геомагнитного обрезания для разных областей околоземного пространства. Также они несут информацию о солнечных вспышках, как, например, о вспышке 14 – 16 декабря 2006 года.

Построены спектры для различных периодов работы PAMELA, которые позволяют наблюдать изменение зависимостей для разных промежутков времени.