ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 2, с. 267-271
УДК 524.1-352
ОЦЕНКА ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ДЕТЕКТОРОВ МИРОВОЙ СЕТИ НЕЙТРОННЫХ МОНИТОРОВ
© 2007 г. А. В. Белов, Р. Т. Гущина, Е. А. Ерошенко, К. Ф. Юдахин, В. Г. Ямке
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, РАН,
Троицк (Московская обл.) e-mail.abelov@izmiran.rssi.ru; rgus@izmiran rssi.ru Поступила в редакцию 25.10.2005 г. После доработки 26.04.2006 г.
Результаты непрерывного наземного мониторинга потока космических лучей нейтронными мониторами являются экспериментальным материалом для большого числа работ, посвященных исследованиям вариаций космических лучей. Вопрос о долговременной стабильности детекторов является чрезвычайно важным. Предложены два независимых метода оценки долговременной стабильности работы нейтронных мониторов. Количественные оценки получены для 90 детекторов, проработавших и работающих более одного цикла солнечной активности. Рассмотрены условия, определяющие долговременную стабильность детектора и причины, которые приводят к нарушению стабильности.
PACS: 94.05.Rx; 94.20.Wq
1. введение
В распоряжении исследователей вариаций космических лучей (КЛ) в течение последних 50 лет имеется такой мощный инструмент, как Мировая сеть станций, оснащенных нейтронными мониторами. Определить качество данных каждой станции сети - задача настоящей работы. Такая задача ставилась и раньше (см. например, [Белов и др. 1988; Белов и др. 1993]). Чтобы количественно оценить качество данных прибора, необходимо иметь эталон. Часто применяется ничем не обоснованный подход, когда в качестве такого эталона принята какая-нибудь "надежно" работающая станция. Целый ряд станций действительно имеют авторитет "надежно" работающих, но их трудно использовать в качестве эталона, поскольку каждая станция регистрирует КЛ в своем диапазоне спектра КЛ. В настоящей работе в качестве эталона используется разработанная в работе [Белов и др., 1998] модель вариаций КЛ. Расхождение с моделью для каждой станции связывается с качеством данных этой станции. Конечно, такой подход имеет свои недостатки, ибо построение адекватной модели само по себе задача сложная. Но методом последовательных приближений такая задача решается, если при соответствующих модификациях модели удается достаточно хорошо описать вариации КЛ в гелиосфере за пятидесятилетний период наблюдений. Наряду с модельным методом разработан второй, независимый, метод оценки стабильности работы станций, который можно назвать методом отношений. В этом методе с помощью разработанного математиче-
ского алгоритма заданный набор станций (примерно с одинаковыми эффективными жесткостя-ми регистрируемых частиц ^эфф) разделяется на "надежно" и "ненадежно" работающие станции. В таком случае в качестве эталона служит группа станций, имеющая одинаковые вариации и определяемые как "надежно" работающие, причем они должны быть в большинстве. Этот метод для каждой станции позволяет определить эффективность, и что еще важно, точность ее оценки. Однако в некоторых случаях только с помощью модельного подхода можно оценить эффективность детектора. Например, для применения метода отношений нужно иметь более 3 идентичных станций (для устойчивой работы метода более 6). Поэтому для 3 или 2 работающих стратосферных станций эффективность можно определить, только базируясь на модельном подходе. То же можно сказать о немногочисленных экваториальных нейтронных мониторах.
Каждый метод имеет свои достоинства и ограничения, однако на их совместной основе можно получить надежные количественные оценки долговременной стабильности нейтронных мониторов Мировой сети станций. Анализ проводился на базе среднемесячных данных, полученных соответствующим усреднением часовых данных, публикуемых в Базе данных Мировой сети нейтронных мониторов //ftp://cr0.izmiran.rssi.ru/COSRAY!/FTP_NM/C/.
Цель работы: оценить долговременную стабильность работы нейтронных мониторов Мировой сети станций КЛ, используя два независимых метода.
-о
0
^ 2 о 1 0
1952 1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004
Годы
Рис. 1. Параметры спектра вариаций галактических КЛ а0, У и Ь; внизу - невязка модели.
2. модельный метод
В работе [Белов и др., 1998] определен спектр долговременных вариаций КЛ с использованием варианта метода глобальной съемки, специально усовершенствованного для изучения долговременных вариаций. Анализ проводился на среднемесячной базе данных нейтронных мониторов (45 станций), стратосферных наблюдений (3 станции) и ионизационных камер (2 станции). Наблюдаемая вариация Ы'/Т может быть представлена как
^ = Г / (К)№(Я, Я'Кс, ЩйЯ + а', где ///(К) -
I / с
спектр изотропной вариации, а невязка а' отражает неадекватность используемой модели вариаций и возможные аппаратурные вариации. Функции связи Ж'(Я, Як , к') взяты из работы [Алексаньян
и др., 1982], здесь ЯКс - геомагнитный порог, к' -
высота. В модели спектр вариаций задан в трехпа-раметрическом виде и определен как ///(К) = = а0/(Ь + К). Область изменения параметров: Ь = = 0-10, у = 0-2, если К измеряется в ГВ. В указанной работе показано, что трехпараметрическая аппроксимация спектра вариаций галактических КЛ пригодна для описания спектра долговременных вариаций в области 5-50 ГВ. Только единичное число станций непрерывно работало 5 цик-
лов солнечной активности, станции закрывались и создавались новые. Для того чтобы учесть переменное число станций и уменьшить влияние возможного дрейфа детекторов за столь большое время, расчет спектров был проведен для нескольких базовых периодов. В конечном итоге все вариации определены относительно базового периода 1976 г. На рис. 1 показаны найденные параметры спектра вариаций галактических КЛ а0, Ь и у. На нижней панели приведены среднеквадратичные отклонения экспериментальных данных и модели, которые дают возможность оценить адекватность применяемой модели вариаций КЛ. К недостаткам метода следует отнести то обстоятельство, что для имеющегося набора экспериментальных данных модельный подход нельзя применить для всего периода наблюдения. Необходимо рассматривать отдельные эпохи и результаты сшивать, что вносит дополнительную ошибку.
3. метод отношений
Этот метод первоначально был разработан для внутреннего контроля качества данных наземных детекторов КЛ. Уже на раннем этапе создания сети станций КЛ был сделан переход от двухсекционного ЮУ монитора (где можно было только констатировать приборные вариации) к
2
трехсекционному NM64 нейтронному монитору, для которого сопоставление вариаций на различных однотипных секциях дает возможность выделить неисправную секцию. В основе современных методов внутреннего контроля лежит деление детектора на максимально возможное число идентичных и независимых элементарных детекторов (в случае нейтронного монитора это нейтронные счетчики). Такой подход позволяет определить относительную эффективность (и оценку ее ошибки) каждого элементарного детектора, т.е. этот метод дает возможность постоянного контроля качества данных [Белов и др., 1988]. Эффективность детектора можно определить как число, на которое нужно разделить наблюдаемую скорость счета, чтобы избавиться от вариаций, связанных с изменениями самого детектора. Метод отношений был адаптирован для анализа долговременной стабильности детекторов сети станций. Условием применимости метода отношений для анализа долговременной стабильности детекторов является объединение станций в группу станций с очень близкими характеристиками, например, с близкими эффективными жесткостями регистрируемых частиц. Мы рассматривали четыре группы станций с эффективными жесткостями регистрируемых частиц менее 13, 13-18, 18-25, более 25 ГВ (рис. 2). Тот факт, что данный подход не опирается ни на какую модель, является его достоинством. Недостатком же рассматриваемого метода является необходимость рассматривать группы станций с близкими эффективными жесткостями регистрируемых частиц. Для учета временных изменений жесткостей геомагнитного обрезания привлекались расчеты Шей и Смарт для сети станций космических лучей, выполненные с шагом 5 лет начиная с эпохи 1955 г. (аналогичные расчетам, приведенным в работе [Smart and Shea, 1997]). Промежуточные значения определялись линейной интерполяцией.
4. обсуждение результатов и выводы
На рис. 3 приведены изменения эффективностей для некоторых станций, полученных с помощью двух методов: модельного и метода отношений. Для всех станций КЛ такая информация приведена на сайте [http://cr0.izmiran.rssi.ru/LongTimeVar-CR/LongTimeStab/main.htm8]. Для метода отношений приведены также ошибки определяемых эффективностей (правая шкала на рис. 3).
Совпадение в деталях найденных двумя методами эффективностей свидетельствует в пользу обоих методов. Анализ эффективностей показывает, что постоянный дрейф примерно ±0.1%/год наблюдается на многих станциях за весь или за достаточно длительный период наблюдений (например, на ст. Дип-Ривер, рис. 3а). Наибольший
^эфф, ГВ
35
30 25 20
15 10
12 14 Rc, ГВ
Рис. 2. Эффективная жесткость частиц для различных станций; на кривой - станции уровня моря, ниже - горные.
дрейф (около -0.4%/год) обнаружен для данных станции Гус-Бей (рис. 36). Для высокоширотных станций четко наблюдается годовая волна с амплитудой около 1%, противоположная по фазе в северном и южном полушариях (ст. Оттава и Мак-Мёрдо, рис. 3е, 3г). Она обусловлена температурным эффектом нейтронной компоненты и пренебрежимо мала для экваториальных станций [http://cr0.izmirzn.rssi.ru/LongTimeVarCR/Long-TimeStab/main.htm]. Для ряда станций (например, Пекин, рис. 3д), а также для ст. Тибет, в меньшей степени для ст. Форт Смит (см. [Belov et я1., 1995]) наблюдается аномально большой годовой температурный эффект (2-4%). Часть этого эффекта менее 1% обусловлена температурным эффектом нейтронной компоненты, остальная часть -локальным изменением температуры, влияющей на элементы электронного тракта. Характерное изменение эффективности приведено на рис. 3е, где хорошо видно, как меняется эффективность в момен
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.