Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 360-364

ВВЕДЕНИЕ

С целью увеличения числа точек наблюдения за вариациями космических лучей в лаборатории космических лучей Полярного геофизического института был создан портативный комплекс для мониторинга основных компонент вторичных космических лучей (ВКЛ). Основу комплекса составляет детектор нейтронной компоненты (энергии <1 МэВ) на 6 гелиевых счетчиках СНМ-18 и электронно-программная часть, обеспечивающая многоканальный прием данных и запись их на компактные съемные накопители (SD-карты). Названные части размещены в едином корпусе (см. рис. 1). Прибор имеет возможность подключения различных внешних детекторов, питающихся как независимо, так и от комплекса. В настоящее время имеются два типа внешних подключаемых детекторов: детекторы заряженной компоненты (мюоны и электроны) и сцинтилляционный гамма-детектор (диапазон 20–600 кэВ). Кроме того, комплекс имеет приемник GPS-сигналов с выносной активной антенной для записи координат и получения сигналов точного времени. Запись всех данных производится на твердотельный накопитель раз в минуту. Небольшие габариты, малое энергопотребление и возможность записи данных на флэш-накопители позволяют использовать прибор для мониторинга ВКЛ в труднодоступных и уединенных местах, а также на судах в дальних плаваниях и экспедициях без присутствия персонала.

Рис. 1.

Портативный комплекс для мониторинга вторичных космических лучей, использованный в экспедиции. Детектор гамма-излучения стоит справа, он является внешним прибором, подключаемым к комплексу.

Испытания комплекса в лаборатории показали его надежность и автономность. Прибор в режиме регистрации не требует настройки или какого-либо обслуживания. Для получения данных достаточно сменить SD-карту без выключения прибора. В то же время комплекс может быть подключен в локальную сеть и передавать данные на выбранный компьютер или удаленному пользователю, поскольку комплекс может иметь в своем составе одноплатный мини-компьютер.

Детектор нейтронов представляет собой набор счетчиков СНМ-18, размещенных в полиэтиленовой защите толщиной 25 мм. Полиэтилен выполняет роль замедлителя и расширяет энергетический диапазон счетчиков до 1 МэВ. Детектор гамма-квантов создан на основе сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) размерами ∅62 × 20 мм. Имеются выходы >20 и >100 кэВ. Детектор заряженной компоненты собран из двух наборов счетчиков, разделенных алюминиевой пластиной толщиной 5 мм. В каждом слое размещено 8 счетчиков СТС-6, рабочими выходами являются выход от сумматора верхнего ряда счетчиков и выход со схемы совпадений верхнего и нижнего слоев. Таким образом, верхний слой регистрирует заряженные частицы всех энергий, а схема совпадений выделяет из общего потока только частицы с энергиями от ~6 МэВ.

Функции отклика и эффективность регистрации перечисленных детекторов в примененных конструкциях были вычислены с помощью программного пакета RUSCOSMICS (были заданы конкретно использованные материалы и форма конструкции), разработанного в лаборатории на основе пакета GEANT-4. RUSCOSMICS был разработан для моделирования прохождения энергичных частиц космических лучей через различные среды и материалы [1]. Приводимые рабочие энергетические диапазоны рассчитаны с помощью этого пакета.

МОРСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследовательское судно Мурманского морского биологического института выполняло очередную морскую экспедицию в акватории Баренцева и Гренландских морей осенью 2020 г. Маршрут экспедиции приведен на рис. 2. На этом корабле был установлен портативный комплекс для регистрации различных компонент ВКЛ в том составе, как показано на рис. 1: нейтронный и сцинтилляционный детекторы; сцинтилляционный детектор гамма-излучения идентичен установленным в шести пунктах на суше: Апатиты, Баренцбург, Тикси, Якутск, Ростов-на-Дону и Нейтрино (Северный Кавказ). Во всех перечисленных пунктах отмечаются события возрастания гамма-излучения, приходящего из атмосферы [2]. Подробно об этом явлении рассказано в [3, 4]. Отметим, что амплитуда этих возрастаний обычно составляет 20–50%, хотя отмечены возрастания до 100%. Длительность обычно превышает время выпадения осадков примерно на 1–2 ч. В Апатитах размещается наиболее оснащенная система наблюдения. В ее состав входят два сцинтилляционных детектора с диапазонами 20–600 кэВ и 0.1–10 МэВ. Имеется система регистрации дифференциальных энергетических спектров гамма-излучения со временем сбора одного спектра продолжительностью 30 мин. В этой системе дополнительно включен оптический регистратор осадков, показывающий относительную интенсивность осадков с периодичностью 1 мин. Измерения дифференциальных спектров гамма-излучения во время осадков и во время ясной погоды показали, что спектр излучения во всех случаях непрерывный, монотонно падающий, без характеристических линий; он соответствует спектру тормозного излучения [5], возникающего при движении легкой заряженной частицы в атмосфере. Для калибровки спектрометра использовались линии цезия-137 и природного калия-40.

Рис. 2.

Маршрут экспедиции в акватории Ледовитого океана.

Различными экспериментами были получены свидетельства, что возрастания при осадках не обусловлены дополнительным выделением радона из почвы или переносом радионуклидов с облаками. Против радонной гипотезы выступает тот факт, что возрастания наблюдаются зимой, когда почва промерзает на глубину более метра, а поверх лежит слой плотного снега. Против радионуклидной – перенос их в облаках и выпадение с осадками – выступает тот факт, что, время спада уровня гамма-излучения к базовому уровню составляет менее часа. Следовательно, период полураспада радионуклида также не более этого значения. Это означает, что радионуклид должен попасть в облако и быть перенесенным из места выделения к месту наблюдения тоже не более, чем за 1–2 ч. Во-первых, такой постоянный источник радионуклида в окрестностях города был бы известен СЭС, во-вторых, возрастания наблюдаются на Шпицбергене, где отсутствует какое-либо промышленное производство, а сам архипелаг удален от материка на тысячу км. Перенос облаками короткоживущего радионуклида на такое расстояние невозможен, он распадется по пути.

Поэтому наблюдениям за вариациями гамма-фона над морской поверхностью во время экспедиции уделялось особое внимание. Портативный комплекс размещался в легкой палубной надстройке, а детектор гамма-излучения устанавливался у окна с небольшим наклоном наружу, чтобы большая часть поля зрения детектора не перекрывалась стенами или потолком. Дело в том, что стальные стенки надстройки довольно сильно поглощают гамма-кванты, особенно с энергиями менее 100 кэВ.

На рис. 3 и 4 приведены результаты работы портативного комплекса. Как видим, фон нейтронов тепловых и умеренных (до 1 МэВ) энергий сохраняется постоянным как у берега, так и вдали от суши. Нейтроны создаются в результате взаимодействия первичных космических частиц с ядрами атомов атмосферы, поток космических лучей задается либо жесткостью геомагнитного обрезания, либо (в северных широтах, где порог низкий) атмосферным порогом обрезания 1 ГВ [2]. Поскольку атмосферное обрезание действовало на всем маршруте экспедиции, то и поток вторичных нейтронов не менялся существенно. Отметим, что нуклонная компонента ВКЛ (к которой принадлежат и нейтроны) является наименее подверженной воздействию атмосферы [2], за исключением барометрического эффекта, который легко может быть исправлен.

Рис. 3.

Профиль счета детектора нейтронов. Слева: во время тестирования комплекса на стоянке в порту Мурманска. Справа: в ходе экспедиции. Данные исправлены на вариации давления. Пятиминутное усреднение.

Рис. 4.

Профиль счета гамма-детектора. Канал >20 кэВ. Часовое усреднение.

Гамма-фон по маршруту экспедиции изменялся. Поскольку ни радон, ни радионуклиды посреди моря не могут быть источниками вариаций потока гамма-излучения, следует признать, что все наблюдаемые изменения потока связаны с атмосферными процессами. Постоянный уровень счета нейтронного детектора указывает на то, что поток космических лучей был на постоянном уровне, а вариации на рис. 4 отражают влияние атмосферных процессов на поток гамма-квантов. Из опыта многолетних наблюдений за гамма-фоном на других станциях известно, что медленные изменения фона (периоды более суток) связаны с такими метеорологическими явлениями, как туман, сильный ветер. В ходе экспедиции за метеорологическими явлениями не следили, доступны только записи в судовом журнале. На 9–11 ноября запись сообщает, что было сильное волнение, сильный ветер без осадков.

Наиболее интересным результатом экспедиции является обнаружение событий возрастаний гамма-фона при осадках. На рис. 5. это 12, 15 и ночь 16–17 ноября. В судовом журнале отмечено, что в это время наблюдался дождь или дождь со снегом. Возрастание определяется, во-первых, по записи в судовом журнале – начался дождь, – во-вторых, по типичному профилю: более резкие передний фронт и пологий спад. Скорее всего, и более протяженное возрастание 14–16 ноября тоже имеет тот же характер и природу, поскольку в судовом журнале в этот период отмечен туман, морось. Но запись о дожде относится к 15 ноября, поэтому выделено только достоверное возрастание в эту дату. После возрастания 16–17 ноября уровень гамма-фона не вернулся к прежнему уровню. Это может быть обусловлено продолжением осадков в виде мороси. К сожалению, установленный портативный комплекс работал в автономном режиме, тщательных наблюдений за погодой экипажем корабля не проводилось.

Рис. 5.

Возрастания гамма-излучения 12 и 16–17 ноября. Пятиминутное усреднение.

ОБСУЖДЕНИЕ

Основным результатом данной работы является испытание комплекса с подключенным детектором гамма-излучения в морской экспедиции, в условиях, отличающихся от стационарных. По итогам экспедиции, были получены важные результаты, связанные с обнаружением возрастаний гамма-излучения при осадках. Эти возрастания четко определяются на фоне других вариаций. Их амплитуда, длительность и профиль соответствуют подобным возрастаниям в Апатитах и Баренцбурге. Поэтому не остается сомнений, что наблюдался тот же эффект, что на других станциях на берегу. Во многих событиях (как 12 ноября) после прекращения осадков происходит возвращения к уровню гамма-фона, бывшему до начала дождя, в течение 1–2 ч. Если этот спад трактовать как время распада радионуклида, принесенного осадками из загрязненной области, то на перенос вместе с облаками радионуклида с суши к кораблю, находящемуся во многих сотнях км от берега, потребуется много часов, за которые этот короткоживущий радионуклид полностью распадется. Ведь после выпадения с дождем он полностью распадается за пару часов. Таким образом, вывод, полученный в ходе экспедиции: возрастания гамма-излучения при осадках являются распространенным по всей Земле эффектом. Он вызван пока еще не до конца выясненным механизмом взаимодействия ВКЛ с метеорологическими процессами в атмосфере. Наиболее вероятными представляются гипотезы, связанные с электрическим полями в облаках. О влиянии электрических полей грозовых облаков на потоки мюонов имеется немало работ, например [6–9], однако, в них идет речь о низких широтах, где электрические явления в атмосфере распространены. Ясно, что полярная атмосфера в условиях полярной ночи не способна создавать электрические поля большой напряженности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе морской научной экспедиции во время плавания в акваториях Баренцева и Гренландского морей были зарегистрированы типичные возрастания гамма-фона во время осадков. Такие возрастания много лет отмечаются на сети станций, размещенных от Баренцбурга до Северного Кавказа. Амплитуда этих возрастаний составила ~20%, длительность – несколько часов. Важность этих наблюдений состоит в том, что исключается гипотеза дополнительного выделения радионуклидов из почвы во время осадков или вынесения их ветрами из промышленных зон. Наблюдение возрастаний гамма-фона в десятках и сотнях километров от береговой линии однозначно указывает, что причиной возрастания не могут быть выделения радионуклидов из почвы, равно как и перенос промышленных выбросов воздушными массами.

Проведение во время морской экспедиции в акватории Баренцева и Гренландских морей мониторинга фонового потока гамма-излучения, возникающего в атмосфере от вторичных космических лучей, показало, что наблюдавшиеся ранее на сети материковых станций возрастания гамма-излучения при осадках происходят и на море вдали от суши. Таким образом, предположение, что возрастания связаны с попаданием в облака антропогенных или природных короткоживущих радионуклидов из почвы, может быть окончательно отвергнуто.