ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 376-386
УДК 551.521.64
ВАРИАЦИИ ЕСТЕСТВЕННОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ФОНА
В ПОЛЯРНОЙ АТМОСФЕРЕ © 2014 г. Ю. В. Балабин, А. В. Германенко, Б. Б. Гвоздевский, Э. В. Вашенюк
Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: balabin@pgia.ru Поступила в редакцию 16.10.2012 г. После доработки 24.04.2013 г.
Исследованы вариации интенсивности рентгеновского излучения в приземном слое атмосферы во время осадков в Апатитах и на Шпицбергене. На основе комплексной системы мониторинга радиационного фона обнаружены вариации рентгеновского излучения. Выявлена их связь с метеорологическими процессами в нижней атмосфере. Получены энергетические спектры рентгеновского излучения в хорошую погоду и при выпадении осадков. В них отсутствуют характеристические линии, присущие радионуклидам. Проведенные дополнительные исследования позволяют заключить, что основной причиной возрастания рентгеновского излучения во время осадков является тормозное излучение энергичных электронов, дополнительно ускоренных электрическими полями внутри дождевых облаков.
DOI: 10.7868/S0016794014020023
1. ВВЕДЕНИЕ
Существование избыточного рентгеновского излучения, связанного с грозовой активностью, является известным фактом [ёе Мепёопда й а1., 2011; Хаердинов, 2006; Лидванский и Хаердинов, 2007]. Было показано, что основной причиной возникновения избыточного излучения во время гроз являются частицы, ускоренные сильными электрическими полями внутри грозового облака [Хаердинов, 2006; Лидванский и Хаердинов, 2007]. В организованном в Полярном геофизическом институте (ПГИ) мониторинге низкоэнергичного рентгеновского (гамма) фона на уровне земли также регистрировались возрастания, как правило, связанные с атмосферными осадками. Следует отметить, что в субарктическом регионе (Апатиты) грозы наблюдаются редко, а на арх. Шпицберген (ст. Баренцбург) их не бывает вовсе. Тем не менее, в качестве причины возрастаний, связанных с осадками, мы предполагаем электрическое поле облаков (пусть не такое сильное, как в грозовых облаках), которое дополнительно ускоряет электроны и тем создает дополнительное тормозное рентгеновское излучение, проникающее до уровня земли. В данной работе также показано, что наблюдаемые возрастания гамма-фона не связаны с какими-то антропогенными либо природными радионуклидами, а являются следствием изменения условий взаимодействия космического излучения с атмосферой.
В разных источниках разделение на рентгеновское и гамма-излучение проводится по-разному. В данной работе рентгеновское и гамма-из-
лучение используются как синонимы и означают электромагнитное излучение в диапазоне от 20 кэВ до 400-500 кэВ.
Во втором разделе приведено описание установки, с помощью которой производился мониторинг радиационного фона в приземном слое. В третьем разделе выполнен общий анализ накопленных событий возрастания гамма-фона. Четвертый раздел посвящен результатам контрольных измерений и экспериментов, проведенных для уточнения природы вариаций гамма-фона в приземном слое атмосферы. В пятом разделе представлены результаты исследования с целью выявления возможных влияний событий возрастания рентгеновского излучения на другие компоненты излучений в приземном слое воздуха, а также показана временая связь осадков и возрастаний гамма-фона. В шестом разделе проводится обсуждение возможного пути генерации дополнительного рентгеновского излучения.
2. КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИИ
На станции космических лучей в ПГИ создана комплексная система мониторинга радиационного фона в различных видах излучений: нейтронной компоненты, низкоэнергичной заряженной и низкоэнергичной электромагнитной компонент (см. рис. 1). Система мониторинга включает в себя стандартный нейтронный монитор (НМ) 18-НМ-64, бессвинцовую секцию нейтронного монитора (БСНМ), два сцинтилляци-
Регистратор осадков
4096-канальный амплитудный анализатор
..........*
5—
а
Блок дискриминаторов
СДР №1
I
Датчик температуры
Блок дискриминаторов
СДР №2
00000000
00000000
р
е н й тей
н
о Ко
ДЗК
Система термостабилизации
Бессвинцовая секция Бессвинцовая секция
Блок коммутации
Нейтронный монитор 18-НМ-64
Ноутбук-регистратор
ШВ-порт |
Компьютер регистратор 2
Последовательный порт
Плата РС1-8554
Плата РС1-7233Н
Интерфейс №2
Приемник GPS с антенной
Датчик атмосферного давления
Компьютер регистратор 1
Последовательный порт
Плата РС1-8554
Плата РС1-7233Н
Интерфейс №1
Рис. 1. Схема установки комплексного мониторинга радиационного фона в ПГИ.
онных детектора на основе кристалла №1(11) (СДР) для измерения низкоэнергичного рентгеновского излучения, детектор заряженной компоненты (ДЗК). Также в систему включены датчики атмосферного давления, наружной температуры и осадков. Информация со всех приборов поступает на два компьютера, оснащенные специализированными РС1-платами цифрового ввода. Временное разрешение составляет 1 мин.
Стандартный НМ чувствителен к нейтронам с энергиями >50 МэВ [Дорман, 1975]. БСНМ регистрирует нейтроны с энергиями от сотен кэВ до единиц МэВ.
Детектор рентгеновсего излучения создан на основе кристалла №1(11) 062 х 20 мм. Конструкция прибора разработана в ПГИ, детекторы в большом количестве применялись для измерений аврорального рентгеновского излучения в страто-
сфере. В монографии [Лазутин, 1979] приводятся характеристики этих детекторов, полученные в ходе калибровки. Сигнал поступает на дискриминатор с пороговыми уровнями, соответствующими энергиям фотонов >20 и >100 кэВ, что позволяет получать непрерывную оценку интегрального спектра рентгеновского излучения. Поскольку выход усилителя является аналоговым, предоставляется также возможность, подавая сигнал на амплитудный анализатор, измерять энергетический спектр регистрируемого излучения, так как амплитуда импульса пропорциональна энергии, оставленной квантом в кристалле. Применен анализатор на 4096 каналов, подключаемый для проведения измерений спектра в определенные моменты и для калибровки. На рисунке 1 эти цепи показаны штриховыми линиями в верхнем левом углу, они связывают СДР с ноутбуком. Именно с помощью этого анализатора были проверены и откалиброваны СДР по источнику гамма-излучения 241Ат (слабая линия 27 кэВ и основная линия 59 кэВ). Энергетическое разрешение составило 15-17%.
Детектор заряженной компоненты собран на газоразрядных счетчиках СТС-6. Счетчики располагаются в два горизонтальных ряда по 8 штук в ряду. Между рядами проложена тонкая пластина текстолита толщиной 2 мм для электрической изоляции. В каждом ряду счетчики включены по схеме "ИЛИ", выходы от рядов поступают на схему совпадений. Используется выход с верхнего ряда (детектор общего потока радиации или ДОП) и со схемы совпадений нижнего и верхнего рядов (МЭК). Верхний ряд регистрирует общий поток заряженной и электромагнитной компонент, а поскольку СТС-6 имеют малую эффективность по отношению к рентгеновскому излучению, то схемой совпадений будет выделена только заряженная составляющая излучения, т.е. мюоны и электроны.
Для измерения интенсивности осадков используется метод обратного рассеяния ИК-излу-чения каплями дождя или снега. Датчик изготовлен в ПГИ лабораторией атмосферы Арктики [Шишаев и Белоглазов, 2011]. Он не калиброван в абсолютных единицах, используется только для качественных оценок интенсивности осадков.
В Апатитах оба нейтронных монитора находятся внутри одноэтажного здания, остальные детекторы — на его чердаке. СДР установлены в стаканы, сложенные из свинцовых кирпичей толщиной 5 см, так что поле зрения составляет конус с углом ~60°—70° относительно вертикальной оси. Стакан второго СДР во время контрольных измерений перекрывался свинцовыми кирпичами, и детектор оказывался полностью закрыт 5 сантиметровым слоем свинца от окружающего излучения. Этот СДР является контрольным, используется в некоторых тестовых экспериментах. Все приборы
на чердаке помещены в утепленный бокс с термостабилизацией, где поддерживается постоянная температура.
В Баренцбурге установлены нейтронный монитор 18-НМ-64, СДР, датчики атмосферного давления и наружной температуры. У этого СДР организованы выходы дискриминаторов по уровню >20, >60, >100 и >200 кэВ. Приборы располагаются в отапливаемом круглый год одноэтажном строении. Сведения об осадках и другие метеоданные берутся из Интернета (архив данных на сайте meteocenter.net/20107_fact.htm). Привязка к точному времени на обеих станциях производится с помощью приемника GPS.
Непрерывные наблюдения с помощью спектрометров СДР в Апатитах были начаты летом 2009 г. и продолжаются до настоящего времени. В Баренц-бурге наблюдения производятся с конца 2009 г.
3. НАБЛЮДЕНИЯ
За прошедшее время были обнаружены возрастания интенсивности рентгеновского излучения. Также было отмечено, что возрастания счета на СДР почти всегда сопровождается интенсивными осадками и плотной (9—10 баллов) низкой (200—800 м) облачностью. Всего таких возрастаний амплитудой от 5 до 50% и длительность события от 2—3 ч до двух суток было зарегистрировано с июня 2009 г. по конец 2011 г. более четырехсот. Большинство (95%) таких событий сопровождалось осадками различной длительности и интенсивности. Возрастания интенсивности счета отличаются по амплитуде для разных времен года — в зимний период амплитуда возрастаний в среднем меньше.
Кроме того, было отмечено влияние типа осадков на амплитуду возрастания. Мелкий сухой снег с ветром (метель) или мелкий дождь с ветром редко сопровождаются заметными возрастаниями. Чаще всего возрастание происходит во время ливневых осадков: сильный дождь, мокрый или хлопьями снег без ветра.
На рисунке 2 показан характерный профиль возрастания счета в канале >20 кэВ и осадков (дождя) в Апатитах 28.08.2011 г.; данные осадкомера носят относительный характер, они не калиброваны в скорости выпадения осадков. Профиль возрастания в канале >100 кэВ в пределах точности измерений повторяет профиль >20 кэВ по форме и амплитуде, поэтому здесь не приводится. Видна хорошая корреляция между усилениями дождя и возрастаниями
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.