Ядерно-физические приборы (7 сем) / 2 лаба

Национальный исследовательский ядерный университет

«МИФИ»

Отчет по лабораторной работе «Исследование химического состава, энергетических и пространственных распределений космических лучей по данным эксперименты PAMELA»

Выполнил

Студент группы Б21-105

Морозов М. А.

Проверил преподаватель

Роденко С. А.

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

2.1. Космические лучи в околоземном пространстве.

2.1.1. Магнитное поле Земли.

Основная гипотеза происхождения МП – это магнитное гидродинамо. Согласно ей, в центре планеты существует токопроводящее жидкое внешнее ядро, тепловая конвекция в котором приводит к образованию кольцевых электрических токов (рис. 2.1). Различная скорость механического движения вещества в нижней части жидкого ядра и твердого внутреннего ядра, а также в верхней части жидкого ядра и мантии приводит к формированию кольцеобразных замкнутых электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями возникает суммарное магнитное поле дипольного характера.

Рис. 2.2 Магнитосфера Земли

Рис 2.1. Природа магнитного поля Земли

На малых расстояниях магнитное поле можно представить в виде диполя. Особенности положения и ориентации магнитного диполя: ось: а) не проходит через геометрический центр вращения Земли и сдвинута в сторону, противоположную восточной оконечности Бразилии на 400÷1000 км; б) наклонена на 10÷15º к оси вращения Земли. Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля.

Геомагнитное поле можно разделить на три части: главное, аномальное и внешнее магнитное поле. Главное поле имеет 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. Наблюдаемое на поверхности Земли магнитное поле есть примерно на 95 % главное поле, на 4 % аномальное поле и на 1 % внешнее поле.

2.1.2. Геомагнитные координаты

Для описания движения частиц в магнитном поле Земли удобно ввести геомагнитную систему координат, в которой точка в дипольном поле задается двумя координатами L и B. L - величина равная расстоянию от центра Земли до точки пересечения магнитной силовой линией, проходящей через данную точку, плоскости геомагнитного экватора. Координата L измеряется в радиусах Земли. B – магнитная индукция поля в данной точке и измеряется в Гс.

Рис. 2.3 Геомагнитные координаты Мак-Илвайна

2.1.3. Компоненты космических лучей в околоземном пространстве.

Компоненты космических лучей, присутствующих в разных областях околоземного пространства:

галактические космические лучи;

солнечные космические лучи;

захваченные частицы радиационного пояса;

частицы альбедо.

Галактические космические лучи (ГКЛ) рождаются:

а) в источниках, расположенных внутри нашей Галактики, например, при взрывах сверхновых;

б) при взаимодействии высокоэнергичных первичных космических лучей с межзвездной средой (вторичная компонента).

Солнечные космические лучи (СКЛ) – потоки заряженных частиц, ускоренных на Солнце в результате активных взрывных процессов (солнечных вспышек) и эпизодически появляющихся в межпланетном пространстве на фоне ГКЛ.

Движение космических лучей в магнитном поле Земли определяется их зарядом и энергией, а также конфигурацией и напряженностью магнитного поля. Вектор скорости частицы можно разложить на две составляющие, обеспечивающие поступательное движение вдоль магнитной силовой линии и вращательное вокруг магнитной силовой линии. В совокупности получается движение по спирали. Траектория движения частицы зависит от ее магнитной жесткости. Каждой точке магнитосферы соответствует определенное критическое значение магнитной жесткости, называемое жесткостью геомагнитного обрезания. Если магнитная жесткость частицы равна этому значению или больше него, она может достичь данной точки. Значение критической магнитной жесткости зависит от направления, по которому частица движется в эту точку.

Радиационный пояс Земли (РПЗ). Внутри магнитосферы есть область, в которую частицы с энергией меньше критической не могут попасть, а те, что уже находятся там, не могут ее покинуть. Эту область называют зоной захвата или радиационным поясом Земли. Существует несколько механизмов заполнения РПЗ. Первый и основной механизм – это распад альбедных нейтронов с образованием протонов, электронов и электронных антинейтрино. Второй механизм – радиальная диффузия.

Частицы альбедо – это продукты ядерных реакций, возникающие при взаимодействии первичных космических лучей с атмосферой Земли.

Результаты 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 географические карты, а также зависимости средних ионизационных потерь в трековой системе от измеренной жёсткости в логарифмическом масштабе.

Рис. 2.4 Географическая карта для ГКЛ

Рис. 2.5 Географическая карта РП

Рис. 2.6 Географическая карта частиц альбедо

Рис. 2.7 Зависимость средних ионизационных потерь от жесткости для ГКЛ

Рис 2.8 Зависимость средних ионизационных потерь от жесткости для РП

Рис 2.9 Зависимость средних ионизационных потерь от жесткости для частиц альбедо

Анализируя географические карты, 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 зависимости средних ионизационных потерь от жесткости можно определить химических состав ГКЛ, РП и частиц альбедо. ГКЛ состоят из ядер гелия, протонов, электронов и дейтронов. РП и частица альбедо состоят из протонов, электронов и дейтронов. На рисунках выделены 4 соответствующие области:

1. Ядра гелия

2. Протоны

3. Электроны

4. Дейтроны

На рис. 2.8 и 2.9 вертикальной линией показана жёсткость геомагнитного обрезания (ЖГО), равная соответственно 2 ГВ и 3 ГВ. Частицы с меньшей жестокостью составляют РП или частицы альбедо, с большей – ГКЛ.

Далее для каждой области околоземного пространства были построены энергетические спектры протонов. Жесткость геомагнитного обрезания можно определить по резкому скачку интенсивности. Для ГКЛ такого скачка не наблюдается, т.к. частицы регистрируются в области полюсов, где ЖГО имеет крайне малое значение (порядка нескольких МВ).

Рис. 2.10 Энергетические спектры протонов

Далее построены энергетические спектры для протонов во время солнечной вспышки 14 – 16 декабря 2006 года.

Рис. 2.11 Энергетические спектры протонов во время солнечной вспышки

Из энергетического спектра видно, что максимум интенсивности вспышки приходится на вторую половину 15 декабря 2006 года, минимум интенсивности вспышки приходится на вторую половину 16 декабря 2006 года.

Также построены энергетические спектры для протонов в разные периоды проведения эксперимента. 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 верхнего и нижнего спектров составляет 4 года. За этот период точность измерения прибора снизилась.

Рис 2.12 Энергетические спектры протонов в разные периоды проведения эксперимента

Заключение

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

В первом задании были построены географические карты и зависимости средних ионизационных потерь от жесткости для каждой из компонент космических лучей: галактической компоненты, частиц радиационного пояса и альбедо. Определен химический состав каждой из компонент. ГКЛ состоят из ядер гелия, протонов, электронов и дейтронов, РП и частицы альбедо – из ядер гелия, протонов и электронов.

Во втором задании выставлен критерий отбора с помощью зависимости dE/dx(R) полученный в первой лабораторной работе. Построены энергетические спектры протонов каждой из компонент космических лучей.

В третьем задании построены энергетические спектры для протонов во время солнечной вспышки 14 – 16 декабря 2006 года. Найдены промежутки времени максимума и минимума интенсивности солнечной вспышки.

В четвертом задании были построены энергетические спектры для протонов в разные периоды проведения эксперимента.