ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 446-448
УДК 524.1
КОРРЕЛЯЦИЯ РАДИОСИГНАЛА НА ЧАСТОТЕ 32 МГц С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ НА ЯКУТСКОЙ УСТАНОВКЕ ШАЛ
© 2015 г. С. П. Кнуренко, И. С. Петров
Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Россицской академии наук, Якутск E-mail: igor.petrov@ikfia.sbras.ru
Получена корреляция радиосигнала с характеристиками широких атмосферных ливней (ШАЛ): энергией ливня Е0 и глубиной максимума развития ШАЛ Хтах. Показано, что через измерения радиоизлучения ШАЛ можно выйти на оценку параметров индивидуальных ливней и далее на анализ массового состава космических лучей.
DOI: 10.7868/S0367676515030308
ВВЕДЕНИЕ
Изучение свойств космических лучей методом измерения радиоизлучения, генерированного заряженными частицами широких атмосферных ливней, может оказаться альтернативным методом по отношению к традиционным методам, которые используют установки больших площадей. Подобные установки насыщены сотнями и тысячами сцинтилляционных детекторов для регистрации потоков заряженных частиц или состоят из детекторов, регистрирующих излучение, генерированное релятивистскими частицами ШАЛ в оптическом диапазоне длин волн. Для строительства таких установок требуются большие финансовые затраты и сложное в технологическом отношении техническое оборудование. Гораздо дешевле и проще в эксплуатации обойдется созданная на принципе регистрации радиоизлучения ШАЛ радиоустановка, так как для этих целей достаточно иметь антенное поле и простой радиоприемник, настроенный на заданную частоту. Основной задачей при этом стоит выбор диапазона частот. Требовалось выбрать такой диапазон частот, где бы отсутствовали или были минимальными радиошумы и, значит, можно было бы уверенно измерять радиоизлучение от ШАЛ. Для этой цели в Якутске была создана и начала работу радиоустановка для регистрации радиоизлучения ШАЛ. Установка состоит из антенного поля, на котором установлены скрещенные антенны, ориентированные на E—W и N—S. Регистрация радиоизлучения ШАЛ ведется на частоте 32 МГц, свободной от промышленных помех. В 2009—2013 гг. было проведено несколько сезонов регистрации событий ШАЛ, в том числе зарегистрированы ливни с энергией выше 1019 эВ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Механизмы генерации радиоизлучения хорошо известны, и расчетами [1] показано, что радиоизлучение ШАЛ зависит от развития электромагнитного каскада в атмосфере, величины магнитного поля вблизи уровня наблюдения и т.д. Радиоизлучение связано с физикой развития ШАЛ: рождением электронов и позитронов по ходу движения лавины частиц в атмосфере (с продольным развитием ливня) и мощностью ливня — полным числом заряженных частиц (энергией ШАЛ). В ходе расчетов были получены формулы, которые отражают связь наблюдаемых характеристик ШАЛ с величиной радиосигнала.
Величина напряженности электрического поля, наведенного на антеннах радиоустановки, согласно работе [1], может быть представлена в следующем виде:
2 -2 6У = ((4яv Ис/
х УАВС/Дv, (мкВ • м-1 • МГц-1),
где V — частота наблюдения 32 МГц, б(е, Ф) — усиление антенны, зависит от направления, Кек(у) — поправочный коэффициент для электроники, полное усиление электроники, УАОС — напряжение на аналого-цифровом преобразователе (АЦП), и Д^ — внутренний импеданс АЦП, равный 50 Ом, который использовался, когда вычислялись поправочные коэффициенты для Якутской радиоустановки.
Там же показано, что максимум амплитуды радиоимпульса Атах пропорционален энергии электромагнитной компоненты ШАЛ:
Еем = сАтах, (мкВ ■ м-1 ■ ГэВ-1), (2)
где с — параметр мощности ливня.
КОРРЕЛЯЦИЯ РАДИОСИГНАЛА НА ЧАСТОТЕ 32 МГц
447
Am
10 -
10
17
10
18
E, эВ
25
20
15
10
5 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720
Хтах, г ■ см-2
Рис. 1. Зависимость амплитуды радиосигнала Amax от энергии ливня E.
Рис. 2. Корреляция глубины максимума, полученной из измерений черенковского света ШАЛ Хтах, и отношения амплитуд радиоизлучения на расстоянии 80 и 200 м от оси ливня п = (Лтах(80)/Лтах(200)У(Л(80уЛ(200)).
n
1
Используя измерения радиосигнала и расчеты [1], можно независимо от метода регистрации ШАЛ определить энергию ливня и затем сравнить обе оценки.
В работе [1] выполнены расчеты, которые показали, что наклон ФПР радиоизлучения зависит от глубины максимума развития ливня Хтах. Наклон ФПР определялся как отношение амплитуд радиоимпульса на пологой и крутой части ФПР. В данном случае использовались расстояния 175 м и 725 м от оси ливня. Аналитически эту связь можно представить формулой
Хтах = a(ln[b(A175/A725 )] )С, (г ■ см-2), (3) где a, b, c — постоянные коэффициенты выражения (3).
В этой связи стал вопрос об экспериментальной проверке существования корреляции характеристик ШАЛ, продольного и поперечного развития ливня, с параметрами радиосигнала. В первую очередь была установлена степень затухания радио -сигнала в зависимости от расстояния до антенны, так называемое пространственное распределение радиоизлучения ШАЛ.
Наклон средней функции пространственного распределения меняется с расстоянием. На больших расстояниях от оси ливня, радиосигнал затухает медленно.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Воспользовавшись формулами (1) и (2) и измерениями радиоимпульса, мы эмпирически установили корреляцию максимальной амплитуды радиосигнала с энергией ливня Еем, которая опреде-
лялась по потоку черенковского света ШАЛ, а по форме пространственного распределения сигнала установили корреляцию ее с Хтах.
Для анализа были отобраны ШАЛ, где одновременно измерялись заряженные частицы, мюоны и черенковский свет ШАЛ. Это позволяло установить связь радиосигнала с характеристиками ливня — энергией Е0, и глубиной максимума развития ливня Хтах. Единственное, что не дает провести полноценное сравнение — это малая статистика. Тем не менее, некоторые результаты все же были получены, например, корреляция энергии ливня, которая получена с использованием полного потока черенковского света ШАЛ с максимальной амплитудой радиосигнала. Результат этот приведен на рис. 1, а аппроксимация дается формулой (4):
о I niup /1П17 г>\(°-99 ± °-04)
6EW = (1.3 ± 0.3)(E0/10 эВ) ,
(4)
(мкВ • м 1 • МГц 1).
Обобщенная формула (5) дает возможность определить энергию индивидуального ливня, приходящего под зенитным углом 9, по амплитуде радиосигнала, зарегистрированного на расстоянии 350 м от оси ливня:
„г , , л\1.16 ± 0.05
6 = (15 ± 1)(1 - cos0) х
х exp(- R/(350 ± 25.41)) х
iJ7 /щ1^0.99 ± 0.04 / г, -1 ълг "К х (E0/10 ) (мкВ • м • МГц ).
(5)
где 9 — зенитный угол, Я — расстояние до антенны, Ер — энергия первичной частицы.
На рис. 2 расчеты показаны сплошной кривой, а точки — это экспериментальные данные Якут-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015
448
КНУРЕНКО, ПЕТРОВ
ской установки, полученные с использованием формулы (3) и средних ФПР радиоизлучения (рис. 1). Реперные значения амплитуд брались на тех же расстояниях, что и в расчете [1]. Из рис. 2 видно, что экспериментальные точки в пределах ошибок хорошо совпадают с расчетом.
В работе [2] расчетами показано, что форма распределения Хтах при фиксированной энергии отражает вклад разных групп ядер, и это можно использовать для анализа массового состава космических лучей, используя измерения радиоизлучения ШАЛ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Измерениями, проведенными на Якутской установке, было показано: а) существует корреля-
ция между измеренной амплитудой радиосигнала
с энергией ливня; б) глубина максимума ХОРХ, определенная из измерений черенковских детекторов, и ХОаХ, определенная по формуле (3), хорошо согласуются с учетом поправки на вклад фона в радиосигнал [3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Huege T., Ulrich R., Engel R. // Astropart. Physics. 2008. V 30. P. 96.
2. Kalmykov N.N., Konstantinov A.A., Vedeneev O.V. // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. V. P. 409.
3. Horneffer A. et al. // Proc. 30th ICRC. Merida. 2007. V. 4. P. 83.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.