1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 11, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1634-1636

Компактные счетчики заряженной компоненты как дополнительное средство верификации моделирования прохождения космических лучей через атмосферу Земли

Е. А. Маурчев 1, *, Ю. В. Балабин 1, А. В. Германенко 1

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Полярный геофизический институт”
Апатиты, Россия

* E-mail: maurchev1987@gmail.com

Поступила в редакцию 21.06.2021
После доработки 05.07.2021
Принята к публикации 28.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлено описание и технические характеристики компактных счетчиков Гейгера, предназначенных для верификации расчетов прохождения космических лучей через атмосферу Земли. Показаны результаты в виде сравнения высотных профилей скорости счета заряженных частиц, полученных в результате моделирования и проведения реальных экспериментов.

ВВЕДЕНИЕ

Для исследования прохождения космических лучей (КЛ) через атмосферу Земли используются как экспериментальные, так и численные методы [1–6]. В том случае, когда для определения параметров потоков вторичных частиц (спектров, угловых распределений, интенсивности) используется моделирование, необходимо быть уверенным в корректности работы используемой модели. Для этого нами проводится верификация, основанная на сравнении экспериментальных данных с результатами расчетов. Наиболее подходящими данными являются высотные профили, полученные во время запуска шаров-зондов с установленными на них счетчиками Гейгера. Главным преимуществом здесь является долговременный характер проводимых исследований, в течение нескольких десятилетий, а также большое значение достигаемых высот (до 30 км). Однако при решении таких задач, как расчет скорости ионизации в точках с различным значением жесткости геомагнитного обрезания, желательно иметь измерения для нескольких точек с различными географическими координатами. Поэтому нами было решено разработать собственные компактные счетчики ионизирующего излучения, позволяющие производить запись данных с привязкой к портативному мобильному устройству на базе операционной системы Android и с перспективой объединения ряда этих детекторов в единую сеть. Такой подход позволит расширить географию измерений и дополнить уже имеющиеся данные с высоким разрешением по высоте, получаемые при помощи шаров-зондов с установленными на них счетчиками Гейгера. Следует заметить, что ранее уже проводились попытки измерений подобным оборудованием, хоть и для весьма локальных точек [7], при этом представленные результаты находятся в согласии с тем, что получаем мы.

В ходе проведения эксперимента по созданию дополнительной системы верификации программного комплекса RUSCOSMICS [5], у используемого ранее детектора [8–10] был выявлен существенный недостаток, который заключается в том, что его размеры далеки от компактных и транспортировка с целью проведения измерений на самолете становится весьма затруднительной. Также в старой модификации прибора запись скорости счета частиц из заряженной компоненты производится на SD-карту, а реализовать интерфейс передачи данных в режиме реального времени можно только при стационарном использовании через проводное соединение. В этой работе нами представлена реализация компактного детектора с системой сбора на базе микроконтроллера ESP32 и любого портативного устройства с платформой Android. Особенностью прибора является то, что данные могут записываться в память смартфона, откуда, при наличии подключения к сети Интернет, автоматически перенаправляются в удаленную базу (в любом формате, например SQL). Для реализации функции связи детектора и мобильного устройства используется беспроводной канал передачи Bluetooth. Представлены типовые графики записи скорости счета с привязкой к координатам, полученным через GPS, а также схема взаимодействия с внешней базой данных.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДЕТЕКТОРА

Особенностью разработанного детектора является использование современного и недорогого микроконтроллера ESP32 (Tensilica Xtensa LX6 [11]), имеющего широкий функционал и низкое энергопотребление.

Питание всех узлов производится от LiIon аккумуляторной батареи серии 18650. Преобразование до нужного уровня, стабилизация выходного напряжение и заряд осуществляются при помощи специализированного модуля, имеющего удобный форм-фактор и функциональную компоновку (есть регулятор диапазона значений и разъем типа micro-USB, позволяющий стационарно питать и заряжать устройство). Рабочее напряжение счетчика (U = 400 В) формируется составным модулем, состоящим из мультивибратора, преобразующего трансформатора и умножителя. Блок формирователя счетных импульсов, необходимых для выполнения функции по прерыванию, использует опорное напряжение 3.3 вольта, безопасное для входов порта микроконтроллера. Их длительность составляет t = 100 мкс. Полученный сигнал подается на вход микроконтроллера ESP32, где регистрируется программой и сохраняется в память устройства. Каждое срабатывание счетчика сопровождается звуковым сигналом пьезоэлемента, который может быть по желанию отключен. Информация о текущем счете и количестве зарегистрированных частиц за минуту выводится на экран, также каждую секунду формируется пакет данных, который передается по беспроводной линии связи c использованием спецификации Bluetooth Low Energy (BLE) на устройство под управлением ОС Android со специально установленной программой. Принципиальная блок-схема детектора представлена на рис. 1. Габариты корпуса последней модификации равны: длина – 120 мм, ширина – 40 мм, высота – 25 мм.

Рис. 1.

Принципиальная блок-схема компактного счетчика Гейгера, предназначенного для дополнительной верификации вычислений прохождения КЛ через атмосферу Земли.

СРАВНЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ С РЕЗУЛЬТАТОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Во время запуска шара-зонда или полета на авиалайнере происходит запись высотного профиля скорости счета заряженных частиц и гамма-квантов. При проведении расчетов прохождения протонов первичных КЛ через атмосферу Земли, можно воспроизвести этот эксперимент путем подсчета электронов, позитронов, мюонов, протонов и гамма-квантов в детектирующих объемах, расположенных на разных высотах с определенным шагом (например, 1 км). Тогда суммарное число частиц, зарегистрированных в i-м модельном детекторе, можно выразить через формулу (1):

(1)
${{J}_{i}} = {{J}_{{i({{e}^{ - }}{{e}^{ + }})}}} + {{J}_{{i({{\mu }^{ - }}{{\mu }^{ + }})}}} + {{J}_{{ip}}} + 0.01{{J}_{{i\Upsilon }}},$
где ${{J}_{{i({{e}^{ - }}{{e}^{ + }})}}}$ – электроны и позитроны, ${{J}_{{i({{{{\mu }}}^{ - }}{{{{\mu }}}^{ + }})}}}$ – мюоны, Jip – протоны, Jiγ – гамма-кванты, зарегистрированные в i-м модельном детекторе. После этого можно произвести сравнение экспериментальных и расчетного профилей, пример приведен на рис. 2.

Рис. 2.

Сравнение высотных профилей скорости счета, полученных во время запуска шаров-зондов для разных периодов времени и проведения измерений на самолете, с результатами моделирования прохождения протонов ГКЛ. Треугольник влево – измерения на зонде (04.01.2010), треугольник вправо – измерения на зонде (11.01.2010), треугольник вниз – измерения на зонде (18.01.2010), треугольник вверх – измерения на зонде (20.01.2010), крестики – измерения на аэробусе 2018 (67.95 c.ш., 32.8 в.д., набор высоты), сплошная линия – данные расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан и собран портативный счетчик Гейгера, работающий в режиме измерения интенсивности потока заряженных частиц, оснащенный современной системой сбора данных на базе функционального микроконтроллера ESP32, а также написано приложение на ОС Android, позволяющее в автоматическом режиме собирать данные, которые потом могут быть легко размещены при помощи API на любом подходящем сервере. Основной особенностью устройства является то, что в качестве основного канала связи для передачи информации используется модуль Bluetooth Low Energy. Совокупность использованных решений обеспечивает пользователя инструментом измерения, работающим в фоновом режиме и который может использоваться как мобильная, так и стационарная система регистрации фонового излучения. Авторы предполагают, что вследствие наличия у них возможности изготовления такого оборудования удастся построить сеть, наблюдающую за фоновым потоком вторичных частиц космического излучения для точек с различными географическими координатами.

Список литературы

  1. Bazilevskaya G.A., Usoskin I.G., Flückiger E.O. et al. // Space Sci. Rev. 2008. V. 137. P. 149.

  2. Stozhkov Yu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya, G.A. et al. // Adv. Space Res. 2009. V. 44. No. 10. P. 1124.

  3. Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A., Stozhkov Y.I. et al. // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2016. V. 149. P. 258.

  4. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 5. С. 711; Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Gvozdevskii B.B. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. No. 5. P. 657.

  5. Маурчев Е.А., Михалко Е.А., Германенко А.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 5. С. 712; Maurchev E.A., Mikhalko E.A., Germanenko A.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 5. P. 653.

  6. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. // Солн.-земн. физ. 2016. Т. 2. № 4. С. 3; Maurchev E.A., Balabin Yu.V. // Sol.-Terr Phys. 2016. V. 2. № 4. P. 3.

  7. Маурчев Е.А., Германенко А.В., Михалко Е.А. и др. // Сб. тр. XVI Конф. молодых ученых. Сер. “Мех. упр. информ.” 2019. С. 103.

  8. Blanco F., La Rocca P., Riggi F. // Eur. J. Phys. 2009. V. 30. No. 4. P. 685.

  9. Германенко А.В., Маурчев Е.А., Михалко Е.А. // Phys. Aur. Phenom. 2019. V. 42. No. 1(43). P. 119.

  10. Маурчев Е.А., Михалко Е.А., Германенко А.В. и др. // Тр. Кольск. науч. центра РАН. 2018. Т. 9. № 5–4. С. 76.

  11. ESP32 Datasheet. Version 3.3. Espressif Systems, 2020. 56 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал