ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 739-741
УДК 524.1,551.594
ВАРИАЦИИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА ВО ВРЕМЯ ГРОЗ
© 2015 г. В. В. Алексеенко1, Д. М. Громушкин2, Д. Д. Джаппуев1, А. У. Куджаев1, О. И. Михайлова1, Ю. В. Стенькин1, 2, В. И. Степанов1, О. Б. Щёголев1,
В. П. Сулаков3, И. И. Яшин2
E-mail: stenkin@sci.lebedev.ru
Сообщаются результаты регистрации и анализа спорадических вариаций потока атмосферных тепловых нейтронов во время гроз. Измерения проводились в Москве и в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Регистрация потока нейтронов осуществлялась неэкранированными сцин-тилляционными эн-детекторами на основе компаунда мишень-сцинтиллятор 6LiF + ZnS (Ag) с отбором сигналов по форме импульса. Зарегистрированы уменьшения нейтронного потока на 5—10%, связанные с ливневыми осадками во время гроз. За четыре летних сезона не было зарегистрировано фактов увеличения нейтронного потока во время гроз. Сделаны оценки верхних пределов для интегрального и импульсного потока нейтронов от молниевых разрядов.
DOI: 10.7868/S036767651505004X
ВВЕДЕНИЕ
Впервые, насколько нам известно, сообщение о регистрации увеличения потока нейтронов во время гроз было сделано в работе [1]. В последние годы в ряде статей были сообщены результаты регистрации нейтронного потока во время гроз, полученные группами Арагац [2], Тянь-Шань [3], Якутск [4] и Янгбаджинг (Тибет) [5]. В этих экспериментах анализировались данные нейтронных мониторов (НМ), а в случае [3] использовалась также информация от 3Не счетчиков. Авторы работы [5] полагают, что наблюдаемые экспериментально возрастания нейтронного потока являются результатом фотоядерных реакций в свинце, содержащемся в НМ, тогда как в работе [6] эффект приписывается фотоядерным реакциям в атмосфере. В обзорной и расчетно-теоретической работе [7] проведен подробный критический анализ упомянутых выше и других экспериментальных результатов с учетом возможного вклада от фотоядерных реакций, а также рентгеновского и гамма-излучения. Ниже мы сообщаем результаты, полученные во время гроз на установках "Нейтрон-МИФИ" и "Нейтрон-БНО".
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва.
2 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
3 Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования Мос-
ковский государственный университет имени М.В. Ломоно-
сова, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына.
1. ДЕТЕКТОР. УСТАНОВКИ "НЕЙТРОН-МИФИ" И "НЕЙТРОН-БНО"
Регистрация потока нейтронов осуществляется детектором тепловых нейтронов на основе неорганического сцинтиллятора 6ЫБ + ZnS(Ag), нанесенного в виде тонкого слоя на основание светоотражающего конуса, в вершине которого расположен ФЭУ. Тепловые нейтроны вызывают реакцию 6Ы(п, а)3Н + 4.78 МэВ. Альфа-частица и тритон производят сцинтилляции в ZnS, которые регистрируются фотоумножителем ФЭУ-200. Эффективность регистрации нейтронов ~20%. Более подробные сведения о детекторе уже сообщались в работе [8]. Регистрация и полная оцифровка сигналов от ФЭУ проводятся с помощью стандартных быстрых флэш АЦП (FADC).
Форма импульса от нейтрона отличается от фоновых импульсов, вызываемых релятивистскими заряженными частицами и электромагнитными наводками. Это позволяет нам проводить отбор нейтронных сигналов по форме импульса в условиях, связанных с импульсным электромагнитным шумом во время грозы. Каждые 5 минут выводится информация о темпе счета нейтронов N ~ 400/5 мин, темпе счета отбракованных импульсов, и, кроме того, для каждого из импульсов запоминается время его прихода с погрешностью 10 миллисекунд. Каждая из установок "Нейтрон" состоит из четырех эн-детекторов, работающих в различных физических условиях, определяемых толщинами поглотителей. Площадь сцинтиллятора детекторов равна 0.75 м2 в установке МИФИ и 0.36 м2 в установке БНО. В этой работе использованы данные наружных детекторов, максимально чувствительных к вариациям потока атмосферных нейтронов, т.е.
740
АЛЕКСЕЕНКО и др.
n/(n)
20.0
17.0
20.5
21.0
21.5
22.0 22.5
День месяца
Рис. 1. Вариация темпа счета нейтронов как функция времени для двух ливневых гроз: а — 15 июля 2011 года, б 20 июля 2012 года.
находящихся под минимальным количеством поглотителя. В комплект регистрирующих устройств на установке МИФИ входил также регистратор молниевых разрядов.
2. ГРОЗЫ И ЭФФЕКТ ВЛАЖНОСТИ
Прежде всего заметим, что ядра атомов водорода, входящих в состав молекулы воды, являются очень эффективными замедлителями и поглотителями нейтронов. Эффект уменьшения потока нейтронов в окружающей среде во время и после ливневых осадков был уже давно зарегистрирован в экспериментах с неэкранированными нейтронными детекторами [9, 10]. На рис. 1 показаны уменьшения нейтронного потока, с учетом барометрической поправки, во время двух ливневых гроз после продолжительных сухих периодов, зарегистрированные установленными в МИФИ эн-детекторами 15 июля 2011 г. и 20 июля 2012 г. Тонкими линиями показаны вариации по 5-минутным точкам. Статистическая ошибка 5-минутной точки равна 5.4%. Жирные линии — скользящее сглаженное по часовому интервалу. Первый ливень начался в полдень 15 июля 2011— панель а, второй ливень произошёл около 19 часов 20 июля 2012 — панель б. В обоих
случаях наблюдалось примерно 10% уменьшение тепа счета нейтронов. Особенностью события б является то, что один из ударов молнии пришелся в экспериментальный корпус на расстоянии около 10 метров от эн-детектора. Однако по счастливому стечению обстоятельств наша система сбора информации не пострадала. И даже в таком экстремальном случае не было зарегистрировано статистически значимого превышения темпа счёта нейтронов.
3. ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОТОКА НЕЙТРОНОВ ОТ МОЛНИЙ
Основываясь на отсутствии в нашем эксперименте статистически значимых превышений в темпе счёта нейтронов во время гроз, мы можем определить на нашем уровне точности верхний предел для интегрального за 5 минут потока нейтронов ("Direct Current" — DC-методика) от молниевых разрядов. Консервативная оценка верхнего предела интегрального за 5 минут потока нейтронов на 95%-ном доверительном уровне равна Nf < 240 нейтрон • м-2. В реальном эксперименте количество молниевых разрядов достигало
а
ВАРИАЦИИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА ВО ВРЕМЯ ГРОЗ
741
4 штук за 5 минут, что дает основание привести более жесткое ограничение на поток от одного удара молнии N < 60 нейтрон • удар молнии-1 • м-2.
4. ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ПОТОКА НЕЙТРОНОВ
Очевидно, что использование DC-методики — это довольно грубый способ оценки. Как для улучшения оценки, так и для поиска нейтронных вспышек от молний можно воспользоваться идеологией кластерного анализа в его простейшей форме — поиск аномального количества сгущений нейтронов на заданном отрезке времени. Алгоритм поиска: если во временном окне Т количество импульсов N превысило заранее заданное число п, то фиксируется абсолютное время появления такого кластера нейтронов, и в соответствующий бин т на временной оси добавляется единица: Ст = Ст + 1. Для грозового дня 17/07/2014 на Баксане был выполнен поиск с такими параметрами: Т = 10—2 с, п = 1, т = 1440 мин. Анализировался суммарный от трех детекторов ^ = 1.08 м2) поток импульсов с N = 2.9 с-1. Избыток нейтронного потока при т = Л приведет к аномальному количеству кластерных событий Сй.
На рис. 2 показано поведение Ст как функции времени. Полученное распределение частоты кластеров со средней величиной = 4.9 хорошо описывается распределением Пуассона. Мы имеем максимальное значение Ст = 13. Доля событий, имеющих число реализаций Ст < 14, составляет 99.9% для распределения Пуассона со средним = 4.9 и числом входов = 1440. Если допустить, что максимальное отклонение от среднего, равное восьми, реализовалось чисто случайным образом, то можно принять в качестве верхней оценки для потока кластеров число 9, что соответствует 18 нейтронам (количество тройных кластеров составляет долю 0.03 от количества двойных кластеров) на один возможный удар молнии в минуту (консервативный случай). С учетом эффективности регистрации и площади трех детекторов получаем N <83 нейтрон • удар молнии-1 • м-2. Оценка сравнима с полученной по методике DC, но находится на значительно более высоком доверительном уровне.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Зарегистрирован эффект уменьшения потока тепловых нейтронов на 5-10% во время гроз, связанный с увеличением поглощения нейтронов в грунте, насыщенном водой. Сделаны оценки верхних пределов интегрального потока тепловых нейтронов, связанного с разрядами молний: по прямому току Щ (95% д. у.) < 60 нейтрон • удар молнии-1 • м-2, по результату кластерного анализа
Cm
Гроза
14 12 10 8 6 4 2
240 480 720 960 1200 1440 120 360 600 840 1080 1320
мин
Рис. 2. Количество зарегистрированных двойных кластеров в минуту.
Nf (99.9% д. у.) < 83 нейтрон • удар молнии 1 • м 2. Наша методика отличается от других полной оцифровкой сигналов с детекторов и, возможно, благодаря этому за 4 года наблюдений не было зарегистрировано ни одного случая превышения фонового потока тепловых нейтронов во время гроз, включая и случай удара молнии прямо в здание, где расположены детекторы.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 13-02-00574, 14-02-00996), программы Президиума РАН "Фундаментальные свойства материи и астрофизика", Минобрнауки России проект RFMEFI59114X0002; гранта Ведущей научной школы НШ-4930.2014.2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shah G.N. et al. // Nature. 1985. V. 313. P. 773.
2. Chilingarian A., Bostanjyan N., Vanyan L. // Phys. Rev. D. 2012. V. 85(8). 085017.
3. Gurevich A. et al. // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108(12). 125001.
4. Kozlov V. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2013. V. 409. 012210.
5. Tsuchiya H. et al. // Phys. Rev. D. 2012. V. 85(9). 092006.
6. Chilingarian A., Bostanjyan N., Karapetyan T., Vanyan L. // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. V. 409. 012216.
7. Babich L.P. et al. // JETP Lett. 2013. V 97. Issue 6. P. 291.
8. Sten'
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.