Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

стабилизированная ориентация в пространстве для сохранения необходимой направленности на объект в течение длительного времени;

режим работы – автоматический, без операторов-космонавтов; высокая энергоемкость; большой ресурс работы.

Для создания таких КА сегодня уже имеются необходимые конструкторские разработки и можно надеяться, что в недалеком будущем они будет выведены в космическое пространство.

Для обнаружения ядерных энергетических установок на КА помимо гамманейтронных методов НРА существуют и другие, например колориметрический метод, измеряющий тепловые потоки энергии от этих объектов. Возможно также использование гам- ма-рентгеновских томографических методов, позволяющих получить объемное изображение внутренней структуры всего исследуемого КА. В этом случае необходимо наличие дополнительного космического аппарата, на котором должны находиться мощные рентгеновские или гамма-источники.

7.6.Измерения потоков гамма-излучения для обнаружения РДМ на орбитальной станции «Мир»

На орбитальной станции «Мир» в 1991 году была установлена гамма-спектроскопическая аппаратура «Букет», которая представляла собой гамма-телескоп с ксеноновым гамма-спектрметром, окруженным охранными сцинтилляционными детекторами, включенными в систему антисовпадений. Аппаратура «Букет» была разработана специалистами МИФИ и ЛФТИ РАН. Она проработала на борту станции «Мир» около десяти лет вплоть до затопления ее в Тихом океане.

Помимо исследования космических гамма-вплесков в программу измерений были включены также измерения фоновых потоков гамма-квантов на борту станции «МИР». Большая масса орбитального комплекса «Мир» (более 15 т) создавала на борту значительный радиационный фон, который образуется в результате взаимодействия космических лучей с конструкционными элементами станции. Измерения радиационного фона крайне важно при пла-

161

нировании и проведении астрофизических измерений на КА, имеющих значительную массу. Как выяснилось, общий уровень фона заряженных частиц в диапазоне энергий 200–1000 кэВ в несколько раз превышал фон над верхней границей атмосферы Земли. Широтное изменение фона на борту КА хорошо подтверждается измерениями интенсивности аннигиляционной гамма-линии 511 кэВ. Ее интенсивность увеличивалась в 10 раз на высоких широтах по сравнению с экваториальными областями, для которых она составляла 10–2 фотон/(см2 с).

Во время спектральных измерений гамма-излучения на борту станции «Мир» в области энергий 179–200 кэВ иногда появлялся мощный поток избыточного гамма-излучения. На гамма-спектрах в этой энергетической области были зарегистрированы несколько дополнительных гамма-линий. Анализ показал, что гамма-линии появлялись в измеренных гамма-спектрах далеко не всегда. Установлено, что время их появления в фоновом энергетическом спектре гамма-квантов совпало со временем прибытия и присутствия на космическом комплексе грузового транспортного корабля. Как выяснилось позже, на борту транспортного корабля в урановом контейнере находился радиоактивный источник, который использовался для системы мягкой посадки «Кактус». Именно гаммаизлучение этого радиоактивного источника регистрировалось гамма-спектрометрической аппаратурой «Букет» в виде дополнительных гамма-линий в фоновом спектре.

В результате этих измерений было показано, что с помощью гамма-спектрометра даже небольшого размера (масса его рабочего вещества составляла всего 500 г ксенона) можно обнаружить РДМ на КА. Расстояние между детектором и транспортным кораблем было не очень большим ( 15 м). Именно это обстоятельство позволило обнаружить имеющиеся на «грузовике» РДМ. Для измерений на больших расстояниях необходимо использовать более чувствительную аппаратуру и с большим количеством рабочего вещества.

162

Литература

1.Кузнецов В.М. Российская атомная энергетика, вчера, сегодня, завтра. Взгляд независимого эксперта. М.: Голос-пресс, 2000.

2.Гудилин В.Е., Слабкий Л.И. Ракетно-космические системы: История. Развитие. Перспективы. М., 1996.

2.Железняков А.Б. Взлетая падала ракета. СПб.: Система,

2003.

4.Doug Reilly, Norbert Ensslin, Hastings Smith, Jr., Sarah Kreiner. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials. US NRC, 1991.

5.Nicholas Tsoulfanidis, «Measurement and detection of radiation», Taylor & Francis, Washington, 1995.

6.Власов Н.А. Нейтроны. М., 1971.

7.Колдобский А.Б., Насоков В.П. Вокруг атомной энергии: правда и вымыслы. М., 2002.

163

ГЛАВА 8. СЛАБЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ СОЛНЕЧНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ

ИГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

ВОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Околоземное космическое пространство является многокомпонентной средой, в состав которой входят различные физические объекты: плазма, электрические и магнитные поля, потоки заряженных частиц в широком диапазоне энергий, электромагнитные излучения, нейтральные атомы и др. В спокойных (стационарных) условиях все перечисленные компоненты находятся в равновесных состояниях, характеризующихся некими стационарными параметрами. Так, например, заряженные частицы описываются интенсивностью, энергетическими спектрами, питч-угловыми распределениями, широтными и долготными зависимостями и др. В нестационарных условиях при внешних воздействиях (например, солнечные вспышки, геофизические события) некоторые компоненты (а возможно, и все) околоземного космического пространства возмущаются, при этом возмущения могут быть как глобальные, так и локальные, могут иметь различную длительность. К радиационным возмущениям относятся изменения (вариации) потоков заряженных частиц (электронов, протонов, ядер гелия и др.).

Вариации потоков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве вызываются солнечномагнитосферными и геофизическими процессами, включая катастрофические (например, землетрясения).

Условно все возможные вариации потоков частиц можно разделить на 2 группы. Первая – сильные вариации, сопровождающиеся значительными возрастаниями потоков частиц, которые могут длиться от долей секунды до нескольких лет. Они имеют настолько высокую интенсивность, что представляют непосредственную радиационную опасность для людей и технологических систем (например, для электронного оборудования на космических аппаратах, солнечных батарей и т.п.), оказывающихся в зонах околоземного пространства, где эти вариации образуются. Как правило, такие вариации возникают в околоземном космическом пространстве после мощных солнечных протонных событий, сопро-

164

вождающихся корональными выбросами солнечного вещества, а также формировались в результате техногенных воздействий: высотных ядерных взрывов, проведенных в 60–70 годы США и

СССР.

Другая группа вариаций потоков частиц в отличие от первой имеет достаточно низкие интенсивности, не намного превышающие стационарные фоновые значения. Поэтому они не представляют никакой угрозы ни для людей, ни для технологических систем, находящихся в космосе. Подобные вариации формируются возмущениями естественного радиационного пояса при протекании различных природных процессов, таких, как землетрясения, извержения вулканов, грозы, магнитосферные бури и суббури и др., и являются слабыми индикаторами, своеобразным «радиационным эхом» перечисленных явлений, среди которых есть и катастрофические, например землетрясения. Поэтому изучение таких вариаций наряду с научным интересом имеет и важное прикладное значение с точки зрения возможности использования этих индикаторов для решения прогностических задач в случае землетрясений, извержений вулканов и т.п.

В данной главе будут рассмотрены вопросы, относящиеся ко второй группе вариаций. Будут показаны физические механизмы появления слабых радиационных возмущений в околоземном космическом пространстве, описаны результаты экспериментальных наблюдений таких возмущений и возможности их использования для решения диагностических задач.

8.1.Физические основы механизмов появления слабых радиационных возмущений

Движение высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

Движение заряженной частицы в любой среде определяется свойствами частицы и среды и взаимодействием между ними. Характеристики околоземной среды задаются геомагнитным полем, плотностью и составом магнитосферной плазмы, плотностью и составом остаточной атмосферы, наличием электромагнитного шума, плазменными колебаниями, электромагнитными волнами

165

и т.п. В данном пособии ограничимся рассмотрением поведения заряженных частиц с достаточно высокими энергиями: порядка и более нескольких МэВ. Хотя и в этом случае проблема взаимодействия частиц с космической средой остается сложной для анализа. Одним из главных факторов, управляющих движением заряженных частиц в околоземном пространстве, является геомагнитное поле, которое, как было отмечено в главе 4, имеет сложную морфологию, определяемую полем внутренних источников и токовыми системами в самой околоземной среде, которые в свою очередь формируются при взаимодействии плазмы солнечного ветра и геомагнитного поля.

Уравнения движения заряженной частицы в магнитном поле имеют следующий вид:

Несмотря на внешнюю простоту уравнений движения частицы (8.1) и (8.2) , аналитическое решение этих уравнений существует лишь в однородном магнитном поле, в котором, как известно, частицы движутся по спирали (или по окружности) с постоянным радиусом. Если ввестиG цилиндрическую систему координат (z, r, φ) и

направить вектор B вдоль оси Z, то частица будет совершать вращательное движение вокруг оси Z (называемое ларморовским) с частотой ωл и двигаться вдоль оси Z со скоростью V// . При этом

где V0 – скорость частицы в начальный момент времени, α – питч-

угол частицы (угол между векторами B и V ).

Нахождение траектории заряженной частицы в реальном геомагнитном поле, задаваемом рядом сферических функций

166

(см. главу 4) или даже в его дипольном приближении, – чрезвычайно трудоемкая задача из-за нелинейности уравнений движения

(B = B(rK)) и может быть реализовано лишь с применением совре-

менных численных методов решения систем дифференциальных уравнений.

В зависимости от жесткости частицы (напомним, жесткость частицы R определяется формулой R = mVZe ) или от ее энергии и

электрического заряда существуют различные группы траекторий частиц (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Траектории заряженных частиц в геомагнитном поле

Известно, что возможность проникновения заряженной частицы из межпланетного пространства в магнитосферу Земли (в околоземное космическое пространство) зависит от так называемой жесткости геомагнитного обрезания космических лучей (Rс). Рис. 8.1, а соответствует случаю R >> Rc , т.е. движению частицы с достаточно высокой энергией (жесткостью), такой, чтобы преодолеть «экранирующее», действие геомагнитного поля, если частица

167

проникает в околоземное пространство снаружи (из межпланетной среды).

Другой крайний случай (рис. 8.1, в) реализуется при низких энергиях частицы в областях околоземного пространства на расстояниях менее 5–6 rЕ (rЕ – радиус Земли) и на не очень высоких широтах (λ < 60°), где геометрия магнитного поля Земли имеет квазидипольный вид и формируется магнитная ловушка для заряженных частиц. Траектория заряженной частицы, находящейся в геомагнитной ловушке, имеет сложный вид, но можно выделить три периодических движения. В следующем разделе будет рассмотрена динамика частиц, захваченных в геомагнитную ловушку.

Третий характерный вид траекторий заряженных частиц, существующих в геомагнитном поле, показан на рис. 8.1, б. Такие траектории имеют частицы с энергиями (жесткостями) вблизи геомагнитного порога. Поведение частиц вблизи геомагнитного порога является крайне сложным для анализа, особенно на средних широтах, где пороговая жесткость превращается в довольно широкий диапазон жесткостей, в пределах которого чередуются щели жесткостей, запрещенных и разрешенных для проникновения частиц из межпланетного пространства. Эти зоны получили название «пенумбра». Ее анализ выходит за рамки данного учебного пособия, подробно пенумбра описана в монографии [1].

Учитывая тематическую направленность учебного пособия, далее будет подробно рассмотрена динамика заряженных частиц в геомагнитной ловушке.

Движение заряженных частиц в геомагнитной ловушке (стационарный случай)

Траектория частицы в геомагнитной ловушке (рис.8.1в) является наглядной иллюстрацией известных результатов, полученных в многочисленных работах по изучению радиационного пояса, выполненных более 30 лет назад. Информацию по этому вопросу можно найти, например, в книгах [2] и [3]. Частицы совершают одновременно три вида периодических движений: ларморовское движение вокруг силовых линий геомагнитного поля с периодом Тл, колебание вдоль силовых линий между точками (их принято называть зеркальными или точками отражения) в северном и юж-

168

ном полушариях с периодом Тб и вращение вокруг Земли (долготное или азимутальное движение) с периодом Тд. Для частиц стабильно захваченных в ловушку выполняется соотношение

Тл << Тб<< Тд .

Это условие оказывается очень важным для упрощения анализа динамики заряженных частиц в геомагнитной ловушке, поскольку позволяет перейти от численных расчетов траекторий частиц, что, как уже указывалось, является чрезвычайно трудоемкой задачей, к сравнительно простым аналитическим выражениям. Хотя надо отметить, что рассматриваемый далее подход применим лишь для качественного анализа и для получения полуколичественных оценок в приближении простых моделей явлений.

Если материальная точка совершает в пространстве финитное движение, то в теоретической механике вводится удобный аналитический аппарат – адиабатические инварианты:

где I – адиабатический инвариант, q – обобщенная координата, p – обобщенный импульс.

Интегрирование производится по всей замкнутой траектории финитного движения. Напомним, что под термином «обобщенная координата» понимается координата в любой удобной для решения системе координат. Это может быть декартова система координат, сферическая система координат или какая-нибудь другая. Обобщенный импульс вводится следующим образом:

p = ∂∂Lq ,

где L – функция Лагранжа.

Число адиабатических инвариантов системы равно (или не превышает) числу степеней свободы, по которым движение системы финитно. Подробнее об обобщенных координатах и адиабатических инвариантах см. в [4].

В теоретической механике показывается, что адиабатический инвариант сохраняется при движении частицы (не зависит от времени) не только в стационарном случае, но и при достаточно медленных возмущениях параметров среды, определяющих движение частиц. Медленные возмущения должны удовлетворять условию

169