ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 771-778
УДК 523.165
РЕГИСТРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ: ЭКСПЕРИМЕНТ ПЛАТАН
© 2004 г. Д. Г. Баранов1, Ю. Ф. Гагарин1, В. А. Дергачев1, Р. А. Ныммик2. Е. А. Якубовский1
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург 2Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 23.12.2003 г.
После доработки 20.03.2004 г.
Рассмотрены экспериментальные возможности изучения ядер малых энергий аномального неона и аргона и сверхтяжелых ядер с зарядом Z > 30 солнечного и галактического происхождения внутри магнитосферы Земли. Частицы регистрируются сборками из твердотельных трековых детекторов, которые систематически устанавливались и устанавливаются согласно программе экспериментов ПЛАТАН (ПЛАстиковый Трековый Анализатор) на наружной поверхности орбитальных станций "Салют", "Мир" и международной космической станции (МКС). Разработаны послеполетные методики наземной обработки детекторов и измерений, позволяющие выделять различные ядерные компоненты космических лучей. Разработанные для разных уровней геомагнитной активности мо-дельно-расчетные функции проникновения в магнитосферу Земли для солнечных и галактических ядер Fe, галактических ядер Ar и аномального Ar с различной степенью ионизации позволяют разделить потоки тяжелых ионов разных зарядовых состояний.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение энергетических спектров ядер космических лучей (КЛ) в области малых энергий (меньше 200 МэВ/нуклон) остается актуальной задачей для решения проблемы их происхождения. В настоящее время, кроме регистрации частиц электронной аппаратурой (как в гелиосфере, так и на орбите Земли), имеется возможность их исследования внутри магнитосферы на орбитах ИСЗ и на орбитальных станциях методом твердотельных трековых детекторов (ТТД) путем экспонирования сборок слоев, возвращаемых на Землю для дальнейшей обработки. В последнем случае экспериментальные данные по энергетическим спектрам различных компонент КЛ в сочетании с модельными представлениями позволят решить проблему проникновения тяжелых частиц с различной степенью ионизации и различным отношением массы к заряду (А/7) вглубь магнитосферы Земли. Отношение А/7 для частиц разного происхождения изменяется в широком диапазоне значений: от ~2 для галактических ядер до нескольких десятков для аномальных однократно заряженных частиц 0+1, №+1 и Аг+1.
По существующим в настоящее время представлениям аномальные частицы являются нейтральными атомами межзвездной среды с высоким потенциалом ионизации, которые на расстоянии 1-3 астрономических единиц от Солнца ионизируются ультрафиолетовым излучением или путем зарядового обмена с протонами солнечного ветра и в дальнейшем ускоряются в гелиосфере до
энергии порядка десятков МэВ/нуклон на временной шкале ~1 г. Часть однозарядных аномальных ионов, попадая в магнитное поле Земли, подвергается дальнейшей ионизации и из-за уменьшения отношения A/Z захватывается в магнитосфере, формируя внутри внутреннего протонного пояса особый радиационный пояс аномальных космических лучей (АКЛ), состоящий в основном из кислорода [Grigorov et al., 1991]. Обнаружение в межпланетном пространстве многозарядных аномальных ионов кислорода с энергией от 20 до 80 МэВ/нуклон [Mewaldt et al., 1996] было интерпретирова -но как следствие дополнительной ионизации однозарядной компоненты в процессе ускорения в гелиосфере. Существование многозарядной компоненты у Ne и Ar АКЛ предполагается, но пока не доказано.
Ионы, захваченные магнитосферой Земли, и межпланетные ионы O и Ne зарегистрированы при энергиях 1-4 МэВ/нуклон и 16-40 МэВ/нуклон [Mazur et al., 1999]. При этом отношение потоков захваченных ионов АКЛ к межпланетным равно ~ 100. Захваченные ионы аргона зарегистрированы только в интервале 1-4 МэВ/нуклон [Mazur et al., 1999]. Потоки межпланетного Ar АКЛ измерены при энергиях 3.3-20 МэВ/нуклон [Reaves, 1999] и 12-40 МэВ/нуклон [Christian et al., 1999]. В интервале от 3.3 до 40 МэВ/нуклон поток аргона уменьшается от 5 х 10-8 час-тиц/(см2 ср с МэВ/нуклон) до величины меньше 2 х 10-9 частиц/(см2 ср с МэВ/нуклон).
771
4*
X
E, MэB/нyклoн
Рис. 1. Функции пропускания % для ионов железа с зарядом Z = 14 для солнечных вспышек в сентябре-октябре 1989 г. - кривая 1 и для ядер железа ГКЛ в 1994-1997 гг. - кривая 2 для орбиты с наклонением к плоскости экватора 51.6° и высотой 350-400 км.
Магнитное поле Земли часто используется для разделения частиц с различным зарядом ядра и различной степенью ионизации в экспериментах, проводимых на космических аппаратах. Применение ТТД большой площади на орбитальных станциях в длительных экспозициях от 1 до 3 лет в различных фазах цикла солнечной активности (СА) позволяет исследовать потоки частиц КЛ, в том числе, и редких по их распространенности, таких как аномальные ионы неона, аргона и сверхтяжелые ядра.
Исследование зарядовых спектров сверхтяжелых ядер солнечных космических лучей (СКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ) в области малых энергий имеет большое значение для решения проблемы источников многозарядной компоненты космических лучей в связи с появлением в последнее время ряда новых теоретических предположений. Как показывают исследования ядер с меньшими зарядами, в этой области энергий энергетические спектры и относительные распространенности ядер претерпевают значительные изменения по сравнению с релятивистскими энергиями. В то же время, при выборе модели ускорения и распространения ядер космических лучей эта область энергий может оказаться критической, позволяя отдать предпочтение той или иной из рассматриваемых моделей. Регистрация тяжелых ядер в диапазоне энергий 3.3-10 МэВ/ну-клон на аппарате Wind [Reames, 2000] показала, что потоки энергичных частиц, связанные с импульсными солнечными вспышками, значительно обогащены (в десятки и сотни раз) сверхтяжелыми ядрами с Z > 30 по сравнению с корональной распространенностью в отличие от постепенных вспышек. С сентября 1997 г. начаты измерения
распространенности ядер с Z > 29 на аппарате ACE спектрометрами SIS (ядра солнечного происхождения в диапазоне энергии 10-75 МэВ/ну-клон) [Sollitt et al., 1999] и CRIS (ядра ГКЛ в диапазоне энергии 100-500 МэВ/нуклон) [George et al., 1999]. В 2002 г. в Антарктике аппаратурой TIGER в 38-часовом полете на баллонах зарегистрированы релятивистские ядра в диапазоне Z от 30 до 40 [Link et al., 2003]. Проведенные нами эксперименты с аппаратурой ПЛАТАН-3 в 1988-1990 гг. и ПЛАТАН-4, ПЛАТАН-5 в 1994-1997 гг. позволяют регистрировать сверхтяжелые ядра СКЛ и ГКЛ в диапазоне энергий 70-180 МэВ/нуклон.
2. МЕТОДИКА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ТРЕКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Ранее [Baranov et al., 1999, 2002] нами были получены энергетические спектры наиболее распространенных тяжелых ядер КЛ - ядер железа в диапазоне 10-200 МэВ/нуклон в постепенных солнечных вспышках в сентябре-октябре 1989 г. в эксперименте ПЛАТАН-3 и ядер железа ГКЛ в диапазоне 100-180 МэВ/нуклон в 1994-1995 гг. в эксперименте ПЛАТАН-4. В настоящее время проводятся измерения энергетического спектра железа в эксперименте ПЛАТАН-5 (экспозиция 1994-1997 гг.). Для восстановления энергетических спектров вне магнитосферы Земли были использованы функции пропускания %(% - отношение потока ядер внутри магнитосферы к потоку ядер вне магнитосферы) для ионов СКЛ с зарядом Z = 14 и галактических ядер, полученные на основе моделей солнечных и галактических КЛ [Nymmik, 1999a, b; Nymmik et al., 1996] с учетом соответствующей геомагнитной обстановки в период экспозиций ТТД (рис. 1). Временной промежуток экспозиции 1994-1997 гг. соответствует минимуму солнечной активности при положительной полярности магнитного поля Солнца и характеризуется постоянным и максимальным потоками частиц ГКЛ в течение всего этого времени. Экспозиция камеры ПЛАТАН-5 закончилась 1 ноября 1997 г., а 4 и 6 ноября на Солнце произошли мощные вспышки, которые ознаменовали начало 23 цикла солнечной активности. Таким образом, неблагоприятный фон от вспышек при энергиях менее 50 МэВ/нуклон, мешающий измерению потоков АКЛ, практически отсутствует в камере ПЛАТАН-5.
Изменение потоков аномальных космических лучей (АКЛ) коррелирует с потоками ядер ГКЛ. Но в отличие от ГКЛ поток АКЛ от максимума СА к минимуму СА изменяется на два порядка, что существенно больше по сравнению с ядрами ГКЛ (в ~5 раз). Период экспозиции детектора в камере ПЛАТАН-5 в 1994-1997 гг. совпадает с длительным и постоянным максимумом потоков
ядер ГКЛ и АКЛ. При этом большая рабочая площадь камеры (~2400 см2) создает оптимальные условия для измерения малых потоков АКЛ неона и аргона, распространенность которых в межпланетном пространстве при энергии 20 МэВ/ну-клон в 10 и 300 раз меньше, чем кислорода АКЛ. Это же относится к малым потокам сверхтяжелых (Ъ > 30) ядер и ионов ГКЛ и СКЛ, распространенность которых в 1000 раз меньше распространенности железа. Данное исследование посвящено решению двух задач: 1) разработка методики обработки детекторов из лавсана и проведения измерений треков с целью регистрации ядер аномального аргона; 2) разработка методики измерения потоков сверхтяжелых ядер ГКЛ и СКЛ (Ъ > 30) при помощи детекторов из лавсана.
Для определения энергии ядер, останавливающихся в твердотельном трековом детекторе, необходимо знать их заряд и полный пробег в камере. Заряд частицы определяется по зависимости длин конусов Ц трека от соответствующих расстояний от точки остановки частицы - (метод Ц^-диаграмм, см. рис. 2а, б). В слое, в котором ядро останавливается, с поверхности протравливается трек в виде цилиндра или при малых энергетических потерях в виде конуса с закругленным концом. В зависимости от энергетических потерь частицы в предыдущем слое протравливается либо сквозной канал в виде сплошного цилиндра (или двух слившихся конусов), либо формируются два конуса (большой с нижней и малый с верхней поверхностей слоя), либо один конус с нижней поверхности слоя. Длина сквозного канала, отсчитывае
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.